РОТОР ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2017 года по МПК F01D5/32 F04D29/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области турбомашин, в частности к области многоконтурных турбореактивных двигателей с передним вентилятором, и направлено на осевую фиксацию лопаток, размещенных в осевых канавках или углублениях на ободе диска ротора. Оно в основном направлено на фиксацию лопаток вентилятора в их месте посадки на диске вентилятора.

Предшествующий уровень техники

Многоконтурный турбореактивный двигатель содержит газотурбинный двигатель, приводящий в движение обычно располагаемый вверх по потоку вентилятор двигателя. Вентилятор содержит, как правило, диск ротора с множеством радиальных лопаток вентилятора, установленных через определенные промежутки по окружности и закрепленных в индивидуальных углублениях на ободе. Углубления ориентированы по существу в осевом направлении и имеют сечение в форме ласточкиного хвоста. Их форма дополняет форму ножек лопаток для обеспечения их удержания на месте, когда лопатки подвержены воздействию центробежных сил во время вращения диска. Лопатки установлены по отдельности и введены в осевом направлении в углубления. Они подклинены в радиальном направлении посредством угловой подкладки, которая вставлена между дном углубления и ножкой лопатки. Они удерживаются в осевом направлении, назад посредством упора, который, как правило, образован барабаном ротора низкого давления или наддува, жестко соединенным с диском вентилятора, сзади и вперед, посредством фиксатора. Понятия «вперед» и «назад» определены направлением истечения потока газа через двигатель.

Были предложены решения, направленные на осевое удержание лопатки в ее месте посадки, когда она подвержена аэродинамическим нагрузкам, которые содержат осевую составляющую, стремящуюся, таким образом, заставить ее скользить относительно углубления. Например, в документе FR 2345605, поданном от имени заявителя, фиксатор образован U-образной деталью, размещенной в радиальной плоскости перпендикулярно осевой угловой подкладке, и удерживается в свою очередь в радиальных бороздках, выполненных одновременно и в ножке лопатки, и в боковых поверхностях углубления.

В документе FR 2690947 устройство удержания в осевом направлении лопаток образовано осевой угловой подкладкой, расположенной под ножкой лопатки на дне углубления и фиксатора, перпендикулярном осевой угловой подкладке, в который ножка лопатки упирается в осевом направлении в передней части. Фиксатор расположен в радиальных бороздках, выполненных в боковых поверхностях зубцов диска (часть обода диска между двумя соседними углублениями называется зубцом). Фиксатор и угловая подкладка жестко соединяются друг с другом винтом, который в радиальном направлении проходит сквозь первую лапку, являющуюся продолжением осевой угловой подкладки вперед, и вторую лапку, жестко соединенную с фиксатором под прямым углом к последнему. Следует отметить, что, согласно этому документу, одна прокладка размещена между фиксатором и ножкой лопатки для ослабления осевых напряжений, возникающих в результате удара по лопаткам вентилятора, производимого, например, засасываемым предметом. Прокладка выполнена из деформируемого материала, такого как сотовая структура, для поглощения энергии удара.

В роторе вентилятора лопатки содержат перо лопатки и ножку лопатки для ее установки на диске, но не интегрированную полку лопатки. Межлопаточные полки соединены между лопатками для обеспечения непрерывности внутренней радиальной поверхности потока воздуха, проходящего через ротор. Эти межлопаточные полки, когда они являются металлическими, крепятся на зубцах обода диска посредством осевых штырей, проходящих сквозь две проушины, одна из которых жестко соединена с зубцом, другая - с полкой между лопатками.

Лопатки вентилятора с большой хордой и выполненные из композитного материала, устанавливаемые на некоторых двигателях, фиксируются в неподвижном состоянии посредством осевых угловых подкладок, расположенных под их ножками, имеющими форму каплевидного утолщения, которые также выполнены из композитного материала. Согласно достигнутому уровню техники для данного типа практической реализации осевые угловые подкладки фиксируются посредством винтового соединения с осевым удерживающим фиксатором к передней части лопатки. Это соединение занимает большое пространство между передней кромкой зубцов диска, как это показано на фиг.1. Габаритные размеры винтового соединения угловой подкладки с фиксатором нуждаются, таким образом, в огибании зоны задним звеном барабана переднего кожуха ротора. Передний кожух представляет собой конструктивный элемент обтекателя, который образует переднюю внешнюю поверхность ротора вентилятора.

