РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБИНЫ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TURBINE IMPELLER AND GAS-TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится по существу к облопаченным рабочим колесам газовых турбин и, более конкретно, к осевому удержанию лопаток относительно оси колеса. Конкретной областью применения настоящего изобретения является авиационные газовые турбины и промышленные газовые турбины.
Обычное рабочее колесо турбины имеет ось вращения и содержит: диск, имеющий периферию и боковую грань; множество лопаток, собранных на диске, при этом каждая лопатка имеет хвостовик лопатки и первый крюк, выступающий от нее в осевом направлении, при этом первый крюк ориентирован радиально и определяет первую канавку, открытую радиально в сторону оси вращения рабочего колеса турбины; при этом диск содержит серию вторых крюков, выступающих в осевом направлении от его боковой грани на той же стороне, что и первые крюки, при этом каждый второй крюк ориентирован радиально и определяет вторую канавку, открытую радиально в сторону оси вращения рабочего колеса турбины; и осевое стопорное кольцо, содержащее по меньшей мере один язычок и выполненное с возможностью размещения в первой канавке и во второй канавке для удержания лопаток в осевом направлении относительно диска.
В известных рабочих колесах турбин, например, как описано в FR 2729709, кольцо имеет язычок, поворот которого между разными участками колеса турбины предотвращается так, чтобы обеспечить безопасность сборки кольца и удерживать лопатки на диске.
Целью настоящего изобретения является создание альтернативы известным конструкциям для сборки рабочих колес турбин.
Эта цель достигается тем, что в рабочем колесе турбины вышеописанного типа язычок выполнен с возможностью установки между двумя соседними хвостовиками лопаток так, чтобы ограничивать перемещение кольца по азимуту.
Объектом изобретения является рабочее колесо турбины, имеющее ось вращения и содержащее:
- диск, имеющий периферию и боковую грань;
- множество лопаток, собранных на диске, при этом каждая лопатка имеет хвостовик лопатки и первый крюк, выступающий от него в осевом направлении, при этом первый крюк ориентирован радиально и определяет первую канавку, открытую радиально в направлении оси вращения рабочего колеса турбины;
- при этом диск содержит последовательность вторых крюков, выступающих в осевом направлении от его боковой грани, на той же стороне, что и первые крюки, и каждый второй крюк ориентирован радиально и определяет вторую канавку, открытую радиально в направлении оси вращения рабочего колеса турбины, и
- осевое стопорное кольцо, содержащее по меньшей мере один язычок и выполненное с возможностью установки в первой канавке и во второй канавке для удержания лопаток в осевом направлении относительно диска,
причем упомянутое рабочее колесо турбины отличается тем, что язычок выполнен с возможностью размещения между двумя хвостовиками соседних лопаток для ограничения движения кольца по азимуту. Термин ″хвостовик″ применяется для обозначения той части лопатки, которая расположена в основании лопатки для установки лопатки на диске. Следует отметить, что ниже термины ″колесо″ и ″рабочее колесо турбины″ являются взаимозаменяемыми и обозначают один и тот же узел. Таким образом, следует понимать, что в собранном состоянии движение язычка по азимуту ограничивается двумя соседними хвостовиками лопаток. Для этого язычок может упираться в один или другой из двух хвостовиков лопаток. Следовательно, движение кольца по азимуту ограничено.
Язычок расположен в пространстве, которое простирается между двумя соседними хвостовиками лопаток так, что не требуется никакой специальной обработки, в частности, для создания пространства для приема язычка. Таким образом, появляется возможность устанавливать на диск набор лопаток с идентичными хвостовиками. Кроме того, все лопатки могут быть идентичными, что облегчает сборку колеса. Оператору не требуется обращать особое внимание на установку лопатки с особой формой хвостовика относительно язычка.
Таким образом, движение кольца по азимуту равно самое большее длине по азимуту пространства, имеющегося между двумя соседними хвостовиками, минус длина по азимуту язычка. Когда язычок проходит по основной доле имеющейся длины по азимуту, полезно обеспечить кольцу возможность совершать ненулевые максимальные перемещения по азимуту, в частности, для облегчения сборки и компенсации различных коэффициентов теплового расширения. Следует отметить, что первые канавки определены между первыми крюками и хвостовиками лопаток, а вторые канавки определены между вторыми крюками и диском. Кольцо движется по азимуту в первых и вторых канавках.
