КОЛЕСО С ЛОПАТКАМИ ТУРБОДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ КОЛЕСА
TURBINE ENGINE WHEEL WITH BLADES AND WHEEL BALANCING METHOD

Настоящее изобретение относится к колесу с лопатками турбодвигателя.
Колесо с лопатками обычно содержит диск, по внешней периферии которого расположены лопатки вентилятора, причем эти лопатки имеют основания, которые входят в зацепление по существу с осевыми канавками внешней периферии диска. Лопатки вентилятора удерживаются на диске радиально в результате взаимодействия форм их оснований и канавок диска, при этом основания лопаток представляют собой, например, тип ласточкиного хвоста. Межлопаточные платформы установлены на диске между лопатками вентилятора или являются неотъемлемой частью диска. Лопатки такого типа раскрыты, например, в документе FR 2881174 на имя заявителя. Канавки, называемые также ячейками, могут быть прямыми или изогнутыми, а поверхности контакта между основаниями лопаток и внутренней стенкой канавок называются опорными.
Лопатки установлены с зазором между своими основаниями и стенками канавок. Для уменьшения этого зазора было предложено устанавливать эластичные прокладки между дном канавок и основанием лопаток таким образом, чтобы последние удерживались радиально с упором на опорную поверхность диска. Тем не менее, использование прокладок возможно только для лопаток больших размеров, таких как лопатки вентилятора, для того, чтобы прокладки могли быть изготовлены и имели достаточную гибкость для установки с натягом, не деформируясь при этом.
Прокладки должны быть, помимо прочего, очень точными для того, чтобы лопатки удерживались без дополнительной блокировки в положении, которое не позволяет нормальный упор основания лопаток на опорные поверхности канавок.
Этот тип колеса с лопатками имеет недостатки, изложенные далее.
Вращение колеса с лопатками при функционировании двигателя создает лопаткам значительные радиальные усилия, которые удерживают их в положении, называемом рабочим. В качестве примера, лопатка компрессора высокого давления весом 17 граммов может подвергаться действию центробежной силы приблизительно 500 кг, лопатка вентилятора весом приблизительно 4,5 кг может подвергаться силе, превышающей 60 тонн.
В отсутствие прокладки или когда прокладка недостаточно предварительно нагружена, при каждой остановке колесо лопатки оказывается в различном угловом положении, и лопатки меняют свое положение под действием своего собственного веса.
Балансировка колеса с лопатками, заключающаяся в исключении любого дисбаланса в этом колесе, осуществляется на высокой скорости, но, так как положения лопаток и, таким образом, дисбаланс колеса с лопатками различны при каждом разгоне, эта балансировка не может быть осуществлена с достаточной точностью.
Кроме того, перемещения с малой амплитудой и под большой нагрузкой лопаток, которые происходят при каждом разгоне турбодвигателя, изнашивают внутреннюю поверхность канавок для установки оснований лопаток. Речь идет об износе истиранием, который может помешать контролю целостности диска и лопаток токами Фуко, что приведет к резкому отказу диска и/или лопаток, которые могли бы еще использоваться.
Как вариант, лопатки могут представлять собой тип лопаток с молотковым креплением, при этом основания лопаток устанавливают в окружной канавке. Таким же, что и ранее, образом, лопатки удерживаются радиально на диске в результате взаимодополняющих форм их оснований и окружной канавки на диске. Лопатки такого типа раскрыты, например, в документе FR 2900989 на имя заявителя.
Основания лопатки вставляют радиально в окружную канавку через один и тот же вырез на диске, затем лопатки скользят по окружности вдоль канавки до своего конечного положения. Удержание лопаток обеспечивается посредством стопора, при этом окружной зазор между лопатками сохраняется, чтобы возможно было термическое расширение при функционировании турбодвигателя.
Установка прокладок между основаниями лопаток и дном окружной канавки невозможна.
После того как лопатки установлены, они являются, таким образом, подвижными вдоль канавки на расстояние, соответствующее величине всех окружных зазоров между лопатками.
