УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА ПЛОЩАДКИ В РОТОРЕ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2014 года по МПК F01D11/00 

Настоящее изобретение относится к области многоконтурных, в частности, двухконтурных турбореактивных двигателей и, в целом, к области турбомашин.

Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит газотурбинный двигатель, через который проходит газовый поток, называемый первичным потоком, который вращает вентилятор, производящий воздушный поток, называемый вторичным потоком. Если вентилятор находится в передней части двигателя, он нагнетает всасываемый воздух, который делится на два концентричных потока: первичный поток и вторичный поток. Воздух первичного потока опять сжимается, затем смешивается с топливом в камере сгорания для создания газового потока высокой энергии, который приводит в действие находящиеся на выходе турбины. Одна из турбин соединена валом с ротором вентилятора, который он вращает. Вторичный поток в двигателях гражданских самолетов производит основную часть тяги двигателя, и, следовательно, диаметр вентилятора является очень большим.

Ротор вентилятора содержит колесо, ступица которого неподвижно соединена с приводным валом, а обод содержит гнезда, ориентированные по существу в осевом направлении. Осевым направлением является направление вала двигателя. Своими ножками лопатки заходят в индивидуальные гнезда и образуют ротор вентилятора. Лопатка вентилятора содержит ножку, лопасть с аэродинамическим профилем и стойку между ножкой и лопастью. Для получения граничной поверхности между ободом ротора и воздушным трактом и для обеспечения непрерывности первичного тракта между лопатками устанавливают промежуточные площадки. В отличие от верхних ступеней сжатия и с учетом больших размеров лопаток площадки ротора вентилятора не являются частью лопаток, а являются отдельными деталями. Необходимо отметить, что внутренний радиус воздушного тракта существенно увеличивается между входом и выходом ротора вентилятора.

Между площадками и лопатками оставляют зазор, чтобы последние могли ограниченно смещаться во время различных фаз работы двигателя. Этот зазор уплотняют прокладкой из эластомерного материала, закрепленной вдоль боковых краев площадки и опирающейся на смежную лопатку.

В известных технических решениях прокладка имеет удлиненную форму с постоянным профилем от одного конца к другому. В поперечном направлении она содержит три части: часть крепления на площадке, гибкую часть и утолщенную часть, выполненную с возможностью обеспечения контакта с поверхностью смежной детали. Гибкая часть позволяет адаптировать прокладку к расстоянию, отделяющему край площадки и находящуюся напротив поверхность лопатки.

Отмечается, что после определенного времени работы турбомашины, на которой установлены прокладки, они содержат зоны износа и разрыва. В результате нарушается герметичность в области ножки лопатки вентилятора. Плохая герметичность отрицательно сказывается на напоре и на производительности ступеней компрессора непосредственно на выходе вентилятора. Она влияет также на границу помпажа.

Следовательно, прокладки являются деталями, которые следует регулярно заменять во время эксплуатации турбомашины для обеспечения ее оптимальной работы.

Задачей настоящего изобретения является улучшение герметичности между лопатками и площадками ротора турбомашины со свободными промежуточными площадками с целью сокращения частоты замены прокладок.

Разрыв прокладок связан с напряжениями, возникающими в результате деформаций при окружных и осевых относительных смещениях между площадками и лопатками во время различных фаз работы турбомашины.

Заявитель поставил перед собой задачу изменения только прокладки, не касаясь деталей ротора.

Исследование разорванных прокладок выявило тенденцию к выворачиванию в части прокладки, находящейся на выходе площадки. Это выворачивание приводит к значительной деформации в зоне перехода с невывернутой частью прокладки. Таким образом, эта зона оказывается местом концентрации напряжений, которые могут привести к ее локальному разрыву. Анализ показывает, что причиной этой деформации является положение прокладок в пространстве: они ориентированы не параллельно оси двигателя, а значительно наклонены, следуя увеличению радиуса площадки от входа к выходу; напряжения, действующие на прокладки, не являются равномерными по их длине. Таким образом, центробежные усилия больше на выходной части, чем на входной части, и вызывают разные деформации между входной и выходной частью. Эффект усиливается еще больше за счет непостоянного зазора от входа к выходу между площадкой и поверхностью лопатки. Зазор уменьшается в сторону выхода, и утолщенная часть прокладки таким образом выталкивается по окружности внутрь площадки. Таким образом, отмечается, что выходная часть прокладки может прижиматься к площадке.

