КРУГЛАЯ ДЕТАЛЬ ДЛЯ РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ РОТОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, МОДУЛЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК F01D5/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к круглой детали для ротора газотурбинного двигателя и, в частности, к детали, содержащей на своей периферии кольцевой ряд зубьев, которые образуют между собой пазы для установки ножек лопаток ротора. Деталью этого типа является, например, диск ротора.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Предшествующий уровень техники включает в себя документы ЕР-А2-2 549 061, FR-A-485 943, US-A-4 093 399, US-A-2 920 864, US-A1-2007/020102 и US-A-5 474 421.

Диск ротора газотурбинного двигателя содержит на своей периферии кольцевой ряд прошитых пазов, в которые посажены ножки лопаток ротора. Как правило, каждая лопатка содержит перо, соединенное через площадку с ножкой. Эта ножка содержит две части: радиально внутреннюю часть, называемую хвостовиком, и радиально наружную часть, называемую переходником. Хвостовик ножки соединен через ее переходник с площадкой лопатки.

Ножка лопатки может иметь форму в виде елочки или в виде ласточкина хвоста. В случае ножки лопатки в виде ласточкина хвоста ее хвостовик содержит одну ветвь, а в случае ножки лопатки в виде елочки ее хвостовик содержит две или три ветви. Каждая ветвь соединена с другой ветвью или с переходником ножки через шейку, то есть через часть меньшего сечения или меньшей толщины.

Этот тип диска с прошитыми креплениями можно использовать в компрессоре или в турбине газотурбинного двигателя.

Классически прошитые крепления в виде елочки используют для относительно нагруженных турбин, то есть для турбин с высокооборотным режимом или с большим сечением тракта, так как здесь возникают более значительные напряжения по причине более значительной центробежной силы.

В этих креплениях необходимо соблюдать ряд механических критериев:

- абсолютные критерии, то есть стойкость лопаток и зубьев диска в упругой области, а также сопротивление вибрационной усталости, малоцикловой усталости и ползучести при всех нормальных условиях полета;

- относительные критерии, которые соответствуют иерархии разрыва на всем роторе. Действительно, существует иерархия напряжений, которую необходимо соблюдать в лопатке и в диске. В случае нарушения в работе двигателя, сечение, на которое действует наибольшее напряжения растяжения, является сечением, наиболее подверженным разрыву. Картер, окружающий турбину, должен задерживать все возможные фрагменты, вылетающие из турбины, поэтому чем больше фрагмент лопатки, так более массивным должен быть картер, чтобы его задерживать. С другой стороны, не должно происходить разрыва зуба диска, так как это может повлечь за собой цепную реакцию, приводящую к отсоединению большей части лопаток. Следовательно, как показано на фиг. 3, сечение с наиболее сильным напряжением должно находиться в пере лопатки 10, сечения нижней 12 и верхней 14 шеек хвостовика 16 должны иметь напряжения, меньшие напряжений пера (σbi < σbs < σbp (низкое напряжение пера)), и сечения нижней 18 и верхней 20 шеек зуба 22 должны иметь напряжение, относительно более низкое, чем напряжение лопатки 10, приведенные к пределу упругости материала диска 24 при температуре крепления (σdi,s/σe диска (предел упругости материала диска) < σbp/σe лопатки (предел упругости материала лопатки).

В некоторых газотурбинных двигателях соблюдаются абсолютные критерии, но не иерархия разрыва, поскольку либо сечение является достаточным в хвостовике 16, но не в зубе 22, либо сечение является достаточным в зубе 22, но не в хвостовике 16.

Решением этой проблемы могло бы стать увеличение размера сечений в шейках 12,14 хвостовиков 16 и одновременное увеличение размера шеек в зубьях 22. Однако ширина или общий окружной размер крепления (зуб+хвостовик) напрямую зависит от формы проточного тракта, а также от числа лопаток 10. Изменение тракта может привести к снижению КПД турбины, то есть к снижению характеристик двигателя.

