ЛОПАТКА С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, УЗЕЛ СЕКЦИИ СТАТОРА, СЕКЦИЯ СТАТОРА, МОДУЛЬ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА
BLADE WITH CHANGEABLE INSTALLATION ANGLE AND ITS MANUFACTURING METHOD, STATOR SECTION UNIT, STATOR SECTION, TURBOMACHINE MODULE AND TURBOMACHINE

Данное изобретение относится в основном к тем секциям статора, имеющим лопатки с изменяемым углом установки, где эти лопатки выполнены с возможностью установки на модули турбомашин типа компрессора или турбины.
Изобретение предпочтительно применимо к авиационным турбомашинам, например турбореактивному двигателю или турбовинтовому двигателю.
На фиг.1 показана часть компрессора высокого давления для турбореактивного двигателя, конструкция которого известна в данной области техники и раскрыта, например, в публикациях EP 0384706 или EP 1717450. Компрессор 1 включает в себя, обычно, несколько секций 2а, 2b, 2с статора и подвижные крыльчатки (не показаны). Эти элементы, центры которых находятся на оси 4 турбомашины, могут изменять свое осевое направление и предназначены для пересечения основным потоком 6 воздуха, протекающим через компрессор высокого давления.
Каждая секция 2a, 2b, 2c статора включает в себя множество лопаток 8, называемых лопатками с изменяемым углом установки. Каждая из лопаток 8, которые распределены в окружном направлении вокруг оси 4, имеет вершину, соединенную с внешним корпусом 10 компрессора, причем эта вершина обычно включает в себя радиально внешнюю полку 11, которая продолжается центрирующей цапфой 12. Цапфа 12 соединена с системой 14, обеспечивающей управляемый угол установки лопатки 8, причем эта система установлена на внешнем корпусе 10. Таким образом, система 14 способна управлять углом установки всех лопаток связанной с ней секции статора одновременно.
Согласно фиг.2, лопатка 8 также имеет основание, которое обычно включает в себя также радиально внутреннюю полку 13, продолжающуюся центрирующей цапфой 16. Эта цапфа 16, ось которой идентична оси цапфы 12 и также является осью 20 лопатки, вокруг которой лопатку можно поворачивать, чтобы изменить ее угол установки, вставлена в кольцо 22 лопаток статора.
Последнее, которое обычно выполнено из нескольких угловых секторов колец, в действительности имеет многочисленные отверстия 24, распределенные в окружном направлении, каждое из которых удерживает втулку 26 для приема центрирующей цапфы 16. Кроме того, эти отверстия 24 открываются соответственно в другие отверстия 27, удерживающие полки 13. Помимо удержания втулок 26 и радиально внутренних полок 13, кольцо 22 лопаток статора известным образом вносит вклад в образование внутренней поверхности, огранивающей основной поток воздуха, пересекаемый потоком 6 воздуха.
Каждая втулка 26 имеет юбку 28, вставленную в одно из отверстий 24 кольца, и эта юбка ограничивает седло 30 центрирующей цапфы, в которое вставляют цапфу 16 лопатки. На фиг.2 можно разглядеть, что цапфа 16 накрыта элементом 32, предпочтительно - сочленена с последним, а функция этого элемента заключается в упрощении скольжения в юбке 28. Кроме того, втулка 26 имеет основание 34, сочлененное с юбкой и расположенное радиально изнутри относительно последней. Основание 34 каждой втулки расположено в окружной канавке 36 кольца 22 лопаток статора, которая известным образом обеспечивает блокировку вращения этой втулки.
В самом деле, каждое основание 34 ограничено двумя поверхностями, которые обращены друг к другу в окружном направлении 40, и двумя поверхностями, которые обращены друг к другу в осевом направлении 50, будучи обозначенными позициями 46 и 48. Обе поверхности 46, 48, называемые окружными поверхностями, являются приблизительно плоскими и обращены, соответственно, к двум краям, ограничивающим канавку 36, как показано на фиг.2.
Конструкция такова, что поверхности 46, 48 расположены как можно ближе, соответственно, к двум лицевым краям канавки и разнесены в осевом направлении 50. Вообще говоря, между элементами, которые обращены друг к другу попарно, поддерживаются только рабочий зазор, чтобы обеспечить удержание оснований 34 в окружной канавке 36 с отверстиями 24.
