КОЛЕСО ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2013 года по МПК F01D5/30 F04D29/32 

Настоящее изобретение касается колеса турбомашины, такой как авиационный турбореактивный двигатель, в частности крепления колец, воспринимающих центробежные усилия, воздействующие на такое колесо.

Каждое колесо турбомашины содержит серию лопаток, которые закреплены или сформированы на роторном диске, жестко соединенном с вращающимся валом. При работе лопатки воздействуют на роторный диск очень высокими центробежными силами, что приводит к необходимости рассчитывать размеры этого диска таким образом, чтобы он мог выдержать эти силы с определенным запасом прочности. Такой расчет размеров значительно увеличивает массу диска.

Для исключения этого недостатка известно использование колец из композитного материала с металлической матрицей (СММ), которые монтируются на роторном диске таким образом, чтобы выдерживать центробежные усилия, оказываемые лопатками на диски при работе, что позволяет облегчить диски.

Особенностью этих колец является то, что они одновременно легки и очень прочны, что позволяет им поглощать центробежные напряжения, связанные с массой лопаток при высоких скоростях вращения, так, чтобы диск подвергался воздействию приемлемой нагрузки.

Аксиальное удержание колец из композитного материала с металлической матрицей обычно требует сверления диска для прохода винтов или болтов, эти сверления являются источниками перенапряжений, требующих обычно сложного расчета размеров деталей или сложных для выполнения обработок кольца и повышающих риск ухудшения качества.

Целью изобретения является простое, экономичное и эффективное решение этих проблем, позволяющее исключить недостатки известного уровня техники.

Объектом изобретения является устройство для аксиального удержания колец из композитного материала с металлической матрицей, которое позволяет использовать необработанные кольца с простой геометрией, такие как кольца прямоугольного сечения, без просверленных отверстий или средств фиксации.

Для этого предлагается колесо турбомашины, такой как авиационный турбореактивный двигатель, содержащее, по меньшей мере, одно кольцо из композитного материала с металлической матрицей, установленное на диске для восприятия центробежных усилий при работе, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, один кольцевой фланец, образованный секторами, расположенными встык и содержащими каждый радиально внутреннюю кольцевую часть, наложенную на боковую поверхность диска, и радиально наружную часть, опирающуюся на кольцо для обеспечения аксиального удержания последнего на диске, при этом колесо содержит также средства радиального удержания фланцевых секторов на диске.

Кольцевой фланец по изобретению позволяет обеспечить аксиальное удержание колец геометрически простой формы, таких как колец с прямоугольным сечением, без органов крепления.

Кроме того, разделение фланца на сектора облегчает его монтаж по периферии роторного диска.

В соответствии с другим признаком изобретения, средства радиального удержания фланцевых секторов содержат крюки, выполненные на диске, и в которые внутренние кольцевые части фланцевых секторов радиально вставлены изнутри, а также упругий кольцевой обод, наложенный на диск и на радиально внутреннюю периферию фланцевых секторов.

Крюки диска позволяют также стопорение фланца радиально в направлении наружу, а упругий кольцевой обод позволяет стопорение фланца радиально в направлении внутрь.

Предпочтительно, обод в нерабочем состоянии имеет диаметр, превышающий внутренний диаметр фланца, и радиально разрезан.

Отсюда следует, что обод должен быть сжат перед размещением в контакт с радиально внутренней периферией фланцевых секторов, таким образом, чтобы упругость обода обеспечивала его прижатие к фланцевым секторам и нагружение их в направлении наружу.

Обод содержит, предпочтительно, по меньшей мере, два выступа, размещенных с одной и другой стороны его прорези и предназначенных для введения в гнезда дополняющей формы, выполненные на внутренней периферии фланцевых секторов.

Эти выступы предназначены для предотвращения вращения обода относительно фланца для исключения износа этого обода и поверхностей фланца и диска при контакте с ободом.

