ПРИСОЕДИНЕНИЕ ЛОПАТОК К БАРАБАНУ ОСЕВОГО ТУРБОКОМПРЕССОРА
ATTACHMENT OF BLADES TO DRUM OF AXIAL TURBINE COMPRESSOR

Предпосылки создания изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к лопаткам ротора осевой турбомашины, в частности к компрессору осевой турбомашины. Настоящее изобретение относится к присоединению данных лопаток к ротору турбомашины. Настоящее изобретение также относится к ротору турбомашины, спроектированному для размещения указанных лопаток.
Известный уровень техники
[0002] В патенте США №3385512 А описан лопастной ротор компрессора осевой турбомашины. Ротор содержит барабан, служащий опорой для множества рядов лопаток. Барабан содержит установочную выемку для каждого ряда лопаток. Несколько лопаток расположены на общем несущем элементе, образуя звено. Последний прикреплен к ротору посредством вставки в соответствующую выемку в барабане. На нижней поверхности, т.е. фактически напротив лопаток несущий элемент содержит массивное ребро, которое можно вставить в выемку в барабане. Ребро содержит паз на каждой из противоположных поверхностей. Выемка в барабане содержит две пластинчатые пружины, проходящие вдоль окружности в соответствующих пазах в выемке барабана. При вставке несущего элемента, общего для нескольких лопаток, передняя сторона ребра содержит конические поверхности, спроектированные для соприкосновения с пластинами и скольжения вдоль последних с тем, чтобы втолкнуть их в соответствующие пазы, противодействуя силам упругости, создаваемым их перемещением. Когда поперечные пазы в ребре находятся напротив пластин, последние могут войти в пазы под действием силы упругости, которую они прикладывают. Когда пластины становятся на свое место, они упираются с двух сторон в соответствующие выемки несущего элемента лопаток и барабана, тем самым обеспечивая присоединение лопаток к ротору. Данный способ присоединения представляет интерес, но обладает некоторыми недостатками. Он требует значительного количества материала для несущего элемента и барабана, что сильно влияет на итоговую массу двигателя и, что важнее, значительно повышает центробежные силы, что ограничивает диаметр и максимальную скорость барабана.
[0003] В патенте США №2944326 А раскрыта технология для присоединения лопаток компрессора осевой турбомашины к ротору. Лопатки имеют платформу, уменьшенную в размере, с клиновидным профилем поперечного сечения. Паз сформирован посредством чеканки каждой боковой поверхности платформы. Стенка ротора содержит одно отверстие на каждой лопатке, при этом профиль отверстия соответствует профилю платформы лопатки. Затем каждую лопатку вставляют в отверстие в роторе, из которого она не может выйти в одном направлении из-за конического или клиновидного профиля платформы и профиля отверстия, вмещающего ее. Прессовые штампы, такие как пуансон и матрица, затем применяют для воздействия высоким давлением на поверхность ротора, непосредственно прилегающую к краям отверстия, соответствующим поперечным пазам в платформе. Цель данной операции заключается в том, чтобы втолкнуть материал, образующий отверстие, внутрь поперечных пазов в платформе для обеспечения удерживающей способности паза, особенно в направлении, противоположном упомянутому. Таким образом, лопатка крепко удерживается в обоих направлениях радиально относительно ротора. Данный способ присоединения представляет интерес, но обладает некоторыми недостатками. Он требует крайне большой толщины ротора в точке его присоединения к лопаткам. Принцип установки лопаток с платформой, обладающей коническим профилем, может работать лишь при определенной толщине материала. Это также верно для вталкивания материала в поперечный паз. Данный способ присоединения не подходит для легких барабанов, состоящих, по существу, из тонкой стенки, образующей сетчатую конструкцию барабана.
[0004] В патенте США №2685405 А описан лопастной ротор, осевого компрессора, в котором лопатки являются полыми и образуют канал для движения текучей среды с ротором. Каждая лопатка содержит платформу, образующую установочную выемку. Ротор состоит из нескольких секций, соединенных друг с другом. Установку лопаток на ротор обеспечивают два смежных кольца для каждого ряда лопаток. Каждое из этих двух колец содержит край с вырезами, сочетающимися с соответствующей половиной профиля установочной выемки лопаток. Выемки и лопатки размещают между двумя установочными кольцами, при этом последние механически прикреплены к остальной части ротора. Данный тип ротора спроектирован для того, чтобы ступени ротора образовывали канал для движения текучей среды. Как и в ранее описанных толкованиях, данный тип установки требует значительного количества материала. Кроме этого, он требует производства множества компонентов и значительных усилий для сборки.
