УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЛОКИРОВКИ НОЖКИ РОТОРНОЙ ЛОПАТКИ Российский патент 2016 года по МПК F01D5/30 

Изобретение относится к области роторов турбомашины и, в частности, к креплению роторных лопаток на роторном колесе.

Турбореактивный двигатель с двойным корпусом и передним вентилятором, обычно содержит, например, с входа на выход вентилятор, компрессорную ступень низкого давления, компрессорную ступень высокого давления, камеру сгорания, ступень турбины высокого давления и ступень турбины низкого давления.

В настоящей заявке условно принято, что термины «входной» и «выходной» обозначают направление воздуха в турбореактивном двигателе. По тому же условию в настоящей заявке термины «внутренний» и «внешний» обозначают радиальное направление относительно оси двигателя. Таким образом, цилиндр, вытянутый по оси двигателя, имеет внутреннюю сторону, обращенную к оси двигателя, и внешнюю поверхность, противолежащую внутреннюю поверхность.

Классическим образом, как показано на фиг.1, ступень турбины низкого давления, например, содержит последовательные роторные колеса 1, каждое из которых содержит осевые или наклонные пазы 11, в которые вставлены лопатки 2 своими ножками 3, при этом лопатки 2 вытянуты радиально наружу относительно оси Х двигателя.

Лопатки 2 удерживаются радиально в пазах своими ножками 3 в форме еловой ветки, что позволяет, кроме того, сохранить зазор между ножкой 3 и дном паза для обеспечения циркуляции воздуха, который направляется в тело лопаток для их вентиляции. Лопатки 2 удерживаются аксиально на входе герметизирующим кольцом 4, содержащим герметизирующие ламели и известным специалистам под названием «лабиринтное кольцо».

Для осевого удержания на выходе лопаток 2, кольцевой сектор 5 установлен между канавкой 6 кольца ротора 1 и выходным зацеплением 7 ножки 3 лопатки 2. Таким образом, в рабочем положении кольцевой сектор 5 блокирует осевое перемещение лопатки 2 к выходу, и лопатка 2 остается жестко соединенной с роторным колесом 1.

В настоящее время ножки 3 лопаток 2 выполняют из металлического материала. Для уменьшения массы двигателя предложено выполнять ножки 3 из композитного материала. Существующий вариант крепления металлической ножки не может быть использован для крепления ножки из композитного материала. Действительно, трудно сформировать в ножке лопатки выходное зацепление для обеспечения осевого удержания на выходе кольцевым сектором. Кроме того, изготовление ножки лопатки, имеющей форму еловой ветки, из композитного материала не создает преимуществ. Действительно, в процессе работы двигателя возникают различные расширения и зубцы ножки в форме еловой ветки больше не находят опоры в пазу роторного колеса. Радиальное удержание лопатки не является удовлетворительным.

Для исключения, по меньшей мере, некоторых из этих недостатков, в изобретении предлагается устройство для блокирования ножки роторной лопатки в пазу роторного колеса турбомашины, содержащее:

- кольцевой сектор, предназначенный для установки перпендикулярно оси турбомашины в канавке роторного колеса;

- по меньшей мере, блокирующую шпонку, перпендикулярную и жестко соединенную с кольцевым сектором, простирающуюся параллельно оси кольцевого сектора для радиального удержания ножки лопатки в пазу; и

- по меньшей мере, один блокирующий зуб, простирающийся от оси кольцевого сектора радиально относительно оси кольцевого сектора для блокирования и осевого перемещения ножки лопатки в пазу.

Благодаря устройству можно предпочтительно блокировать ножку роторной лопатки в виде ласточкина хвоста, не содержащей осевого блокирующего зацепления, в частности, лопатки из композитного материала. Кроме того, это устанавливаемое простым образом устройство позволяет радиально и по оси блокировать лопатку с роторным колесом из известного уровня техники.

Такое моноблочное устройство позволяет гарантировать точное положение каждого зуба, предназначенного для блокирования ножки лопатки. Кроме того, устройство быстро устанавливается в ротор, учитывая, что каждое устройство может содержать несколько зубьев и несколько блокирующих шпонок.

Предпочтительно, устройство содержит вентиляционные средства, выполненные в упомянутом кольцевом секторе, предназначенные для удаления потока воздуха, циркулирующего в вентиляционном пространстве между ножкой лопатки и дном паза, в котором циркулирует поток воздуха, удаляемый упомянутыми вентиляционными средствами.

