СТОПОРНОЕ КОЛЬЦО ЛОПАТОК СТАТОРА ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ И ОСЕВАЯ ТУРБОМАШИНА
AXIAL TURBINE MACHINE STATOR BLADES RETAINING RING AND AXIAL TURBOMACHINE

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к статору компрессора осевой турбомашины. Более конкретно, изобретение относится к статору, который имеет кольцо для закрепления лопаток осевой турбомашины. Изобретение также относится к осевой турбомашине.
Уровень техники
[0002] Для ограничения кольцевого потока статор осевой турбомашины обычно снабжен коаксиальными кожухами, ограничивающими внутреннюю и внешнюю стороны потока. Статор также содержит кольцевой ряд лопаток, проходящих в радиальном направлении между кожухами. Лопатки могут быть установлены в отверстия, предусмотренные в кожухе, и закреплены в индивидуальном порядке на соответствующем кожухе.
[0003] Закрепление может быть достигнуто с помощью стопорного кольца, которое взаимодействует с пазами, образованными на концах лопаток, расположенных за пределами кожуха, вне потока.
[0004] Документ GB 748912 описывает сборку лопаток на кожухе компрессора осевой турбомашины. Кожух содержит две кольцевые стенки, имеющие отверстия для закрепления концов лопаток. Каждая лопатка имеет свободный конец, выступающий в радиальном направлении за пределы кожуха и имеющий крепежный паз. Пазы сужаются во внешнем направлении. Пазы располагаются рядами и в них установлены стопорные кольца с дугообразным поперечным профилем. При таком расположении кольца образуют ребра, которые блокируют лопатки.
[0005] Однако лопатка может подвергаться воздействию высоких растягивающих нагрузок, которые способны отделить лопатку от ее кольца. В действительности, в случае растягивающей нагрузки наклонные края паза могут смять кольцо, приводя к его дальнейшему изгибанию, так что кольцо может выйти из паза, после чего соответствующая лопатка больше не удерживается своим кольцом.
Сущность изобретения
Техническая задача
[0006] Задачей настоящего изобретения является решение по меньшей мере одной из проблем, представленных на известном уровне техники. Конкретнее, задачей настоящего изобретения является улучшение закрепления между лопаткой и кольцом с дугообразным поперечным профилем в осевой турбомашине. Задачей настоящего изобретения также является увеличение срока службы статора с лопатками, закрепленными на кожухе с помощью кольца.
Техническое решение
[0007] Предложен статор осевой турбомашины, в частности компрессора, при этом статор содержит кожух с кольцевым рядом отверстий и кольцевой ряд лопаток статора, которые проходят в существенно радиальном направлении через отверстия (36), причем каждая лопатка имеет крепежный паз (38) и перо лопатки, предусмотренное для нахождения в потоке турбомашины, при этом каждый крепежный паз имеет конусообразное входное отверстие, расположенное на противоположной стороне пера лопатки по отношению к отверстию, через которое проходит соответствующая лопатка, причем по меньшей мере одно стопорное кольцо установлено в пазы, при этом кольцо имеет вид полосы с дугообразным поперечным профилем, который находится в контакте с конусом, таким образом, чтобы удерживать кольцо в пазах, причем предложенный кожух отличается тем, что содержит слой истираемого материала, окружающий поперечный профиль кольца, блокируя, таким образом, кривизну дугообразного поперечного профиля для предотвращения выхода кольца из конусных пазов в случае их деформации.
[0008] В одном варианте осуществления настоящего изобретения кольцо изогнуто по окружности таким образом, чтобы оно было параллельно кожуху, при этом кольцо расположено в радиальном направлении на некотором расстоянии от отверстий в кожухе.
[0009] В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, в отсутствие изнашиваемого материала, кольцо сконфигурировано с возможностью установки в/ или извлечения из паза путем уменьшения или увеличения изгиба его дугообразного профиля, при этом предусмотрена возможность пластической деформации кольца.
