УЗЕЛ СПРЯМЛЯЮЩЕГО АППАРАТА, СОДЕРЖАЩИЙ ПЛОЩАДКУ ДЛЯ ЦЕНТРОВКИ И КРЕПЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F01D5/28 F01D9/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к лопаткам газотурбинного двигателя.

Уровень техники

Классически газотурбинный двигатель содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. Компрессор предназначен для повышения давления воздуха, направляемого в камеру сгорания. Турбина предназначена для обеспечения приведения во вращение компрессора с отбором части энергии давления горячих газов, выходящих из камеры сгорания, и с ее преобразованием в механическую энергию.

Газотурбинный двигатель может быть «двухконтурным», то есть через него проходят два воздушных потока: поток первого контура и поток второго контура. Поток первого контура производят элементы, входящие в состав одноконтурного газотурбинного двигателя, которые надстроены одной или несколькими дополнительными турбинами для приведения во вращение компрессорной ступени, модуля вентилятора. Этот модуль вентилятора содержит вентилятор, снабженный лопатками большого размера, при этом лопатки вентилятора производят поток второго контура. Вентилятор лишь в незначительной степени повышает давление проходящих через него газов, но, поскольку его диаметр является большим, производимая для тяги энергия является большой. Модуль вентилятора содержит также решетку спрямляющего аппарата, расположенную сзади вентилятора для спрямления выходящего из вентилятора воздушного потока.

Современной тенденцией в области двигателей гражданских летательных аппаратов является сокращение удельного расхода топлива, звукового воздействия и выбросов оксидов азота (NОx). Одним из технических решений, выбранных производителями двигателей, является повышение степени двухконтурности, т.е. повышение расхода потока второго контура относительно первого контура. В этой связи предусматривают конструкцию, такую как двигатели UHBR (Ultra High Bypass Ratio), в качестве возможной замены современным газотурбинным двигателям для полетов средней дальности.

При этом диаметры вентилятора и решетки спрямляющего аппарата (называемой OGV) оказываются значительно увеличенными, и требования, связанные, в частности, с транспортировкой деталей, приводят к выбору модульного монтажа вентилятора на обечайке. Иначе говоря, размеры деталей предполагают модульный монтаж второго контура на первом контуре.

Однако во время модульного монтажа установку на место модуля вентилятора осуществляют при помощи спрямляющего аппарата. В этих условиях спрямляющий аппарат должен быть правильно центрован на обечайке.

В настоящее время используют спрямляющие аппараты из композиционных материалов, так как эти материалы имеют отличные механические характеристики при значительно меньшей массе по сравнению с металлом.

Однако использование спрямляющего аппарата из композиционного материала предполагает его радиальное крепление на обечайке и на обечайке промежуточного корпуса, чтобы гарантировать его механическую прочность. Для установки на место модуля вентилятора в рамках модульного монтажа необходимо устройство центровки (коническая цапфа, осевой упор и т.д.) спрямляющего аппарата.

Например, решение, известное из документа ЕР 2 412 931, состоит в обеспечении позиционирования спрямляющего аппарата с использованием соединения типа ласточника хвоста. Таким образом, ножку лопатки крепят на обечайке завинчиванием, а перо соединяют с ножкой при помощи соединения типа ласточкина хвоста. Это соединение обеспечивает точное позиционирование пера.

Это расположение остается сложным, так как, с одной стороны, соединение в виде ласточкина хвоста является дорогим и сложным в изготовлении для композитного спрямляющего аппарата. С другой стороны, сборка является сложной. В целом, в случае спрямляющего аппарата из композиционного материала использование устройства центровки является нежелательным, так как оно является дорогим и ненадежным с механической точки зрения.

Раскрытие сущности изобретения

В этом контексте настоящее изобретение призвано предложить узел спрямляющего аппарата, в котором крепление и позиционирование спрямляющего аппарата можно осуществлять просто и надежно.

