СЕКТОР ЛОПАТОК СТАТОРА, СТАТОР ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ, ОСЕВАЯ ТУРБОМАШИНА Российский патент 2017 года по МПК F01D9/04 F01D25/24 F04D29/54 

Предпосылки создания изобретения

Изобретение относится к области осевых турбомашин, таких как реактивные двигатели, в частности турбореактивные двухконтурные двигатели. Более конкретно изобретение относится к статорам с лопатками в таких машинах. Статор с лопатками может быть в компрессоре или одном из компрессоров, или турбине, или одной из турбин в такой машине.

Уровень техники

Опубликованный патент EP 2075412 A1 описывает устройство для крепления лопаток статора к кожуху ступени статора компрессора осевой турбомашины. Каждая из лопаток содержит крепежную платформу и аэродинамический профиль, образующий аэродинамическую часть лопатки. Кожух содержит паз, в который вставляются платформы лопаток. Платформы содержат крепежный винт или болт на своих внешних поверхностях. Этот винт предназначен для прохождения через стенку кожуха статора и сопряжения с гайкой для фиксации лопаток. Этот способ крепления требует сборки и регулировки каждой отдельной лопатки. Таким образом, требуется некоторое время для сборки, в частности для турбомашин большого диаметра с большим количеством лопаток. Кроме того, винты обладают существенным весом.

Опубликованный патент EP 2339120 A1 описывает другое устройство для крепления лопаток статора в кожухе ступени статора компрессора осевой турбомашины. Лопатки собираются в секторы на кожухе. С этой целью центральные лопатки в секторе вставляются в радиальном направлении через сегмент платформы и сегмент внутреннего кожуха. Каждая из лопаток на концах сектора содержит платформу на каждом конце в радиальном направлении, при этом указанные платформы прикручены к кожуху статора и внутреннему кожуху. Более конкретно внешняя платформа одной из этих лопаток является общей для двух смежных секторов и с помощью своих винтов обеспечивает соединение с сегментами наружной платформы и их крепление. Внутренняя платформа обеспечивает соединение между двумя смежными внутренними сегментами кожуха. Этот тип установки требует изготовления и реализации некоторого количества частей. К тому же крайние лопатки не идентичны центральным лопаткам. Кроме того, жесткость закрепления ограничена ввиду того, что только крайние лопатки обеспечивают жесткое соединение с кожухом статора. Наличие внешней платформы также создает дополнительный вес.

Опубликованный патент GB 2250782 A описывает другое устройство для крепления лопаток статора к кожуху ступени статора компрессора осевой турбомашины. Основные лопатки выполнены как единое целое с внешним кожухом и внутренним кожухом, последние содержат прорези между лопатками для вставки промежуточных лопаток. Таким образом, эти промежуточные лопатки могут быть изготовлены из композитного материала, в отличие от основных лопаток, которые изготовлены из металлического материала. Цель данной идеи заключается в облегчении замены поврежденных лопаток. Однако она требует использования двух типов лопаток, подобно предыдущей идеи. Дополнительно жесткость ступени статора может быть ограничена ввиду того, что только основные лопатки обеспечивают жесткость внутреннего кожуха и вспомогательных лопаток посредством указанного кожуха.

Краткое описание сущности изобретения

Техническая задача

Целью настоящего изобретения является предоставление способа крепления лопаток статора, который устраняет по меньшей мере один из недостатков уровня техники, указанных выше. Более конкретно изобретение нацелено на предоставление способа крепления, который обеспечивает удовлетворительную жесткость, при этом обладая небольшой массой. Более конкретно изобретение нацелено на предоставление способа крепления, который совместим с корпусом или кожухом корпуса, обеспеченными средствами для крепления корпуса или кожуха, которые могут мешать крепежным винтам лопаток.