Как показано на фиг.1, выступ клина относительно передней поверхности фиксатора не создает особенных проблем и является приемлемым, поскольку он находит место в заднем объеме, образованном задним звеном барабана кожуха.

Однако такое решение имеет некоторые недостатки:

В случае, когда межлопаточные полки имеют композитную коробчатую конструкцию, существует необходимость в их удержании на месте посредством переднего звена барабана, которое отличается от вышеупомянутого кожуха. Действительно, задняя часть такого кожуха не обладает механической стойкостью и не может обеспечить данную удерживающую функцию. Такое звено барабана должно иметь края, отделанные фестонами, и быть достаточно высвобожденными для того, чтобы не накладываться один на другой и обеспечивать прохождение осевых угловых подкладок.

Осевая угловая подкладка выполнена из композитного материала, как и лопатки вентилятора; необходимо, таким образом, приклеить металлическую головку из легкого сплава для обеспечения винтового соединения с фиксатором. В связи с этим изготовить угловую подкладку сложнее.

Изготовление узла угловая подкладка/фиксатор является дорогостоящим.

Задачей изобретения является практическая реализация ротора вентилятора, не содержащего недостатков вышеупомянутого решения.

Задача решается тем, что согласно изобретению предложен ротор вентилятора турбореактивного двигателя, содержащий: диск с ободом и углубления, по существу осевые и с сечением в форме ласточкиного хвоста, на ободе; и лопатки, установленные по отдельности в углублениях; осевую угловую подкладку, расположенную между ножкой лопаток и дном углублений; и поперечный фиксатор, обеспечивающий переднюю осевую блокировку лопаток в их углублении; причем поперечный фиксатор направляется в радиальных бороздках, выполненных в боковых поверхностях углубления и радиально опирающихся на клин, отличающийся тем, что осевая угловая подкладка блокируется в движении вперед и упирается в поперечный кольцевой конструктивный элемент, жестко соединенный с диском.

Решение согласно изобретению заключается, таким образом, в устранении соединения типа винтовой пары между осевой угловой подкладкой и фиксатором.

Преимуществом такого решения является упрощение конструкции с сохранением соответствия техническим условиям осевой угловой подкладки и фиксатора, а именно:

- осевые угловые подкладки заменимы в линии;

- оно облегчает проведение сборочных операций. Установка осевых угловых подкладок может быть осуществлена при помощи легкого молотка, а извлечение при помощи инерционного инструмента;

- часть осевой угловой подкладки, расположенная под каплевидным утолщением лопатки, не изменена по сравнению с осевой угловой подкладкой, используемой в соответствии с прежним решением, причем геометрическая форма связана с каплевидным утолщением лопатки;

- осевая угловая подкладка обеспечивает расположение лопатки, как и согласно предшествующему решению;

- осевая угловая подкладка обеспечивает радиальное расположение фиксатора при остановке двигателя;

- осевой упор угловой подкладки назад обеспечен фиксатором или барабаном компрессора низкого давления, как согласно предшествующему решению;

- в том случае, если ротор содержит межлопаточные полки с композитной сотовой структурой, решение совместимо с наличием расположенного вверх по потоку кольца, выполненного из титана и обеспечивающего их удержание.

Таким образом, согласно первому варианту практической реализации, когда ротор содержит межлопаточные полки, удерживаемые на месте посредством переднего звена барабана удержания межлопаточных полок, это звено барабана образует упомянутый поперечный кольцевой конструктивный элемент, в который упираются осевые угловые подкладки.

Предпочтительно, осевая угловая подкладка содержит радиальный гребень, образующий осевой упор, в который упирается упомянутое переднее звено барабана; в частности фиксатор содержит осевую лапку, образующую осевой упор для осевой угловой подкладки. Согласно другой отличительной особенности фиксатор содержит прокладку, выполненную из материала, который может деформироваться в результате сжатия между фиксатором и ножкой лопатки.