Первым объектом изобретения является узел спрямляющего аппарата для модуля вентилятора газотурбинного двигателя. Узел спрямляющего аппарата содержит множество лопаток, распределенных вокруг оси вращения спрямляющего аппарата. Каждая лопатка выполнена из композиционного материала и имеет перо и ножку, предназначенную для соединения с обечайкой газотурбинного двигателя. Узел содержит площадку центровки и крепления на газотурбинном двигателе, предназначенную для крепления, с одной стороны на обечайке в определенном азимутальном положении и, с другой стороны, на ножке одной из лопаток. Площадка выполнена с возможностью крепления на обечайке при помощи винтов, проходящих продольно относительно оси вращения узла, и крепления на ножке при помощи винтов, проходящих радиально относительно оси вращения узла.

Предпочтительно использование площадки в качестве элемента центровки и крепления, отдельного от лопатки и обечайки, позволяет упростить монтаж узла спрямляющего аппарата. Двойная функция площадки позволяет отказаться от сложных решений, таких как ласточкин хвост. Действительно, площадку крепят на лопатке, затем точно позиционируют на обечайке. Поскольку положение площадки, а также ее геометрия точно известны, то крепление лопатки на площадке обеспечивает точное позиционирование лопатки. Таким образом, лопатку можно точно позиционировать на площадке и просто на ней закрепить. Кроме того, крепление площадки на обечайке при помощи продольных винтов и крепление площадки на ножке при помощи радиальных винтов обеспечивает хорошую передачу механических усилий от обечайки к лопатке. Таким образом, механические усилия могут проходить в площадке, но в ней не накапливаться. Иначе говоря, это крепление позволяет предупредить определенные концентрации напряжений в площадке и, следовательно, позволяет увеличить срок ее службы.

Таким образом, изобретением предложен узел спрямляющего аппарата, в котором крепление и позиционирование спрямляющего аппарата происходят просто и надежно.

Площадка может иметь радиальное сечение, выбираемое из по существу L-образной или S-образной или треугольной формы.

Ножка может быть закреплена на обечайке только через площадку.

Лопатка может иметь передний участок и задний участок, при этом передний участок ножки закреплен напрямую на обечайке, а задний участок ножки закреплен на обечайке через площадку.

Площадка может быть выполнена из металла.

Между ножкой и пером может быть расположена полка, при этом полка имеет коническое радиальное сечение, выполняющее функцию отражателя воздушного потока.

Полка может быть выполнена моноблочно с пером.

Полка может быть элементом, отдельным от пера и закрепленным на пере.

Вторым объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий узел спрямляющего аппарата для модуля вентилятора, содержащий по меньшей мере одну лопатку, имеющую перо и ножку, закрепленную на обечайке газотурбинного двигателя, и элемент центровки и крепления лопатки на газотурбинном двигателе, закрепленный, с одной стороны, на обечайке в определенном азимутальном положении и, с другой стороны, на ножке лопатки.

Третьим объектом изобретения является способ сборки узла спрямляющего аппарата модуля вентилятора с обечайкой газотурбинного двигателя, содержащий следующие этапы:

- крепление площадки на лопатке спрямляющего аппарата,

- крепление закрепленной на лопатке площадки на обечайке в определенном азимутальном положении.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

на фиг. 1 схематично показан узел спрямляющего аппарата согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;

на фиг. 2 схематично показан узел спрямляющего аппарата согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;

на фиг. 3 показан элемент центровки и крепления согласно второму варианту осуществления, вид в перспективе сверху;

на фиг. 4 показан элемент центровки и крепления согласно второму варианту осуществления, вид в перспективе снизу;

на фиг. 5 показана часть узла спрямляющего аппарата согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 6 схематично показан узел спрямляющего аппарата согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;

на фиг. 7 схематично показан узел спрямляющего аппарата согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;

на фиг. 8 показан элемент центровки и крепления согласно четвертому варианту осуществления вид в перспективе сверху;

на фиг. 9 показан элемент центровки и крепления согласно четвертому варианту осуществления, вид в перспективе снизу;

на фиг. 10 показана часть узла спрямляющего аппарата согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе.

