ПЛАТФОРМА ДЛЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ЛОПАТКА, РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБИНЫ, КОМПРЕССОР И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
PLATFORM FOR GAS TURBINE ENGINE WHEEL, BLADE, TURBINE WHEEL, COMPRESSOR AND GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к платформе для рабочего колеса газотурбинного двигателя, содержащего барабан и лопатки с креплением молотовидной формы, основание которых удерживается в кольцевой канавке барабана и имеет опорные и/или удерживающие поверхности, взаимодействующие с барабаном.
Настоящее изобретение относится, в общем, не ограничивающим образом, к подвижным рабочим колесам компрессора низкого давления газотурбинного двигателя.
Обычно эти рабочие колеса турбины содержат серию лопаток, каждая из которых представляет собой отдельную деталь, состоящую из множества частей, причем лопатки размещены непосредственно на барабане.
Такая лопатка 20 отдельно представлена на фиг.1, а на фиг.2-4 она установлена в кольцевой канавке 31 барабана 30.
В этом случае лопатка 20 из предшествующего уровня техники, изображенная на фиг.1, содержит следующие части:
- лопасть 21, вытянутую, в основном, в радиальном и аксиальном направлениях, и образующую часть, которая передает кинетическую энергию потока воздуха,
- основание 22, образующее часть, которая удерживает лопатку на роторе, будучи помещенным в барабан 30,
- платформу 23, вытянутую, в основном, в осевом направлении и по окружности, образующую часть, которая ограничивает и направляет поток воздуха и размещена между лопастью 21 и основанием 22, и
- область 24, образующую часть, соединяющую между собой лопасть 21 и платформу 23 и имеющую внешнюю плавную переходную поверхность вогнутого профиля.
После монтажа в кольцевой канавке 31 барабана 30 с осью X-X', как изображено на фиг.2-4:
- платформы 23 упираются одна в другую попарно своими внешними поверхностями 23а (см. фиг.4), вследствие чего происходит блокирование по окружности лопаток 20 относительно барабана 30 с помощью фиксатора (не представленного на чертеже), установленного между лопатками 20 и в фиксирующем вырезе (не представленном на чертеже) кольцевой канавки 31, и
- основание 22 и кольцевая канавка 31 имеют соответствующие опорные поверхности 22а, 22b и 31а, 31b (см. фиг.3), которые взаимодействуют друг с другом попарно, вследствие чего происходит блокирование в радиальном и осевом направлениях лопаток 20 относительно барабана 30 (в процессе вращения и под действием центробежных сил наклонные поверхности 22а и 31а входят в контакт).
В этом случае на внутренней поверхности платформы 23 на выходном конце или на входном конце платформы 23 выполнен кольцевой выступ 25 (см. фиг.1, 3 и 4). Как вариант, одновременно выходной конец и входной конец платформы 23 снабжены выступом 25.
Этот выступ образует упор снизу платформы 23, который гарантирует, что при остановке двигателя и прекращении вращения лопаток 20 эти лопатки 20, снабженные таким упором, остаются в правильном положении. Действительно, выступ 25 образует своим свободным концом удерживающую поверхность, упирающуюся в верхнюю поверхность (внешнюю поверхность) одной из боковых стенок, окружающих кольцевую канавку 31, таким образом исключается качание лопатки 20 вокруг основания 22 (вокруг оси, параллельной направлению, перпендикулярному фиг.3). Этот выступ 25 служит также для обеспечения герметичности, так как он является также опорной поверхностью кольцеобразного соединения 40, которое размещено в кольцевом углублении 32 внешней поверхности барабана 30 вблизи кольцевой канавки 31 (см. фиг.3), а также для того, чтобы помешать рециркуляции воздуха под лопаткой 20.
В настоящем тексте термины «внутренний» и «внешний» обозначают положения, соответственно радиально близкие к оси X-X' и удаленные от оси Х-Х', а термины «входной» и «выходной» обозначают осевое положение вдоль оси Х-Х' в направлении течения потока воздуха, которые размещены соответственно одно перед другим.
Такой моноблочный тип лопатки 20 с молотовидным креплением выполнен, обычно, из титанового сплава с использованием многих технологий: части, находящиеся в потоке воздуха, а именно, лопасть 21, переход 24 и внешняя поверхность платформы 23 выполнены ковкой, в то время как другие части, а именно, нижняя поверхность платформы 23 и основание, получены в результате послековочной обработки.
