Устройство регулирования лопаток с изменяемым углом установки в турбомашине

Устройство регулирования лопаток с изменяемым углом установки в турбомашине содержит управляющее кольцо, установленное с возможностью поворота вокруг корпуса турбомашины и соединенное с лопатками с изменяемым углом установки с помощью рычагов. Каждый рычаг имеет на одном своем конце радиальный штифт для соединения с управляющим кольцом, а на другом своем конце отверстие для установки на квадратный хвостовик, выполненный на конце цилиндрического шипа лопатки. Шип лопатки с возможностью вращения направляется в цилиндрическом канале корпуса и имеет ось, которая наклонена относительно оси радиального штыря рычага. Отверстие в рычаге имеет размер в продольном направлении рычага больше, чем размер квадратного хвостовика, с которым он взаимодействует в упомянутом направлении для образования зазора, изменяющегося по высоте квадратного хвостовика и установочного отверстия. Зазор по высоте изменяется между значением, которое достаточно для того, чтобы обеспечить зацепление установочного отверстия на квадратный хвостовик с помощью перемещения рычага параллельно оси его радиального штифта, и значением, которое по существу равно нулю, когда рычаг расположен на квадратном хвостовике. Изобретение позволяет устанавливать рычаг путем его зацепления с управляющим кольцом и шипом лопатки посредством радиального перемещения рычага, а также точно поворачивать лопатку вокруг ее оси. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к устройству регулирования лопаток с изменяемым углом установки в турбомашине, такой как, например, самолетный турбореактивный двигатель.

В турбореактивном двигателе для спрямления потока струи ступени лопаток устанавливаются между ступенями компрессора или колесами турбины. Эти лопатки устанавливаются на статоре, и они регулируются по положению угла установки вокруг их соответствующих осей для того, чтобы оптимизировать поток газа через сопла, которые они образуют (см., например, патент США №5024580).

Каждая лопатка статора, или лопатка с изменяемым углом установки, включает в себя цилиндрический шип для регулирования поворота лопатки, причем шип устанавливают в цилиндрическом канале в корпусе турбореактивного двигателя, и он заканчивается квадратным хвостовиком, входящим в зацепление с сопряженным отверстием, образованным на одном конце рычага. Другой конец рычага имеет радиальный цилиндрический штифт, устанавливаемый в управляющее кольцо, которое окружает внешнюю часть корпуса и которое присоединено к средству для его поворота вокруг оси турбореактивного двигателя, причем упомянутое приводное средство обычно является приводом или электродвигателем.

Поворот управляющего кольца передается рычагом к цилиндрическим шипам лопаток и заставляет их поворачиваться вокруг своих осей.

Для того чтобы обеспечить одинаковую ориентацию всех лопаток во всех угловых положениях, требуется определенная точность при сборке рычага с управляющим кольцом и с шипами лопаток.

В некоторых турбомашинах оси шипов лопаток и оси штифтов рычагов являются параллельными, позволяя, таким образом, устанавливать рычаги без зазора на управляющее кольцо и на шипы лопаток, перемещая рычаги в радиальном направлении.

В других турбомашинах оси штифтов рычагов являются радиальными, в то время как оси шипов лопаток наклонены относительно радиального направления. При сборке рычаги устанавливаются на управляющее кольцо и на шипы лопаток с помощью перемещения в радиальном направлении, позволяя, таким образом, устанавливать штифт каждого рычага без зазора в управляющее кольцо, при этом должен быть обеспечен необходимый зазор у другого конца рычага для того, чтобы войти в зацепление с отверстием, которое образовано у другого конца на квадратном хвостовике, предусмотренном на конце шипа лопатки.

Этот зазор необходим при сборке, так как квадратный хвостовик наклонен относительно перемещения в радиальном направлении рычага, и после сборки это приводит к появлению зазора между рычагом и квадратным хвостовиком в продольном направлении рычага и, таким образом, к существенному недостатку в точности при угловом позиционировании лопатки по ее оси.

Конкретной задачей настоящего изобретения является исключение этого недостатка простым, недорогим и эффективным способом.