При этой стандартной конфигурации, обнаруженной в известном уровне техники, когда система 14 управления углом установки поворачивает лопатки 8 относительно осей 20 поворота, чтобы отрегулировать угол установки до достижения некоторого точного угла, центрирующая цапфа 16 каждой лопатки демонстрирует тенденцию тянуть с собой втулку 26 благодаря силам трения, прикладываемым между отверстием 20 и элементом 32, окружающим основание 16.
Этот относительный поворот втулки 26 на своей оси 20 относительно кольца 22 прекращается за счет скрадывания рабочих зазоров, изначально существующих между окружными поверхностями 46, 48 основания 34 и краями канавки 36. Когда контакт между поверхностями 46, 48 основания 34 и этими краями канавки установлен, относительный поворот основания прекращается, а относительный поворот лопатки 8 относительно ее втулки 26 и кольца 22 может продолжаться для получения желаемого угла установки.
Хотя этот узел 60 для секции статора, включающий в себя кольцо 22, втулки 26 и лопатки 8, находит широкое применение в вариантах осуществления известных технических решений, он все же имеет недостаток, которым нельзя пренебречь, а именно высокую степень износа и разрыва входящих в него частей. В частности, проявляется степень исключительно быстро наступающего износа и разрыва краев канавок, которому они постоянно подвергаются под воздействием оснований 34; причем последствием этого износа и разрыва является увеличение в сравнимой пропорции амплитуды поворота втулок всякий раз, когда изменяется угол установки, и поэтому вызывается также износ и разрыв других частей кольца, таких как те, которые обращены к юбкам 28, обуславливаемый расширением за счет износа и разрыва отверстия 24.
Во время эксплуатации, каждая лопатка 8 подвергается отклонению, обуславливаемому равнодействующей аэродинамических сил, прикладываемых к ней. Последствием этого аэродинамического отклонения, величина которого тем больше, чем больше вышеупомянутый износ и разрыв удерживающих отверстий 24, является создание трения между радиально внутренней полкой 13 и соответствующим ему отверстием 27 в кольце 22.
Благодаря ориентации равнодействующей аэродинамических сил, прикладываемых к лопатке, это трение локализуется в области части полки 13, находящейся на вогнутой стороне 62 активной части 43 лопатки, а именно части полки 13, обращенной к части отверстия, обозначенного позицией 27 на фиг.3.
Вредным последствием этого трения между полкой 13 круглого сечения и стенкой удерживающего отверстия 27 является быстрый износ и разрыв кольца 22, из-за чего его надо часто заменять.
Другим последствием этого трения является увеличение механических напряжений в основании активной части лопатки на вогнутой стороне, что сокращает срок службы лопаток, которые тогда не могут иметь такой же срок службы, как двигатель.
Краткое описание изобретения
Поэтому задачей изобретения является, по меньшей мере, частичное, устранение вышеупомянутых недостатков по сравнению с вариантами осуществления известных технических решений.
Для решения этой задачи, первым объектом изобретения является лопатка с изменяемым углом установки для секции статора модуля турбомашины, включающая в себя активную часть лопатки, на обеих сторонах которой расположены радиально внутренняя полка и радиально внешняя полка, а также включающая в себя первую центрирующую цапфу, которая проходит радиально наружу от радиально внешней полки, наряду со второй центрирующей цапфой, проходящей радиально внутрь от радиально внутренней полки, причем первая и вторая центрирующие цапфы определяют общую ось поворота лопатки, и при этом активная часть лопатки, которая имеет первую поверхность, образующую выпуклую поверхность, и вторую поверхность, образующую вогнутую поверхность, разделяет радиально внутренняя полка на первую часть, расположенную на стороне первой поверхности лопатки, и вторую часть, расположенную на стороне второй поверхности лопатки. В соответствии с изобретением, если смотреть вдоль направления оси поворота лопатки, первая часть радиально внутренней полки имеет внешний контур, накладываемый на окружность, на расстоянии от которой и внутри которой находится, по меньшей мере, часть внешнего контура второй части радиально внутренней полки.