Настоящим изобретением предложено простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом изобретения является круглая деталь, такая как диск, для ротора газотурбинного двигателя, имеющая ось вращения и содержащая на своей периферии кольцевой ряд зубьев, которые образуют между собой пазы для установки ножек лопаток ротора в виде елочки, при этом каждый зуб содержит первую боковую сторону, содержащую по меньшей мере две части в виде выступа для удержания ножки лопатки, отделенные друг от друга частью в виде выемки, и вторую боковую сторону, содержащую по меньшей мере две части в виде выступа для удержания смежной ножки лопатки, отделенные друг от друга частью в виде выемки, при этом упомянутые по меньшей мере две части в виде выступа первой стороны находятся на окружностях с центром на упомянутой оси вращения круглой детали, и упомянутые по меньшей мере две части в виде выступа второй стороны находятся на окружностях с центром на упомянутой оси вращения, отличающаяся тем, что каждый зуб имеет по существу по всему своему продольному размеру нарушение симметрии относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости, при этом по меньшей мере одна из упомянутых окружностей частей в виде выступа второй стороны каждого зуба находится между окружностями частей в виде выступа первой стороны и смещена радиально от этих окружностей.

В настоящей заявке под по существу радиальной срединной продольной плоскостью элемента (такого как зуб или паз) круглой детали следует понимать плоскость, которая расположена вдоль продольной оси элемента и которая проходит по существу посередине этого элемента. Эта плоскость имеет по существу радиальную ориентацию относительно продольной оси или оси вращения детали. Продольная ось элемента может быть по существу параллельной продольной оси или оси вращения детали. В этом случае упомянутая плоскость расположена вдоль продольной оси детали.

В известных решениях зубья круглой детали ротора, такой как диск, имеют, каждый, симметрию относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости. Что же касается изобретения, то здесь каждый зуб детали ротора не является симметричным относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости. Это позволяет решить вышеупомянутую проблему за счет лучшего распределения концентрации напряжений в зубьях детали. Например, это позволяет получить более значительные значения ширины или окружного размера в шейках зубьев диска. Сечения зубьев диска можно увеличить, не уменьшая сечения хвостовиков ножек лопаток.

В частности, изобретение позволяет получить гораздо более нагруженную турбину, чем в известных решениях. Кроме того, оно обеспечивает установку и крепление лопаток, имеющих похожие ножки (в виде елочки), но с размерными отличиями.

В отличие от известных решений, в которых предусмотрены лопатки с переходниками большого радиального размера и лопатки с переходниками меньшего радиального размера на одном диске ротора, в данном случае переходники могут иметь близкие радиальные размеры. Выполнение креплений с разной высотой не приемлемо для наибольших переходников, так как предполагает добавление массы, которое необходимо компенсировать креплением большего размера. Поэтому предпочтительно ограничить смещение, чтобы получить выигрыш в расширении зубьев ротора, не прибегая к чрезмерному утяжелению лопаток с наибольшими переходниками. Цели изобретения достигаются за счет расположения зубьев, раскрытого в главном пункте формулы изобретения.

Каждый паз детали может иметь по существу по всему своему продольному размеру симметрию относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости.

В частном случае выполнения изобретения окружность по меньшей мере одной из упомянутых частей в виде выступа второй стороны проходит по существу через часть в виде выемки первой стороны. Окружности двух смежных частей в виде выступа второй стороны каждого зуба может проходить по существу соответственно через две части в виде выемки первой стороны этого зуба.

Пазы могут иметь разные значения глубины или радиальные размеры.

Предпочтительно пазы включают в себя первую последовательность идентичных пазов, равномерно распределенных вокруг оси вращения детали, и вторую последовательность идентичных между собой пазов, отличных от пазов первой последовательности и равномерно распределенных вокруг оси вращения детали, при этом каждый паз первой последовательности находится между двумя пазами второй последовательности, и каждый паз второй последовательности находится между двумя пазами первой последовательности.

