ПЛАТФОРМА ЛОПАСТИ И ДИСК ВЕНТИЛЯТОРА ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
BLADE PLATFORM AND FAN DISC FOR AIRCRAFT TURBINE ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к общей области авиационных турбинных двигателей, а точнее к платформам лопастей и диску вентилятора для авиационного турбинного двигателя, к узлу, содержащему платформы и диск, а также к вентилятору, включающему в себя узел.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Платформы лопастей вентилятора в турбинном двигателе должны выполнять несколько функций. С точки зрения аэродинамики основная функция платформ заключается в определении прохода воздушного потока. Они должны также выдерживать большие нагрузки с наименьшей деформацией и при этом оставаться прикрепленными к удерживающему их диску.
Для выполнения этих различных требований были предложены определенные конфигурации, в которых платформы имеют первый участок, служащий для того, чтобы определять проход воздушного потока и удерживать платформу во время вращения двигателя, и второй участок, служащий для ограничения какой-либо деформации первого участка под действием центробежных сил и для удержания платформы в требуемом положении, когда двигатель останавливается.
В существующих решениях платформа может быть выполнена в форме короба с двухмерной стенкой прохода, удерживаемой спереди барабаном, а сзади кожухом, при этом верхнее по потоку крепление кожуха расположено над зубцом диска вентилятора (фланец кожуха служит для блокировки верхнего по потоку конца платформы и аксиально, и радиально).
Такое верхнее по потоку крепление, выполненное над зубцом диска за счет использования кожуха, является недостатком применения большого соотношения ступицы, где соотношение ступицы есть отношение радиуса между осью вращения и точкой переднего края лопасти, которая находится на одном уровне с поверхностью платформы, к радиусу между осью вращения и наиболее удаленной точкой переднего края. Кроме того это верхнее по потоку крепление может позволить снять избыточные напряжения на зубце и в пазу диска, где выполнено соединение между кожухом и диском.
Для оптимизации производительности вентилятора и турбинного двигателя в целом желательно иметь узел, содержащий платформу, прилегающую к лопасти вентилятора на диске вентилятора, который обеспечивает наименьшее возможное соотношение ступицы, при ограничении напряжений на зубце и пазу диска.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вариант выполнения обеспечивают платформу, предназначенную для размещения между двумя смежными лопастями вентилятора и содержащую:
стенку прохода для определения прохода воздушного потока вентилятора;
нижнюю стенку, имеющую основную поверхность для плотного прилегания к диску вентилятора; и
платформу с осевой и радиальной удерживающими поверхностями, расположенными на двух осевых концах платформы, отличающуюся тем, что радиальная удерживающая поверхность, расположенная на верхнем по потоку осевом конце платформы, радиально смещена от основной поверхности нижней стенки в направлении, в котором нижняя стенка плотно прилегает к диску.
Термин «осевой» используется для обозначения самого длинного направления платформы, а термин «радиальный» используется для обозначения направления, перпендикулярного осевому направлению и основной поверхности нижней стенки.
Термин «верхний по потоку » обозначает расположенный спереди относительно направления воздушного потока, когда платформа плотно прилегает к диску вентилятора.
Платформа может быть выполнена в форме короба, образованного путем сборки стенки прохода и нижней стенки. Стенка прохода служит для определения прохода воздушного потока, входящего в вентилятор. Нижняя стенка служит для удержания стенки прохода в требуемом положении, а также для ограничения какой-либо деформации, возникающей под действием центробежных сил. Нижняя стенка имеет также основную поверхность, плотно прилегающую к диску вентилятора.
Осевая и радиальная удерживающие поверхности, расположенные на двух осевых концах платформы, служат для удержания платформы и сохранения ее в требуемом положении относительно диска, на который она опирается во время движения диска.
