ПОДВИЖНАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ЛАПКУ, ВХОДЯЩУЮ В ЗАЦЕПЛЕНИЕ С ФИКСИРУЮЩИМ ВЫРЕЗОМ ДИСКА РОТОРА Российский патент 2019 года по МПК F01D5/30 F01D5/32 

Область техники

Изобретение в целом относится к технической области турбомашин для самолёта, таким как газотурбинные двигатели и турбовинтовые двигатели. Если более точно, то изобретение связано с подвижными лопатками турбомашин и дисками ротора.

Предшествующий уровень техники

Подвижные лопатки турбомашин вставляют в диски ротора, чтобы таким образом формировать рабочие колеса. Эти рабочие колеса являются частью компрессора турбомашины или турбины турбомашины.

Известны зубья диска ротора, которые имеют выступы в их верхней части. Эти выступы взаимодействует с полостями, расположенными под полками лопаток, в результате чего выступы помещаются в полости.

Механическое взаимодействие этих выступов с полостями предотвращает установку этих подвижных лопаток на диск с обратной ориентацией по отношению к желаемой ориентации с точки зрения аэродинамики.

Кроме того, существуют рабочие колеса, в которых подвижные лопатки удерживаются в осевом направлении относительно диска, с одной стороны посредством лапки, выступающей из диска, а с другой стороны – посредством фланца.

В обоих вариантах решений вводится радиальное расстояние между самой верхней точкой зуба диска и самой верхней точкой внутренней поверхности полки, которое определяется как высота стойки, в момент работы турбомашины, и, следовательно, является относительно большим. В результате появляются значительные утечки, большая масса лопатки, и, следовательно, диска, несущего на себе эту лопатку. Кроме того, увеличиваются механические напряжения в зубе диска и в хвостовике лопатки.

С другой стороны, существует значительный радиальный зазор между внутренней поверхностью полки и верхней точкой зубьев диска, что вероятно будет создавать значительные утечки.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на решение, по крайней мере частично, тех проблем, которые возникают в решениях существующего уровня техники.

В этом отношении объектом изобретения является подвижная лопатка газотурбинного двигателя, включающая в себя:

хвостовик, выполненный с возможностью вставления в гнездо диска ротора для газотурбинного двигателя,

полку, которую несёт на себе хвостовик, при этом полка содержит расположенный выше по потоку буртик,

перо лопатки, выступающее от полки.

В соответствии с изобретением расположенный выше по потоку буртик содержит лапку для введения в зацепление с фиксирующим вырезом диска так, чтобы удерживать лопатку относительно диска в осевом направлении вдоль продольного направления гнезда.

Фиксирующий вырез и лапка способствуют установке подвижной лопатки относительно диска вдоль желаемой аэродинамической ориентации передней кромки и задней кромки. В случае попытки установить подвижную лопатку вдоль обратной ориентации, лапка упирается в верхнюю часть зуба диска ротора.

Фиксирующий вырез и лапка одновременно обеспечивают упоминавшуюся выше функцию лёгкой установки и функцию осевого удерживания лопатки относительно диска вдоль продольного направления.

С другой стороны, взаимодействие фиксирующего выреза и лапки позволяет зубу диска перемещаться ближе к полке лопатки. Высота стойки уменьшается, что обеспечивает большую компактность лопатки с одинаковым пером лопатки. Механические напряжения, действующие в зубе диска, несущего на себе лопатку, и в хвостовике лопатки, уменьшаются, что позволяет уменьшить массу лопатки, и, следовательно, уменьшить массу диска, несущего на себе лопатку, и при этом гарантировать центробежное удерживание лопатки.

Взаимодействие фиксирующего выреза и зуба диска также позволяет уменьшить сечение утечки между двумя соседними лопатками.

Кроме того, взаимодействие фиксирующего выреза и лапки уменьшает радиальный зазор между полкой и верхней частью зуба диска, что дополнительно ограничивает утечки воздуха между диском и полкой.

Продольное направление гнезда означает, в частности, наибольшую длину гнезда. В особенности, продольное направление гнезда определяется в отличие от высоты гнезда.

Изобретение может дополнительно включать в себя одну или более из следующих особенностей в комбинации между собой или отдельно.

Предпочтительно, расположенный выше по потоку буртик имеет по существу, по меньшей мере, в одном продольном сечении через лопатку в основном U-образный проем ниже по потоку. Лапка, предпочтительно, образует одно из плеч от общей U-образной формы, а расположенный выше по потоку спойлер, например, выступает выше по потоку из нижней части общей U-образной формы.