Осуществление изобретения

Общая конструкция

Объектом изобретения является узел 1 спрямляющего аппарата для модуля вентилятора газотурбинного двигателя, содержащий множество лопаток 2, распределенных вокруг оси вращения. Каждая лопатка 2 выполнена из композиционного материала и имеет перо 21 и ножку 22, предназначенную для соединения с обечайкой 4 газотурбинного двигателя. Кроме того, узел 1 содержит площадку 3, закрепленную, с одной стороны, на обечайке 4 в определенном азимутальном положении и, с другой стороны, на лопатке 2. Следует уточнить, что под «определенным азимутальным положением» следует понимать точное выбранное положение на обечайке 4. Обечайка может быть смоделирована в цилиндрической системе координат, при этом азимутальное положение определено угловым сектором (то есть положением) и положением относительно продольной оси обечайки 4.

Таком образом, как будет описано ниже, в рамках модульной сборки площадки 3 предварительно крепят на лопатках 2, затем на обечайке 4. При этом правильное положение лопаток 2 обеспечено правильным позиционированием каждой площадки 3.

Можно напомнить, что в данном документе термин «закреплен» означает, что детали неподвижно соединены посредством стандартного механического соединения типа скрепления.

Кроме того, следует уточнить, что в данном документе под «продольной осью» следует понимать ось, параллельную оси вращения узла спрямляющего аппарата и, следовательно, оси вращения лопатки 2. Точно так же, под «радиальной осью» следует понимать ось, перпендикулярную к оси вращения узла спрямляющего аппарата и, следовательно, к оси вращения лопатки 2.

Лопатка спрямляющего аппарата

Лопатка 2 спрямляющего аппарата в основном содержит перо 21 и по меньшей мере одну ножку 22. Перо 21 имеет переднюю кромку и заднюю кромку. Обычно передним участком 22а называют участок ножки 22, проходящий по вертикали под передней кромкой пера 21, а задним участком 22b - участок ножки 22, проходящий по вертикали под задней кромкой пера 21.

Как известно, перо 21 имеет геометрию, адаптированную для спрямления воздушного потока, выходящего из находящегося на входе вентилятора.

Ножка 22 может соответствовать известным геометрическим формам (то есть можно использовать обычные лопатки 2). Так, ножка 22 может быть сплошной от участка 22а задней кромки до участка 22b передней кромки. Точно так же, как известно, ножка 22 может быть выполнена с возможностью своего крепления при помощи средств крепления только вдоль радиальной оси.

Согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1, ножка 22 имеет по существу плоское радиальное сечение.

Согласно вариантам осуществления, представленным на фиг. 2, 6, 7 и 10, ножка 22 имеет по существу S-образное радиальное сечение. Следует отметить, что кривизна S-образного сечения меняется в зависимости от вариантов осуществления. Эта геометрия предпочтительно позволяет ножке 22 точно адаптироваться к геометрии обечайки 4.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, показанному на фиг. 5, лопатка 2 может иметь ножку 22 из двух отдельных частей, при этом первая часть соответствует переднему участку 22а, а вторая часть соответствует заднему участку 22b, и, в частности, ножку 22, уменьшенную до двух зон крепления.

Как будет детально показано ниже, ножка 22 выполнена с возможностью крепления завинчиванием на площадке 3 и/или на обечайке 4. Как будет описано ниже, на площадке 3 может быть закреплена ножка 22 полностью или только один ее участок.

Согласно вариантам осуществления, представленным на фиг. 1. 2, 6 и 7, лопатка 2 имеет полку 23, расположенную между ножкой 22 и пером 21. Полка 23 имеет коническое радиальное сечение, выполняющее функцию отражателя (то есть направляющей) для воздушного потока. В альтернативном варианте полка 23 может быть присоединена к существующему перу 21.

Предпочтительно лопатка 2 выполнена из композиционного материала. Следует уточнить, что под композиционным материалом следует понимать материал, содержащий смолу, в которую погружены волокна. Смола может быть, например, полимером, и волокна могут быть, например, карбоновыми волокнами, стекловолокнами.

