СПОСОБ УСТАНОВКИ ЛОПАТОК ПО ПЕРИФЕРИИ ДИСКА ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ МОНТАЖА ЛОПАТКИ Российский патент 2019 года по МПК F01D5/30 F01D5/22 

Изобретение относится к установке лопаток по периферии диска турбинного двигателя, которая может быть выполнена в процессе сборки турбинного двигателя. Изобретение особенно хорошо подходит для дисков турбины низкого давления газотурбинного двигателя. Изобретение касается способа установки, а также специальной оснастки, обеспечивающей реализацию способа.

Этап установки лопаток по периферии диска турбинного двигателя рассматривается в контексте сборки компонентов турбинного двигателя, либо в рамках производства готового турбинного двигателя с целью продажи серийных образцов, либо в рамках проведения испытаний, опытов или экспериментов, выполняемых на турбинном двигателе или его отдельных элементах с исследовательскими целями. Диск представляет собой вращающийся компонент турбинного двигателя, прикрепленный к валу секции низкого или высокого давления указанного двигателя. После установки на диске лопатки обеспечивают передачу энергии между потоком, циркулирующим через вторичный проточный тракт турбинного двигателя, и одним из указанных валов.

Для обеспечения конструктивного удержания лопаток по окружности диска на его периферии имеются пазы, ориентированные по существу параллельно оси диска и расположенные чередующимся образом с гребнями диска. На внутреннем конце лопаток образованы хвостовики, которые после заведения в пазы диска удерживаются в радиальном направлении гребнями диска без образования зазора. В радиальном направлении за хвостовиком лопаток следует перо и далее пятка, образующая наружный конец лопатки. Пятки, как правило, представляют собой наружные выступы, то есть стенки, выступающие в радиально-наружном направлении, которые предназначены для взаимодействия с радиально наружным элементом турбинного двигателя. Более того, пятки могут содержать осевые прерыватели потока, а именно, осевые стенки, отходящие от пятки в верхнем и/или нижнем по потоку направлении в турбинном двигателе, обозначая внешнюю границу вторичного проточного тракта.

Для сборки лопаток и диска все лопатки, устанавливаемые на диске, объединяют, располагая встык по окружности в конфигурации, подобной состоянию их окончательной установки на диске. Затем данный «венец» из лопаток располагают перед диском таким образом, что хвостовики лопаток расположены в осевом направлении напротив соответствующих пазов диска. Установку выполняют путем осевого смещения лопаток друг за другом, для осевого заведения хвостовиков в пазы. Иногда вокруг хвостовиков лопаток располагают прокладку из фольги, которая действует как прослойка между хвостовиками и пазами, тем самым, предотвращая их соответствующий износ.

Однако форма пяток затрудняет установку лопаток. В действительности, пятки ориентированы таким образом, что они по окружности опираются друг на друга в направлении, отличающемся от направления заведения хвостовиков лопаток в пазы. Следовательно, при попытке установки лопатки на диске, осевому движению пятки указанной лопатки препятствуют пятки соседних лопаток.

Чтобы обеспечить установку лопаток, между перьями лопаток вставляют клинья, выполненные из дерева, пластмассы или другого, применяемого в настоящее время материала, которые удерживают указанные лопатки на расстоянии друг от друга. Таким образом, пятки больше не опираются друг на друга, и лопатка может проскользнуть в паз без зацепления пятками. Однако использование клиньев данного типа может легко вызвать деформации, ударные воздействия или царапины на лопатках, что может повлиять на механическую прочность лопаток и привести к отбраковке некоторых лопаток и повторной установке лопаток на диске. Более того, следует отметить, что используя данный способ, трудно обеспечить соответствующую установку прокладок из фольги в пазах.

Кроме того, случается, что разнесение лопаток выполняют вручную, а это, очевидно, включает риски производственной травмы руки.

В Европейском патентном документе EP 2460980 сообщается о том, что лопатки можно заводить в пазы в радиальном направлении корпуса ротора при помощи устройства, устанавливаемого в зоне хвостовиков лопаток. Это накладывает определенные производственные ограничения. Более того, отсутствует информация, касающаяся данного устройства.

В данном изобретении предложено простое, эффективное и экономичное решение, облегчающее установку лопаток на диске.

