ДИСК С ЛОПАТКАМИ ВЕНТИЛЯТОРА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ, ВЕНТИЛЯТОР ТУРБОМАШИНЫ И АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DISC WITH FAN BLADES FOR TURBOMACHINE, TURBOMACHINE FAN AND AIRCRAFT ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к диску вентилятора двигателя типа турбореактивного двигателя, причем этот диск представляет собой диск типа моноблочного диска с лопатками, т.е., он содержит ступицу и лопатки, образующие единую и неразъемную деталь.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатель типа двухконтурного 1 турбореактивного двигателя, такого как двухконтурный турбореактивный двигатель по Фигуре 1, содержит канал 2 воздухозаборника, в который поступает воздух, перед его втягиванием лопастями вентилятора 3. После прохождения области вентилятора, воздух делится на центральный первичный поток и вторичный поток, который окружает первичный поток.
Первичный поток воздуха затем проходит через компрессор 4 низкого давления, расположенный непосредственно после вентилятора 3, тогда как вторичный поток продвигается к задней части, для непосредственного генерирования дополнительной тяги, продуваемой вокруг первичного потока.
Первичный поток затем проходит через компрессор 6 высокого давления, до достижения камеры 7, где происходит его сгорание, после впрыскивания и испарения топлива. После сгорания, этот первичный поток сбрасывает давление в турбине 8 высокого давления, затем в турбине низкого давления, с последующим втягиванием в ступени закрутки компрессора и вентилятора, перед его выталкиванием к задней части двигателя, для генерирования тяги.
Каждая турбина и каждый компрессор содержит последовательность ступеней, каждая из которых содержит серию лопаток, ориентированных радиально и расставленных с равными промежутками вокруг вала вращения двигателя. Этот центральный вал или ротор, который простирается вдоль продольной оси AX, несет на себе вращательные элементы турбины, а также вращательные элементы компрессора и вентилятора.
Лопатки вентилятора могут представлять собой элементы, связанные с диском, называемым диском вентилятора, который, в первую очередь, прикреплен, например, с помощью шлицевого соединения с валом двигателя. После закрепления диска, лопатки пригоняют к передней части диска, таким образом, чтобы они были вставлены в продольные канавки, созданные по периферии диска, и которые называются альвеолами.
В случае вентилятора с моноблочным диском с лопатками, комплект лопаток вентилятора нанизан на ступицу, с образованием с нею единой и неразъемной детали. Часть такого моноблочного диска с лопатками, соответствующая угловому сегменту вокруг оси AX, схематически представлена на Фигуре 2.
Диск с лопатками вентилятора для турбомашины, такой как турбореактивный двигатель, описанного выше типа известен, например, из патента США № 8,435,006 B2 (МПК F01D 5/00, опубл. 2013.
Но изобретение предлагает новую структуру диска с лопатками.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения этой цели, задачей изобретения является создание диска с лопатками вентилятора для турбомашины, такой как турбореактивный двигатель, причем этот диск с лопатками содержит ступицу, ограниченную передней стороной и задней стороной по отношению к потоку, проходящему через диск с лопатками в ходе эксплуатации, а также внешнюю периферическую поверхность и внутреннюю периферическую поверхность вращения, ограничивающие внутреннее отверстие ступицы, причем эта ступица несет на себе на своей внешней периферической поверхности лопасти, причем каждая лопасть имеет переднюю кромку и заднюю кромку, причем ступица и лопасти составляют моноблочную систему, в которой передняя сторона и/или задняя сторона смещена, будучи расположенной вдоль оси вращения между передними кромками и задними кромками лопастей, причем диск с лопатками содержит заполняющий элемент, нанесенный на смещенную поверхность, причем этот заполняющий элемент содержит внутренний центрирующий обод, взаимодействующий с внутренним отверстием ступицы, радиальную часть, находящуюся в упоре на смещенную поверхность, и внешний обод, проходящий в удлинение внешней периферической поверхности ступицы для удлинения этой внешней периферической поверхности.
