Устройство позиционирования лопатки и диск с лопатками, содержащий такое устройство, и турбореактивный двигатель
Изобретение относится к устройству позиционирования лопаток турбореактивного двигателя. Турбореактивный двигатель содержит, по меньшей мере, один диск с лопатками, помещенными в полость, расположенную на периферии диска и, по меньшей мере, одно устройство позиционирования лопатки в указанной полости. Устройство позиционирования лопатки в полости диска ротора включает установочный клин с эффектом пружины, выполненный из композитного материала или материала на базе металла. Установочный клин состоит из одной упругой детали профилированной формы, имеющей верхнюю стенку и нижнюю стенку, соединенные между собой двумя боковыми стенками. Боковые стенки содержат, по меньшей мере, один отфрезерованный участок. Установочный клин имеет входной и выходной торцы, снабженные соответственно устройством, предотвращающим неверное подсоединение, и язычком. Изобретение позволяет позиционировать лопатки в полостях и удерживать их в рабочем положении, а также не препятствует отклонению лопаток в случае попадания в газовоздушный тракт двигателя посторонних предметов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к устройству позиционирования ножек лопаток турбореактивного двигателя, например лопаток воздуходувки. Более конкретно, изобретение относится к установочному клину, предназначенному для правильного позиционирования ножки лопатки в ее гнезде, расположенном на периферии диска ротора.
В турбореактивном двигателе лопатки, каждая из которых состоит из ножки и лопасти, профиль которой ограничен двумя боковыми поверхностями, называемыми соответственно нижней поверхностью и верхней поверхностью, смонтированы в имеющих форму горловины гнездах, называемых полостями и специально размещенных на периферии диска ротора. Эти полости могут иметь плоскую или искривленную поверхность. Каждая из лопаток смонтирована с зазором между ее ножкой и стенками полости. Для обеспечения нормальной работы турбореактивного двигателя необходимо, чтобы ножки его лопаток находились во всей системе вращения двигателя в контакте с полостями диска ротора. Поверхности контакта между ножками лопаток и полостями называются опорными поверхностями. Зазор между дном полостей и краем ножек лопаток должен быть убран для обеспечения правильного позиционирования ножек лопаток на опорных поверхностях диска. Кроме того, указанный контакт позволяет ограничить пределы откидывания лопаток, а в ряде случаев избежать и нарушения работоспособности последних (например, вследствие попадания внутрь системы лопаток постороннего предмета и удара этого предмета о лопатки или вследствие поломки какой-либо одной лопатки), а также позволяет ограничить опасность износа в результате трения и избежать возможного повреждения опорных поверхностей лопаток или диска.
Известны случаи, когда позиционирование и удержание лопаток в их рабочем положении обеспечивается с помощью установочных клиньев, которые вставляют в полости, расположенные под каждой ножкой лопатки.
В случае поломки какой-либо лопатки поломанная лопатка ударяется о соседнюю лопатку, которая в этом случае должна иметь возможность повернуться вокруг своей ножки с тем, чтобы освободить угловое пространство в своей вершине и позволить сломанной лопатке проскользнуть в зазор между вершиной соседней лопатки и картером, расположенным вокруг узла, состоящего из диска ротора и лопаток. Установочные клинья должны будут, таким образом, позволить (под действием повышенного усилия, возникающего в результате удара поломанной лопатки о соседнюю лопатку) соседней лопатке повернуться в полости диска. Турбореактивный двигатель должен при этом ограничивать диапазон указанного проворота соседней лопатки (в случае попадания постороннего предмета внутрь системы лопаток), причем это ограничение должно обеспечиваться независимо от того произошел или нет разрыв лопатки.
В патенте FR 2841609 описан изготовленный из двух материалов установочный клин, у которого одна часть изготовлена из металла, а другая часть из эластомера. Такая конструкция установочного клина позволяет устранять зазор, существующий между ножками лопатки и опорными поверхностями полостей. Она позволяет также амортизировать вибрации и допускает легкое вращение ножки в альвеоле в случае разрыва соседней лопатки с поглощением при этом части энергии удара. Первым недостатком подобной конструкции является трудность установки установочного клина под ножку лопатки, а также его демонтажа ввиду существующего коэффициента адгезии эластомеров. К тому же с течением времени эластомеры имеют тенденцию усыхать, что приводит к ухудшению качества выборки чрезмерного зазора между ножками лопаток и опорными поверхностями полостей и к повышению риска износа в результате трения опорных поверхностей лопаток и диска.
Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих современным технологическим решениям, и создание устройства позиционирования, позволяющего эффективно и на постоянной основе выполнять выборку чрезмерного зазора между диском и ножкой лопаток независимо от режима работы ротора и от условий работы самой системы лопаток (например, эффективно выполнять выборку указанного зазора даже в случае поломки одной из лопаток).
Задача решается устройством установочного клина подпружиненной конструкции профилированной формы, который может быть изготовлен, в частности, из композитного материала. Под термином "профилированная форма" понимается форма, производная от базовой формы поперечного сечения, одинакового по всей своей длине. Этот профилированный установочный клин позволяет за счет того, что представляет собой единую упругую конструкцию, позиционировать должным образом ножки лопаток в полостях и удерживать их в рабочем положении независимо от того, в каком режиме вращения работает в данный момент ротор. Указанное устройство не препятствует, помимо прочего, откидыванию ножки лопатки в случае возникновения опасности нарушения работоспособности системы лопаток вследствие, например, удара о лопатку постороннего предмета или поломки лопатки и обеспечивает возврат лопатки, испытавшей удар постороннего предмета, в исходное положение.
Устройство позиционирования лопатки в полости диска ротора согласно изобретению включает в себя установочный клин подпружиненной конструкции, состоящий из одной и единственной упругой детали профилированной формы.
Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что установочный клин является полым. Тем не менее он может содержать в своей центральной части сердечник.
В соответствии с изобретением установочный клин может иметь на своих боковых сторонах фрезерованные участки поверхности.
В предпочтительном способе осуществления изобретения указанный установочный клин содержит на своем входном и выходном торцах соответственно устройство, предотвращающее неверное подсоединение, и язычок.
В соответствии с дополнительным отличительным признаком рассматриваемого изобретения, указанный установочный клин изготовляется из одного и единственного материала. В предпочтительном способе осуществления изобретения этот установочный клин может изготовляться из композитного материала. В свою очередь этот композитный материал может состоять из волокон одного и тогоже материала или разных материалов и изготавливаться методом предварительно пропитанных складок или из ткани на базе тканых волокон. Однако установочный клин может изготовляться и из материала на базе металлов.
Устройство, предотвращающее неверное подсоединение, и язычок могут поочередно изготовляться из материала, отличного от материала, использованного для изготовления указанного установочного клина.
Устройство, предотвращающее неверное подсоединение, и язычок могут образовывать совместно моноблочную деталь с указанным установочным клином либо переноситься и закрепляться на этом установочном клине.
Предлагаемое изобретение касается также диска с лопатками, содержащего собственно диск, по меньшей мере одну лопатку, установленную в полости, предусмотренной на периферии указанного диска, и по меньшей мере одно устройство позиционирования лопатки в ее полости.
Предлагаемое изобретение касается также турбореактивного двигателя, содержащего по меньшей мере один вышеуказанный диск с лопатками.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из описания, приводимого в качестве одного из возможных примеров, не носящего какого-либо ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 представляет собой общий вид установочного клина согласно изобретению, установленного в полость диска, в место, расположенное под ножкой лопатки.
Фиг.2 изображает общий вид установочного клина согласно первому способу осуществления рассматриваемого изобретения.
Фиг.3 - общий вид установочного клина согласно второму способу осуществления рассматриваемого изобретения.
Фиг.4 - общий вид выходного участка установочного клина согласно второму способу осуществления рассматриваемого изобретения.
Фиг.5 - вид сбоку на диск с лопатками, оборудованный установочным клином согласно второму способу осуществления рассматриваемого изобретения.
Фиг.6 - вид сбоку на диск с лопатками, оборудованный установочным клином согласно второму способу осуществления рассматриваемого изобретения, помещенным в полость диска в место, расположенное под ножкой лопатки, для случая откидывания последней в результате возникновения опасности нарушения работоспособности системы лопаток.
На фиг.1 представлен диск 1 ротора, например ротора воздуходувки, на периферии которого расположены полости 2. Указанные полости 2 могут иметь как плоскую, так и искривленную поверхность или вообще другую форму. На приведенной фигуре полости имеют плоскую поверхность и сечение в виде ласточкина хвоста.
В каждую полость 2 вставляется лопатка 3, содержащая ножку 4 и лопасть 5 с аэродинамическими характеристиками. Ножка 4 лопатки 3 (в рассматриваемом случае, имеющая форму ласточкиного хвоста) вводится в осевом направлении внутрь соответствующей полости 2.