С указанной целью предложен способ установки лопаток по периферии диска турбинного двигателя относительно оси вращения диска,

причем на радиально наружной периферии диска образованы пазы, проходящие по существу параллельно оси диска и расположенные с чередованием с гребнями диска,

при этом каждая лопатка содержит:

- хвостовик, расположенный на радиально внутреннем конце лопатки и вставляемый в паз диска,

- пятку, расположенную на другом, радиально наружном конце лопатки, и

- перо, соединяющее хвостовик с пяткой,

при этом способ включает следующие этапы:

а) расположение лопаток в ряд по окружности, так что хвостовик каждой лопатки в осевом направлении расположен напротив одного из пазов, образованных в диске,

б) использование монтажного инструмента, имеющего наконечник, по форме частично комплементарный пятке одной из лопаток,

с) приведение наконечника монтажного инструмента во взаимодействие с пяткой лопатки,

д) поворот пятки лопатки в результате поворотного движения монтажного инструмента вокруг радиальной линии диска, проходящей через лопатку, и

е) заведение хвостовика лопатки в паз диска в осевом направлении.

Чтобы обеспечить установку одной из лопаток, ее пятку поворачивают радиальном направлении до тех пор, пока она вместе с соседними пятками не расположится в том же направлении, что и направление заведения лопаток в пазы. Таким образом, можно завести лопатку в паз без защемления ее пятки. Инструмент, приводимый во вращательное движение для поворота пятки, не оказывает никаких излишних локальных ограничительных воздействий на лопатку, что обусловлено формой инструмента, которая комплементарна пятке. Кроме того, пользователь выполняет манипуляцию очень легко и быстро и маловероятно, что работа не увенчается успехом. Более того, следует отметить, что изобретение обеспечивает лучшее прилегание прокладок из фольги в пазах диска.

В одном конкретном варианте выполнения, после этапа а) пятки лопаток в окружном направлении опираются друг на друга в соответствии с кромками, ориентированными в направлении, отличающемся от направления, в котором ориентированы хвостовики лопаток.

Способ преимущественно включает установку на диске такого количества лопаток, которое равно количеству пазов, образованных в указанном диске, а также последовательное повторение этапов б), с), д) и е) для всех лопаток.

Все лопатки преимущественно одинаковы по форме и в процессе повторения этапов б), с), д) и е) используют всего один монтажный инструмент.

Перед выполнением этапа а) вокруг хвостовика лопатки может быть установлена прокладка из фольги, при этом в паз прокладку из фольги вставляют вместе с хвостовиком лопатки в ходе выполнения этапа е). Использование прокладок из фольги позволяет уменьшить износ хвостовиков лопаток и пазов диска.

Монтажный инструмент преимущественно содержит средство захвата, такое как рукоятка.

Средство захвата и наконечник монтажного инструмента предпочтительно выполнены с возможностью отсоединения друг от друга. Таким образом, можно изготовить несколько наконечников, соответствующих лопаткам разного типа, при этом используя одно и то же средство захвата, которое может быть соединено взаимозаменяемым образом с каждым из указанных наконечников.

Согласно одному конкретному варианту выполнения, наконечник монтажного инструмента содержит два осевых ограничителя, между которыми на этапе с) при небольшом зазоре плотно вставляют осевые концы пятки. Таким образом, в ходе выполнения этапа с) пятку зажимают между двумя ограничителями монтажного инструмента, а это означает, что поворот инструмента обеспечивает поворот пятки за счет обратной связи контакта.

Согласно одному характерному варианту выполнения, наконечник монтажного инструмента имеет по меньшей мере одну канавку, в которую на этапе с) при небольшом зазоре плотно входит по меньшей мере один выступ пятки лопатки. В результате обеспечена более устойчивая посадка монтажного инструмента на пятке в процессе поворота.

Более того, изобретение относится к инструменту для монтажа лопатки, предназначенному для установки лопаток по периферии диска турбинного двигателя, как описано выше, содержащему наконечник, форма которого частично комплементарна форме пятки лопатки, с обеспечением жесткого крепления пятки и монтажного инструмента при повороте, в частности, вокруг направления протяженности лопатки, которое соответствует направлению расположения в линию хвостовика, пера и пятки.

