ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРУЮЩИЙСЯ КОЛЬЦЕВОЙ ОБТЕКАТЕЛЬ СТУПИЦЫ ЛОПАТОЧНОГО КОЛЕСА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2020 года по МПК F01D11/00 F01D5/06 F04D29/02 F04D29/32 

Область техники, которой относится изобретение

Изобретение относится к кольцевому обтекателю лопаточного колеса, к лопаточному колесу, оснащенному таким кольцевым обтекателем, и к газотурбинному двигателю, оснащенному таким лопаточным колесом. В частности, но не ограничительно, лопаточное колесо может быть вентилятором турбореактивного двигателя.

Уровень техники

Конструкции, герметичным образом ограничивающие путь прохождения газа (то есть проход для газов) у ножки лопатки в лопаточном колесе, обычно содержат межлопаточную площадку и прокладку, установленную на каждой площадке и входящую в контакт с лопаткой, в частности, на уровне передней кромки и задней кромки лопаток. Такая конструкция описана в документе FR 2 987 086.

Однако герметичность на уровне передней кромки и/или задней кромки лопаток, где геометрические формы являются особенно сложными, остается недостаточной. Следовательно, существует потребность в усовершенствовании в этом направлении.

Раскрытие сущности изобретения

Объектом изобретения является кольцевой обтекатель лопаточного колеса, содержащий проходящую в осевом направлении кольцевую стенку, при этом указанная стенка имеет множество вырезов, выполненных в осевом направлении, каждый из которых выполнен с возможностью захождения в него передней кромки или задней кромки лопатки.

Выражение «проходящий в осевом направлении» значит, что данный элемент расположен строго параллельно относительно осевого направления или образует угол менее 45° с осевым направлением. Таким образом, в рамках настоящего описания усеченная конусная кольцевая стенка проходит в осевом направлении.

Понятно, что кольцевой обтекатель расположен в осевом направлении, в радиальном направлении и в окружном направлении. В целом, осевое направление соответствует направлению оси вращения лопаточного колеса (или направлению оси кольцевого обтекателя), а радиальное направление является направлением, перпендикулярным к осевому направлению. Все три направления (осевое, радиальное и окружное) соответствуют направлениям, образованным стороной, радиусом и углом в цилиндрической системе координат.

Понятно также, что все вырезы расположены с одной стороны кольцевого обтекателя, если на него смотреть в осевом направлении.

Таким образом, располагая кольцевой обтекатель вокруг передних кромок или задних кромок лопаток лопаточного колеса и вводя каждую переднюю кромку или заднюю кромку в вырез, можно надежно ограничить проход для газов без возможной утечки между каждой лопаткой и кольцевым обтекателем, соответственно на входе или на выходе лопаточного колеса. Разумеется, передние кромки лопаток располагают со стороны входа (или в передней части) лопаточного колеса, тогда как задние кромки лопаток располагают со стороны выхода (или в задней части) лопаточного колеса.

В некоторых вариантах осуществления каждый вырез имеет форму профиля передней кромки или задней кромки лопатки.

Такая форма выреза позволяет кольцевому обтекателю лучше охватывать форму лопаток, благодаря чему герметичность улучшается.

В некоторых вариантах осуществления, промежуточные части между вырезами выполнены из композиционного материала, тогда как остальная часть кольцевого обтекателя выполнена из металлического материала.

Понятно, что композиционный материал представляет собой соединение по меньшей мере двух разных несмешиваемых материалов, тогда как металлический материал является металлом или сплавом на основе металла.

Разумеется, промежуточные части являются частями кольцевого обтекателя, которые расположены между двумя смежными вырезами. Например, промежуточные части выполнены из пенополиуретана или в виде сотовой структуры с ячеистым корпусом из алюминия или из поли-m-фениленизофталамида (известного также под общим коммерческим наименованием Nomex®), покрытым металлическим слоем (или оболочкой) (например, из титана или из алюминия) или из композита с углеродными волокнами. Например, остальная часть кольцевого обтекателя выполнена из титана или из алюминия.