Техническое решение

Изобретение относится к сектору лопаток статора, предназначенному для крепления к корпусу осевой турбомашины, при этом сектор содержит несколько лопаток с соединенными платформами, описывающими дугу окружности, и с аэродинамическим профилем, выступающим из внутренней поверхности каждой платформы, при этом указанные аэродинамические профили направлены в центр дуги окружности, описанной платформами, при этом по меньшей мере одна платформа содержит на своей внешней поверхности крепежный винт, и по меньшей мере другая платформа не содержит крепежных винтов, причем платформы скреплены вместе на их смежных краях.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения сектор содержит три лопатки: центральную лопатку и две боковые лопатки по обе стороны центральной лопатки, причем платформа центральной лопатки является платформой, которая не содержит крепежных винтов, при этом две платформы боковых лопаток являются платформами, содержащими крепежные винты.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения по меньшей мере один из краев платформ с крепежными винтами, образующий один конец сектора, содержит заплечик, предназначенный для перекрытия смежного края смежного сектора. Конец сектора находится в круговом направлении сектора.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения сектор содержит три лопатки: центральную лопатку и две боковые лопатки по обе стороны центральной лопатки, причем платформа центральной лопатки является платформой, содержащей крепежные винты, при этом две платформы боковых лопаток являются платформами, которые не содержат крепежные винты.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения по меньшей мере один из краев платформ, которые не содержат крепежные винты, образующий один конец сектора, содержит заплечик, предназначенный быть перекрытым смежным краем смежного сектора. Конец сектор находится в круговом направлении сектора.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения сектор содержит четное количество лопаток, при этом лопатки с платформами с крепежными винтами и лопатки с платформами без винтов расположены поочередно вдоль сектора. Предпочтительно лопатка с платформой с винтом является смежной с лопаткой с платформой без винта и так далее.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения край платформы с крепежным винтом, образующий один конец сектора, содержит заплечик, предназначенный перекрывать смежный край смежного сектора, и/или край платформы без крепежного винта, образующий другой конец сектора, содержит заплечик, предназначенный быть перекрытым смежным краем смежного сектора. Конец сектор находится в круговом направлении сектора.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения платформы скрепляются вместе с помощью сварки и/или пайки.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения лопатки содержат на своих внутренних концах средства для механического крепления к внутреннему кожуху, при этом указанные средства предпочтительно содержат по меньшей мере одно, предпочтительно два отверстия.

Изобретение также относится к статору или части статора осевой турбомашины, предпочтительно компрессора, содержащего корпус, образующий, как правило, цилиндрическую стенку, и лопатки статора, расположенные в по меньшей мере один кольцевой ряд на внутренней поверхности стенки, при этом лопатки образуют секторы, при этом по меньшей мере один из секторов выполнен в соответствии с изобретением.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения все секторы рядов лопаток или по меньшей мере один из них выполнены в соответствии с изобретением, причем указанные секторы предпочтительно идентичные.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения стенка содержит средство крепления указанной стенки на ее наружной поверхности возле рядов лопаток, или по меньшей мере одного из них, при этом секторы спроектированы так, что лопатки с платформами без винтов расположены возле указанного средства.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения стенка корпуса содержит несколько частей по своей окружности, при этом указанные части содержат на своих периферических концах проходящие в осевом направлении кромки, выполненные с возможностью сопряжения друг с другом для закрепления частей стенки, при этом лопатки, расположенные возле указанных кромок, являются платформами, которые не содержат крепежные винты.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения стенка изготовлена из композитного материала, предпочтительно с органической матрицей и предпочтительно с армирующими волокнами.

Изобретение также относится к осевой турбомашине, содержащей ротор, который содержит лопатки ротора, и статор или часть статора, содержащие лопатки статора, при этом статор или часть статора выполнены в соответствии с изобретением.

Преимущества изобретения

Признаки изобретения привлекательны тем, что они обеспечивают возможность осуществления крепления удовлетворительной прочности и жесткости, одновременно ограничивая массу крепления и облегчая крепление на корпусе, содержащем средства для соединения его частей на его наружной поверхности, которые могут мешать крепежным винтам.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 изображен вид в разрезе осевой турбомашины в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 изображен вид в перспективе статора компрессора турбомашины с фиг. 1.

На фиг. 3 изображен вид в разрезе статора с фиг. 2.

На фиг. 4 изображена горизонтальная проекция первого примера сектора лопаток для статора с фиг. 2 и 3.

На фиг. 5 изображена горизонтальная проекция второго примера сектора лопаток для статора с фиг. 2 и 3.

На фиг. 6 изображена горизонтальная проекция третьего примера сектора лопаток для статора с фиг. 2 и 3.

Описание вариантов осуществления

В следующем описании термины "внутренний" или "находящийся внутри", или "внешний", или "наружный" относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины.

