РОТОРНАЯ ЛОПАТКА С АКТИВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ЗАЗОРА, РОТОРНЫЙ УЗЕЛ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
ROTOR VANE WITH ACTIVE GAP ADJUSTMENT, ROTOR ASSEMBLY AND ITS OPERATION METHOD

Изобретение относится к роторной лопатке для авиационного газотурбинного двигателя, к роторному узлу для газотурбинного двигателя, содержащему множество таких лопаток, к способу работы такого роторного узла и к способу изготовления лопатки.
Предпочтительным газотурбинным двигателем является авиационный турбовентиляторный двигатель.
Европейский патентный документ ЕР 0708227 описывает состояние техники и исследует различные возможные проблемы, касающиеся уплотнения роторных лопаток газотурбинного двигателя.
Таким образом, чтобы обеспечить максимальные эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей, требуется существенно минимизировать протечку газа между неподвижными и вращающимися частями таких газотурбинных двигателей.
В Европейском патентном документе ЕР 2182174 описан регулятор зазора, где на одном конце лопатки расположено неподвижное уплотнение. Универсальный шарнир, присоединенный к внешнему корпусу, окружающему лопатки, может входить в контакт с указанным неподвижным уплотнением с помощью подвижного механического соединения, содержащего механическое сочленение.
Немецкий патентный документ DE 102004050739 описывает роторную лопатку газотурбинного двигателя, на одном конце которой имеется уплотнение, связанное с областью верхней части лопатки посредством механического соединительного звена, способного радиально перемещаться.
В настоящем документе, относящемся к рассматриваемой технической области, термины «вверх по течению (АМ)» и «вниз по течению (AV)» определяются соответственно как расположение по оси на стороне, откуда основной поток входит в газотурбинный двигатель, и как расположение по оси на стороне, куда направлен этот же поток. Термины "внутренний" и "внешний" определяются радиально относительно оси, вокруг которой указанные роторные элементы вращаются (ось 7 внизу), а термины "осевой" и "радиальный" определяются относительно той же оси 7.
Схематически, вдоль указанной оси в направлении вниз по течению авиационный газотурбинный двигатель, как правило, содержит вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания и последовательно турбины высокого давления и низкого давления.
В частности, каждая турбина содержит неподвижную часть, или статор, и часть, вращающуюся вокруг продольной центральной оси и образующую ротор, также снабженный лопатками.
Таким образом, как известно, турбина 1 низкого давления турбореактивного самолета или турбовинтового двигателя, показанная на фиг. 1, содержит несколько турбинных колес 3, которые расположены последовательно внутри внешнего корпуса 5 и вращаются вокруг центральной оси 7 газотурбинного двигателя, вниз по течению от неподвижного соплового кольца 9, снабженного рядом неподвижных лопаток. Каждое колесо 3 содержит диск 11, на внешней периферии которого расположены подвижные лопатки 13.
Как хорошо видно на фиг. 2, которая также иллюстрирует уровень техники, каждый диск 11 на своей внешней периферии содержит зубцы 23, чередующиеся с канавками или выемками 25, в которые в осевом направлении вставлены хвостовые части 26 лопаток и удерживаются в радиальном направлении, при этом лопатки проходят радиально из выемок 25 в струе 27 кольцевого потока горячего газа, подаваемого из камеры 15 сгорания.
Более конкретно, тело 17 каждой лопатки содержит, в радиальном направлении снаружи к оси, перо 19, платформу 29, проходящую по существу перпендикулярно к оси протяженности лопатки, и стойку 31, соединяющую платформу с хвостовой частью 26 лопатки. Хвостовые части удерживаются в радиальном направлении в выемках 25. Платформы 29 расположены по окружности торец к торцу, образуя вместе внутреннюю базовую границу течения потока горячих газов, циркулирующих в турбине.
Как указывается в упомянутом выше документе ЕР 0708227, каждая лопатка 13 может быть выполнена из волокнистого материала, часть которого вне лопатки образует щетку (или щеточное уплотнение) 21.