Передняя поверхность наконечника может быть выполнена с двумя противолежащими друг другу заплечиками, каждый из которых отходит от указанной поверхности, при этом данные заплечики должны располагаться напротив осевых концов пятки лопатки, причем на указанной передней поверхности между двумя заплечикам образована по меньшей мере одна канавка, ориентированная по существу параллельно заплечикам и предназначенная для взаимодействия с выступом пятки лопатки.

Другие детали, характеристики и преимущества изобретения станут понятными после прочтения приведенного ниже описания, представленного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- фиг. 1 изображает вид сбоку лопатки, устанавливаемой на диске турбинного двигателя;

- фиг. 2 изображает прокладку из фольги, предназначенную для хвостовика лопатки, изображенной на фиг. 1;

- фиг. 3 изображает диск и лопатки после выполнения этапа а) согласно изобретению;

- фиг. 4 изображает увеличенный фрагмент вида, показанного на фиг. 3;

- фиг. 5 изображает наконечник, форма которого комплементарна форме пятки лопатки, изображенной на фиг. 1;

- фиг. 6 изображает весь монтажный инструмент, содержащий наконечник, изображенный на фиг. 5; и

фиг. 7 схематически иллюстрирует использование монтажного инструмента согласно изобретению.

Лопатка 10, устанавливаемая на диске 12 турбинного двигателя, описана со ссылкой на фиг. 1. В частности, образец изображенной на фиг. 1 лопатки и представленного далее диска соответствует ступени низкого давления турбинного двигателя.

Лопатка проходит продольным образом в так называемом радиальном направлении, по радиусу к оси 16 турбинного двигателя. Радиально внутренняя часть лопатки является хвостовиком 14, устанавливаемым в пазу 18 диска, при этом в наружном направлении за хвостовиком следует стойка 20, за ней полка 22, далее перо 24, а на конце расположена пятка 26. Пятка состоит из полки 28, а кроме того, содержит выступы 30, расположенные на наружной передней поверхности пятки и представляющие собой стенки, проходящие по существу в радиально наружном направлении и по окружности. Перо взаимодействует с потоком газа, циркулирующим через турбинный двигатель для обмена энергией газа с диском 12. Две полки 22, 28 представляют собой стенки, проходящие в виде частично цилиндрического элемента с любой стороны лопатки 10, и ограничивают, соответственно, с внутренней и наружной стороны проточный тракт, в котором проходит газовый поток. Более того, с указанной целью от внутренней полки 22 и наружной полки 28 выше и ниже по течению отходят прерыватели 32, 34 потока.

Как можно видеть на фиг. 2, хвостовик 14 лопатки имеет форму наподобие луковицы, по существу комплементарную форме паза 18 диска 12. Обычно на хвостовик 14 каждой лопатки 10 устанавливают прокладку из фольги, то есть, оболочку, которая обхватывает стенку хвостовика, принимает форму данной стенки и служит для защиты от износа стенок хвостовика и паза, в котором установлен указанный хвостовик.

На фиг. 3 и фиг. 4 можно видеть диск 12, по периферии которого предварительно расположены все лопатки с целью их дальнейшей установки. Лопатки 10 расположены встык по кругу, так что полки 22, 28 лопаток находятся в контакте друг с другом по периметру окружности, независимо от того, будь то контакт внутренних полок 22 или наружных полок 28 лопаток. Кроме того, понятно, что гребни 38 диска обеспечивают радиальное удерживание лопаток 10, когда хвостовики 14 установлены в пазах 18. Кромки внутренних полок 22 лопаток в окружном направлении ориентированы в том же направлении, что и направление заведения хвостовиков 14 в пазы 18.

Все лопатки 10 смещены в осевом направлении относительно положений их окончательной установки, так что перед установкой хвостовики 14 лопаток расположены в осевом направлении напротив пазов 18 диска 12.

На фиг. 5 изображен наконечник 40 монтажного инструмента 50 согласно изобретению, причем форма указанного наконечника комплементарна форме пятки 26 одной из лопаток 10, и наконечник может обеспечивать поворот указанной пятки в радиальном направлении. Чтобы обеспечить надлежащее удерживание пятки 26, когда лопатки расположены в соответствии с фиг. 3 и фиг. 4, наконечник 40 должен входить в зацепление с пяткой 26 с ее внешней стороны. Наконечник охватывает пятку снаружи с образованием небольшого зазора, так что любой поворот наконечника 40 в радиальном направлении приводит к повороту пятки за счет положительной обратной связи находящихся в контакте частей наконечника и пятки 26. Сразу следует отметить, что чем более глубокая и тугая посадка между наконечником и пяткой, тем большая сила реакции контакта будет рассредоточена по всей пятке 26, что исключает излишние концентрации механических напряжений.