Кроме того, следует отметить, что расположение язычка между двумя хвостовиками лопаток позволяет избежать какой-либо конкретной обработки этого язычка, в частности для того, чтобы его можно было вставить между двумя хвостовиками лопаток. Кроме того, такое расположение между двумя хвостовиками лопаток позволяет вставлять язычок между любой парой хвостовиков лопаток. Поэтому для язычка нет предпочтительного азимутального положения относительно диска или относительно хвостовиков лопаток. Следовательно, кольцо можно устанавливать во множестве азимутальных положений, что делает этот диск универсальным. Таким образом, в отличие от устройств по прототипу рабочее колесо турбины по настоящему изобретению не ограничивается установкой язычка и, следовательно, одним положением кольца относительно рабочего колеса турбины.
Преимущественно язычок выступает в осевом направлении из осевой грани кольца.
Термин ″осевая грань″ кольца используется для обозначения той грани кольца, которая перпендикулярна оси вращения турбины. Другими словами, осевая грань кольца - это грань, которая по существу параллельна боковой грани диска. В собранном положении язычок предпочтительно выступает в осевом направлении от боковой грани диска.
Преимущественно язычок установлен на внутреннем кольцевом участке кольца.
Считая, что диск имеет внешнюю периферийную кромку и внутреннюю периферийную кромку вместе со средней геометрической линией, проходящей параллельно между внутренней и внешней периферийными кромками, внутренней кольцевой частью кольца считается часть кольца, определенная внутренней периферийной кромкой и средней линией кольца, тогда как внешней периферийной частью кольца считается часть кольца, определенная внешней периферийной кромкой и средней линией кольца. Таким образом, понятно, что язычок отходит в радиальном направлении от осевой грани кольца между внутренней периферийной кромкой и средней линией кольца.
Предпочтительно язычок выполнен с возможностью установки межу первыми крюками двух соседних хвостовиков лопаток.
Таким образом, язычок выполнен с возможностью взаимодействия с первыми крюками хвостовиков лопаток для ограничения движения кольца по азимуту. Таким образом, понятно, что азимутальное пространство, в которое входит язычок, определяется по азимуту первыми крюками. Поэтому первые крюки являются для язычка зонами упора.
Преимущественно язычок предназначен для установки радиально совмещенным с одним из вторых крюков.
Понятно, что один из вторых крюков расположен в азимутальном пространстве, имеющемся между двумя соседними хвостовиками лопаток. Этот второй крюк и язычок расположены по существу на одном радиусе колеса. Второй крюк расположен радиально дальше от оси вращения колеса, чем язычок. Таким образом, второй крюк ориентирован в направлении язычка.
Предпочтительно минимальное расстояние между язычком и внешней периферийной кромкой кольца больше, чем глубина одной из вторых канавок.
Поэтому, если язычок совмещен со вторым крюком, внешняя кромка кольца подходит для вхождения в контакт с дном второй канавки, например, под действием центробежных сил во время вращения турбины, но без какого-либо риска, что язычок будет взаимодействовать со вторым крюком. Это позволяет предотвратить появления радиальных механических напряжений на язычке, когда такие напряжения не служат для ограничения движения кольца по азимуту. Это позволяет увеличить срок службы кольца. Кроме того, также ограничены механические напряжения при изгибе на втором крюке, который совмещен с язычком, за счет устранения какого-либо контакта между язычком и вторым крюком. В результате, взаимодействие кольца идентично в каждой из вторых канавок диска независимо от наличия язычка.
Преимущественно первый крюк каждой лопатки выступает радиально от хвостовика этой лопатки.
Такая конструкция первого крюка облегчает изготовление первых крюков, первые канавки которых расположены непрерывно по азимуту со вторыми канавками диска. Таким образом, когда лопатки собраны на диске, первые крюки выступают в осевом направлении от плоскости, определенной боковой гранью диска.
Предпочтительно хвостовик каждой лопатки находится в зацеплении с гнездом, которое открыто наружу в периферию диска, при этом гнезда разделены зубьями, при этом каждый второй крюк выступает из одного из зубьев.
Следует понимать, что на периферии диска зубья чередуются с хвостовиками лопаток и что первые крюки чередуются со вторыми крюками. Таким образом, проходящая по окружности канавка, принимающая кольцо, образована чередующейся последовательностью первых и вторых канавок. Следует отметить, что проходящая по окружности канавка необязательно должна быть непрерывной и между первыми и вторыми канавками могут иметься зазоры. Такая конструкция канавки позволяет равномерно распределить силы, удерживающие лопатки, по всей периферии диска. Это также позволяет лучше удерживать кольцо и избегать динамических эффектов, которые вредны для конструкции, например вибраций.
