ЛОПАТОЧНЫЙ УЗЕЛ КОМПРЕССОРА ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ, КОМПРЕССОР ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ И ОСЕВАЯ ТУРБОМАШИНА
BLADE UNIT OF COMPRESSOR OF AXIAL TURBOMACHINE, COMPRESSOR OF AXIAL TURBOMACHINE AND AXIAL TURBOMACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
[001] Изобретение относится к прикреплению бандажа или бандажной полки к лопатке посредством гнезда. Изобретение также относится к лопаточному узлу осевой турбомашины. Кроме того, в настоящем изобретении предлагаются компрессор и осевая турбомашина, в частности турбореактивный или турбовинтовой двигатель для воздушного судна.
Уровень техники
[002] Турбомашина включает в себя несколько отсеков, содержащих компрессоры и турбины. В компрессорах соосно установлено несколько кольцевых рядов лопаток статора, снабженных, где необходимо, внутренними бандажами, подвешенными на внутренних концах вышеупомянутых лопаток. Эти бандажи соединяют несколько следующих друг за другом лопаток и поддерживают слои истираемых материалов, обеспечивающих динамическое уплотнение с ротором.
[003] Внутренний бандаж может быть подвешен к лопаткам, которые его поддерживают, разными способами. Бандаж может быть зафиксирован с помощью удерживающих пластин, скрепленных через отверстия, образованные в концах лопаток. Однако этот метод требует сложных манипуляций для размещения подходящим образом каждой пластины. В альтернативном варианте, внутренний бандаж может иметь ряд отверстий, продолженных элементами армирования. В таком случае между элементами армирования и лопатками накладывается материал для их соединения.
[004] В документе EP2196629A1 раскрыта конструкция компрессора осевой турбомашины, содержащего кольцевой ряд лопаток статора и внутренний бандаж, прикрепленный к внутренним концам лопаток. Внутренний бандаж является сегментированным и изготовлен из композиционного материала. Он имеет кольцевой ряд отверстий, продолженных скрепляющими гнездами для концов лопаток. Между внутренними концами лопаток и внутренними поверхностями гнезд образовано значительное по размерам пространство. Это пространство вмещает материал, обеспечивающий возможность соединения. Однако прочность этого соединения ограничена. Из-за вибраций в турбомашине может иметь место потеря сцепления.
Сущность изобретения
Техническая задача
[005] Целью настоящего изобретения является устранение по меньшей мере одной из проблем, существующих в уровне техники. Конкретнее целью изобретения является улучшение крепления бандажа. Другой целью настоящего изобретения является обеспечение надежного крепления бандажа, имеющего гнездо, с лопаткой.
Техническое решение
[006] Станет совершенно понятно, что предметом изобретения является лопатка осевой турбомашины, в частности компрессора осевой турбомашины, причем лопатка содержит: стенку, которая содержит: направляющую поверхность, предназначенную для ограничения кольцевого потока турбомашины в радиальном направлении, и крепежное гнездо; аэродинамический профиль, который содержит: часть, закрепленную в гнезде, и аэродинамическую часть, предназначенную для отклонения кольцевого потока, важной особенностью которой является то, она дополнительно содержит связующий слой на стыке между аэродинамическим профилем и гнездом, с тем чтобы прикрепить аэродинамический профиль со стенкой путем связывания.
[007] Термин «лопаточный» подразумевает жесткую поверхность, позволяющую направлять поток.
[008] Другим предметом настоящего изобретения является лопаточный узел осевой турбомашины, в частности компрессора осевой турбомашины, причем узел содержит: стенку, которая предназначена для ограничения кольцевого потока турбомашины в радиальном направлении и которая содержит крепежное гнездо, лопатку, закрепленную в крепежном гнезде и проходящую радиально относительно стенки, и скрепляющий слой на стыке между лопаткой и гнездом, важной особенностью которого является то, что место стыковки содержит неровности, находящиеся в контакте со скрепляющим слоем так, что обеспечивается фиксацией за счет прилегания материала для крепления лопатки в стенке.
[009] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения неровности, находящиеся в контакте со скрепляющим слоем, образованы на лопатке и/или внутри гнезда и предпочтительно неровности распределены в аксиальном направлении.
[0010] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лопатка содержит корыто и спинку, при этом неровности распределены по корыту и/или по спинке внутри гнезда.
[0011] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лопатка содержит криволинейную поверхность и/или куполообразную поверхность внутри гнезда, причем по меньшей мере одна или каждая из указанных поверхностей имеет неровности.
