КРЫЛЬЧАТКА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2017 года по МПК F01D5/30 F01D11/02 

Настоящее изобретение относится к крыльчатке для турбомашины, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета.

Традиционно, крыльчатка, например, турбины низкого давления включает диск ротора, внешняя периферия которого содержит ребра жесткости, ограничивающие гнезда осевого монтажа и радиального удерживания замков лопаток. Лопатки образованы с полками, расположенными бок о бок по окружности, которые внутренне ограничивают кольцевой тракт течения текучей среды.

Лопатки дополнительно включают в себя кольцевые козырьки, проходящие по существу аксиально в направлении выше по потоку на уровне полок для ограничения прохождения текучей среды вне кольцевого тракта.

Металлические лопатки производятся единой деталью с помощью литья, козырьки образованы с полками и замками лопаток.

Изготовление лопаток литьем обеспечивает хорошие размерные допуски, то есть, детали имеют точные размеры, соответствующие спецификациям. Однако эти лопатки имеют значительную массу.

Для устранения этого недостатка было предложено производить всю или часть лопаток из композитного материала с керамической матрицей (ККМ). Производственные допуски лопаток из ККМ больше, чем у металлических лопаток произведенных литьем. Кроме того, изготовление лопаток из ККМ сложно, поскольку оно вынуждает прибегать к плетению и требует образования на лопатке на уровне полок двух текстурных слоев, один из которых образует поверхность, ограничивающую тракт и козырек, а другой служит для предотвращения качания лопатки и покрытия ниже по потоку.

В своей заявке FR 1054163 заявитель уже предложил реализовать козырек в виде дополнительной детали для упрощения производства лопаток из ККМ. Уплотнительные средства расположены между козырьком и полками лопаток, чтобы предотвратить утечки, учитывая при этом производственные допуски лопаток из ККМ.

В этой конфигурации во время работы турбомашины козырек центрифугируется в направлении наружу и опирается на расположенные выше по потоку концы полок лопаток, что приводит к увеличению радиальных сил, приложенных к лопаткам.

Изобретение специально разработано для обеспечения простого, эффективного и экономичного решения этой проблемы.

С этой целью оно предлагает крыльчатку для турбомашины, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащую диск ротора, включающий в себя на своей внешней периферии ребра жесткости, ограничивающие гнезда осевого монтажа и радиального удерживания замков лопаток, лопатки, имеющие полки, расположенные бок о бок по окружности для ограничения кольцевого тракта течения воздушного потока, кольцевой козырек, проходящий по существу аксиально в направлении выше по потоку, установлен на расположенной выше по потоку стороне диска для ограничения прохождения воздуха вне кольцевого тракта, уплотнительные средства, предусмотренные между кольцевым козырьком и расположенными выше по потоку концами полок лопаток, отличающийся тем, что кольцевой козырек содержит кольцевой выступ, проходящий аксиально в направлении ниже по потоку и радиально внутри средств радиального удерживания кольцевого козырька на диске, эти средства удерживания образованы выступающими в осевом направлении на расположенной выше по потоку стороне диска, уплотнительные средства расположены радиально внутри кольцевого козырька и расположенных выше по потоку концов полок лопаток.

Средства радиального удерживания кольцевого козырька, образованные на диске, предохраняют при функционировании, чтобы расположенные выше по потоку концы лопаток не подвергались дополнительным радиальным усилиям из-за центрифугирования кольцевого козырька.

Козырек может иметь непрерывную кольцевую форму около 360°. Он также может быть в виде отдельных секторов, расположенных бок о бок, образуя кольцо, что позволяет хорошо компенсировать разностные деформации между диском и козырьком.

Согласно отличительному признаку изобретения, средства радиального удерживания образованы на расположенных выше по потоку и радиально наружных концах ребер жесткости диска.

Согласно другому признаку изобретения, кольцевой выступ козырька содержит по существу цилиндрическую стенку, опирающуюся радиально наружу на средства радиального удерживания и связанную на своем расположенном ниже по потоку конце с кольцевой радиальной стенкой.