Таким образом, при каждой остановке лопатки могут изменять свое положение, так как угловое положение колеса не является одинаковым. Лопатки располагаются случайным образом под действием собственного веса в пределах имеющегося зазора. Эти изменения положения лопаток имеют прямые последствия в отношении балансировки колеса с лопатками и срока его службы.
В момент балансировки изменение положения лопаток вызывает разброс в измерении дисбаланса от одного разгона к другому. Этот разброс ограничивает точность балансировки со значительными последствиями для усилий, передаваемых подшипникам, и на уровне ощутимых вибраций.
Другим следствием является боковой износ платформ, которые опираются друг на друга с относительным перемещением при каждом разгоне. Этот износ еще больше увеличивает тангенциальный износ между лопатками, что приводит к значительной несбалансированности и к износу опорных поверхностей диска и основания лопаток.
Таким же образом, что и ранее, перемещение лопаток приводит к износу «истиранием» внутренних стенок канавок для установки оснований лопаток, делая трудным контроль трещин токами Фуко.
И, наконец, одна из возможностей заключается в использовании моноблочных дисков с лопатками, в которых лопатки и диск выполнены как одно целое путем механической обработки.
Однако, такое решение не всегда применимо для роторных узлов, в частности, по причине термических напряжений, механических напряжений и весовых напряжений и имеет высокую стоимость изготовления и обслуживания.
Также представляется сложным, и даже невозможным, механически обрабатывать охлаждающий контур с лопатками моноблочных дисков с системой лопаток.
Документы JP 2007-120460, DE 3236021, JP 1-237304 и JP 61-129405 раскрывают использование прокладок с запоминанием формы, способных деформироваться между двумя положениями в зависимости от температуры.
Охлаждение и нагревание этих прокладок относительно сложно осуществить и контролировать.
Задачей настоящего изобретения является разработка простого, эффективного и экономичного решения представленных выше проблем.
Для решения задачи предлагается колесо с лопатками турбодвигателя, содержащее диск, внешняя периферия которого выполнена, по меньшей мере, с одной канавкой для установки основания лопаток, при этом прокладка установлена между каждым основанием лопатки и дном канавки, при этом прокладка представляет собой тип прокладки с двумя стабильными положениями и может занимать первое стабильное положение установки или демонтажа, в котором она не оказывает усилий на основание лопатки, и второе стабильное положение, в котором она оказывает радиальное усилие на основание лопатки для придания лопатке неподвижности и для ее стабилизации в окончательном положении, отличающееся тем, что форма и масса пластинчатой пружины заданы так, чтобы переход от первого стабильного положения ко второму стабильному положению осуществлялся под действием центробежных сил, например, посредством вращения колеса со скоростью, превышающей 2000 оборотов в минуту.
Таким образом, можно установить прокладки в первое положение, а лопатки - в одну или несколько канавок на диске, осуществлять вращение диска со скоростью, достаточной для того, чтобы прокладки и лопатки заняли свое конечное положение, деформируя при этом каждую прокладку, чтобы она проходила из своего первого положения во второе положение, при этом лопатки затем удерживаются в окончательном положении прокладками, даже когда диск останавливается или вращается при малых скоростях. Колесо с лопатками, таким образом, точно сбалансировано при низких скоростях.
Учитывая слабые напряжения или усилия, оказываемые прокладками на диск, не требуется никакого специального повторного расчета размера.
Согласно одной из характеристик настоящего изобретения прокладка содержит пластинчатую пружину, деформируемую между двумя указанными положениями.
Предпочтительно, пластинчатая пружина опирается своими концевыми участками на дно канавки и включает в себя деформируемую центральную зону, стабильную в двух положениях.
Концевые участки пластинчатой пружины могут содержать реборды, изогнутые и отогнутые в направлении центральной зоны так, чтобы не повредить дно канавки.
В соответствии с другой характеристикой настоящего изобретения центральная зона пластинчатой пружины содержит груз.
Размер груза может быть рассчитан так, чтобы точно установить скорость вращения, при превышении которой осуществляется переход из первого стабильного положения во второе стабильное положение.
В соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения диск содержит канавку или окружной паз, в котором устанавливают основания лопаток и прокладки.