Когда лопатка 6 вращается, щетка 21 трется о канал корпуса 5, образующего вокруг лопаток неподвижную круговую оболочку, выполненную из одной или нескольких частей.
Чтобы создать уплотнение, как схематично показано на фиг. 3, ряд блоков 22, выполненных из истираемого материала, прикрепленных изнутри к корпусу 5, могут быть обращены в радиальном направлении к щеточному уплотнению за пределами его внешней периферии.
Изобретение, представленное здесь, является альтернативой такому известному решению, в котором используются щетки и которое может быть трудно осуществимым в промышленности, тем более, что в турбинах низкого давления термические напряжения могут быть дополнительной проблемой. В сущности, следует рассматривать проблему термостойкости щеток, для которых выбор материала является трудным.
Проблему прогнозирования износа между двумя контактирующими частями и планирования технического обслуживания также нужно принять во внимание.
Что касается указанных выше патентных документов ЕР 2182174 и DE 102004050739, нужно также принять во внимание простоту монтажа лопаток и использование решения, которое является практичным с точки зрения осуществления и/или технического обслуживания.
Вот почему настоящее изобретение предлагает лопатку для двигателя, содержащую тело, частично образующее перо, имеющее на радиально внешнем конце верхнюю часть и, по меньшей мере, один уплотнительный элемент, соединенный с областью верхней части лопатки посредством механического соединительного звена, выполненного с возможностью перемещения между положением покоя и активным положением, причем уплотнительный элемент выступает в радиальном направлении из верхней части лопатки, а подвижное механическое соединительное звено содержит механическое сочленение.
Таким образом, уплотнительный элемент сможет уцелеть в случае избыточной радиальной силы, избегая, таким образом, ненадлежащего износа материала, с которым он контактирует, и/или повреждения самого уплотнительного элемента.
Подвижное механическое соединительное звено, содержащее предпочтительно свободное поворотное соединительное звено, обеспечит "саморегулирование", в зависимости от того, вращается лопатка вокруг оси 7 или находится в покое.
Для обеспечения изготовления такой лопатки и его облегчения, предпочтительно, верхняя часть лопатки образует ребро, которое выполнено за одно целое с изготовленной лопаткой или присоединено и прикреплено к ней. В известной степени, ребро является разновидностью малой платформы, которая образует обод вокруг внешнего конца лопатки. Ребра вместе образуют внешнюю границу для течения потока газа, который проходит между лопатками, так как они обычно расположены бок о бок по окружности вокруг набора лопаток, хвостовые части которых прикреплены к центральному диску, приводящему в движение такие лопатки.
Кроме того, чтобы способствовать регулированию износа между контактирующими частями и, следовательно, техническому обслуживанию, также предлагается, что подвижный уплотнительный элемент должен быть изготовлен из композитного материала.
Конструктивно, также предпочтительно, что для указанного подвижного механического соединительного звена:
- уплотнительный элемент может иметь основание, а верхняя часть лопатки может иметь выступ, и
- основание или выступ может образовывать вогнутое гнездо, в которое может быть вставлен выпуклый снаружи фигурный элемент другого из указанных элементов, выступа или основания.
Таким образом обеспечиваются удержание как от перемещения, так и от поворота.
Чтобы облегчить изготовление основания уплотнительного элемента за одно целое в виде сплошного элемента, рекомендуется, чтобы уплотнительный элемент имел выпуклый снаружи фигурный элемент, подвижно размещенный в вогнутом гнезде верхней части лопатки.
Опять, конструктивно, указанное вогнутое гнездо может предпочтительно иметь отверстие, в котором расположен выпуклый снаружи фигурный элемент, при этом кромки указанного отверстия образуют ограничители подвижности внешнего уплотнительного элемента относительно верхней части лопатки. Что касается роторного узла для газотурбинного двигателя, также предлагаемого в данном изобретении, он может включать:
- роторный диск, установленный с возможностью вращения вокруг продольной оси двигателя и имеющий канавки на своей внешней периферии,
- ряд роторных лопаток, таких как описаны выше, каждая из которых прикреплена к роторному диску, и
- неподвижный корпус, имеющий контактные блоки, например, выполненные из истираемого материала и окружающие уплотнительные элементы лопаток, причем уплотнительные элементы выполнены с возможностью перемещения относительно указанных блоков без необходимости в сгибании.