Преимущественно язычок имеет контактные грани, выполненные с возможностью плоскостного контакта с несущими поверхностями двух хвостовиков лопаток, которые ограничивают движение кольца по азимуту.
Наличие контактных граней на язычке и несущих граней на хвостовиках позволяет создать интерфейс между язычком и хвостовиком, тем самым улучшая взаимодействие между ними. Таким образом, когда язычок взаимодействует с хвостовиком, язычок не может скользить и выйти из блокировки по азимуту, обеспечиваемой хвостовиком.
Предпочтительно кольцо имеет прорезь, диаметрально противоположную относительно язычка.
Прорезь в кольце предназначена для облегчения установки кольца в первой и второй канавках. Положение прорези, диаметрально противоположное язычку, служит для повышения функциональной надежности кольца. Если кольцо ломается, этот излом вероятнее всего будет расположен рядом с язычком. Тогда сломанное кольцо образует два полукольца по существу одинаковой длины, которые не могут выйти из зацепления с первым и вторыми крюками. Поэтому наличие только одного язычка, расположенного напротив прорези, позволяет сконцентрировать механические напряжения, действующие на кольцо, рядом с язычком напротив прорези и, следовательно, улучшить функциональную надежность кольца. Кроме того, поскольку прорезь расположена диаметрально противоположно от язычка, кольцо устанавливается в первые и вторые канавки за счет радиальной гибкости кольца и установки язычка с самого начала между двумя хвостовиками лопаток. Поэтому после сборки движения кольца по азимуту ограничены.
Преимущественно, кольцо имеет общую форму кольца, имеющего ось, при этом центр тяжести упомянутого кольца расположен на упомянутой оси.
Сбалансированное кольцо обладает преимуществом, которое заключается в том, что оно не влияет на баланс всего вращающегося узла, образованного диском и лопатками. Поэтому нет необходимости в специальной обработке рабочего колеса турбины для компенсации дисбаланса, вызванного неравномерным распределением масс. Следовательно, можно устанавливать кольцо в любом потенциальном положении по азимуту, не нарушая равномерности распределения масс по азимуту, что облегчает сборку рабочего колеса турбины.
Преимущественно, кольцо радиально взаимодействует только со вторыми крюками.
Согласно настоящему изобретению также предлагается газотурбинный двигатель, содержащий рабочее колесо турбины по настоящему изобретению.
Далее следует более подробное описание варианта настоящего изобретения и его преимуществ, приведенного как неограничивающий пример, со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1 - часть рабочего колеса турбины по изобретению.
Фиг. 2 - сечение в плоскости II на фиг. 1, иллюстрирующее установку стопорного кольца рабочего колеса турбины согласно изобретению.
Фиг. 3 - сечение в плоскости III на фиг. 1, иллюстрирующее установку стопорного кольца рабочего колеса турбины согласно изобретению.
Фиг. 4 - стопорное кольцо по фиг. 1 в целом.
Фиг. 5 - газотурбинный двигатель вертолета с рабочим колесом турбины согласно изобретению.
На фиг. 1 показана часть рабочего колеса 10 турбины, имеющего ось X вращения. Рабочее колесо 10 турбины содержит диск 12 и множество лопаток 14. На периферии диска 12 выполнено множество зубьев 16, между которыми выполнены гнезда 18. Каждая лопатка 14 рабочего колеса турбины находится в зацеплении с гнездом 18 посредством своего хвостовика. Каждый хвостовик 20 лопатки 14 имеет первый крюк 22, который выступает в осевом направлении (вдоль оси X). На каждой лопатке 14 первый крюк 22 ориентирован радиально и образует первую канавку 24, открытую радиально в сторону оси X вращения колеса 10. Термин ″ориентирована радиально″ означает, что ″ориентирована вдоль радиуса рабочего колеса турбины″, а термин ″ориентирована в осевом направлении″ означает ″ориентирована вдоль оси вращения турбины″.
Каждый зуб 16 диска 12 имеет второй крюк 26, который выступает в осевом направлении (вдоль оси X). На каждом зубе 16 второй крюк 26 ориентирован радиально и определяет вторую канавку 28. Первые и вторые крюки 22 и 26 проходят в осевом направлении от плоскости, определенной боковой гранью 12а диска 12 и на одной стороне. Первые канавки 24 и вторые канавки 28 выровнены по азимуту. В азимутальном направлении первые крюки 22 чередуются со вторыми крюками 26. Термин ″азимутальное направление″ означает ″ориентацию вдоль окружности рабочего колеса турбины″.