[0010] В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, кольцо - это пружина, сконфигурированная с возможностью деформации по меньшей мере на 5%, и в предпочтительном варианте осуществления - по меньшей мере на 10% своей длины вдоль оси и/или своей высоты в радиальном направлении, при этом кольцо изготовлено из пружинной стали, в предпочтительном варианте осуществления - из высококачественной стали марок 45S7, 55S7, 45SCD6, 60SC7, 45SW8, 45С4, 50CV4.
[0011] В одном варианте осуществления настоящего изобретения в зоне кольца между кожухом и кольцом в осевом направлении размещена радиальная часть слоя истираемого материала.
[0012] В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина полосы кольца составляет менее 1 мм, в предпочтительном варианте осуществления - менее 0,25 мм, и в более предпочтительном - менее 0,1 мм.
[0013] В одном варианте осуществления настоящего изобретения дугообразный поперечный профиль кольца описывает от одной десятой окружности до полуокружности, в предпочтительном варианте - от одной шестой до одной трети окружности и в более предпочтительном - от одной пятой до одной четверти окружности.
[0014] В одном варианте осуществления настоящего изобретения дугообразный поперечный профиль кольца имеет основное удлинение, которое обычно параллельно оси вращения осевой турбомашины.
[0015] В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой истираемого материала представляет собой кольцевой слой, покрывающий обе стороны полосы кольца, и кольцо окружено слоем истираемого материала по всей длине интервалов между лопатками, причем слой истираемого материала также заполняет отверстия кожуха вокруг лопаток.
[0016] В одном варианте осуществления настоящего изобретения пазы открыты в радиальном направлении, причем радиальная глубина пазов больше радиальной высоты кольца.
[0017] В одном варианте осуществления настоящего изобретения каждый паз имеет два аксиально противоположных крюка, закрывающих проход в паз и, таким образом, обеспечивающих радиальное удерживание кольца.
[0018] В одном варианте осуществления настоящего изобретения кожух является внутренним кожухом, причем кожух и кольцо разделены на сегменты, каждый сегмент кожуха содержит по меньшей мере три отверстия для установки лопастей.
[0019] В одном варианте осуществления настоящего изобретения кольцо имеет изогнутую поверхность по отношению к кожуху, кольцо предпочтительно имеет два круглых ребра, радиально выступающие и расположенные в радиальном направлении на стороне кожуха.
[0020] В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой истираемого материала содержит эластомер или силикон, которыми он может быть заполнен, и предусмотрен для абразивного взаимодействия с ротором осевой турбомашины.
[0021] В одном варианте осуществления настоящего изобретения кольцо представляет собой полосу из материала с постоянной толщиной дуги и изгиба.
[0022] В одном варианте осуществления настоящего изобретения выступы пазов выполнены сближенными в радиальном направлении внутрь.
[0023] В одном варианте осуществления настоящего изобретения ширина паза уменьшается в радиальном направлении внутрь.
[0024] В одном варианте осуществления настоящего изобретения дугообразная форма поперечного профиля образует утолщение полосы и/или образует уменьшение поперечной ширины кольца.
[0025] Кольцо имеет основное удлинение вдоль окружности статора, при этом поперечное направление перпендикулярно направлению вдоль окружности.
[0026] В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой истираемого материала прикреплен к кольцу посредством клея или адгезива.
[0027] В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой истираемого материала окружает лопатки.
[0028] В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой истираемого материала образует блок материала вокруг поперечного профиля кольца.
[0029] В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой истираемого материала имеет постоянную толщину в радиальном направлении и/или постоянную длину между лопатками в осевом направлении.
[0030] В одном варианте осуществления настоящего изобретения пазы являются радиальными удерживающими пазами.
[0031] В одном варианте осуществления настоящего изобретения кольцо при сжатии может деформироваться в осевом направлении, увеличивая, таким образом, изгиб дуги своего дугообразного профиля для обеспечения возможности введения или удаления кольца в отсутствие слоя истираемого материала.
[0032] В одном варианте осуществления настоящего изобретения кожух может разграничивать осевой кольцевой поток турбомашины, при этом перья лопаток предусмотрены проходящими в радиальном направлении внутри кольцевого потока с отклонением от него, где это требуется.