Согласно еще одному признаку настоящего изобретения, на расположенной выше по потоку стороне диска, по существу у основания ребер жесткости диска и напротив радиально внутреннего конца радиального кольцевого выступа козырька, образованы выступающими в осевом направлении, шипы.

При монтаже козырька на диск, а также при останове турбомашины шипы обеспечивают позиционирование и радиальную поддержку кольцевого козырька на расположенной выше по потоку стороне диска. Таким образом, уплотнительные средства правильно позиционируются относительно козырька и расположенных выше по потоку концов полок.

Преимущественно, кольцевая радиальная стенка выступа козырька имеет по меньшей мере один предотвращающий вращение палец, выступающий радиально внутрь и введенный по окружности между двумя следующими один за другим шипами, что позволяет гарантировать блокировку вращения кольцевого козырька на диске.

Согласно признаку изобретения, кольцевой козырек содержит кольцевую канавку, открытую ниже по потоку для размещения уплотнительных средств, эта канавка ограничена внутри цилиндрической стенкой и снаружи кольцевой стенкой в форме усеченного конуса с сечением, увеличивающимся в направлении ниже по потоку.

В частном варианте реализации изобретения, уплотнительные средства содержат кольцевую прокладку, вставленную радиально между стенкой в форме усеченного конуса и средствами радиального удерживания, выступающими на расположенной выше по потоку стороне диска, упомянутая прокладка выполнена с возможностью перемещения в радиальном направлении наружу под действием центробежной силы при вращении крыльчатки и прилегания к стенке в форме усеченного конуса и расположенным выше по потоку концам полок.

Прокладка подвижна в радиальном направлении по отношению к козырьку, что позволяет под действием центробежной силы, чтобы прокладка оказывалась надлежащим образом прижатой к стенке в форме усеченного конуса и расположенным выше по потоку концам полок.

Предпочтительно, что кольцевая прокладка имеет по существу треугольное сечение и содержит сторону в форме усеченного конуса, предназначенную для вхождения в контакт со стенкой в форме усеченного конуса козырька, и по существу радиальную сторону, предназначенную для осевой опоры на радиальную сторону расположенных выше по потоку концов полок лопаток.

Согласно другому признаку изобретения, кольцевой козырек зажат в осевом направлении на диске ротора с помощью расположенного выше по потоку фланца зафиксированного на диске ротора.

Известным образом, внутренний конец фланца несет тонкие пластинки, образующие лабиринтное уплотнение совместно с истираемым блоком неподвижного соплового аппарата, расположенного выше по потоку.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, лопатки выполнены из композитного аппарата с керамической матрицей (ККМ).

Изобретение также относится к турбомашине, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащей по меньшей мере одну крыльчатку, такую как описана выше, в частности в турбине низкого давления.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из прочтения нижеследующего описания, приведенного для ознакомления, но не для ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- Фиг. 1 - вид в перспективе части крыльчатки в соответствии с предшествующей технологией;

Фиг. 2 представляет собой схематический вид в осевом разрезе крыльчатки согласно изобретению;

- Фиг. 3 представляет собой схематический вид в перспективе кольцевого козырька согласно изобретению;

- Фиг. 4 представляет собой схематический вид в перспективе от расположения выше по потоку от кольцевого козырька, согласно изобретению;

Фиг. 5 представляет собой схематический вид в осевом разрезе зоны, ограниченной пунктиром, на Фиг. 2.

Фиг. 1 демонстрирует крыльчатку 10, описанную в документе FR 1054163. Крыльчатка 10 содержит диск 12 ротора, внешняя периферия которого содержит ребра 14 жесткости, ограничивающие гнезда 16 "ласточкин хвост" для осевого монтажа и радиального удерживания замков 18 лопаток (фиг. 3 и 4), расположенные ниже по потоку концы ребер 14 жесткости снабжены крюками 20, повернутыми радиально внутрь. Вершины ребер 14 жесткости, по существу, плоские.

