АМОРТИЗАТОР ДЛЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, РОТОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ), КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
SHOCK ABSORBER FOR BLADES OF GAS-TURBINE ENGINE, ROTOR OF GAS-TURBINE ENGINE (VERSIONS), COMPRESSOR OF GAS-TURBINE ENGINE (VERSIONS), AND GAS-TURBINE ENGINE (VERSIONS)

Настоящее изобретение касается газотурбинных двигателей, содержащих, по меньшей мере, один диск ротора, снабженный по ободу лопатками, а также касается амортизатора динамичной конструкции, установленного под платформой лопаток. Более конкретно, настоящее изобретение касается аксиальных компрессоров.
Газотурбинный двигатель представляет собой аксиальный компрессор или аксиальную турбину, содержащие, по меньшей мере, один диск ротора с гнездами, высверленными в ободе, на котором установлены лопатки, простирающиеся в радиальном направлении по отношению к оси двигателя. Лопатки содержат хвостовик, перо и установленную между ними платформу. Хвостовик лопатки встроен в гнездо диска, перо лопатки обдувается газовым потоком, служащим для указанных лопаток движущей силой, а платформа формирует участок поверхности, внутренний в радиальном направлении по отношению к струе газа.
Динамичная амортизация стремится изменить динамичное поведение лопаток газотурбинного двигателя за счет добавления массы под платформы лопаток. Усилия, возникающие в этом случае при работе двигателя, позволяют снизить динамичные напряжения в хвостовике лопаток и изменить собственную частоту их вибрации.
Известно несколько типов амортизаторов и среди них амортизаторы, приклеиваемые и самооткидывающиеся: приклеиваемые амортизаторы непосредственно приклеиваются к внутренней поверхности платформ, т.е. к поверхности, повернутой к оси двигателя. Такое техническое решение не представляет никаких проблем для монтажа. Для реализации такого решения требуется, однако, обеспечить до приклейки инерционных грузов их точную предварительную установку на рабочее место, а также использовать достаточно стойкий клей во избежание утери амортизатора при работе двигателя.
Самооткидывающиеся амортизаторы устанавливаются между лопатками. При работе двигателя они откидываются к периферии под действием центробежных сил и останавливаются в своем новом положении, сохраняя радиальное направление относительно платформ лопаток. Применение подобной системы лопаток требует соответствующего оформления пространства, окружающего указанные лопатки, причем указанное пространство должно обеспечивать в первую очередь возможность доступа к лопаткам обслуживающего персонала для проведения ими работ как по монтажу, так и по техническому обслуживанию амортизаторов на месте их установки. В рассмотренном решении, по сравнению с предыдущим, отсутствуют случаи утери амортизаторов ввиду того, что отсутствует сам факт приклеивания последних. Тем не менее, при реализации последнего решения могут возникать проблемы износа деталей лопаток, связанные с возможностью трения ее деталей друг о друга при работе двигателя.
Задачей изобретения является улучшение техники установки и условий эксплуатации самооткидывающихся амортизаторов, а именно:
- обеспечение возможности их установки в трудно доступное для проведения необходимых работ пространство, каким является, безусловно, пространство, окружающее первое подвижное колесо компрессора высокого давления,
- снижение износа различных деталей, как окружающих амортизатор, так и находящихся с ним в контакте, вызванного относительным трением этих деталей друг о друга, за счет устранения зазора между ними.
Настоящее изобретение позволяет реализовать амортизатор, удовлетворяющий этим условиям.
Амортизатор для лопаток газотурбинного двигателя, согласно настоящему изобретению, предназначен для установки между нижней гранью платформ двух смежных лопаток газотурбинного двигателя и ободом диска ротора, на котором установлены лопатки и отличается тем, что он содержит инерционный груз, основание, конструкция которого позволяет обеспечить его опору на указанный обод и пружину, причем пружина соединяет инерционный груз с основанием, причем по меньшей мере инерционный груз выполнен из композитного материала.
Предлагаемое настоящим изобретением техническое решение, базирующееся на использовании эффекта пружины, позволяет создать такой амортизатор, форма которого обеспечивает возможность как устанавливать его в труднодоступные места, так и производить его техническое обслуживание по месту установки при одновременном ограничении трения контактирующих деталей, что позволяет в свою очередь снизить степень износа последних.