При такой компоновке, диск содержит ступицу, предназначенную для поддержания лопастей, оптимизированную для максимизации механической прочности этих лопастей, а заполняющий элемент,  удлиняющий цилиндрическую внешнюю поверхность ступицы, предназначен для направления потока воздуха, проходящего через лопасти. Таким образом, форма и материал ступицы могут быть специально оптимизированы для поддержания механической прочности лопастей, а заполняющий элемент может быть изготовлен из другого материала и с другими размерами, для достижения, в частности, уменьшенной массы.
Задачей изобретения также является диск, как определен выше, в котором радиальная часть заполняющего элемента содержит комплект радиальных сегментов, отстоящих друг от друга, в котором смещенная поверхность содержит на ее внутренней периферии выступы, выходящие аксиально, для удлинения внутренней периферической поверхности, причем каждый радиальный сегмент радиальной части сцеплен с двумя выступами, причем каждый выступ содержит внутреннюю канавку, для совместного образования прерывистой окружной внутренней канавки, и запирающее кольцо, сцепляемое с этой окружной внутренней канавкой для блокировки заполняющего элемента вдоль оси вращения, причем элемент заблокирован между с одной стороны, смещенной поверхностью, на которую опирается его радиальная часть, а с другой стороны, - кольцом, на которое опирается кромка центрирующего обода.
Задачей изобретения также является создание диска, заданного указанным образом, содержащего, по меньшей мере, один стопор для фиксирования заполняющего элемента от вращения, причем этот стопор расположен между двумя последовательными выступами, соединяя их между собой, причем этот стопор, содержащий канавку, простирается в продолжение канавок двух выступов, между которыми он установлен, для приема соответствующей части запирающего кольца, причем этот стопор содержит поверхность запирания, расположенную с упором на смещенную поверхность ступицы, когда этот стопор установлен, причем эта поверхность запирания содержит радиальную канавку, в которую входит часть радиального сегмента, расположенная между двумя выступами, которые соединены этим стопором, для блокировки вращения заполняющего элемента , причем радиальный сегмент содержит на стопоре уступ, за который зацепляется стопор, для блокировки этого стопора в радиальном направлении.
Задачей изобретения также является создание диска, заданного указанным образом, в котором каждая лопасть содержит со стороны ее передней кромки или ее задней кромки удлинение в направлении оси вращения, посредством которого она соединена со смещенной поверхностью ступицы, причем внешний обод содержит комплект зубцов или выемок, в которые входит каждое удлинение лопасти, когда заполняющий элемент установлен.
Задачей изобретения также является создание диска, заданного указанным образом, содержащего уплотнение, простирающегося вдоль кромки внешнего обода, для обеспечения герметичности между внешним ободом и ступицей с лопастями, которые несет на себе эта ступица.
Задачей изобретения также является создание диска, заданного указанным образом, в котором смещена передняя сторона ступицы, при этом она снабжена заполняющим элементом.
Задачей изобретения также является создание диска, заданного указанным образом, в котором смещена задняя сторона ступицы, при этом она снабжена заполняющим элементом.
Задачей изобретения также является создание вентилятора турбомашины, содержащего диск, заданный указанным образом.
