СТАТОРНАЯ ОБЛОПАЧЕННАЯ КОНСТРУКЦИЯ И ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
STATOR PLATED DESIGN AND TURBOFAN ENGINE USING IT

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к статорной облопаченной конструкции, которая соединяет боковую часть корпуса двигателя и кожух вентилятора турбовентиляторного двигателя, например, для самолета.
Уровень техники
[0002] Указанный выше турбовентиляторный двигатель обычно снабжен роторными лопастями, которые вводят воздух в боковой корпус двигателя, и статорными лопатками, которые спрямляют поток воздуха, вводимого роторными лопастями. Статорные лопатки могут быть предназначены лишь для выполнения функции спрямления, или же могут быть предназначены для выполнения структурной функции, с целью соединения рамы вентилятора, которая образует корпус двигателя, и кожуха вентилятора, дополнительно к функции спрямления потока.
[0003] Такое множество статорных лопаток предусмотрено смежно друг другу в окружном направлении, и на концевых частях соответствующих статорных лопаток образованы бандажи, проходящие в окружном направлении, так что бандажи соответствующих статорных лопаток примыкают друг к другу.
[0004] В случае статорных лопаток турбины, горячий газ проходит в канале, образованном с помощью статорных лопаток и бандажей. Если имеется часть, где горячий газ ударяется по существу перпендикулярно концевым поверхностям, где бандажи примыкают друг к другу, то в такой части может вызываться коррозия за счет высокотемпературного окисления.
[0005] Вследствие этого была разработана конфигурация, в которой концевые поверхности в соединительной части между бандажами имеют форму вдоль линии потока горячего газа, которая задается с помощью направляющих лопаток, так что часть, где горячий газ соударяется в перпендикулярном направлении с концевой поверхностью бандажа на спинке направляющей лопатки, уменьшена, с целью уменьшения части, подвергаемой высокотемпературной коррозии (смотри патентный документ 1).
Документ уровня техники
Патентный документ
[0006] Патентный документ 1: опубликованная заявка на патент JP № 2004-92612.
Раскрытие изобретения
Проблемы, подлежащие решению с помощью изобретения
[0007] Указанная в патентном документе 1 турбинная статорная лопатка предназначена для спрямления потока горячего газа и выполнена из одного материала. Для этого обе концевые части такой статорной лопатки образованы интегрально с бандажами. В противоположность этому, статорная лопатка может быть разделена на секцию лопатки, требующую достаточной жесткости и прочности, и секции бандажа, не требующие высокой жесткости и прочности, с использованием различных материалов, с целью обеспечения экономии веса и снижения стоимости. В частности, для статорной лопатки, от которой требуется также выполнение структурной функции в дополнение к функции спрямления потока, например, если выходная направляющая лопатка вентилятора должна выполнять структурную функцию, то секция лопатки должна иметь жесткость и прочность в качестве структуры, дополнительно к аэродинамической нагрузке. Таким образом, экономия веса и снижение стоимости являются особенно важными.
[0008] Вследствие этого, вместо бандажей как в патентном документе 1, разработана конфигурация с отдельными вкладышами (обтекателями), предусмотренными между соответствующими статорными лопатками, для образования воздушного канала. Такие вкладыши предусмотрены с примыканием друг к другу для зажимания между ними статорной лопатки со стороны спинки и со стороны корыта, и с образованием тем самым разделительных линий, образованных на входной кромке и на выходной кромке статорной лопатки.
[0009] Однако, в частности, поскольку сторона входной кромки статорной лопатки является важной с точки зрения аэродинамики, то зазор или разница в уровне на стороне входной кромки статорной лопатки может вызывать завихрение, которое приводит к проблеме потери давления.
[0010] Предлагается по меньшей мере один вариант выполнения данного изобретения для решения этой проблемы, и задачей данного изобретения является создание статорной облопаченной конструкции, которая может исключать потерю давления, вызванное зазором или разницей уровня между вкладышами, с одновременным образованием воздушного канала с помощью статорных лопаток и вкладышей в турбовентиляторном двигателе, и создание турбовентиляторного двигателя с использованием этой статорной облопаченной конструкции.