Согласно другому варианту практической реализации ротор содержит межлопаточные полки, удерживаемые на месте посредством звена барабана удержания межлопаточных полок; причем упомянутый кольцевой элемент фиксации осевых блокировочных клиньев образует передний защитный конус ротора. Согласно данной практической реализации звено барабана удержания полок содержит радиальный фланец крепления к диску ротора; причем фланец имеет фестонные края для образования отверстий, через которые осевые угловые подкладки опираются в осевом направлении на поперечный кольцевой конструктивный элемент.

Согласно отличительной особенности осевые угловые подкладки содержат осевую лапку с радиальным отверстием, посредством которой осевые угловые подкладки могут быть извлечены из их углублений. Изобретение распространяется также на турбореактивный двигатель с передним вентилятором, содержащий определенный, таким образом, ротор вентилятора.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные особенности и преимущества станут видны из нижеследующего детального описания вариантов практической реализации, не имеющих ограничительного характера, приводимого со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- фиг. 1 изображает двухконтурный турбореактивный двигатель в осевом разрезе;

- фиг. 2 изображает в перспективе соединение между осевым клином и фиксатором удержания лопаток ротора вентилятора на основе достигнутого уровня техники;

- фиг.3 изображает в осевом разрезе через углубление соединение между фиксатором и осевым клином, представленном на фиг.2;

- фиг.4 изображает в осевом разрезе через углубление соединение осевого клина и фиксатора в соответствии с первым вариантом практической реализации изобретения;

- фиг.5 изображает соединение, представленное на фиг.4, в изометрии, вид в три четверти спереди, без звена барабана удержания межлопаточных полок, которые не показаны;

- фиг.6 изображает в изометрии, вид сбоку соединения согласно второму способу практической реализации изобретения;

- фиг.7 изображает в изометрии, вид три четверти, спереди ротора согласно второму варианту практической реализации.

Подробное описание изобретения

Турбореактивный двигатель 1, представленный на фиг.1, является двухконтурным с передним вентилятором 2, содержащим диск вентилятора 4, на котором расположены лопатки вентилятора 6, удерживаемые их ножками в углублениях, выполненных на ободе. Диск установлен с выносом на вале низкого давления, на котором также размещен барабан 7 компрессора наддува или низкого давления непосредственно сразу после диска и с которым он жестко соединен. Конструктивный элемент 5, имеющий в целом форму конуса, закреплен спереди на диске вентилятора; этот конструктивный элемент выполняет в основном аэродинамическую функцию направления потока воздуха к входному устройству двигателя.

На фиг.2 и 3 изображена установка лопатки 6 вентилятора в углубление диска вентилятора на основе достигнутого уровня техники. Осевая угловая подкладка 43 вставлена под ножкой лопатки для обеспечения радиального удержания лопатки в ее углублении, а фиксатор 44, перпендикулярный угловой подкладке 43, вставлен в бороздки, выполненные в боковых поверхностях углубления передней стороны диска. Осевая угловая подкладка содержит часть 43а, которая размещается в углублении, и лапку 43b переднего края, которая выступает за пределы диска 4 и предназначена для соединения с фиксатором 44. Соединение обеспечивается посредством винта 45, который проходит одновременно и сквозь лапку 43b, и сквозь лапку 44a, жестко соединенную с фиксатором. Такая сборка обеспечивает, таким образом, одновременно блокирование и осевой угловой подкладки 43, и фиксатора 44, причем узел закрепляет в неподвижном состоянии лопатку в ее углублении; причем лопатка, кроме того, сзади упирается в осевом направлении в барабан наддува.

Как это показано на фиг.3, данный способ соединения имеет определенный габаритный объем и взаимодействует с установкой кожуха 5. Кожух 5 содержит одно ребро жесткости 51 с радиальным фланцем, посредством которого он крепится к диску 4. Задняя наружная кромка 52 блокирует в осевом направлении межлопаточные полки 8 на диске, которые, кроме того, удерживаются в радиальном направлении.