В соответствии с требуемой подвижностью уплотнительного элемента/верхней части лопатки, предложено, что на каждой роторной лопатке указанный или каждый уплотнительный элемент предпочтительно выполнен с возможностью перемещения относительно верхней части лопатки, по меньшей мере, вдоль оси, по существу поперечной оси, вокруг которой вращается роторный диск.
Что касается способа работы такого роторного узла, который является одним из аспектов изобретения, предпочтительно, все указанные подвижные уплотнительные элементы вступают в контакт с контактными блоками, только начиная с заданной скорости вращения лопаток.
Кроме того, в дополнение к этому, или нет, предпочтительно, указанные подвижные уплотнительные элементы наклоняют с переменным наклоном, без необходимости в сгибании относительно контактных блоков,
- на основании, по меньшей мере, одного из следующих параметров: скорости вращения лопаток, температуры по меньшей мере одной из указанных лопаток и охлаждения корпуса, к которому блоки прикреплены изнутри,
- и/или в соответствии с износом истираемого материала, который является более мягким, чем материал, из которого изготовлены уплотнительные элементы.
Что касается изготовления роторной лопатки указанного выше типа, в заявке предлагается следующее:
- в роторной лопатке выполняют вогнутое гнездо, ориентированное поперечно продольной оси лопатки,
- выполняют отдельно все уплотнительные элементы и
- вогнутое гнездо и выпуклый снаружи фигурный элемент соединяют вместе путем задвигания со скольжением.
Предпочтительно такое скольжение должно быть свободным, так чтобы окончательная блокировка предпочтительно достигалась путем упора в соседние лопатки.
Изобретение можно лучше понять, а другие детали, характеристики и преимущества изобретения будут очевидны при чтении следующего описания, данного в качестве не ограничивающего примера, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
- Фиг. 1, 2 и 3, относящиеся к прототипу, являются, соответственно, схематичным половинным осевым разрезом турбины низкого давления, видом в аксонометрии лопаток, каждая из которых вставлена своим нижним концом в выемку одного из роторных дисков, и видом спереди щеточного уплотнения, как описано в ЕР 0708227;
- Фиг. 4 является осевым частичным схематичным разрезом верхней части лопатки согласно изобретению, расположенной напротив соответствующей части неподвижного корпуса турбины низкого давления в состоянии покоя;
- Фиг. 5 является частичным схематичным видом в аксонометрии той же области, что показана на фиг. 4, при вращении турбины;
- Фиг. 6, 7 являются видами, идентичными фиг. 4, но при вращении турбины, соответственно, с промежуточной скоростью и с высокой скоростью;
- Фиг. 8 изображает альтернативный вариант.
Согласно изобретению и как объяснено выше, решение, показанное здесь, таким образом, требует замены щеточного уплотнения в варианте, показанном на фиг. 1, 3, другим решением, которое не требует изготовления каждой лопатки из композитного материала, как решение, упомянутое в Европейском патентном документе ЕР 0708227.
Фиг. 4 и последующие чертежи схематично иллюстрируют возможные варианты такого решения. Элементы, идентичные элементам на предшествующих чертежах, имеют те же номера позиции, в то время как существующие, но модифицированные части лопаток имеют номера позиции, увеличенные на сто. Таким образом, лопатки 13 имеют номер 130 позиции, который может использоваться для лопаток на фиг. 1, и каждая будет рассматриваться, как схематично показанная на фиг. 2, в том, что касается их внутренней части.
Помимо того факта, что лопатка может быть металлической, например, кованой или литой, каждая роторная лопатка 130, которая, конечно, вращается вокруг оси 7, включает тело 170, частично образующее перо 190, на радиально внешнем конце имеющее верхнюю часть 33, т.е. концевую часть, которая должна быть снабжена по меньшей мере, одним уплотнительным элементом 39 (выполненным за одно целое с верхней частью или присоединенным).
