УЗЕЛ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ ЛОПАТКИ С АМОРТИЗАТОРОМ, АМОРТИЗАТОР ВЕНТИЛЯТОРНОЙ ЛОПАТКИ И СПОСОБ КАЛИБРОВКИ АМОРТИЗАТОРА
BLOWER BLADE ASSEMBLY WITH DAMPER, BLOWER BLADE DAMPER, AND METHOD OF DAMPER CALIBRATION

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, газотурбинных двигателей с передним вентилятором.
Двухроторный газотурбинный двигатель функционально содержит от входа к выходу в направлении течения газов вентилятор в кожухе, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло. Оба ротора, низкого давления и высокого давления, вращаются независимо один от другого и коаксиально. Газотурбинный двигатель содержит компрессор низкого давления ВР, размещенный на входе компрессора высокого давления НР, и турбину НР, размещенную на входе турбины ВР. Под внутренним или наружным, или внутри или снаружи, в описании следует понимать внутреннюю или наружную, или внутреннюю или наружную часть двигателя радиально относительно его оси.
Вентилятор содержит вентиляторный диск, снабженный лопатками, жестко соединенный с валом низкого давления через ось ротора низкого давления. Каждая вентиляторная лопатка размещена в двигателе радиально и содержит снаружи внутрь лопасть, платформу и основание, предназначенное для размещения в пазу вентиляторного диска.
При вращении лопаток в кожухе вентилятора лопатки имеют тенденцию вибрировать, что ускоряет их износ и уменьшает срок их службы. Для уменьшения этого износа известно размещение амортизаторов под платформой лопаток для поглощения вибраций.
Амортизатор является жесткой деталью, которая размещена под платформой сверху между двумя соседними лопатками так, что при вращении двигателя амортизатор упирается в платформу.
Любое относительное перемещение между двумя соседними лопатками вызывает трение между контактными поверхностями лопаток и амортизатора. Это трение участвует в рассеянии энергии вибрации.
Из заявки на патент ЕР 1 291 492 известен амортизатор, удерживаемый в ложементе, образованном под платформой лопатки. На поверхности амортизатора выполнены контактные элементы для обеспечения точного позиционирования амортизатора. Неточный монтаж амортизатора мешает упору плоскости в плоскость между контактными поверхностями.
Качество монтажа амортизатора в ложементе зависит от допусков при изготовлении указанного амортизатора. Припуск амортизатора приводит к неточному позиционированию и преждевременному износу лопатки вместе с амортизатором.
Можно также, чтобы амортизатор был установлен на этапе монтажа, но он перемещается при работе двигателя.
Благодаря своей форме амортизаторы вследствие вращения лопаток перемещаются к входу до упора во входной фланец ложемента, выполненный в платформе лопатки, при этом возникает поворотный контакт между амортизатором и платформой на входном фланце ложемента. Поворот амортизатора вокруг этой точки мешает плоскостному упору, вызывая износ амортизаторов и лопатки.
Первой задачей изобретения является уменьшение износа деталей для увеличения их срока службы.
С другой стороны, в зависимости от типа газотурбинного двигателя амортизаторы лопаток должны иметь различную массу. Эмпирически изготавливают амортизаторы со стандартной массой для получения амортизаторов с желаемой массой. Эта операция изготовления, или калибровки, не выполняется единообразно и не может быть воспроизведена простым и дешевым способом.
Второй задачей изобретения является калибровка массы амортизатора простым и воспроизводимым способом и без изменения положения амортизатора относительно платформы лопатки.
Для решения этих задач и устранения указанных недостатков заявитель предлагает узел вентиляторной лопатки газотурбинного двигателя с вентилятором и амортизатором вентиляторной лопатки, при этом вентиляторная лопатка содержит основание и платформу, причем амортизатор вентиляторной лопатки выполнен с возможностью его крепления в ложементе, образованном на нижней поверхности платформы, при этом ложемент содержит входной фланец, перпендикулярный основанию лопатки, причем узел отличается тем, что амортизатор содержит переднюю кромку, первая часть которой параллельна входному фланцу ложемента, а вторая часть наклонена относительно упомянутого фланца.
Предпочтительно часть, параллельная входному фланцу, упирается во входной фланец ложемента.
