ПЛАТФОРМА ЛОПАТКИ, ЛОПАТОЧНЫЙ ВЕНЕЦ, ДИСК РАБОЧЕГО КОЛЕСА И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
BLADE PLATFORM, BLADED ROW, IMPELLER DISK AND GAS TURBINE ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области турбомашин, в частности к платформе лопатки, лопаточному венцу, диску рабочего колеса и газотурбинному двигателю.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В турбомашине, такой как компрессор высокого давления газотурбинного двигателя, показанный на Фиг. 1-5, лопатки лопаточного венца 10 могут быть установлены в окружном направлении путем размещения хвостовиков елочного типа в канавках диска 2 компрессора, причем условное положение хвостовика елочного типа и канавки соответствует условной линии Т, как показано на Фиг. 5, при этом между хвостовиком елочного типа и канавкой имеется контактная зона М, так что образовано рабочее колесо. Лопатка содержит платформу, выполненную с возможностью совмещения с проточным каналом, причем во время работы двигателя между платформами лопаток должен быть обеспечен определенный окружной зазор так, чтобы хвостовик елочного типа лопатки прилегал к рабочей поверхности канавки диска для передачи нагрузки за счет центробежного усилия. Окружные зазоры лопаток на лопаточном венце 10 будут накапливаться, например, как показано на Фиг. 1, при этом расчетный окружной зазор W выполнен между платформой 1 первой лопатки и платформой 5 последней лопатки, которые являются двумя концами лопаточного венца 10 в окружном направлении.
Исходя из требований газотурбинного двигателя для компрессора высокого давления с высокой эффективностью и большим запасом прочности необходимо обеспечить большее количество лопаток, т.е. увеличить густоту лопаток, при этом необходимо увеличить угол закрутки для улучшения рабочих характеристик роторных лопаток. Для платформы лопатки с высокой густотой, большим углом установки и хвостовиками елочного типа в окружном направлении обычно требуется конструкция платформы с наклонной кромкой, например, параллелограммная конструкция, показанная на Фиг. 1 и Фиг. 2, и конструкция платформы, показанная на Фиг. 2, в которой угол а платформы не может быть прямым углом 90°, чтобы обеспечить возможность установки достаточного количества лопаток и обеспечить большой угол установки.
Тем не менее, как показано на Фиг. 2-4, благодаря созданию платформы с наклонной кромкой во время выполнения данного изобретения изобретатель обнаружил, что под действием внешнего усилия, например, при проведении испытания на дисбаланс ротора, лопатка скручивается на угол В скручивания, при этом смежные лопатки прижимаются друг к другу, и возникает пара сил N (N=Н⋅cosα⋅F, где Н - ширина платформы, α - угол платформы, F - толкающее усилие между платформами смежных лопаток) относительно центра Р хвостовика елочного типа, так что лопатки будут поворачиваться вокруг центра Р хвостовика елочного типа, при этом между платформами смежных лопаток образуется зазор С. Поскольку платформа показана прямой линией с постоянным уклоном k (k=tanα=constant), платформы лопаток не будут пересекаться друг с другом после скручивания и могут перемещаться в том же направлении S, так что окружной зазор между платформой 1 первой лопатки и платформой 5 последней лопатки будет увеличиваться до фактического окружного зазора W'=W+n⋅С (n - количество лопаток).
Поскольку фактический окружной зазор W' и расчетный окружной зазор W отличаются, точность измерения окружного зазора платформы и динамического баланса будет нарушена, например, остаточный динамический дисбаланс ротора не может быть точно отражен тестом динамического баланса ротора, что приводит к большим потенциальным угрозам безопасности при работе двигателя.