Предпочтительно, верхняя часть 33 каждой лопатки образована ребром 330 или включает его. Возможная иллюстрация этого ребра показана, например более подробно на фиг. 5.
Следовательно, существует малая платформа, которая образует обод на радиально внешнем конце соответствующей лопатки.
Обычно все эти ребра 330 образуют кольцо вокруг расходящихся по радиусам лопаток 190 и направляют течение 27 кольцевого потока наружу.
В последующем описании предполагается, в связи с вариантом, проиллюстрированным на фиг. 4-7, и без ограничения, что такое ребро имеется на каждой лопатке.
Таким образом, за пределами радиально внешнего конца своего ребра, каждая лопатка 130 имеет, по меньшей мере, один, здесь два уплотнительных элемента 39, проходящих так, что свободный конец каждого внешнего уплотнительного элемента может быть более или менее отдален от ребра в радиально наружном направлении, как можно видеть, сравнивая фиг. 4, 6, 7.
Конкретно, эта способность здесь обеспечивается, по меньшей мере, одной, здесь двумя, подвижным механическим соединительным звеном (звеньями) 37, расположенными между, по меньшей мере, одной, здесь двумя, областью (областями) ребра и уплотнительного элемента (элементов) 39.
Таким образом, путем изменения конкретного радиального положения уплотнительного элемента (элементов) 39 с помощью звена (звеньев) 37, можно разместить периферическое уплотнение между каждым ребром 330 и каналом противолежащего корпуса или оболочки, образованным в предпочтительном рассматриваемом примере блоком 22, выполненным из истираемого материала.
Задача прогнозирования износа между обеими контактирующими частями и планирования технического обслуживания будет небольшой проблемой, так как, как показано, каждое подвижное механическое звено 37 имеет механическое сочленение, которое при повороте обеспечивает втягивание соответствующего уплотнительного элемента 39, в случае чрезмерной силы.
В предпочтительном варианте выполнения, показанном на фиг. 4-6, каждое подвижное механическое звено 37, таким образом, содержит шарнирное соединение, и каждое это соединение установлено с возможностью поворота вокруг оси, соответственно, 41а, 41b, по существу, поперечно оси 7.
Кроме того, чтобы конструктивно получить одно или каждое подвижное механическое звено, более конкретно рекомендуется, как схематично показано на фиг. 6 и 8, что:
- уплотнительный элемент 39 должен иметь основание 39а, а ребро 330 - выступ 33а на своей внешней поверхности 33b,
- основание или выступ должен иметь вогнутое гнездо 43, в котором находится выпуклый снаружи фигурный элемент 45 другого из этих элементов, выступа или основания.
Кроме того, чтобы обеспечить хорошую механическую прочность и простое изготовление и обслуживание, рекомендуется, чтобы каждый уплотнительный элемент 39 имел, вместо этого, как показано в вариантах на фиг. 4-7, выпуклое снаружи основание 39а, подвижно входящее в вогнутое гнездо 43 ребра 330.
Радиально снаружи, каждое основание 39а предпочтительно продолжается частью 39b в форме лопасти, которая своим свободным концом может упираться в круглый сектор в поверхность 22а, противолежащую соседнему с ней каналу и в предпочтительном примере, расположенную на блоке 22.
Чтобы обеспечить поворотные перемещения, или, в более общем случае, для обеспечения подвижности внешнего уплотнительного элемента 39 относительно ребра 330, соответствующее вогнутое гнездо 43 должно предпочтительно иметь отверстие 47, в котором может находиться имеющийся выпуклый снаружи фигурный элемент 45.
Кромки каждого отверстия 47 могут образовывать ограничители в боковом направлении для внешнего уплотнительного элемента 39 относительно ребра 330, такие как 49а, 49b на фиг. 6
Как показано на фиг. 4-6, каждое ребро 330 роторной лопатки 130 предпочтительно содержит два внешних уплотнительных элемента 39, один выше по течению, другой ниже по течению, таким образом, образуя двойной барьер.
Чтобы сочетать легкость, механическую прочность и простоту изготовления и обслуживания, также рекомендуется, чтобы каждый уплотнительный элемент 39 был выполнен из композитного материала, такого как керамический матричный композит, или CMC.