Предпочтительно также вентиляционные средства выровнены с направлением, в котором простирается блокирующий зуб. Таким образом, поток вентиляционного воздуха охлаждает блокирующую шпонку, ножку лопатки и дно паза, которые выровнены по оси с блокирующим зубом.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения вентиляционные средства выполнены в виде, по меньшей мере, одного вентиляционного отверстия. Отверстие просто выполняется механической обработкой в кольцевом секторе и обеспечивает удаление потока вентиляционного воздуха.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения вентиляционные средства выполнены в форме, по меньшей мере, вентиляционного выреза, выполненного в части кольцевого сектора, предназначенного для изготовления в канавке роторного колеса.

Вентиляционный вырез позволяет облегчить массу устройства, обеспечивая удаление потока воздуха. Предпочтительно, кольцевой сектор содержит зубчатый внутренний край.

В соответствии с вариантом изобретения кольцевой сектор содержит внутреннюю радиальную часть, предназначенную для установки в канавке роторного колеса, и внешнюю радиальную часть, из которой выступает блокирующий зуб, и которые отстоят одна относительно другой по оси кольца.

Предпочтительно, это расхождение позволяет точно позиционировать устройство блокирования без образования значительного выступа для блокирующей шпонки относительно ее закрепления в канавке. Таким образом, качание устройства блокирования ограничено.

В изобретении предлагается также ротор турбомашины, содержащий роторное колесо, по меньшей мере, роторную лопатку и, по меньшей мере, блокирующее устройство, представленное выше, при этом роторное колесо содержит паз, в котором размещена ножка лопатки, а также канавку, в которой размещено блокирующее устройство, причем шпонка блокирующего устройства размещена между ножкой лопатки и дном паза.

Предпочтительно, в роторном колесе, простирающемся аксиально от входа к выходу, канавка выполнена на выходном конце роторного колеса так, чтобы блокировать осевое перемещение лопатки в пазу к выходу.

В соответствии с вариантом изобретения ножка роторной лопатки содержит оболочку из композитного материала.

Ножка лопатки из композитного материала, предпочтительно, на керамической основе, проста в изготовлении и позволяет изготовить ротор, обладающий всеми преимуществами ротора из известного уровня техники с металлическими лопатками.

В соответствии с другим вариантом изобретения ножка роторной лопатки имеет форму в виде ласточкиного хвоста. Благодаря блокирующему устройству по изобретению, лопатка может быть радиально блокирована, что исключает любой дефект блокирования лопатки в ее посадочном месте при остановке ротора.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- Фиг.1 изображает вид в радиальном разрезе роторного колеса турбомашины, в котором установлена роторная лопатка из известного уровня техники;

- Фиг.2 изображает вид в изометрии первого варианта осуществления блокирующего устройства по изобретению;

- Фиг.3 изображает вид в изометрии ротора по изобретению, содержащего блокирующее устройство по фиг.2, в котором устройство аксиально блокирует одну роторную лопатку, установленную в роторном колесе;

- Фиг.4 изображает вид в радиальном разрезе по оси А-А ротора по фиг.3;

- Фиг.5 изображает вид в изометрии второго варианта осуществления блокирующего устройства по изобретению;

- Фиг.6 изображает вид в изометрии третьего варианта блокирующего устройства по изобретению.

Далее изобретение будет описано для ротора турбомашины, образующего ступень турбины низкого давления. Ротор содержит роторное колесо 1 турбины низкого давления, расположенное аксиально по оси Х, как изображено на фиг.3, в котором образованы осевые или наклонные пазы 11, в которые вставлены лопатки 2 своими ножками 3, при этом лопатки 2 расположены радиально наружу относительно оси Х. Роторное колесо выполнено с кольцевой канавкой 6, открытой радиально внутрь и выполненной на выходе паза 11 роторного колеса 1. Изобретение, в данном случае, описано для блокирования на выходе, но отсюда следует, что оно применимо подобным образом для осевого блокирования на входе.

Ротор содержит, кроме того, блокирующее устройство 8 ножки 3 роторной лопатки 2 в пазу 11 роторного колеса 1, которое далее будет изображено со ссылкой на фиг. 2-6. Предпочтительным образом, блокирующее устройство содержит столько же блокирующих шпонок 82, сколько и зубьев 83. Предпочтительно, каждая лопатка 2 роторного колеса 1 блокирована шпонкой 82 и блокирующим зубом 83.

Количество шпонок 82 равно количеству блокируемых лопаток 2. В данном примере роторное колесо 1 содержит 98 пазов 11 для приема такого же количества лопаток 2. В этом примере для блокирования лопаток 2 в пазах 11 используют 11 блокирующих устройств 8, 10 из которых содержат 9 шпонок 82 и одно из которых содержит 8 шпонок 82, при этом каждое устройство 8 содержит такое же количество шпонок 82, сколько и зубьев 83.