Предпочтительно, чтобы часть поверхности инерционного груза контактировала с платформами, причем указанная часть поверхности должна образовывать, в тех случаях, когда пружина находится в состоянии покоя, угол, меньший 90°, с указанным основанием, а размер указанного угла должен определяться размером угла, который образует внутренняя грань платформ с ободом. Амортизатор имеет, таким образом, форму деформируемого, легко изменяемого угла.
Пружина представляет собой тонкую пластинку, один торец которой жестко связан с инерционным грузом, а другой торец - с основанием.
Инерционный груз выполнен из композитного материала, который обеспечивает возможность широкого подбора объемного веса инерционного груза и одновременно позволяет обеспечить необходимые изгибы формы последнего. Указанный материал представляет собой ткань с пропиткой. Часть амортизатора, образующего пружину, может отличаться от той его части, которая образует инерционный груз в том, что касается выбора используемых материалов и их структуры.
Инерционный груз, в зависимости от потребности, может содержать, по меньшей мере, одну вставку, объемный вес которой будет отличаться от объемного веса материала с пропиткой. Материал вставки выбирается с учетом объемного веса, который необходим для амортизатора. Так, например, вставка из металла применяется в тех случаях, когда требуется увеличение объемного веса амортизатора и, наоборот, в качестве композитного материала выбирается материал на базе пены в тех случаях, когда требуется уменьшение объемного веса амортизатора.
В целях облегчения монтажа амортизатор содержит, по меньшей мере, на одном свободном торце основания или инерционного груза отрезок тонкой пластинки, образующий упор или фиксирующий крючок.
Предпочтительно, чтобы подбор необходимой массы амортизатора осуществлялся таким образом, чтобы обеспечивалась возможность его взаимозаменяемости с другим амортизатором без необходимости повторной балансировки ротора, на котором он установлен. Подбор необходимой массы амортизатора осуществляется за счет простого снятия с инерционного груза лишнего материала в зоне расположения центра тяжести последнего.
При необходимости можно также установить нужную массу амортизатора путем добавления к указанному выше инерционному грузу второго инерционного груза, прикрепляемого в этом случае к первому со стороны пружины.
В настоящем изобретении предусмотрена также защита ротора газотурбинного двигателя, содержащего обод с индивидуальными пазами и лопатками, содержащими хвостовики, установленные в пазах, перо и платформу, установленную между хвостовиком и пером. Предпочтительно также, чтобы амортизаторы, имеющие вышеприведенную конструкцию, располагались в пространствах между ободом и двумя платформами двух смежных лопаток. Для получения преимущества от такой конструкции пружины амортизаторов подвергают в процессе монтажа предварительному напряжению.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие фигуры чертежей, в числе которых
фиг.1 изображает общий вид амортизатора согласно настоящему изобретению,
фиг.2 - тот же самый амортизатор, но показанный под другим углом зрения,
фиг.3 - амортизатор согласно настоящему изобретению, установленный на свое рабочее место на роторе аксиального компрессора газотурбинного двигателя, причем дан лишь частичный общий вид ротора,
фиг.4 - амортизатор, показанный как и на фиг.3, на своем рабочем месте, причем ротор показан в разрезе и в плоскости, проходящей радиально через ось ротора,
фиг.5, 6 и 7 изображают различные этапы монтажа амортизатора на роторе, показанном на фиг.3 и 4;
фиг.8 изображает вариант реализации амортизатора со вставками,
фиг.9 - вариант с изменением контактной поверхности,
фиг.10 - другой вариант с дополнительным инерционным грузом,
фиг.11 иллюстрирует подбор необходимой массы инерционного груза путем удаления лишнего количества материала.
