ВРАЩАЮЩИЙСЯ УЗЕЛ ВЕНТИЛЯТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВЕНТИЛЯТОР, СОДЕРЖАЩИЙ УЗЕЛ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F04D29/32 F04D29/34 F04D19/00 F02K3/04 

Настоящее изобретение касается вращающегося узла вентилятора газотурбинного двигателя. Оно предназначено для любого типа газотурбинного двигателя, наземного или авиационного, и, в частности, для авиационных турбореактивных двигателей.

В частности, объектом настоящего изобретения является вращающийся узел вентилятора, содержащий диск, вращающийся вокруг оси А; множество лопаток, закрепленных своими ножками на этом диске и направленных радиально наружу, начиная от этого диска; и множество междулопаточных площадок, каждая из которых расположена между двумя смежными лопатками и ограничивает внутренний профиль канала потока текучей среды, проходящего через вентилятор.

В настоящей заявке термины «передний» и «задний» определены относительно нормального направления потока текучей среды (от входа к выходу) в газотурбинном двигателе. Кроме того, осевое направление соответствует направлению оси А вращения диска вентилятора, а радиальное направление является направлением, перпендикулярным к оси А. Наконец, если только не предусмотрено другое, прилагательные «внутренний» и «наружный» используются относительно радиального направления таким образом, что внутренняя (то есть радиально внутренняя) часть элемента находится ближе к оси А, чем наружная (то есть радиально наружная) часть этого же элемента.

Следует уточнить, что междулопаточные площадки, рассматриваемые в рамках настоящего изобретения, являются «присоединяемыми» площадками, то есть площадками, выполненными отдельно от других элементов вращающегося узла и соединяемых с этими другими элементами. В частности, они не являются неотъемлемой частью лопаток, то есть речь не идет о так называемых «интегрированных» площадках.

По мере возможности конструкторы отдают преимущество «присоединяемым» площадкам перед «интегрированными» площадками, поскольку они обладают следующими преимуществами:

- Они позволяют выполнять более простую конструкцию лопаток вентилятора.

- В случае разрушения лопаток «присоединяемые» площадки не связаны с фрагментами лопаток, поэтому обломки имеют небольшие размеры. Таким образом, картер, находящийся снаружи лопаток (называемый ограничительным картером), не требует наличия улавливателя обломков (улавливатель обломков является полостью, выполненной с возможностью размещения лопатки и ее «интегрированной площадки» в случае поломки и позволяющей, таким образом, избежать повреждения других лопаток).

- Площадки можно выполнять из материала, отличного от материала лопатки. Как правило, площадки выполняют из композитного материала, тогда как лопатки выполняют из металлического сплава.

«Интегрированные» площадки должны быть закреплены, так как в противном случае они могут отойти в радиальном направлении (наружу) от диска вращающегося узла под действием центробежных сил.

Вращающиеся узлы вентилятора с «присоединенными» площадками вышеупомянутого типа описаны в патентах US 4655687, US 5466125, US 5281096 и US 6217283В1.

В патенте US 4655687 описан вращающийся узел, в котором каждая междулопаточная площадка содержит несколько лапок, выполненных радиально в сторону диска. Эти лапки заканчиваются крючками, зацепляющимися с другими крючками, выполненными на наружной поверхности диска. Эта система крючков позволяет удерживать каждую площадку в радиальном направлении и противостоит центробежной силе, действующей на эту площадку во время ее вращения. Эта система отличается высокой себестоимостью с учетом затрат на изготовление упомянутых лапок и на механическую обработку упомянутых крючков.

В патенте US 5546125 описан вращающийся узел, в котором каждая междулопаточная площадка содержит лапку, выполненную в радиальном направлении в сторону диска, заканчивающуюся шипом в виде ласточкина хвоста. Этот шип соединяют с пазом, выполненным в диске механической обработкой. Между шипом и пазом вставляют клин. Недостатком такой системы являются высокие затраты на изготовление и сложность сборки, в частности, по причине необходимости установки упомянутого клина.

В патентах US 5281096 и US 6217283В1 описаны вращающиеся узлы, в которых соответственно спереди и сзади междулопаточных площадок предусмотрены кольцевые фланцы. Эти фланцы закреплены на диске вентилятора при помощи болтов. Эти фланцы закрывают снаружи передний и задний края этой площадки, чтобы ограничить осевое перемещение каждой площадки и удерживать эту площадку в радиальном направлении.

Следовательно, фланцы должны быть закреплены достаточно хорошо на диске и должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять центробежным радиальным силам, действующим на площадку во время вращения. Такие фланцы являются дорогостоящими в изготовлении. Кроме того, монтаж фланцев усложняется из-за того, что каждый фланец (передний или задний) должен закрывать снаружи края (передний или задний) всех площадок и каждый фланец должен быть прочно закреплен на диске.