Таким образом, для получения конструкции для испытаний, которая будет точно отражать динамический дисбаланс ротора, один из способов испытаний согласно известному уровню техники заключается в ремонте или замене лопаток с другими значениями ширины платформы для устранения эффекта зазора С, так что, даже если происходит скручивание, фактический окружной зазор W' будет равен проектному окружному зазору W. Тем не менее, во время выполнения данного изобретения изобретатель обнаружил, что это решение может привести к недостаточному окружному зазору W при фактической работе лопаточного венца 10, в результате чего платформы смежных лопаток будут прижимаются друг к другу, и хвостовик елочного типа лопатки не будет полностью прилегать к рабочей поверхности канавки диска, при этом платформа скручивается под углом под общим воздействием центробежного усилия и аэродинамического усилия. Во-первых, контакт между хвостовиком елочного типа лопатки и канавкой переходит от поверхностного контакта к точечному или линейному контакту, что отрицательно сказывается на усилии, прикладываемом к канавке диска; в то же время, угол установки лопатки меняется, что приводит к изменению площади потока и влияет на аэродинамические характеристики; с увеличением скорости вращения платформы лопаток примыкают и прижимаются друг к другу, а также застревают под воздействием рабочей среде высокой температуры и высокого давления, причем платформы лопаток часто застревают во время демонтажа, так что потребуется большое внешнее усилие для выбивания платформы лопатки, чтобы ослабить ее и затем демонтировать.
Решения известного уровня техники также включают соединительную зону между диском компрессора и платформой лопатки, как показано на Фиг. 5-7, которая представляет собой выступающую ограничивающую часть, выполненную на одной или обеих сторонах кромочной части платформы лопатки или кромочной части диска компрессора, например, в виде первой выступающей ограничивающей части 3, которая образована выступающей частью 31 первой канавки, находящейся на одной стороне кромочный части канавки 21 диска компрессора, и выступающей частью 32 первой платформы, находящейся на кромочный части платформы 11 лопатки, как показано на Фиг. 6, или первой выступающей ограничивающей частью 3 и второй выступающей ограничивающей частью 4, которые расположены по отдельности на обеих сторонах, как показано на Фиг. 7, причем зазор G между платформой лопатки и выступающей частью должен быть по возможности минимизирован для ограничения угла углового скручивания лопатки. Тем не менее, фактический окружной зазор W' и расчетный окружной зазор W все еще различны из-за зазора G.
Решения известного уровня техники также включают промежуточную запирающую часть и конструкцию между платформами смежных лопаток для обеспечения крепежного соединения, что еще больше усложняет конструкцию лопаточного венца, и для обеспечения надежности крепежного соединения требуется высокопрочная промежуточная запирающая часть.
Таким образом, в данной области техники есть необходимость в лопатке с конструкцией, которая позволила бы преодолеть такие проблемы, как недостаточная точность тестирования окружного зазора лопаток, вызванная угловым поворотом лопаток, и недостаточная точность результатов испытаний динамического баланса, а также позволила бы предотвратить прижатие платформ друг к другу и их застревание, когда венец лопаток находится в рабочем состоянии, чтобы улучшить стабильность и надежность работы компрессора и газотурбинного двигателя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание платформы лопатки.
Целью изобретения является создание лопаточного венца.
Целью изобретения является создание диска рабочего колеса.
Целью изобретения является создание газотурбинного двигателя.
Согласно одному аспекту изобретения платформа лопатки содержит пару боковых кромок и пару торцевых кромок, причем боковая кромка содержит линейный участок и изогнутый участок, при этом линейный участок содержит первый линейный участок и второй линейный участок, а изогнутый участок содержит первый изогнутый участок и второй изогнутый участок; причем указанный первый линейный участок и указанный второй линейный участок соединены с двумя концами изогнутого участка и проходят по касательной к изогнутому участку, при этом изгибы указанных первого и второго изогнутых участков проходят в одном направлении, причем указанные первый и второй изогнутые участки проходят по окружности.
В одном или более вариантах выполнения платформы лопатки указанный первый изогнутый участок проходит по касательной к указанному первому линейному участку, а указанный второй изогнутый участок проходит по касательной к указанному второму линейному участку.
В одном или более вариантах выполнения платформы лопатки указанные первый и второй линейные участки перпендикулярны торцевым кромкам, соответственно соединенным.