Радиальная удерживающая поверхность, расположенная на верхнем по потоку осевом конце платформы, радиально смещена относительно основной поверхности нижней стенки. Термин «радиально смещен» означает смещение в направлении, в котором нижняя стенка плотно прилегает к диску. Радиальная удерживающая поверхность и основная поверхность нижней стенки могут быть по существу параллельны друг другу. Такое смещение радиальной удерживающей поверхности служит для изменения формы верхнего по потоку осевого конца стенки прохода и, таким образом, платформы, по сравнению с известными платформами. Например, платформа может быть выполнена в форме наклонного короба, т.е. короба, верхний по потоку конец которого радиально смещен относительно основной поверхности нижней стенки. Таким образом, такая модификация формы платформы служит для изменения прохода воздушного потока, когда платформа расположена в вентиляторе и, следовательно, снижения соотношения ступицы для увеличения производительности вентилятора и, соответственно, турбинного двигателя, в котором вентилятор установлен.
В некоторых вариантах выполнения нижняя стенка имеет наклонную поверхность, наклоненную относительно основной поверхности нижней стенки и непрерывно соединяющую основную поверхность нижней стенки с радиальной удерживающей поверхностью, расположенной на верхнем по потоку осевом конце платформы.
Так как радиальная удерживающая поверхность, расположенная на верхнем по потоку осевом конце платформы, радиально смещена относительно основной поверхности нижней стенки, наклонная поверхность соответствует участку нижней стенки, который служит для компенсации смещения между радиальной удерживающей поверхностью и основной поверхностью нижней стенки. Следовательно, можно понять, что наклонная поверхность плотно прилегает к диску. Радиальная удерживающая поверхность, расположенная на верхнем по потоку осевом конце платформы, наклонная поверхность и основная поверхность нижней стенки могут быть выполнены за одно целое и образовывать нижнюю стенку.
Наличие такой наклонной поверхности дает возможность изменять и оптимизировать форму платформы с целью увеличения соотношения ступицы и, тем самым, улучшения производительности вентилятора и турбинного двигателя.
В некоторых вариантах выполнения наклонная поверхность представляет собой прямолинейный участок стенки.
В результате, прямолинейный участок стенки линейно соединяет радиальную удерживающую поверхность с основной поверхностью нижней стенки, изменяя таким образом форму верхнего по потоку осевого конца платформы для уменьшения соотношения ступицы. Такой прямолинейный участок стенки является преимуществом, т.к. имеет простую и легкую форму для изготовления, например, на металлорежущем станке.
В некоторых вариантах выполнения наклонная поверхность представляет собой криволинейный участок стенки.
В результате, криволинейный участок стенки плавно соединяет радиальную удерживающую поверхность с основной поверхностью нижней стенки, изменяя таким образом форму верхнего по потоку осевого конца платформы для уменьшения соотношения ступицы. Такой криволинейный участок стенки имеет преимущество в сглаживании изменения наклона от основной поверхности нижней стенки, избегая какой-либо неравномерности в стыке между наклонной поверхностью и основной поверхностью в отличие от прямолинейного участка стенки, тем самым уменьшая напряжения в этом стыке.
В некоторых вариантах выполнения наклонная поверхность и стенка прохода по существу параллельны.
В результате, верхний по потоку осевой конец платформы имеет наклонную форму, при этом наклонная поверхность и участок прохода радиально наклонены таким же образом в направлении, в котором платформа плотно прилегает к диску. Такая форма верхнего по потоку осевого конца платформы дает возможность уменьшить соотношение ступицы.
Настоящее раскрытие также обеспечивает диск, предназначенный для поддержки платформ и лопастей вентилятора и содержащий:
внешнюю поверхность, представляющую собой последовательность пазов для размещения лопастей вентилятора и зубцов, расположенными между пазами для поддержки платформ вентилятора;
верхнюю по потоку поверхность диска; и
множество осевых выступов, расположенных радиально вокруг оси диска на верхней по потоку поверхности диска и предназначенных для прикрепления к удерживающему фланцу платформы вентилятора, причем диск отличается тем, что выступы радиально смещены по направлению к внутренней части диска относительно зубцов диска.
Термин «верхняя по потоку поверхность» используется для обозначения расположения сзади относительно направления воздушного потока, когда диск размещен в вентиляторе.
Термин «осевые выступы» используется для обозначения выступов, аксиальных в направлении воздушного потока, когда диск размещен в вентиляторе.
Термин «радиально смещен» означает смещение по направлению к внутренней части диска, т.е. по направлению к оси вращения диска.
Диск может иметь столько же осевых выступов, сколько и зубцов.