Средства для решения проблемы
[0011] Для достижения указанной выше цели, статорная облопаченная конструкция, согласно по меньшей мере одному варианту выполнения данного изобретения, включает кожух вентилятора турбовентиляторного двигателя; корпус турбовентиляторного двигателя; множество статорных лопаток, которые соединяют кожух вентилятора и корпус двигателя; и множество вкладышей, которые образуют поверхность канала между концевыми частями статорных лопаток, которые расположены смежно друг другу, при этом вкладыши, которые расположены смежно друг другу, примыкают друг к друга с зажиманием между ними статорной лопатки, и линия раздела, которая образована между вкладышами на стороне входной кромки статорной лопатки, проходит вдоль направления прохождения потока.
Преимущества изобретения
[0012] Согласно по меньшей мере одному варианту выполнения данного изобретения с указанными выше мерами, можно подавлять потерю давления, вызванную зазором или разницей уровня между вкладышами, поскольку воздушный канал образуется с помощью статорных лопаток, выполненных из композитного материала, и вкладышей.
Краткое описание чертежей
[0013] На чертежах изображено:
фиг. 1 - частичный разрез передней верхней части турбовентиляторного двигателя с использованием статорной облопаченной конструкции, согласно варианту выполнения данного изобретения;
фиг. 2 - выходная направляющая лопатка вентилятора, в изометрической проекции;
фиг. 3А - базовая часть выходной направляющей лопатки вентилятора на фиг. 2, в увеличенном масштабе в изометрической проекции;
фиг. 3В - концевая часть выходной направляющей лопатки вентилятора на фиг. 2, в увеличенном масштабе в изометрической проекции;
фиг. 4А - концевая часть выходной направляющей лопатки вентилятора, в разнесенной изометрической проекции;
фиг. 4В - разрез по линии А-А на фиг. 3В.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[0014] Ниже приводится описание варианта выполнения данного изобретения со ссылками на чертежи.
[0015] На фиг. 1 показан вариант выполнения статорной облопаченной конструкции, согласно данному изобретению. Описание этого варианта выполнения дано на примере выходных направляющих лопаток вентилятора в качестве статорных лопаток, составлющих турбовентиляторный двигатель.
[0016] Как показано на фиг. 1, в турбовентиляторном двигателе 1 (называемым в последующем просто двигателем 1), образован кольцевой центральный канал 4 в осевом направлении внутреннего цилиндра 3 двигателя в корпусе 2 двигателя, в то время как обходной канал 6 (воздушный канал) образован между внутренней периферийной поверхностью кожуха 5 вентилятора, т.е. наружным корпусом 2 двигателя, и наружной периферийной поверхностью внутреннего цилиндра 3 двигателя.
[0017] В передней части этого двигателя 1, которая является верхней стороной (левая сторона на фигуре) воздушного потока, установлен вентиляторный диск 7 с возможностью вращения вокруг центральной оси (не изображена) двигателя с помощью подшипника 8. Этот вентиляторный диск 7 интегрально соединен с турбинным ротором в турбине низкого давления (не изображена), расположенной в задней части двигателя 1, которая является нижней стороной (правая сторона на фигуре) воздушного потока.
[0013] Кроме того, на наружной периферийной поверхности этого вентиляторного диска 7 равномерно распределено множество роторных лопастей 10 в окружном направлении с помощью посадочных канавок 7а, и в передней и задней частях между каждой роторной лопастью 10 и каждой посадочной канавкой 7а расположены распорки 11. На передней части и на задней части вентиляторного диска 7 установлены интегрально в окружном направлении кольцевые держатели 12, 13, которые удерживают роторные лопасти 10. Держатель 12 на передней части соединен интегрально с носовым конусом 14, в то время как держатель 13 на задней части соединен коаксиально и интегрально с ротором 16 в компрессоре 15 низкого давления вблизи нижней по потоку стороны вентиляторного диска 7.