Краткое изложение сущности изобретения
Техническая проблема
[0005] Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении простого и легкого способа присоединения лопаток осевой турбомашины к ротору. В частности, цель настоящего изобретения заключается в предоставлении легкого и простого способа присоединения лопаток к барабану компрессора.
Техническое решение
[0006] Настоящее изобретение относится к лопатке ротора осевой турбомашины, содержащей: платформу для присоединения ротора; две аэродинамические поверхности, расположенные напротив друг друга и проходящие от платформы вдоль главной оси лопатки; поверхность, ограничивающую поток текучей среды и окаймляющую аэродинамические поверхности; и второй слой, расположенный под первым слоем относительно аэродинамических поверхностей, для присоединения лопаток; где второй слой платформы сконфигурирован для сопряжения с внутренней поверхностью стенки ротора, расположенной вокруг отверстия указанного ротора для его присоединения.
[0007] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения второй слой платформы сконфигурирован с возможностью сопряжения, непосредственно и/или опосредованно, со слоями внутренней поверхности стенки ротора, расположенной вдоль окружности по обеим сторонам отверстия.
[0008] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения второй слой образует один или более заплечиков, выступающих из поверхности первого слоя.
[0009] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения второй слой проходит по меньшей мере по существу параллельно первому слою и выступает из поверхности указанного слоя, образуя заплечик на каждом из его краев.
[0010] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения второй слой выступает из нижней поверхности первого слоя и содержит средство фиксации, такое как отверстие, предпочтительно ориентированное вдоль окружности относительно ротора, способное входить в механическое сцепление с удлиненным средством присоединения, спроектированным для соприкосновения с внутренней поверхностью стенки.
[0011] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения нижняя поверхность первого слоя окаймляет второй слой и образует опорную поверхность на платформе на соответствующей поверхности стенки ротора.
[0012] Настоящее изобретение также относится к лопастному ротору на осевой турбомашине, при этом лопатки выполнены согласно настоящему изобретению.
[0013] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения ротор содержит кольцевую часть стенки, содержащую ряд отверстий для установки лопаток, при этом указанная часть стенки предпочтительно является цельной.
[0014] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения конструкция ротора по существу состоит из стенки, образующей круговую сетчатую конструкцию, при этом кольцевая часть стенки выступает относительно сетчатой конструкции непосредственно перед и/или после указанной кольцевой части стенки, при этом кольцевая часть стенки предпочтительно соответствует одному ряду лопаток и сетчатая конструкция предпочтительно содержит по меньшей мере одно кольцевое ребро, спроектированное по существу с возможностью образовывать уплотнение внутренней поверхности внутренней оболочки ступени лопатки статора.
[0015] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения стенка содержит по меньшей мере один соединительный слой, проходящий в основном в радиальном направлении между стенкой, образующей оболочку, и кольцевой частью стенки.
[0016] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения лопатки соответствуют любому из пп. 3 и 4 формулы изобретения, при этом форма установочных отверстий кольцевой части стенки соответствует форме отверстий первого слоя платформы лопатки, и поверхности указанного слоя, ограничивающие поток текучей среды, расположены вровень с внешней поверхностью кольцевой части стенки.
[0017] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения ротор содержит средство воздействия давлением на внутреннюю поверхность платформ лопаток для удержания их на своих местах, при этом указанное средство предпочтительно содержит по меньшей мере пружинное стопорное кольцо и/или ленту, выполненную в форме кольца.
[0018] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения ротор содержит связующее средство, такое как клей, между заплечиками платформ лопаток и стенкой ротора.
[0019] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения, установочные отверстия кольцевой части стенки и лопатки, в частности их аэродинамические поверхности, сконструированы с возможностью вставлять лопатки сквозь отверстия изнутри ротора для их фиксации.
[0020] Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения внешняя поверхность кольцевой части стенки содержит полость вокруг каждого установочного отверстия, спроектированную для размещения первого слоя платформы лопатки, где второй слой платформы лопатки проходит сквозь указанное отверстие, и средство присоединения, такое как одно или более пружинных стопорных колец, сопрягается со средством фиксации платформ лопаток и с внутренней поверхностью указанной части стенки, при этом указанное средство предпочтительно расположено кольцеобразно.