На фиг.1 и 2 показан амортизатор 1, соответствующий настоящему изобретению. Амортизатор содержит инерционный груз 11, пружину 12 и основание 13. Инерционный груз имеет форму, приспособленную к тому пространству, в котором должен быть установлен амортизатор. В указанном примере инерционный груз имеет вытянутую форму, приспособленную для монтажа внутри свободного пространства, расположенного между двумя смежными лопатками компрессора газотурбинного двигателя, под платформами двух лопаток. Инерционный груз имеет две поверхности 11A и 11В контакта с платформами, и две боковые поверхности 11C и 11D. Инерционный груз 11 продолжается с одного своего торца пружиной 12, имеющей форму тонкой пластинки, изогнутой вокруг оси, перпендикулярной по отношению к продольной оси инерционного груза. Тонкая пластинка пружины 12 присоединена к плоскому основанию, также имеющему вид тонкой пластинки. В показанном примере инерционный груз располагается, в тех случаях, когда пружина находится в состоянии покоя, т.е. не в напряженном состоянии, под углом к плоскости основания. Каждый из расположенных напротив пружины торцов инерционного груза и основания содержит по тонкой пластинке, согнутой в форме крючка, соответственно 14 и 15.
На фиг.3 и 4 показан амортизатор, установленный на свое рабочее место на роторе газотурбинного двигателя. В приведенном примере речь идет о роторе компрессора 2 известной конструкции, показанном на фиг.3, сзади, если смотреть в направлении истечения газов. Указанный ротор 2 состоит из диска 3 и множества лопаток 4, установленных по его периферии. Обод 31 снабжен пазами 31′, ориентированными в значительной степени вдоль оси обода и равномерно распределенными по окружности последнего. В рассмотренном примере пазы 31′ имеют сечение в форме ласточкина хвоста.
Лопатки 4 имеют хвостовик 41, платформу 42 и перо 43. Хвостовик лопатки в своей нижней части 41′ имеет сечение в форме ласточкина хвоста, являющееся ответным по отношению к сечению пазов. Пазы располагают с возможностью удержания лопаток от каких-либо перемещений в радиальном направлении под действием центробежных сил. Хвостовик лопатки снабжен также ножкой 41′′, расположенной под платформой 42. Указанная ножка снабжена повернутым назад крючком 41′′′. Указанный крючок действует совместно с кольцом, не представленным на приложенных к описанию фигурах, которое взаимодействует с задней гранью обода таким образом, что обеспечивает блокировку лопатки в осевом направлении. Блокировка может также обеспечиваться и путем установки под лопаткой, между хвостовиком лопатки и дном паза, специальных установочных клиньев. Как это показано на фиг.3 и 4, платформы 4 2 наклонены по отношению к поверхности обода. В данном случае речь идет о компрессоре, от платформ которого зависит степень снижения сечения потока сжимаемого воздуха. Поперечное ребро жесткости 42' простирается под платформой 42 со стороны задней части лопатки радиально в направлении оси ротора.
Амортизатор 1, установленный на свое рабочее место между двумя смежными лопатками, располагается в пространстве под двумя платформами 42 между ободом 31 и двумя ножками 41". Пружина 12 установлена таким образом, что находится в сжатом состоянии и обеспечивает, таким образом, постоянное прижатие инерционного груза 11 к платформам 42. Реборда в результате противодействия пружине оказывается в состоянии, в котором она опирается на обод 31 и оказывается к нему прижатой. Две тонкие пластинки-крючки 14 и 15 выполнены таким образом, что оказываются прижатыми, одна 14 к радиальному ребру жесткости 42', другая 15 к заднему краю обода 31. На фиг.3 из всего амортизатора видны только две тонкие пластинки-крючки 14 и 15, выполняющие таким образом роль устройства, предотвращающего неверное присоединение. Такая композиция позволяет быстро визуально определить отсутствие тонких пластинок-крючков либо дефекты монтажа. Можно сразу сделать вывод о том, согласуются ли между собой опирающиеся на лопатки поверхности 11A, 11B, 11C и 11D.
На фиг.5, 6 и 7 показаны этапы монтажа амортизатора. Как можно заметить, просвет между радиальным ребром жесткости 42′ и ободом 31 диска достаточно мал. Достаточно лишь захватить амортизатор и установить его инерционный груз напротив основания. В указанной конструкции амортизатор может быть введен в просвет в направлении стрелки (см. фиг.6). В тех случаях, когда амортизатор достаточно глубоко введен в указанный просвет, пружина прижимает инерционный груз к платформам 42 в направлении стрелки (см. фиг.7). Крючок 14 устанавливается на свое рабочее место, также располагающееся на ребре жесткости, в результате чего тонкая пластинка начинает опираться на край обода 31.