[0019] При работе двигателя 1 множество роторных лопастей 10 вращаются вместе с вентиляторным диском 7 для ввода воздуха в центральный канал 4 и в обходной канал 6.
[0020] Этот двигатель 1 снабжен множеством выходных направляющих лопаток 20 вентилятора внутри обходного канала 6. Множество выходных направляющих лопаток 20 вентилятора расположено вокруг внутреннего цилиндра 3 двигателя, с целью спрямления вихревого воздушного потока, проходящего в обходном канале 6. Для этого используется выходная направляющая лопатка 20 вентилятора из металлического материала, такого как титановый сплав или алюминиевый сплав, или из композитного материала, с комбинацией из термореактивной смолы или термопластичной смолы и углеродного волокна или стекловолокна, при этом на этой фигуре показан случай использования композитного материала для статорной лопатки.
[0021] Базовая часть 21 лопатки на стороне центральной оси (внутренней стороне) этой выходной направляющей лопатки 20 вентилятора соединена с установочными фланцами 31а, 31а рамы 31 вентилятора, расположенной на внутреннем цилиндре 3 двигателя, с помощью соединительного опорного элемента 30. Кроме того, концевая часть 22 лопатки на противоположной центральной оси стороне (наружной стороне) выходной направляющей лопатки 20 вентилятора соединена с установочными фланцами 5а, 5а, расположенными на кожухе 5 вентилятора, с помощью соединительного опорного элемента 32.
[0022] Кроме того, на поверхности части входной кромки выходной направляющей лопатки 20 предусмотрена обшивка 23, которая является металлической, для предотвращения эрозии, с целью предотвращения статорной лопатки от износа за счет столкновения с объектами или т.п. Обшивка 23 является например, пластинчатым материалом из титанового сплава и прикреплена для закрывания конца входной кромки выходной направляющей лопатки 20 вентилятора.
[0023] На фиг. 2 показана полностью в изометрической проекции выходная направляющая лопатка 20 вентилятора, на фиг. 3а показана в изометрической проекции в увеличенном масштабе базовая часть 21 выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, и на фиг. 3В показана в изометрической проекции в увеличенном масштабе концевая часть 22 выходной направляющей лопатки 20 вентилятора. Ниже приводится подробное описание структуры вкладышей выходной направляющей лопатки 20 вентилятора со ссылками на эти фигуры.
[0024] В то время как на фиг. 2 показана одна выходная направляющая лопатка 20 вентилятора, каждая из множества выходных направляющих лопаток 20 вентилятора снабжена внутренним вкладышем 40, проходящим в окружном направлении между выходными направляющими лопатками 20 вентилятора у базовой части 21 лопатки, и снабжена наружным вкладышем 50, проходящим в окружном направлении между выходными направляющими лопатками 20 вентилятора, расположенными смежно друг другу, у концевой части 22 лопатки. Каждый из внутренних вкладышей 40 составляет часть внутреннего цилиндра 3 двигателя, и каждый из наружных вкладышей 50 составляет часть кожуха 5 вентилятора. Другими словами, внутренние вкладыши 40 и наружные вкладыши 50 образуют части поверхности обходного канала 6.
[0025] В частности, как показано на фиг. 3А, у базовой части 21 выходной направляющей лопатки 20 вентилятора пара внутренних вкладышей 40, 40 примыкают друг к другу для зажимания между ними выходной направляющей лопатки 20 вентилятора в направлении толщины лопатки. Внутренний вкладыш 40 имеет приблизительно прямоугольную форму, имеющую четыре стороны: переднюю сторону 41 на верхней по потоку воздуха стороне, заднюю сторону 42 на нижней по потоку стороне, сторону 43 корыта в контакте с корытом выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, и сторону 44 спинки в контакте со спинкой выходной направляющей лопатки 20 вентилятора. Сторона 43 корыта и сторона 44 спинки состоят из примыкающих частей 43а, 44а, примыкающих к выходной направляющей лопатке 20 вентилятора, при этом части 43b, 44b на стороне входной кромки расположены ближе к стороне входной кромки, чем выходная направляющая лопатка 20 вентилятора, и части 43с, 44с на стороне выходной кромки расположены ближе к стороне выходной кромки, чем выходная направляющая лопатка 20 вентилятора, соответственно.