[0033] В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой истираемого материала предохраняет кольцо от выхода из конусов пазов путем корректирования кривизны дугообразного поперечного профиля.
[0034] Предложена также осевая турбомашина, содержащая статор, отличающаяся тем, что этот статор находится в соответствии с настоящим изобретением, в предпочтительном варианте осуществления изобретения турбомашина содержит компрессор низкого давления, статор которого находится в соответствии с настоящим изобретением.
Заявленные преимущества
[0035] Предлагаемая конструкция статора приводит к эффективному взаимодействию между слоем истираемого материала и кольцом. Слой истираемого материала повышает стабильность кольца путем блокировки его кривизны, тем самым гарантируя его удержание. Кольцо надежно закреплено на своем месте в пазах относительно конусов. Кольцо позволяет улучшить механическую связь между лопатками и слоем истираемого материала. Наличие слоя истираемого материала между кожухом и кольцом способствует распределению сил в этой точке, образуя протектор для адсорбции пиков любых напряжений, возникающих в случае ударов. Таким образом, радиальное удерживание лопаток в кожухе является более надежным. Блокирующая функция слоя истираемого материала может быть достигнута при помощи любого полимерного материала, возможно композита, функция истирания определяется выбором.
[0036] Срок службы такого статора увеличивается, поскольку произведенная таким образом фиксация больше не зависит исключительно от сцепления между лопаткой и истираемым материалом. В случае удара и связанного с ним всасывания или отделения лопасти вентилятора уменьшается риск отделения лопаток от кожуха.
Краткое описание чертежей
[0037] На Фиг. 1 изображен осевая турбомашина в соответствии с настоящим изобретением.
[0038] На Фиг. 2 представлена схема компрессора турбомашины в соответствии с настоящим изобретением.
[0039] На Фиг. 3 показан разрез статора турбомашины в соответствии с изобретением вдоль оси 3-3, обозначенной на Фиг 2.
[0040] На Фиг. 4 изображена концевая часть лопатки, установленной в кожухе в соответствии с настоящим изобретением.
Описание вариантов осуществления
[0041] В последующем описании выражения «внутренний» и «наружный» или «внешний» относятся к положению по отношению к оси вращения осевой турбомашины.
[0042] На Фиг. 1 показана упрощенная схема осевой турбомашины. Турбомашина в данном случае представляет собой турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую ступень компрессора, так называемый компрессор 4 низкого давления, вторую ступень компрессора, так называемый компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней турбины 10. В процессе работы механическая энергия турбины 10, передаваемая через центральный вал ротору 12, приводит в движение два компрессора 4 и 6. Редукционные механизмы могут увеличивать скорость вращения, передаваемую компрессорам. Каждая из различных ступеней турбины может быть также соединена со ступенями компрессора посредством соосных валов. Эти валы содержат несколько рядов лопаток ротора, действующих совместно с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг своей оси 14 вращения, таким образом, делает возможным получение воздушного потока и постепенно сжимает его вплоть до входа в камеру 10 сгорания.
[0043] Приточный вентилятор, обычно именуемый «вентилятор» или «нагнетатель», 16 соединен с ротором 12 и производит воздушный поток, который разделен на первичный поток 18, проходящий через различные вышеупомянутые ступени турбомашины, и вторичный поток 20, проходящий через кольцевой контур (изображенный частично) вдоль машины, прежде чем в дальнейшем соединиться вновь с основным потоком на выходе турбины. Вторичный поток может быть ускорен таким образом, чтобы генерировать реверсивную тягу. Основной поток 18 и вторичный поток 20 являются кольцевыми потоками и направляются корпусом турбомашины, они могут циркулировать в осевом направлении. Для этой цели корпус имеет цилиндрические стенки или кожухи, которые могут быть внутренними и внешними.
[0044] На Фиг. 2 показано поперечное сечение компрессора осевой турбомашины 2, изображенного на Фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Здесь видны часть вентилятора 16 и передняя кромка обечайки 22 для разделения первичного потока 18 и вторичного потока 20. Ротор 12 имеет несколько рядов рабочих лопаток 24, в данном конкретном случае - три ряда.