Предпочтительно, по меньшей мере, один окружной концевой участок прокладок содержит, по меньшей мере, один язычок, предназначенный для захождения в упор на соответствующее основание лопатки.
Язычок позволяет точно позиционировать прокладку под основанием лопатки.
Прокладка может быть выполнена в материале с запоминанием формы, деформируемом при механическом, термическом или электрическом воздействии.
Прокладка также может деформироваться из одного стабильного положения в другое посредством соответствующего воздействия.
Настоящее изобретение также относится к способу установки и балансировки колеса указанного типа, отличающемуся тем, что он содержит следующие этапы, на которых:
- устанавливают лопатки и прокладки в установочное положение в одну или несколько канавок диска,
- вращают колесо со скоростью, достаточной для перемещения лопаток под действием центробежной силы в обычное рабочее положение, и вызывают переход каждой прокладки в ее второе стабильное положение для стабилизации лопаток в их рабочем положении,
- осуществляют балансировку колеса для устранения дисбаланса.
Балансировка может, таким образом, быть осуществлена точно и надежно, при этом лопатки сохраняют все время одно и то же положение, даже в случае последовательных остановок и повторных разгонов турбодвигателя независимо от углового положения колеса с лопатками.
Предпочтительно, переход прокладок в их второе стабильное положение достигается при вращении со скоростью, превышающей 2000 оборотов в минуту, например, при операции обработки концевых участков лопаток.
Кроме этого, могут быть установлены распорки в окружном направлении, по меньшей мере, между некоторыми лопатками до того, как они будут удерживаться прокладками, при этом распорки извлекают после установки прокладок для удержания лопаток.
Удержание распорками может быть осуществлено по секциям, иначе говоря, прокладки располагают только между некоторыми распорками, при этом прокладки образуют между собой угловые секции.
Это позволяет ограничить перемещение основания лопаток внутри окружной канавки при разгоне турбодвигателя перед тем, как лопатки будут неподвижно фиксироваться прокладками.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут рассмотрены при прочтении нижеследующего детального описания, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, среди которых:
фиг.1 показывает частичный вид в разрезе колеса с лопатками в соответствии с настоящим изобретением, в котором прокладка находится в первом стабильном положении;
фиг.2 показывает вид, аналогичный виду на фиг.1, представляющий прокладку при переходе из ее первого стабильного положения в ее второе стабильное положение;
фиг.3 показывает вид, аналогичный виду на фиг.1, представляющий прокладку в ее втором стабильном положении;
фиг.4 показывает общий вид прокладки.
На фиг.1-3 показано колесо с лопатками 2 турбодвигателя, содержащее диск 1, по внешней периферии которого выполнены несколько по существу аксиальных канавок, или одна канавка, или один окружной паз 3.
Каждая лопатка 2 содержит перо и основание 4 лопатки типа ласточкин хвост, которое зацепляется с ячейкой или канавкой 3, имеющей взаимодополняющую форму с диском 1, позволяющую радиально удерживать эту лопатку 2 на диске 1. Лопатки 2 также содержат смежные платформы, образующие внутреннюю поверхность пути циркуляции текучей среды, расположенные радиально между основаниями 4 лопаток и их перьями.
Прокладки 5 установлены между каждым основанием 4 лопатки и дном канавки 3. Прокладка 5 является типом прокладки, стабильной в двух положениях, и может занимать первое стабильное положение установки или демонтажа, в котором она не оказывает усилий на основание 4 лопатки (фиг.1), и второе стабильное положение, в котором она оказывает радиальное усилие на основание 4 лопатки для придания неподвижности лопатке 2 и ее стабилизации в конечном положении (фиг.3). В частности, как это видно на фиг.4, прокладка 5 представлена в виде пластинчатой пружины, деформируемой между двумя указанными положениями. Пластинчатая пружина 5 располагается с упором на дно канавки 3 своими концевыми участками 6, причем последние содержат реборды, изогнутые и отогнутые в направлении центральной зоны 7. Груз 8 прикреплен, например, болтом 9 или путем привинчивания к центральной зоне 7 пластинчатой пружины 5.