[0026] Примыкающая часть 44а на стороне 44 спинки имеет изогнутую форму вдоль формы поверхности спинки выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, в которой сторона входной кромки окружает входную кромку выходной направляющей лопатки 20 вентилятора с небольшим охватом вокруг корыта. Другая примыкающая часть 43а на стороне 43 корыта изгибается вдоль формы поверхности корыта выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, за исключением части, которую охватывает примыкающая часть 44а на стороне 44 спинки.
[0027] Таким образом, в состоянии, когда пара внутренних вкладышей 40, 40 примыкают друг к другу с зажиманием между ними выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, то обе части 43b, 44b на стороне 43 корыта и на стороне 44 спинки примыкают друг к другу с образованием разделительной линии 45 на стороне входной кромки, и обе части 43с, 44с на стороне выходной кромки примыкают друг к другу с образованием разделительной линии 46 на стороне выходной кромки. Разделительная линия 45 на стороне входной кромки проходит до передней стороны 41 из положения, смещенного от входной кромки к корыту выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, параллельно линии, образованной линией хорды выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, которая проходит к стороне входной кромки, т.е. вдоль направления потока. Что касается величины смещения этой разделительной линии 45 на стороне входной кромки от входной кромки до корыта выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, то пересечение между расположенной на стороне входной кромки разделительной линией 45 и поверхностью выходной направляющей лопатки 20 вентилятора больше или равно 1,0% или меньше или равно 10,0% длины хорды лопатки. Расположенная на стороне выходной кромки разделительная линия 46 проходит к задней стороне 42 от выходной кромки выходной направляющей лопатки 20 вентилятора вдоль линии, образованной линией хорды выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, которая проходит к стороне выходной кромки, т.е. вдоль направления прохождения потока.
[0028] Кроме того, на фиг. 3а и фиг. 3b, на которых показана концевая часть 22 выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, показан также соединительный опорный элемент 32 и т.п. Концевая часть 22 выходной направляющей лопатки 20 вентилятора удерживается с двух сторон в направлении толщины лопатки с помощью пары противоположных стенок 32а, 32b, которые являются частями соединительного опорного элемента 32. Эти противоположные стенки 32а, 32b соединены с концевой частью 22 лопатки в нескольких точках (четырех точках на фиг. 3В) с помощью болтов и гаек. Соединительный опорный элемент 32, включающий эти противоположные стенки 32а, 32b, выполнен из металла, такого как алюминиевый сплав или титановый сплав, и соединен с кожухом 5 вентилятора через установочные фланцы 5а, 5а. Следует отметить, что хотя соединительный опорный элемент 32 и т.п. не показаны на базовой части 21 выходной направляющей лопатки 20 вентилятора на фиг. 3А, концевая часть 22 лопатки также удерживается с помощью противоположных стенок соединительного опорного элемента 30, аналогично базовой части 21 лопатки.
[0029] Кроме того, как показано на фиг. 3В, у концевой части выходной направляющей лопатки 20 вентилятора примыкают друг к другу пара наружных вкладышей 50, 50 для зажимания между ними выходной направляющей лопатки 20 вентилятора с направления толщины лопатки на стороне, более внутренней, чем противоположные стенки 30а, 30b. Наружный вкладыш 50, аналогично внутреннему вкладышу 40, имеет приблизительно прямоугольную форму, состоящую из передней стороны 51, задней стороны 52, стороны 53 корыта и стороны 54 спинки. Сторона 53 корыта и сторона 54 спинки состоят из примыкающих друг к другу частей 53а, 54а, расположенных на стороне входной кромки частей 53b, 54b и расположенных на стороне выходной кромки частей 53с, 54с, соответственно.