В пространство между ножкой 4 лопатки 3 и дном 6 полости 2 вставлен установочный клин 7, который более подробно представлен на фиг.2, 3 и 4. Монтаж установочного клина 7 выполняется в осевом направлении от входной части диска 1 к его выходной части, то есть слева направо, если смотреть на фиг.1.
Ниже по тексту термин "верхний", и соответственно "нижний", будут означать в радиальном направлении соответственно наружный и внутренний.
Установочный клин 7, представленный на фиг.2, 3 и 4, выполнен в виде одной единственной полой детали профилированной формы. Он имеет верхнюю стенку 10, нижнюю стенку 11 и две боковые стенки 12а и 12b. Центральная часть 40 указанного клина имеет профилированную форму и может содержать сердечник (не представленный на фиг.1), образующий с клином 7 единое целое.
Предпочтительно, чтобы верхняя стенка 10 была слегка выпуклой, а выпуклая сторона была ориентирована в радиальном направлении наружу, то есть в сторону ножки 4 лопатки 3, в то время как вогнутая сторона была ориентирована в радиальном направлении внутрь установочного клина 7. Его толщина может быть постоянной или, напротив, меняться в осевом и/или тангенциальном направлениях. Указанная верхняя стенка 10 находится в непосредственном контакте с нижней стороной ножки 4 лопатки 3.
Нижняя стенка 11 включает в себя центральную зону 15 и две периферийные зоны 16а и 16b. Указанные периферийные зоны 16а и 16b находятся в контакте с дном 6 полости 2, контуры которой они облегают. Центральная часть 15 расположена с отступом внутрь по отношению к установочному клину 7, иными словами, это означает то, что радиальные расположения периферийных зон 16а и 16b, с одной стороны, и центральной зоны 15, с другой стороны, отличаются друг от друга и то, что центральная зона более сильно удалена от оси вращения диска 1. Такое расположение придает большую гибкость узлу установочного клина 7 и способствует усилению пружинного эффекта его конструкции. Соответствующие толщины трех зон, образующих нижнюю стенку 11, могут быть постоянными или переменными на всем протяжении этих зон.
Общий профиль нижней стенки 11, то есть взаимное расположение зон 15, 16 и 16b, определяется в зависимости от общей гибкости, которую желательно обеспечить для установочного клина 7. На фиг.2, 3 и 4 этот профиль имеет форму зубца, однако, в зависимости от требующейся гибкости он может иметь и другую форму, например, подобную той, которую имеет профиль верхней стенки 10. Точно так же значения толщин верхней 10 и нижней 11 стенок определяются и оптимизируются в зависимости от требующейся общей гибкости.
Две боковые стенки 12а и 12b выпуклой формы соединяют собой верхнюю 10 и нижнюю 11 стенки. Указанные боковые стенки могут быть симметричными или, напротив, не симметричными, иметь идентичные и постоянные толщины по всей длине установочного клина или, напротив, различные и переменные толщины. Фрезерованные участки поверхности 17, представленные на фиг.3 и 4, могут быть выполнены на боковых стенках 12а и 12b. Устройство указанных участков позволяет обеспечить оптимальную гибкость установочному клину и найти компромиссное решение между гибкостью, механической прочностью и массой. Указанные фрезерованные участки позволяют также регулировать гибкость и механическую прочность установочного клина в процессе оптимизации его конструкции.
Верхняя 10 и нижняя 11 стенки, а также боковые стенки 12а и 12b установочного клина 7 изготовляются предпочтительно из композитного материала и могут быть получены, например, методом "drapé pré - imprégné" (метод предварительно пропитанных складок). В указанном случае стенки изготовляются путем наложения друг на друга нескольких складок ткани (состоящих из самых разных видов ткани и из самых разных видов волокон, пропитанных смолой органического происхождения), располагаемых в литьевой форме вокруг сердечника. Весь этот блок помещается затем в автоклав, в котором проходит цикл полимеризации. Под действием повышенной температуры и давления смола пропитывает ткань. Стенки установочного клина могут изготовляться также из предварительно отформованной ткани на базе тканых волокон, пропитанных смолой по известному способу, называемому способом RTM (Resin Transfer Moulding), описанному в патенте ER 2759096. Волокна могут изготовляться из одного материала или из различных материалов, например из смеси углеродного волокна, стекловолокна и волокон из кевларового волокна (синтетический материал, входящий в состав шин и придающий им повышенную стойкость к проколам и порезам). Композитный материал помещается внутрь литьевой формы, в которой он укладывается вокруг одного или нескольких сердечников, которые могут быть затем извлечены (в том случае, если эти сердечники изготовлены из силикона или какого-либо растворимого материала) или оставлены на прежнем месте (в том случае, когда сердечники изготовлены из вспененного материала). Профилированная форма установочного клина 7 в том виде, в котором она представлена на фиг.2, 3 и 4, имеет конструкцию, позволяющую изготовлять ее наиболее простым способом из указанного типа материала. Преимуществом композитных материалов является то, что с их помощью удается достигнуть очень хорошего компромисса между гибкостью полученной конструкции и ее механической прочностью, в частности, за счет изменения толщин, форм и ориентации волокон. Другое преимущество этого типа материалов связано с их объемной массой, которая у них является более низкой по сравнению, например, с материалами на базе металлов, что позволяет получить в изометрии более легкую деталь.