Когда лопатка деформируется, например, в случае попадания внутрь твердого элемента (например, птицы), она может войти в контакт с промежуточной частью и деформировать эту промежуточную часть в окружном направлении. Этот контакт позволяет разгрузить лопатку и ограничить ее отклонения, ограничивая таким образом возможные повреждения в лопатке. Кроме того, для наиболее критических событий, таких как попадание тяжелой птицы или потеря лопатки, контакт оказывается недостаточным, чтобы ограничить повреждения в лопатке. В этом случае возможность пластических деформаций промежуточных частей между вырезами обеспечивает рассеяние энергии от пера лопатки в сторону промежуточных частей, что позволяет ограничить повреждения лопатки. Такая комбинация композиционного материала для промежуточных частей и металлического материала для остальной части кольцевого обтекателя позволяет проектировщику точно установить порог напряжений, начиная от которого промежуточные части пластически деформируются (то есть предел пластической деформации).

В некоторых вариантах осуществления, каждая промежуточная часть выполнена с возможностью пластически деформироваться, когда на нее действует окружная сила, превышающая или равная 40 кН ±30% (сорок килоньютонов плюс-минус тридцать процентов).

Благодаря этому, сверх заранее определенного задаваемого смещения, создающего такую окружную силу, промежуточная часть, расположенная смежно с лопаткой, которая деформируется с большой амплитудой, пластически деформируется. Таким образом, эта промежуточная часть обеспечивает функцию рассеивателя энергии, что позволяет рассеивать энергию при деформации лопатки и ограничить амплитуду деформации лопатки. За счет этого ограничивают распространение деформаций внутри лопатки.

В некоторых вариантах осуществления, кольцевой обтекатель содержит по меньшей мере одну расходную часть, выполненную с возможностью ее размещения напротив лопатки.

Понятно, что расходная часть является частью, выполненной с возможностью изнашиваться, предохраняя другую входящую в контакт часть, в данном случае лопатку. Разумеется, расходную часть обычно устанавливают разъемно, чтобы ее можно было заменить, когда износ становится слишком большим. Например, расходная часть может быть выполнена в виде прокладки.

Например, поверхности кольцевого обтекателя, ограничивающие вырезы, оснащены расходной частью. Благодаря такой расходной части, кольцевой обтекатель можно установить в контакте с передней кромкой или задней кромкой лопаток, что обеспечивает максимальную герметичность, тогда как изнашивающаяся во время работы расходная часть обеспечивает целостность лопаток.

В некоторых вариантах осуществления, кольцевой обтекатель содержит кольцевую стенку, расположенную радиально и выполненную с возможностью устанавливать указанный кольцевой обтекатель на диске лопаточного колеса.

Такая радиальная кольцевая стенка позволяет перенести все средства монтажа кольцевого обтекателя на лопаточном колесе, например, отверстия, резьбовые части, крючки и т.д., на часть кольцевого обтекателя, которая не предназначена для ограничения прохода газа. Это обеспечивает лучшую герметичность.

В некоторых вариантах осуществления, кольцевой обтекатель выполнен с возможностью его оснащения входным или выходным конусом лопаточного колеса.

Такой входной или выходной конус лопаточного колеса позволяет направлять воздушный поток на входе или на выходе колеса.

Объектом изобретения является также лопаточное колесо, оснащенное по меньшей мере одним кольцевым обтекателем в соответствии с любым из вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке.

Например, лопаточное колесо содержит диск, на периферии которого установлено множество лопаток, и множество межлопаточных площадок, при этом межлопаточные площадки выполнены с возможностью оставлять свободной переднюю кромку и/или заднюю кромку лопаток. Таким образом, кольцевой обтекатель охватывает передние кромки и/или задние кромки (лопаточное колесо может содержать единственный кольцевой обтекатель, расположенный на входе или на выходе колеса, или два кольцевых обтекателя, один из которых расположен на входе, а другой - на выходе колеса). Таким образом, передние кромки и/или задние кромки заходят в вырезы, тогда как осевой конец промежуточных частей кольцевого обтекателя взаимодействует с соответствующим осевым концом межлопаточных площадок.