В одном или более вариантах выполнения платформы лопатки кромочный участок платформы лопатки и корпусной участок платформы лопатки находятся в одной плоскости, образуя плоскую панельную конструкцию.
Согласно одному аспекту изобретения лопаточный венец содержит лопатки, каждая из которых содержит любую из указанных выше платформ, при этом боковые кромки пары боковых кромок имеют одинаковую конструкцию, и боковые кромки платформы смежных лопаток имеют одинаковую конструкцию.
В одном или более вариантах выполнения лопаточного венца смежные лопатки выполнены с возможностью поворота на один и тот же угол вокруг центров собственных гребней под действием центробежной силы лопаточного венца, так что указанные первый и второй изогнутые участки, выполненные на боковых кромках платформ смежных лопаток, разделены, образуя бесконтактную конструкцию с неоднородным зазором между частями бесконтактной конструкции, причем указанные первый и второй линейные участки, выполненные на боковых кромках платформ смежных лопаток, прикреплены для обеспечения соединения без промежуточной запирающей части между платформами лопаток на двух концах лопаточного венца в окружном направлении.
Согласно одному аспекту изобретения диск рабочего колеса содержит лопаточный венец и лопаточный диск, причем лопаточный венец и лопаточный диск соединены шпунтовым соединением, при этом лопаточный венец является любым из вышеуказанных венцов.
В одном или более вариантах выполнения диска рабочего колеса кромочный участок канавки лопаточного диска и корпусной участок канавки лопаточного диска находятся в одной и той же плоскости.
Согласно одному аспекту изобретения предложен газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор и турбину, причем вентилятор, и/или компрессор, и/или турбина содержат любой из дисков рабочего колеса, указанных выше.
В целом, преимущества данного изобретения включают, без ограничения указанным, следующее:
поскольку боковая кромка содержит линейный участок и изогнутый участок, изгибы указанных первого и второго изогнутых участков проходят в одном и том же направлении и касательны друг к другу при повороте лопатки под углом вокруг центра гребня Р под действием внешнего усилия, так как изгиб изогнутого участка является переменным в разных местоположениях, зазор между смежными платформами будет неравномерным, что приводит к перемещению смежных лопаток вдоль одного направления, так что смежные платформы могут иметь только закрепленное угловое положение; таким образом, фактический окружной зазор W' может быть соответствовать расчетному окружному зазору W при испытании окружного зазора и испытании динамического баланса, при этом проблемы, связанные с тем, что платформы прижимаются друг к другу и застревают в рабочем состоянии, как в известном уровне техники, или связанные с недостаточной точностью результатов испытаний окружного зазора лопаток и испытаний динамического баланса, могут быть предотвращены, и обеспечено плотное прилегание и прижатие выступа на лопатке к рабочей поверхности канавки диска для эффективной передачи нагрузки, при этом угол установки лопатки соответствует проектным требованиям, что обеспечивает требуемую высокую эффективность и высокий запас прочности компрессора в газотурбинном двигателе, тем самым повышая эффективность и безотказность газотурбинного двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеуказанные и другие признаки, свойства и преимущества данного изобретения станут более понятны из следующего описания в сочетании с сопутствующими чертежами и вариантами выполнения. Следует отметить, что чертежи являются только примерами и не выполнены в масштабе, при этом их не следует воспринимать как ограничение объема правовой охраны, заявленного данным изобретением.