Предпочтительно изготовлять амортизатор из композитного материала. Технология изготовления амортизатора заключается в сборке в стопку нескольких слоев ткани, пропитанной смолой органического происхождения, и помещении этой стопки сначала в форму, а затем вместе с формой в автоклав, в котором происходит полимеризация смолы.
Указанный материал может быть изготовлен из ткани, предварительно сформированной из тканых волокон, пропитанных смолой под давлением, с использованием метода, описанного в патенте FR 2759096, выданного на имя заявителя. Ткань может относиться к типу 2D (где D означает слово "размер"), 3D или же может быть известна под обозначением 2.5D. Волокна, используемые в ткани, могут состоять из одного материала или из нескольких материалов одновременно, например, они могут представлять собой смесь углеродных волокон с волокнами из стекловолокна, известных под маркой Kevlar.
Сам по себе амортизатор может изготавливаться целиком в виде одной единственной детали или, напротив, собираться из нескольких отдельных элементов. Применяемые для изготовления амортизатора материалы могут отличаться друг от друга. Так, например, волокна, применяемые для изготовления каркаса элемента пружины или реборды, могут отличаться от элементов, используемых для формирования инерционного груза. Выбор того или иного материала для изготовления конкретного элемента, входящего в состав амортизатора, зависит от тех свойств, которыми этот элемент должен обладать по сравнению с другими.
Согласно одному из вариантов изобретения в волокнистую структуру инерционного груза 111 амортизатора 100 встраивают (см. фиг.8) одну или несколько вставок 116, количество которых зависит от того объемного веса инерционного груза 111, который стремятся получить. Так, металлическую вставку применяют в тех случаях, когда необходимо повысить объемный вес инерционного груза, а вставка из ячеистой структуры, имеющей вид пены, позволяет, наоборот, уменьшить объемный вес инерционного груза. Текстура амортизатора, пружины 112 и основания 113, не отличается от текстуры амортизатора 10.
На фиг.9 показан другой вариант изготовления амортизатора 200, содержащего основание 213, пружину 212, инерционный груз 211, и в котором поверхность контакта с платформами уменьшена и сведена до размеров таких зон, как 211B1 и 211B2, которые отличаются уменьшенной протяженностью и расположены исключительно вдоль инерционного груза 211. Речь идет о том, чтобы локализовать усилия, воздействующие на платформы лопаток с тем, чтобы повысить эффективность самого амортизатора. Указанные зоны могут получаться за счет механической обработки поверхности инерционного груза.
На фиг.10 показан другой вариант изготовления амортизатора согласно настоящему изобретению. Амортизатор 300 содержит основание 313, дополнительный инерционный груз 317, закрепленный на пружине 312 на ее передней, по отношению к инерционному грузу 311, части. Указанное решение позволяет в тех случаях, когда это оказывается необходимым, распределить усилия динамичной амортизации вдоль платформы лопаток. Амортизатор 300 может изготавливаться в виде одной монолитной детали, как это имело место в предыдущих технических решениях, или же выполняться из нескольких прикрепленных друг к другу элементов.
Предлагаемая конструкция амортизатора позволяет обеспечить очень точную калибровку объемного веса инерционного груза. Преимуществом предлагаемого изобретения является и то, что подбор необходимой массы инерционного груза может осуществляться путем удаления лишнего количества материала за счет создания специального углубления вокруг центра тяжести инерционного груза так, как это показано на фиг.11. В основании, в месте 13, сверлится отверстие и создается углубление 19, которое просматривается на фигуре вдоль оси инерции J. Указанный подбор необходимой массы инерционного груза позволяет получать идентичные по массе амортизаторы, причем с точностью, способной достигать 0,5 г. Для того, чтобы обеспечить необходимый диапазон регулирования массы инерционного груза и облегчить тем самым подбор его массы, специально предусматривают на стадии изготовления амортизатора определенный излишек материала, используемого для создания инерционного груза, располагаемый вокруг центра тяжести. Все амортизаторы, изготавливаемые по этой технологии, являются взаимозаменяемыми. Это позволяет ограничить отклонения в распределении масс, способных привести к дисбалансу в роторе.