Однако верхняя 10 и нижняя 11 стенки и боковые стенки 12а и 12b установочного клина 7 могут также изготовляться и из материала на базе металлов, например, из гнутого и сваренного листа.
На входе в установочный клин 7, то есть слева от фиг.1, расположен так называемый язычок 13, называемый также устройством, предотвращающим неверное подсоединение, хорошо различимый на фиг.3. Это устройство 13, предотвращающее неверное подсоединение, выполняет две функции. С одной стороны, оно позволяет при установке на место установочного клина 7 избежать ошибки при монтаже за счет предотвращения монтажа установочного клина 7 задом наперед, а именно либо смонтировать входную часть установочного клина 7 с выходной частью диска, то есть установить входную часть установочного клина 7 справа от фиг.1, либо смонтировать верхнюю стенку 10 установочного клина 7 снизу, то есть вместо нижней стенки 11. С другой стороны, это устройство 13, предотвращающее неверное подсоединение, облегчает извлечение установочного клина 7 в случае возможного выполнения операции по демонтажу.
На выходе из установочного клина 7, то есть справа от фиг.1, предусмотрено наличие второго язычка 14, хорошо различимого на фиг.4. Этот язычок 14 располагается в надставной части верхней стенки 10 установочного клина 7. Указанный язычок слегка наклонен, а его свободный край направлен в радиальном направлении внутрь установочного клина 7. Благодаря наличию указанного наклона, язычок 14 облегчает условия монтажа установочного клина 7 за счет принудительного направления последнего в пространстве между ножкой 4 лопатки 3 и дном 6 полости 2.
Устройство 13, предотвращающее неверное подсоединение, и язычок 14 могут изготовляться из композитного материала или из материала на базе металла. Они могут составлять неотделимую часть установочного клина 7 и образовывать вместе с ним моноблочную деталь, либо переноситься и закрепляться на этом установочном клине с помощью заклепок, клея, сварки, пайки или путем вдавливания в тело установочного клина.
В ходе монтажа установочный клин 7 деформируется. Он становится более плоским в радиальном направлении и в таком напряженном состоянии помещается в пространство между дном 6 полости 2 диска 1 и ножкой 4 лопатки 3. Деформация профиля установочного клина 7, которая происходит во время монтажа, приводит к возникновению радиального усилия, обозначенного на фиг.5 стрелкой 20. Под действием этого радиального усилия, направленного со дна полости 2 в направлении периферии диска 1, ножка 4 лопатки 3 устанавливается должным образом на поверхностях 21 диска 1, называемых опорными. В результате, благодаря пружинящему эффекту установочного клина 7, происходит выборка зазора, существующего между ножкой лопатки 3 и опорными поверхностями 21 диска 1. Наличие такого пружинящего эффекта, а также то, что материал, используемый в рассматриваемом случае для изготовления установочного клина не разрушается с течением времени (в противоположность, например, эластомерам), позволяет обеспечить эффективную выборку зазора, причем даже после многочасового вращения диска 1.
В противоположность установочному клину жесткой конструкции, требующему для своего монтажа наличия зазора между ножкой лопатки, диском и установочным клином, и благодаря тому, что по своему поведению он близок к поведению пружины, установочный клин 7 в том виде, в котором он описан выше, постоянно находится в контакте с дном 6 полости 2 и с ножкой 4 лопатки 3. Кроме того, благодаря предварительному напряжению установочного клина, обеспечиваемому во время его монтажа, он всегда принимает форму своего гнезда, что же касается зазора между ножкой лопатки и стенками полости, то он всегда оказывается убранным. В то же время благодаря наличию у него эффекта пружины, установочный клин 7 эффективно выполняет функцию амортизатора вибраций и позволяет благодаря этому обстоятельству избежать износа за счет трения контактных поверхностей.