На чертежах:
Фиг. 1 схематично изображает фрагмент лопаточного венца, известного из уровня техники;
Фиг. 2 схематично изображает платформу лопатки согласно известному уровню техники;
Фиг. 3 и Фиг. 4 схематично изображают лопаточный венец под действием внешнего усилия согласно известному уровню техники;
Фиг. 5 и Фиг. 6 схематично изображают лопатку и лопаточный диск с выступающей ограничивающей частью, выполненной на одной стороне канавки, согласно известному уровню техники;
Фиг. 7 схематично изображают лопатку и лопаточный диск с выступающей ограничивающей частью, выполненной на обеих сторонах канавки, согласно известному уровню техники;
Фиг. 8 схематично изображает фрагмент лопаточного венца согласно одному варианту выполнения;
Фиг. 9 схематично изображает лопатку лопаточного венца согласно варианту выполнения, показанному на Фиг. 8;
Фиг. 10 и Фиг. 11 схематично изображают лопатку лопаточного венца согласно варианту выполнения, показанному на Фиг. 8;
Фиг. 12 схематично изображает для сравнения конструкцию шпунтового соединения лопатки и лопаточного диска согласно одному варианту выполнения и ограничивающую часть согласно известному уровню техники, показанную на Фиг. 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее раскрыты различные варианты выполнения или примеры осуществления технических решений согласно данному изобретению. Для упрощения описания далее описаны конкретные варианты выполнения каждого элемента и устройства, которые являются только примерами и не ограничивают объем правовой охраны данного изобретения. Выражения «один вариант выполнения», «вариант выполнения» и/или «некоторые варианты выполнения» относятся к определенному признаку, конструкции или характеристике, которые связаны с по меньшей мере одним вариантом выполнения данного изобретения. Таким образом, следует подчеркнуть и отметить, что выражения «вариант выполнения», или «один вариант выполнения», или «альтернативный вариант выполнения», упомянутые дважды или более раз в разных местах данного описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, определенные признаки, конструкции или характеристики в одном или более вариантах выполнения данного изобретения могут быть объединены при необходимости.
В следующих вариантах выполнения в качестве примера указан диск рабочего колеса компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, но изобретение не ограничено данным вариантом выполнения. Например, изобретение также может быть применено к диску турбины газотурбинного двигателя и даже к диску вентилятора, причем изобретение также не ограничено данными вариантами выполнения, при условии, что лопатка лопаточного венца и диск соединены с помощью хвостовика елочного типа и шпунтового соединения.
Как показано на Фиг. 8 и Фиг. 9, в некоторых вариантах выполнения лопаточный венец 100 установлен на лопаточном диске 2 с помощью шпунтового соединения. Венец 100 содержит лопатки, причем платформы смежных лопаток представляют собой первую платформу 7 и вторую платформу 8 в качестве примеров, причем платформы на обоих концах венца 100 в окружном направлении представляют собой первую платформу 7 и третью платформу 6.
Как показано на Фиг. 9, первая платформа 7 лопатки, взятая в качестве примера, содержит пару боковых кромок 71, 72 и пару торцевых кромок 73, 74, т.е. первую боковую кромку 71, вторую боковую кромку 72, первую торцевую кромку 73 и вторую торцевую кромку 74. Первая боковая кромка 71, взятая в качестве примера, содержит линейный участок 700 и изогнутый участок 800, причем линейный участок 700 содержит первый линейный участок 701 и второй линейный участок 702, а изогнутый участок 800 содержит первый изогнутый участок 801 и второй изогнутый участок 802 с центрами соответственно в центре O1 первого изогнутого участка и центре 02 второго изогнутого участка; таким образом, центрами изогнутых участков второй боковой кромки 72 являются центр О1' третьего изогнутого участка и центр О2' четвертого изогнутого участка. Сжимающее усилие, действующее на первую боковую кромку 71 со стороны смежной платформы, является первым сжимающим усилием F1, а сжимающее усилие, действующее на вторую боковую кромку 72 со стороны смежной платформы, является вторым сжимающим усилием F1', при этом l - длина платформы. Первый линейный участок 701 и второй линейный участок 702 соединены с двумя концами изогнутого участка 800 и касательны к изогнутому участку 800, например, как показано на Фиг. 9, при этом первый линейный участок 701 соединен и проходит по касательной к одному концу первого изогнутого участка 801, а второй линейный участок 702 соединен и проходит по касательной к одному концу второго изогнутого участка 802. Конструкция изогнутого участка 800 такова, что изгибы первого изогнутого участка 801 и второго изогнутого участка 802 находятся в одном направлении, причем первый изогнутый участок 801 и второй изогнутый участок 802 проходят по окружности. Изгибы первого изогнутого участка 801 и второго изогнутого участка 802 проходят в одном направлении, так что:
k1=ƒ(x)=(Arc1)≤0, k2=ƒ(x)=(Arc2)≤0
или
k1=ƒ(x)=(Arc1)≥0, k2=ƒ(x)=(Arc2)≥0,
где Arc1 это первый изогнутый участок 801, k1 это изгиб первого изогнутого участка 801, Arc2 это второй изогнутый участок 802, а k2 это изгиб второго изогнутого участка 802.
