ПОДВИЖНАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2016 года по МПК F01D5/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к подвижной лопатке для турбомашины.

Данная лопатка может быть закреплена на турбомашине любого типа для наземного или авиационного применения и, в частности, для турбовального вертолетного газотурбинного двигателя или турбореактивного авиационного двигателя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В данном описании изобретения «входной» и «выходной» определяются относительно обычного направления потока газа (от входящего до выходящего) через турбомашину.

Ось вращения ротора турбомашины также относится к оси турбины или двигателя. Направление оси соответствует направлению оси двигателя, а радиальное направление является направлением, перпендикулярным оси двигателя и пересекающим упомянутую ось. Другими словами, плоскость оси является плоскостью, содержащей ось двигателя, а радиальная плоскость является плоскостью, перпендикулярной данной оси.

Если не указано иное, определения «внутренний» и «наружный» используются по отношению к радиальному направлению, так что внутренний участок элемента является участком в радиальном направлении, который расположен ближе к оси двигателя, чем наружный участок того же самого элемента.

Наконец, ось вертикальной сборки лопатки определяется как ось, проходящая через центр тяжести нижней секции аэродинамического профиля (т.е. секции, самой близкой к двигателю) и перпендикулярная оси двигателя.

Обычно, подвижная лопатка турбомашины (см. например, FR 2923524, МПК F01D 5/14, 15.05.2009) имеет аэродинамический профиль, который продолжается вдоль оси вертикальной сборки лопатке между ближним и дальним концами (т.е. внутренним и наружным концами) лопатки. На своем ближнем конце лопатка имеет хвостовик, с помощью которого она прикреплена к диску ротора двигателя. На своем дальнем или свободном конце лопатка имеет поперечный элемент, называемый верхним участком. Когда на роторном диске закреплено множество подвижных лопаток, их верхние участки расположены бок о бок с образованием периферического кольца, которое служит, в частности, для образования снаружи прохода потока для газа, проходящего через двигатель, и, таким образом, ограничения утечек газа в данном месте.

Настоящее изобретение относится к подвижной лопатке, имеющей верхний участок, имеющий: бандажную полку, образующую наружную поверхность прохода для прохождения газа через двигатель и имеющую противоположные первый и второй боковые края; и входной и выходной герметизирующие выступы, продолжающиеся радиально наружу от бандажной полки.

В дополнение, подвижная лопатка выполнена так, что каждый из первого и второго боковых краев бандажной полки имеет по существу Z-образный профиль между входным и выходным выступами, с первым сегментом вблизи входного выступа, промежуточным вторым сегментом и третьим сегментом вблизи выходного выступа, при этом первый и третий сегменты по существу параллельны друг другу, а второй сегмент продолжается по существу наклонно между первым и третьим сегментами.

Для ослабления вибрации, которой подвергаются при работе лопатки вышеупомянутого типа, лопатку устанавливают на их роторных дисках со скручивающим напряжением вокруг их осей сборки. Таким образом, верхние участки спроектированы так, что каждая лопатка может быть установлена на подшипнике со скручивающим напряжением по отношению к соседним лопастям, главным образом, вдоль вторых сегментов боковых краев.

Как известно, для повышения воспринимаемых усилий между лопастями и, в частности, недопущения пересечения верхних участков, чтобы гарантировать передачу данных сил, насколько возможно, от каждой лопатки к соседним, необходимо увеличить высоту, т.е. размер в радиальном направлении, боковых краев верхнего участка, в частности во вторых сегментах.

В первом известном примере верхнего участка подвижной лопатки центральный участок бандажной полки, который продолжается между входным и выходным выступами, выполнен из двух подучастков разной толщины: причем первый подучасток большей толщины продолжается аксиально от входного выступа до третьих сегментов боковых краев и периферийно от первого бокового края до второго бокового края, а второй подучасток меньшей толщины продолжается аксиально после первого подучастка до выпускного выступа и периферийно от первого бокового края до второго бокового края. Главным недостатком данной конфигурации бандажной полки является то, что она является тяжелой из-за утолщенного первого подучастка, выполненного «сплошным», т.е. не полым.