Диск 12 турбины также снабжен цилиндрическим выступом 22, проходящим в осевом направлении в направлении ниже по потоку в зону, расположенную радиально между основанием ячеек 16 и внутренней периферией диска 12. Канавка 24, расположенная радиально по существу против крюков 20, образована в выступе 22. Канавка 24 и крюки 20 служат для фиксации осевых средств упора (не представлены) замков 18 лопаток.

Лопатки 26 включают в себя перья 28, проходящие радиально, и полки 30, ограничивающие внутри кольцевой тракт течения текучей среды, образованные у основания перьев 28 и связанные с замками 18 лопаток 26.

Полки 30 включают в себя центральную часть 32 под углом к осевому направлению, продолжающуюся расположенной выше по потоку частью 34 загнутой радиально во внутрь.

Полки 30 лопаток 26 расположены бок о бок и предусмотрены средства для обеспечения уплотнения между их боковыми кромками друг рядом с другом по кругу.

Крыльчатка 10 включает в себя металлический кольцевой козырек 36, установленный на расположенной выше по потоку стороне диска 12 ротора, на наружной периферии этого диска 12. Этот козырек 36 содержит цилиндрическую стенку 38, проходящую по существу аксиально в направлении выше по потоку на уровне расположенных выше по потоку концов полок 30 и предназначенную ограничивать прохождение текучей среды вне кольцевого тракта. Этот козырек 36 также включает в себя кольцевую стенку 40, проходящую по существу радиально, предназначенную для опоры на расположенную выше по потоку сторону диска 12 ротора. Уплотнительные средства 42 предусмотрены между козырьком 36 и расположенными выше по потоку концами полок 30 лопаток 26.

Эти уплотнительные средства содержат торическую прокладку 42, установленную в канавке 44 козырька 36, включающую в себя стенку 46 в форме усеченного конуса с сечением, увеличивающимся в направлении ниже по потоку, так, что прокладка вдавливается от расположения выше по потоку в направлении ниже по потоку напротив расположенных выше по потоку краев 34 полок 30.

Во время функционирования турбомашины, козырек 36 центрифугирует в направлении наружу и опирается с помощью прокладки 42 на расположенные выше по потоку края 34 полок 30, что увеличивает радиальные силы, действующие на лопатки 26.

Изобретение решает эту проблему с помощью козырька 48, который, при функционировании, опирается радиально в направлении наружу на радиальные средства удерживания, образованные выступающими на расположенной выше по потоку стороне диска 50.

В представленном варианте реализации, козырек 48 содержит кольцевой выступ 52, содержащий по существу цилиндрическую стенку 54, соединенную на своем расположенном ниже по потоку конце с кольцевой стенкой 56, проходящей в радиальном направлении внутрь (фиг. 2 и 3). Радиальная кольцевая стенка 56 содержит по меньшей мере один предотвращающий вращение палец 58, выступающий радиально внутрь (фиг. 4). Козырек 48 также включает в себя вторую цилиндрическую стенку 60, проходящую в осевом направлении выше по потоку между двумя фиксированными кольцевыми частями 62, 64 соплового аппарата 66 расположенного выше по потоку, чтобы ограничить прохождение воздуха вне кольцевого тракта (фиг. 2 и 5).

Цилиндрическая стенка 54 кольцевого выступа 52 козырька 48 ограничивает, со стенкой 68 в форме усеченного конуса с сечением, увеличивающимся в направлении ниже по потоку, кольцевую канавку, открытую в направлении ниже по потоку.

Средства радиального удерживания включают в себя лапки 70, образованные на расположенных выше по потоку и радиально внешних концах ребер 14 жесткости диска 50. Эти лапки 70 имеют увеличенную толщину на ребрах 14 жесткости диска 50 и проходят, выступая в осевом направлении, на расположенной выше по потоку стороне диска 50. Каждое ребро 14 жесткости диска 50 содержит шип 72, образованный по существу в основании ребра жесткости и напротив радиально внутреннего конца кольцевой радиальной стенки 56 кольцевого выступа 52 козырька 48.