В связи с этим, согласно примеру, изображенному на фиг. 5, который соответствует типу лопатки, представленной на фиг. 1, наконечник имеет внутреннюю переднюю поверхность 42, которая опирается на наружную переднюю поверхность пятки 26. Направленные вовнутрь кромки 44, расположенные выше и ниже по потоку относительно наконечника, образуют передний и задний заплечики, по существу перпендикулярные поверхности 42. Эти заплечики разнесены таким образом, чтобы при введении в зацепление монтажного инструмента обеспечить упор в передний и задний концы расположенных выше и ниже по течению прерывателей потока 34 пятки 26.

Более того, внутренняя передняя поверхность 42 наконечника 40 имеет по меньшей мере одну, а как правило, две канавки 46, расположенные между двумя заплечиками 44, проходящие в наконечнике на его периферии и ориентированные по существу параллельно заплечикам, причем форма канавки (канавок) комплементарна форме, соответствующего каждому из выступов 30 пятки, которые входят в данную канавку (канавки) при присоединении монтажного инструмента.

На фиг. 6 можно видеть, что наконечник 40 может быть соединен со средством 48 захвата, таким как обычная рукоятка. Данное соединение может быть выполнено с возможностью разъединения, так что с помощью одного и того же средства 48 захвата можно удерживать наконечники 40 разного типа, соответствующие другим типам лопаток 10, отличным от лопатки, представленной в качестве примера. На фиг. 6 хорошо видно, что монтажный инструмент вводят в зацепление снаружи лопатки 10, оставляя окружные кромки пятки 26 свободными, при этом инструмент находится в контакте с передней и задней по потоку кромками пятки 26.

На фиг. 7 проиллюстрирован способ, согласно которому монтажный инструмент 50 применяют для зацепления лопаток 10 в пазах 18 диска 12. Несмотря на то, что направление 52 заведения хвостовиков 14 лопаток в гнезда 18 слегка наклонно относительно оси 16 диска, учитывая, что наклонены и окружные кромки внутренних полок 22 лопаток 10, можно отметить, что окружные кромки наружных полок 28 пяток 26 лопаток совмещены и опираются друг на друга строго в осевом направлении. Данное отличие в угле наклона означает, что лопатки 10, расположенные в обычном состоянии, невозможно вставить в пазы 18 без того, чтобы пятки 26 лопаток не препятствовали движению.

Посредством описанного выше монтажного инструмента 50 пятки 26 лопаток поворачивают (смотри стрелку 54) вокруг радиального направления за счет упругой деформации, так что окружные кромки наружных полок 28 совмещают в направлении 52 заведения хвостовиков 14 в пазы 18. После переориентации пятки лопатку 10 можно задвинуть в паз 18, не оказывая существенного влияния на соседние лопатки. Данную манипуляцию можно повторить для каждой лопатки для установки всего комплекта лопаток на диске.

Изобретение относится к способу установки лопаток по периферии диска турбинного двигателя относительно оси вращения диска, содержащего на своей радиально наружной периферии пазы, проходящие параллельно оси диска и расположенные с чередованием с гребнями диска. Каждая лопатка имеет первый радиально внутренний конец и второй радиально наружный конец, а также хвостовик, расположенный на первом радиально внутреннем конце лопатки и вставляемый в паз диска, бандажную полку, расположенную на втором, радиально наружном конце лопатки, и перо, соединяющее хвостовик с бандажной полкой. Согласно изобретению сначала располагают лопатки в ряд по окружности, так что хвостовик каждой лопатки в осевом направлении расположен напротив одного из пазов, образованных в диске, и используют монтажный инструмент, имеющий наконечник, по форме частично комплементарный бандажной полке одной из лопаток. После чего для каждой из лопаток последовательно повторяют следующие этапы. Приводят наконечник монтажного инструмента во взаимодействие с бандажной полкой лопатки. Поворачивают бандажную полку лопатки в результате поворотного движения монтажного инструмента вокруг радиального направления диска, которое проходит через лопатку. Заводят хвостовик лопатки в паз диска в осевом направлении. При этом на диске устанавливают такое количество лопаток, которое равно количеству пазов, образованных в диске. Другое изобретение группы относится к инструменту для монтажа лопатки, предназначенному для установки лопаток по периферии диска турбинного двигателя в указанном выше способе и содержащему наконечник, форма которого частично комплементарна форме бандажной полки лопатки с обеспечением возможности жесткого крепления при повороте бандажной полки и монтажного инструмента. Группа изобретений позволяет упростить установку лопаток на диске турбинного двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ установки лопаток (10) по периферии диска (12) турбинного двигателя относительно оси (16) вращения диска,