[0012] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения гнездо содержит вход, выход и герметизированный канал, который соединяет вход и выход, причем вход и выход в радиальном направлении расположены напротив друг друга и каждый из них имеет изогнутую форму аэродинамической части лопатки и предпочтительно канал проходит сквозь стенку в радиальном направлении.
[0013] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения гнездо окружает лопатку, где необходимо, непрерывным образом; предпочтительно гнездо в основном профилировано в радиальном направлении так, что профиль в основном плотно охватывает лопатку, причем указанный профиль имеет выпуклую кромку.
[0014] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения скрепляющий слой представляет собой связующий слой, и предпочтительно скрепляющий слой представляет собой уплотнение между гнездом и лопаткой.
[0015] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения скрепляющий слой окружает лопатку и, где необходимо, место стыковки заполнено скрепляющим слоем.
[0016] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения лопатка содержит переднюю кромку и заднюю кромку, причем передняя кромка и/или задняя кромка образуют острую кромку или острые кромки, и, где необходимо, скрепляющий слой представляет собой упругий материал и/или полимер, находящийся в контакте с каждой острой кромкой.
[0017] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения аэродинамический профиль проходит радиально относительно стенки.
[0018] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка представляет собой моноблок и/или выполнена как единое целое; предпочтительно стенка содержит перегородку, образующую направляющую поверхность, причем перегородка и гнездо представляю собой моноблок и/или выполнены как единое целое.
[0019] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения неровности содержат закругленные поверхности.
[0020] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения неровности, образованные на лопатке, представляют собой выемки, которые предпочтительно являются искривленными.
[0021] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения скрепляющий слой содержит эластомер, при необходимости силикон.
[0022] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения одно или каждое кольцевое уплотнение приспособлено для взаимодействия с выступами ротора турбомашины.
[0023] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере одна или каждая неровность образует на своей приемной поверхности круглую или прямоугольную или многоугольную углубление.
[0024] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения место стыковки имеет несколько неровностей, расположенных друг за другом в аксиальном направлении и/или друг над другом в радиальном направлении, причем указанные неровности образованы, где необходимо, на одной и той же поверхности. Таким образом, место стыковки имеет несколько изменений по толщине, которые усиливают прилегание материала.
[0025] Другим предметом изобретения является компрессор турбомашины, в частности турбореактивного двигателя для воздушного судна, причем компрессор содержит внутренний бандаж с гнездами, кольцевой ряд лопаток, закрепленных в гнездах с помощью скрепляющих уплотнений, важной особенностью которого является то, что лопатки и/или гнезда содержат неровности, прилегающие к скрепляющим уплотнениям.
[0026] Другим предметом изобретения является компрессор осевой турбомашины, в частности компрессор низкого давления, причем компрессор содержит по меньшей мере один лопаточный узел, важной особенностью является то, что один или каждый лопаточный узел, выполнен в соответствии с настоящим изобретением, и предпочтительно компрессор содержит несколько лопаток, расположенных в одном или нескольких кольцевых рядах лопаток.
[0027] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка является общей с рядом лопаточных узлов, которые, например, следуют один за другим в одном и том же кольцевом ряду.
[0028] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка представляет собой бандаж или угловой сегмент бандажа, прикрепленный к ряду лопаток.
[0029] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка представляет собой внутренний бандаж или угловой сегмент внутреннего бандажа, прикрепленный к ряду лопаток одного и того же ряда.
[0030] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка представляет собой стенку из композиционного материала с органической матрицей и, где необходимо, с волокнами длиной менее 10 мм, предпочтительно менее 3 мм.
[0031] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка содержит внутреннюю поверхность и по меньшей мере одно кольцевое уплотнение, в частности по меньшей мере один слой истираемого материала, покрывающий указанную внутреннюю поверхность, причем кольцевое уплотнение, где необходимо, находится в контакте с несколькими гнездами или с каждым гнездом.
[0032] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка содержит кольцевое уплотнение, которое отстоит от гнезд в радиальном и/или аксиальном направлениях.
[0033] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка содержит профиль вращения с основанием, проходящим главным образом в аксиальном направлении, и два радиальных выступа, выступающих в радиальном направлении по направлению внутрь от находящихся выше по потоку и ниже по потоку концов основания; причем каждый внутренний радиальный конец выступа содержит кольцевое уплотнение, в частности истираемое уплотнение.
[0034] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения гнезда образуют по меньшей мере один кольцевой ряд гнезд, предпочтительно несколько кольцевых рядов гнезд.
