УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКСИАЛЬНОГО УДЕРЖАНИЯ ЛОПАТОК, УСТАНОВЛЕННЫХ НА РОТОРНОМ ДИСКЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE FOR AXIAL RETENTION OF BLADES INSTALLED ON ROTOR DISC OF GAS-TURBINE ENGINE

Известный уровень техники
Настоящее изобретение касается устройства для аксиального удержания лопаток, установленных на роторном диске газотурбинного двигателя, таком как последняя ступень турбины низкого давления.
Из источника US 3,853,425 известно, что турбина низкого давления состоит из множества ступеней с подвижными лопатками, перемежающихся неподвижными лопатками. Для каждой ступени турбины неподвижные лопатки закреплены между двумя концентрическими обечайками, а подвижные лопатки закреплены основаниями на роторном диске. Все роторные диски турбины скреплены между собой болтовыми соединениями и жестко соединены с валом турбины низкого давления газотурбинного двигателя с помощью цапфы.
Известно также, что диск последней ступени турбины низкого давления содержит по периферии множество аксиальных выемок, в каждой из которых установлено основание подвижной лопатки турбины. Так как газовый поток, проходящий через турбину, оказывает аксиальное давление на подвижные лопатки, необходимо предотвратить любое аксиальное перемещение лопаток с помощью удерживающего устройства. Одно из таких устройств обеспечивает неподвижность оснований лопаток с помощью кольцевого фланца, прижатого к радиальной опорной поверхности диска и основанию лопаток, при этом фланец удерживается в этом положении кольцевым хомутом. Можно, например, обратиться к публикациям ЕР 1,180,580 и ЕР 1,498,579. Таким образом, несмотря на свою эффективность, такое устройство зачастую довольно сложно изготовить и установить, так как оно требует для своего использования большое количество деталей (а именно фланец и удерживающий кольцевой хомут фланца).
Известно также, что роторные диски турбины низкого давления газотурбинного двигателя являются причиной неточного распределения массы, так как их центр тяжести не находится на оси их вращения. Чтобы скорректировать такое явление дисбаланса, уравновешивающие массы размещают в определенных местах дисков, в частности, на уровне болтовых соединений между различными дисками турбины и на уровне фланцев, специально добавленных для этих целей. Таким образом, определенные конструкции турбины низкого давления делают невозможным доступ к болтовым соединениям без предварительного демонтажа определенных ступеней турбины. Кроме того, добавление специфических фланцев для крепления уравновешивающих масс утяжеляет общую массу турбины.
Объект и краткое содержание изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение упомянутых недостатков при помощи простого в изготовлении и монтаже устройства для аксиального удержания лопаток, которые способны обеспечить балансировку роторного диска.
Эта цель достигается благодаря устройству для аксиального удержания лопаток, установленных на роторном диске газотурбинного двигателя, характеризующемуся тем, что оно содержит роторный диск, включающий по периферии множество по существу аксиальных и открытых наружу лопаток, а на уровне радиальной опорной поверхности фланец, радиально направленный к наружной части для образования вместе с упомянутой опорной поверхностью кольцевой канавки, открытой наружу, при этом устройство включает, кроме того, множество лопаток, каждая из которых содержит основание, установленное в соответствующей выемке роторного диска, причем, каждое основание лопатки снабжено на уровне радиальной опорной поверхности, соответствующей поверхности роторного диска, по меньшей мере, одним клювовидным выступом, радиально направленным внутрь, для образования с упомянутой опорной поверхностью направленного внутрь кольцевого желоба, а также удерживающее кольцо, установленное на опорной поверхности роторного диска и оснований лопаток, при этом упомянутое удерживающее кольцо размещено в канавке диска, удерживая снаружи в желобах основания лопаток, и образовано множеством соединенных встык угловых сегментов.
Устройство по изобретению содержит только одну деталь (а именно, сегментированное удерживающее кольцо), при этом ее легко изготовить и легко установить на роторном диске. Впрочем, так как удерживающее кольцо образовано множеством соединенных встык угловых сегментов, возможно изменять индивидуально массу каждого из этих сегментов с целью коррекции явления дисбаланса, встречающегося в роторных дисках. Исходя из этого, коррекция дисбаланса может быть достигнута без возможного демонтажа всей структуры. Кроме того, нет необходимости добавлять фланцы для крепления балансировочных масс, наличие которых увеличивает вес конструкции.
В соответствии с предпочтительной характеристикой изобретения, по меньшей мере, один из сегментов удерживающего кольца обладает более значительной массой, чем другие сегменты.
В соответствии с другой предпочтительной характеристикой изобретения каждый сегмент удерживающего кольца содержит вырезы, открытые наружу для прохода клювовидных выступов оснований лопаток при монтаже удерживающего кольца в канавке роторного диска.