В соответствии с другим признаком изобретения центры тяжести фланцевых секторов аксиально удалены от их точек опоры на средства радиального удержания, предусмотренные на диске таким образом, что центробежные усилия, воздействующие при работе на фланцевые секторы, вызывают поворот радиально наружных частей фланцевых секторов к кольцу.

Таким образом, фланец воздействует аксиальной силой удержания кольца на диск.

Внутренняя периферия фланцевых секторов и поверхность обода, находящегося в контакте с этой внутренней периферией, образуют, предпочтительно, угол примерно в 45 градусов с боковой поверхностью диска.

Этот наклон поверхности контакта между ободом и фланцевыми секторами позволяет увеличить тенденцию радиально наружных частей фланцевых секторов поворачиваться к кольцу и, таким образом, увеличить аксиальное усилие, оказываемое фланцем на кольцо.

Фланец, который, предпочтительно, выполнен из металлического материала, такого как сплав титана, никеля или сталь, содержит, предпочтительно, от 6 до 20 секторов.

Это количество секторов позволяет, в частности, легко устанавливать фланец по периферии диска, при этом при выборе материалов, образующих фланец, предпочтительно, учитывать механические и термические напряжения, которым может быть подвергнут этот фланец.

Обод также, предпочтительно, выполнен из металлического материала, такого как сплав титана, никеля или сталь.

Он, предпочтительно, содержит покрытие с малым коэффициентом трения на своих поверхностях контакта с фланцем и диском.

Такое покрытие позволяет уменьшить трение обода на фланце и диске, а также, вследствие этого, износ их контактных поверхностей.

Изобретение касается также турбомашины, отличающейся тем, что она содержит, по меньшей мере, одно колесо компрессора, турбины или центробежное колесо в соответствии с одним из предыдущих притязаний.

Изобретение будет более понятно, и другие его детали, преимущества и признаки проявятся более ясно при чтении следующего описания, приведенного в качестве примера, не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схематично частичный вид в аксиальном разрезе колеса турбомашины согласно изобретению;

фиг.2-5 изображают схематично частичные виды в перспективе колеса турбомашины по фиг.1;

фиг.6 изображает схематично вид спереди обода в свободном состоянии и в монтажном положении;

фиг.7 изображает частичный вид спереди, иллюстрирующий монтаж обода на фланце;

фиг.8 изображает схематично частичный вид в аксиальном разрезе, иллюстрирующий аксиальное удержание кольца на диске.

Фиг.1 изображает колесо 10 турбомашины, такое как колесо компрессора или турбины, либо также центробежное колесо. Это колесо 10 содержит диск 12, который обычно выполнен из сплава титана, никеля или любого надлежащего материала и который содержит на своей периферии лопатки 14, которые в представленном примере изготовлены непосредственно в диске 12, но они могут быть также установлены на диске путем крепления типа «стержневого», или «молоткового», или, например, «елочкой», без выхода за рамки изобретения.

Диск 12 содержит переднюю кольцевую реборду 16 и заднюю кольцевую реборду 18, которые окружены двумя кольцами из композитного материала с металлической матрицей (СММ), соответственно передним по потоку 20 и задним по потоку 22, предназначенными для восприятия центробежных усилий, создаваемых лопатками 14 при вращении диска.

Эти кольца 20, 22 выполнены, например, из волокон карбида кремния, в матрице на основе титана, но они могут быть выполнены также из других типов волокон, таких как волокна из карбида бора или из оксида алюминия, и других типов матриц, например, на основе никеля.

Такая структура обеспечивает кольцам 20, 22 механические характеристики, лучшие, чем у диска 12, и позволяет им эффективно воспринимать центробежные усилия, передаваемые лопатками 14 на диск 12, которые могут быть значительными с учетом высоких скоростей вращения колес турбомашины.

Кольца 20, 22 имеют прямоугольное сечение и опираются на наружные периферические поверхности 24, 26 реборд 16 и 18 диска. Эти кольца стопорятся аксиально двумя кольцевыми фланцами, соответственно передним 28 и задним 30, образованными серией кольцевых секторов, установленных встык на боковых радиальных поверхностях 36 и 38 реборд 16, 18 диска.