Каждый осевой выступ может включать в себя отверстие для крепления осевых выступов к удерживающему фланцу платформы вентилятора, например, при помощи винта или болта.
Поскольку осевые выступы радиально смещены по направлению к внутренней части диска относительно зубцов, когда выступы крепятся к удерживающему фланцу платформы, участок крепления, расположенный на выступах, таким образом, радиально смещается относительно зубцов диска. Это дает преимущество в ограничении напряжений на зубцах диска, когда внешний элемент, например, удерживающий фланец платформы, прикреплен к диску.
При этом, поскольку этот участок крепления радиально смещен относительно зубцов диска, это дает преимущество в освобождении пространства у верхнего по потоку осевого конца зубцов диска, например, делая возможной механическую обработку зубца диска.
В некоторых вариантах выполнения осевые выступы представляют собой механически обработанные выступы на верхней по потоку поверхности диска.
Они могут быть выполнены в форме кубов с отверстием для крепления в каждом, выполненные аксиально в верхней по потоку поверхности выступов. Отверстия для крепления могут служить для крепления внешних элементов к диску, например, удерживающего фланца или кожуха, например, при помощи винта или болта. Осевые выступы могут также включать в себя соответствующие отверстия для вставки, выполненные радиально на внешних поверхностях выступов. Отверстия для вставки могут служить для вставки элементов крепления для крепления внешних элементов к диску.
В некоторых вариантах выполнения верхний по потоку осевой конец зубцов диска представляет собой скошенную поверхность.
Скошенная поверхность может быть выполнена в форме наклонной поверхности, наклоненной относительно основной поверхности зубца диска по направлению к внутренней части диска. Скошенная поверхность может быть выполнена, например, путем механической обработки верхних по потоку осевых концов зубцов диска. Такая механическая обработка возможна благодаря пространству, образованному за счет радиального смещению осевых выступов на верхней по потоку поверхности диска. Наличие этой скошенной поверхности дает преимущество в том, что делает возможной адаптацию формы зубцов диска к форме платформы для того, чтобы она могла плотно прилегать к зубцу, снижая таким образом соотношение ступицы для улучшения производительности вентилятора.
Настоящее раскрытие также обеспечивает узел, содержащий диск и по меньшей мере одну платформу, причем узел дополнительно содержит по меньшей мере один верхний по потоку удерживающий фланец для осевого и радиального удержания верхнего по потоку конца платформы, причем верхний удерживающий фланец закреплен на выступе верхней по потоку поверхности диска.
Когда удерживающий фланец прикреплен к диску, контактной поверхность между фланцем и диском, соответствующая участку крепления фланца на осевом выступе, радиально смещена по направлению к внутренней части диска относительно зубца диска, в сравнении с известными системами, где эта поверхность находится на уровне зубца диска. Это смещение служит для ограничения напряжений, возникающих на верхних по потоку осевых концах зубцов и пазов диска. К тому же, смещение этой контактной поверхности служит для освобождения пространства у верхнего по потоку осевого конца каждого зубца диска, обеспечивая лучшие возможности для механической обработки зубцов, и, таким образом, для изменения формы платформы и, тем самым, уменьшения соотношения ступицы.
В некоторых вариантах выполнения, когда платформа плотно прилегает к зубцу диска, наклонная поверхность нижней стенки находится в контакте со скошенной поверхностью зубца диска, и наклонная поверхность и скошенная поверхность параллельны.
Так как контактная поверхность между фланцем и диском смещена по направлению к внутренней части диска, зубцы диска могут беспрепятственно обрабатываться механически. Таким образом, верхний по потоку осевой конец зубца может иметь скос, подходящий для механической обработки формы платформы, при этом скошенная поверхность параллельна наклонной поверхности платформы. Это является преимуществом в создании компактного узла, в котором платформа удерживается напротив зубца диска за счет удерживающего фланца, прикрепленного к выступу диска.
В некоторых вариантах выполнения верхний по потоку удерживающий фланец является кожухом.