Для устранения данного недостатка во втором известном примере верхнего участка первый подучасток заменен двумя буртиками, выступающими от наружной поверхности бандажной полки и размещенными вдоль боковых краев бандажной полки. Подобно первому подучастку бандажной полки буртики продолжаются от входного выступа до третьих сегментов боковых краев, т.е. они не соединяются с выходным выступом. Тем не менее, в периферийном направлении данные буртики разнесены друг от друга полостью. То есть полость предусмотрена для облегчения верхнего участка.

Однако данный второй пример бандажной полки имеет недостатки. В частности, один недостаток состоит в том, что центр тяжести бандажной полки не выровнен с центром тяжести верхнего участка аэродинамического профиля, где «верхний участок» является участком аэродинамического профиля, непосредственно под верхним участком. Данное отсутствие выравнивания приводит к экстремальным напряжениям, оказываемым верхним участком на остальную часть лопатки, причем данные экстремальные напряжения негативно влияют на срок службы лопатки. Следует отметить, что первый пример известного верхнего участка, как раскрыто выше, также имеет данный недостаток.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении предлагается подвижная лопатка турбомашины, имеющая на своем дальнем конце верхний участок, содержащий: бандажную полку, образующую наружную поверхность прохода для прохождения газа через турбомашину, и имеющую противоположные первый и второй боковые края; и входной и выходной герметизирующие выступы, продолжающиеся радиально наружу от бандажной полки. Каждый из первого и второго боковых краев имеет по существу Z-образный профиль между входным и выходным выступами, причем профиль имеет первый сегмент вблизи входного выступа, промежуточный второй сегмент, и третий сегмент вблизи выходного выступа, при этом первый и третий сегменты по существу параллельны друг другу, а второй сегмент наклонно продолжается между первым и третьим сегментами. Верхний участок включает в себя, на боковой стороне первого бокового края, первый, выступающий наружу, буртик, продолжающийся вдоль второго сегмента первого бокового края, причем данный первый буртик не соединен ни с входным, ни с выходным выступами; и верхний участок включает в себя, на боковой стороне второго бокового края, второй, выступающий наружу, буртик, при этом второй буртик имеет выходной участок, соединенный с выходным выступом, и продолжающийся вдоль второго и третьего сегментов второго бокового края, и входной участок, продолжающий выходной участок до входного выступа, расположенный позади первого сегмента второго бокового края (т.е. относительно первого сегмента второго бокового края, входной участок смещен под углом к середине бандажной полки).

В некоторых вариантах осуществления высота входного участка второго буртика выполнена меньшей высоты выходного участка.

Верхний участок такой лопатки обладает преимуществом в ограниченном весе по сравнению с рассмотренным выше первым известным примером верхнего участка.

В дополнение, позиционирование и конфигурация буртиков позволяет обеспечить верхний участок с центром тяжести, который находится близко или даже точно выровнен с центром тяжести верхнего участка аэродинамического профиля. Это способствует ограничению или даже исключению экстремальных напряжений, вызываемых верхним участком на остальной части лопатки.

Наконец, по сравнению с рассмотренными выше известными примерами верхних участков, поскольку второй буртик соединен с выходным выступом, выходной выступ упрочнен, что позволяет лучше выдерживать контактные усилия между соседними бандажными полками.

В варианте осуществления материал, из которого выполнена лопатка, обычно является не очень хорошим с точки зрения износостойкости в рабочих условиях турбомашины, и чтобы продлить срок службы лопатки чувствительные участки лопатки защищают применением некоторого другого материала, который лучше выдерживает износ, обычно называемый износостойким материалом.

Таким образом, в варианте осуществления каждый из первого и второго буртиков имеет на своей боковой стороне слой износостойкого материала.