Для этого секторы кольцевых фланцев 28, 30 заведены в крюки 32, 34, образованные соответственно на передней по потоку 36 и задней по потоку 38 боковых поверхностях диска 12, и обеспечивают радиальное стопорение фланцевых секторов в направлении наружу, причем эти секторы радиально подталкиваются наружу двумя упругими кольцами 40 и 42, наложенными соответственно на боковые поверхности 36 и 38 диска.

Фиг.2 изображает переднюю боковую поверхность 36 диска 12 колеса 10, в данном случае, диск изображен без фланца и без кольца. Данная фиг.2 подробно изображает, в частности, крюки 32, образованные на передней поверхности 36, каждая из которых содержит лапку 44, радиально направленную внутрь таким образом, чтобы совокупность этих крюков 32 образовывала кольцевую канавку 46, предназначенную для приема радиально внутренней кольцевой части 48 с формой, по существу сопряженной с секторами переднего кольцевого фланца 28.

Фиг.3 изображает передний кольцевой фланцевый сектор 28, радиально внутренняя кольцевая часть 48 которого содержит наружную изогнутую часть, предназначенную для размещения в днище кольцевой канавки 46 диска 12, и радиально внутренний край, содержащий проходящую аксиально переднюю по потоку поверхность 52 и заднюю по потоку поверхность 54, выполненную наклонно таким образом, что ее сечение увеличивается к выходу по наклону примерно в 45 градусов, при этом упомянутая наклонная поверхность 54 образует опорную плоскость для упругого кольцевого обода 40, как будет лучше видно на фиг.4 и 5.

Фланцевый сектор 28 содержит также лапки 58, проходящие радиально наружу от кольцевой радиально внутренней части 48, при этом каждая лапка 58 содержит опорную аксиальную поверхность 60, обращенную к выходу и предназначенную для опоры на кольца 20 из композитного материала с металлической матрицей для обеспечения ее аксиального удержания.

В общем, материал, из которого выполнены кольцевые фланцевые секторы 28, 30, может являться сплавом титана, или никеля, или сталью, или любым другим металлическим материалом, способным выдержать механические и термические напряжения, которым подвергаются эти фланцы.

Число секторов, необходимых для формирования каждого фланца 28, 30, зависит от размерных параметров, таких как размер диска 12, и должно быть в любом случае достаточным для облегчения монтажа встык этих секторов. Это число, например, составляет от 8 до 12.

Количество лапок 58 каждого фланцевого сектора и общее количество лапок по окружности фланца также определяется размерными параметрами.

Фиг.4 изображает фланцевый кольцевой сектор 28, связанный с упругим кольцевым ободом 40, при этом сектор и обод показаны отдельно, в то время как фиг.5 изображает их установленными на передней по потоку боковой поверхности 36 диска 12.

Как будет лучше видно на фиг.8, обод 40 имеет по существу треугольное сечение, адаптированное к форме наклонной поверхности 54 фланцевых секторов.

Как показывает фиг.6, которая изображает упругий кольцевой обод в свободном состоянии 62 и установленный под фланцем (не представленном на чертеже), этот обод содержит прорезь 64, его диаметр d1 в нерабочем состоянии превышает его диаметр d2, когда он установлен под фланец. Установка обода 40 в контакте с наклонной поверхностью 54 внутреннего края фланца 28 требует также сжатия обода 40 таким образом, чтобы его упругость обеспечивала прижатие этого обода к внутреннему краю фланца и, следовательно, подталкивание поверхности 50 фланца к днищу кольцевой канавки 46 диска 12 (см. фиг.5), предотвращая выход обода из своего гнезда под фланцем.

Вместе с тем, как схематично изображено на фиг.7, обод 40 содержит два выступа 66, расположенных с одной и другой стороны прорези 64 и предназначенных для введения в соответствующие гнезда 68 фланцевых секторов 28 для предотвращения вращения обода 40 относительно фланца 28.