Отсюда следует, что количество шпонок 82 на устройство 8 может изменяться в зависимости от количества лопаток роторного колеса 1, или от количества устройств 8, используемых для блокирования лопаток 2 роторного колеса 1.

На фиг.2 изображено, что блокирующее устройство 8 содержит, обычно, кольцевой сектор 81, по меньшей мере, одну блокирующую шпонку 82 и, по меньшей мере, один блокирующий зуб 83 для осевого блокирования ножки 3 роторной лопатки 3, расположенной в пазу 11 роторного колеса 1, обеспечивая вентиляцию паза 11.

Точнее говоря, кольцевой сектор 81 предназначен для установки перпендикулярно оси турбомашины в канавке 6 роторного колеса 1. По определению, кольцевой сектор расположен относительно оси, обозначенной ниже осью S кольца, которая ориентирована сзади вперед на фиг.2 и которая определяет осевое направление. Ниже термины «передний» и «задний» определены относительно оси S кольца.

Кольцевой сектор 81 простирается радиально относительно оси S кольца в радиальном осевом направлении R, изображенном на фиг.2, которое направлено изнутри кнаружи. Кольцевой сектор 81 имеет постоянный радиус кривизны и сплющен в осевом направлении S, при этом его радиальный размер является более длинным, чем его осевой размер.

Внутренняя радиальная часть 84 кольцевого сектора 81 смещена по оси относительно его внешней радиальной части 85, как изображено на фиг.2. Другими словами, внутренняя радиальная часть 84 находится перед внешней радиальной частью 85 таким образом, чтобы обеспечить размещение внутренней радиальной части 84 в канавке 6 роторного колеса 1, создавая радиально внешней части 85 возможность радиальной опоры в пазу 11 роторного колеса 1, как изображено на фиг.3. Эта характеристика будет детально рассмотрена ниже на примере воплощения изобретения.

Блокирующая шпонка 82 блокирующего устройства 8 прямоугольной формы жестко и перпендикулярно соединена с сектором кольца 81, при этом шпонка 82 простирается от задней поверхности кольца 81 параллельно оси S кольца. Блокирующая шпонка 82 предназначена для радиального удержания ножки 3 лопатки 2 в пазу 11 роторного колеса 1. Как показано на фиг.2, блокирующая шпонка 82 жестко соединена с наружной частью 85 кольцевого сектора 81 так, чтобы приподнимать ножку 3 лопатки 2 относительно дна паза 11 для обеспечения циркуляции воздуха в пазу 11 роторного колеса 1.

Блокирующая шпонка 82 блокирующего устройства 8 сплющена в радиальном направлении R, при этом ее осевой размер превышает ее радиальный размер. Длина блокирующей шпонки 82, определяемая в соответствии с осью S кольца, выполнена таким образом, чтобы поддерживать ножку 3 лопатки 2. Например, длина блокирующей шпонки 82 соответствует, приблизительно, 80% длины ножки 3 лопатки 2, как изображено на фиг.4. Отсюда следует, что длина блокирующей шпонки 82 может изменяться. Предпочтительно, длина блокирующей шпонки 82, по меньшей мере, равна половине длины ножки лопатки 3 для распределения усилий по блокирующей шпонке 82.

Блокирующий зуб 83 блокирующего устройства 8 жестко и перпендикулярно соединен с блокирующей шпонкой 82. Блокирующий зуб 83 прямоугольной формы простирается от верхней части 85 кольцевого сектора 81 в радиальном направлении R наружу, то есть радиально относительно оси S кольцевого сектора, для того, чтобы блокировать осевое перемещение ножки 3 лопатки в пазу 11 роторного колеса 1. Длина зуба 83 по радиальной оси R в данном примере выполнена таким образом, чтобы доходить до внешнего диаметра роторного колеса 1, когда блокирующее устройство 8 находится в установленном положении, изображенном на фиг.3.

Размеры блокирующего зуба 83, в частности его длина и ширина, выбраны такими, чтобы оказывать сопротивление осевым перемещениям ножки 3 лопатки 2 в процессе вращения ротора. Блокирующий зуб 83 выполнен таким образом, чтобы аксиально находиться на осевой линии с пазом 11 роторного колеса 1. Предпочтительно, задняя поверхность блокирующего зуба 83, называемая также поверхностью остановки, имеет поверхность, размер которой меньше сечения паза 11 роторного колеса 1, как изображено на фиг.3. Такой блокирующий зуб 83 может выполнить свою функцию аксиального блокирования, имея уменьшенную массу вследствие своих уменьшенных размеров. В соответствии с не представленным особым вариантом осуществления блокирующий зуб 83 выполнен складывающимся/выходящим для обеспечения простого монтажа блокирующего устройства 8 в канавке 6, при этом зуб 83 раскрывается/выходит только после монтажа.