[0030] Примыкающая часть 54а на стороне 54 спинки наружного вкладыша 50 также имеет изогнутую форму вдоль формы поверхности спинки выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, при этом сторона входной кромки окружает входную кромку выходной направляющей лопатки 20 вентилятора с легким охватом корыта. Наружная примыкающая часть 53а на стороне 53 корыта изгибается вдоль формы поверхности корыта выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, за исключением части, где примыкающая часть 54а стороны 54 спинки проходит с частичным охватом.
[0031] Кроме того, в состоянии, когда пара наружных вкладышей 50, 50 примыкают друг к другу с зажиманием между ними выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, то обе расположенные на стороне входной кромки части 53b, 54b на стороне 53 корыта и на стороне 54 спинки примыкают друг к другу с образованием разделительной линии 55 на стороне входной кромки, и обе расположенные на стороне выходной кромки части 53с, 54с примыкают друг к другу с образованием разделительной линии 56 на стороне выходной кромки. Разделительная линия 55 на стороне входной кромки проходит к передним сторонам 51 из положения, смещенного от входной кромки к корыту выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, параллельно линии, образованной линией хорды выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, которая проходит к стороне входной кромки, т.е. вдоль направления прохождения потока. Разделительная линия 56 на стороне выходной кромки проходит к задним сторонам 52 от выходной кромки выходной направляющей лопатки 20 вентилятора вдоль линии, образованной линией хорды выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, которая проходит к расположенной на стороне выходной кромки стороне, т.е. вдоль направления прохождения потока.
[0032] Кроме того, на фиг. 4А показана в разнесенной изометрической проекции концевая часть лопатки, а на фиг. 4В показан разрез по линии А-А на фиг. 3В.
[0032] Как показано подробно в разнесенной изометрической проекции на фиг. 4А, резиновые валики 57а, 57b установлены на краевых частях примыкающих частей 53а, 54а на стороне 53 корыта и на стороне 54 спинки наружного вкладыша 50, соответственно, и трубчатые уплотнения 58а, 58b установлены на наружных краевых частях примыкающих частей 53а, 54а на стороне 53 корыта и на стороне 54 спинки.
[0034] Резиновые валики 57а, 57b и трубчатые уплотнения 58а, 58b выполнены из эластичного материала, такого как резина, и закреплены на наружном вкладыше 50, например, с помощью клея или т.п. Таким образом, как показано на фиг. 4В, резиновые валики 57а, 57b проходят к выходной направляющей лопатке 20 вентилятора для заполнения зазора между вкладышем и выходной направляющей лопаткой 20 вентилятора. Кроме того, трубчатые уплотнения 58а, 58b предусмотрены на наружной поверхности наружного вкладыша для заполнения зазора между ним и противоположными стенками 32а, 32b соединительного опорного элемента 32. Следует отметить, что хотя это и не изображено, резиновые валики и трубчатые уплотнения также предусмотрены на внутреннем вкладыше 40, аналогично наружному вкладышу 50.
[0035] Таким образом, у внутренних вкладышей 40 и у наружных вкладышей 50, которые образуют обходной канал 6, поскольку разделительные линии 45, 55 на стороне входной кромки параллельны линии хорды выходной направляющей лопатки 20 вентилятора и проходят вдоль направления прохождения потока, то воздух, проходящий в обходном канале 6, проходит через него без пересечения этих разделительных линий 45, 55 на стороне входной кромки. Дополнительно к этому, поскольку разделительные линии 46, 56 на стороне выходной кромки также проходят вдоль линии хорды выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, то воздух, проходящий в обходном канале 6, проходит через него без пересечения этих разделительных линий 46, 56 на стороне выходной кромки. В соответствии с этим, если даже образован зазор или разница уровней на разделительных линиях 45, 55 на стороне входной кромки и на разделительных линиях 46, 56 на стороне выходной кромки, то возникновение вихря может быть подавлено, и может быть уменьшена потеря давления.