Вследствие моноблочного характера этих лопаток 20 невозможно изготовить различные части лопатки 20 в соответствии со способами и из материалов, наиболее отвечающих геометрическим напряжениям и работе каждой из этих частей.
Известны также лопатки, содержащие уменьшенную лопаточную платформу (с уменьшенным кольцевым размером) и которые установлены изолированно от других деталей, образующих индивидуализированные межлопаточные платформы.
Документы US 6 632 070, US 2007 0020102 и особенно документ US 2006 0222502 касаются такого расположения.
Так, в случае документа US 2006 0222502 в кольцевую канавку барабана попеременно устанавливают лопатку, межлопаточную платформу, лопатку, межлопаточную платформу и так далее. Таким образом, можно отдельно изготовить по различным технологиям и/или из различных материалов, с одной стороны, лопатки с уменьшенной платформой и, с другой стороны, индивидуализированные межлопаточные платформы.
Однако в связи с увеличенным количеством деталей, образующих турбинное колесо (практически вдвое), требуется больше операций в процессе монтажа (или демонтажа) турбинного колеса. В связи с тем, что зазор в кольцевом направлении должен быть минимально возможным (регулируемый зазор), установка большего количества деталей требует дополнительного времени и, следовательно, дополнительных затрат, а также увеличивает риск ошибки в позиционировании деталей между собой и вдоль последовательности лопаток и межлопаточных платформ.
Более того, при наличии индивидуализированных межлопаточных платформ фиксирующая система является более сложной, так как пространство, занимаемое фиксаторами, используется межлопаточными платформами, что приводит к использованию более сложных межлопаточных платформ, называемых фиксируемыми межлопаточными платформами.
Кроме того, в данном случае имеется больший риск утечек воздуха, то есть рециркуляции из потока, ограниченного внешней поверхностью платформ, в сторону пространства под платформами, так как имеется большое количество возможных проходов воздуха между уменьшенной платформой лопатки и расположенной рядом индивидуализированной межлопаточной платформой. Для обеспечения оптимальной герметичности при наличии индивидуализированных межлопаточных платформ было предложено изменить геометрию лопатки (или межлопаточной платформы), но эти попытки привели к очень сложной геометрии, что вызвало значительное увеличение дополнительной цены.
Задачей настоящего изобретения является разработка решения, позволяющего преодолеть недостатки предшествующего уровня техники, в частности, путем обеспечения возможности раздельного изготовления лопаток и платформ без значительного увеличения числа операций при монтаже/демонтаже и при уменьшении рисков рециркуляции.
Для решения данной задачи в настоящем изобретении предлагается платформа, отличающаяся тем, что она имеет поверхности опоры и/или удержания для взаимодействия с барабаном для удержания платформы на барабане, а также тем, что она занимает кольцевой сектор, и тем, что она содержит, по меньшей мере, два отверстия, разнесенных по окружности, каждое из которых предназначено для размещения основания лопатки, благодаря чему она образует многолопаточную платформу в виде детали, отделенной от лопаток.
Таким образом, понятно, что, благодаря использованию многолопаточных платформ, а не индивидуализированных межлопаточных платформ, уменьшается число собранных в кольцевом направлении деталей, что приводит к уменьшению манипуляций в процессе монтажа/демонтажа.
Это решение имеет также дополнительное преимущество, которое позволяет легко оптимизировать герметизацию платформы, то есть уменьшить риски рециркуляции.
Такое решение имеет также то преимущество, что его можно сравнить с традиционной системой фиксации, что не имеет места в случае индивидуализированных межлопаточных платформ.
Целесообразно, чтобы платформа содержала в месте расположения каждого отверстия паз, открывающийся на внешнюю поверхность и предназначенный для приема лопатки с уменьшенной платформой.
Целесообразно также, чтобы платформа содержала ребра жесткости с боковыми опорными поверхностями, выполненные с возможностью осевого удержания платформы на барабане и уменьшения рециркуляции воздуха.
Предпочтительно, чтобы платформа содержала на каждой из своих двух кольцевых краев межплатформную опорную поверхность, выполненную с возможностью, после монтажа на барабане, опоры на межплатформную опорную поверхность соседней платформы.
Предпочтительно также, чтобы платформа содержала с обеих сторон каждого отверстия в осевом направлении два отверстия для прохода фиксатора лопатки.