Объектом изобретения является также ротор газотурбинного двигателя, содержащий описанную выше кольцевую деталь и кольцевой ряд лопаток, каждая из которых содержит перо, соединенное с ножкой в виде елочки, которая посажена в паз детали, при этом каждая ножка содержит радиально наружный переходник и радиально внутренний хвостовик, отличающийся тем, что ряд лопаток содержит первую последовательность лопаток, имеющих переходники с радиальным размером D5, и вторую последовательность лопаток, имеющих переходники с радиальным размером D6, превышающим D5, при этом каждая лопатка первой последовательности находится между двумя лопатками второй последовательности, и каждая лопатка второй последовательности находится между двумя лопатками первой последовательности.

Объектом настоящего изобретения является модуль газотурбинного двигателя, такой как компрессор или турбина, содержащий по меньшей мере одну вышеупомянутую кольцевую деталь или по меньшей мере один вышеупомянутый ротор.

Наконец, объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере одну вышеупомянутую кольцевую деталь или по меньшей мере один вышеупомянутый ротор.

ОПИСАНИЕ ФИГУР

Изобретение, его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид в изометрии известного ротора газотурбинного двигателя, в частности, рабочего колеса ротора.

Фиг. 2 - частичный увеличенный вид в изометрии диска колеса ротора, показанного на фиг. 1.

Фиг. 3 - схематичный вид зубьев диска известного ротора.

Фиг. 4 - схематичный вид зубьев диска ротора в соответствии с изобретением.

Фиг. 5 - схематичный вид, аналогичный фиг. 4, варианта выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг. 1 и 2 показано рабочее колесо 26 ротора газотурбинного двигателя, причем это колесо содержит диск 24, на периферии которого установлен кольцевой ряд лопаток 10.

Каждая лопатка 10 содержит перо 28, соединенное через площадку 30 с ножкой 32, которая посажена в паз 34 на периферии диска 24.

На своей периферии диск 24 содержит кольцевой ряд зубьев 22, которые образуют между собой пазы 34 для установки ножек 32 лопаток 10. Таким образом, число пазов 34 или зубьев 22 диска 24 равно числу установленных на нем лопаток 10.

Пазы 34 выполнены посредством прошивки наружной периферии диска 24 и в данном случае имеют ориентацию, по существу параллельную продольной оси или оси вращения А диска 24.

Как более наглядно показано на фиг. 3, ножки 32 лопаток имеют форму елочки с двумя ветвями 36. Ножка 32 лопатки содержит радиально наружный переходник 38 и радиально внутренний хвостовик 16, который соединен переходником 38 с площадкой лопатки 10.

Каждая ножка 32 лопатки содержит две шейки 12,14 (или части меньшей толщины или меньшего сечения): нижнюю шейку 12 между двумя ветвями 36 хвостовика 16 и верхнюю шейку 14 между верхней ветвью и переходником 38. Каждая ножка 32 имеет симметрию относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости Р1.

Каждый зуб 22 диска 24 содержит две боковые стороны 40, выполненные с возможностью взаимодействия с ножками 32 смежных лопаток 10 и их удержания в радиальном направлении в пазах 34.

В данном случае каждая сторона 40 зуба 22 имеет две опорные поверхности 42, соответственно верхнюю и нижнюю. Верхняя опорная поверхность 42 образует опорную сторону боковой стороны верхней ветви ножки лопатки, и нижняя опорная поверхность 42 образует опорную сторону боковой стороны нижней ветви этой ножки лопатки.

Опорные поверхности 42 стороны 40 образованы частями в виде выступа, которые расположены по существу по всему продольному размеру зуба 22, как показано на фиг. 1. Опорные поверхности 42 стороны 40 отделены друг от друга частью в виде выемки, которая тоже расположена по существу по всему продольному размеру зуба 22.