Настоящее изобретение призвано устранить эти недостатки и предложить уплотнительную прокладку промежуточной площадки между двумя смежными лопатками в роторе турбомашины удлиненной формы с входным концом и выходным концом, содержащую поперечно в направлении ширины контактную часть, крепежную часть и гибкую часть между крепежной частью и контактной частью. Прокладка отличается тем, что профиль прокладки имеет форму с поперечным сечением, меняющимся между ее двумя концами, при этом поперечное сечение контактной части имеет утолщенную форму и уменьшается от одного конца к другому.

Выбирая форму прокладки в зависимости от усилий, действующих на нее во время работы, таким образом, чтобы ограничить максимальные значения напряжений, можно избежать деформаций, которые могут превысить предел разрыва прокладки.

Говорят, что прокладка имеет меняющееся сечение, когда ее сечение не является постоянным от одного конца к другому. В частности, оно уменьшается только на части ее длины. В частности, форма контактной части является овальной и, в частности, круглой. Гибкая часть тоже может быть меняющейся и не постоянной от одного конца к другому для лучшей адаптации к профилю.

Прочность уплотнительной прокладки можно повысить за счет выполнения скошенной фаски по меньшей мере на одном конце. Скошенная фаска состоит в срезе прокладки на скос.

Объектом настоящего изобретения является также промежуточная площадка ротора турбомашины, содержащая вышеуказанную уплотнительную прокладку, по меньшей мере, вдоль продольного бокового края.

Согласно частному варианту выполнения площадку выполняют с возможностью установки в осевом направлении на ободе ротора таким образом, чтобы на одном осевом конце ротора она имела диаметр, больший диаметра на другом конце. Площадку оборудуют уплотнительной прокладкой, меньшее сечение которой находится со стороны с большим диаметром.

В частности, поскольку площадка имеет входной осевой конец и выходной осевой конец с диаметром, превышающим диаметр входного осевого конца, и прокладка содержит входную зону D и выходную зону Е, входная зона D имеет постоянное сечение и длину, составляющую от половины до двух третей длины прокладки, при этом поперечное сечение выходной зоны Е уменьшается в сторону выхода.

В частности, площадку выполняют с возможностью установки на роторе вентилятора турбореактивного двигателя.

Изобретение также касается ротора турбомашины, содержащего упомянутые промежуточные площадки, и, в частности, ротора вентилятора турбореактивного двигателя.

Далее следует описание варианта выполнения, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид в перспективе части ротора вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя;

Фиг.2 - вид в перспективе площадки с двумя боковыми уплотнительными прокладками;

Фиг.3 - сечение уплотнительной прокладки, соответствующее разрезу по линии III-III фиг.2;

Фиг.4 - модель возможной деформации известной прокладки;

Фиг.5 - вид в перспективе прокладки переменного профиля в соответствии с настоящим изобретением с разрезами по линиям D-D и Е-Е.

На фиг.1 показан частичный вид в перспективе составных элементов ротора вентилятора двухконтурного двигателя. Диск 1 содержит на своем ободе 10 гнезда 11 в количестве пяти на фигуре, ориентированных по существу в осевом направлении относительно оси ХХ двигателя. Гнезда имеют сечение в виде ласточкина хвоста с продольными краями, обращенными к оси ХХ. Лопатки вводят в гнезда через открытый конец. На фигуре отдельно показана лопатка 2 в положении для ее введения в гнездо. Лопатка 2 содержит ножку 21, стойку 22 и лопасть 20. Ножка 21 выполнена с возможностью захождения в гнездо боковыми утолщениями, которыми она опирается в радиальном направлении наружу на продольные края гнезда, обращенные к оси ХХ. Ножка удерживается в опорном положении при помощи подкладок 3, которые вставляют при монтаже под ножку 21 вдоль дна гнезда 11. Устройство удержания лопаток на диске дополнительно содержит непоказанные средства индивидуального осевого стопорения лопаток относительно диска.