Изобретение также относится к диску для компрессора или турбины газотурбинного двигателя. Диск содержит гнездо, в которое должен вставляться хвостовик лопатки, как определено выше.

В соответствии с изобретением, диск содержит, по крайней мере, один фиксирующий вырез для введения в зацепление с лапкой так, чтобы удерживать лопатку относительно диска в осевом направлении вдоль продольного направления гнезда.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения продольное направление гнезда является по существу перпендикулярным радиальному направлению диска.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения продольное направление гнезда является по существу перпендикулярным локально по отношению к окружному направлению диска.

Предпочтительно, фиксирующий вырез является канавкой, проходящей по существу вдоль окружного направления диска.

В соответствии с другим отдельным вариантом осуществления изобретения гнездо проходит между двумя последовательными зубьями диска, при этом фиксирующий вырез расположен только на одном из двух этих зубьев.

Изобретение также относится к колесу ротора, содержащему диск, как определено выше, и подвижную лопатку, как определено выше, причем подвижная лопатка предназначена для установки на диск так, чтобы полка прижималась только к одному зубу, а лапка входила в зацепление с фиксирующим вырезом зуба.

Таким образом, колесо ротора формирует изостатическую систему. И наоборот, если по меньшей мере одна из подвижных лопаток колеса прижимается к нескольким зубьям, то колесо ротора будет формировать гиперстатическую систему.

Изобретение также относится к узлу газотурбинного двигателя, выбранному из турбины и компрессора, причём узел содержит колесо ротора. Компрессор является, в частности, компрессором высокого или низкого давления для газотурбинного двигателя. Турбина является, частности, турбиной высокого или низкого давления для газотурбинного двигателя.

И наконец, изобретение относится к газотурбинному двигателю, содержащему узел, как определено выше.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятным из описания на примере вариантов его осуществления, приведённых только с поясняющей, а не ограничивающей целью, со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 схематично показан двухконтурный газотурбинный двигатель в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;

на фиг. 2 – часть турбины низкого давления газотурбинного двигателя, представленного на фиг. 1;

на фиг. 3 – лопатка ротора и диск, на котором эта лопатка установлена, при этом она является частью турбины высокого давления газотурбинного двигателя, представленного на фиг. 1, вид спереди в перспективе;

на фиг. 4 – лопатка и диск, представленные на фиг. 3, вид сзади в перспективе.

Варианты осуществления изобретения

Идентичные, аналогичные или эквивалентные части различных фигур имеют одинаковые ссылочные обозначения, для облегчения перехода от одной фигуры к другой.

На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель 1 с двумя контурами, которые являются кольцевым вокруг оси 3 турбомашины.

Газотурбинный двигатель 1 включает в себя от положения выше по потоку к положению ниже по потоку: компрессор 4 низкого давления, компрессор 6 высокого давления, камеру 7 сгорания, турбину 8 высокого давления и турбину 9 низкого давления. Эти элементы окружены корпусом 5. Они, как правило, определяют во взаимосвязи с корпусом 5 первичное сопло, через которое протекает первичный поток 13, проходящий в направлении от положения выше по потоку к положению ниже по потоку, показанном стрелкой 11. Направление 11 также соответствует силе тяги газотурбинного двигателя во время его работы.

Турбина 8 высокого давления формирует вместе с камерой 7 сгорания и компрессором 6 высокого давления, которые являются целостной частью, корпус высокого давления. Турбина 9 низкого давления составляет одно целое с компрессором 4 низкого давления и вентилятором 10, чтобы вместе формировать корпус низкого давления. Каждая турбина 8, 9 приводит во вращение взаимодействующий с ней компрессор 4, 6 вокруг оси газотурбинного двигателя 3 под воздействием газовой тяги из камеры 7 сгорания.

Газотурбинный двигатель 1 является двухконтурным газотурбинным двигателем. Следовательно, кроме того он содержит вентилятор 10, окруженный гондолой 12, чтобы генерировать вторичный поток 15 через вторичное сопло, окружающее первичный поток 13.

Как показано на фиг. 2, турбины 8, 9 содержат множество ступеней 20 лопаток, окружённых корпусом 30. Каждая ступень 20 включает в себя распределитель 22, образованный кольцевым рядом неподвижных лопаток 24 и колесом 32 с подвижными лопатками 34.