В известном решении, показанном на фиг. 3, каждый зуб 22 имеет симметрию относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости Р2. С учетом этой симметрии части в виде выемки сторон 40 одного зуба находятся по существу на одной окружности С1 с центром на оси А. Эти части в виде выемки образуют верхнюю шейку 20 зуба 22. Зуб 22 содержит нижнюю шейку 18 между своими нижними опорными поверхностями 42 и дном пазов 34.

Понятно, что невозможно увеличить размер сечений в шейках 12,14 хвостовиков 16 и одновременно увеличить размер шеек 18,20 в зубьях 22. Понятно также, что значения ширины зубьев на уровне их частей в виде выемки (окружность С1) являются небольшими, что приводит к ослаблению зубьев.

Как показано на фиг. 4, настоящее изобретение позволяет решить эту проблему, благодаря тому, что каждый зуб 22ʹ диска 24ʹ имеет по существу по всему своему продольному размеру нарушение симметрии относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости Р2.

Как было указано выше, каждый зуб 22ʹ содержит две боковые стороны 40ʹ,40ʺ, выполненные с возможностью взаимодействия с ножками 32 смежных лопаток 10ʹ,10ʺ и их удержания в радиальном направлении в пазах 34ʹ,34ʺ.

Каждая сторона 40ʹ,40ʺ зуба 22ʹ содержит две опорные поверхности 42, соответственно верхнюю и нижнюю. Верхняя опорная поверхность 42 образует опорную сторону боковой стороны верхней ветви ножки лопатки, и нижняя опорная поверхность 42 образует опорную сторону боковой стороны нижней ветви этой ножки лопатки.

Опорные поверхности 42 стороны 40ʹ,40ʺ зуба образованы частями в виде выступа, которые расположены по существу по всему продольному размеру зуба, как показано на фиг. 1. Опорные поверхности 42 стороны 40ʹ,40ʺ отделены друг от друга частью в виде выемки, которая тоже расположена по существу по всему продольному размеру зуба. Нижняя опорная поверхность 42 стороны 40ʹ,40ʺ отделена от дна соответствующего паза 34ʹ,34ʺ другой частью в виде выемки, которая тоже расположена по существу по всему продольному размеру зуба.

Как показано на чертеже, верхние части в виде выступа сторон 40ʹ,40ʺ одного зуба 22ʹ не находятся на одной окружности. это же относится к их нижним частям в виде выступа, к их верхним частям в виде выемки и к их нижним частям в виде выемки. В представленном примере верхняя часть в виде выступа первой стороны 40ʺ (в данном случае левой стороны зуба 22ʹ) находится на окружности С3, которая имеет диаметр, превышающий диаметр окружности С4, проходящей через верхнюю часть в виде выступа второй стороны 40ʺ (правой стороны зуба 22ʹ). Эта окружность С4 имеет диаметр, превышающий диаметр окружности С5, проходящей через верхнюю часть в виде выемки первой стороны 40ʺ, которая, в свою очередь, имеет диаметр, превышающий диаметр окружности С6, проходящей через верхнюю часть в виде выемки второй стороны 40ʹ. Эта окружность С6 имеет диаметр, превышающий диаметр окружности С7, проходящей через нижнюю часть в виде выступа первой стороны 40ʺ, которая в свою очередь, имеет диаметр, превышающий диаметр окружности С8, проходящей через нижнюю часть в виде выступа второй стороны 40ʹ. Эта окружность С8 проходит по существу через нижнюю часть в виде выемки первой стороны 40ʺ и имеет диаметр, превышающий диаметр окружности С9, проходящей через нижнюю часть в виде выемки второй стороны 40ʹ.

Радиальное смещение между частями в виде выемки сторон каждого зуба позволяет увеличить ширину зубьев на уровне этих частей в виде выемки и, следовательно, повысить механическую прочность зубьев.