Блокирующее устройство 8 содержит, кроме того, вентиляционные средства, выполненные в кольцевом секторе 81, предпочтительно, в его наружной части 85 между зоной связи блокирующей шпонки 82 и внутренней части 84 кольцевого сектора 81, как изображено на фиг.4. Эти вентиляционные средства выполнены в виде отверстий, пересекающих в осевом направлении кольцевой сектор 81 таким образом, чтобы обеспечить удаление потока воздуха F, циркулирующего между дном паза 11 и блокирующей шпонкой 82, как изображено на фиг.4.

Предпочтительным образом, вентиляционные средства выровнены радиально с блокирующим зубом 83, что позволяет аксиально блокировать ножку 3 лопатки 2 при обеспечении вентиляции паза 11.

В соответствии с первым вариантом осуществления вентиляционные средства выполнены в форме проходящих циркулярно отверстий 91, как изображено на фиг. 2-4, диаметр которых откалиброван для вентиляции. Преимуществом циркулярных отверстий 91 является простота механической обработки.

В соответствии со вторым вариантом осуществления, изображенном на фиг.5, вентиляционные средства выполнены в форме отверстий 92 с поперечным сечением эллиптической формы, малый диаметр которых, предпочтительно, направлен в радиальном направлении. Отверстия 92 эллиптического сечения, выполненные, например, путем наклонного сверления, имеют то преимущество, что подают больший дебит воздуха без увеличения механического сопротивления в радиальном направлении кольцевого сектора 81. Действительно, расстояние между внутренним краем кольцевого сектора 81 и эллиптическим отверстием является более значительным, чем расстояние между внутренним краем кольцевого сектора 81 и кольцевым отверстием, что обеспечивает большую механическую надежность.

В соответствии с третьим вариантом осуществления, представленным на фиг.6, вентиляционные средства выполнены в форме вырезов 93, выполненных от внутренней части 84 кольцевого сектора 81 до его верхней части 85. Другими словами, внутренний край кольцевого сектора 81 выполнен зубчатым для того, чтобы обеспечить вентиляцию пазов 11. Вырезы 93 создают то преимущество, что уменьшают массу кольцевого сектора 81 при простоте механического выполнения путем сверления. Кроме того, вырезы 93 создают больший дебит вентиляционного воздуха.

Ниже будет описан монтаж спереди блокирующего устройства 8. Этот монтаж описан со ссылкой на устройство, содержащее средства вентиляции, в соответствии с первой формой осуществления (круглые отверстия). Описываемый способ монтажа просто используется для других форм осуществления вентиляционных средств.

В соответствии с фиг.3, иллюстрирующей роторное колесо 1 с осью Х, блокирующее устройство по фиг.2 закреплено в роторном колесе 1 путем размещения блокирующих шпонок 82 аксиально в пазах 11 роторного колеса 1 и введения нижней части 84 блокирующего устройства 8 в выходную канавку 6 роторного колеса 1 так, чтобы верхняя часть 85 кольцевого сектора 81 радиально опиралась в дно паза 11 с возможностью образования циркуляции воздушного потока F между блокирующей шпонкой 82 и дном паза 11. Радиальное расхождение позволяет, кроме того, исключить переворачивание блокирующего устройства 8, ограничивая выступ блокирующего устройства 8. Действительно, если лопатка 2 опирается на шпонку 82, внутренняя часть 84 блокирующего устройства 8 входит в контакт с выходной частью канавки 6, что блокирует переворачивание в сторону входа шпонки 82. После установки блокирующая шпонка 82 параллельна дну паза 11. Блокирующий зуб 83 радиально выступает относительно оси двигателя и выровнен по оси с пазом 11.

В соответствии с фиг.4 вентиляционные средства, в данном случае, кольцевые отверстия 91, расположены до половины высоты пространства циркуляции потока воздуха F между блокирующей шпонкой 82 и дном паза 11, что позволяет обеспечить хорошую циркуляцию воздуха.

Ножка 3 лопатки 2 далее вставляется в паз 11 путем перемещения от входа к выходу так, чтобы ножка 2 опиралась на наружную поверхность блокирующей шпонки 82 для радиального удержания и, таким образом, исключения дефекта позиционирования лопатки 2 в колесе 1, в частности, когда двигатель остановлен. Кроме того, ножка 3 лопатки 2 опирается на входную поверхность (поверхность остановки) блокирующего зуба 83 для осевого блокирования.

