ЛОПАТОЧНОЕ КОЛЕСО ТУРБОМАШИНЫ
TURBOMACHINE BLADE WHEEL

Настоящее изобретение относится к лопаточному колесу турбомашины, в частности к колесу вентилятора турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета.
Колесо вентилятора обычно содержит диск, несущий на своей внешней периферии лопатки, имеющие ножки, которые вставлены по существу в осевые гнезда внешней периферии диска. Лопатки вентилятора радиально удерживаются на диске за счет взаимодействия форм их ножек с гнездами диска; причем ножки лопаток относятся к типу, например, ласточкин хвост. Межлопаточные полки установлены на диске между лопатками вентилятора или представляют собой неотъемлемую часть диска. Описание лопаток данного типа приведено, например, в документе FR 2881174 от имени заявителя. Гнезда могут быть прямыми или криволинейными, а контактные поверхности между ножками лопаток и внутренней стенкой гнезд называются опорными поверхностями.
Лопатки установлены с зазором между их ножками и стенками гнезд. Для уменьшения данного зазора было предложено установить эластичные вставки между дном гнезд и ножками лопаток таким образом, чтобы последние радиально удерживались, опираясь на опорные поверхности диска.
Эти вставки должны быть выполнены с большой степенью точности для того, чтобы лопатки удерживались, без полного блокирования, в положении, которое не позволяло бы нормальной опоры ножек лопаток на опорные поверхности гнезд.
Данный тип лопаточного колеса имеет представленные далее недостатки.
Вращение лопаточного колеса во время работы турбомашины прикладывает на лопатки значительные центробежные усилия, которые их удерживают в так называемом рабочем положении. Например, лопатка вентилятора приблизительно 4,5 кг может быть подвержена воздействию силы, превышающей 60 тонн.
В случае колеса вентилятора, в частности после установки лопаток колеса, измеряется дисбаланс, появляющийся во время вращения колеса. Если данный дисбаланс больше определенного порога, то производятся демонтаж и перестановка некоторых лопаток для уменьшения дисбаланса.
В случае отсутствия вставки или, когда вставки недостаточно предварительно напряжены, при каждой остановке лопаточное колесо оказывается в различном угловом положении, и лопатки могут менять положение под действием их собственного веса. В этом случае, поскольку положения лопаток и, таким образом, дисбаланс лопаточного колеса различны от одного запуска к другому, измерение и уменьшение дисбаланса трудно осуществимы.
Кроме того, перемещения лопаток с небольшой амплитудой и под большой нагрузкой, которые возникают при каждом запуске турбомашины, приводят к изнашиванию внутренней поверхности гнезд для установки ножек лопаток. Речь идет об износе в результате «фреттинга», который может мешать осуществлению контроля целостности диска и лопаток при помощи токов Фуко, что способно приводить к отбраковке диска и/или лопаток, которые могли бы нормально использоваться.
Кроме того, когда лопатки вентилятора выполнены из композитного материала, не представляется возможным установить вставки, очень сильно напрягая ножки лопаток, причем они не могут выдерживать такие напряжения.
В заявке на патент FR 11/54301 от имени заявителя, которая еще не опубликована, приводится описание лопаточного колеса турбомашины, содержащего диск и вставки, установленные между ножками лопаток и дном гнезд диска. Вставки относятся к бистабильному по положению типу и могут занимать первое стабильное положение установки или демонтажа, в котором они не оказывают усилия на ножки лопаток, и второе стабильное положение, в котором они оказывают радиальное усилие на ножки лопаток для фиксирования лопаток и их стабилизации в окончательном положении.
Таким образом, представляется возможным установить вставки в первом положении и лопатки в гнездах диска, повернуть диск со скоростью, достаточной для того, чтобы вставки и лопатки заняли свои окончательные положения, деформируя каждую вставку для того, чтобы она перешла из своего первого положения в свое второе положение; затем лопатки удерживаются в окончательном положении вставками, даже когда диск остановлен или движется с небольшой скоростью.
Для лопаточных колес компрессора низкого давления или высокого давления турбомашины первое приведение во вращение колеса осуществляется со скоростью 2500-4000 оборотов в минуту для образования деформации вставок. Одновременно осуществляется подгонка на большой скорости вершины лопаток. Затем производится балансировка на малой скорости лопаточного колеса без демонтажа лопаток.
Использование вставок с памятью формы также известно из документа DE 3236021.
В случае лопаток, имеющих большие размеры, таких как, в частности, лопатки вентилятора, решение, предложенное в документе FR 11/54301, содержит излагаемые ниже недостатки.
Вокруг колеса вентилятора расположен корпус вентилятора, внутренняя поверхность которого содержит истираемый материал, причем радиально внешние концы лопаток располагаются на одном уровне с внутренней поверхностью корпуса.