В отличие от других лопаток компрессора на турбомашине лопатки вентилятора не содержат встроенной площадки. Ее функцию выполняют промежуточные площадки, частично свободные в движении относительно лопаток. На фиг.1 показана площадка 4. Ротор содержит площадки в количестве, равном числу лопаток. Их располагают между двумя смежными лопатками. Площадка 4 содержит пластину 40 в основном усеченной конусной формы, ограничивающую часть радиально внутренней поверхности первичного воздушного тракта между двумя смежными лопатками. Она удерживается на диске в трех точках и содержит три радиальных язычка, наглядно показанных на фиг.2. Входной язычок 43 содержит отверстие, выполненное в осевом направлении, и закреплен непоказанной шпонкой на входном фланце 13 с входной стороны диска. Промежуточный язычок 45, тоже радиальный, удерживается непоказанной шпонкой на радиальном язычке 15, выполненном на ободе диска между двумя гнездами. Третий язычок 47 соединен с барабаном находящегося непосредственно сзади и непоказанного компрессора, называемого «бустером». Язычок 17 содержит соединение диск/бустер. Шпонки направлены вдоль оси ХХ и обеспечивают одновременно осевое и радиальное удержание площадки.

Для обеспечения герметичности между трактом и внутренним объемом ротора вдоль площадок устанавливают прокладки 5 и 6 из эластомерного материала. На фиг.3 показана прокладка в поперечном разрезе по линии III-III. Прокладка 6 содержит три части: крепежную часть 61, гибкую соединительную часть 62 и контактную часть 63. Прокладку неподвижно соединяют с площадкой путем приклеивания крепежной части 61 в пазу, выполненном вдоль бокового края пластины 40, образующей площадку. Предпочтительно контактная часть имеет утолщенную форму, предпочтительно овальную или круглую. Ее форма обеспечивает хороший тангенциальный контакт с соседней деталью, а также придает прокладке жесткость и инерцию для удовлетворительной опоры. Соединительная часть 62 является более узкой, чем контактная честь, и выполнена гибкой для обеспечения адаптации прокладки. Как показано на фиг.3, контактная часть проходит за пределы края площадки, чтобы входить в контакт со смежной поверхностью лопатки.

Когда прокладка имеет постоянную форму по всей своей длине, отмечается, что она деформируется неравномерно. Деформации создают напряжения, которые приводят к разрывам, отрицательно сказывающимся на герметичности.

На фиг.4 показана модель деформаций, которым может подвергаться прокладка во время работы. При этом различают три зоны. Первая зона А находится на входной части площадки, где форма прокладки соответствует ожидаемой форме, когда ее устанавливают на площадке в положении наружной опоры на стойку смежной лопатки. В зоне С прокладка выгибается, вместо наружной опоры контактная часть 63 отходит под площадку. Это нежелательное положение связано с центробежными усилиями в сочетании с боковыми усилиями со стороны стойки. Промежуточная зона В между зонами А и С подвергается максимальной деформации и является местом появления разрывов.

Решение в соответствии с настоящим изобретением состоит в изменении профиля прокладки таким образом, чтобы учитывать неравномерность действующих на нее усилий.

На фиг.5 одновременно в направлении длины и в поперечном сечении показана такая прокладка 16 переменного профиля.

Как и в известных решениях, прокладка в поперечном сечении содержит три части от одного конца к другому. Она содержит крепежную часть, гибкую часть и контактную часть.

В направлении ее длины различают входной конец и выходной конец, вход и выход соответствуют концам площадки, на которой устанавливают прокладку. Между этими двумя концами прокладка содержит две зоны, соответственно D и Е. Во входной зоне D профиль остается постоянным и соответствует профилю в разрезе D-D с крепежной частью 161, предназначенной для приклеивания в соответствующем пазу площадки, с гибкой частью 162 шириной L между крепежной частью и контактной частью и с контактной частью 163 в данном случае круглого сечения, поверхность которого носит обозначение S.