Благодаря блокирующему устройству 8 по изобретению нет необходимости прибегать к использованию лопатки с ножкой в виде еловой ветки или образовывать зацепляющее соединение в ножке лопатки для осевого блокирования лопатки 2.

Предпочтительно, ножка 3 роторной лопатки 2 имеет простую форму в виде ласточкиного хвоста, оболочка которой выполнена из композитного материала. Именно устройство блокирования 8, а не ножка 3 лопатки 2, выполняет функции осевого блокирования, радиального блокирования и вентиляции паза 11 роторного колеса 1. Такая ножка 3 проста в изготовлении и имеет уменьшенную массу.

Предпочтительным образом, оболочка ножки 3 лопатки 2 выполнена из композитного материала на керамической основе (СМС).

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в роторах турбомашин. Устройство для блокирования ножки роторной лопатки в пазу роторного колеса содержит кольцевой сектор, установленный перпендикулярно оси турбомашины в канавке роторного колеса. С кольцевым сектором жестко соединена по меньшей мере одна блокирующая шпонка для радиального удержания ножки лопатки в пазу колеса. Шпонка расположена перпендикулярно кольцевому сектору и параллельно его оси. Для блокирования осевого перемещения ножки лопатки в пазу предусмотрен по меньшей мере один блокирующий зуб, расположенный радиально относительно оси кольцевого сектора. В кольцевом секторе выполнены вентиляционные средства для удаления потока воздуха, циркулирующего между дном паза роторного колеса и блокирующей шпонкой. В результате обеспечивается блокирование ножки роторной лопатки, не имеющей средств для осевого блокирующего зацепления, сокращается время установки устройства в ротор турбомашины. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (8) для блокирования ножки (3) роторной лопатки (2) в пазу (11) роторного колеса (1) турбомашины, содержащее:
- кольцевой сектор (81), предназначенный для установки перпендикулярно оси турбомашины в канавке (6) роторного колеса (1),
- по меньшей мере одну блокирующую шпонку (82), перпендикулярную кольцевому сектору (81), жестко соединенную с ним и расположенную параллельно оси (S) кольцевого сектора (81) для радиального удержания ножки (3) лопатки (2) в пазу (11),
- по меньшей мере один блокирующий зуб (83), расположенный от кольцевого сектора (81) радиально относительно оси (S) кольцевого сектора (81) для блокирования осевого перемещения ножки (3) лопатки (2) в пазу (11), и
- вентиляционные средства (91, 92, 93), выполненные в упомянутом кольцевом секторе (81) и предназначенные для обеспечения удаления потока воздуха (F), циркулирующего между дном паза (11) и блокирующей шпонкой (82).

2. Устройство по п.1, в котором вентиляционные средства (91, 92, 93) выровнены с направлением выступа блокирующего зуба (83).

3. Устройство по п.1, в котором вентиляционные средства выполнены в виде по меньшей мере вентиляционного отверстия (91, 92).

4. Устройство по п.1, в котором вентиляционные средства выполнены в виде по меньшей мере одного вентиляционного выреза (93), выполненного в части (84) кольцевого сектора (81), предназначенной для установки в канавке (6) роторного колеса (1).

5. Устройство по п.1, в котором кольцевой сектор (81) содержит радиально расположенную внутреннюю часть (84), предназначенную для установки в канавке (6) роторного колеса (1), и радиально расположенную внешнюю часть (85), в которой размещен блокирующий зуб (83), разнесенные одна относительно другой по оси (S) кольца.

6. Ротор турбомашины, содержащий роторное колесо (1), по меньшей мере одну роторную лопатку (2) и по меньшей мере одно блокирующее устройство (8) по одному из пп. 1-5, при этом роторное колесо (1) имеет паз (11), в котором размещена ножка (3) лопатки (2), и канавку (6), в которой установлено блокирующее устройство (8), а блокирующая шпонка (82) блокирующего устройства (8) размещена между ножкой (3) лопатки (2) и дном паза (11).

7. Ротор по п.6, в котором роторное колесо (1) расположено по оси от входа к выходу, канавка (6) выполнена на выходном конце роторного колеса (1) для блокирования осевого перемещения лопатки (2) в пазу (11) к выходу.

8. Ротор по п.6, в котором ножка роторной лопатки (2) содержит оболочку из композитного материала.

9. Ротор по п.6, в котором ножка роторной лопатки (2) имеет форму ласточкина хвоста.