[0035] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения часть лопатки, размещенная в гнезде, имеет среднюю хорду, наклоненную под углом, составляющим по меньшей мере 5° относительно оси вращения компрессора, предпочтительно по меньшей мере 10°. Следовательно, скрепляющее уплотнение работает на сжатие и ограничивает сдвиг.
[0036] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения гнездо является открытым на концах, лопатка проходит непосредственно сквозь гнездо и предпочтительно лопатка содержит две части одинаковой длины, расположенные по обе стороны от гнезда.
[0037] Следующим предметом изобретения является осевая турбомашина, в частности турбореактивный двигатель для воздушного судна, содержащая по меньшей мере один лопаточный узел, важной особенностью которой является то, что узел или каждый узел выполнен в соответствии с изобретением и предпочтительно турбомашина содержит компрессор, причем компрессор выполнен в соответствии с изобретением.
[0038] Вообще предпочтительные варианты осуществления каждого предмета изобретения применимы также для остальных предметов изобретения. Насколько возможно, каждый предмет изобретения может быть объединен с остальными предметами изобретения.
Предоставляемые преимущества
[0039] Изобретение обеспечивает возможность усиления фиксации между лопаткой и гнездом с помощью скрепляющего слоя, так как он использует прилегание материала. Скрепление обеспечивается прочностью слоя на сдвиг, в дополнение к его возможным адгезионным качествам. Та часть лопатки, в которой размещаются неровности, является искривленной, в результате чего ее неровности подвергаются воздействию по-разному распределенных сил сжатия – растяжения и сдвига. Любое повреждение в скрепляющем слое может быть более медленно развивающимся.
[0040] Изобретение обеспечивает возможность применения материалов, образующих блок материала, при необходимости с ослабленной адгезией. При необходимости осуществления замены лопатки или сегмента бандажа удаление скрепляющего слоя упрощено, так как он прилипает слабо. Термопластичный слой, таким образом, может быть удален путем термообработки, которая уменьшает или исключает необходимость в проведении операций физической и/или химической обработки. Возможно применение любого другого материала, плавящегося при температуре, которая ниже температуры плавления гнезд.
Краткое описание графических материалов
[0041] На фиг. 1 представлена осевая турбомашина, предлагаемая согласно изобретению.
[0042] На фиг. 2 представлена схема компрессора турбомашины, предлагаемого согласно изобретению.
[0043] На фиг. 3 показан вид сбоку лопаточного узла, предлагаемого согласно изобретению.
[0044] На фиг. 4 представлен вид лопаточного узла, предлагаемого согласно изобретению, в разрезе вдоль оси 4–4, показанной на фиг. 3.
Описание вариантов осуществления изобретения
[0045] В приведенном ниже описании термины «внутренний» и «наружный» касаются расположения относительно оси вращения осевой турбомашины. Аксиальное направление соответствует направлению вдоль оси вращения турбомашины.
[0046] Устройство осевой турбомашины в упрощенном виде показано на фиг. 1. В данном конкретном случае рассматривается двухконтурный турбореактивный двигатель, способный создавать тяговое усилие для приведения в движения воздушного судна. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую компрессорную ступень, так называемый компрессор 5 низкого давления, вторую компрессорную ступень, так называемый компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько турбинных степеней 10. Во время работы механическая мощность турбины 10, передаваемая через центральный вал к ротору 12, приводит в движение два компрессора 5 и 6. Последние содержат несколько рядов лопаток ротора, связанных с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг его оси 14 вращения, таким образом, обеспечивает возможность создания потока воздуха и постепенного сжатия последнего вплоть до входа камеры 8 сгорания. Скорость вращения, передаваемого к компрессорам, может быть повышена с помощью понижающей передачи.
[0047] Приточный вентилятор, упоминаемый по тексту описания изобретения как вентилятор 16, соединен с ротором 12 и создает поток воздуха, который разделяется на главный поток 18, проходящий через различные вышеупомянутые ступени турбомашины, и вспомогательный поток 20, проходящий через кольцевой канал (показанный частично) вдоль машины, который затем соединяется с главным потоком на выходе турбины. Вспомогательный поток может быть ускорен для создания реактивной тяги. Главный 18 и вспомогательный 20 потоки являются кольцевыми потоками и каналированы через кожух турбомашины. Для этого корпус имеет цилиндрические стенки или бандажи, которые могут быть внутренними и наружными.