Данный слой износостойкого материала способствует защите бандажной полки лопатки от износа, который является результатом взаимного истирания соседних лопаток. Поскольку участки буртиков, которые расположены вдоль вторых сегментов боковых краев лопатки, наиболее подвержены трению, то, в первую очередь, защита предпочтительно должна быть обеспечена им. Таким образом, в варианте осуществления слой износостойкого материала присутствует, по меньшей мере, на вторых сегментах.

Слой износостойкого материала может быть выполнен различными путями. Он может состоять из небольших пластин специального сплава, обладающего высокой твердостью и пригодного для напаивания на металлический буртик, т.е. подложки, по поверхности которой плотно прилегают соседние лопатке. По другой технологии поверхность, которая нуждается в защите, постепенно наращивают износостойким материалом, другими словами, расплавленным в то же самое время, что и верхний слой подложки (возможно после локального удаления заданной толщины материала субстрата). Тепло подают посредством соответствующего источника тепла. В качестве примера, это может быть электрическая дуга в инертном газе или лазерный луч. По данной отличной технологии применяемым износостойким материалом является сплав на основе кобальта, и некоторые такие сплавы продаются под торговой маркой «Stellite».

В настоящем изобретении также предлагается турбомашина, включающая в себя вышеописанную лопатку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи являются схематичными и необязательно выполнены в масштабе для того, что по существу проиллюстрировать принципы изобретения.

На чертежах, от одного чертежа к другому, элементы (или участки элемента), которые являются идентичными, обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе, показывающий пример подвижной лопатки, имеющей верхний участок.

Фиг. 2 представляет собой подробный вид верхнего участка лопатки по фиг. 1.

Фиг. 3 представляет собой видом в плане верхнего участка по фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА (ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Ниже подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи рассмотрен вариант осуществления подвижной лопатки с верхним участком. Данный пример иллюстрирует признаки и преимущества изобретения. Однако следует понимать, что изобретение не ограничено данным примером.

Фиг. 1 представляет пример подвижной лопатки 10 турбомашины. Такая лопатка может быть применена в турбореактивном авиационном двигателе на стадии низкого давления.

Подвижная лопатка 10 имеет аэродинамический профиль 16, который продолжается вдоль оси X сборки лопатки между ближним концом 10А и дальним концом 10В (т.е. внутренним концом и наружным концом) лопатке. На своем ближнем конце 10А лопатка имеет хвостовик 12, предназначенный для ее прикрепления к диску ротора турбомашины (не показана). Диск вращается вокруг оси А двигателя. На своем наружном конце 10В лопатка 10 имеет верхний участок 14.

Когда на диске ротора закреплено множество подвижных лопаток 10, их верхние участки 14 расположены бок о бок друг с другом с образованием роторного кольца, образующего поверхность вращения вокруг оси А вращения диска. Кольцо имеет конкретную функцию образования поверхности прохождения потока для газа, проходящего между аэродинамическим профилями 16 и, таким образом, функцию ограничения любой утечки газа на дальних концах 10В лопаток 10.

Верхний участок 14 содержит: бандажную полку 20, образующую наружную поверхность прохождения потока для газа, проходящего между первым и вторым боковыми краями 21 и 22; и входной и выходной герметизирующие выступы 31 и 32, продолжающиеся радиально наружу от бандажной полки 20.

Когда на диске ротора закреплено множество подвижных лопаток 10, входной и выходной выступы лопаток расположены бок о бок с образованием кольца вращения оси А, причем данное кольцо локализовано по существу в радиальной плоскости. Данное кольцо имеет, в частности, функцию ограничения зазора, который существует между лопастями 10 и ограждением или кожухом, который окружает лопатку, для ограничения утечек газа в данном месте.

Бандажная полка 20 имеет входной участок 24, упоминаемый как верхний нависающий элемент, который продолжается сверху от входного выступа 31. Бандажная полка 20 также имеет выходной участок 28, упоминаемый как нижний нависающий элемент, который продолжается вниз от выходного выступа 32. Наконец, бандажная полка имеет центральный участок 26 между входным и выходным выступами 31 и 32.