В этом примере первый крюк 22 расположен на крепежном основании лопатки, а вторые крюки 26 расположены на основаниях зубьев 16. В варианте настоящего изобретения первый крюк 22 может быть расположен на какой-нибудь другой части хвостовика, например под платформой лопатки 14. Второй крюк 26 в этом случае будет находиться на одном уровне с концами зубьев 16. Другими словами, крюки могут находиться в разных радиальных положениях.
Для удержания лопаток 14 в осевом направлении на диске 12 в первую канавку 24 и во вторую канавку 26 вставлено стопорное кольцо 30. Это стопорное кольцо 30 является кольцевым по форме относительно оси, которая совпадает с осью вращения X турбины. Это стопорное кольцо 30 имеет единственный язычок 32, расположенный на осевой грани кольца 30 и обращенный от боковой грани 12а диска 12. Язычок 32 расположен между двумя соседними хвостовиками 20 двух соседних лопаток 14. Азимутальные концы 32а язычка 32 выполнены с возможностью упора в хвостовики 20 на любой его стороне и, более конкретно, в первые крюки 22 так, чтобы ограничивать осевое движение стопорного кольца 30 в первой и второй канавках 24 и 28.
Язычок 32 также расположен по вертикали в совмещении со вторым крюком 26. Независимо от механических воздействий, которым подвергается кольцо 30, язычок 32 никогда не входит в контакт со вторым крюком 26, ни в радиальном, ни в азимутальном направлении. Поэтому первые крюки 22 выполнены радиально длиннее, чем вторые крюки 26, чтобы первые крюки 22 могли взаимодействовать с язычком 32, а вторые крюки 26 оставляли язычок 32 (и, следовательно, кольцо 30) свободным для перемещения по азимуту. Следовательно, первые канавки 24, определенные первыми крюками 22, выполнены более глубокими, чем вторые канавки 28, определенные вторыми крюками 26.
Для того чтобы язычок 32 не мог войти в контакт со вторыми крюками 26 и чтобы кольцо 30 находилось в зацеплении со вторыми канавками 28, на кольце 30 выполнен внешний кольцевой участок 30а, из которого язычок не выступает. Язычок 32 занимает внутренний кольцевой участок 30b кольца 30. В этом примере внутренний кольцевой участок 30b определен средней линией 30с на осевой грани, поддерживающей язычок 32, и отделен этой средней линией 30с от внешнего кольцевого участка 30а. Эта средняя линия 30с является меткой, полученной путем обработки фаски 31а, которая сформирована на внутренней периферийной кромке 30d осевой грани, поддерживающей язычок 32 (см. фиг. 2 и 4).
На фиг. 2 в сечении по плоскости II на фиг. 1 показано кольцо 30, вставленное в первую канавку 24. На фиг. 3 в сечении по плоскости III на фиг. 1 показано кольцо 30, вставленное во вторую канавку 28. Глубина второй канавки 28 меньше, чем расстояние между внешней периферийной кромкой 30e кольца 30 и язычком 32, чтобы внешняя периферийная кромка 30е кольца 30 взаимодействовала с дном 28с второй канавки 28, а язычок 32 радиально отстоит от кромки 26а второго крюка на некоторый минимальный зазор j1, как показано на фиг. 3. Другими словами, во время работы колеса 10 турбины зазор j1 больше, чем радиальная деформация кольца 30 на язычке 32.
Кроме того, дно 24с первых канавок 24 отстоит радиально дальше от оси X вращения колеса 10 турбины, чем дно 28с вторых канавок 28, так что внешняя периферийная кромка 30е кольца 30 остается отнесенной от дна 24с первых канавок 24 на одинаковый минимальный зазор j2, в то же время находясь во взаимодействии с дном 28с вторых канавок 28. Другими словами, зазор j2 больше, чем радиальная деформация кольца 30 между двумя первым и вторым крюками 22 и 26. Таким образом, кольцо 30 удерживается радиально только вторыми крюками 26, а в осевом направлении оно взаимодействует и с первым, и со вторым крюками 22 и 26. Кольцо 30 также взаимодействует с боковой гранью 12а диска 12. Другими словами, кольцо 30 радиально взаимодействует только с дном 28с вторых канавок 28, тогда как радиально оно взаимодействует с боковыми гранями 24а и 24b первых канавок 24, с боковыми гранями 28а и 28b вторых канавок 28 и с боковой гранью 12а диска 12. Таким образом, кольцо 30 радиально взаимодействует только со вторыми крюками 26. Это дает преимущество, заключающееся в ограничении контактного износа, которому подвержены первые крюки 22, в частности на дне первых канавок 24. Следовательно, такая конструкция устраняет любой риск поломки первых крюков 22 лопаток 14.