Колёса 32 ротора вращаются внутри колец 36 турбины, прикреплённых к корпусу 30 турбины. Корпус 30 также несёт на себе лопатки 24 распределителя. Колёса 32 ротора содержат диски 38, механически соединённые друг с другом посредством кольцевых крепежных фланцев 37. Эти крепежные фланцы 37 механически присоединяют колёса 32 ротора к вращающемуся валу (не показан) газотурбинного двигателя через приводной конус 39. Диски 38 колёс 32 ротора несут на себе радиальные лопатки 34.

Подвижная лопатка 34, представленная на фиг. 3, является лопаткой 8 турбины высокого давления, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Такая подвижная лопатка 34 содержит хвостовик 41, перо 42 лопатки и полку 48, которую несёт на себе хвостовик 41. Хвостовик 41 предназначен для вставления в одно из гнёзд 62 диска 38 ротора турбины, такого как представлен на фиг. 2, или для вставления в диск 4, 6 ротора компрессора газотурбинного двигателя, представленного на фиг. 1.

Как показано на фиг. 3 и 4, диск 38 ротора включает в себя множество зубьев 60, разделенных по окружности диска 38 последовательно гнёздами 62, в которых размещены хвостовики 41 подвижной лопатки 34. По существу, следует отметить, что диск 38 несёт на себе несколько подвижных лопаток 34, даже несмотря на то, что на фиг. 3 и 4 показана только одна подвижная лопатка 34.

Гнёзда 62 выполнены в форме продолговатых ячеек и проходят через диск 38 на каждой стороне. Эти ячейки имеют формы, которые по крайней мере частично согласуются с формой хвостовика 41. Форма гнёзд 62 выбирается таким образом, чтобы обеспечивать удерживание лопаток 34, которые повергаются значительному центробежному напряжению во время работы газотурбинного двигателя 1.

Эти гнёзда 62 расположены между следующими друг за другом зубьями 60 диска 38. Они проходят как вдоль продольного направления ХХ, так и вдоль радиального направления ZZ диска, соответствующего направлению высоты зубьев 60. Продольное направление ХХ по существу перпендикулярно радиальному направлению ZZ. С другой стороны, продольное направление ХХ, предпочтительно, по существу перпендикулярно окружному направлению YY диска 38, на зубьях 60, ограничивающих гнёзда 62.

Каждое из этих гнёзд 62 ограничено донной частью 64, расположенной на расстоянии от хвостовика 41, и противоположными поверхностями 65, 66, каждую из которых содержит один из двух следующих друг за другом зубьев, ограничивающих гнёзда 62. Хвостовик 41 вплотную прижат к обеим противоположным поверхностям 65, 66.

Кроме того, каждый из зубьев 60 диска 38 содержит фиксирующий вырез 64 для взаимодействия с лапкой 54 полки 48, чтобы удерживать подвижную лопатку 34 относительно диска 38 вдоль продольного направления ХХ. Каждый фиксирующий вырез 64 взаимодействует только с одной лапкой 54, и каждая лапка 54 проникает внутрь только одного фиксирующего выреза 64. Колесо 32, содержащее подвижные лопатки 34 и диск 38, в этом случае образует изостатическую систему.

Фиксирующий вырез 64 и лапка 54 расположены только выше по ходу потока относительно подвижной лопатки 34. Осевое удерживание подвижной лопатки 34 вдоль продольного направления ХХ выше по ходу потока относительно подвижной лопатки 34 гарантируется вставкой (не показана).

Фиксирующий вырез 64 является канавкой, которая проходит вдоль окружного направления YY диска. Например, он вырезан в зубе 60 так, что ограничен первой стенкой 67 и второй стенкой 69, которые могут быть по существу перпендикулярны друг другу. Альтернативно, первая стенка 67 может иметь наклон относительно второй стенки 69.

Подвижная лопатка 34 прижимается к диску 38 во время работы газотурбинного двигателя 1 только в фиксирующем вырезе 64 и гнезде 62, при этом хвостовик 41 лопатки, по крайней мере частично, соответствует им по форме.

Перо 42 лопатки проходит от полки 48 вдоль направления EV размаха, оканчиваясь концом S. Это направление EV размаха по существу соответствует радиальному направлению ZZ диска 38 и радиальному направлению газотурбинного двигателя 1. Это направление по существу перпендикулярно оси 3 газотурбинного двигателя.

Перо 42 лопатки содержит переднюю кромку 44 и заднюю кромку 46.