Упругий кольцевой обод 40 может быть выполнен, например, из титанового, никелевого сплава или стали, и может, кроме того, содержать покрытие известного типа с малым коэффициентом трения на его поверхностях контакта, соответственно, с фланцем и диском для уменьшения трений между различными деталями и уменьшения, таким образом, износа этих деталей.

Как было упомянуто выше, первой функцией упругих кольцевых ободов 40, 42 является обеспечение радиального удержания фланцевых секторов 28, 30, в частности, когда турбомашина остановлена, и фланцевые секторы не прижимаются к соответствующим кольцевым канавкам 46 под действием центробежных сил, возникающих в процессе работы турбомашины.

Фиг.8 изображает вид в разрезе переднего по потоку кольцевого фланца 28, установленного на диске 12, в процессе работы турбомашины, и показывает, в частности, передачу центробежных усилий в различные детали, взаимодействующие с фланцем 28.

Фланцевый сектор 28 подвергается воздействию центробежной силы 70, которая является следствием его вращения, и силы 72, прикладываемой к этому сектору фланца упругим кольцевым ободом 40.

Действительно, этот обод 40 также подвергается воздействию центробежной силы 74 вследствие его вращения, и оно передает ее составляющую 72 на наклонную поверхность 54 внутреннего края фланцевого сектора через наружную поверхность 56 сопряженной формы. Фланцевый сектор 28 аксиально стопорится за счет введения его радиально внутренней части 28 в кольцевую канавку 46, образованную крюками 32 диска 12, при этом сила 72, которая прикладывается к нему от обода 40, имеет результирующей радиальную силу, ориентированную наружу, которая складывается с результирующей центробежных усилий, создаваемых во фланцевом секторе 28.

Центр тяжести 76 фланцевого сектора 28 аксиально удален в сторону входа от точки контакта 78 между изогнутой поверхностью радиально внутренней части 48 этого фланцевого сектора и кольцевой канавки 46 диска 12 таким образом, что сила 70, приложенная к фланцевому сектору 28, образует пару сил, которая стремится повернуть этот фланцевый сектор в сторону выхода по потоку вокруг его точки опоры 78 на крюках 32 диска. Следствием этого является аксиальная сила 80, направленная к выходу по потоку и прикладываемая лапками 58 фланцевого сектора 28 к кольцу 20 из композитного материала с металлической матрицей, позволяющая усилить аксиальное удержание кольца 20 на диске.

Как изложено выше, обода 40, 42 обеспечивают, таким образом, вторую функцию, состоящую в увеличении пары вращения переднего по потоку 28 и заднего по потоку 30 кольцевых фланцевых секторов вокруг их зон опоры 78 в соответствующих кольцевых канавках 46, образованных крюками 32 диска 12.

Описанный выше пример касается диска 12 колеса турбомашины, периферия которого усилена двумя кольцами 20, 22 из композитного материала с металлической матрицей соответственно на входе по потоку и выходе по потоку диска, но изобретение применимо также к дискам, усиленным единственным кольцом такого типа на входе по потоку или на выходе по потоку или многими кольцами, распределенными на одном радиусе на входе и/или на выходе по потоку, и/или ступенях на различных радиусах.

Изобретение позволяет, таким образом, использовать кольца из композитного материала с металлической матрицей, имеющие простое сечение, например, прямоугольное, изготовление которого является особенно простым и экономичным. Монтаж кольцевых фланцев, обеспечивающих удержание этих колец в соответствии с изобретением, является особенно легким, так как он состоит просто во введении секторов кольцевых фланцев в соответствующую канавку диска, затем установке упругого кольцевого обода под каждый фланец для предотвращения выхода секторов фланца из канавки диска.