Заявленное преимущество
[0021] Этапы настоящего изобретения обеспечивают преимущественное средство присоединения лопаток турбомашины к ротору. Данное средство сборки обладает преимуществом, заключающимся в том, что оно позволяет изготавливать лопатки и ротор из разных материалов, особенно в ситуациях, когда их невозможно соединить друг с другом посредством сварки. Данный тип сборки также обладает преимуществом, заключающимся в ее легкости. Она совместима с ротором в форме барабана, т.е. по существу состоящим из тонкой стенки, образующей оболочку, имеющую оживальную форму или форму барабана, особенно оснащенную выступающими кольцевыми частями стенки. Эти части обладают двойным преимуществом, заключающимся в придании жесткости барабану и компенсации разницы высоты, необходимой для размещения внутренних оболочек лопаток статора. Лопатки согласно настоящему изобретению особенно подходят для данного типа ротора. Они применяют выступающие части стенки, спроектированные с возможностью вмещать лопатки для их присоединения, не требующего добавления какого-либо материала или усиления.
Краткое описание графических материалов
[0022] На фиг.1 показан вид в частичном разрезе секции компрессора низкого давления осевой турбомашины реактивного двигателя, при этом лопатки и ротор выполнены в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0023] На фиг.2 показан вид в разрезе ротора турбомашины по фиг.1, демонстрирующий альтернативные способы присоединения лопаток ротора, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0024] На фиг.3 показан вид в перспективе примера варианта осуществления лопатки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0025] На фиг.4 показан вид в частичном разрезе ротора осевой турбомашины согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[0026] На фиг.5 показан вид в перспективе лопатки ротора по фиг.4 согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[0027] На фиг.6 показан вид в разрезе лопастного ротора по фиг.4, где разрез выполнен по линии 6-6.
Описание вариантов осуществления
[0028] На фиг.1 показана передняя часть осевой турбомашины 2 реактивного двигателя. На данной фигуре показан приточный вентилятор 6, установленный на роторе 4. Непосредственно после вентилятора 6 расположена носовая часть 8 разделителя воздушного потока, проходящего сквозь вентилятор 6. Указанный поток разделяют на основной поток, проходящий сквозь различные ступени компрессии компрессора, и вторичный поток, проходящий за пределами основного потока и компрессора. Компрессор содержит последовательность ступеней статора, состоящих из лопаток 10 статора. Ротор 4 служит опорой для последовательности рядов лопаток 12 ротора, при этом каждый ряд лопаток ротора образует совместно с рядом лопаток статора, расположенных непосредственно после него, ступень компрессии компрессора.
[0029] Ротор 4 представляет собой барабан, состоящий в основном из стенки 16, симметричной относительно своей оси вращения. Стенка образует оболочку, соответствующую общей форме оживального барабана. Тем не менее, она содержит выступающие части 18, соответствующие рядам, где зафиксированы лопатки 12. Данные выступающие кольцевые части 18 позволяют лопаткам, зафиксированным на них, предоставлять доступ к своим платформам 14, ограничивающим основной поток сквозь компрессор вдоль стенки ротора до внутренних оболочек 20 соседних лопаток 10 статора. Оболочки 20 опираются на лопатки 12 статора и содержат истираемый материал 22, по существу предоставляющий уплотнение с кромочными уплотнениями 24 на стенке 16 ротора 4.
[0030] Выступающие части стенки 18 содержат отверстия, в которые вставляют лопатки 12 и в которых они удерживаются. Каждая лопатка 12 содержит платформу 14, спроектированную для сопряжения с внутренней поверхностью части стенки 18 непосредственно на краю указанного отверстия. Фактически, как видно на фиг.1, платформы 14 лопаток 12 ротора содержат нижний слой, образующий заплечик на переднем и заднем краях, при этом данные заплечики соприкасаются с внутренней поверхностью стенки. Они обеспечивают механическую фиксацию лопаток в радиальном направлении. Подобные заплечики также могут быть предоставлены на других краях платформы 14, т.е. в круговом направлении вдоль краев. Они не показаны на фиг.1, поскольку она представляет собой вид ротора в продольном сечении.