В соответствии с еще одной предпочтительной характеристикой изобретения удерживающее кольцо содержит средства для предотвращения его вращения в канавке роторного диска. Так, по меньшей мере, один из сегментов удерживающего кольца может содержать сминаемый язычок, который может быть направлен вниз между двумя клювообразными выступами оснований лопаток для остановки вращения удерживающего кольца в канавке роторного диска.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одно устройство для аксиального удержания лопаток, установленных на роторном диске, типа, описанного выше.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг. 1 изображает частичный вид в продольном разрезе турбины низкого давления газотурбинного двигателя, снабженного устройством по варианту осуществления изобретения;
- фиг. 1А изображает в увеличенном масштабе фиг. 1;
- фиг. 2А-2В изображает частичные виды спереди устройства по фиг. 1, представляющие монтаж удерживающего кольца; и
- фиг. 3А-3С изображает виды в продольном разрезе устройств в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения.
Детальное описание вариантов осуществления
Фиг. 1 и 1А частично изображают продольный разрез турбины низкого давления газотурбинного двигателя, снабженного устройством в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Само собой разумеется, настоящее изобретение применимо к любой другой конструкции газотурбинного двигателя (самолетного или наземного), снабженного роторным диском, на котором аксиально установлены лопатки.
Турбина низкого давления отцентрована по продольной оси Х-Х газотурбинного двигателя. Последняя ступень турбины состоит из распределителя, образованного множеством неподвижных лопаток 2, и подвижного колеса, размещенного за распределителем и образованного множеством подвижных лопаток 4, аксиально установленных на роторном диске 6. Предпоследняя ступень турбины также состоит из распределителя (не представленного на чертеже) и подвижного колеса, образованного множеством подвижных лопаток 4', установленных на роторном диске 6'.
Диски 6, 6' последней и предпоследней ступеней турбины скреплены между собой болтовым соединением 8 и жестко соединены с валом турбины низкого давления газотурбинного двигателя (не представленным на чертеже) с помощью кольцевой цапфы 10. Последняя скреплена также с дисками 6, 6' с помощью того же самого болтового соединения 8.
Как изображено на фиг. 1А, диск 6 последней ступени турбины содержит по своей периферии множество по существу аксиальных выемок 12, открытых к наружной части диска (то есть в направлении, противоположном оси Х-Х), каждая из которых предназначена для аксиального размещения основания 4А (например, в форме конуса) подвижной лопатки 4 турбины (например, путем сочленения).
Диск 6 содержит также на уровне своей нижней радиальной поверхности 14 (называемой ниже опорной поверхностью) фланец 16, радиально направленный наружу диска для образования с опорной поверхностью кольцевой канавки 18, открытой наружу.
Впрочем, каждое основание 4А лопатки на уровне своей нижней радиальной поверхности, соответствующей поверхности ротора диска 6, снабжено, по меньшей мере, одним клювовидным выступом 20, радиально направленным внутрь диска (то есть к продольной оси Х-Х), для образования с упомянутой выходной поверхностью кольцевого желоба 22, открытого внутрь.
Устройство по изобретению содержит удерживающее кольцо 24, которое установлено на опорной поверхности 14 роторного диска 6, и основания лопаток 4а. Это удерживающее кольцо 24 размещено в канавке 18 диска и удерживается снаружи желобком 22 основания лопаток 4а.
Кроме того, удерживающее кольцо 24 образовано множеством угловых сегментов (или секторов) 24а, установленных встык другому, при этом каждый сегмент кольца 24а размещен по окружности на одном угловом расстоянии.
В качестве примера для турбины низкого давления газотурбинного двигателя, последняя ступень которого содержит 98 подвижных лопаток, может быть предусмотрено 14 сегментов кольца 24а, каждый из которых расположен под углом 25º.
Чтобы обеспечить их монтаж в канавки 18 диска 6, каждый сегмент кольца 24а содержит вырезы 26, которые открыты наружу. Как изображено на фиг. 2А, эти вырезы разнесены для того, чтобы обеспечить проход клювовидным выступам 20 оснований лопаток 4а при монтаже удерживающего кольца в канавке диска. В этом положении сегменты кольца не удерживаются снаружи в желобках 22 оснований лопаток.
Также в качестве примера, когда роторный диск 6 содержит 98 подвижных лопаток 4 и удерживающее кольцо 24 образовано 14-ю сегментами 24а, число вырезов 26 на сегмент может быть равно 7.
После монтажа в канавке 18 диска сегменты кольца 24а перемещаются вокруг продольной оси Х-Х газотурбинного двигателя до тех пор, пока клювовидные выступы 20 оснований лопаток не будут размещены в выступах 26 (фиг. 2В). В этом положении сегменты кольца удерживаются снаружи в желобках оснований лопаток.