С учетом размера лопаток перемещения радиально внешних концов лопаток могут быть значительными при первом приведении во вращение колеса. Эти концы, таким образом, могут сильно повреждать истираемый материал корпуса.
Вместе с тем для колес вентилятора, в частности, не предусмотрено приведение во вращение колеса без корпуса.
Кроме того, в случае попадания птицы или какого-либо предмета, имеющего значительные размеры, лопатки вентилятора подвергаются сильным ударам, вызывающим их качание. Эти удары должны быть амортизированы, а качание лопаток должно быть ограничено.
Вместе с тем бистабильная вставка достигнутого уровня техники в некоторых случаях может быть признана недостаточной для амортизации энергии удара и ограничения смещения лопатки.
И, наконец, возможность заключается в использовании монолитных лопаточных дисков, в которых лопатки и диск выполнены моноблочным образом путем механической обработки.
Такое решение, однако, не применимо ко всем роторам, в частности ввиду термических напряжений, механических напряжений и ограничений по весу, и имеет очень высокие расходы на производство и техническое обслуживание.
Целью изобретения является, в частности, предложить простое, эффективное и экономически выгодное решение вышеперечисленных проблем.
С этой целью в нем предлагается лопаточное колесо турбомашины, содержащее диск, внешняя периферия которого образована с гнездами для установки ножек лопаток; причем вставка установлена между каждой ножкой лопатки и дном гнезда, отличающееся тем, что вставка содержит по меньшей мере один элемент бистабильного по положению типа, который может занимать первое стабильное положение установки или демонтажа, в котором он не оказывает усилия на ножку лопатки, и второе стабильное положение, в котором он оказывает радиальное усилие на ножку лопатки для фиксирования лопатки и ее стабилизации в окончательном положении; причем вставка содержит, кроме того, по меньшей мере один эластичный амортизирующий элемент, установленный между дном гнезда и ножкой лопатки; причем ножка лопатки предназначена для того, чтобы опираться на упомянутый эластичный амортизирующий элемент по меньшей мере перед тем, как бистабильный элемент будет в своем втором положении.
Во время установки вставки эластичный амортизирующий элемент сжимается между дном гнезда и ножкой лопатки для удерживания последней перед первым приведением во вращение. После осуществления данного первого вращения бистабильный элемент находится в своем втором положении и эффективно удерживает лопатку в положении.
Благодаря наличию эластичного амортизирующего элемента перемещение лопатки сильно ограничено во время этого первого приведения во вращение, что не допускает повреждения истираемого материала корпуса.
В случае нанесения удара по лопатке, обусловленного попаданием птицы или какого-либо твердого тела, бистабильный элемент не обязательно способно выдержать всю энергию удара и ограничить перемещение лопатки, но данная функциональная роль может быть выполнена эластичным амортизирующим элементом.
Согласно другой отличительной особенности изобретения вставка содержит опору удлиненной формы, имеющую по меньшей мере первую зону, в которой установлен эластичный амортизирующий элемент, и вторую зону, в которой установлена бистабильная эластичная пластинка, деформируемая между двумя вышеупомянутыми положениями.
В частности, опора имеет в своей второй зоне сечение в целом U-образной формы, содержащей основание, которое повернуто со стороны дна гнезда и от которого проходят два ответвления; причем эластичная пластинка прикреплена своими концами к упомянутым ответвлениям.
Эластичная пластинка, таким образом, опирается не на стенки гнезда, а на опору. Таким образом, не допускаются любые преждевременные повреждения диска.
Предпочтительно эластичная пластинка содержит инерционный груз.
Инерционный груз может быть рассчитан для точной корректировки скорости вращения, выше которой происходит переход из первого во второе стабильное положение.
Ответвления опоры могут содержать выемки или прорези для ограничения их жесткости.
Кроме того, бистабильный элемент может быть выполнен из материала с памятью формы, деформируемого в результате механического, термического или электрического воздействия.
Вставка, таким образом, может быть деформирована из одного стабильного положения в другое посредством соответствующего воздействия.
Согласно другой отличительной особенности изобретения бистабильный элемент содержит средства, предназначенные для взаимодействия с инструментом для перехода из второго стабильного положения в первое стабильное положение; причем опора содержит по меньшей мере одно отверстие доступа, предназначенное для прохода инструмента. Вставка, таким образом, может быть быстро и легко демонтирована оператором, в частности, в случае проведения технического обслуживания или при необходимости осуществления перестановки лопаток для уменьшения дисбаланса.
Эластичный амортизирующий элемент может быть образован по меньшей мере одной подкладкой, выполненной из эластичного материала, например из эластомера.
Кроме того, форма и масса бистабильного элемента определены таким образом, что переход из первого стабильного положения во второе стабильное положение осуществляется путем центрифугирования, например путем вращения колеса со скоростью, превышающей 2000 оборотов в минуту.