[0031] Таким образом, лопатки 12 ротора размещают, вставляя изнутри барабана; сначала аэродинамическую поверхность лопатки вставляют в соответствующее отверстие и затем размещают платформу, вставляя ее в отверстие, при этом фиксирующие слои соприкасаются с внутренней поверхностью стенки ротора. Лопатки 12 ротора также можно удерживать на своем месте с помощью других средств, таких как клей. Форма фиксирующих платформ 14 обеспечивает радиальную фиксацию лопаток в направлении, соответствующем направлению центробежных сил. При вращении данные силы увеличиваются настолько, что они смещают другие силы, воздействующие на лопатки, такие как аэродинамические силы и силы, связанные с собственным весом лопатки. При остановке или даже на низких скоростях центробежные силы равны нулю или являются небольшими и, следовательно, важно, чтобы лопатки ротора были закреплены с помощью других средств. Тем не менее, силы, воздействующие на лопатки в данных условиях, значительно меньше сил, ассоциированных с центробежными силами.
[0032] Следует отметить, что размеры платформ лопаток и вмещающих отверстий в стенке 18 могут быть выбраны с возможностью обеспечения тугой посадки этих деталей. В данном случае края платформы и/или края отверстий в стенке 18 могут быть коническими с возможностью обеспечения зажима в процессе посадки лопаток ротора.
[0033] На фиг.2 показаны варианты способа присоединения лопаток к ротору согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг.1. На фиг.2 показано лишь сечение ротора.
[0034] Первый ряд 12 лопаток ротора удерживают на месте с помощью пружинного стопорного кольца 26 с круглым поперечным сечением, размещенного в пазе соответствующей формы на внутренних сторонах платформ 14. Кольцо предпочтительно изготовлено из упругого металлического материала, такого как пружинная сталь. Оно сконфигурировано с возможностью находиться в напряжении после того как его установят на месте, с тем чтобы прикладывать силы на платформы, при этом данные силы направлены по существу радиально от ротора.
[0035] Второй ряд 12 лопаток ротора также удерживают на месте с помощью пружинного стопорного кольца, но в этот раз кольцо имеет по существу прямоугольную форму в сечении 28. Оно также размещается в пазах, имеющих соответствующую форму и выполненных на внутренних сторонах платформ. Оно также сконфигурировано с возможностью находиться в напряжении после установки на место и служить опорой для платформ.
[0036] Третий ряд 12 лопаток ротора удерживают на месте с помощью ленты 30, проходящей через большую часть длины платформ лопаток. Учитывая ширину ленты, наличие соответствующих пазов не является необходимым.
[0037] Средства присоединения, показанные на фиг.2, являются примерами и могут сочетаться друг с другом или с другими средствами, такими как склеивание и/или соединение зажимами.
[0038] На фиг.3 показан вид в перспективе лопатки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения по фиг.1 и 2. Лопатка 12 ротора состоит по существу из аэродинамического слоя 32 и платформы 14. Последняя содержит первый верхний слой 34, образующий поверхность потока текучей среды и окаймляющий аэродинамический слой 32. Данная поверхность может иметь форму параллелограмма или точнее форму прямоугольника. Ее толщина в значительной мере соответствует толщине выступающей части стенки 18 (фиг.1 и 2) ротора, в частности толщине стенки ротора непосредственно на краю отверстия, вмещающего лопатку. Платформа 14 также содержит второй слой 36, расположенный непосредственно под первым слоем. Второй слой 36 покрывает всю площадь первого слоя и образует заплечик по меньшей мере на двух противоположных краях первого слоя 34. В определенном случае, показанном на фиг.3, второй слой образует заплечики на четырех краях первого слоя. Эти заплечики спроектированы для соприкосновения с внутренней поверхностью стенки, на краю отверстия, вмещающего лопатку.
[0039] Паз с круглым поперечным сечением 38 выполнен в поперечном направлении на внутренней поверхности платформы 14, в данном случае изнутри второго слоя 36. Данный паз спроектирован для сопряжения с круглым пружинным стопорным кольцом, таким как пружинное стопорное кольцо 26, показанное на первом ряду ротора по фиг.2.
[0040] Второй слой платформы лопатки может иметь различные формы при условии, что он предоставляет средство механической фиксации указанных лопаток. Фактически вместо того чтобы закрывать всю площадь первого слоя, он может быть ограничен отрезками, определяющими заплечики.
[0041] Передний и задний края второго слоя 36 имеют изогнутые поверхности, соответствующие профилю внутренней поверхности стенки, с которой они соприкасаются.