Для решения указанной задачи согласно изобретению создано устройство регулирования лопаток с изменяемым углом установки в турбомашине, в частности, в самолетном турбореактивном двигателе, содержащее управляющее кольцо, установленное с возможностью поворота вокруг корпуса турбомашины и соединенное с лопатками с изменяемым углом установки с помощью рычагов, причем каждый рычаг имеет на одном своем конце радиальный штифт для соединения с управляющим кольцом, а на другом своем конце отверстие для установки на квадратный хвостовик, выполненный на конце цилиндрического шипа лопатки, причем шип с возможностью вращения направляется в цилиндрическом канале корпуса, при этом цилиндрический шип лопатки имеет ось, которая наклонена относительно оси радиального штыря рычага, и установочное отверстие в рычаге имеет размер в продольном направлении рычага, который больше, чем соответствующий размер квадратного хвостовика, и с которым он взаимодействует в упомянутом направлении для образования зазора, который изменяется по высоте квадратного хвостовика и установочного отверстия между значением, которое достаточно для того, чтобы обеспечить зацепление установочного отверстия с квадратным хвостовиком с помощью перемещения рычага параллельно оси его радиального штифта, и значением, которое по существу равно нулю, когда рычаг расположен на квадратном хвостовике.

Устройство согласно изобретению позволяет, во-первых, устанавливать рычаг путем его зацепления с управляющим кольцом и шипом лопатки посредством перемещения рычага в радиальном направлении, так как для этой цели между отверстием в рычаге и квадратным хвостовиком лопатки предусматривается достаточный зазор в продольном направлении рычага, и, во-вторых, точно поворачивать лопатку вокруг ее оси, так как зазор очень мал или почти равен нулю, а рычаг располагается на квадратном хвостовике лопатки.

Когда рычаг располагается на квадратном хвостовике, упомянутый зазор в одном конкретном варианте осуществления является по существу треугольным в плоскости, содержащей ось приводного шипа и проходящей параллельно продольному направлению рычага.

Согласно другой особенности изобретения упомянутый зазор образован между прямой поверхностью квадратного хвостовика, проходящей параллельно оси поворота лопатки, и наклонной поверхностью установочного отверстия в рычаге, которая наклонена относительно упомянутой оси поворота.

Размер установочного отверстия в продольном направлении рычага постепенно уменьшается от радиально внутреннего торца упомянутого отверстия до близкого расстояния к его радиально внешнему торцу и затем остается постоянным до упомянутого радиально внешнего торца.

В одном из вариантов осуществления изобретения упомянутый зазор образован между прямой поверхностью установочного отверстия в рычаге, проходящей параллельно оси поворота лопатки, и наклонной поверхностью квадратного хвостовика, которая наклонена относительно оси поворота лопатки.

Размер квадратного хвостовика в продольном направлении рычага затем постепенно увеличивается от его радиального внешнего торца до близкого расстояния к его радиально внутреннему торцу, и затем остается постоянным до упомянутого радиально внутреннего торца.

Предпочтительно, отверстие в рычаге включает в себя прямую поверхность, параллельную оси поворота лопатки и обращенную к прямой поверхности квадратного хвостовика лопатки по высоте, например, 0,5 мм, то есть достаточной для удерживания рычага в его продольном направлении, когда он расположен на квадратном хвостовике.

Преимущественно, квадратный хвостовик лопатки включает в себя прямую поверхность, параллельную оси поворота лопатки, обращенную к прямой поверхности отверстия в рычаге по высоте, например 0,5 мм, то есть достаточной для удерживания рычага в его продольном положении, когда он расположен на квадратном хвостовике.

Изобретение может быть лучше понято и другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут очевидны после прочтения следующего описания, выполненного в виде не ограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематический вид осевого сечения лопатки с изменяемым углом установки регулирующего устройства согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.2 - частичный схематический вид осевого сечения другой лопатки с изменяемым углом установки регулирующего устройства согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.3 - схематический вид сверху рычага с Фиг.2.