В некоторых вариантах осуществления, промежуточные части между вырезами кольцевого обтекателя расположены не более чем на 15% осевой длины лопаток.

Длину лопаток измеряют по проекции в осевом направлении. При выполнении вырезов таким образом, чтобы лопатки заходили в них на 15% их длины от их передней кромки или задней кромки, кольцевой обтекатель надежно охватывает части лопаток, имеющие наиболее сложную геометрическую форму, для обеспечения герметичности. Такая конфигурация позволяет оптимизировать герметичность между лопатками и кольцевым обтекателем.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, оснащенный лопаточным колесом в соответствии с любыми вариантами осуществления, описанными в настоящей заявке.

Такие лопаточные колеса наиболее адаптированы для применения в газотурбинном двигателе. Например, в варианте осуществления речь идет о турбореактивном двигателе, тогда как указанное лопаточное колесо представляет собой вентилятор указанного турбореактивного двигателя.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его преимущества будут более понятны из нижеследующего подробного описания различных вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве неограничивающих примеров. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

на фиг. 1 показан турбореактивный двигатель, содержащий вентилятор;

на фиг. 2 показан кольцевой обтекатель, которым оснащен вентилятор турбореактивного двигателя, изображенного на фиг. 1;

на фиг. 3 показана часть вентилятора турбореактивного двигателя, изображенного на фиг. 1, оснащенного кольцевым обтекателем, показанным на фиг. 2, вид в перспективе;

на фиг. 4 показан частично собранный вентилятор, вид сбоку.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель 100, в данном случае турбореактивный двигатель 100, содержащий лопаточное колесо 80, в данном случае вентилятор 80, оснащенный на входе кольцевым обтекателем 10, на котором установлен входной конус 50.

Кольцевой обтекатель 10 расположен в осевом направлении Х, в радиальном направлении R и в окружном направлении С. Кольцевой обтекатель 10 содержит кольцевую стенку 10А, проходящую в осевом направлении (или осевую стенку 10А), в которой выполнено множество вырезов 12. Кольцевой обтекатель 10 содержит также кольцевую стенку 10В, проходящую в радиальном направлении (или радиальную стенку 10В). Разумеется, осевая стенка 10А может образовать угол, составляющий от 0° до 45°, с осевым направлением Х, тогда как радиальная стенка 10В может образовать угол, составляющий от 45° до 90°, с осевым направлением Х.

Радиальная стенка 10В содержит первый ряд крепежных отверстий 10В1 для крепления кольцевого обтекателя 10 на диске вентилятора 80. Радиальная стенка 10В содержит второй ряд крепежных отверстий 10В2 для крепления конуса 50 на кольцевом обтекателе 10. Наконец, радиальная стенка 10В содержит третий ряд вытянутых отверстий 10В3. Эти отверстия 10В3 выполнены для облегчения кольцевого обтекателя 10.

Все вырезы 12 выполнены с одной стороны кольцевого обтекателя 10 в осевом направлении Х. Каждый вырез 12 имеет форму профиля передней кромки 82А лопаток 82 вентилятора 80. Как показано на фиг. 3, в каждый вырез 12 заходит передняя кромка 82А лопатки 82.

Как показано на фиг. 4, кольцевой обтекатель 10 установлен на диске 83 вентилятора 80, на периферии которого расположены лопатки 82, причем эти лопатки 82 вставлены в пазы 83А, выполненные с возможностью захождения в них ножек лопаток 82, и межлопаточные площадки 84, причем этим межлопаточные площадки 84 установлены на зубцы 83В диска 83.

