Ротор вентилятора для газотурбинного двигателя, газотурбинный двигатель, содержащий такой ротор, и прокладка хвостовика лопасти для такого ротора
Ротор вентилятора газотурбинного двигателя содержит диск, несущий лопасти, хвостовики которых вставлены в пазы, размещенные по внешней периферии диска, и прокладки, каждая из которых размещена между дном паза диска и соответствующим хвостовиком лопасти. Входной конец каждой прокладки предназначен для упора в удерживающий фланец, присоединенный к диску, и содержит выступ, проходящий радиально наружу и предназначенный для удержания входного конца хвостовика лопасти. Выступ каждой прокладки содержит упорную выходную поверхность, в которую упирается входной конец хвостовика лопасти в случае избыточной нагрузки, причем эта упорная выходная поверхность наклонена относительно оси вращения ротора. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанный выше ротор вентилятора, а также к прокладке хвостовика лопасти указанного выше ротора вентилятора. Изобретения позволяют снизить вес ротора вентилятора газотурбинного двигателя за счет снижения веса и упрощения прокладки хвостовика лопасти. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к ротору вентилятора для газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель.
Вентилятор для газотурбинного двигателя содержит диск, несущий на своей внешней периферии лопасти, хвостовики которых установлены, по существу, в аксиальных пазах внешней периферии диска. Лопасти радиально удерживаются на диске за счет взаимодействия их ножек с пазами диска, при этом хвостовики могут быть выполнены, например, в форме ласточкиного хвоста.
Между хвостовиком каждой лопасти и дном соответствующего паза диска размещена прокладка для обеспечения радиальной неподвижности лопасти, которая на своем входном конце имеет выступ, который направлен радиально ко входу, а выходная радиальная поверхность образует осевой упор входной радиальной стороны хвостовика лопасти для аксиального удержания лопасти в сторону входа. Прокладки обеспечивают одинаковое осевое положение лопастей на диске для исключения образования дисбаланса и аксиально опираются в кольцевой фланец, закрепленный на входном конце диска.
В случае потери или отрыва лопасти вентилятора, эта лопасть отбрасывается на соседнюю лопасть, которая, вследствие этого, подвергается чрезмерной осевой нагрузке, передающейся входному фланцу через соответствующую прокладку. Эта прокладка упирается в осевом направлении на фланец, который предназначен для эластичной деформации с целью гашения части этой нагрузки и исключения, таким образом, потери других лопастей вентилятора. Средства осевого удержания лопастей в сторону входа дополнительно установлены на диске на выходе лопастей для того, чтобы воспринять часть этой нагрузки, когда деформация фланца достигает определенного порога.
В существующем уровне техники (см., например, публикации FR 2841933 или ЕР 1114916 А) выступ каждой прокладки предназначен для передачи всей упомянутой осевой нагрузки на входной фланец и испытывает значительные сдвиговые напряжения в осевом направлении в процессе передачи этой нагрузки. Таким образом, необходимо увеличивать размер выступа в осевом направлении, чтобы он мог выдерживать такие напряжения, что приводит к значительному увеличению габаритного осевого размера каждого выступа и повышению массы ротора вентилятора.
Для компенсирования увеличения габаритного осевого размера выступа прокладки можно настолько же укоротить входной конец соответствующего хвостовика лопасти. Однако такое решение не является удовлетворительным, так как в этом случае хвостовик лопасти является более коротким в осевом направлении, чем осевой размер паза диска, и будет оказывать значительные контактные усилия на боковые стенки паза и вызывать их преждевременный износ.
Задачей изобретения является, в частности, простое, эффективное и экономичное решение упомянутой проблемы известного уровня техники за счет средств осевого удержания лопастей вентилятора, которые являются более эффективными, более легкими и с меньшими габаритными размерами, чем в известном уровне техники.