Предпочтительно также, чтобы платформа содержала четыре отверстия, разнесенных в кольцевом направлении, каждое из которых выполнено с возможностью приема лопатки.
Предпочтительно также, чтобы платформа была выполнена из легкого металлического сплава или композитного материала, содержащего термопластическую основу и волокна.
Настоящее изобретение относится также к лопатке, предназначенной для установки на барабан с помощью описанной выше платформы, отличающейся тем, что она выполнена в виде единой детали и содержит лопасть и основание, между которыми образована уменьшенная платформа.
Настоящее изобретение относится также к подвижному турбинному колесу, содержащему лопатки с креплением молотовидной формы и барабан с кольцевой канавкой для удержания основания лопаток и фиксирующим вырезом, отличающемуся тем, что оно содержит множество платформ описанного выше типа, каждая из которых закрывает кольцевой сектор турбинного колеса, удерживая множество лопаток в барабане.
Настоящее изобретение относится, кроме того, к компрессору, в частности, компрессору низкого давления, а также, при необходимости, компрессору высокого давления, который содержит турбинное колесо описанного выше типа.
Настоящее изобретение относится также к газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, одно вышеуказанное рабочее колесо.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает вид в аксонометрии лопатки в соответствии с предшествующим уровнем техники,
- фиг.2 изображает вид в аксонометрии нескольких лопаток по фиг.1, установленных в барабане,
- фиг.3 изображает вид в проекции в направлении III по фиг.2,
- фиг.4 изображает вид в разрезе в направлении IV-IV по фиг.3,
- фиг.5 изображает вид, подобный виду по фиг.2, платформы по изобретению,
- фиг.6 изображает вид в проекции в направлении VI-VI по фиг.5,
- фиг.7 и 8 изображают виды в разрезе соответственно в направлениях VII-VII и VIII-VIII по фиг.6,
- фиг.9 и 10 изображают виды в частичной аксонометрии многолопаточной платформы по изобретению и лопатки с уменьшенной платформой по изобретению,
- фиг.11-13 изображают виды в аксонометрии, иллюстрирующие различные этапы монтажа между многолопаточной платформой, лопаток с уменьшенной платформой и барабаном, и
- фиг.14 изображает частично увеличенный вид сечения в направлении XIV-XIV по фиг.13.
В соответствии с фиг.5 барабан 130 частично представлен в положении, соответствующем угловому сектору, перекрывающему четыре лопатки с уменьшенной платформой 120 (на фиг.5 представлены только три из четырех лопаток 120), каждая из которых удерживается основанием 122 в кольцевой канавке 131 барабана 130 с помощью многолопаточной платформы 150.
Для этого многолопаточная платформа 150 содержит для каждой лопатки 120 отверстие 151, открывающееся в кольцевую канавку 131, когда платформа 150 установлена в барабан 130.
Многолопаточная платформа 150 содержит, кроме того, в месте размещения отверстия 151 паз 152, открывающийся на внешнюю поверхность многолопаточной платформы 150, предназначенной для приема лопатки 123 с уменьшенной платформой. Этот паз 152 представляет собой полость, протянувшуюся по всей длине в аксиальном направлении платформы 150, а по ширине - в кольцевом направлении на то же расстояние, что и отверстие 151, то есть на ширину уменьшенной платформы 123 лопатки 120, которая сама является более широкой, чем основание 122 лопатки 120.
Для осуществления монтажа платформы 150 на барабане платформа 150 содержит, кроме того, два ребра жесткости 153, содержащих две боковых опорных поверхности 153а, способных аксиально удержать платформу 150 на барабане 130 и уменьшить рециркуляцию воздуха.
Для этого два ребра жесткости 153 имеют внутренние нервюры, размещенные на двух входном и выходном краях платформы 150, при этом два ребра жесткости 153 содержат (см. фиг.14) боковые опорные поверхности 153а, предназначенные для взаимодействия с опорными поверхностями 132а боковых стенок 132 кольцевой канавки 131. Предпочтительно, боковые опорные поверхности 132а и 153а образуют аксиальные входы, а именно, поверхности, которые обеспечивают интегральный контакт между ними для хорошего аксиального взаимодействия между барабаном 139 и платформой 150.
Для этого, кроме того, образуют лабиринт между барабаном 130 и ребрами жесткости 153, что уменьшает рециркуляцию воздуха снизу платформы (нижняя часть), поэтому можно обойтись без кольцевой прокладки 40.