[0036] В частности, разделительные линии 45, 55 на стороне входной кромки смещены от входной кромки к корыту выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, и примыкающие части 44а, 54а на сторонах 44, 54 спинки внутреннего вкладыша 40 и наружного вкладыша 50 окружают входную кромку выходной направляющей лопатки 20 вентилятора. Таким образом, разделительные линии не существуют у входной кромки выходной направляющей лопатки 20 вентилятора, которые оказывают значительное влияние на аэродинамику, и тем самым может быть минимизирована потеря давления или т.п.
[0037] Кроме того, внутренний вкладыш 40 и наружный вкладыш 50 установлены на выходной направляющей лопатке 20 вентилятора через резиновые валики 57а, 57b, и установлены на противоположных стенках 32а, 32b соединительного опорного элемента 30, 32 через трубчатые уплотнения 58а, 58b, соответственно. Таким образом, воздух не выходит из зазоров, и может быть более надежно уменьшена потеря давления.
[0038] Хотя описание данного варианта выполнения заканчивается здесь, данное изобретение не ограничивается им.
[0039] Например, хотя выходная направляющая лопатка 20 вентилятора предусмотрена в указанном выше варианте выполнения в обходном канале турбовентиляторного двигателя 1, выходная направляющая лопатка 20 вентилятора может относиться к статорным лопаткам, предусмотренным в других положениях в турбовентиляторном двигателе.
(Аспекты данного изобретения)
[0040] Первый аспект данного изобретения включает кожух вентилятора турбовентиляторного двигателя; корпус турбовентиляторного двигателя; множество статорных лопаток, которые соединяют кожух вентилятора и корпус двигателя; и множество вкладышей, которые образуют поверхность канала между концевыми частями статорных лопаток, которые расположены смежно друг другу, при этом расположенные смежно друг другу вкладыши примыкают друг к другу с зажиманием между ними статорной лопатки, и разделительная линия, которая образована между вкладышами на стороне входной кромки статорной лопатки проходит в направлении прохождения потока.
[0041] Согласно второму аспекту данного изобретения, разделительная линия между вкладышами проходит к передним сторонам вкладышей из положения, смещенного от входной кромки к корыту статорной лопатки, согласно первому аспекту.
[0042] Согласно третьему аспекту данного изобретения, величина смещения разделительной линии между вкладышами от входной кромки к корыту статорной лопатки больше или равна 1,0% и меньше или равна 10,0% длины хорды статорной лопатки, согласно второму аспекту.
[0043] В турбовентиляторном двигателе, согласно четвертому аспекту изобретения, статорная облопаченная конструкция, согласно любому из аспектов 1-3, используется в качестве статорной облопаченной конструкции, составляющей турбовентиляторный двигатель.
Список ссылочных позиций
[0044]
1 Турбовентиляторный двигатель
2 Корпус двигателя
3 Внутренний цилиндр двигателя
5 Кожух вентилятора
5а Установочный фланец
6 Обходной канал
10 Роторная лопасть
20 Выходная направляющая лопатка вентилятора (статорная лопатка)
21 Базовая часть лопатки
22 Концевая часть лопатки
23 Обшивка
30,32 Соединительный опорный элемент
40 Внутренний вкладыш
41,51 Передняя сторона
42,52 Задняя сторона
43,53 Сторона корыта
43а,44а,53а,54а Примыкающая часть
43b,44b,53b,54b Часть на стороне входной кромки
43с,44с,53с,54с Часть на стороне выходной кромки
44,54 Сторона спинки
45,55 Разделительная линия на стороне входной кромки
46,56 Разделительная линия на стороне выходной кромки
50 Наружный вкладыш
57а,57b Резиновый валик
58а,58b Трубчатое уплотнение