Задачей изобретения также является создание авиационного двигателя типа турбореактивного двигателя, содержащего диск с лопатками, заданный указанным образом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 представляет собой изображение узла турбореактивного двигателя, представленное в виде продольного разреза;
Фигура 2 представляет собой частичное перспективное изображение моноблочного диска с лопатками с лопатками согласно уровню техники, демонстрирующее угловой сегмент этого моноблочного диска, содержащий две лопасти;
Фигура 3 представляет собой частичное изображение в виде поперечного разреза моноблочного диска с лопатками, где лопатки снабжены заполняющим элементом, соответствующим изобретению;
Фигура 4 представляет собой частичное изображение внешнего обода заполняющего элемента, которым снабжен диск с лопатками, соответствующий изобретению;
Фигура 5 представляет собой частичное развернутое изображение задней стороны диска с лопатками, снабженного заполняющим элементом, соответствующим изобретению;
Фигура 6 представляет собой частичное изображение в виде продольного разреза диска с лопатками на выступе для блокировки заполняющего элемента, соответствующего изобретению;
Фигура 7 представляет собой частичное изображение в виде продольного разреза диска с лопатками на уровне стопора для блокировки заполняющего элемента, соответствующего изобретению;
Фигура 8 представляет собой частичное изображение в виде продольного разреза диска с лопатками на уровне радиального сегмента радиальной части заполняющего элемента, соответствующего изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Диск с лопатками согласно изобретению, который частично представлен на Фигуре 3, где он помечен как 11, содержит ступицу 12, соответствующую его центральной части, и которая несет на себе комплект лопастей, одна из которых показана на Фигуре 3, где она помечена как 13.
Ступица 12, которая имеет, как правило, кольцевую форму, простирается вокруг ее оси вращения AX, образуя вместе с лопатками, которые она несет на себе, неразъемную моноблочную деталь, полученную в ходе одного процесса изготовления.
Эта ступица 12 содержит внешнюю периферическую поверхность 14, расположенную в форме усеченного конуса вокруг оси AX, и из которой выступают основания каждой из лопаток, которые отстоят друг от друга на равное расстояние вокруг оси AX. Эта ступица 12 также содержит проходящее через нее внутреннее отверстие, ограниченное внутренней 15 поверхностью вращения, которая здесь является цилиндрической.
Внешняя 14 периферическая поверхность продолжается вверх по потоку радиально относительно оси AX с передней стороны 16 в форме плоского венца, и она продолжается вниз по потоку радиально относительно оси AX с задней стороны 17 также в форме плоского венца. Задняя и передняя поверхности в виде венца центрированы на оси AX и ориентированы перпендикулярно к этой оси.
Каждая лопатка содержит переднюю 18 кромку и заднюю 19 кромку, причем передние кромки - это те, которые расположены выше по потоку, образуя поверхность для падающего потока воздуха, тогда как задние кромки - это те, которые расположены ниже по потоку относительно передних кромок, по отношению к потоку вооздуха, проходящего через реактор во время его функционирования.
Ступица 12 имеет выемку на уровне ее задней части по потоку, таким образом, чтобы задняя сторона 21 была смещена вдоль оси AX к центральной области, по отношению к задним 19 кромкам лопастей. Таким образом, эта смещенная поверхность расположена вдоль оси AX между передними 18 кромками и задними 19 кромками лопаток. Каждая лопасть 13 сопряжена своим основанием с внешней 14 периферической поверхностью, которая, таким образом, является более короткой, чем лопасти вдоль оси AX. Расстояние, разделяющее переднюю сторону 16 и заднюю сторону 17, таким образом, меньше длины лопастей, выступающих на оси AX, также называемой хордой.
Часть задней 19 кромки, которая находится по соседству с основанием каждой лопасти 13, таким образом, расположена вдоль оси AX, за пределами задней стороны 17 ступицы 12. Более того, каждая задняя 19 кромка продолжается радиально относительно оси AX, перед периферической поверхностью 14, так, что она удлиняет нижнюю по потоку часть лопасти по направлению к задней стороне 17.
Эти удлинения нижних по потоку частей лопастей 13 по направлению к оси AX представлены на Фигуре 3, где они помечены как 20. Они позволяют, в частности, избежать образования зон концентрации напряжений.