На фиг. 1 упрощенно показана осевая турбомашина. В этом случае она является двухконтурным турбореактивным двигателем. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую ступень сжатия, так называемый компрессор 4 низкого давления, вторую ступень сжатия, так называемый компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней турбины 10. При эксплуатации механическая мощность турбины 10 передается через центральный вал на ротор 12 и приводит в действие два компрессора 4 и 6. Редукционные механизмы могут увеличивать скорость вращения, передаваемую компрессорам. Альтернативно каждая из разных ступеней турбины может быть соединена со ступенями компрессора посредством соосных валов. Последние содержат несколько рядов лопаток ротора, сопоставленных с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг его оси 14 вращения обеспечивает создание потока и постепенно сжимает его до впуска в камеру 10 сгорания.

Приточный вентилятор, в целом обозначенный вентилятором 16, соединен с ротором 12 и создает поток воздуха, разделяемый на первичный поток 18, проходящий через разные указанные выше ступени турбомашины, и вторичный поток 20, проходящий через кольцевой канал (показан частично) по длине машины, который затем соединяется с основным потоком на выходе турбины. Первичный поток 18 и вторичный поток 20 являются круговыми потоками и направлены по каналам через статор 5 турбомашины.

На фиг. 2 изображен вид в перспективе статора 5 компрессора 4 низкого давления турбомашины с фиг. 1. В данном случае он представляет собой корпус из композитного материала с органической матрицей, армированной волокнами. Статор 5 может содержать корпус 22, который главным образом состоит из двух частей 22, каждая из которых образует половину кожуха. Каждая из этих частей 22 содержит фиксирующую кромку 24 на каждом из двух периферических концевых краев. Эти фиксирующие кромки проходят в основном в продольном направлении, как правило, параллельно оси вращения машины. Преимущество такой формы конструкции корпуса заключается в том, что она обеспечивает возможность его сборки вокруг ротора 12 (фиг. 1), на котором лопатки выполнены как одно целое с ротором. Это, в частности, относится к случаю, когда они приварены к выступам на роторе или когда они выполнены с помощью машинной обработки в объеме ротора. Когда лопатки, расположенные на роторе, выполнены как одно целое с ротором, обычно невозможно расположить статор вокруг ротора путем перемещения его в осевом направлении, поскольку лопатки статора, которые первые сталкиваются с ротором, будут ударяться о первый ряд лопаток ротора. Использование корпуса, образованного из нескольких частей в форме сектора, обеспечивает процесс сборки, который более не является осевым, а по существу радиальным, и, таким образом, можно избежать проблем, связанных с тем, что лопатки ротора и статора мешают друг другу.

На фиг. 2 можно увидеть первый ряд лопаток 26 статора на входе статора 5 и соответствующий внутренний кожух 40. Корпус показан с двумя частями 22, проходящими вдоль его длины. На практике корпус может содержать несколько секций в осевом направлении. Таким образом, он может быть образован из нескольких секций, образующих кожухи, собранных друг с другом, при этом по меньшей мере одна из этих частей образована из нескольких частей в форме сектора.

На фиг. 3 изображен вид в разрезе корпуса 5 с фиг. 2, выполненном по ряду лопаток статора. Показаны только части корпуса, расположенные рядом с монтажными кромками 24.

Слева можно увидеть два сектора 28, каждый с тремя лопатками 26, около соединительных кромок 24 частей 22 корпуса, каждый из которых расположен на одной стороне соединения между двумя частями стенки. Каждый из двух секторов содержит крепежный винт 32 на платформе 34 центральной лопатки, при этом платформы двух боковых лопаток не имеют крепежных винтов. Платформы жестко соединены вместе, например, с помощью сварки или пайки. Такая конфигурация позволяет, с одной стороны, снизить вес путем уменьшения количества крепежных винтов с трех до двух и, с другой стороны, избежать проблем, связанных с доступом и ограниченным пространством для крепежных винтов лопаток, которые расположены возле фиксирующих кромок 24.

Остальная часть ряда лопаток может быть выполнена путем расположения секторов 28 лопаток впритык. Однако возможны и другие конфигурации секторов.

На правой стороне фиг. 3 изображена конфигурация, альтернативная той, которая показана слева. Сегмент 30 из трех лопаток 26 расположен так, что он захватывает с двух сторон соединение между двумя частями 22 стенки. Платформы 34 лопаток жестко соединены друг с другом, подобно секторам 28 с левой стороны фигуры, например, с помощью сварки или пайки. В случае сектора 30 платформа центральной лопатки не содержит крепежных винтов, тогда как каждая платформа боковых лопаток содержит крепежный винт 32. Подобно конфигурации, изображенной на левой стороне фигуры, эта конфигурация позволяет, во-первых, снизить вес путем уменьшения количества крепежных винтов с трех до одного и, во-вторых, избежать проблем, связанных с доступом и ограниченным пространством для крепежного винта лопатки, который расположен возле фиксирующих кромок 24.