Кроме того, как показано на чертеже, не все пазы 34ʹ,34ʺ диска 24ʹ являются идентичными. Диск 24 содержит пазы 34ʺ, имеющие глубину или радиальный размер D1, и пазы 34ʹ, имеющие глубину или радиальный размер D2, превышающий D1.

Пазы 34ʹ равномерно распределены вокруг продольной оси диска 24ʹ, и каждый паз 34ʹ находится между двумя пазами 34ʺ. Точно так же, пазы 34ʺ равномерно распределены вокруг продольной оси диска 24ʹ, и каждый паз 34ʺ находится между двумя пазами 34ʹ.

Как и в известных решениях, каждый паз 34ʹ,34ʺ диска 24ʹ имеет по существу по всему своему продольному размеру симметрию относительно своей по существу радиальной срединной продольной плоскости Р1.

Не все лопатки 10ʹ,10ʺ, образующие вместе с диском 24ʹ колесо ротора, являются идентичными. Колесо содержит лопатки 10ʹ, ножки которых имеют, каждая, радиальный размер D3, и лопатки 10ʺ, ножки которых имеют, каждая, радиальный размер D4, превышающий D3.

Лопатки 10ʹ равномерно распределены вокруг продольной оси диска 24ʹ, и каждая лопатка 10ʹ находится между двумя лопатками 10ʺ. Точно так же, лопатки 10ʺ равномерно распределены вокруг продольной оси диска 24ʹ, и каждая лопатка 10ʺ находится между двумя лопатками 10ʹ.

Хвостовики 16ʹ лопаток 10ʹ являются по существу идентичными хвостовикам лопаток 10ʺ. Ножки лопаток 10ʺ отличаются, таким образом, от ножек лопаток 10ʺ своими переходниками 38ʹ,38ʺ и, в частности, радиальным размером своих переходников 38ʹ,38ʺ. Переходники 38ʹ лопаток 10ʹ имеют радиальный размер D5, меньший радиального размера D6 переходников 38ʺ лопаток 10ʺ.

Установку лопаток 10ʹ,10ʺ на диске 24ʹ осуществляют, как и в известных решениях, путем посадки ножек лопаток в пазы 34ʹ,34ʺ диска 22ʹ таким образом, чтобы установить лопатки 10ʺ, ножки которых имеют наибольший радиальный размер D4, в пазы 34ʹ с наибольшим радиальным размером D2, и, следовательно, чтобы установить лопатки 10ʹ, ножки которых имеют наименьший размер D3, в пазы 34ʺ с наименьшим радиальным размером D1.

На фиг. 5 показан вариант выполнения изобретения, аналогичный варианту выполнения, показанному на фиг. 4. Описание, представленное со ссылками на фиг. 4, можно применить к фиг. 5, при условии, что ему не противоречит все изложенное ниже.

В представленном примере части в виде выступа одной из сторон 40ʹ,40ʺ каждого зуба находятся по существу на одной линии в окружном направлении с частями в виде выемки другой стороны этого зуба, и их части в виде выемки тоже находятся по существу на одной линии в окружном направлении с частями в виде выступа другой стороны.

Верхняя часть в виде выступа второй стороны 40ʹ находится на окружности, проходящей через верхнюю часть в виде выемки первой стороны 40ʺ. Нижняя часть в виде выступа первой стороны 40ʺ находится на окружности, проходящей через часть в виде выемки второй стороны 40ʹ. Нижняя часть в виде выступа второй стороны 40ʹ находится на окружности, проходящей через нижнюю часть в виде выемки первой стороны 40ʺ.

Эта конфигурация позволяет каждому зубу иметь по существу постоянную ширину или постоянный окружной размер на всей своей радиальной протяженности, что является преимуществом с точки зрения механической прочности зубьев.