Для заполнения выемки задней части ступицы 12, диск 11 с лопатками согласно изобретению снабжают заполняющим элементом 21, опирающимся на заднюю сторону 17, и внешняя поверхность которого простирается в продолжение периферической поверхности 14 ступицы 12, для удлинения этой поверхности, расположенной в форме усеченного конуса 14, вплоть до достижения уровней задних 19 кромок лопастей 13, см. ниже.
Этот заполняющий элемент 21 содержит центрирующий внутренний 22 обод, причем этот обод 22, имеющий кромку, продолжается радиальной частью 23, простирающейся вдоль задней стороны 17, вплоть до периферической поверхности 14, и далее продолжается в виде внешнего обода в форме усеченного конуса 24.
Когда заполняющий элемент установлен, как на Фигурах, внутренний центрирующий обод 22 входит во внутреннюю цилиндрическую часть ступицы 12, простираясь вдоль внутренней поверхности 15, для центрирования заполняющего элемента по отношению к ступице. Следовательно, внешний обод в форме усеченного конуса 24, устанавливают таким образом, чтобы его внешняя 26 поверхность образовывала удлинение внешней 14 поверхности ступицы 12.
В ходе эксплуатации, поток воздуха или струя, проходящая через лопасти 13, таким образом, внутренне ограничивается в ходе своего перемещения, сначала внешней поверхностью 14 в форме усеченного конуса корпуса ступицы 12, а затем - внешней поверхностью 26 внешнего обода заполняющего элемента. Эти две внешние поверхности 14, 26  в форме усеченных конусов простираются друг в продолжение друга, образуя, таким образом, непрерывную внешнюю поверхность, ограничивающую струю, проходящую через лопасти.
Как видно на Фигуре 4, внешний 24 обод содержит на уровне своей верхней по потоку кромки комплект зубцов или выемок, обозначенных как 27, и каждая из которых соответствует одной из лопастей 13. Каждая выемка 27 предназначена для того, чтобы окружать удлинение 20 лопасти 13, простирающееся ниже цилиндрической поверхности 14, чтобы внешний 24 обод мог иметь внешнюю 26 поверхность на том же уровне, что и поверхность 14, которую она продолжает.
Таким образом, монтаж заполняющего элемента 21 состоит в его вставлении сзади ступицы 12, для прижатия его части 23 к задней стороне 17, слегка поворачивая его вокруг оси AX так, чтобы вставить удлинения 20 лопастей 13, которые наклонены по отношению к оси AX, в шлицы или выемки 27.
Дополнительно, предусмотрено герметичное уплотнение (не представлено), которое помещено между кромкой внешнего обода 24 и лопастями 13 или их нижними удлинениями 20, а также задней стороной 17, во избежание протекания газа между внешним 24 ободом и ступицей 12.
Речь может идти о единственном уплотнении, полностью охватываемом периферию, которое простирается целиком по верхней по потоку кромке внешнего обода, повторяя форму с зубцами этой верхней по потоку кромки, или о комплекте единичных уплотнений, каждый из которых простирается по области, соответствующей зубцам 27 внешнего обода 24.
Уплотнение или комплект уплотнений, обеспечивающих герметичность между ступицей 12 и внешним ободом, позволяют заполнять функциональный зазор, который предусмотрен между этими деталями, чтобы лопасти обладали определенной подвижностью на изгиб, когда они подвергаются механической нагрузке. По порядку величины, функциональный зазор, заполняемый уплотнением, имеет толщину, составляющую от половины до двойной величины толщины лопасти в области, где она окружена зубцами.
Материал уплотнения можно выбрать таким, чтобы он был упругим, или лучше вязкоупругим, для участия в рассеивании энергии, поглощаемой лопастями. В случае вязкоупругого материала можно выбрать каучук, кремнийорганическое соединение, эластомерный полимер или эпоксидную смолу, которые могут быть однослойными или многослойными, которые имеют слои, которые могут состоять из различных материалов.
В общем виде, уплотнение представляет собой деталь соединения, со скругленным или изогнутым поперечным сечением, которая соединяет лопасть с внешним ободом и задней поверхностью.