Предпочтительно также, что угол, образованный между параллельной частью передней кромки и наклонной частью, составляет от 10° до 20°.
В соответствии с характеристикой изобретения наклонная часть имеет плоскую поверхность.
В соответствии с другой характеристикой изобретения наклонная часть имеет искривленную поверхность.
Всегда предпочтительно наклонная часть имеет скругленные края.
Всегда предпочтительно амортизатор на своей внешней поверхности имеет, по меньшей мере, одну зону металлического контакта.
Изобретение относится также к амортизатору лопатки вентилятора газотурбинного двигателя, размещенного в длину по оси Х, в ширину по оси Y и в высоту по оси Z и содержащего в длину первую переднюю часть и вторую заднюю часть многоугольного поперечного сечения относительно оси Х; амортизатор содержит также верхнюю поверхность, включающую верхнюю правую наклонную плоскость и верхнюю левую наклонную плоскость, при этом амортизатор отличается тем, что передняя кромка образована перед первой передней частью амортизатора, причем передняя кромка содержит переднюю поперечную относительно оси Х поверхность и вторую поверхность, наклонную относительно первой упомянутой поверхности.
Изобретение относится также к способу калибровки амортизатора узла вентиляторной лопатки газотурбинного двигателя с вентилятором и амортизатором лопатки вентилятора, содержащего резервный массовый объем, в котором:
- определяют относительную массу Мref амортизатора;
- измеряют эффективную массу Мeff амортизатора;
- уменьшают объем резервной массы таким образом, чтобы уменьшенная масса амортизатора равнялась относительной массе Мref.
В необходимом случае резервный объем массы размещают на передней части амортизатора.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг. 1 изображает вид в аксонометрии в направлении, поперечном относительно оси двигателя, узла лопатки вентилятора с амортизатором по изобретению;
- фиг. 2 изображает вид спереди в аксиальном направлении амортизатора по фиг. 1, размещенного под двумя соседними лопатками вентилятора, изображенными тонкими линиями;
- фиг. 3 изображает вид в аксонометрии амортизатора по фиг. 2, в ориентированной системе отсчета (X, Y, Z);
- фиг. 4 изображает переднюю поверхность амортизатора по фиг. 3 на этапе отрезания;
- фиг. 5 изображает увеличенный вид зоны отрезания амортизатора по фиг. 4.
Газотурбинный двигатель функционально содержит от входа к выходу в направлении течения газов вентилятор в кожухе, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло на входе, при этом вентилятор содержит вентиляторный диск, на котором размещены лопатки. Лопатки размещены по окружности и по периферии диска рядом друг с другом.
Под внутренним или наружным, или внутри или снаружи в описании следует понимать внутреннюю или наружную, или внутреннюю или наружную часть двигателя радиально относительно его оси. Под левым или правым в описании следует понимать левое или правое направления в двигателе, рассматриваемые относительно оси двигателя, ориентированного спереди назад.
В соответствии с фиг. 1 амортизатор 20 размещен под платформой 12 вентиляторной лопатки 10.
Лопатка 10 размещена радиально в двигателе и содержит размещенные от наружной стороны к внутренней лопасть 11, платформу 12, основание 13, выполненное с возможностью крепления в вентиляторном диске. На фиг. 2 платформа 12 размещена перпендикулярно двум сторонам лопасти 11 и образована правой боковой платформой 124 и левой боковой платформой 123. На фиг. 2 видно, что боковая правая платформа 124 шире, чем левая боковая платформа 123.
Как следует из фиг. 2, которая изображает относительное размещение амортизатора 20 между двумя соседними лопатками 10, 10', амортизатор 20 размещен под платформами 12, 12' двух лопаток 10, 10', закрепленных по окружности вентиляторного диска, при этом правая платформа 124 платформы 12 первой лопатки 10 находится в контакте с левой платформой 123' соседней платформы 12' второй лопатки 10'.
Амортизатор 20 размещен в ложементе 14, образованном под платформами 12, 12'. Ложемент 14 содержит две части, размещенные соответственно под первой правой платформой 124 и под второй левой платформой 123'. Ложемент 14 предназначен для того, чтобы амортизатор 20 находился в плоскостном контакте с внутренними поверхностями платформ 12, 12', когда он размещен в указанном ложементе 14.