Диск ротора газотурбинного двигателя, имеющий пазы для установки ножек лопаток ротора в виде елочки, при этом каждый зуб имеет по существу по всему своему продольному размеру нарушение симметрии относительно радиальной срединной продольной плоскости. Технический результат: повышение механической прочности зубьев. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Круглая деталь, такая как диск (24'), для ротора газотурбинного двигателя, имеющая ось (А) вращения и содержащая на своей периферии кольцевой ряд зубьев (22'), которые образуют между собой пазы (34', 34ʺ) для установки ножек лопаток (10', 10ʺ) ротора в виде елочки, при этом каждый зуб содержит первую боковую сторону (40ʺ), содержащую по меньшей мере две части в виде выступа для удержания ножки лопатки, отделенные друг от друга частью в виде выемки, и вторую боковую сторону (40'), содержащую по меньшей мере две части (42) в виде выступа для удержания смежной ножки лопатки, отделенные друг от друга частью в виде выемки, при этом упомянутые по меньшей мере две части в виде выступа первой стороны находятся на окружностях (С3, С7) с центром на оси вращения круглой детали и упомянутые по меньшей мере две части в виде выступа второй стороны находятся на окружностях (С4, С8) с центром на упомянутой оси вращения круглой детали, отличающаяся тем, что каждый зуб имеет, по существу, по всему своему продольному размеру нарушение симметрии относительно по существу радиальной срединной продольной плоскости (Р2), при этом по меньшей мере одна (С4) из упомянутых окружностей частей в виде выступа второй стороны каждого зуба находится между окружностями (С3, С7) частей в виде выступа первой стороны и смещена радиально от этих окружностей.

2. Круглая деталь по п. 1, отличающаяся тем, что каждый паз (34', 34ʺ) имеет, по существу, по всему своему продольному размеру симметрию относительно, по существу, радиальной срединной продольной плоскости (Р1).

3. Круглая деталь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что окружность (С8) по меньшей мере одной из упомянутых частей в виде выступа второй стороны (40') каждого зуба проходит, по существу, через часть в виде выемки первой стороны (40ʺ) этого зуба.

4. Круглая деталь по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что окружности двух смежных частей в виде выступа второй стороны каждого зуба, по существу, проходят соответственно через две части в виде выемки первой стороны этого зуба.

5. Круглая деталь по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что пазы (34' ,34ʺ) имеют разные значения глубины или радиальные размеры (D1, D2).

6. Круглая деталь по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что пазы (34', 34ʺ) включают в себя первую последовательность идентичных пазов (34'), равномерно распределенных вокруг оси вращения детали, и вторую последовательность идентичных между собой пазов (34ʺ), отличных от пазов первой последовательности и равномерно распределенных вокруг оси вращения детали, при этом каждый паз первой последовательности находится между двумя пазами второй последовательности и каждый паз второй последовательности находится между двумя пазами первой последовательности.

7. Ротор газотурбинного двигателя, содержащий круглую деталь по одному из предыдущих пунктов и кольцевой ряд лопаток (10', 10ʺ), каждая из которых содержит перо, соединенное с ножкой в виде елочки, которая посажена в паз детали, при этом каждая ножка содержит радиально наружный переходник (38', 38ʺ) и радиально внутренний хвостовик, отличающийся тем, что ряд лопаток содержит первую последовательность лопаток, имеющих переходники с радиальным размером D5, и вторую последовательность лопаток, имеющих переходники с радиальным размером D6, превышающим D5, при этом каждая лопатка первой последовательности находится между двумя лопатками второй последовательности и каждая лопатка второй последовательности находится между двумя лопатками первой последовательности.

8. Модуль газотурбинного двигателя, такой как компрессор или турбина, содержащий по меньшей мере одну круглую деталь по одному из пп. 1-6 или по меньшей мере один ротор по п. 7.

9. Газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере одну круглую деталь по одному из пп. 1-6 или по меньшей мере один ротор по п. 7.