Передняя кромка 44 расположена выше по потоку относительно лопатки, и в общем имеет выпуклую форму. Задняя кромка 46 ориентирована почти параллельно передней кромке 44 выше по потоку относительно пера 42 лопатки. Задняя кромка 46 в общем имеет более суженную форму, чем передняя кромка 44.

Передняя кромка 44 и задняя кромка 46 соединены сбоку стенкой 43 стороны нагнетания и стенкой стороны всасывания (не показана), противоположной стенке 43 стороны нагнетания.

Полка 48 выполнена так, чтобы прижиматься к диску 38 ротора. Выше по потоку относительно полки 48 находится буртик 50. Ниже по потоку относительно полки 48 находится буртик 51. Полка 48 прижимается к одному из зубьев 60 диска 38 на ободе 50, расположенном выше по потоку, и расположена с небольшим радиальным зазором по отношению к зубьям 60 диска 38 в буртике 50, расположенном выше по потоку и буртике 51, расположенном ниже по потоку.

Буртик 50, расположенный выше по потоку, и буртик 51, расположенный ниже по потоку, также играют роль элементов жёсткости для лопатки 34, в результате чего они дают возможность ограничивать механические деформации для лопатки 34 во время работы газотурбинного двигателя 1.

Буртик 50, расположенный выше по потоку, содержит расположенный выше по потоку спойлер 52, лапку 54 и соединительный участок 56, гарантирующий соединение между буртиком 50, расположенным выше по потоку и остальной частью полки 48. Буртик 50, расположенный выше по потоку, по существу, в плоскости продольного сечения лопатки 34, проходящей через направление EV размаха и продольное направление ХХ, ниже по потоку имеет проем в общем U-образной формы. Соединительный участок 56 и лапка 54 образуют два плеча в общем U-образной формы. Расположенный выше по потоку спойлер 52 проходит выше по потоку от донной части в общем U-образной формы, которая объединяет соединительный участок 56 и лапку 54.

Расположенный выше по потоку спойлер 52 предназначен для улучшения аэродинамической характеристики подвижной лопатки 34 посредством приведения воздуха, находящегося поблизости к местоположению, расположенному выше по потоку от полки 48, к передней кромке 44. Расположенный выше по потоку спойлер 52 также гарантирует покрывающую функцию с распределителем 22, расположенным выше по потоку от лопатки 34.

Буртик 51, расположенный ниже по потоку, включает в себя расположенный ниже по потоку спойлер 53 и расположенный ниже по потоку выступающий участок 55, который образует расположенный ниже по потоку элемент жёсткости. Расположенный ниже по потоку спойлер 53 проходит от первичного сопла и гарантирует покрывающую функцию.

Лапка 54 выступает из полки 48 к диску 38 ротора и находится ниже по потоку от подвижной лопатки 34. Она выполнена так, чтобы входить в зацепление с фиксирующим вырезом 64 диска 38, в результате чего лапка 54 и фиксирующий вырез 64 удерживают подвижную лопатку 34 вдоль продольного направления ХХ.

Лапка 54 представлена только на одной из сторон буртика 50, расположенного выше по потоку. Другими словами, лапка 54 делает подвижную лопатку 34 несимметричной относительно плоскости сечения, проходящей через серединную плоскость подвижной лопатки 34, проходящей в направлении EV размаха и продольном направлении ХХ. Каждая подвижная лопатка 34 содержит единственную лапку 54, которая выполнена так, чтобы взаимодействовать с фиксирующим вырезом 64 одного из зубьев 60.

Во время работы первичный поток протекает вдоль подвижной лопатки 34 от передней кромки 44 к задней кромке 46, при этом он протекает вдоль стороны 43 нагнетания и стороны всасывания.

Взаимодействие фиксирующего выреза 64 и лапки 54 позволяет гарантировать надлежащую установку подвижной лопатки 34 по отношению к диску 38. И действительно, в случае попытки установить лопатку в обратном направлении, т.е. переворачивать переднюю кромку 44 и заднюю кромку 46 подвижной лопатки 34 по отношению к диску 38 ротора, лапка 54 будет упираться в верхнюю часть 61 зуба, что будет предотвращать неправильное вставление подвижной лопатки 34 в гнездо 62.