Когда козырек 48 введен аксиально в направлении ниже по потоку на расположенную выше по потоку сторону диска 50, кольцевой выступ 52 входит между лапками 70 и шипами 72, выступающими на расположенной выше по потоку стороне диска 50, что осуществляет позиционирование козырька 48 на диске 50. В процессе функционирования радиальное удерживание козырька 48 обеспечивается лапками 70 диска 50, а не расположенными выше по потоку краями 74 полок, что позволяет уменьшить радиальные силы, приложенные на лопатки. Кроме того, палец 58 кольцевой радиальной стенки 56 размещается по окружности, между двумя следующими один за другим шипами 72 диска 50, что обеспечивает блокировку вращения козырька 48 на диске 50.

Козырек 48 зажат на расположенной выше по потоку стороне диска 50 ротора фланцем 76, зафиксированным болтами на радиальной скобе 78 диска 50. Фланец 76 имеет на своем внутреннем конце тонкие пластинки 80, которые образуют лабиринтное уплотнение с истираемым блоком 82 соплового аппарата 66 (фиг. 2).

Уплотнительные средства 84 вставлены между лапками 70 ребер 14 жесткости диска 50 и стенкой 68 в форме усеченного конуса козырька 48.

В представленном варианте реализации, уплотнительные средства включают в себя кольцевую прокладку 84, по существу треугольного сечения, сторона 86 в форме усеченного конуса которого расположена по существу радиально напротив стенки 68 в форме усеченного конуса козырька 48, и другая радиальная сторона 88 которого расположена напротив соответствующих радиальных сторон расположенных выше по потоку краев 74 полок.

Во время функционирования турбомашины, прокладка 84 перемещается вдоль стенки 68 в форме усеченного конуса под действием центробежной силы, пока она не будет прижата к расположенным выше по потоку краям 74 полок (фиг. 3 и 5).

Прокладка 84 является достаточно деформируемой, чтобы компенсировать размерные допуски процесса изготовления лопаток из ККМ.

Прокладка также может быть разрезана, чтобы облегчить его растяжение под действием центробежной силы.

Расположенный выше по потоку край 74 каждой полки содержит зуб 90, проходящий по существу радиально внутрь и образованный по существу в средней части края 74 полки. При осевом монтаже замков лопаток 18 в гнезда 16, зубцы 90 полки вводятся аксиально между двух следующих друг за другом лапок 70 диска 50. Каждый расположенный выше по потоку край полки содержит две боковые части 92 по обе стороны от зуба 90 полки и расположенные радиально против лапки 70 диска 50 с заранее определенным зазором. Эти боковые части 92 предназначены для опоры на лапки 70 диска 50, для ограничения наклона лопаток в окружном направлении (фиг. 3).

Когда козырек 48 поделен на секторы, каждый сектор козырька может включать в себя предотвращающий вращение палец 58, взаимодействующий по окружности с шипами 72 диска 50.

Крыльчатка для турбомашины, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержит диск (50) ротора, включающий в себя на своей внешней периферии ребра (14) жесткости, ограничивающие гнезда (18) осевого монтажа и радиального удерживания замков лопаток. Лопатки имеют полки, расположенные бок о бок по окружности для ограничения кольцевого тракта течения воздушного потока. Кольцевой козырек (48), проходящий, по существу, аксиально в направлении выше по потоку, установлен на расположенной выше по потоку стороне диска (50) для ограничения прохождения воздуха вне кольцевого тракта. Уплотнительные средства (84) предусмотрены между кольцевым козырьком (48) и расположенными выше по потоку концами полок лопаток. Кольцевой козырек (48) содержит кольцевой выступ (52), проходящий аксиально в направлении ниже по потоку и радиально внутрь средств радиального удерживания (70) кольцевого козырька (48) на диске (50). Эти средства удерживания (70) образованы выступающими в осевом направлении на расположенной выше по потоку стороне диска (50). Уплотнительные средства (84) расположены радиально внутри кольцевого козырька (48) и расположенных выше по потоку концов полок лопаток. Достигается снижение приложенных к лопаткам радиальных сил. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Крыльчатка для турбомашины, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащая диск (50) ротора, включающий в себя на своей внешней периферии ребра (14) жесткости, ограничивающие гнезда (18) осевого монтажа и радиального удерживания замков лопаток, лопатки, имеющие полки, расположенные бок о бок по окружности для ограничения кольцевого тракта течения воздушного потока, кольцевой козырек (48), проходящий, по существу, аксиально в направлении выше по потоку, установлен на расположенной выше по потоку стороне диска (50) для ограничения прохождения воздуха вне кольцевого тракта, уплотнительные средства (84), предусмотренные между кольцевым козырьком (48) и расположенными выше по потоку концами полок лопаток, отличающаяся тем, что кольцевой козырек (48) содержит кольцевой выступ (52), проходящий аксиально в направлении ниже по потоку и радиально внутрь средств радиального удерживания (70) кольцевого козырька (48) на диске (50), эти средства удерживания (70) образованы выступающими в осевом направлении на расположенной выше по потоку стороне диска (50), уплотнительные средства (84) расположены радиально внутри кольцевого козырька (48) и расположенных выше по потоку концов полок лопаток.