Длина зоны D по существу составляет от половины до двух третей длины прокладки.

В зоне Е на выходе зоны D профиль не является постоянным. На поперечном сечении в разрезе Е-Е прокладки показана крепежная часть 161' такой же формы и размера, что и крепежная часть 161. Гибкая часть 162' имеет ширину L'<L. Контактная часть 163' тоже имеет круглое сечение, но ее поверхность S' меньше, чем поверхность S. Уменьшая ширину и/или сечение контактной части, уменьшают инерцию. Усилия, стремящиеся вывернуть прокладку в этой части, тоже уменьшаются. После проведения испытаний на измененной таким образом прокладке не было отмечено никаких деформаций, опасных для целостности прокладки.

Предпочтительно зону сопряжения между гибкой частью и контактной частью выполняют закругленной и без кромки, чтобы снизить риск образования разрыва.

В настоящем описании был представлен пример выполнения, соответствующий случаю ротора вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя. В этом случае внутренний радиус первичного тракта претерпевает существенное изменение между входом и выходом тракта. Кроме того, зазор между площадкой и лопаткой тоже не является постоянным и уменьшается между входом и выходом.

В целом, изобретение можно применять для любой турбомашины, имеющей аналогичную конструкцию.

Объектом настоящего изобретения является уплотнительная прокладка промежуточной площадки между двумя смежными лопатками в роторе турбомашины удлиненной формы с входным концом и выходным концом, содержащая поперечно в направлении ширины контактную часть, крепежную часть и гибкую часть между крепежной частью и контактной частью. Она отличается тем, что ее поперечное сечение имеет форму, меняющуюся между ее двумя концами, при этом гибкая часть является более узкой, чем контактная часть. Технический результат изобретения - улучшение герметичности между лопатками и площадками ротора турбомашины. 5 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Уплотнительная прокладка (16) промежуточной площадки (4) между двумя смежными лопатками в роторе турбомашины удлиненной формы с входным концом и выходным концом, содержащая поперечно в направлении ширины контактную часть, крепежную часть и гибкую часть между крепежной частью и контактной частью, отличающаяся тем, что ее поперечное сечение имеет форму (161, 162, 163, 161', 162', 163'), меняющуюся между ее двумя концами, при этом поперечное сечение контактной части имеет утолщенную форму (163, 163') и уменьшается от одного конца к другому, при этом гибкая часть является более узкой, чем контактная часть.

2. Уплотнительная прокладка по п.1, в которой поперечное сечение контактной части имеет овальную форму и, в частности, круглую форму.

3. Уплотнительная прокладка по одному из предыдущих пунктов, в которой по меньшей мере один входной или выходной конец выполняют со скошенной фаской.

4. Промежуточная площадка ротора турбомашины, содержащая уплотнительную прокладку по п.1, по меньшей мере, вдоль продольного бокового края.

5. Площадка, выполненная с возможностью установки в осевом направлении на ободе ротора таким образом, чтобы на одном осевом конце она имела диаметр, больший диаметра на другом осевом конце, с уплотнительной прокладкой по п.2, по меньшей мере, вдоль продольного бокового края, причем наименьшее сечение находится со стороны с большим диаметром.

6. Площадка по п.5 с входным осевым концом и с выходным осевым концом с диаметром, превышающим диаметр входного осевого конца, при этом прокладка содержит входную зону D и выходную зону Е, при этом входная зона D имеет постоянное сечение и длину, составляющую от половины до двух третей длины прокладки, при этом поперечное сечение выходной зоны Е уменьшается в сторону выхода.

7. Площадка по п.6, выполненная с возможностью установки на роторе вентилятора турбореактивного двигателя.

8. Ротор турбомашины, содержащий промежуточные площадки по п.6.

9. Ротор вентилятора турбореактивного двигателя, содержащий промежуточные площадки по п.7.