Изобретение относится, кроме того, к способу установки и балансировки лопаточного колеса вышеупомянутого типа, отличающемуся тем, что он включает в себя этапы, которые заключаются в:
установке лопаток и вставок в установочном положении в гнезде или гнездах диска;
поворачивании колеса со скоростью, достаточной для перемещения лопаток путем центрифугирования в нормальное рабочее положение и обеспечения перехода каждого бистабильного элемента в его второе стабильное положение для стабилизации лопаток в их рабочем положении;
уменьшении дисбаланса колеса, например, путем демонтажа и перестановки некоторых лопаток.
Изобретение станет лучше понятно, а другие детали, отличительные особенности и преимущества изобретения проявятся в ходе изучения нижеследующего описания, приводимого в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фиг.1 представляет собой частичный вид в разрезе лопаточного колеса согласно изобретению;
- Фиг.2 представляет собой вид в перспективе вставки, которой оснащено лопаточное колесо согласно изобретению;
- Фиг.3 представляет собой вид в перспективе части вставки, содержащей эластичный амортизирующий элемент согласно форме осуществления изобретения;
- Фиг.4 представляет собой вид, соответствующий представленному на Фиг.3, варианта осуществления изобретения;
- Фиг.5 представляет собой вид в перспективе части вставки, содержащей бистабильный по положению элемент согласно форме осуществления изобретения;
- Фиг.6 представляет собой вид в поперечном разрезе части вставки, изображенной на Фиг.5;
- Фиг.7 представляет собой вид, соответствующий представленному на Фиг.5, варианта осуществления изобретения.
На Фиг.1 показано лопаточное колесо турбомашины, например колесо вентилятора, содержащее диск 1, внешняя периферия которого образована с множеством по существу осевых гнезд 2.
Каждая лопатка 3 содержит перо 4 и ножку 5, имеющую форму ласточкиного хвоста, которая установлена в гнезде 2 диска 1; причем гнездо имеет форму, дополняющую форму ножки лопатки, для обеспечения радиального удержания лопатки 3 на диске 1. Лопатки 3 также содержат полки 6, которые прилегают для образования внутренней поверхности тракта циркуляции текучей среды и радиально размещены между ножками лопаток 5 и перьями 4.
Вставка 7 установлена между каждой ножкой лопатки и дном соответствующего гнезда. Как это лучше видно на Фиг.2, вставка 7 содержит опору 8 удлиненной формы, проходящую по существу по оси A диска 1 и гнезда 2. В представленном варианте осуществления вставка 7 в целом содержит пять зон, а именно - две оконечные зоны 9, центральную зону 10 и две срединные зоны 11, расположенные соответственно между оконечными зонами 9 и центральной зоной 10.
Эластичные амортизирующие элементы установлены на опоре в оконечных зонах 9 и в центральной зоне 10. Амортизирующие элементы представляют собой подкладки 12, выполненные из эластомера, например из EPDM (этилен-пропилен-диен-мономер) или силикона.
На Фиг.3 схематически изображена центральная зона 10 вставки 7 согласно первой форме осуществления изобретения, в которой только одна подкладка 12, имеющая, как правило, форму параллелепипеда, размещена на внешней стороне 13 опоры, обращенной к ножке лопатки.
На Фиг.4 изображена другая форма осуществления, согласно которой и внутренняя сторона 14 (обращенная к дну гнезда 2), и внешняя сторона 13 (обращенная к ножке лопатки 5) содержат, каждая, по две подкладки 12, имеющих полуцилиндрическую форму и ориентированных по оси А вставки 7.
Безусловно, могут быть рассмотрены другие конфигурации; проиллюстрированные формы реализации представляют собой лишь возможные примеры осуществления.
Что касается срединных зон 11, то они содержат бистабильные по положению элементы.
В частности, опора 8 имеет в каждой из срединных зон 11 сечение в целом U-образной формы, которая содержит основание 15, обращенное со стороны дна гнезда 2, и от которого проходят два ответвления 16, причем эластичная пластинка 17 крепится своими концами 18 к ответвлениям 15.
Эластичная пластинка 17 относится к бистабильному по положению типу и может занимать первое стабильное положение установки или демонтажа, в котором она не оказывает усилия на ножку лопатки 5, и второе стабильное положение, в котором она оказывает радиальное усилие на ножку лопатки 5 для фиксирования лопатки и ее стабилизации в окончательном положении, как это известно из документа FR 11/54301.
Инерционный груз 19 крепится, например, винтом или обжимкой в центральной зоне эластичной пластинки 17.
Форма и масса эластичной пластинки 17 и инерционного груза 19 определены таким образом, что переход из первого стабильного положения во второе стабильное положение происходит автоматически путем центрифугирования, вращения колеса со скоростью, превышающей 2000 оборотов в минуту.