Фиг.4 - диаграмма, иллюстрирующая влияние сборочного зазора между отверстием рычага и квадратным хвостовиком лопатки на точность, с которой упомянутая лопатка позиционируется по углу.

Фиг.5 - частичный схематический вид осевого сечения варианта осуществления устройства согласно изобретению.

Фиг.6 - частичный схематический вид осевого сечения варианта осуществления устройства согласно изобретению.

Фиг.1 представляет с собой схематичный вид осевого сечения части лопатки с изменяемым углом установки для компрессора высокого давления турбомашины, в частности, турбовинтового или турбореактивного двигателя, причем компрессор содержит лопаточные венцы 10 с неподвижными лопатками для спрямления потока газовой струи, проходящей через компрессор, перемежающиеся с лопаточными венцами 12 с подвижными лопатками, установленными на роторе компрессора.

Каждая лопатка 10 статора содержит аэродинамическую поверхность 14 и радиально внешний цилиндрический шип 16, установленный в цилиндрическом канале 18 корпуса 20 компрессора, имеющий на своем радиально внешнем торце форму квадратного хвостовика 22, входящего в зацепление с соответствующим отверстием 24, выполненным в одном из концов управляющего рычага 26.

Другой конец рычага 26 имеет радиальный цилиндрический штифт 28, устанавливаемый в управляющее кольцо 30, которое окружает внешнюю поверхность корпуса 20 и которое связано с приводным средством (не показано), служащим для его поворота в одном или в другом направлении вокруг оси турбомашины для привода лопаток 10 венца статора таким образом, чтобы они поворачивались вокруг своих осей 32.

Центрирование и поворачивание цилиндрического шипа 16 внутри цилиндрического канала 18 лопатки 10 регулируется с помощью цилиндрической втулки 34, проходящей внутри канала 18 по большей части его длины и имеющей на своем внешнем торце внешний кольцевой обод 36, опирающийся на радиальную внешнюю кромку 38 стенки канала 18.

Регулировочная шайба 40 установлена вокруг шипа 16 лопатки между кольцевой поверхностью 42 лопатки, проходящей перпендикулярно оси 32 лопатки, и соответствующей кольцевой поверхностью 44 корпуса 20, и на своей внутренней кромке она имеет внешний цилиндрический обод 46, проходящий вокруг шипа 16.

Ось 32 лопатки наклонена относительно радиального направления, в то время как ось 48 цилиндрического штифта 28 рычага 26, соединяющего лопатку 10 с управляющим кольцом 30, является радиальной.

При сборке рычаг 26 вводится в зацепление с управляющим кольцом 30 и с квадратным хвостовиком 22 лопатки 10 с помощью перемещения в радиальном направлении, графически показанном стрелкой 50, позволяя таким образом устанавливать штифт 28 рычага в управляющее кольцо 30 по существу без зазора, но при этом возникает необходимость обеспечивать зазор 52 у другого конца рычага между его отверстием 24 и квадратным хвостовиком 22 лопатки, причем упомянутый зазор проходит в продольном направлении рычага 26.

После того как рычаг 26 будет установлен, он прикрепляется к шипу 16 лопатки с помощью завинчивания гайки 54 на резьбовое осевое удлинение 56 квадратного хвостовика 22.

В варианте, показанном на Фиг.2 и 3, отверстие рычага 60, взаимодействующее с квадратным хвостовиком 22 лопатки, образовано полостью 62, открывающейся в радиально внутренней поверхности 64 у конца рычага 26 и проходящей по большей части его толщины, при этом концевая стенка 66 полости 62 включает в себя отверстие для прохода винта 68, который завинчивается в резьбовое отверстие 70 в шипе лопатки.

Фиг.3 представляет собой вид сверху рычага 60 с Фиг.2 и показывает положение сборки для рычага 60 на квадратном хвостовике 22 лопатки.

Зазор, необходимый для того, чтобы отверстие 62 в рычаге устанавливалось на квадратный хвостовик 22 лопатки, проходит в продольном направлении рычага и после сборки приводит к появлению промежутка 74 зазора, проходящего в этом направлении между квадратным хвостовиком 22 и поверхностью 72 отверстия 62 на его стороне, отдаленной от штифта 28 рычага, и промежутка 80 зазора в том же направлении между квадратным хвостовиком 22 и поверхностью 76 отверстия 62 ближе к штифту 28.