[0042] Платформа лопатки и часть стенки ротора, сопряженная с лопатками, сконфигурированы таким образом, что поверхность первого слоя 34, образующая поверхность потока текучей среды, расположена вровень с внешней поверхностью указанной части стенки.
[0043] На фиг.4-6 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.4 показан вид в частичном разрезе ротора осевой турбомашины, показывающий посадку лопатки на ее стенку. На фиг.5 показан вид в перспективе лопатки, показанной на фиг.4. На фиг.6 показан вид в разрезе лопастного ротора по фиг.4, где разрез выполнен по линии 6-6.
[0044] Ссылочные номера на фиг.1-3 первого варианта осуществления также применены на фиг.4-6 второго варианта осуществления для тех же или соответствующих частей; однако все эти номера увеличены на 100. Для идентичных частей ссылочные номера ссылаются на ссылочные номера деталей первого варианта осуществления.
[0045] Ротор 104, показанный на фиг.4, является подобным ротору, показанному на фиг.1 и 2. Тем не менее, он отличается выступающей частью стенки 118, вмещающей лопатки 112. Вместо углублений по существу с постоянным сечением в данном случае часть стенки 18 содержит полость, поперечное сечение которой в значительной мере соответствует поперечному сечению платформы, и отверстие меньшего диаметра в сравнении с полостью.
[0046] Платформа 114 лопатки 112 содержит первый слой 134, подобный первому слою 34 (см. фиг.3) платформы в первом варианте осуществления. Она также содержит второй слой 136, расположенный непосредственно под первым слоем 134. Второй слой 136 проходит от нижней части первого слоя так, чтобы выступать из него. Он спроектирован с возможностью прохождения сквозь отверстие в выступающей части стенки 118 с возможностью присоединения лопатки. Он содержит отверстие 138, спроектированное для сопряжения со средством присоединения, расположенным на внутренней поверхности части стенки 118. Отверстие 138 ориентировано вдоль окружности в роторе. На фиг.6 показано пружинное стопорное кольцо 126, проходящее сквозь отверстия нескольких прилегающих платформ лопаток в ряду лопаток ротора. Пружинное стопорное кольцо 126 может проходить по всей длине окружности, образуя множество поворотов, или может быть разделено на звенья с возможностью сопряжения лишь с меньшим количеством лопаток в ряду.
[0047] Второй слой, выступающий из нижней стороны первого слоя, может иметь другие формы, отличающиеся от показанных на фиг.4-6. То же верно для средства фиксации, расположенного на втором слое. Отверстие может иметь другие формы, а также может быть ориентировано в другом направлении. Также возможно предоставить несколько отверстий во втором слое. Средство фиксации может быть сформировано подходящим наружным профилем второго слоя. Например, последний может представлять собой транспортный профиль, с которым может сопрягаться пружинное стопорное кольцо или замок соответствующей формы для обеспечения фиксации лопатки на роторе.
[0048] Может быть предоставлено зажимное устройство, спроектированное для воздействия растягивающей силой на второй слой. Оно может быть интегрировано в средство присоединения (в данном случае - пружинное стопорное кольцо 126 в примере по фиг.4-6), сопряженное со средством фиксации (в данном случае - отверстие 138). Средство присоединения может иметь сужение к одному концу по меньшей мере на одной поверхности соприкосновения со вторым слоем платформы с возможностью воздействия силой тяги на указанный второй слой при размещении указанного средства фиксации. В качестве альтернативы или дополнения зажимное устройство может выполнять функцию опоры для средства фиксации на внутренней поверхности стенки.
[0049] Другими словами, лопатки согласно настоящему изобретению, в частности, согласно двум вариантам осуществления, описанным выше, могут быть изготовлены из материала, отличающегося от материала ротора. В частности, они могут быть изготовлены из композитного материала, в частности из композитного материала с органической матрицей. Ротор может быть изготовлен из металлического материала, такого как титан. Таким образом, лопастной ротор может быть очень легким и одновременно обеспечивать оптимальное присоединение лопаток, особенно подходящее для компенсации любого относительного расширения примененных материалов.
[0050] Лопатки, изготовленные из композитного материала, также могут содержать одну или более металлических вставок, в частности во втором слое платформы, которая в некоторых случаях может подвергаться значительному давлению, в том числе в ходе эксплуатации турбомашины.