Площадка

Предпочтительно площадка 3 является элементом центровки и крепления, выполненным с возможностью установки между обечайкой 4 и ножкой 22. Площадка 3 может быть выполнена из металла посредством ковки. Согласно вариантам осуществления, в случае необходимости, механическая структура площадки может быть усилена внутренними ребрами жесткости.

В целом, независимо от варианта осуществления, площадка 3 имеет по меньшей мере одну продольную поверхность 31, выполненную с возможностью своего крепления на нижней стороне ножки 22, и радиальную поверхность 32, выполненную с возможностью своего крепления на обечайке 4, например, через коническую цапфу. Согласно признаку, общему для всех представленных ниже вариантов осуществления, крепление продольной поверхности 31 на нижней стороне ножки 22 осуществляют при помощи радиальных винтов 52. Кроме того, крепление радиальной поверхности 32 на обечайке 4 осуществляют при помощи продольных винтов 51а. Иначе говоря, площадка 3 объединяет в себе две разные функции, распределенные на двух разных поверхностях площадки. С одной стороны, одной из функций является продольное крепление на обечайке 4 через продольную поверхность 31 и, с другой стороны, - радиальное крепление на ножке 22 через радиальную поверхность 32.

Согласно первому варианту осуществления, представленному на фиг. 1, площадка 3 имеет радиальное сечение по существу L-образной формы. Согласно этому варианту осуществления, ножка 22 может быть полностью установлена на площадке 3.

Согласно вариантам осуществления, представленным на фиг. 2-5, площадка 3 имеет радиальное сечение по существу S-образной формы. Согласно этим вариантам осуществления, ножка 22 может быть полностью установлена на площадке 3, независимо от того, состоит она из одной или из двух частей.

Согласно этим вариантам осуществления, площадка 3 имеет первую продольную поверхность 31а, выполненную с возможностью своего крепления на нижней стороне переднего участка ножки 22, и вторую продольную поверхность 31b, выполненную с возможностью своего позиционирования на нижней стороне заднего участка ножки 22. Радиальное сечение по существу S-образной формы является таким, что первая продольная поверхность 31а и вторая продольная поверхность 31b находятся в двух разных параллельных плоскостях.

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 6, площадка 3 имеет радиальное сечение по существу L-образной формы. Согласно этому варианту осуществления, площадка 3 выполнена с возможностью своего позиционирования только на нижней стороне заднего участка 22b ножки 22.

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 7-10, площадка 3 имеет радиальное сечение по существу в виде треугольника. Согласно этому варианту осуществления, площадка 3 выполнена с возможностью своего позиционирования только на нижней стороне заднего участка 22b ножки 22.

Сборка согласно первому варианту осуществления

Согласно первому варианту осуществления, как было указано выше, ножку 22 полностью крепят на площадке 3. Иначе говоря, согласно этому варианту осуществления, ножку 22 крепят на обечайке 4 только через площадку 3.

Предпочтительно ножку 22 крепят при помощи радиальных винтов 52, проходящих через продольную поверхность 31. Это предпочтительное расположение является общим для всех вариантов осуществления и обеспечивает простое крепление ножки 22 на площадке 3, одновременно гарантируя передачу механических усилий от обечайки 4 к перу 21, чтобы усилия не концентрировались в площадке 3.

Согласно первому варианту осуществления, передний участок полки 23 может быть закреплен вместе с площадкой 3. Точно так же, задний участок полки 23 может быть закреплен вместе с площадкой 3. Этот признак позволяет создать зону, непроницаемую для воздушного потока, между полкой 23 и площадкой 3, чтобы избегать возмущений в воздушном потоке.

Затем площадку 3 крепят на обечайке 4 при помощи продольных винтов 51а, располагаемых в радиальной поверхности 32, а также при помощи радиальных винтов 51b.

Сборка согласно второму варианту осуществления

Сборка согласно второму варианту осуществления идентична сборке, представленной для первого варианта, если не считать различий в геометрии радиальных сечений ножки 22 и площадки 3. Как показано на фиг. 2, этот вариант осуществления адаптирован для крепления лопатки 2, ножка 22 которой имеет радиальное сечение в виде S.