Задачей настоящего изобретения является разработка вращающегося узла вышеупомянутого типа для системы удержания площадок в радиальном направлении, которая являлась бы альтернативой известным системам и обеспечивала легкую сборку.

Для решения этой задачи предложен вращающийся узел вентилятора газотурбинного двигателя, содержащий диск, вращающийся вокруг оси; множество лопаток, закрепленных своими ножками на этом диске и направленных радиально наружу, начиная от этого диска; и множество междулопаточных площадок, каждая из которых расположена между двумя смежными лопатками и ограничивает внутренний профиль канала потока текучей среды, проходящего через вентилятор; отличающийся тем, что упомянутые смежные лопатки содержат на своих находящихся друг против друга сторонах кулисы, между которыми упомянутая площадка может перемещаться скольжением, при этом кулисы ограничивают радиальное перемещение упомянутой площадки наружу.

В частности, упомянутые кулисы используются в качестве направляющих для перемещения скольжением упомянутой площадки и образуют упоры для каждой площадки таким образом, чтобы удерживать ее, противодействуя центробежным радиальным силам (направленным наружу), которые действуют на эту площадку во время вращения вентилятора.

Следует отметить, что ограничение кулисами радиального перемещения наружу площадки необязательно означает, что они препятствуют любому радиальному перемещению этой площадки. Поэтому настоящее изобретение касается также вращающихся узлов, в которых возможно радиальное смещение площадки.

Преимуществом вращающегося узла в соответствии с настоящим изобретением является простота его сборки за счет того, что площадки устанавливают перемещением скольжением между лопатками и что используют небольшое число деталей узла.

Предпочтительно, чтобы вращающийся узел в соответствии с настоящим изобретением содержал фланцы, на которые опираются передний и задний края упомянутой площадки, ограничивая осевое перемещение упомянутой площадки.

Эти фланцы, в отличие от фланцев, раскрытых в патентах US 5281096 и US 6217283В1, функционально не предназначены противодействовать центробежным радиальным силам, действующим на площадки, поскольку эта функция обеспечивается кулисами. Поэтому фланцы не должны обязательно закрывать снаружи площадки, что позволяет выполнять фланцы меньшего размера и меньшего веса и упрощает их монтаж.

Небольшие габариты междулопаточных площадок и упомянутых фланцев делают изобретение особенно привлекательным для использования в двигателях небольшого размера (например, в двигателях, диаметр вентилятора которых меньше 40 дюймов, то есть примерно составляет 1 метр).

Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания примеров осуществления, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид передней части примера авиационного турбореактивного двигателя самолета.

Фиг. 2 - вид в сечении по плоскости II-II (перпендикулярной к оси А) фиг. 1 примера вращающегося узла в соответствии с настоящим изобретением в зоне соединения междулопаточной площадки.

Фиг. 3 - вид в разрезе по радиальной плоскости III-III фиг.2.

Фиг. 4 и 5 изображают вид, аналогичный фиг. 2, других примеров вращающегося узла в соответствии с настоящим изобретением.

Элементы, аналогичные фиг. 2 и показанные на фиг. 4 и 5, обозначены теми же цифровыми позициями, увеличенными соответственно на 100 и 200.

На фиг. 1 показана передняя часть двухконтурного турбореактивного двигателя 10 самолета. Эта передняя часть содержит вентилятор 12, окруженный наружным картером 14. На выходе вентилятора 12 находится компрессор 16 высокого давления или бустер турбореактивного двигателя.

Вентилятор 12 содержит вращающийся узел в соответствии с настоящим изобретением, пример выполнения которого показан на фиг. 2 и 3.

Этот вращающийся узел содержит диск 18, вращающийся вокруг оси А, соответствующей оси вращения ротора турбореактивного двигателя. На периферии диска 18 установлены лопатки 20, которые вращаются вместе с диском 18 и расположены с равномерными промежутками относительно друг друга.

Каждая лопатка 20 закреплена на диске 18 своей ножкой 22, которая образует шип в виде ласточкина хвоста и которая заходит в паз 24, выполненный с этой целью на наружной поверхности 18Е диска 18. Ножки 22 лопаток установлены с небольшим зазором в пазах 24, чтобы обеспечивать небольшой поворот лопаток 20 по отношению к диску 18 в окружном направлении диска. Этот небольшой поворот Р показан двойной стрелкой на фиг. 2.

Междулопаточная площадка 30 установлена между каждой парой смежных лопаток 20. Площадки 30 выполняют различные функции, а именно: ограничивают аэродинамический внутренний профиль для потока текучей среды, проходящего через вентилятор; ограничивают поворот Р лопаток 20; и защищают диск 18 от объектов, которые могут попадать в вентилятор.