Как схематически проиллюстрировано на Фигурах 5-8, заполняющий элемент 21 имеет внутренний 22 обод, который центрируется на внутренней поверхности 15 ступицы 12, когда он опирается на выступы 28, которые выходят с задней стороны 17, образуя удлинение внутренней 15 поверхности. Выступы 28 отстоят друг от друга на равное расстояние вокруг оси AX, причем каждый выступ 28 расположен справа от соответствующей лопасти 13.
Дополнительно, каждый выступ 28 содержит канавку 29, простирающуюся по плоскости, нормальной к оси AX, и открывающуюся на внутренней 15 поверхности к оси AX. Канавки 29 различных выступов 28, таким образом, совместно образуют прерывистую внутреннюю канавку, выполненную с возможностью приема внутреннего периферийного кольца, помеченного на Фигурах как 31. Внешняя кромка этого кольца вставляется в эти канавки 29, для фиксации там в таком в положении, при том, что его внутренняя кромка выступает внутрь, образуя, таким образом, упор, выступающий из внутренней 15 поверхности, и на который будет опираться центрирующий обод 22.
Дополнительно, кольцо 31 содержит края 32, 33 загнутые радиально наружу, каждый из которых будет зацепляться за соответствующую поверхность выступа 28, чтобы воспрепятствовать вращению этого кольца 31 вокруг оси AX относительно ступицы 12. Как видно на Фигуре 5, края кольца расставлены недалеко, чтобы они опирались на два смежных выступа.
Это кольцо 31, таким образом, позволяет фиксировать заполняющий элемент 21 вдоль оси AX, а выступы 28 проходят через отверстия радиальной части 23 заполняющего элемента, для приема кольца на уровне их внутренних радиальных поверхностей. Точнее говоря, элемент 21 удерживается аксиально с одной стороны, поверхностью 17, на которую опирается его радиальная 23 часть, а с другой стороны, кольцом 31, на который опирается внутренний 22 обод, что позволяет зафиксировать его по двум направлениям вдоль оси AX.
Заполняющий элемент также фиксируют от вращения вокруг оси AX, по отношению к ступице 12, с которой он жестко соединен.
Точнее говоря, радиальная 23 часть элемента 21 образована из нескольких радиальных сегментов 34, регулярно расставленных вокруг оси AX, и, которые ограничивают отверстия, пересекаемые выступами, когда заполняющий элемент установлен. Каждый радиальный сегмент имеет внутренний край, сопряженный с внутренним 22 ободом, и внешний край, сопряженный с внешним 24 ободом.
Количество радиальных сегментов 34 идентично количеству выступов 28, вследствие чего каждый радиальный сегмент 34 расположен вдоль задней стороны 17 ступицы 12, простираясь между двумя последовательными выступами 28, выходящими из этой задней стороны 17.
Два радиальных сегмента 34 жесткого комплекта, который образует заполняющий элемент 21, фиксируются двумя стопорами, расположенными под углом 180° друг по отношению к другу вокруг оси AX. Можно успешно выбрать стопорные отверстия под углом 120°, или еще четыре стопора под углом 90°. Еще можно предусмотреть единственный стопор, развернутый на 180°, для придания подходящего равновесия.
Один из этих стопоров появляется на Фигурах 5, 7 и 8, где они помечены как 36. Он принимает форму, близкую к форме каждого выступа 28, выходящего из поверхности 17, и его внешние размеры таковы, что он вставляется между двумя последовательными выступами 28, таким образом, чтобы он соединял эти два элемента, с образованием с ними непрерывной последовательности.
Как и каждый выступ 28, этот стопор 36 содержит внутреннюю поверхность, простирающуюся в удлинение внутренней 15 поверхности, когда он установлен, и содержит канавку 37, открывающуюся в этой внутренней поверхности и простирающуюся перпендикулярно к оси AX, когда стопор установлен. Канавка 37 стопора 36 простирается в продолжение канавок 29 выступов, между которыми этот стопор 36 установлен, причем эта канавка 37 принимает также кольцо 31, когда комплект установлен.