Как следует из фиг. 3, амортизатор 20 размещен по длине по оси Х, по ширине - по оси Y и по высоте - по оси Z. Амортизатор содержит по длине первую переднюю часть 25 и вторую заднюю часть 26, смещенную по высоте относительно первой передней части 25.
Определяют переднюю и заднюю части относительно оси Х, ось Х является ориентирующей спереди назад. Определяют низ (внутренняя часть) и верх (верхняя часть) амортизатора относительно оси Z, при этом ось Z ориентирована снизу вверх. Определяют левое и правое направления относительно оси Y, при этом ось Y ориентирована справа налево.
Таким образом, при размещении амортизатора 20 в ложементе 14 ось Х практически параллельна оси двигателя, соответственно переднее и заднее направления соответствуют входному и выходному направлениям.
Передняя и задняя части 25, 26 имеют каждая многоугольное поперечное сечение относительно оси Х, при этом поперечное сечение первой части 25 является возрастающим в направлении оси Х.
Боковые непараллельные поверхности 20D, 20G амортизатора наклонены относительно плоскости (Х, Z), при этом расстояние между боковыми поверхностями 20D, 20G меньше в передней части по сравнению с задней частью 26. Боковые поверхности 20D, 20G ортогональны плоскости (Х, Y), включающей нижнюю поверхность 20I.
Верхняя поверхность 20S наклонена относительно плоскости (Х, Y), при этом расстояние между верхней 20S и нижней 20I поверхностями меньше в передней части 25 по сравнению с задней частью 26.
Верхняя поверхность 20S амортизатора 20 содержит правую верхнюю поверхность и левую верхнюю поверхность, выполненные наклонными и разделенными скругляющим соединением 28. Как видно из фиг. 2, левая и правая поверхности амортизатора 20 находятся соответственно в контакте с нижней поверхностью правой платформы 124 и с нижней поверхностью левой платформы 123', при этом скругляющее соединение 28 размещено справа от зоны контакта между боковыми платформами 124, 123' соседних платформ 12, 12'.
Передняя кромка 21 образована спереди первой передней частью амортизатора 25, при этом первая передняя поверхность 21 содержит первую поверхность амортизатора 21А, поперечную относительно оси Х, и вторую поверхность 21В, наклонную относительно первой упомянутой поверхности 21А. Задняя кромка 22 образована также сзади задней части 26.
При размещении амортизатора 20 в его ложементе 14 он располагается параллельно платформам 12, 12'. Ложемент 14 содержит входной фланец 141, перпендикулярный его основанию 13, при этом передняя кромка 21 амортизатора 20 упирается в упомянутый фланец 141.
В соответствии с фиг. 3 две части 25, 26 практически параллельны платформе 12, 12'. Передняя 25 и задняя 26 части содержат соответственно на своих внешних поверхностях два контактных элемента 251, 261, выполненные из металла и предназначенные для контактирования с внутренней поверхностью 12, 12' лопаток 10, 10'. Эти металлические контактные элементы 251, 261 предназначены для поглощения вибраций, вызванных перемещением лопаток 10, 10'. Как изображено на фиг. 4, контактные элементы 251, 261 являются практически прямоугольными.
Амортизатор 20 выполняется, главным образом, из пластического материала. Отсюда следует, что могут подойти также другие синтетические материалы.
В соответствии с фиг. 3 передняя часть 25 амортизатора 20 содержит на своей передней части резервный массовый объем 27, обозначаемый резервным объемом 27, заканчивающийся спереди передней кромкой 21.
Резервный объем 27 предназначен для отрезания при калибровке массы амортизатора 20.
После прессования амортизатора 20 в процессе его изготовления передняя кромка 21 амортизатора 20 содержит одну единственную поверхность, которая поперечна оси Х и параллельна входному фланцу 141, когда амортизатор находится в своем ложементе 14. Резервный объем 27 отрезают для получения амортизатора 20, калиброванного до заданной массы.
Отрезание амортизатора 20 выполняется на входной части резервного объема 27 таким образом, чтобы получить на входной кромке 21 амортизатора 20 часть, параллельную входному фланцу 141 ложемента, соответствующую первой поверхности 21А, поперечной относительно оси Х, и часть, наклонную относительно входного фланца 141 ложемента, соответствующую второй наклонной поверхности 21В.