Сейчас будет приведено описание способа практической реализации сборки угловой подкладки и фиксатора, который позволяет добиться выигрыша места и облегчает установку звена барабана удержания межлопаточных полок, необходимого в том случае, когда они не металлические и не могут удерживаться при помощи средств, выполненных на основе достигнутого уровня техники.

На фиг.4 и 5 изображен первый вариант практической реализации. Диск 4 и лопатки не усовершенствованы. Осевая угловая подкладка 143 вставлена под ножку лопатки в имеющееся пространство между ножкой лопатки и дном углубления. Угловая подкладка содержит осевую часть 143a под лопаткой и лапку 143b, которая является ее продолжением вперед; причем радиальный гребень 143b является завершением лапки вперед и образует осевой упор.

Поперечный фиксатор 144 (в данном случае перпендикулярный осевой угловой подкладке) вставлен в бороздки, выполненные в боковых поверхностях углубления. Лапка 144a, расположенная под прямым углом относительно фиксатора, продолжается вперед до упора с радиальным гребнем 143c осевой угловой подкладки 143. Прокладка 144b, имеющая сотовую структуру, размещена между фиксатором 144 и ножкой лопатки, согласно известному специалистам техническому решению на основе достигнутого уровня техники.

Межлопаточные полки 8' удерживаются на месте (удерживаются при воздействии центробежных сил) посредством звена барабана 145, которое содержит кольцевую часть 145b, которая опирается на соответствующую лапку 8'a клинового укрепления, выполненную на межлопаточных полках 8'. Наружная поверхность кольцевой части 145b звена барабана 145 образует непрерывную с межлопаточными полками 8' аэродинамическую поверхность. В радиальном фланце 145a просверлены отверстия (не показаны), через которые звено барабана закреплено болтами на фронтальной стороне зубцов 42. Этот радиальный фланец образует, кроме того, осевой упор для гребней 143c.

Расположенный перед звеном барабана 145 конус 5' упирается в его переднюю сторону; он прикреплен к диску 4 всеми соответствующими средствами.

Монтаж всей совокупности конструктивных элементов включает в себя установку лопаток, их фиксацию посредством фиксаторов, которые вставляются в радиальные бороздки, вложение осевых угловых подкладок 143 под лопатками, возможно, при помощи легкого молоточка для его точной подгонки согласно нормам. Гребень 143b начинает упираться в лапку 144a. Фиксатор 144 содержит опорные части, взаимодействующие с бороздками для радиального клинового укрепления, когда он опирается на угловую подкладку 143. Установка кольцевого звена барабана 145 фиксирует совокупность конструктивных элементов, упираясь в переднюю сторону гребня 143b.

На фиг.6 и 7 изображен еще один вариант практической реализации изобретения.

Осевая угловая подкладка 243 содержит осевую часть 243a, которая располагается между ножкой лопатки и дном углубления, переднюю лапку 243b, которая в данном случае является прямой без отвода в радиальном направлении. Фиксатор 244 удерживает лопатку в осевом направлении, как и предшествующий фиксатор 144; кольцевое звено барабана 245 удержания межлопаточных полок при воздействии центробежных сил содержит кольцевую часть опоры на передние лапки, выполненные на межлопаточных полках. Радиальный фланец 245a прикреплен болтами на зубцах обода диска 4 и обеспечивает удержание звена барабана на диске. Это звено барабана отличается от предшествующего звена барабана тем, что оно не выполняет функцию осевого клинового укрепления угловых подкладок 243. Они упираются в осевом направлении в осевое ребро жесткости, жестко соединенное с кожухом 5'' через отверстие 245a1, выполненное в радиальном фланце 245a. Осевые опорные ребра жесткости 5''а, жестко соединенные с кожухом, могут быть из одного конструктивного элемента или также сопряжены.

При сборке лопатки 6 устанавливаются в соответствующие углубления с фиксатором 244 соответствующего осевого удержания, затем вставляются угловые подкладки 243 между ножками лопаток и дном углублений. Звено барабана 245 крепится болтами (46) на зубцах обода. Отверстия 245a1 высвобождают конец лапок 243b, как это показано на фиг.7. При установке кожуха 5'' ребро жесткости 5'' упирается в лапку 243b, которая в связи с этим удерживается от всех перемещений вперед при работе двигателя.