[0048] На фиг. 2 представлен вид в разрезе компрессора для такой осевой турбомашины, как осевая турбомашина, изображенная на фиг. 1. Компрессор может представлять собой компрессор 5 низкого давления. Здесь видны часть вентилятора 16 и делительный носок 22 для разделения главного потока 18 и вспомогательного потока 20. Ротор 12 содержит несколько рядов лопаток 24 ротора, в данном случае три.
[0049] Компрессор 5 низкого давления содержит несколько наборов лопаток направляющего аппарата, в данном случае четыре набора, каждый из которых содержит по меньшей мере один венец лопаток 26 статора. Наборы лопаток направляющего аппарата связаны с вентилятором 16 или с рядом лопаток 24 ротора для обеспечения спрямления потока 18 воздуха, чтобы преобразовать скорость потока в статическое давление.
[0050] Лопатки 26 статора выступают по существу в радиальном направлении из наружного корпуса 28 и могут быть неподвижно закреплены к нему с помощью болтов. Они расположены на равном расстоянии друг от друга и имеют одинаковую угловую ориентацию в потоке 18. Предпочтительно лопатки одного и того же ряда являются одинаковыми. Каждая лопатка 26 статора имеет радиальный пакет аэродинамических секций, выполненных с возможностью отклонения главного потока.
[0051] По меньшей мере один или каждый набор лопаток направляющего аппарата может включать в себя стенку 30, в частности внутренний бандаж 30. Стенка 30 прикреплена к внутренним концам лопаток статора с помощью гнезд 32. По меньшей мере один или каждый бандаж может быть кольцевым или образованным из угловых сегментов. Стенка может быть образована из частей, каждая из которых соотносится с одной лопаткой статора, причем эти части могут представлять собой бандажные полки лопаток. Комбинация лопатки и стенки или, по меньшей мере, части стенки, может образовывать лопаточный узел 34. Турбомашина и/или компрессор 5 может содержать несколько лопаточных узлов 34, установленных соосно в один или несколько кольцевых ряда.
[0052] Стенка 30, поэтому, должна соединять несколько лопаток, так как она прикреплена к ним. Стенка 30 может содержать полимерный материал, в частности композиционный материал с органической матрицей. Композиционный материал может быть наполнен короткими волокнами, а именно волокнами со средней длиной менее 10 мм, предпочтительно менее 5 мм, более предпочтительно менее 2 мм. Стенка 30, конечно, может быть изготовлена из металла. Бандаж, а именно стенка 30, может быть формованным или изготовленным по аддитивной технологии для того, чтобы изготовить более сложные формы, например поднутрения в гнездах 32.
[0053] На фиг. 3 представлен вид сбоку лопаточного узла 34 компрессора, например компрессора, изображенного на фиг. 2.
[0054] Стенка 30 может содержать профиль вращения вокруг оси вращения турбомашины 14. Профиль может содержать основание 36, например центральное основание 36, которое соединено с лопаткой 26. Основание 36 проходит главным образом в аксиальном направлении и может быть расположено по существу наклонно относительно оси 14. Профиль может содержать также два радиальных выступа 38, один выше по потоку и один ниже по потоку. Каждый из них выступает от основания 36 по направлению к ротору 12, в частности по направлению к кольцевому ребру 40, называемому также выступом 40, ротора 12. Они могут удаляться друг от друга по направлению внутрь. Таким образом, основание 36 образует при вращении по существу трубчатую полосу, и выступы 38 вызывают образование радиальных фланцев. Эта конфигурация стенки 30 выглядит удлиненной в аксиальном направлении.
[0055] Стенка 30 может содержать поверхность 42 для направления и/или ограничения кольцевого потока 18 турбомашины. Эта поверхность 42, например наружная поверхность, может быть вообще трубчатой или иметь форму дуги окружности. Она расположена между гнездом 32 и аэродинамическим профилем лопатки 26. Аэродинамический профиль является той частью лопатки 26, которая предназначена для выступания в радиальном направлении в поток 18, и он образует в радиальном направлении большую часть лопатки 26.
[0056] По меньшей мере одна или каждая стенка 30 может поддерживать динамическое уплотнительное устройство 44, которое окружает ротор 12. По меньшей мере одно или каждое уплотнительное устройство 44 может содержать один или несколько кольцевых уплотняющих слоев 46, которые взаимодействуют с наружной поверхностью ротора 12, в частности с его выступами 40. Уплотняющий слой 46 может быть изготовлен из истираемого материала, а именно крошащегося материала, который размельчается в порошок в случае контакта с выступами 40. Таким образом, уплотнительное устройство 44 может входить в соприкосновение с ротором 12 не вызывая его повреждение; поэтому оно может быть рассчитано на максимально возможное приближение к ротору 12, тем самым обеспечивая возможность оптимизации динамического уплотнения. По меньшей мере один или каждый уплотняющий слой 46 может быть размещен на одном из радиальных выступов 38 профиля стенки 30. Такая конфигурация, к тому же известна из документа EP2801702 A1.