В соответствии с фиг. 3 наклонная часть 21В передней кромки 21 находится слева от параллельной части 21А. Наклонная часть 21В не находится в контакте с входным фланцем 141, мешая, таким образом, образованию поворотного контакта между амортизатором 20 и лопаткой 10. Амортизатор 20 не может, таким образом, перемещаться в ложементе 14 при работе двигателя.
Первый пример осуществления: прямоугольное отрезание резервного объема
В первом примере осуществления в соответствии с фиг. 4 и 5 резервный объем отрезается или скашивается прямоугольно, угол среза α, образованный между наклонной частью 21В и параллельной частью 21А, составляет от 10° до 20°, и предпочтительно равен 14°.
В соответствии с фиг. 5, изображающей верхнюю поверхность амортизатора 20, для верхней поверхности амортизатора 20 определяют виртуальную точку РV, соответствующую пересечению прямой, продолжающей левый край амортизатора 20, с прямой, продолжающей параллельную часть передней кромки 21 амортизатора 20. Точка РV, представленная на фиг. 5, соответствует углу амортизатора 20 перед его отрезанием.
Опять же в соответствии с фиг. 5 определяют первое скошенное расстояние ВL, соответствующее расстоянию продолжения левого края амортизатора 20 до виртуальной точки РV. Определяют также второе поперечное скошенное расстояние ВТ, соответствующее расстоянию продолжения параллельной части переднего края амортизатора 20 до виртуальной точки РV. Скошенное продольное расстояние ВL в данном случае меньше скошенного поперечного расстояния ВТ.
Зона контакта между амортизатором 20 и платформой 12, таким образом, уменьшена на входном фланце 141 ложемента 14.
Длина первого скошенного продольного расстояния ВL составляет от 3,5 мм до 7 мм, предпочтительно равна 5,8 мм.
Длина второго поперечного скошенного расстояния ВТ составляет от 18 мм до 22 мм, предпочтительно равна 20,3 мм.
Второй вариант осуществления: скругленное отрезание
резервного объема
В соответствии с фиг. 4 осуществляют скругленное вогнутое отрезание резервного объема 27 по пересечению амортизатора 20 со сферой, частично представленной на фиг. 4, радиус которой составляет от 0,5 м до 0,6 м.
При каждом из отрезаний осуществляют обработку краев 211 наклонной части 21В амортизатора 20, при этом обработка заключается в сглаживании краев 211, скругляя их таким образом, чтобы радиус кривизны составлял порядка миллиметра (в данном случае 1 мм).
Все эти отрезания и скругления позволяют избежать опоры амортизатора 20 на платформу 14, перемещая зоны контакта между указанными деталями и уменьшая преждевременный износ лопаток. Разрез выполнен таким образом, чтобы уменьшить контакт на входе и калибровать массу амортизатора.
В соответствии со способом калибровки амортизатора 20 определяют относительную массу Mref для того, чтобы вентиляторный диск, снабженный лопатками, был откалиброван. Измеряют эффективную массу Мeff амортизатора 20 после изготовления. Обычно эффективная масса Мeff превышает относительную массу Мref. Затем отрезают резервный объем массы 27 таким образом, чтобы масса отрезанного амортизатора 20 была равна относительной массе Mref.
Отрезание амортизатора позволяет в то же время исключить недостатки: его позиционирование и его калибровку.
После отрезания амортизатор 20 размещается в ложементе 14, при этом параллельная часть 21А передней кромки 21 упирается во входной фланец 141, а левая боковая поверхность 20G упирается в основание 13 лопатки 10 и правая боковая поверхность 20D упирается в основание 13' лопатки 50. Амортизатор 20 крепится неподвижно между лопатками 10, 10' и вентиляторным диском.
Амортизаторы 20 изготовлены в тех же пресс-формах, что и в известном уровне техники. Таким образом, нет необходимости изменять линию производства для изготовления упомянутых амортизаторов.
Предпочтительно можно использовать в одном и том же двигателе с одним и тем же зазором лопаток амортизаторы по изобретению и известные амортизаторы. Таким образом, для двигателей, уже находящихся в эксплуатации, можно заменить использованные амортизаторы амортизаторами по изобретению. Преимущества изобретения очевидны и не требуют структурных изменений двигателя.