Также в качестве примера, когда роторный диск 6 содержит 98 подвижных лопаток 4 и удерживающее кольцо 24 образовано 14-ю сегментами 24а, каждый сегмент имеет 7 вырезов 26, и вращение (в ту или иную сторону) на 1,8º удерживающего кольца позволяет перейти от положения по фиг. 2А к положению по фиг. 2В.
Само собой разумеется, демонтаж удерживающего кольца осуществляется таким же образом путем поворота последнего на достаточный угол, чтобы клювовидные выступы оснований лопаток вновь были расположены против вырезов в сегментах кольца.
В соответствии с предпочтительной конструкцией изобретения, по меньшей мере, один из сегментов кольца 24а содержит сминаемый язычок 28, который размещен между двумя клювовидными выступами 20 оснований лопаток 4а для предотвращения вращения удерживающего кольца в канавке 18 роторного диска 6 после осуществления корректировки его положения (фиг.2В).
Таким образом, в примере осуществления по фиг.2А и 2В язычок размещен на уровне одного из вырезов 26 сегмента кольца 24а и способен путем сгибания принять два крайних положения: одно положение, в котором он расположен в плоскости, наклонной относительно радиальной плоскости сегмента кольца для обеспечения поворота упомянутого сегмента (фиг.2А), и другое положение, в котором он расположен в той же радиальной плоскости, что и клювовидные выступы 20 оснований лопаток, и размещен по окружности между двумя соседними клювовидными выступами 20 для блокирования вращения упомянутого сегмента, и, следственно, всего удерживающего кольца (фиг.2В).
Следует отметить, что нет необходимости снабжать все сегменты таким язычком, достаточен один единственный язычок, чтобы блокировать вращение всего кольца.
В соответствии с другой предпочтительной конструкцией изобретения, по меньшей мере, один из сегментов кольца 24а имеет массу, превышающую массу других сегментов.
Такая конструкция позволяет легко корректировать дисбаланс, наблюдаемый в турбинах низкого давления. Действительно, так как удерживающее кольцо 24 сегментировано, возможно придать отдельным сегментам кольца индивидуальную массу, отличающуюся от других, и обеспечить, таким образом, чтобы центр тяжести роторного диска находился на продольной оси Х-Х газотурбинного двигателя. Следует отметить, что при увеличении количества сегментов кольца будет наблюдаться более точная балансировка масс конструкции диска.
Такая конструкция особо предпочтительна, когда, как изображено на фиг.1, кольцевой зазор между наружным краем внутренней части диска 6 последней ступени турбины и цапфой 10 не позволяет получить непосредственный доступ к болтовым соединениям 8 потому, что невозможно закрепить балансировочные массы на болтовых соединениях без предварительного демонтажа последней ступени турбины.
На практике балансировочный контроль роторного диска выполняется единожды на турбине при возможном использовании корректировки дисбаланса. При операции корректировки дисбаланса один или несколько сегментов колеса заменяются сегментами с массой, измененной и адаптированной к необходимой корректировке. Сегменты с измененной массой являются сегментами, масса которых превышает массу других сегментов.
Фиг.3А-3С изображают в продольном разрезе различные варианты осуществления устройства по изобретению, изображая различные варианты изменения массы сегмента колеса 24а.
Так, в варианте реализации по фиг.3В сегмент кольца 24 имеет толщину 30, увеличенную по сравнению с сегментом, изображенном на фиг.3А. Кроме увеличенной толщины, сегмент кольца 24а по фиг.3С имеет выступ, который не имеется ни в сегменте кольца на фиг.3А, ни в сегменте на фиг.3В. Это увеличение толщины 30 и выступ 32 могут простираться по дуге всего или только части сегмента кольца. Они соответствуют увеличению массы.
Возможны другие способы изменения массы сегментов кольца. Так, глубина вырезов 26, а также высота и/или толщина зон между вырезами могут изменяться для увеличения или уменьшения массы сегментов кольца.
Следует отметить, что сегменты кольца могут быть предварительно изготовлены на заводе с различными классами гаммы (например, от грамма к грамму), чтобы получить широкий выбор сегментов, предназначенный для необходимой коррекции дисбаланса. Кроме того, сегменты кольца могут быть изготовлены по заказу.
Устройство для аксиального удержания лопаток по изобретению имеет много преимуществ. В частности, устройство образовано одной единственной главной деталью (а именно удерживающим кольцом), что делает ее изготовление сравнительно дешевым и ее монтаж/демонтаж к опорному диску легким. Более того, благодаря использованию сегментов кольца возможно изменять массу каждого из этих сегментов и легко корректировать таким образом явление дисбаланса, наблюдаемое в этом типе технологии.