Поэтому изобретение разработано оригинальным образом так, что оно отличается от обычной круглой формы сечения для радиально внутренней полки лопатки. В самом деле, вторая часть полки, а именно - та, которая наиболее подвержена трению в удерживающем ее отверстии вследствие аэродинамического отклонения лопатки, больше не является круглой, а имеет периферийное сокращение материала. Это сокращение позволяет ей локально отделяться от отверстия, удерживающего кольцо, в котором эта полка должна удерживаться, с целью уменьшения трения с этим отверстием. Таким образом, кольцо подвергается меньшему фрикционному напряжению посредством радиально внутренних полок, которым оно служит опорой, а его срок службы выгодно увеличивается. Аналогичным образом, степень механического напряжения в лопатке остается идентичной степени механического напряжения, которому лопатка должна подвергаться, когда она новая, и поэтому срок службы лопатки больше не сокращается.
Кроме того, тот факт, что это сокращение материала является локализованным, и поэтому не имеет место повсюду вокруг радиально внутренней полки, позволяет сохранять малые зазоры между остальным участком круглого сечения и отверстием, удерживающим кольцо, в котором должна удерживаться эта полка. Это гарантирует лишь очень незначительное воздействие на аэродинамический поток, пересекающий лопатку, благодаря незначительным наблюдаемым явлениям аэродинамической рециркуляции.
Часть контура радиально внутренней полки, которая отделена от упомянутой окружности, предпочтительно занимает угловой сектор в диапазоне от 100° до 140°, а центр этого сектора находится в центре упомянутой окружности.
Часть контура радиально внутренней полки, которая отделена от упомянутой окружности, предпочтительно находится на максимальном радиальном расстоянии от упомянутой окружности, значение которого находится в диапазоне между значением, соответствующим 7% диаметра окружности, и значением, соответствующим 1% диаметра этой окружности.
Еще одним объектом изобретения является узел секции статора, включающий в себя множество лопаток с изменяемым углом установки, таких, как описанные выше, причем упомянутый узел включает в себя кольцо лопаток статора, связанное с каждой из упомянутых лопаток, отверстие, удерживающее радиально внутреннюю полку лопатки, открывающееся в область внутренней поверхности, ограничивающей основной поток воздуха, определяемый кольцом, наряду с отверстием, удерживающим центрирующую втулку лопатки, в котором вставлена упомянутая вторая центрирующая цапфа, так что, если смотреть вдоль направления оси поворота лопатки, упомянутое отверстие, удерживающее радиально внутреннюю полку, имеет внутренний контур, накладываемый на концентрическую окружность, диаметр которой больше диаметра вышеупомянутой окружности, на которую накладывается внешний контур упомянутой первой части радиально внутренней полки.
Каждая радиально внутренняя полка также предпочтительно образует часть упомянутой внутренней поверхности, ограничивающей основной поток воздуха.
Каждая центрирующая втулка предпочтительно включает в себя, во-первых, юбку, вставленную в упомянутое удерживающее втулку отверстие в кольце и ограничивающую седло второго центрирующей цапфы, а во-вторых, основание, сочлененное с упомянутой юбкой, причем упомянутые втулки, каждая из которых проходит вдоль оси втулки, следуют одна за другой в окружном направлении упомянутого кольца.
Основание каждой центрирующей втулки предпочтительно удерживается в окружной канавке кольца, ограниченной двумя лицевыми краями, разнесенными друг от друга в осевом направлении кольца.
Еще одним объектом изобретения является статор, имеющий лопатки с изменяемым углом установки для модуля турбомашины, включающий в себя узел, описанный выше.
Кроме того, еще одним объектом изобретения является модуль турбомашины, включающий в себя, по меньшей мере, одну секцию статора, описанную выше. В этой связи отметим, что модуль может быть компрессором, предпочтительно компрессором высокого давления, или турбиной.
Еще одним объектом данного изобретения является турбомашина, включающая в себе, по меньшей мере, один модуль, описанный выше.
Последним объектом изобретения является также способ изготовления лопатки с изменяемым углом установки для секции статора модуля турбомашины, такой как описанная выше, при осуществлении которого получают упомянутую радиально внутреннюю полку из профиля круглого сечения, механически обработанную по его периферии так, чтобы получить вторую часть этой полки. Естественно, лопатку, соответствующую изобретению, можно получать в соответствии с любым другим способом, не выходя при этом за объем притязаний изобретения. В этой связи отметим, что радиально внутреннюю полку можно изготавливать так, что ее окончательный профиль будет получаться непосредственно, например, методом литья, и при этом не будет предусматриваться никакой переход через некоторый промежуточный профиль круглого сечения.