[0057] Согласно варианту изобретения, уплотнение содержит слой, заполняющий кольцевое пространство между основанием 36 и выступами 38 стенки 30. Этот слой, например истираемый слой, может контактировать с гнездами 32 и, где необходимо, перекрывать их отверстие. Уплотнение может контактировать также с каждым скрепляющим слоем.
[0058] Стенка 30 соединена с лопаткой 26 посредством ее гнезда 32, установленной, например, на основании 36. Каждая лопатка 26 ряда или каждого ряда, таким образом, может быть прикреплена к стенке 30 компрессора. Для улучшения закрепления и, где необходимо, уплотнения место стыковки между лопаткой и гнездом закупорено скрепляющим слоем. Дополнительное улучшение удержания обеспечивается с помощью неровностей 48 в месте стыковки лопатка-гнездо, причем указанные неровности 48 могут быть распределены в месте стыковки в радиальном и аксиальном направлениях.
[0059] Согласно изобретению лопаточный узел 34 может быть образован на любых лопатках турбомашины, представленной на фиг 1. Лопаточный узел 34 описан здесь как часть статора, но он может быть также частью ротора. Здесь представлен только один конец лопатки 26. Однако возможно также соединение двух концов лопатки с помощью гнезд на двух стенках, таких как наружный корпус и внутренний бандаж, при этом каждое из мест стыковки имеет неровности и скрепляющие слои. Возможны скрепления смешанного типа, равно как и смешанные ряды лопаток.
[0060] На фиг. 4 представлен вид лопаточного узла 34 в разрезе вдоль оси 4–4, показанной на фиг. 3. Скрепляющий слой 50 отделяет гнездо 32 от конца лопатки 26 статора.
[0061] Гнездо 32 образует гильзу, окружающую конец лопатки 26. Она может образовывать герметизированный непрерывный канал. Таким образом, она может вмещать скрепляющий слой 50, например в пастообразной или жидкотекучей форме. Профиль внутренней поверхности получен исходя из профиля лопатки 26 и он содержит сторону 52, например сторону давления, которая является куполообразной для более надежного сохранения соединения лопатки с гнездом.
[0062] Неровности 48 распределены по корыту 54 и по спинке 56 лопатки 26. Первое может быть криволинейным и вогнутым. Вторая может быть куполообразной и выпуклой. Неровности могут быть образованы также на внутренней поверхности гнезда 32, в данном случае той поверхности, которая окружает конец лопатки 26 и обращена к нему. Некоторые неровности 48 лопатки 26 могут быть расположены напротив неровностей гнезда 32, что позволяет сделать скрепляющий слой 50 в некоторых местах более тонким, а в других местах более толстым для образования более прочных масс материала. Скрепляющий слой плотно охватывает лопатку и гнездо и, в частности, неровности.
[0063] Неровности 48 распределены в аксиальном направлении по поверхностям лопаток 26 и гнезда 32. Они могут образовывать уступы и выемки. Неровности 48 плотно охватывают скрепляющий слой и наоборот, так что обеспечивается фиксация за счет прилегания материала. Они образуют изменения толщины на скрепляющем слое 50. Они могут образовывать также бобышки или зубцы, выступающие на их соответствующей имплантационной поверхности (54; 56).
[0064] Скрепляющий слой 50 окружает лопатку 26, зажимает ее по периметру непрерывным образом и позволяет сохранять зазор между лопаткой 26 и ее гнездом 32, например для препятствования их взаимному контакту, чтобы изолировать их. В частности, скрепляющий слой 50 охватывает переднюю кромку 58 и выступ задней кромки 60. Скрепляющий слой 50 может представлять собой полимерный материал, препятствующий выступанию острой выступающей части передней кромки 58 и задней кромки 60. Таким образом, скрепляющий слой 50 распределяет механические напряжения от кромок (58; 60) по направлению к гнезду, чтобы предохранить его.
[0065] Скрепляющий слой 50 может представлять собой связующий слой 50. Он может представлять собой материал, который нанесен в пастообразной форме и который затем затвердевает, обеспечивая закрепление лопатки 26 в гнезде 32. Скрепляющий слой 50 может также формировать уплотнение на протяжении канала, ограниченного гнездом 32. Он может представлять собой эластомер, такой как силикон.