2. Крыльчатка по п. 1, отличающаяся тем, что средства радиального удерживания (70) образованы на расположенных выше по потоку и радиально наружных концах ребер (14) жесткости диска (50).

3. Крыльчатка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой выступ (52) козырька (48) содержит, по существу, цилиндрическую стенку (54), опирающуюся радиально наружу на средства радиального удерживания (70) и связанную на своем расположенном ниже по потоку конце с кольцевой радиальной стенкой (56).

4. Крыльчатка по п. 3, отличающаяся тем, что на расположенной выше по потоку стороне диска (50), по существу у основания ребер (14) жесткости диска (50), и напротив радиально внутреннего конца радиального кольцевого выступа (52) козырька (48) образованы выступающими в осевом направлении шипы (72).

5. Крыльчатка по п. 4, отличающаяся тем, что кольцевая радиальная стенка (56)выступа (52) козырька (48) имеет по меньшей мере один предотвращающий вращение палец (58), выступающий радиально внутрь и введенный по окружности между двумя следующими один за другим шипами (72).

6. Крыльчатка по п. 3, отличающаяся тем, что кольцевой козырек (48) содержит кольцевую канавку, открытую в направлении ниже по потоку для размещения уплотнительных средств, эта канавка ограничена внутри цилиндрической стенкой (54) и снаружи кольцевой стенкой (68) в форме усеченного конуса с сечением, увеличивающимся в направлении ниже по потоку.

7. Крыльчатка по п. 6, отличающаяся тем, что уплотнительные средства содержат кольцевую прокладку (84), вставленную радиально между стенкой (68) в форме усеченного конуса и средствами радиального удерживания (70), выступающими на расположенной выше по потоку стороне диска, упомянутая прокладка (84) выполнена с возможностью перемещения в радиальном направлении наружу под действием центробежной силы при вращении крыльчатки и прилегания к стенке (68) в форме усеченного конуса и расположенным выше по потоку концам полок.

8. Крыльчатка по п. 7, отличающаяся тем, что кольцевая прокладка (84) имеет, по существу, треугольное сечение и содержит сторону (86) в форме усеченного конуса, предназначенную для вхождения в контакт со стенкой (68) в форме усеченного конуса козырька (48) и, по существу, радиальную сторону (88), предназначенную для осевой опоры на радиальную сторону расположенных выше по потоку концов полок лопаток.

9. Крыльчатка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой козырек (48) зажат в осевом направлении на диске (50) ротора с помощью расположенного выше по потоку фланца (46) зафиксированного на диске ротора.

10. Крыльчатка по п. 1, отличающаяся тем, что лопатки выполнены из композитного материала с керамической матрицей.

11. Турбомашина, такая как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащая по меньшей мере одну крыльчатку по п. 1.

12. Турбомашина по п. 11, отличающаяся тем, что содержит упомянутую по меньшей мере одну крыльчатку в турбине низкого давления.