Настоящее раскрытие также обеспечивает вентилятор турбинного двигателя, содержащий узел, согласно любому из вариантов выполнения, описанных в настоящем раскрытии вместе с множеством лопастей, установленных в пазах диска.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение и его преимущества можно лучше понять, прочитав следующее далее подробное описание различных вариантов выполнения, приведенных в качестве неограничивающих примеров.
Описание относится к сопровождающим листам фигур, среди которых:
Фигура 1 представляет собой схематический вид сечения турбинного двигателя изобретения;
Фигура 2 представляет собой схематический вид вентилятора на Фигуре 1, если смотреть вдоль направления II;
Фигуры 3А и 3В представляют собой виды в продольном сечении платформы изобретения;
Фигура 4 представляет собой вид в перспективе диска изобретения;
Фигура 5 представляет собой вид в продольном сечении узла, содержащего удерживающий фланец, платформу и диск изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
В настоящем раскрытии термин «продольный» и его производные определены относительно основного направления рассматриваемой платформы; термины «радиальный», «внутренний», «внешний» и их производные определены относительно основной оси турбинного двигателя; и, наконец, термины «верхний по потоку» и «нижний по потоку» определены относительно направления потока текучей среды, проходящей через турбинный двигатель. Кроме того, если не указано иное, на различных фигурах одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые признаки.
Фигура 1 представляет собой схематический вид в продольном сечении двухконтурного турбореактивного двигателя 1 изобретения с центром на оси А. Сверху вниз он содержит: вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру сгорания 5, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления.
Фигура 2 представляет собой схематический вид вентилятора 2 на Фигуре 1, если смотреть в направлении II. Вентилятор 2 имеет диск 40 вентилятора с множеством пазов 42, выполненных по его внешней периферии. Эти пазы 42 являются прямолинейными и продолжаются аксиально сверху вниз по всей длине диска 40. Они также равномерно распределены вокруг оси А диска 40. Таким образом, каждый паз 42 взаимодействует с соседним пазом, определяя зубец 44, который аналогичным образом продолжается сверху вниз по всей длине диска 40. Таким же образом паз 42 определен двумя соседними зубцами 44.
Вентилятор 2 имеет также множество лопастей 20 криволинейного профиля (на Фигуре 2 показаны только четыре лопасти). Каждая лопасть 20 имеет основание 20а, закрепленное в соответствующем пазу 42 диска 40 вентилятора. Для этой цели основание 20а лопасти 20 может быть выполнено в форме новогодней елки или в форме ласточкиного хвоста, чтобы соответствовать форме пазов 42.
В довершение, вентилятор 2 имеет множество платформ 30, установленных на нем, причем каждая платформа 30 установлена в промежутке между двумя соседними лопастями 20 вентилятора вблизи их оснований 20а для того, чтобы определять внутреннюю часть кольцеобразного прохода для впуска воздуха в вентилятор 2, причем проход определен внешней стороной корпуса вентилятора.
Фигуры 1 и 2 также показывают внутренний радиус RI и внешний радиус RE. Внутренний радиус RI соответствует радиусу, измеренному между осью вращения А и точкой переднего края лопасти 20, которая находится на одном уровне с поверхностью платформы 30. Внешний радиус RI соответствует радиусу, измеренному между осью вращения А и наиболее удаленной точкой переднего края лопасти 20. Эти два радиуса RI и RE используются для расчета соотношения ступицы RI/RE, которое должно быть уменьшено с помощью узла изобретения (в частности, за счет уменьшения внутреннего радиуса RI). Другими словами, снижение соотношения ступицы, в частности, за счет воздействия на внутренний радиус RI, равносильно смещению аэродинамического прохода для впуска воздуха максимально близко к диску вентилятора.
Фигуры 3А и 3В представляют собой виды в продольном сечении платформы 30. Платформа 30 настоящего изобретения содержит стенку 34 прохода, нижнюю стенку 36, а также радиальную и осевую удерживающие поверхности 38 и 39, расположенные на двух осевых концах платформы 30. Узел, образованный стенкой 34 прохода и стенкой 36, образует короб 32, составляющий платформу 30. Нижняя стенка образована основной поверхностью 36а и наклонной поверхностью 36b. Наклонная поверхность 36b непрерывно соединяет основную поверхность 36а с удерживающей поверхностью 38 таким образом, что удерживающая поверхность 38, которая находится на верхнем по потоку осевом конце платформы, радиально смещена относительно основной поверхности 36а. На примере Фигуры 3В наклонная поверхность 36b является криволинейным участком стенки.