Следует отметить, что канал потока текучей среды, проходящего через газотурбинный двигатель, может быть определен как оболочка, ограничивающая пространство прохождения упомянутой текучей среды. Профиль (или форма) этого канала на уровне вентилятора 22 ограничен изнутри площадками 30 и снаружи картером 14 вентилятора.

Предпочтительно площадки 30 выполняют из более легкого материала, чем материал лопаток 20. Например, площадки 30 выполняют из композитного материала, тогда как лопатки 20 выполняют из металлического сплава.

Согласно изобретению две смежные лопатки 20 содержат на своих находящихся друг против друга боковых сторонах 20А кулисы 25, между которыми может перемещаться скольжением площадка 30. В представленных примерах кулисы 25 выступают по отношению к остальной части боковых сторон 20А. Согласно другим примерам выполнения, не показанным на чертежах, кулисы 25 выполнены в виде выемок по отношению к остальной части боковых сторон 20А.

Кулисы 25 и наружная поверхность 18Е вращающегося диска 18 ограничивают между собой гнездо, внутри которого может перемещаться скольжением площадка 30. В данном примере в радиальном сечении (то есть в плоскости фиг. 2) контур площадки 30 и контур упомянутого гнезда имеют формы, дополняющие друг друга.

Площадка 30 является цилиндрической и имеет сечение в виде «С». Таким образом, площадка 30 является полой, что позволяет ограничить ее вес. Она содержит наружную стенку 30Е, две боковые стенки 30L и две внутренние стенки 30I, выполненные в продолжении боковых стенок 30L и загнутые в сторону центра площадки. Наружная стенка 30Е и нижние стенки 30I выполнены в окружном направлении диска 18, тогда как боковые стенки 30L выполнены в радиальном направлении. Тот факт, что боковые стенки 30L не соединяются, чтобы образовать сплошную нижнюю стенку, повышает гибкость площадки 30 в окружном направлении.

Согласно частному варианту осуществления изобретения площадка 30 содержит канавки 32, выполненные вдоль ее боковых сторон, и в каждую канавку 32, по меньшей мере, частично заходит кулиса 25.

В частности, канавки 32 выполнены на пересечениях между боковыми сторонами и наружной стороной площадки 30, то есть на пересечениях между наружной стенкой 30Е и боковыми стенками 30L, и в каждую канавку 32 частично заходит кулиса 25.

В каждую канавку 32 заходит внутренняя часть кулисы 25 таким образом, чтобы наружная поверхность площадки 30 находилась в продолжении наружной поверхности кулис 25. Это обеспечивает непрерывность наружной поверхности между кулисами 25 и площадкой 30, чтобы максимально улучшить аэродинамический профиль для потока текучей среды, проходящей через вентилятор.

Радиальное перемещение площадки 30 наружу ограничено (в данном случае оно даже невозможно) кулисами 25, на которые опирается наружная сторона площадки. В частности, на кулисы 25 опираются стенки канавок 32.

Кроме того, радиальное перемещение площадки 30 внутрь ограничено (в данном случае оно даже невозможно) наружной поверхностью 18Е вращающегося диска 18, на которую опирается внутренняя сторона площадки 30. В частности, на наружную поверхность 18Е опираются внутренние стенки 30I.

Что касается осевого перемещения (вдоль оси А) площадки 30, то ее передний край и задний край опираются на фланцы 40, показанные на фиг. 3. В данном примере эти фланцы 40 являются кольцевыми и предназначены, таким образом, для всех площадок 30 диска 18. Фланцы 40 закреплены на этом диске 18 при помощи болтов, винтов или при помощи любого другого соответствующего средства.

Следует отметить, что фланцы 40 не закрывают полностью площадку 30. Иначе говоря, фланцы 40 не входят в контакт с наружной стенкой 30Е площадки 30. Эти фланцы находятся в контакте только с передним и задним краями площадки. Благодаря этому, установка фланцев является простой операцией.

Далее со ссылками на фиг. 4 следует описание другого варианта выполнения вращающегося узла в соответствии с настоящим изобретением.

Согласно этому варианту каждая из находящихся друг против друга боковых сторон 120А двух смежных лопаток 120 содержит наружную кулису 125 и внутреннюю кулису 126. Таким образом, между двумя смежными лопатками 120 имеется четыре кулисы: две наружные кулисы 125 и две внутренние кулисы 126.

Обе наружные кулисы 125 ограничивают радиальное перемещение площадки 130 наружу. Таким образом, эти кулисы 125 выполняют такую же функцию, что и кулисы 25 из примера, представленного на фиг. 2. Кроме того, площадка 130 содержит канавки 132, аналогичные канавкам 32, в которые может заходить внутренняя часть кулис 125 таким образом, чтобы наружная сторона площадки 130 находилась в продолжении наружной стороны кулис 125.

Обе внутренние кулисы 126 позволяют ограничить (и в данном случае даже исключить) радиальное перемещение площадки 130 внутрь.