Остальная часть ряда лопаток может быть выполнена путем расположения секторов 30 лопаток впритык или путем чередования сектора 28 и сектора 30. Однако возможны и другие конфигурации секторов.

Во время сборки корпуса 5 секторы сначала прикрепляются к каждой из частей 22, затем последние соединяются друг с другом вокруг ротора турбомашины. В случае конфигурации, изображенной на фигуре слева, концевые края сегментов выполнены заподлицо с соответствующими краями частей стенки 22. В случае конфигурации, изображенной справа на фигуре 3, сектор 30, выполненный с возможностью перекрытия соединения между двумя частями 22 стенки, закрепляется на одной из частей, а часть сектора выступает из части стенки, о которой идет речь. После сборки двух частей 22 стенки выступающая часть сектора затем располагается напротив соответствующей внутренней поверхности другой части стенки. Комбинация закрывающих движений в направлении, в основном перпендикулярном плоскостям кромок 24, и вдоль направления, в основном параллельного указанным плоскостям, может быть необходима для обеспечения возможности вставки крепежного винта на выступающей части сектора в соответствующее отверстие в другой стороне стенки.

На фиг. 4 более подробно изображен сектор 30 с фиг. 3. Жесткое соединение между платформами 34 показано посредством сварных швов 36 между двух сторон платформ, другими словами, внутренней и наружной поверхностями. Интересно, что внутренние концы аэродинамических профилей лопаток 26 могут содержать механические средства для крепления к внутреннему кожуху (см. фиг. 2, позиция 40), которые могут представлять собой отверстия.

Следует отметить, что концевые края сектора 30 могут иметь заплечик 48, выполненный с возможностью образования паза с внутренней стороной стенки корпуса. Эти корпусы в этом случае имеют возможность сопрягаться с соответствующими примыкающими краями примыкающих секторов, особенно когда они соответствуют сектору 28.

На фиг. 5 более подробно изображен сектор 28 с фиг. 3. Жесткое соединение между платформами 34 показано посредством сварных швов 36 между двух сторон платформ, соответствующих внутренней и наружной поверхностям.

Концевые края сектора содержат заплечики 46, образующие полость, открытую в направлении оси вращения машины. Эти заплечики 46 могут сопрягаться с соответствующими заплечиками 48 сектора 30 (фиг. 4). При поочередном расположении этих секторов крепежные винты на концах сектора 30 обеспечивают надежное закрепление тех платформ, которые не содержат крепежных винтов, посредством усилия нажатия, оказываемого заплечиками платформы на два конца сектора 28.

На фиг. 6 изображен третий пример сектора 42 лопаток. Он состоит из шести лопаток с поочередно расположенными платформами, т.е. вдоль изогнутого профиля сектора, при этом платформы с винтами и платформы без винтов чередуются подряд.

Жесткое соединение между платформами 34 предоставлено посредством пайки 44 между контактными поверхностями платформ.

Концевые края могут иметь заплечики 46 и 48, подобные тем, которые показаны на фиг. 4 и 5. Секторы 42 могут располагаться впритык вдоль кругового профиля внутренней поверхности стенки корпуса, заплечик 48 каждого сектора вводится в посадочное место для сопряжения с заплечиком 46 уже установленного сектора.

Сектор 42 на фиг. 6 может иметь разное количество лопаток, например две, четыре или восемь лопаток. Он содержит четное количество лопаток, они расположены поочередно, а именно за одной с винтом следует другая без крепежного винта, и так далее.

Лопатки, в частности, платформы, аэродинамические профили и крепежные винты, как правило, выполнены из металлического материала, предпочтительно из титана.