Для решения этой задачи согласно изобретению создан ротор вентилятора для газотурбинного двигателя, содержащий диск, несущий лопасти, хвостовики которых вставлены в пазы, размещенные по существу аксиально по внешней периферии диска, и прокладки, каждая из которых размещена между дном паза диска и соответствующим хвостовиком лопасти, при этом входной конец каждой прокладки предназначен для упора в удерживающий фланец, присоединенный к диску, и содержит выступ, проходящий радиально наружу и предназначенный для удержания входного конца хвостовика лопасти, причем выступ каждой прокладки содержит упорную выходную поверхность, в которую упирается входной конец хвостовика лопасти в случае избыточной нагрузки, причем эта упорная выходная поверхность наклонена относительно оси вращения ротора.
В случае утери или отрыва лопасти вентилятора лопасть, соседняя с потерянной или сломанной, подвергается чрезмерному толчку вперед и упирается передним концом своего хвостовика в выступ прокладки, которая перемещается вперед до упора во фланец. Для продолжения перемещения лопасть должна была бы устанавливаться на выступе прокладки путем скольжения по наклонной поверхности последней. Однако лопасть уже опирается хвостовиком на стенки паза диска и не может перемещаться радиально наружу. Наклонная поверхность выступа прокладки создает, таким образом, клиновой эффект, что будет нагружать уже существующую опору между хвостовиком лопасти и стенками паза диска. Эта дополнительная нагрузка позволяет путем трения между хвостовиком лопасти и стенками паза диска поглотить часть осевого усилия, оказываемого на лопасть.
Изобретение позволяет, таким образом, уменьшить сдвигающие усилия, прикладываемые к выступу прокладки в случае потери лопасти вентилятора. Это позволяет уменьшить осевой размер и, следовательно, габаритные размеры выступа каждой прокладки, что приводит к облегчению прокладок и комплекса ротора вентилятора. В частном случае, получен, например, выигрыш в массе в 600-700 г одного полного модуля вентилятора, или несколько меньше 1% массы этого модуля.
Как и в известном уровне техники, прокладка, на которую давит лопасть, подвергаемая упомянутой осевой нагрузке, опирается на фланец, который деформируется для уменьшения этого осевого усилия. Факт уменьшения осевой нагрузки, осуществляемой на прокладку и, таким образом, на фланец, позволяет фланцу почти полностью погасить это усилие и позволяет исключить на выходе лопастей средства осевого удержания лопастей, установленных на диске.
Выходная опорная поверхность выступа может образовывать с осью ротора угол α, составляющий от 10 до 80° и, например, приблизительно от 20 до 70°. В особом случае констатируют, что осевая нагрузка, передаваемая выступу прокладки, составляет только 75% от первоначальной нагрузки, когда α равен 60°, и 50% этой нагрузки, когда α равен 45°.
В соответствии с другой характеристикой изобретения выходная опорная поверхность выступа размещена напротив входной поверхности хвостовика лопасти, которая размещена также под углом относительно оси вращения ротора и которая, по существу параллельна выходной наклонной поверхности выступа. Наклонная поверхность хвостовика лопасти предназначена для взаимодействия с наклонной поверхностью выступа прокладки.
В ненагруженном состоянии находящиеся одна против другой наклонные поверхности выступа и хвостовика лопасти предпочтительно наклонены одна относительно другой на угол, меньший 10°, например составляющий приблизительно от 2 до 5°, этот угол имеет тенденцию исчезать вследствие эластичной деформации выступа в случае чрезмерной нагрузки на лопасть. В этом положении наклонные одна относительно другой поверхности выступа и хвостовика лопасти предпочтительно разнесены одна от другой. При нормальной работе вентилятора наклонные поверхности хвостовика лопасти и прокладки отделены, таким образом, небольшим зазором. При потере или отрыве лопасти вентилятора этот зазор исчезает, и упомянутые наклонные поверхности упираются одна в другую. При упоре хвостовика лопасти в выступ прокладки этот выступ предназначен для деформирования так, чтобы его наклонная поверхность стала параллельной соответствующей наклонной поверхности хвостовика лопасти, которая примыкает, таким образом, ко всей поверхности выступа.