Если обратиться к Фиг. 10 и Фиг. 11, преимущества вышеуказанных вариантов выполнения заключаются в том, что проблема, показанная на Фиг. 3 и Фиг. 4, когда фактический окружной зазор W' отличается от расчетного окружного зазора W из-за платформы с наклоненной кромкой в форме параллелограмма, может быть решена, так что проблема, состоящая в том, что платформы прижимаются друг к другу и застревают в рабочем состоянии, что вызвано ремонтом или заменой лопаток с разной шириной платформы, может быть устранена, при этом обеспечено плотное прилегание выступа на лопатке и прижатие к рабочей поверхности канавки диска для эффективной передачи нагрузки, так что угол установки лопатки соответствует проектным требованиям, что обеспечивает требуемую высокую эффективность и высокий запас прочности компрессора в газотурбинном двигателе, тем самым повышая эффективность и безотказность газотурбинного двигателя. Не требуется промежуточная запирающая часть, выполненная между платформами лопаток на двух концах в окружном направлении для обеспечения крепежного соединения, используемая в решениях известного уровня техники, что может упростить конструкцию лопаточного венца и снизить стоимость изготовления.
Принцип достижения вышеуказанных преимуществ показан на Фиг. 9-11, а именно под действием центробежной силы лопаточного венца смежные платформы, а именно первая платформа 7 и вторая платформа 8, будут поворачиваться под одним и тем же углом вокруг центра гребня, так что указанные первый и второй изогнутые участки, выполненные на боковых кромках первой платформы 7 и второй платформы 8 лопатки, будут отделены, образуя бесконтактную конструкцию. Поскольку изгиб изогнутого участка является переменным в разных местоположениях, когда изогнутый участок первой платформы 7 поворачивается вокруг центра гребня Р, изогнутые участки смежных платформ, а именно первой платформы 7 и второй платформы 8, будут разделены, образуя бесконтактную конструкцию. Поскольку выполнены указанные изогнутые участки, зазор в бесконтактной конструкции между смежными платформами, а именно первой платформой 7 и второй платформой 8, неравномерный, причем указанные первый и второй линейные участки, выполненные на боковых кромках первой платформы 7 и второй платформы 8, примыкают для обеспечения соединения, причем они примыкают в местоположении Е и местоположении F для обеспечения соединения, как показано на Фиг. 10 и Фиг. 11, так что зазор в бесконтактной конструкции между первой платформой 7 и второй платформой 8 будет неравномерным, что приводит к перемещению первой платформы 7 и второй платформы 8 вдоль одного и того же направления S, как показано на Фиг. 3 и Фиг. 4, тем самым устраняя разницу между фактическим окружным зазором W' и расчетным окружным зазором W. Поскольку угловое кручение с образованием большего окружного зазора не возникает, не нужна промежуточная запирающая часть, размещаемая между платформами лопаток на двух концах в окружном направлении для обеспечения крепежного соединения.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что указанный выше изогнутый участок следует понимать в широком смысле, не ограничиваясь узким толкованием, например, формой дуги, показанной на Фиг. 8-11, включая все варианты, в которых изгиб изогнутого участка будет переменным в разных местоположениях.