Форма и масса пластинчатой пружины 5 и груза 8 заданы так, чтобы прохождение из первого стабильного положения (фиг.1) во второе стабильное положение (фиг.3) осуществлялось автоматически под действием центробежных сил посредством вращения колеса со скоростью, превышающей 2000 оборотов в минуту.
В случае установки в окружной канавке 3 каждый окружной концевой участок прокладок 5 содержит один или два язычка, предназначенных для захождения в упор на основание лопатки (фиг.4) так, чтобы обеспечить надлежащее позиционирование прокладки относительно соответствующего основания.
Прокладка 5 может быть выполнена из металлического материала, имеющего механические характеристики, достаточные и совместимые с температурами, достигаемыми в рассматриваемых зонах. Прокладка 5 может также быть выполнена из материала с запоминанием формы, деформируемого под механическим, термическим или электрическим воздействием.
Способ установки и балансировки колеса с лопатками в соответствии с настоящим изобретением будет детально раскрыт далее.
Прежде всего, лопатки 2 и прокладки 5 устанавливают последовательно в окружной канавке 3 через один и тот же вырез на диске 1, затем их перемещают по окружности вдоль канавки 3 до конечного положения. Язычки 10 позволяют удерживать на месте прокладки 5 под лопатками 2 во время этого перемещения. Затем в окружной канавке 3 устанавливают стопор так, чтобы помешать любому выходу лопатки 2, при этом между лопатками 2 поддерживают окружной зазор 2, чтобы позволить термическое расширение при функционировании турбодвигателя.
Во время этого монтажа прокладки 5 находятся в своем первом положении, показанном на фиг.1, при этом радиальный зазор выполнен между ребордами прокладок 5 и основанием 4 лопаток.
По окружности устанавливают временные распорки между платформами некоторых лопаток 2 так, чтобы распределить лопатки 2 по угловым секторам, например на 2, 3 или 4 сектора, в зависимости, в частности, от амплитуды тангенциального зазора между лопатками 2, от диаметра диска 1 и количества лопаток 2.
Затем вращают колесо со скоростью, достаточной для того, чтобы привести лопатки под действием центробежной силы в конечное рабочее положение и чтобы вызвать переход каждой прокладки во второе стабильное положение. Эта скорость является порядка 3000 или 4000 оборотов в минуту.
Это первое приведение во вращение колеса может соответствовать, например, операции обработки вершин лопаток 2, иначе говоря, их внешних радиальных концевых участков.
Во время этого вращения реборды прижимаются к основаниям 4 лопаток (фиг.2), затем прокладки 5 деформируются для перехода из первого стабильного положения во второе стабильное положение (фиг.3).
Прокладки 5 во втором стабильном положении оказывают на основания 4 лопаток усилие, направленное наружу, достаточное, чтобы удерживать лопатки 2 в рабочем положении. Это усилие задано так, чтобы компенсировать вес лопатки 2, а также инерционные нагрузки, возникающие при разгоне турбодвигателя.
Вращение колеса затем останавливают или замедляют, при этом лопатки удерживаются и стабилизируются прокладками в их рабочем положении. Распорки, таким образом, извлекают без риска смещения лопаток 2.
Балансировка колеса с лопатками 2 может затем быть осуществлена с меньшей скоростью более точно, так как смещениям по окружности или также вибрированию лопаток 2 препятствуют прокладки 5.
В рамках примера, для лопатки 2 весом 17 граммов скорость изменения положения прокладки 5 может быть выбрана порядка 2500 оборотов в минуту или около 3500 оборотов в минуту, при этом действующая на основание 4 лопатки остаточная сила во втором стабильном положении примерно 0,5 Н. Груз 8 может иметь массу порядка 0,15 г, если скорость вращения, соответствующая изменению положения, составляет порядка 2500 оборотов в минуту, при этом масса порядка 0,075 г, если эта скорость вращения 3500 оборотов в минуту.
Как вариант, основания 4 лопатки могут быть помещены в по существу радиальные канавки, как раскрыто в документе FR 2881174. В этом случае прокладки 5 не обязательно содержат язычки 10. Принцип действия настоящего изобретения остается, тем не менее, схожим с раскрытым выше принципом.