Такое решение будет более подходящим и, в отличие от решения со щеткой 21, известного из документа, упомянутого выше, делает возможным подвижность уплотнительных элементов 39 относительно блоков 22, выполненных из истираемого материала, без необходимого сгибания, при этом указанная подвижность не вызывает сгибания.
В состоянии покоя, как показано на фиг. 4, уплотнительные элементы 39 под действием силы тяжести покоятся на одном из ограничителей 49а, 49b.
Напротив, когда ротор вращается, соответствующий уплотнительный элемент 39 поднимается в радиальном направлении, как показано на фиг. 6, 7.
Ограничитель 49b, расположенный ниже по течению, может быть так расположен, что соответствующий уплотнительный элемент 39 не может выйти за пределы радиального направления 51, так что он всегда препятствует потоку газа в направлении вниз по течению в этой области, когда ротор вращается.
Как часть этой операции, кроме того, в этой конструкции подвижные уплотнительные элементы 39 будут предпочтительно наклоняться относительно тела 170 лопатки, и особенно, соответствующего ребра 330, также без необходимого сгибания, и особенно переменным образом, по отношению к соответствующим блокам 22, выполненным из истираемого материала, в зависимости от скорости вращения лопаток 130.
В этом отношении, фиг. 5, 6 показывают, что, относительно положения покоя, проиллюстрированного на фиг. 4, подвижные уплотнительные элементы 39 в рабочем положении более наклонены в наружном направлении и к радиальной оси 51, когда турбина вращается на промежуточной скорости (фиг. 6), чем когда она вращается на более высокой скорости (фиг. 7), конкретно, на полной расчетной скорости (при условии, что уплотнительные блоки 22 находятся в хорошем состоянии). Это происходит благодаря имеющим место различным расширениям и радиальному сближению, которое происходит между ребрами 33 и уплотнительными блоками 22. Следует также заметить, что расстояние между верхними частями лопаток и соответствующим истираемым кольцом, образованным круговым массивом блоков 22, будет зависеть от скорости вращения лопаток, а также от других рабочих условий, таких как ожидаемая мощность двигателя на выходе, зависящая от впрыскивания большего или меньшего количества топлива и/или продолжительности высокой нагрузки и/или высокой скорости вращения турбины.
Таким образом, упомянутое выше расстояние короче на фиг. 7, чем на фиг. 6, и, соответственно, подвижные уплотнительные элементы 39 больше наклонены к радиальному направлению 51 на фиг. 6, чем на фиг. 7.
В этой конструкции те же самые подвижные уплотнительные элементы 39 будут иметь переменный наклон, без необходимого сгибания по отношению к уплотнительным блокам 22, согласно износу истираемого материала. Ограничитель 49, расположенный ниже по течению, расположен так, что соответствующий уплотнительный элемент 39 не может выйти за пределы радиального направления 51, что будет существенно.
Как альтернативное решение для варианта, показанного на фиг. 4-7, фиг. 8 показывает (не предпочтительное) решение, где:
- уплотнительный элемент 39 имеет основание 39а, а ребро 330 имеет выступ 33а на своей внешней поверхности 33b,
- основание образует вогнутое гнездо 43, в котором находится выпуклый снаружи фигурный элемент 45 выступа 33а ребра.
Что касается поворотных уплотнительных элементов 39, монтаж, особенно для показанного шарнирного соединения, может осуществляться путем введения каждого уплотнительного элемента со скользящей посадкой (ось 41а, 41b) при наличии небольшого зазора, необходимого для поворота (предпочтительно свободного поворота), как в случае монтажа соединения типа ласточкиного хвоста. Блокировку с скольжением предпочтительно можно получить при упоре соответствующего уплотнительного элемента в соседние лопатки, как можно понять, глядя на фиг. 5.
Что касается истираемого материала, из которого может быть сделан контактный блок 22, он может быть предпочтительно сделан из более мягкого материала, чем материалы уплотнительных элементов 39. Они могут быть сделаны из керамического матричного композита, или CMC, с теми же преимуществами, что и упомянутые выше.