Если обратиться к Фиг. 8-11, в одном или более вариантах выполнения платформа лопатки может иметь особую конструкцию, в которой первый линейный участок 701 и второй линейный участок 702 линейного участка 700 перпендикулярны первой торцевой кромке 73 и второй торцевой кромке 74, соединенным соответственно, так что соединения в местоположениях Е и F являются более устойчивыми. Подобно известному уровню техники, как показано на Фиг. 9, углы между торцевой кромкой и соединительными линиями L1, L2 конечных точек первой торцевой кромки 73 и второй торцевой кромки 74 платформы лопатки на одной стороне являются острыми, обеспечивая эффект, подобный платформе с наклонной кромкой согласно известному уровню техники, что улучшает густоту лопаток и угол установки. Также обращаясь к Фиг. 8-11, у одной лопатки венца 100 каждая боковая кромка из пары боковых кромок имеет одинаковую конструкцию, при этом у нескольких лопаток боковые кромки каждой платформы имеют одинаковую конструкцию, что упрощает процесс выполнения и снижает сложность конструкции.
Обращаясь к Фиг. 6 и 12, в некоторых вариантах выполнения выступающая ограничивающая часть, показанная на Фиг. 6, может быть необязательной для платформы в вышеупомянутом варианте выполнения и показана штриховой линией на Фиг. 12. По сравнению с Фиг. 6, кромочный участок 110 платформы и корпусной участок 111 платформы находятся в одной плоскости, так что платформа лопатки подобна плоской панельной конструкции, причем кромочный участок 210 канавки диска 2 и корпусной участок 211 канавки лопаточного диска 2 также могут находиться в одной плоскости, так что стоимость изготовления платформы лопатки и лопаточного диска может быть снижена.
Как видно из вышеизложенного, в вышеуказанном варианте выполнения при испытании ротора на дисбаланс такое испытание может быть проведено непосредственно на диске рабочего колеса с платформой лопатки. Нет необходимости выполнять этапы по ремонту или замене лопаток с платформами другой шириной во время испытания, как в известном уровне техники, чтобы поддерживать фактический окружной зазор W' согласно расчетному окружному зазору W, поэтому использование диска рабочего колеса в вышеуказанном варианте выполнения для проведения испытания на дисбаланс ротора может не только обеспечить точные результаты испытания, но и упростить процесс поведения испытаний.
В сущности, преимущества использования платформы лопатки, лопаточного венца и диска рабочего колеса согласно вышеуказанным вариантам выполнения заключаются в том, что поскольку боковая кромка содержит линейный участок и изогнутый участок, изгибы указанных первого и второго изогнутых участков проходят в одном направлении и касательны друг к другу, так что при повороте лопатки под углом вокруг центра гребня Р под действием внешнего усилия, поскольку изгиб изогнутого участка является переменным в разных местоположениях, зазор между смежными платформами не будет равномерным, что приводит к перемещению смежных лопаток в одном направлении, так что смежные платформы могут иметь только закрепленное угловое положение, таким образом, фактический окружной зазор W' может быть эквивалентен расчетному окружному зазору W при испытании окружного зазора и испытании динамического баланса, при этом проблемы, связанные с тем, что платформы прижимаются друг к другу и застревают в рабочем состоянии, как в конструкциях известного уровня техники, или связанные с недостаточной точностью результатов испытаний окружного зазора лопаток и испытаний динамического баланса, могут быть устранены, причем обеспечено плотное прилегание выступа лопатки и прижатие к рабочей поверхности канавки диска для эффективной передачи нагрузки, при этом угол установки лопатки соответствует проектным требованиям, благодаря чему обеспечена требуемая высокая эффективность и большой запас прочности компрессора в газотурбинном двигателе, тем самым увеличивая эффективность и безотказность газотурбинного двигателя.
Несмотря на то, что данное изобретение раскрыто с помощью вышеуказанных вариантов выполнения, они не ограничивают данное изобретение, и любой специалист в данной области может внести возможные изменения и модификации в рамках идеи и объема изобретения. Таким образом, любые модификации, эквивалентные изменения и модификации, внесенные в вышеуказанные варианты выполнения согласно технической сущности изобретения без отступления от содержания технических решений изобретения, входят в объем правовой охраны, определяемый формулой изобретения.