После установки на квадратный хвостовик рычаг может занять любое положение относительно квадратного хвостовика в продольном направлении рычага, например, рычаг может войти в контакт с квадратным хвостовиком либо через одну из упомянутых поверхностей 72, 76 отверстия в рычаге, как показано на Фиг.1, либо он также может занимать промежуточное положение, как показано на Фиг.3. В результате в каждом из его положений расстояние L между осью 48 штифта 28 рычага и осью 32 лопатки будет различным.

Фиг.4 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую влияние упомянутого расстояния L на угол поворота лопатки для управляющего кольца, поворачиваемого на заданный угол.

Точка 82 является точкой, в которой ось 32 лопатки пересекает плоскость чертежей, а точка 84 и кольцевая дуга 86 представляют, соответственно, точку, в которой ось 48 штифта 28 рычага пересекает упомянутую плоскость и ее траекторию при вращении вокруг оси 32 лопатки для поворота управляющего кольца на заданное расстояние 88.

Из-за сборочных зазоров упомянутое расстояние L может находиться между значениями L-ε₁ и L+ε₂, соответствующими двум крайним положениям рычага относительно квадратного хвостовика лопатки.

Когда это расстояние равно L, лопатка поворачивается кольцом на угол α₀ вокруг своей оси.

Когда расстояние равно L-ε₁, лопатка поворачивается вокруг своей оси 32 на угол α₁, больший угла α₀. Когда расстояние равно L+ε₂, лопатка поворачивается на угол α₂, меньший угла α₀.

В результате в лопаточном венце статора все лопатки могут иметь одинаковую угловую ориентацию при одном заданном положении управляющего кольца, и принимать отличающиеся угловые ориентации, после поворота управляющего кольца.

Устройство согласно изобретению обеспечивает простое, эффективное и недорогое решение этой проблемы.

В варианте осуществления, показанном на Фиг.5, и соответствующем устройстве, показанном на Фиг.1, упомянутый зазор для установки отверстия рычага на квадратный хвостовик образуется в продольном направлении рычага 26 между прямой поверхностью 90 отверстия 24 в рычаге у его стороны, отдаленной от штифта 28 рычага и проходящей параллельно оси 32 лопатки, и наклонной поверхностью 92 квадратного хвостовика, обращенной на поверхность 90 и наклоненной к оси 32 лопатки, идущей радиально наружу.

Эта поверхность 92 может быть образована с помощью удаления материала с радиально внешней части квадратного хвостовика без удаления радиально внутренней части квадратного хвостовика, образующего прямую поверхность 94, параллельную оси лопатки и обращенную к поверхности 90 на расстоянии 96 от нее, которое по существу равно нулю по сравнению с высотой 98, которая является достаточной для удерживания рычага продольно лопатке до закручивания гайки. Эта высота обычно равна 0,5 миллиметра (мм).

В варианте осуществления, показанном на Фиг.6, зазор образуется в продольном направлении рычага между прямой поверхностью 100 квадратного хвостовика лопатки, которая параллельна оси 32 лопатки и отдалена от штифта 28 рычага, и наклонной поверхностью 102 отверстия в рычаге, которая обращена к поверхности 100, причем эта поверхность наклонена к оси 32 лопатки, проходящей радиально наружу.

Эта поверхность 102 может быть образована с помощью удаления материала из торцевой поверхности отверстия 24 в рычаге по части высоты этой торцевой поверхности и изнутри. Остающаяся радиально внешняя часть упомянутой торцевой поверхности представляет собой прямую поверхность 104, параллельную оси 32 лопатки и обращенную к поверхности 100 квадратного хвостовика на расстоянии 106 от него, которое по существу равно нулю по сравнению с высотой 108, которая достаточна для удержания рычага продольно относительно лопатки. Эта высота обычно равна около 0,5 мм.