Следует отметить, что на внешней периферии 30е кольцо 30 имеет фаски 31b и 31с, расположенные на его осевых гранях, предназначенные для облегчения его введения в первую и вторую канавки 24 и 28. Ширина фасок 31b, сформированных на осевой грани, поддерживающей язычок 32, меньше, чем ширина фаски 31с, сформированной на осевой грани, обращенной к боковой грани 12а диска 12. Термин ″ширина″ в отношении фаски означает размер фаски, который проходит радиально по скошенному участку кольца.
На фиг. 4 приведен вид стопорного кольца в перспективе. Кольцо 30 имеет прорезь 34, диаметрально противоположную язычку 32. Прорезь 34 наклонена, т.е. проходит наклонно относительно радиуса кольца 30. Эта наклонная прорезь 34 облегчает радиальный изгиб кольца для установки его в первую и вторую канавки 24 и 28. В частности, наклонная форма прорези 34 позволяет избежать взаимодействия между концами кольца 30, которые определяют кромки прорези 34, поскольку такое взаимодействие может заблокировать и ограничить упругую деформацию кольца 30 при сборке. Следует отметить, что когда колесо 10 не работает, кольцо 30 удерживается в первой и второй канавках 24 и 28 своей естественной упругостью, тогда как когда рабочее колесо 10 турбины находится в работе, кольцо 30 также удерживается в первой и второй канавках 24 и 28 центробежными силами.
Когда кольцо 30 собрано на рабочем колесе 10 турбины, прорезь 34 предпочтительно расположена в первой или второй канавке 24 или 28 так, чтобы первый или второй крюк 22 или 26 ограничивал и/или предотвращал осевое перемещение концов кольца 30, которые определяют прорезь 34. Предпочтительно, когда кольцо 30 собрано на рабочем колесе 10 турбины, прорезь расположена в одной из вторых канавок 28 под одним из вторых крюков 26. Преимущественно, длина в азимутальном направлении язычка 32 такова, что максимальные разрешенные перемещения кольца по азимуту оставляют прорезь 34 в первой или второй канавке 24 или 28. Другими словами, азимутальная длина язычка 32 такова, что прорезь 34 не выходит из первой или второй канавки 24 или 28, даже когда язычок 32 упирается в один из хвостовиков 20 на любой его стороне.
Для того чтобы сбалансировать кольцо 32, т.е. чтобы его центр G тяжести находился на оси кольца 30, которая совпадает с осью X вращения рабочего колеса 10 турбины, радиальная толщина Ε кольца 30 меняется по окружности кольца 30. Для компенсации лишнего материала, представленного язычком 32, и отсутствия материала, представленного прорезью 34, радиальная толщина Ε кольца 30 меняется непрерывно и постепенно между минимальной радиальной толщиной Emin на язычке 32 и максимальной радиальной толщиной Emax на прорези 34. Изменение радиальной толщины Ε происходит по существу на внутреннем кольцевом участке 30b кольца 30. Таким образом, центр G тяжести кольца 30 лежит на оси кольца 30, предпочтительно на пересечении со средней плоскостью кольца 30. Термин ″средняя плоскость″ в применении к кольцу означает плоскость, проходящую через середину осевой толщины кольца 30. Естественно, в другом варианте кольцо можно балансировать по азимуту, регулируя форму фасок 31а, 31b и 31 с.
Естественно, обе регулировки (фаска и радиальная толщина) могут использоваться в комбинации друг с другом. Кроме того, можно балансировать кольцо путем внецентренной обработки язычка 32. Поскольку имеется только один язычок, такая балансировка может выполняться быстро и легко. Дополнительно, язычок 32 не имеет предпочтительного положения на колесе 10 по азимуту, поэтому можно выполнять так называемые операции ″деления на три части″, которые заключаются в выборе положения по азимуту для язычка 32 так, чтобы улучшить общую балансировку колеса 10.
На фиг. 5 показан газотурбинный двигатель 100 для вертолета, в котором используется рабочее колесо 10 турбины. Естественно, второе рабочее колесо 110 турбины может быть преимущественно выполнено в соответствии с настоящим изобретением, но это не является существенным.