Как может быть четко видно на фиг. 3, в центральном участке 26, каждый из первого и второго боковых краев 21 (22) бандажной полки 20 имеет по существу Z-образный профиль с первым сегментом 21А (22А) вблизи входного выступа 31, промежуточным вторым сегментом 21В (22В) и третьим сегментом 21С (22С) вблизи выходного выступа 32, при этом первый и третий сегменты 21А, 21С (22А, 22С) края 21 (22) по существу параллельны друг другу, а второй сегмент 21В (22В) продолжается по существу наклонно между первым и третьим сегментами 21А, 21С (22А, 22С).

Для ослабления вибрации, которой при работе подвержены лопатки 10, лопатки 10 установлены на диске ротора (не показан) со скручивающим напряжением вокруг своих осей X сборки. Таким образом, бандажные полки 20 верхних участков 14 выполнены по форме так, что каждая лопатка может быть установлена давлением со скручивающим напряжением по отношению к соседним лопастям, в основном, вдоль вторых сегментов 21В, 22В боковых краев 21, 22.

На боковой стороне первого бокового края 21 верхний участок 14 лопатки 10 имеет первый выступающий наружу буртик 41, который продолжается вдоль второго сегмента 21В первого бокового края 21. Данный первый буртик 41 не соединен ни с входным выступом 31, ни с выходным выступом 32.

В данном примере первый буртик 41 продолжается по существу вдоль второго сегмента 21В. Более конкретно, он не продолжается вдоль третьего сегмента 21С первого бокового края 21 и продолжается только частично вдоль первого сегмента 21А.

В представленном примере первый буртик 41 имеет на своей боковой поверхности вдоль второго сегмента 21В слой износостойкого материала 41А, полученный наращиванием боковой поверхности сплавом на основе кобальта типа продаваемого под торговой маркой «Stellite» и обладающим хорошими износостойкими свойствами.

На боковой стороне своего второго бокового края 22 верхний участок 14 также имеет второй выступающий наружу буртик 42, имеющий выходной участок 44, соединенный с выходным выступом 32 и продолжающийся вдоль второго и третьего сегментов 22В и 22С второго бокового края 22. Подобно первому буртику 41, данный выходной участок 44 имеет на своей боковой поверхности вдоль второго сегмента 22В слой износостойкого материала 44А, полученный наращиванием данной боковой поверхности сплавом на основе кобальта, обладающим хорошими износостойкими свойствами. Следует отметить, что в отличие от первого буртика 41, выходной участок 44 соединен с выступом, в частности выходным выступом 32.

Кроме того, второй буртик 42 включает в себя входной участок 43, продолжающий выходной участок 44 до входного выступа 31 и расположенный позади относительно первого сегмента 22А второго бокового края 22. Другими словами, входной участок 43 не проходит вдоль первого сегмента 22А, а расположен позади первого сегмента 22А в том смысле, что входной участок 43 находится ближе к середине центрального участка 26 бандажной полки. В данном примере входной участок 43 продолжается, прежде всего, в линию с выходным участком 44 так, чтобы с самого начала продолжаться постепенно в сторону от первого сегмента 22А. По сравнению с первым сегментом 22А, входной участок 43 начинает, таким образом, постепенно смещаться к середине центрального участка 26 бандажной полки. В дальнейшем входной участок 43 искривляется и становится немного ближе к первому сегменту 22А, оставаясь в то же время расположенным позади (т.е. смещенным) от первого сегмента 22А.

В представленном примере входной участок 43 начинается продолжением в линию с выходным участком 44, т.е. в направлении второго сегмента 22В, а затем он искривляется, чтобы соединиться с входным выступом 31 по существу ортогонально. Таким образом, входной участок 43 образует выпуклую боковую поверхность, обращенную к первому буртику 41.

Как можно четко видеть на фиг. 2, входной участок 43 выполнен меньшей высоты, чем выходной участок 44, так что между данными участками 43 и 44 есть своего рода ступенька.