[0045] Компрессор 4 низкого давления содержит статор, имеющий несколько направляющих аппаратов, в данном конкретном случае - четыре, каждый из которых содержит кольцевой ряд лопаток статора 26. Направляющие аппараты находятся во взаимодействии с вентилятором 16 или с рядом рабочих лопаток для направления воздушного потока так, чтобы преобразовать скорость потока в давление. Лопатки 26 статора проходят по существу в радиальном направлении от внешнего корпуса статора, и они могут быть закреплены там с помощью штифта, такого как установочный штифт, или стопорного болта. Корпус статора может быть внешним кожухом.
[0046] Статор содержит по меньшей мере один кожух 28, например, внутренний кожух 28, который позволяет направлять первичный поток 18. Статор может содержать несколько кожухов, например несколько внутренних кожухов. Каждый кожух 28 имеет кольцевой ряд отверстий. Эти отверстия распределены однородно по периметру внутренних кожухов, и через них пропущены концы лопаток с целью их закрепления. Каждый кожух может содержать, как правило, цилиндрическую или по существу коническую, кольцевую стенку, и, возможно, один или два кольцевых фланца, расположенных на осевых концах кольцевой стенки. Каждый кольцевой фланец проходит радиально во внутреннем или внешнем направлении. Кожухи 28 могут быть выполнены из металла, например из сплава титана, или из композитного материала с целью уменьшения их массы. Кожухи образуют механические связи между лопатками.
[0047] Статор содержит по меньшей мере одно или несколько колец 30 для удержания лопаток 26. Каждое кольцо 30 введено в пазы, образованные на концах лопаток, например, на внутренних концах, расположенных в радиальном направлении под внутренними кожухами. Статор может содержать несколько колец 30, каждое из которых взаимосвязано с кольцевым рядом лопаток, для того, чтобы удерживать лопатки данного ряда на соответствующем кожухе в радиальном направлении.
[0048] Статор содержит по меньшей мере один или несколько слоев материала 32, связанных по меньшей мере с одним кожухом. По крайней мере один или каждый из слоев материала может быть слоем истираемого материала 32 или слоем рыхлого материала, размещенным в полостях внутренних кожухов 28. По меньшей мере один или каждый слой может быть кольцевым. Слои истираемого материала 32 могут быть в основном постоянной толщины, таким образом, чтобы они образовывали полосу. Эти слои истираемого материала 32 предназначены для взаимодействия путем истирания с уплотнением ротора или кольцевыми ребрами, таким образом, чтобы обеспечить уплотнение, например, динамическое уплотнение. Слои истираемого материала 32 обеспечивают воздухонепроницаемое заполнение и могут быть структурными. Каждый слой истираемого материала может обеспечивать амортизацию. Каждый слой истираемого материала может сцепляться с кольцом и/или с кожухом, и/или с лопаткой. Во время работы турбомашины ротор смещается и деформируется таким образом, что радиальные концы уплотнений снимают тонкий слой соответствующего слоя истираемого материала. Они могут оставлять на нем кольцевые борозды.
[0049] Один или каждый кожух 28 может быть выполнен из нескольких кольцевых сегментов, образующих угловые секторы окружностей. Кольцо 30 может быть тоже сегментировано так же, как и слой истираемого материала 32. Кольцевые сегменты имеют дугообразную форму. Каждый из них имеет несколько отверстий, в которые установлены внутренние концы лопаток 26 статора. Например, каждый кольцевой сегмент может быть соединен по меньшей мере с тремя лопатками и, возможно, с четырьмя лопатками.
[0050] На Фиг. 3 изображен статор осевой турбомашины, который имеет ряд лопаток статора 26, соединенных с кожухом 28 посредством стопорного кольца 30 и слоя истираемого материала 32. Статор изображен в сечении вдоль оси 3-3, указанной на Фиг. 2. Данный подход может быть применен, как к внутреннему кожуху, так и к внешнему кожуху.