Тем не менее, согласно второму варианту осуществления, полку 23 крепят на ножке 22 (а не на площадке 3).

Согласно варианту, показанному на фиг. 5, ножка 22 может быть разделена на две части. Этот признак позволяет получить ножку, геометрия которой упрощена до максимума и масса которой уменьшена до минимума. Так, этот признак предпочтительно позволяет упростить способ изготовления ножки и, следовательно, снизить стоимость производства. Кроме того, уменьшение массы предпочтительно позволяет сократить энергетическое потребление газотурбинного двигателя.

Обе эти части крепят на площадке 3.

Сборка согласно третьему и четвертому вариантам осуществления

Согласно этим вариантам осуществления, представленным на фиг. 6-10, площадку 3 крепят только на заднем участке 22b ножки 22, а передний участок 22а ножки 22 крепят напрямую на обечайке 4 при помощи радиальных винтов 53.

Согласно этим вариантам осуществления, полку 23 крепят на ножке 22 завинчиванием. Согласно частному признаку, показанному на фиг. 6, один и тот же винт 53 может соединять полку 23, передний участок 22а ножки 22 и обечайку 4.

Предпочтительно, независимо от варианта осуществления, все крепления можно производить при помощи винтов. Иначе говоря, заявленный узел 1 спрямляющего аппарата не содержит сложных механических соединений, таких как ласточкин хвост.

Примечательно, что, согласно этим вариантам осуществления, площадка 3 имеет небольшие размеры, достаточные для обеспечения правильного позиционирования лопатки 2. Иначе говоря, согласно этим вариантам осуществления, крепление переднего участка 22а ножки 22 служит только креплением и не выполняет функции позиционирования. Следует отметить, что небольшие размеры площадки 3 позволяют уменьшить массу и упростить изготовление. Так же, как и в случае ножки 22, показанной на фиг. 5, уменьшение массы позволяет сократить энергетическое потребление газотурбинного двигателя. Можно также комбинировать ножку, показанную на фиг. 5, с площадкой 3, показанной на фиг. 7-10.

Газотурбинный двигатель

Другим объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий аппарат 1 спрямления потока для модуля вентилятора, содержащий по меньшей мере одну лопатку 2, имеющую перо 21 и ножку, предназначенную для крепления на обечайке 4 газотурбинного двигателя, и площадку 3 крепления лопатки 2 на газотурбинном двигателе, закрепленную, с одной стороны, на обечайке 4 в определенном азимутальном положении и, с другой стороны, на ножке 22 лопатки 2.

Способ сборки

Третьим объектом изобретения является способ сборки узла 1 спрямляющего аппарата для модуля вентилятора газотурбинного двигателя, содержащий следующие этапы:

- крепление площадки 3 на лопатке 2 спрямляющего аппарата,

- крепление закрепленной на лопатке 2 площадки 3 на обечайке 4 в определенном азимутальном положении.

Этот способ сборки является предпочтительным, поскольку предварительно закрепленная на лопатке 2 площадка 3 позволяет гарантировать правильное позиционирование лопатки 2 на обечайке 4. Это позволяет отказаться от сложных и ненадежных механических соединений.