Упомянутый зазор в плоскости, содержащей ось 32 лопатки и проходящей параллельно продольному направлению рычага, может иметь треугольную, изогнутую, или какую-либо другую форму.

В этих двух вариантах осуществления зазор J у радиально внешнего торца отверстия в рычаге (Фиг.5) или у радиально внутреннего торца упомянутого отверстия (Фиг.6) достаточен для того, чтобы можно было установить рычаг на квадратный хвостовик с помощью радиального перемещения рычага.

В варианте осуществления, использующем конструкцию с Фиг.1, ошибка установки лопатки, соответствующая значениям от α₀-α₁ до α₀-α₂ с Фиг.4, составляет ±0,31°. Используя конструкцию с Фиг.5 или конструкцию с Фиг.6, изобретение позволяет уменьшить эту ошибку установки до ±0,09°, то есть уменьшить ее примерно на 70%.

1. Устройство регулирования лопаток с изменяемым углом установки в турбомашине, в частности, в самолетном турбореактивном двигателе, содержащее управляющее кольцо, установленное с возможностью поворота вокруг корпуса турбомашины и соединенное с лопатками с изменяемым углом установки с помощью рычагов, причем каждый рычаг имеет на одном своем конце радиальный штифт для соединения с управляющим кольцом, а на другом своем конце - отверстие для установки на квадратный хвостовик, выполненный на конце цилиндрического шипа лопатки, причем шип с возможностью вращения направляется в цилиндрическом канале корпуса, при этом цилиндрический шип лопатки имеет ось, которая наклонена относительно оси радиального штыря рычага, и установочное отверстие в рычаге имеет размер в продольном направлении рычага, который больше, чем соответствующий размер квадратного хвостовика, и с которым он взаимодействует в упомянутом направлении для образования зазора, который изменяется по высоте квадратного хвостовика и установочного отверстия между значением, которое достаточно для того, чтобы обеспечить зацепление установочного отверстия на квадратный хвостовик с помощью перемещения рычага параллельно оси его радиального штифта, и значением, которое, по существу, равно нулю, когда рычаг расположен на квадратном хвостовике.

2. Устройство по п.1, в котором, когда рычаг расположен на квадратном хвостовике, упомянутый зазор является, по существу, треугольным в плоскости, содержащей ось приводного шипа и ориентированной параллельно продольному направлению рычага.

3. Устройство по п.1, в котором упомянутый зазор образован между прямой поверхностью квадратного хвостовика, проходящей параллельно оси поворота лопатки, и наклонной поверхностью установочного отверстия в рычаге, которая наклонена относительно упомянутой оси поворота.

4. Устройство по п.3, в котором размер установочного отверстия в продольном направлении рычага постепенно уменьшается от радиально внутреннего торца упомянутого отверстия до близкого расстояния к его радиально внешнему торцу и затем остается постоянным до упомянутого радиально внешнего торца.

5. Устройство по п.4, в котором отверстие в рычаге включает в себя прямую поверхность, параллельную оси поворота лопатки и обращенную к прямой поверхности квадратного хвостовика лопатки по высоте, например, 0,5 мм, то есть достаточной для удерживания рычага в его продольном направлении, когда он расположен на квадратном хвостовике.

6. Устройство по п.1, в котором упомянутый зазор образован между прямой поверхностью установочного отверстия в рычаге, проходящей параллельно оси поворота лопатки, и наклонной поверхностью квадратного хвостовика, которая наклонена относительно оси поворота лопатки.

7. Устройство по п.6, в котором размер квадратного хвостовика в продольном направлении рычага постепенно увеличивается от его радиального внешнего торца до близкого расстояния к его радиально внутреннему торцу и затем остается постоянным до упомянутого радиально внутреннего торца.

8. Устройство по п.7, в котором квадратный хвостовик лопатки включает в себя прямую поверхность, параллельную оси поворота лопатки, обращенную к прямой поверхности отверстия в рычаге по высоте, например, 0,5 мм, то есть достаточной для удерживания рычага в его продольном положении, когда он расположен на квадратном хвостовике.