причем диск (12) на своей радиально наружной периферии имеет пазы (18), проходящие по существу параллельно оси диска и расположенные с чередованием с гребнями (38) диска,

при этом каждая лопатка (10) имеет первый конец, представляющий собой радиально внутренний конец, и второй конец, представляющий собой радиально наружный конец, и содержит:

- хвостовик (14), расположенный на первом радиально внутреннем конце лопатки и вставляемый в паз (18) диска,

- бандажную полку (26), расположенную на втором радиально наружном конце лопатки, и

- перо (24), соединяющее хвостовик с бандажной полкой,

при этом способ включает следующие этапы:

a) расположение лопаток (10) в ряд по окружности, так что хвостовик (14) каждой лопатки в осевом направлении расположен напротив одного из пазов (18), образованных в диске,

b) использование монтажного инструмента (50), имеющего наконечник (40), по форме частично комплементарный бандажной полке (26) одной из лопаток,

c) приведение наконечника (40) монтажного инструмента (50) во взаимодействие с бандажной полкой (26) указанной лопатки,

d) поворот бандажной полки (26) лопатки в результате поворотного движения (54) монтажного инструмента (50) вокруг радиального направления диска, которое проходит через лопатку,

e) заведение хвостовика (14) лопатки в паз (18) диска в осевом направлении,

отличающийся тем, что устанавливают на диске (12) такое количество лопаток (10), которое равно количеству пазов (18), образованных в указанном диске, а также последовательно повторяют этапы c), d) и e) для каждой лопатки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после этапа а) бандажные полки (26) лопаток (10) в окружном направлении опираются друг на друга в соответствии с кромками, ориентированными в направлении, отличающемся от направления, в котором ориентированы хвостовики (14) лопаток.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что все лопатки (10) имеют одинаковую форму, и при повторении этапов b), c), d) и e) используют один монтажный инструмент (50).

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что перед выполнением этапа а) вокруг хвостовика (14) лопатки устанавливают прокладку (36) из фольги, которую вставляют в паз (18) вместе с хвостовиком (14) лопатки в ходе выполнения этапа е).

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что монтажный инструмент (50) содержит средство (48) захвата, такое как рукоятка.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что средство (48) захвата и наконечник (40) монтажного инструмента (50) выполнены с возможностью отсоединения друг от друга.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что наконечник (40) монтажного инструмента (50) имеет два осевых ограничителя (44), между которыми на этапе с) вставляют с небольшим зазором осевые концы (34) бандажной полки (26).

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что наконечник (40) монтажного инструмента (50) имеет по меньшей мере одну канавку (46), в которую на этапе с) с небольшим зазором входит по меньшей мере один выступ (30) бандажной полки (26) лопатки.

9. Инструмент (50) для монтажа лопатки, предназначенный для установки лопаток (10) по периферии диска (12) турбинного двигателя в способе по любому из пп.1-8, содержащий наконечник (40), форма которого частично комплементарна форме бандажной полки (26) лопатки с обеспечением возможности жесткого крепления при повороте бандажной полки и монтажного инструмента.

10. Монтажный инструмент (50) по п.9, отличающийся тем, что передняя поверхность (42) наконечника (40) выполнена с двумя противолежащими друг другу заплечиками (44), отходящими от указанной поверхности, при этом на указанной передней поверхности между двумя заплечикам образована по меньшей мере одна канавка (46), ориентированная по существу параллельно заплечикам.