Другие преимущества и отличительные признаки изобретения прояснятся в нижеследующем подробном описании, не носящем ограничительный характер.
Краткое описание чертежей
Это описание будет приведено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1, описанной выше, представлено частичное продольное полусечение компрессора высокого давления авиационной турбомашины в соответствии с вариантом осуществления, известным в уровне техники;
на фиг.2, описанной выше, представлено в увеличенном масштабе продольное полусечение части секции статора компрессора согласно фиг.1, иллюстрирующее узел основания лопатки статора на кольце лопаток статора;
на фиг.3, описанной выше, представлен вид в перспективе части узла, установленного на секцию статора, показан на фиг.2, причем узел включает в себя кольцо лопаток статора и лопатки, установленные на последнем (представлена одна лопатка);
на фиг.4 представлен вид в перспективе части узла для секции статора, имеющего лопатки с изменяемым углом установки, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения;
на фиг.5 представлен вид в увеличенном масштабе в перспективе части узла, показанного на фиг.4;
на фиг.6 представлен вид сверху вдоль оси поворота лопатки, показанной на фиг.5, и
на фиг.7 представлено сечение по линии II-VII с фиг.6.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.4 можно рассмотреть часть узла 160 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения, причем этот узел 160 является неотъемлемой частью секции статора, имеющего лопатки с изменяемым углом установки, для модуля турбомашины.
Этот первый вариант осуществления разработан для замены ранее описанного узла 60 согласно известному уровню техники, и поэтому предназначен для расположения в пределах любой из секций 2a, 2b, 2c статора компрессора высокого давления согласно фиг.1. В этой связи отметим, что узел имеет (в сечении по линии II-II с фиг.4) форму, идентичную или аналогичную форме узла 60 согласно фиг.2. Кроме того, элементы, обозначенные на чертежах идентичными позициями, являются идентичными или аналогичными элементами.
Таким образом, узел 160 включает в себя кольцо 22 лопаток статора, идентичное кольцу лопаток статора, описанному для узла 60 согласно известному уровню техники. В частности, удерживающие отверстия 24, 27 равномерно распределены в окружном или тангенциальном направлении 40; причем отверстия 27 открываются в области внутренней поверхности, ограничивающей основной поток 66 воздуха, формируемый кольцом 22, а отверстия 24 открываются в области окружной канавки (не видимой на фиг.4), ограниченной двумя лицевыми краями, разнесенными друг от друга в осевом направлении 50. Очевидно, что это кольцо имеет центр на оси турбомашины.
Узел 160 также оснащен многочисленными втулками, принимающими основания лопаток (не представлены) такого же типа, как показанные на фиг.2, количество которых идентично количеству лопаток секции статора, т.е. составляет несколько десятков. Поэтому втулки 26, удерживаемые в отверстиях 24, следуют одна за другой, располагаясь друг за другом на всем протяжении окружного направления 40, т.е. на протяжении 360°.
Наконец, узел 160 имеет множество лопаток 8 с изменяемым углом установки, каждая из которых взаимодействует с отверстиями 24, 27 и корпусным элементом, удерживаемым в отверстии 24.
Как упоминалось выше, каждая лопатка 8 включает в себя активную часть 43 лопатки, на обеих сторонах которой расположены радиально внутренняя полка 13 и радиально внешняя полка 11, а также включающая в себя первую центрирующую цапфу 12, которая проходит радиально наружу от полки 11, наряду со второй центрирующей цапфой, проходящей радиально внутрь от полки 13, причем эти первая и вторая центрирующие цапфы определяют общую ось поворота лопатки.
Кроме того, активная часть 43 лопатки имеет первую поверхность, образующую выпуклую поверхность 64, и вторую поверхность, противоположную первой и образующую вогнутую поверхность 62. Основание этой активной части 43 лопатки разделяет радиально внутреннюю полку 13 на первую часть 13a, расположенную на стороне выпуклой поверхности 64, и вторую часть 13b, расположенную на стороне вогнутой поверхности 62, как лучше всего видно на фиг.5. Кстати, можно считать, что в области передней кромки 68 активной части лопатки первая и вторая части 13a, 13b ограничены продолжением линии 70 остова основания активной части лопатки. В отличие от этой области, граница по-прежнему создается вогнутой поверхностью 62 и выпуклой поверхностью 64, потому что задняя кромка активной части лопатки выходит существенно за полку 13. Кроме того, благодаря этому продолжению активной части 43 лопатки за полку, отверстие 27 имеет в области его части небольшой скос 72, вероятно накрываемый этой активной частью лопатки.