[0051] Концы 34, например внутренние, лопаток 26 проходят через отверстия 36 кожуха 28. Каждое отверстие 36 может быть адаптировано к форме соответствующей лопатки или может представлять собой свободное пространство вокруг лопатки 26. Свободное пространство может быть заполнено слоем истираемого материала 32 или дополнительным силиконовым соединением (не отображено), чтобы обеспечить уплотнение в соединении. Каждая лопатка 26 имеет непрерывный профиль по обе стороны кожуха 28. В дополнение к непрерывности профиля концы 34 лопаток имеют крепежные пазы 38. Эти пазы 38 участвуют в соединении, например, при помощи плотного контакта, с соответствующим кольцом 30. Лопатки содержат перья лопаток, расположенные в потоке, и концы, радиально противоположные перьям лопаток по отношению к кожуху. Кожух отделяет концы от перьев лопаток, расположенных в потоке.
[0052] Кольцо 30 может иметь форму полосы, у которой есть две стороны. Каждая сторона покрыта слоем истираемого материала 32. Кольцо 30 может быть окружено слоем истираемого материала 32 между каждым концом 34 лопатки 26, или по всей длине кожуха. Кольцо 30 может быть изогнуто таким образом, чтобы ограничить внутреннюю кольцевую поверхность или внешнюю кольцевую поверхность соответствующего кожуха 28. Кольцо 30 может находиться на расстоянии в радиальном направлении от кольцевой поверхности кожуха 28. Таким образом, часть слоя истираемого материала 32 может быть расположена между кожухом 28 и кольцом 30. В области кольца 30 в осевом направлении большая часть радиальной толщины слоя истираемого материала, возможно, может находиться между кожухом и кольцом.
[0053] Пространство между кольцом 30 и кожухом 28 преимущественно занято слоем истираемого материала 32. Слой истираемого материала может быть в контакте с кожухом и кольцом. Таким образом, осуществляется лучшее распределение сил, действующих между кольцом 30 и кожухом 28, и, соответственно, между лопатками 26 и кожухом 28. Концентрации напряжений уменьшаются, что повышает срок службы кожуха 28 и/или позволяет облегчить его конструкцию с целью уменьшения веса. Кольцо 30 может образовывать усиливающий контур для кожуха 28. Кожух 28 может образовывать подложку для слоя истираемого материала 32, и/или защитную оболочку, покрывающую слой истираемого материала 32.
[0054] Слой истираемого материала 32 может содержать эластомер, вязкоэластичные свойства которого в сочетании с наличием кольца 30 повышают эффект амортизации в присутствии вибраций в статоре. Слой истираемого материала 32 может быть приклеен к лопаткам 26 и/или к кожуху 28, и/или к кольцу 30. Клей может быть нанесен на кольце 30, для его склеивания с окружающей его средой. Слой истираемого материала 32 может быть силиконом, возможно, содержащим шарики в целях улучшения рыхлости.
[0055] Материал по меньшей мере одного или каждого кольца 30 может быть металлом. Металл может быть марганцево-кремнистой сталью, например, с содержанием от 1,5% до 2% кремния, например, от 0,6% до 0,7% марганца, от 0,4% до 0,6% углерода. Металл или сталь могут содержать хром и/или вольфрам, и/или молибден, и/или ванадий. Сталь может быть типа 45S7, 55S7, 45SCD6, 60SC7, 45SW8 или 45С4, 50CV4. Металл также может быть медью с содержанием от 1% до 2% бериллия. Проценты являются массовыми процентами.
[0056] На фиг. 4 изображен в увеличенном масштабе статор с радиальным концом 34 лопатки, прикрепленной к кожуху 28 с помощью кольца 30, инкапсулированного в слое истираемого материала 32, нанесенного внутри кожуха.