Этот стопор 36 содержит поверхность запирания, которая опирается на поверхность 17 ступицы 12, причем эта поверхность запирания содержит канавку, простирающуюся радиально по отношению к оси AX, и когда стопор 36 установлен, эта канавка приспособлена для приема радиального сегмента 34.
Помимо канавки стопора 36, радиальный сегмент 34, который входит в эту канавку, имеет уступ 38 на уровне этого стопора 36, за который зацепляется стопор 36, для его блокировки в радиальном направлении, когда узел установлен.
Как видно на Фигуре 8, уступ 38 радиального сегмента 34, который фиксирует стопор 36, соответствует уменьшению толщины этого радиального сегмента, измеренной в направлении, параллельном оси AX.
Таким образом, когда стопор 36 установлен, будучи вставленным между двумя последовательными выступами, радиальный сегмент 34 входит в канавку стопора для блокировки вращения заполняющего элемента по отношению к ступице 12, и стопор 36 зацепляется с уступом 38 радиального сегмента, для его блокировки в радиальном направлении. Дополнительно, и как должно быть понятно, кольцо, таким образом, вставляют в канавку 37 стопора, для его блокировки, чтобы он не мог смещаться параллельно оси AX.
Монтаж узла состоит в первую очередь в установке заполняющего элемента 21 у задней стороны 17 ступицы, с зацеплением с центрирующим ободом 22 в ступице. Таким образом, могут быть установлены два фиксирующих стопора, причем каждый устанавливают между двумя последовательными выступами, чтобы они были диаметрально противоположны по отношению к оси AX. Установка стопора 36 состоит в его размещении напротив пространства, разделяющего два последовательных выступа, между которыми он должен быть установлен, и в его перемещении параллельно оси AX, для его введения на часть радиального сегмента 34, расположенного между этими двумя последовательными выступами.
Сразу после установки стопоров на место, запирающее кольцо 31 может быть установлено вставлением во внутреннюю канавку, ограниченную канавками выступов и стопорами, для закрепления положения заполняющего элемента по отношению к ступице.
Заполняющий элемент согласно изобретению обеспечивает удовлетворительное воздействие центробежных нагрузок, поскольку установлена единая деталь вращения, происходящая вокруг оси AX.
Благодаря своей центрировке на ступице через внутренний обод и своей опоре на заднюю сторону ступицы, заполняющий элемент можно точно расположить по отношению к корпусу диска с лопатками, таким образом, чтобы внешняя поверхность внешнего обода точно простиралась в удлинение внешней поверхности, имеющей форму усеченного конуса, ступицы.
Выступы, поддерживающие кольцо, представляют собой элементы, которые выходят из ступицы, что позволяет избежать создания желобков в ступице, которые, вызывают образование зон концентрации напряжений.
Благодаря функциональному зазору, предусмотренному между ступицей с лопастями, которые она несет на себе, и внешним ободом, лопасти сохраняют на уровне своих задних частей гибкость, необходимую для выдерживания различных нагрузок в ходе эксплуатации.
В частности, низ задней кромки лопастей  в их частях, ближе всего расположенных к оси AX, высвобожден, благодаря функциональному зазору, что способствует гибкости, требуемой во время нагрузок в слуае соударения птиц с лопастями. Заполняющий элемент благоприятно влияет в случае деформирования лопаток при этом воздействии.
Среди прочего, в примере согласно Фигурам изобретение применяют для ступицы, содержащей заднюю сторону, которая смещена, но его применяют также и для ступицы, у которой смещена передняя сторона, причем заполняющий элемент находится на передней стороне ступицы таким образом, что он продолжает периферическую поверхность ступицы вверх по потоку.