Сектор лопаток статора для прикрепления к корпусу осевой турбомашины содержит несколько лопаток с платформами, соединенных таким образом, чтобы описывать дугу окружности, и с аэродинамическим профилем, выступающим из внутренней поверхности каждой платформы и направленным к центру дуги окружности, описанной платформами. Одна из платформ содержит на своей внешней поверхности крепежный винт, а другая платформа не содержит крепежного винта. Платформы закреплены вместе на их смежных краях. Аэродинамические профили содержат на своих внутренних концах механические средства крепления к внутреннему кожуху. Другое изобретение группы относится к статору осевой турбомашины, содержащей корпус, образующий цилиндрическую стенку, и лопатки, расположенные на внутренней поверхности стенки, при этом лопатки образуют секторы, выполненные как указано выше. Еще одно изобретение группы относится к осевой турбомашине, содержащей ротор, заключающий в себе лопатки ротора, и указанный выше статор. Группа изобретений позволяет снизить массу сектора лопаток статора и обеспечить надежное его закрепление на корпусе. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Сектор лопаток статора для прикрепления к корпусу (5) осевой турбомашины (2), причем сектор содержит несколько лопаток с платформами (34), соединенными таким образом, чтобы описывать дугу окружности, и с аэродинамическим профилем, выступающим из внутренней поверхности каждой платформы (34) и направленным к центру дуги окружности, описанной платформами, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из платформ (34) содержит на своей внешней поверхности крепежный винт (32), а по меньшей мере одна другая платформа (34) не содержит крепежных винтов, при этом платформы закреплены вместе на их смежных краях; при этом аэродинамические профили содержат на своих внутренних концах механические средства крепления (38) к внутреннему кожуху (40).

2. Сектор лопаток статора по п. 1, отличающийся тем, что сектор содержит три лопатки: центральную лопатку и две боковые лопатки по обе стороны центральной лопатки, причем платформа центральной лопатки является платформой, которая не содержит крепежного винта, при этом две платформы боковых лопаток являются платформами, содержащими крепежные винты.

3. Сектор лопаток статора по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из краев платформ с крепежными винтами, образующий один конец сектора, содержит заплечик (48), предназначенный для перекрытия смежного края смежного сектора.

4. Сектор лопаток статора по п. 1, отличающийся тем, что сектор содержит три лопатки: центральную лопатку и две боковые лопатки по обе стороны от центральной лопатки, при этом платформа центральной лопатки является платформой с крепежным винтом, а две платформы боковых лопаток являются платформами без крепежных винтов.

5. Сектор лопаток статора по п. 4, отличающийся тем, что по меньшей мере один из краев платформ без крепежных винтов, образующий один конец сектора, содержит заплечик (46), предназначенный для перекрытия смежным краем смежного сектора.

6. Сектор лопаток статора по п. 1, отличающийся тем, что содержит четное количество лопаток, причем лопатки с платформами, содержащими крепежный винт, и лопатки с платформами без крепежных винтов расположены поочередно вдоль сектора.

7. Сектор лопаток статора по п. 6, отличающийся тем, что край платформы с крепежным винтом, образующий один конец сектора, содержит заплечик (48), предназначенный перекрывать смежный край смежного сектора, и/или край платформы без крепежного винта, образующий другой конец сектора, содержит заплечик (46), предназначенный быть перекрытым смежным краем смежного сектора.

8. Сектор лопаток статора по п. 7, отличающийся тем, что платформы закреплены вместе с помощью сварного соединения (36) и/или паяного соединения (44).

9. Сектор лопаток статора по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что механические средства на внутренних концах лопаток (26) для крепления (38) к внутреннему кожуху (40) содержат по меньшей мере одно отверстие.

10. Статор осевой турбомашины (2), содержащий корпус (5), образующий цилиндрическую стенку, и лопатки статора, расположенные в по меньшей мере один кольцевой ряд на внутренней поверхности стенки, при этом лопатки образуют секторы, отличающийся тем, что по меньшей мере один из секторов выполнен в соответствии с п. 1.

11. Статор по п. 10, отличающийся тем, что все секторы рядов лопаток или по меньшей мере один из них выполнены в соответствии с п. 1.

12. Статор по п. 11, отличающийся тем, что стенка (22) содержит на своей внешней поверхности на уровне ряда лопаток или по меньшей мере одного из ряда лопаток средство для крепления (24) указанной стенки, при этом секторы (28, 30, 42) спроектированы так, что лопатки с платформами без винтов расположены на уровне указанного средства (24).

13. Статор по п. 12, отличающийся тем, что стенка корпуса содержит несколько частей (22) по своей окружности, при этом указанные части содержат на своих периферических концах кромки (24), проходящие в осевом направлении и выполненные с возможностью сопряжения друг с другом для закрепления частей стенки, при этом лопатки, расположенные на уровне указанных кромок (24), являются лопатками с платформами без крепежных винтов.

14. Статор по одному из пп. 10 или 13, отличающийся тем, что стенка (22) выполнена из композитного материала с органической матрицей и волокнами.

15. Осевая турбомашина, содержащая ротор, заключающий в себе лопатки ротора, и статор, заключающий в себе лопатки статора, отличающаяся тем, что статор выполнен в соответствии с п. 10.