[0057] Конец 34 лопатки 26 проходит через кожух 28 и выходит за пределы кожуха на стороне, противоположной потоку текучей среды. Конец 34 включает в себя крепежный паз или анкерный паз 38. Паз 38 может быть ориентирован вдоль оси или в радиальном направлении. Выражение «ориентирован» может быть использовано в значении «открыт». Паз может иметь протяжение преимущественно в осевом направлении и может быть открыт в радиальном направлении. Паз 38 может образовывать вырез в конце 34 лопатки 26.
Крепежный паз 38 ограничивает пространство, в которое установлено кольцо 30 для обеспечения его удержания.
[0058] Паз 38 имеет входное отверстие, через которое кольцо может быть введено или удалено, и основание 40 напротив входного отверстия. Паз может быть конусообразным или зауженным. Конусность может быть образована между входным отверстием и основанием 40 и может быть постепенной. Ширина прохода паза уменьшается от основания к входному отверстию. Паз 38 может иметь два выступа 42, которые соединяют входное отверстие и основание 40. Выступы 42 сближены, образуя, таким образом, конус. Концы 34 лопатки могут иметь два крюка 44, формирующие конус. Они могут быть сближены друг с другом локально. Конусность является осевой, если паз 38 открыт в радиальном направлении. Она может быть радиальной в случае аксиально открытого паза.
[0059] Кольцо 30 имеет форму полосы или ленты, основное удлинение которой проходит по периметру окружности кожуха 28. Поперечный профиль полосы является дугообразным и имеет изогнутую форму. Изогнутая форма позволяет уменьшить поперечную ширину кольца 30 и/или увеличить его толщину, при этом толщина перпендикулярна удлинению и поперечному направлению. Профиль кольца 30 имеет главное удлинение. Это главное удлинение может быть ориентировано в радиальном направлении или в осевом направлении, например, в зависимости от ориентации конуса и его удерживающей функции. Кольцо, или по меньшей мере его полоса, является существенно тонкой. Его толщина составляет менее 1,00 мм и, возможно, менее 0,25 мм.
[0060] Дугообразная форма поперечного профиля описывает часть круга и, возможно, больше чем один оборот. Профиль может описывать часть кривой или сектор окружности с углами от 180° до 30°, предпочтительно от 120° до 60° и более предпочтительно от 90° до 72°. Дугообразная форма входит в контакт с конусом, обеспечивая, таким образом, удержание кольца в пазу, она также может быть в контакте с основанием паза. Кольцо 30 может иметь вогнутую поверхность по отношению к кожуху, что позволяет часть слоя истираемого материала ограничить кожухом.
[0061] Дугообразная форма позволяет увеличить габариты профиля кольца 30. Это обеспечивает увеличение контактной поверхности для удержания лопатки. В дополнение к своему дугообразному виду полоса может иметь постоянную толщину. Дугообразный поперечный профиль кольца 30 имеет относительную гибкость, которая позволяет вводить его в паз 38 посредством его сдавливания. Оно может быть сдавлено в поперечном или в осевом направлении для вхождения в паз, например, посредством пластической деформации. Кольцо также может быть пружиной, выполненной с возможностью упругой деформации при ее введении в паз. Она способна упруго деформироваться в радиальном или осевом направлении более чем на 5%, а предпочтительно более чем на 10% от размера в соответствующем направлении.
[0062] Для предотвращения обратной деформации кольцо 30 удерживается в слое истираемого материала 32. Слой истираемого материала 32 охватывает профиль, например, весь поперечный профиль. Этот слой истираемого материала 32 может иметь толщину, которая больше половины радиальной толщины кожуха 28. Он может блокировать кривизну профиля для фиксации кольца 30 в пазе 38 таким образом, чтобы предотвратить его выход в случае чрезмерной деформации кольца пазом. Эта деформация может увеличить или уменьшить кривизну в зависимости от ориентации кривизны по отношению к конусу.
[0063] Отличительные признаки настоящего изобретения, указанные выше, подробно описаны для кожуха и/или для кольца, и/или для слоя истираемого материала, и/или для паза. Тем не менее, каждый отличительный признак может применяться ко всем кожухам и/или всем кольцам, и/или ко всем слоям истираемого материала, и/или ко всем пазам в статоре турбомашины, или также к нескольким из них.