Полая, профилированная и оптимизированная форма установочного клина 7 позволяет получить выигрыш по массе по сравнению, в частности, с конструкцией установочного клина, изготовленного из двух материалов.
На фиг.6 показано поведение установочного клина 7 в случае поломки лопатки. В случае разрыва лопатки диска 1 сломавшаяся лопатка ударяется о ближайшую лопатку, называемую соседней лопаткой. Усилие, возникающее в результате указанного удара, передается в направлении ножки 4 соседней лопатки 3 и установочного клина 7. Усилие, испытываемое установочным клином 7 в результате указанного удара, обозначено на фиг.6 стрелкой 30. Под действием этого усилия, сторона установочного клина 7, к которой приложено это усилие, то есть сторона боковой стенки 12b, сжимается. Установочный клин 7 ввиду своей гибкости и наличия у него пружинного эффекта деформируется, расплющиваясь о сторону боковой стенки 12b. Указанная деформация поглощает часть энергии удара и позволяет соседней лопатке 3 провернуться внутри своей полости так, как это показано на фиг.6. В результате происходит освобождение зазора в вершине соседней лопатки 3, что позволяет сломанной лопатке проскользнуть в пространство между вершиной лопаток и картером (не представленным на фиг.6), окружающим ротор. Как только сломанная лопатка проскользнет в пространство между вершиной лопатки и картером, усилие 30, приложенное к установочному клину 7, тотчас пропадает. Установочный клин, благодаря своей упругости и предварительному напряжению, обеспечиваемому ему во время монтажа, возвращается в положение, близкое к его первоначальному положению, и позволяет вновь заклинить лопатку 3 в ее полости 2 в положении, близком к первоначальному положению. Деформация, испытываемая установочным клином, может быть упругой или пластичной. Допускается также локализированный разрыв установочного клина 7 на уровне боковой стенки 12b, однако, в той мере, в которой размеры установочного клина 7 обеспечивают возврат лопатки 3 в положение, близкое к первоначальному положению. Возврат соседней лопатки 3 в положение, близкое к ее начальному положению, позволяет, с одной стороны, двигателю продолжить свое вращение, сводя до минимума, насколько это возможно, отрицательное влияние повреждения лопатки на ее работу, а с другой стороны, не дает лопатке 3 опуститься на дно полости 2 и выйти из своего гнезда.
1. Устройство позиционирования лопатки (3) в полости (2) диска ротора (1), включающее в себя установочный клин с эффектом пружины, отличающееся тем, что установочный клин (7) состоит из одной упругой детали профилированной формы, имеющей верхнюю стенку (10) и нижнюю стенку (11), соединенные между собой двумя боковыми стенками (12а и 12b), причем две боковые стенки (12а и 12b) содержат, по меньшей мере, один отфрезерованный участок (17).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что профилированная форма установочного клина (7) является полой.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что профилированная форма установочного клина (7) содержит в своей центральной части (40) сердечник.
4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что указанный установочный клин содержит входной и выходной торцы, снабженные соответственно устройством (13), предотвращающим неверное подсоединение, и язычком (14).
5. Устройство по одному из пп.1 или 2, отличающееся тем, что указанный установочный клин изготавливается из одного и единственного материала.
6. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что установочный клин изготавливается из композитного материала.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что композитный материал состоит из волокон идентичного материала.
8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что композитный материал состоит из волокон различных материалов.
9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что установочный клин (7) изготавливается методом предварительно пропитанных складок.
10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что установочный клин (7) изготавливается из ткани на базе тканых волокон.
11. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что установочный клин изготавливается из материала на базе металла.
12. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство (13), предотвращающее неверное подсоединение, и язычок (14) изготовляются из материала, отличного от материала, из которого изготовлен установочный клин (7).
13. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство (13), предотвращающее неверное подсоединение, и язычок (14) образуют с указанным установочным клином (7) моноблочную деталь.
14. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство (13), предотвращающее неверное подсоединение, и язычок (14) закреплены на установочном клине (7).
15. Диск с лопатками, содержащий один диск, по меньшей мере, лопатку, помещенную в полость, расположенную на периферии диска и, по меньшей мере, одно устройство позиционирования лопатки в ее полости по одному из пп.1-14.
16. Турбореактивный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один диск с лопатками по п.15.