В представленном примере первый и второй буртики 41 и 42 выполнены по существу одной и той же ширины и аналогичным образом входной и выходной участки 43 и 44 второго буртика 42 выполнены по существу одинаковой ширины. В дополнение первый буртик 41 и входной участок 44 второго буртика 42 выполнены по существу одной и той же высоты.

Как представлено, первый буртик 41, второй буртик 42, входной выступ 31 и выходной выступ 32 образуют между собой полость, которая может быть названа «ванной» по существу с плоским днищем, которое образовано наружной поверхностью центрального участка 26 бандажной полки 20.

Подвижная лопатка турбомашины содержит бандажную полку, а также входной и выходной герметизирующие выступы, продолжающиеся радиально наружу от бандажной полки. Бандажная полка образует наружную поверхность прохода для газа и имеет первый и второй противоположные боковые края. Каждый из первого и второго боковых краев между входным и выходным выступами имеет Z-образный профиль, содержащий первый сегмент вблизи входного выступа, промежуточный второй сегмент и третий сегмент вблизи выходного выступа. Первый и третий сегменты параллельны друг другу, а второй сегмент наклонно продолжается между первым и вторым сегментами. На боковой стороне первого бокового края выполнен первый выступающий наружу буртик, продолжающийся вдоль второго сегмента первого бокового края и не соединенный ни с входным, ни с выходным выступами. На боковой стороне второго бокового края выполнен второй выступающий наружу буртик, имеющий выходной участок и входной участок. Выходной участок второго буртика соединен с выходным выступом и продолжается вдоль второго и третьего сегментов второго бокового края. Входной участок второго буртика продолжает выходной участок до входного выступа и расположен позади относительно первого сегмента второго бокового края. Другое изобретение группы относится к турбомашине, включающей указанную выше лопатку. Группа изобретений позволяет снизить напряжения на лопатке за счет выравнивания центра тяжести бандажной полки с центром тяжести верхнего участка аэродинамического профиля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Подвижная лопатка турбомашины, имеющая на своем дальнем конце (10В) верхний участок (14), содержащий:
бандажную полку (20), образующую наружную поверхность прохода для прохождения газа через турбомашину и имеющую первый и второй противоположные боковые края (21, 22); и
входной и выходной герметизирующие выступы (31, 32), продолжающиеся радиально наружу от бандажной полки (20);
при этом каждый из первого и второго боковых краев (21, 22) имеет по существу Z-образный профиль между входным и выходным выступами (31, 32), причем профиль имеет первый сегмент (21А; 22А) вблизи входного выступа (31), промежуточный второй сегмент (21В; 22В) и третий сегмент (21С; 22С) вблизи выходного выступа (32), при этом первый и третий сегменты (21А, 21С; 22А, 22С) по существу параллельны друг другу, а второй сегмент (21В; 22В) наклонно продолжается между первым и третьим сегментами;
при этом лопатка (10) отличается тем, что:
верхний участок (14) включает в себя на боковой стороне первого бокового края (21) первый выступающий наружу буртик (41), который продолжается вдоль второго сегмента (21 В) первого бокового края (21), причем первый буртик (41) не соединен ни с входным, ни с выходным выступами (31, 32); и
верхний участок (14) включает в себя на боковой стороне второго бокового края (22) второй выступающий наружу буртик (42), имеющий выходной участок (44), соединенный с выходным выступом (32), и продолжающийся вдоль второго и третьего сегментов (22А, 22С) второго бокового края (22), и входной участок (43), продолжающий выходной участок (44) до входного выступа (31), расположенный позади относительно первого сегмента (22А) второго бокового края (22).

2. Лопатка по п. 1, в которой каждый из первого и второго буртиков (41, 42) имеет на своей боковой поверхности слой износостойкого материала (41А, 44А).

3. Лопатка по п. 1 или 2, в которой высота входного участка (43) второго буртика (42) меньше высоты выходного участка (44).

4. Турбомашина, включающая в себя лопатку (10) по любому из пп. 1-3.