Платформа 150 содержит, кроме того, (см. фиг.5, 6, 10, 12 и 13) на каждом из двух кольцевых краев межплатформную опорную поверхность 154, предназначенную, после монтажа платформы 150 на барабане 130, для упора в межплатформную опорную поверхность 154 соседней платформы 150.
Платформа 150 содержит, кроме того, с обеих сторон каждого отверстия 151 в аксиальном направлении два отверстия 155, каждое из которых предназначено для прохода фиксатора 125 лопатки (см. фиг.9, 10 и 14).
Таким образом, понятно, что паз 152 ограничивает расположенное в глубине пространство, образующее углубление относительно внешней поверхности платформы 150, которое пересекает только по толщине платформу 150 в местах размещения отверстия 151 и отверстий 155.
Как следует, в частности, из фиг.9-12 в соответствии с настоящим изобретением лопатка 120, которая устанавливается в многолопаточную платформу 150 по настоящему изобретению, выполнена в виде единой детали и содержит лопасть 121 и основание 122, между которыми сформирована уменьшенная платформа 123, размеры которой в осевом, кольцевом и радиальных направлениях строго соответствуют соответствующим размерам в осевом, кольцевом и радиальных направлениях паза 152, в который вставляется эта уменьшенная платформа 123.
Таким образом, исключают рециркуляцию между уменьшенными платформами 123 и многолопаточной платформой 150.
Более того, предусмотрено, чтобы внешние поверхности уменьшенных платформ 123 и многолопаточной платформы 150 находились на одном уровне, когда каждая уменьшенная платформа 153 размещена в своем пазе 123, при этом исключаются любые аэродинамические искажения потока воздуха.
Лопатка 120 с уменьшенной платформой 123 содержит также область 124, подобную области 24 лопатки 20, описанную выше в отношении известного уровня техники.
Кроме того, нижняя поверхность уменьшенной платформы 123 имеет два фиксатора 125 лопаток, размещенные аксиально с обеих сторон основания 122 и ориентированные в направлении основания 122.
Эти два фиксатора 125 проходят через два отверстия 155 платформы 150, чтобы взаимодействовать с барабаном 130. Для этого свободные концы фиксаторов 125 имеют внутренние опорные поверхности 125а (см. фиг.14), которые взаимодействуют за счет упора с внешними опорными поверхностями 132b, соответственно расположенными на нижних свободных краях боковых стенок 132 кольцевой канавки 131 барабана.
Таким образом, фиксаторы 125 лопатки 120 взаимодействуют с внешними опорными поверхностями 132b барабана 130 для радиального удержания платформы 150. Отверстие 155 выполнено таким образом и имеет такие размеры, чтобы обеспечить это взаимодействие между лопаткой 120 и барабаном 130.
Такой вариант с двумя фиксаторами 125 является предпочтительным и изображен на чертежах (см., в частности, фиг.7, 9 и 14), но в соответствии с вариантом, не изображенным на чертежах, уменьшенная платформа 123 имеет только один фиксатор 125. В этом случае либо многолопаточная платформа 150 не меняется и одно из двух отверстий 155 остается свободным после монтажа, либо многолопаточная платформа 150 имеет только одно отверстие 155.
Взаимодействие между боковыми опорными поверхностями 153а платформы 150 и боковыми опорными поверхностями 132а барабана 130 гарантирует, с одной стороны, хорошее осевое позиционирование платформы 130 в собранном виде и, с другой стороны, ограничение рециркуляции воздуха под платформой (утечка воздуха).
Следует отметить, что относительное положение между основанием 122 каждой лопатки 120 и кольцевой канавкой 131 барабана остается как в подобном случае при монтаже по известному уровню техники в соответствии с фиг.1-4, определенным в осевом и радиальном направлениях, благодаря контакту, вызванному вращением и действием центробежных сил, установленному между внутренней наклонной опорной поверхностью 132 с боковых стенок 132 кольцевой канавки 131 и внешней наклонной опорной поверхностью 122а боковой поверхности основания 122.