При демонтаже отверстие, выполненное в лапке, позволяет использовать известный инструмент для извлечения.

Один или другой вариант практической реализации позволяет осуществлять осевые угловые подкладки из композитного материала.

Ротор турбомашины содержит диск с осевыми углублениями на ободе, лопатки, установленные в углублениях, межлопаточные полки, установленные между углублениями, осевой клин, расположенный между ножкой лопаток и дном углублений, а также поперечный фиксатор, обеспечивающий осевую блокировку вперед лопаток в их углублениях. Фиксатор направляется в радиальных бороздках, выполненных в боковых поверхностях углублений, и радиально опирается на осевой клин. Осевой клин блокируется в направлении вверх по потоку, упираясь в поперечный кольцевой элемент, жестко соединенный с диском. Межлопаточные полки удерживаются на месте посредством расположенного вверх по потоку кольца, содержащего часть, образующую опору для лапки, выполненную на межлопаточных полках. Осевой клин и поперечный фиксатор не соединены друг с другом. Каждый осевой клин содержит радиальный гребень, образующий осевой упор в кольцо, а поперечный фиксатор содержит осевую лапку, образующую осевой упор для осевого клина. Другое изобретение группы относится к турбореактивному двигателю с переднерасположенным вентилятором, содержащему указанный выше ротор. Группа изобретений позволяет упростить сборку и разборку ротора турбомашины. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ротор турбомашины – вентилятор турбореактивного двигателя, содержащий: диск (4) с углублениями (41), по существу осевыми и с сечением в форме ласточкиного хвоста, на ободе; лопатки (6), установленные по отдельности в углублениях; и межлопаточные полки (8'), установленные между углублениями; осевой клин (143; 243), расположенный между ножкой лопаток и дном углублений; и поперечный фиксатор (144; 244), обеспечивающий осевую блокировку вперед лопаток в их углублениях; причем фиксатор направляется в радиальных бороздках, выполненных в боковых поверхностях углублений, и радиально опирается на осевой клин, отличающийся тем, что осевой клин (143; 243) блокируется в направлении вверх по потоку, упираясь в поперечный кольцевой элемент (145; 5ʺа), жестко соединенный с диском (4); причем упомянутые межлопаточные полки (8') удерживаются на месте посредством расположенного вверх по потоку кольца, содержащего часть (145b, 245b), образующую опору для лапки (8'а), выполненную на упомянутых межлопаточных полках (8'), причем осевой клин и поперечный фиксатор не соединены друг с другом, а осевые клинья (143) содержат радиальный гребень (143b), образующий осевой упор в упомянутое кольцо (145), причем поперечный фиксатор (144) содержит осевую лапку (144а), образующую осевой упор для осевого клина (143).

2. Ротор по п. 1, в котором кольцо, удерживающее на месте упомянутые межлопаточные полки, образует также упомянутый поперечный кольцевой конструктивный элемент, в который упираются осевые клинья (143).

3. Ротор по п. 1, содержащий прокладку (144b), выполненную из материала, который может деформироваться в результате сжатия между фиксатором и ножкой лопатки.

4. Ротор по п. 1, упомянутые полки которого удерживаются на месте посредством кольца (245), причем кольцевой элемент осевого блокирования (5ʺа) клиньев образует часть переднего защитного конуса (5ʺ) ротора.

5. Ротор по п. 4, в котором кольцо (245) удержания полок содержит радиальный фланец (245а) крепления к диску; включающий фестонные края для образования отверстий (245а1), сквозь которые осевые клинья (243) упираются в осевом направлении в поперечный кольцевой элемент (5ʺа).

6. Ротор по п. 5, в котором осевые клинья (243) содержат осевую лапку (243b) с радиальным отверстием, посредством которого осевые клинья могут быть извлечены из их углубления.

7. Турбореактивный двигатель с переднерасположенным вентилятором, содержащий ротор турбомашины по любому из пп. 1-6.