Эластичная пластинка 17 может быть выполнена из металлического материала, обладающего механическими характеристиками, достаточными и совместимыми с температурами, которые возникают в рассматриваемых зонах. Данная пластинка 17 также может быть выполнена из материала с памятью формы, деформируемого в результате механического, термического или электрического воздействия.
Согласно форме осуществления, представленной на Фиг.2, ответвления 16 опоры 8 содержат прорези 20, ориентированные, например, перпендикулярно оси A, для корректировки жесткости ответвлений 16 опоры 8 в зависимости от необходимости.
Согласно другой форме осуществления, изображенной на Фиг.5 и 6, ответвления 16 содержат выемки или желобки 21 также для корректировки жесткости упомянутых ответвлений 16. Желобки 21 могут быть, например, ориентированы параллельно или перпендикулярно оси A.
Эластичная пластинка 17 может быть прикреплена к двум ответвлениям 16 посредством сварки (Фиг.2, 5 и 6) или любыми другими средствами крепления.
На Фиг.7 изображен, например, вариант осуществления, согласно которому концы 18 эластичной пластинки 17 загнуты в направлении основания 15 и закреплены путем жесткой заделки в ответвлениях 16. Данное техническое решение может быть предпочтительным, в частности, когда материалы эластичной пластинки 17 и ответвлений 16 не позволяют выполнить операцию сварки.
Инерционные грузы 19 содержат отверстия 22, выходящие и ориентированные согласно оси вставки. Концы 9 опоры 8 содержат, кроме того, отверстия доступа 23 (Фиг.2), позволяющие обеспечить проход инструмента, конец которого может быть введен через отверстия доступа 23 в отверстия 22 инерционных грузов 19 для перемещения эластичной пластинки 17 из ее положения удержания лопатки 3 к ее положению демонтажа.
В качестве варианта гнезда 2 могут быть криволинейными. В этом случае вставки 7 больше не имеют в целом прямолинейную форму, а имеют в целом криволинейную форму, адаптированную к форме гнезд 2.
Кроме того, количество зон 9, 10, 11 и, таким образом, количество бистабильных элементов и амортизирующих элементов, а также их относительное расположение могут меняться в зависимости от ограничений по весу и механических ограничений по зазору.
Далее будет приведено детальное описание способа установки и балансировки лопаточного колеса согласно изобретению.
Прежде всего лопатки 3 установлены со вставками 7 в гнездах 2 диска 1. Эластичные пластинки 17 находятся, таким образом, в их первом стабильном положении, т.е. в их положении установки или демонтажа, и не оказывают никакого усилия на ножки лопаток 5. Подкладки 12 сжаты под воздействием усилия, прилагаемого ножками лопаток 5, деформация при сжатии подкладок 12 составляет, например, приблизительно от 0,1 до 0,3 мм.
Далее колесо поворачивают со скоростью, достаточной для перевода лопаток 3 путем центрифугирования в окончательное рабочее положение и обеспечения перехода каждой пластинки 17 в ее второе стабильное положение. Данная скорость вращения составляет, например, приблизительно от 2000 до 3000 оборотов в минуту.
Во время такого вращения эластичные пластинки 17 деформируются из их первого стабильного положения в их второе стабильное положение, в котором срединная зона каждой из эластичных пластинок 17 прижимается к соответствующей ножке лопатки 5.
Также во время такого вращения подкладки 12 обеспечивают определенное удержание в положении лопатки 3 перед тем, как она будет удерживаться посредством эластичной пластинки 17. Таким образом, перемещение лопатки 3 сильно ограничено во время данного первого приведения во вращение, что не допускает повреждений истираемого материала внешнего корпуса.
Эластичные пластинки 17 в их втором стабильном положении прилагают к ножкам лопаток 5 усилие, радиально направленное наружу и достаточное для удержания лопаток 3 в рабочем положении на малых оборотах или остановке. Такое усилие определено таким образом, чтобы компенсировать вес лопатки 3, а также инерционное действие, возникающее при запуске турбомашины.
Вращение колеса может быть в дальнейшем остановлено или замедлено, лопатки 3 удерживаются и стабилизируются эластичными пластинками 17 в их рабочем положении.
В случае необходимости дисбаланс колеса в дальнейшем может быть уменьшен путем, например, демонтажа или перестановки некоторых лопаток 3. Для этого оператор может перемещать эластичные пластинки 17 в их положение демонтажа при помощи инструмента, как это указывалось ранее. Таким образом, вставки 7 могут быть свободно извлечены и вновь установлены.
На этапе функционирования в случае удара по одной или нескольким лопаткам 3, вызванного попаданием птицы или твердого тела, подкладки 12 способны в достаточной степени амортизировать перемещение рассматриваемых лопаток и принять достаточно энергии для недопущения их разрушения.