Фиксирующий вырез 64 и лапка 54 понижают расположенную выше по потоку точку опоры подвижной лопатки 34 по отношению к диску 38, что приводит к ограниченной высоте 70 стойки. Следовательно, масса и размер как хвостовика 41, так и полки 48 понижаются по сравнению с обычной технологией. В результате общая масса подвижных лопаток 42 является более низкой, и, следовательно, масса дисков 38 является более низкой, чем в обычной технологии.

И наконец, радиальный зазор 70 между серединой полки 48 вдоль продольного направления ХХ и верхняя часть 61 зуба 60 находятся ниже, чем в обычном газотурбинном двигателе. Таким образом, происходит уменьшение утечек воздуха.

И в заключение, взаимодействие между фиксирующим вырезом 64 и лапкой 54 вероятно в то же самое время должно гарантировать более компактную конструкцию колеса 32 ротора с одинаковой длиной пера 42 лопатки, чтобы уменьшать массу колеса 32 ротора, чтобы ограничивать утечки воздуха между диском 38 и подвижными лопатками 34, а также облегчать установку подвижной лопатки 34 на диске 38 ротора без реверсирования установочного направления подвижной лопатки 34 относительно диска 38.

Конечно, специалистами в данной области техники могут быть сделаны различные модификации описанного изобретения, без выхода из объёма изобретения.

Изобретение относится к подвижной лопатке (34) для газотурбинного двигателя, содержащей хвостовик (41), выполненный с возможностью вставления в приёмный элемент (62) диска (38) ротора для газотурбинного двигателя, полку (48), которую несёт на себе хвостовик (41), и перо (42) лопатки, выступающее от полки (48). Полка (48) содержит расположенный выше по потоку буртик (50). В соответствии с изобретением расположенный выше по потоку буртик (50) содержит лапку (54) для введения в зацепление диска с фиксирующим вырезом (64) таким образом, чтобы удерживать лопатку (34) в осевом направлении относительно диска (38), в соответствии с продольным направлением (ХХ) приёмного элемента (62). Обеспечивается лёгкая установка и осевое удерживание лопатки относительно диска вдоль продольного направления, обеспечивается большая компактность лопатки, что позволяет уменьшить массу лопатки, ограничивает утечки. 5 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Подвижная лопатка (34) газотурбинного двигателя (1), включающая в себя:

хвостовик (41), выполненный с возможностью вставления в гнездо (62) диска (38) ротора для газотурбинного двигателя,

полку (48), которую несёт на себе хвостовик (41), при этом полка (48) содержит расположенный выше по потоку буртик (50),

перо (42) лопатки, выступающее от полки (48),

отличающаяся тем, что расположенный выше по потоку буртик (50) содержит лапку (54) для введения в зацепление с фиксирующим вырезом (64) диска (38) так, чтобы удерживать лопатку (34) относительно диска (38) в осевом направлении ниже по потоку вдоль продольного направления (ХХ) гнезда (62).

2. Диск (38) для компрессора (4, 6) или турбины (8, 9) газотурбинного двигателя, содержащий гнездо (62) для вставления хвостовика (41) лопатки (34) по п. 1,

отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один фиксирующий вырез (64) для введения в зацепление с лапкой (54) так, чтобы удерживать лопатку (34) относительно диска (38) в осевом направлении ниже по потоку вдоль продольного направления (ХХ) гнезда (62).

3. Диск (38) по п. 2, в котором продольное направление (ХХ) является по существу перпендикулярным радиальному направлению (ZZ) диска (38).

4. Диск (38) по п. 2 или 3, в котором продольное направление (ХХ) является по существу перпендикулярным окружному направлению (YY) диска (38).

5. Диск (38) по любому из пп. 2-4, в котором фиксирующий вырез (64) является канавкой, проходящей по существу вдоль окружного направления (YY) диска.

6. Диск (38) по любому из пп. 2-5, в котором гнездо (62) проходит между двумя последовательными зубьями (60) диска (38), при этом фиксирующий вырез (64) расположен только на одном из двух этих зубьев (60).

7. Колесо (32) ротора, содержащее диск (38) по любому из пп. 2-6 и подвижную лопатку (34) по п. 1, выполненную с возможностью установки на диск (38) так, чтобы полка (48) прижималась только к одному зубу (60) и лапка (54) входила в зацепление с фиксирующим вырезом (64) зуба (60).

8. Узел (1) газотурбинного двигателя, выбранный из турбины (8, 9) и компрессора (4, 6), содержащий колесо (32) ротора по п. 7.

9. Газотурбинный двигатель (1), содержащий узел по п. 8.