В соответствии с вариантом осуществления, описанным выше и изображенным на чертежах, многолопаточная платформа 150 содержит четыре отверстия 151, разнесенные в кольцевом направлении, для размещения в каждой лопатке 120. На этот предмет и в соответствии с настоящим изобретением многолопаточная платформа 150 перекрывает кольцевой сектор нескольких лопаток 120, что означает, что многолопаточная платформа 150 может быть выполнена в нескольких вариантах для приема двух, трех или четырех лопаток 120 с помощью такого же количества отверстий 151, каждое из которых соответствует пазу 152, и двух отверстий 155.
Многолопаточная платформа 150, предпочтительно, выполнена из легкого металлического сплава или композитного материала, содержащего термопластическую основу и волокна, предпочтительно, короткие волокна, но можно использовать и длинные волокна.
Например, термопластическая основа выполнена из PEI (полиэфиримид) или из PEEK (полиэфирэфирцетон), а волокна образованы углеродными или стеклянными волокнами.
Альтернативно можно также предусмотреть изготовление многолопаточной платформы 150 из алюминиевого сплава.
Барабан 130 может быть таким же, как барабан 30 из предшествующего уровня техники. Однако в связи с тем, что согласно изобретению платформа 150 выполнена отдельно от лопаток 120 и может быть изготовлена, как указано выше, из более легкого материала, чем материал лопаток 120 (обычно титан), барабан 130, который подвергается меньшим напряжениям, может быть выполнен более тонким.
Так, понятно, что, благодаря изобретению, лопатка 120 с уменьшенной платформой выходит из пресс-формы с меньшим размером по сравнению с размером, необходимым для изготовления лопатки 20 в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Кроме того, благодаря изобретению, вес всего узла, образованного лопатками 120 и многолопаточными платформами 150, уменьшается и, таким образом, вес ротора (или рабочего колеса турбины), когда этот узел смонтирован на барабане 130.
В соответствии с фиг.11-13 ниже будет описан монтаж каждой платформы 150 с барабаном 130 и лопатками 120.
Сначала следует разместить многолопаточную платформу 150 на барабане 130 посредством скольжения между боковыми опорными поверхностями 153а ребер жесткости 153 и боковыми опорными поверхностями 132а боковых стенок 132а кольцевой канавки 131 барабана 130 (см. фиг.13). На этом этапе (см. фиг.11) отверстие 151 многолопаточной платформы 150 размещают напротив входного выреза 133, образующего единую полость в глубине кольцевой канавки 131 барабана 130.
Затем вводят основание 122 первой лопатки 120 в отверстие 151, размещенное напротив выреза 133 для введения перед размещением всего основания 122 в кольцевой канавке 131. В процессе этого этапа фиксаторы 125 автоматически размещаются в соответствующих отверстиях 155 (см. фиг.14).
Далее перемещают в кольцевом направлении многолопаточную платформу 150 по барабану 130 путем скольжения между боковыми опорными поверхностями 153а ребер жесткости 153 и боковыми опорными поверхностями 132а боковых стенок 132 кольцевой канавки 131 барабана 130 таким образом, чтобы разместить следующее отверстие напротив выреза 133 для введения для обеспечения монтажа следующей лопатки многолопаточной платформы 150.
В процессе этого этапа осуществляется фиксация первой лопатки 120, так как последняя не находится больше напротив выреза 133 для введения, ее основание не может больше выйти из кольцевой канавки 131, и она находится в положении блокирования по фиг.14.
Когда все лопатки 120 кольцевого сектора, соответствующего кольцевой длине многолопаточной платформы 150, смонтированы подобным образом, приступают к монтажу следующей многолопаточной платформы 150 и ее соответствующих лопаток 120 и так далее.
Когда все многолопаточные платформы 150 и все лопатки 120 установлены, осуществляют, как в предшествующем уровне техники, фиксирование комплекса путем установки на место двух фиксаторов (не представленных на чертеже) с обеих сторон выреза 133 для введения.
Понятно, что платформа 150 позиционирует лопатки 120 по окружности барабана 130.
Благодаря многолопаточной платформе 150, операции монтажа (или, напротив, демонтажа) являются легкими, быстрыми и надежными.
Таким образом, понятно, что, благодаря наличию многолопаточной платформы 150, улучшают разграничение струи, в которой циркулирует поток воздуха, который проходит через подвижное колесо при уменьшении рециркуляции воздуха.
В соответствии с настоящим изобретением платформа 150 устанавливается на барабане 130 едиными опорными и/или удерживающими поверхностями без средств дополнительной фиксации, таких как винты и болты или сварка (не осуществляется никакого сверления барабана, платформы или основания лопаток).