Верхняя поверхность частей 13a и 13b внутренней полки 13 также образует часть внутренней поверхности, ограничивающей основной поток 66 воздуха, которая предпочтительно наклонена относительно осевого направления и которая в общем случае отделена от оси двигателя по мере ее прохождения вниз по потоку.
Один из признаков изобретения схематически представлен на фиг.6, иллюстрирующей одну из лопаток 8, установленных на кольце 22, рассматриваемую в направлении оси 20 поворота этой лопатки. На этом чертеже показано, что первая часть 13a полки 13, находящаяся на выпуклой стороне 64, имеет внешний контур, обозначенным символом Ca, который накладывается на окружность, обозначенную символом C1, центр которой соответствует оси 20. Благодаря наложению контура Ca и окружности С1 друг на друга, эти два элемента представляются одной и той же линией дуги окружности.
Кроме того, по меньшей мере, одна часть Cb1 внешнего контура Cb второй части 13b полки 13 расположена на расстоянии от упомянутой окружности C1 и внутри нее. В представленном предпочтительном варианте осуществления, часть Cb1 контура, которая расположена внутри окружности C1, соответствует только участку этого контура, обозначенному символом Cb, а другая - по отношению к этой части - часть Cb2 накладывается на окружность C1. Как лучше всего видно на фиг.6, часть Сb2 может быть такой, которая проходит непрерывно от обоих концов контура части Ca, а часть Cb1 может проходить, занимая угловой сектор 74, например, порядка 120°, центр которого находится в центре 20 окружности C1. Например, часть Cb1 контура Cb может принимать форму дуги окружности с центром в центре 76, смещенном от центра 20 окружности C1.
Следовательно, полка 13, которую получают исходя из вышеуказанного геометрического определения, имеет общий профиль, сравнимый с цилиндрическим профилем круглого сечения, имеющий периферийное сокращение материала на участке своей второй части 13b, чтобы этот участок оказывался дальше от отверстия 27, чем другие участки этой полки 13.
В самом деле, снова обращаясь к фиг.6, отмечаем, что удерживающее отверстие 27 радиально внутренней полки 13 имеет внутренний контур C′, накладываемый на концентрическую окружность C2, диаметр которой больше диаметра вышеупомянутой окружности C1. Поэтому в исходном состоянии первый зазор, разделяющий контур C′ и части Ca, Cb2 контура, является приближенно постоянным, например, составляет порядка 0,5 мм, и является меньшим чем второй, изменяющийся зазор «j», отделяющий контур C′ от части Cb1 контура. Этот второй зазор «j», также указанный на фиг.7, кроме того, приближенно идентичен первому зазору около двух сопряжений с контуром Cb2, а затем постепенно увеличивается, когда достигает центрального участка части Cb1 контура, где зазор достигает своего максимума, например, порядка 1,75 мм.
В этой связи отметим, что конструкция может быть такой, что часть Cb1 контура Cb, которая отделена от окружности C1, находится на минимальном радиальном расстоянии от этой окружности, значение которого находится в диапазоне между значением, соответствующим 7% диаметра окружности C1, и значением, соответствующим 1% диаметра этой окружности C1.
Следует отметить, что радиальное расстояние, естественно, надо понимать как расстояние, между окружностью C1 и контуром Cb1 по прямой линии, проходящей через центр 20 окружности C1.
Таким образом, при эксплуатации, лопатка 8 подвергается отклонению, обуславливаемому равнодействующей аэродинамических сил, воздействующих на нее, последствием чего оказывается перемещение контура Cb1 ближе к отверстию 27, не вызывающее никакого вредного трения в кольце 22.
Отметим, что в предпочтительном варианте боковая поверхность полки 13, определяющая контуры Ca, Cb, является цилиндрической вдоль оси 20, как и, независимо от скоса 72, боковая поверхность удерживающего отверстия 27, определяющая контур C, которая тоже является цилиндрической вдоль оси 20.
Естественно, специалисты в данной области техники смогут внести различные модификации в изобретение, только что описанное исключительно на неограничительных примерах.