В этом примере кольцевой обтекатель 10 взаимодействует в осевом направлении и в контакте с межлопаточными площадками 84, чтобы постоянно ограничивать прохождение газа между лопатками 82 на уровне ножек лопаток 82. В частности, в этом примере части стенки 10А кольцевого обтекателя 10, расположенные между вырезами 12, образуют промежуточные части 14, тогда как осевой конец промежуточных частей 14 входит в контакт с находящимся напротив осевом концом межлопаточных площадок 84.

В этом примере осевая длина L1 промежуточных частей 14 составляет около 8% осевой длины L лопаток 82. Таким образом, промежуточные части 14 расположены не более чем на 15% осевой длины L лопаток 82.

Кроме того, поверхности промежуточных частей 14, ограничивающие каждый из вырезов 12, причем эти поверхности расположены напротив лопаток 82 и, в частности, напротив передней кромки 82А лопаток 82, содержат расходную часть 12А, входящую в контакт с лопатками 82.

Как можно увидеть на промежуточной части 14, показанной с вырывом (фиг. 4), каждая промежуточная часть 14 между вырезами имеет внутреннюю структуру в виде сот из поли-m-фениленизофталамида, на которую нанесено металлическое покрытие, в этом примере из титана. Остальная часть кольцевого обтекателя 10 выполнена из металла, в этом примере из титана.

Хотя настоящее изобретение было описано для конкретных примеров осуществления, очевидно, что в эти примеры можно вносить изменения, не выходя при этом за пределы общего объема изобретения, определенные в формуле изобретения. В частности, отдельные отличительные признаки различных показанных на фигурах и описанных вариантов осуществления можно комбинировать в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие.

Кольцевой обтекатель (10) лопаточного колеса (80), содержащий проходящую в осевом направлении кольцевую стенку (10А), при этом указанная стенка (10А) имеет множество вырезов (12), выполненных в осевом направлении, причем каждый вырез (12) выполнен с возможностью захождения в него передней кромки (82А) или задней кромки лопатки (82). Техническим результатом является ограничение прохода для газов без возможной утечки между каждой лопаткой и кольцевым обтекателем, на входе или на выходе лопаточного колеса. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кольцевой обтекатель (10) лопаточного колеса (80), содержащий кольцевую стенку (10А), проходящую в осевом направлении и имеющую множество вырезов (12), образованных в осевом направлении, при этом каждый вырез (12) выполнен с возможностью захождения в него передней кромки (82А) или задней кромки лопатки (82), при этом промежуточные части (14) между вырезами выполнены из композиционного материала, при этом композиционный материал представляет собой соединение по меньшей мере двух разных несмешиваемых материалов, а остальная часть кольцевого обтекателя (10) выполнена из металлического материала, при этом металлический материал является металлом или сплавом на основе металла.

2. Кольцевой обтекатель (10) по п. 1, в котором каждый вырез (12) имеет форму профиля передней кромки (82А) или задней кромки лопатки (82).

3. Кольцевой обтекатель (10) по п. 1 или 2, в котором каждая промежуточная часть (14) выполнена с возможностью пластически деформироваться под действием окружной силы, превышающей или равной 40 кН ±30%.

4. Кольцевой обтекатель (10) по любому из пп. 1-3, содержащий по меньшей мере одну расходную часть (12А), выполненную с возможностью ее размещения напротив лопатки (82).

5. Кольцевой обтекатель (10) по любому из пп. 1-4, содержащий радиально проходящую кольцевую стенку (10В), выполненную с возможностью установки указанного кольцевого обтекателя на диске (83) лопаточного колеса (80).

6. Кольцевой обтекатель (10) по любому из пп. 1-5, выполненный с возможностью его оснащения входным или выходным конусом (50) лопаточного колеса (80).

7. Лопаточное колесо (80), оснащенное кольцевым обтекателем (10) по любому из пп. 1-6.

8. Лопаточное колесо (80) по п. 7, в котором промежуточные части (12) между вырезами кольцевого обтекателя (10) расположены не более чем на 15% осевой длины (L) лопаток (82).

9. Газотурбинный двигатель (100), содержащий лопаточное колесо (80) по п. 7 или 8.