Фигура 4 представляет собой вид в перспективе диска вентилятора с внешней поверхностью 40а и верхней по потоку поверхностью 40b. Внешняя поверхность 40а имеет последовательность пазов 42, каждый из которых подходит для приема основания 20а лопасти 20 вентилятора, с зубцами 44, расположенными между пазами 42, подходящими для поддержки платформ 30 вентилятора. Каждый зубец 44 имеет основную поверхность 44а зубца и скошенную поверхность 44b. Скошенная поверхность 44b создается, например, путем механической обработки верхнего по потоку осевого конца зубца 44 так, чтобы форма скошенной поверхности 44b была идентична форме наклонной поверхности 36b платформы 30. В результате, когда платформа 30 плотно прилегает к зубцу 44, основная поверхность 36а платформы находится в контакте с основной поверхностью зубца 44а, а наклонная поверхность 36b платформы находится в контакте со скошенной поверхностью 44b зубца, как показано на Фигуре 5.
Кроме того, диск 40 на своей верхней по потоку поверхности 40b имеет множество осевых выступов 46, которые могут быть выполнены в форме кубов и расположены по окружности через равные интервалы вокруг оси А. Количество осевых выступов 46 может быть равно количеству зубцов 44, причем каждый выступ 46 находится в радиальном выравнивании с соответствующим зубцом 44. К тому же каждый осевой выступ 46 радиально смещен по направлению к внутренней части диска, т.е. по направлению к оси А, относительно соответствующего зубца 44. Например, расстояние между осью А и внешней поверхностью 46а выступа 46 может быть меньше, чем расстояние между осью А и пазом 42.
Каждый осевой выступ 46 может иметь отверстие 460b для крепления на его верхней по потоку поверхности 46b, предназначенное для приема крепежных средств 49, например, винта или болта. Каждый осевой выступ 46 может также включать в себя на своей внешней поверхности 46а отверстие 460а для вставки, предназначенное для приема элемента 47 крепления, например, вставки с резьбовым отверстием. Верхний по потоку удерживающий фланец 50, например, кожух, может таким образом быть прикреплен к осевому выступу 46, например, за счет вставки крепежного средства 49 через отверстие во фланце 52 и отверстии 460b для крепления в выступе, причем далее элемент 49 крепления крепится, например, винтом, к элементу 47 крепления, которое вставляется через отверстие 460а для вставки выступа. Вместе с удерживающим фланцем 50, прикрепленным к диску 40, верхняя поверхность 54 фланца 50 служит для обеспечения радиального удержания платформы 30.
Поскольку участок крепления между диском 40 и удерживающим фланцем 50 находится на осевых выступах 46, во время работы вентилятора становится возможным ограничение напряжений, появляющихся на таких чувствительных поверхностях, как верхние по потоку осевые конца зубца 44 и пазов 42 диска. Кроме того, поскольку в сравнении с известными конструкциями эта контактная поверхность между диском 40 и удерживающим фланцем 50 радиально смещена относительно зубцов диска, становится возможным уменьшить пространство на верхних по потоку осевых концах зубцов диска. В результате, можно более свободно изменять верхние по потоку осевые концы зубцов 44 и, таким образом, верхний по потоку осевой конец платформы 30, тем самым уменьшая соотношение ступицы с целью оптимизации производительности вентилятора и, таким образом, турбинного двигателя, в котором вентилятор установлен. В качестве примера Фигура 5 показывает платформу 30, в которой короб 32 имеет форму, наклоненную в по направлению к внутренней части диска 40 за счет скошенной поверхности 44b диска 40 и наклонной поверхности 36b платформы 30.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты выполнения, понятно, что модификации и изменения могут быть осуществлены, не выходя за пределы объема охраны изобретения, определенного формулой изобретения. В частности, индивидуальные характеристики указанных и/или упомянутых различных вариантов выполнения могут быть объединены в дополнительные варианты. Так что, описание и чертежи должны рассматриваться как иллюстративные, а не ограничивающие.