Иначе говоря, если рассматривать одну из лопаток 120, наружная 125 и внутренняя 126 кулисы ограничивают между собой канавки 150, внутри которых может перемещаться скольжением, по меньшей мере, часть бокового края площадки 130.

На фиг. 5 показан другой пример вращающегося узла в соответствии с настоящим изобретением. Согласно этому примеру смежные лопатки 220 содержат на каждой из своих находящихся друг против друга боковых сторон 220А кулису 225, которая выступает относительно этой боковой стороны. Кроме того, площадка 230 содержит канавки 245, выполненные вдоль ее боковых сторон, и в каждую канавку 245 полностью заходит одна из кулис 125.

Таким образом, когда площадка 230 стремится переместиться радиально наружу, внутренняя стенка 245I канавки 245 опирается на кулису 125. Кроме того, когда площадка 230 стремится переместиться радиально внутрь, наружная стенка 245Е канавки 245 опирается на кулису 225. Таким образом, кулиса 225 позволяет ограничить радиальное перемещение площадки 230 внутрь и наружу.

Группа изобретений относится к вращающемуся узлу вентилятора газотурбинного двигателя, предназначена для любого типа газотурбинного двигателя, наземного или авиационного, и, в частности, для авиационных турбореактивных двигателей, и позволяет при ее использовании обеспечить удержание межлопаточных площадок в радиальном направлении и упрощает сборку вращающегося узла вентилятора. Указанный технический результат достигается во вращающемся узле вентилятора (12) газотурбинного двигателя, содержащем диск (18), вращающийся вокруг оси А; множество лопаток (20), закрепленных своими ножками (22) на этом диске и направленных радиально наружу, начиная от этого диска; и множество междулопаточных площадок (30), каждая из которых расположена между двумя смежными лопатками (20) и ограничивает внутренний профиль канала потока текучей среды, проходящего через вентилятор. Эти смежные лопатки (20) содержат на своих находящихся друг против друга боковых сторонах (20А) кулисы (25), между которыми может перемещаться скольжением упомянутая площадка (30), при этом кулисы ограничивают радиальное перемещение упомянутой площадки (30) наружу. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вращающийся узел вентилятора (12) газотурбинного двигателя, содержащий: диск (18), вращающийся вокруг оси А; множество лопаток (20), закрепленных своими ножками (22) на этом диске и направленных радиально наружу, начиная от этого диска; и множество междулопаточных площадок (30), каждая из которых расположена между двумя смежными лопатками (20) и ограничивает внутренний профиль канала потока текучей среды, проходящего через вентилятор, причем упомянутые смежные лопатки (20) содержат на своих находящихся против друг друга боковых сторонах (20А) кулисы (25), расположенные снаружи диска (18) и ограничивающие радиальное перемещение площадки (30) наружу, отличающийся тем, что площадка (30) выполнена цилиндрической с сечением в виде «С» и содержит наружную стенку (30Е), две боковые стенки (30L) и две нижние стенки (30I), расположенные в продолжении боковых стенок (30L) и загнутые в сторону центра площадки.

2. Вращающийся узел по п.1, содержащий фланцы (40), на которые опираются передний и задний края площадки (30), ограничивая осевое перемещение упомянутой площадки.

3. Вращающийся узел по п.1, в котором кулисы (25) выполнены выступающими.

4. Вращающийся узел по п.1, в котором радиальное перемещение площадки (30) внутрь ограничено наружной поверхностью (18Е) диска (18).

5. Вращающийся узел по п.4, в котором кулисы (25) и наружная поверхность (18Е) вращающегося диска (18) ограничивают между собой гнездо, внутри которого может перемещаться скольжением упомянутая площадка (30), и в котором в радиальном сечении контур площадки (30) и контур упомянутого гнезда имеют формы, дополняющие друг друга.

6. Вращающийся узел по п.1, в котором каждая из находящихся друг против друга боковых сторон (120А) содержит наружную кулису (125) и внутреннюю кулису (126), при этом обе наружные кулисы ограничивают радиальное перемещение площадки (130) наружу, а обе внутренние кулисы (126) ограничивают радиальное перемещение площадки (130) внутрь.

7. Вращающийся узел по п.1, в котором площадка (30) содержит канавки (32), выполненные вдоль ее боковых сторон, при этом в каждую канавку (32), по меньшей мере, частично заходит кулиса (25).

8. Вращающийся узел по п.7, в котором канавки (32) находятся на пересечениях между боковыми сторонами и наружной стороной упомянутой площадки (30), при этом в эти канавки заходит внутренняя часть кулис (25) таким образом, чтобы наружная сторона упомянутой площадки находилась в продолжении наружной стороны кулис.

9. Вентилятор газотурбинного двигателя, содержащий вращающийся узел по п.1.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор по п.9.