Изобретение относится к узлу (1) спрямляющего аппарата для модуля вентилятора газотурбинного двигателя, при этом узел (1) спрямляющего аппарата содержит множество лопаток (2), распределенных вокруг оси вращения узла спрямляющего аппарата, при этом каждая лопатка (2) выполнена из композиционного материала и имеет перо (21) и ножку (22), предназначенную для соединения с обечайкой (4) газотурбинного двигателя. Аппарат (1) содержит площадку (3) центровки и крепления на газотурбинном двигателе, предназначенную для крепления, с одной стороны, на обечайке (4) в определенном азимутальном положении и, с другой стороны, на ножке (22) лопатки (2), при этом площадка (3) выполнена с возможностью своего крепления на обечайке (4) при помощи винтов (51а), продольных относительно оси вращения аппарата (1), и крепления на ножке (22) при помощи винтов (52), радиальных относительно оси вращения аппарата (1). Использование площадки в качестве элемента центровки и крепления, отдельного от лопатки и обечайки, позволяет упростить монтаж узла спрямляющего аппарата. Двойная функция площадки позволяет отказаться от сложных решений, таких как ласточкин хвост. Площадку крепят на лопатке, затем точно позиционируют на обечайке. Поскольку положение площадки, а также ее геометрия точно известны, то крепление лопатки на площадке обеспечивает точное позиционирование лопатки. Кроме того, крепление площадки на обечайке при помощи продольных винтов и крепление площадки на ножке при помощи радиальных винтов обеспечивает хорошую передачу механических усилий от обечайки к лопатке, это крепление позволяет предупредить определенные концентрации напряжений в площадке и, следовательно, позволяет увеличить срок ее службы. Таким образом, изобретением предложен узел спрямляющего аппарата, в котором крепление и позиционирование спрямляющего аппарата происходят просто и надежно. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Узел (1) спрямляющего аппарата для модуля вентилятора газотурбинного двигателя, содержащий множество лопаток (2), распределенных вокруг оси вращения узла спрямляющего аппарата, при этом каждая лопатка (2) выполнена из композиционного материала и имеет перо (21) и ножку (22), предназначенную для соединения с обечайкой (4) газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит площадку (3) центровки и крепления на газотурбинном двигателе, выполненную с возможностью крепления, с одной стороны, на обечайке (4) в определенном азимутальном положении и, с другой стороны, на ножке (22) одной из лопаток (2), при этом площадка (3) выполнена с возможностью своего крепления завинчиванием на обечайке (4) при помощи винтов (51а), проходящих продольно относительно оси вращения узла (1), и крепления завинчиванием на ножке (22) при помощи винтов (52), проходящих радиально относительно оси вращения узла (1).

2. Узел (1) спрямляющего аппарата по п. 1, в котором площадка (3) имеет радиальное сечение, выбираемое из по существу L-образной или S-образной или треугольной формы.

3. Узел (1) спрямляющего аппарата по любому из пп. 1 или 2, в котором ножка (22) закреплена на обечайке (4) только через площадку (3).

4. Узел (1) спрямляющего аппарата по любому из пп. 1 или 2, в котором лопатка (2) имеет передний участок и задний участок, при этом передний участок (22а) ножки (22) закреплен напрямую на обечайке (4), а задний участок (22b) ножки (22) закреплен на обечайке (4) через площадку (3).

5. Узел (1) спрямляющего аппарата по любому из пп. 1-4, в котором площадка (3) выполнена из металла.

6. Узел (1) спрямляющего аппарата по любому из пп. 1-5, в котором между ножкой (22) и пером (21) расположена полка (23), при этом полка (23) имеет коническое радиальное сечение, выполняющее функцию отражателя воздушного потока.

7. Узел (1) спрямляющего аппарата по п. 6, в котором полка (23) выполнена за одно целое с пером (21).

8. Узел (1) спрямляющего аппарата по п. 6, в котором полка (23) является элементом, отдельным от пера (21) и закрепленным на пере (21).

9. Газотурбинный двигатель, содержащий узел (1) спрямляющего аппарата по любому из пп. 1-8 для модуля вентилятора, содержащий по меньшей мере одну лопатку (2), имеющую перо (21) и ножку (22), закрепленную на обечайке (4) газотурбинного двигателя, и элемент (3) центровки и крепления лопатки (2) на газотурбинном двигателе, закрепленный, с одной стороны, на обечайке (4) в определенном азимутальном положении и, с другой стороны, на ножке (22) лопатки (2).

10. Способ сборки узла (1) спрямляющего аппарата по любому из пп. 1-8 для модуля вентилятора с обечайкой (4) газотурбинного двигателя, содержащий следующие этапы:

крепление площадки (3) на лопатке (2) спрямляющего аппарата,

крепление закрепленной на лопатке (2) площадки (3) на обечайке (4) в определенном азимутальном положении.