Колесо турбомашины, такой как авиационный турбореактивный двигатель, содержит по меньшей мере, один роторный диск, несущий лопатки, и, по меньшей мере, одно кольцо из композитного материала с металлической матрицей. Кольцо установлено на диске для восприятия центробежных усилий при работе. Оно содержит, по меньшей мере, один кольцевой фланец, образованный секторами. Сектора расположены встык и каждый содержит кольцевую радиально внутреннюю часть, радиально наружную часть. Радиально внутренняя часть наложена на боковую поверхность диска, радиально наружная часть опирается на кольцо для обеспечения аксиального удержания последнего на диске. Колесо содержит также средства радиального удержания фланцевых секторов на диске. Другим объектом настоящего изобретения является турбомашина, содержащая описанное выше колесо. Изобретение позволяет облегчить монтаж фланца на периферии роторного диска, снизить напряжение в кольце. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Колесо (10) турбомашины, такой как авиационный турбореактивный двигатель, содержащее, по меньшей мере, один роторный диск (12), несущий лопатки (14), и, по меньшей мере, одно кольцо (20, 22) из композитного материала с металлической матрицей, установленное на диске (12) для восприятия центробежных усилий при работе, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, один кольцевой фланец (28, 30), образованный секторами, расположенными встык и содержащими каждый кольцевую радиально внутреннюю часть (48), наложенную на боковую поверхность (36, 38) диска (12), и радиально наружную часть (58), опирающуюся на кольцо для обеспечения аксиального удержания последнего на диске, при этом колесо (10) содержит также средства радиального удержания (32, 34, 40, 42) фланцевых секторов на диске.

2. Колесо (10) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что средства радиального удержания фланцевых секторов (28, 30) содержат крюки (32, 34), сформированные на диске (12), и в которые внутренние кольцевые части (48) фланцевых секторов радиально вставлены изнутри.

3. Колесо (10) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что средства радиального удержания фланцевых секторов (28, 30) содержат упругий кольцевой обод (40, 42), наложенный на диск (12) и на радиально внутреннюю периферию фланцевых секторов.

4. Колесо (10) турбомашины по п.3, отличающееся тем, что обод (40, 42) в нерабочем состоянии имеет диаметр, превышающий внутренний диаметр фланца (28, 30), и радиально разрезан.

5. Колесо (10) турбомашины по п.4, отличающееся тем, что обод (40, 42) содержит, по меньшей мере, два выступа (66), размещенных с одной и другой стороны радиальной прорези (64) и предназначенных для введения в гнезда (68) дополняющей формы, выполненные во внутренней периферии (54) фланцевых секторов.

6. Колесо (10) турбомашины по п.3, отличающееся тем, что внутренняя периферия (54) фланцевых секторов и поверхность (56) обода (40, 42), находящаяся в контакте с этой внутренней периферией, образуют угол примерно в 45° с боковой поверхностью (36, 38) диска (12).

7. Колесо (10) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что центры (76) тяжести фланцевых секторов аксиально удалены от точек (78) опоры на средства (32, 34) радиального удержания, предусмотренные на диске (12), таким образом, что центробежные усилия (70), воздействующие при работе на фланцевые секторы, вызывают поворот радиально внешних частей (58) фланцевых секторов (28, 30) к кольцу (20, 22).

8. Колесо (10) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что фланец (28, 30) выполнен из металлического материала, такого как сплав титана, никеля или сталь.

9. Колесо (10) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что фланец (28, 30) содержит от 6 до 20 секторов.

10. Колесо (10) турбомашины по п.3, отличающееся тем, что обод (40, 42) выполнен из металлического материала, такого как сплав титана, никеля или сталь.

11. Колесо (10) турбомашины по п.3, отличающееся тем, что обод (40, 42) содержит покрытие с малым коэффициентом трения на поверхностях контакта с фланцем (28, 30) и с диском (12).

12. Колесо (10) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, два кольца (20, 22) из композитного материала с металлической матрицей, установленных соответственно на передней и задней боковых поверхностях диска (12) ротора.

13. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, одно колесо (10) компрессора, турбины или центробежное колесо по п.1.