Выступ на своем радиально внешнем конце содержит выходную радиальную поверхность для осевого размещения входного конца хвостовика лопасти в ненагруженном состоянии. При нормальном функционировании хвостовика лопасти, таким образом, упирается в осевом направлении в радиально внешний край выступа, и наклонные поверхности выступа и хвостовика лопасти разнесены одна относительно другой благодаря этому упору. При потере лопасти хвостовик лопасти испытывает осевой удар в край выступа, который деформируется до тех пор, пока наклонные поверхности выступа и хвостовика лопасти не упрутся одна в другую.
Радиальная выходная поверхность выступа связана, предпочтительно, с наклонной поверхностью этого выступа поперечной выемкой, предназначенной для облегчения эластичной деформации этого выступа при отрыве или потере одной лопасти. Эта выемка может иметь в сечении скругленную вогнутую форму. Эта поперечная выемка может, кроме того, образовывать зону ослабления выступа, предназначенную для откалывания вертикально внешней части выступа, которая может, таким образом, отделиться от оставшейся части выступа, когда осевая нагрузка, передаваемая лопастью, достигнет определенного порога.
Наклонная поверхность выступа и/или наклонная поверхность хвостовика лопасти могут быть гладкими. В качестве варианта, на наклонной поверхности выступа и/или наклонной поверхности хвостовика лопасти сформированы пазы или зубцы, предназначенные для поглощения дополнительной энергии посредством трения и деформации, когда эти наклонные поверхности упираются одна в другую.
Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, такому как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, содержащему ротор вентилятора описанного выше типа.
Изобретение также относится к прокладке хвостовика лопасти для ротора вентилятора описанного выше типа, содержащей на одном конце выступ с двумя опорными поверхностями хвостовика лопасти, образованными первой радиальной поверхностью позиционирования хвостовика лопасти и второй наклонной поверхностью удержания хвостовика лопасти. Эти две поверхности связаны между собой поперечной выемкой, имеющей сечение скругленной вогнутой формы.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта выполнения, представленного в качестве не ограничивающего примера. Описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематично изображает в осевом разрезе часть половины вида ротора вентилятора турбомашины по известному уровню техники,
фиг.2 схематично изображает в осевом разрезе часть половины вида ротора вентилятора турбомашины в соответствии с изобретением,
фиг.3 изображает в более крупном масштабе часть фиг.2.
Обратимся вначале к фиг.1, где изображен ротор 10 вентилятора в соответствии с известным уровнем техники.
Ротор 10 вентилятора содержит лопасти 12, размещенные на диске 14, между которыми расположены межлопастные вставки 16, при этом диск 14 закреплен на не изображенном на чертеже входном конце вала газотурбинного двигателя.
Каждая лопасть 12 вентилятора представляет собой лопасть, соединенную своим радиально внутренним концом с хвостовика 18, которая вставлена в, по существу, аксиальный паз 20, форма которого дополняет диск 16 и позволяет удержать эту лопасть на диске в радиальном направлении.
Межлопастные вставки 16 образуют стенку, которая ограничивает внутри струю потока 21 воздуха, входящего в турбомашину, и содержат средства, взаимодействующие с соответствующими средствами, предусмотренными на диске 14 между пазами 20 для крепления вставок на диске.
Прокладка 22 размещена между хвостовиком 18 каждой лопасти и дном паза 20 соответствующего диска для обеспечения радиальной неподвижности лопасти в пазу. Каждая прокладка 22 образована удлиненным бруском, на входном конце которого размещен выступ, который вытянут радиально наружу.
Выступ 24 имеет выходную радиальную поверхность 26, которая в собранном положении, изображенном на фиг.1, аксиально опирается на радиальную поверхность входного конца хвостовика 18 лопасти для осевого удержания лопасти во входную сторону на диске 18 и для точного осевого позиционирования этой лопасти на диске.
Кольцевой фланец 28 закреплен коаксиально на входном конце диска 14, при этом внешняя периферия этого фланца 28 размещена с входной стороны выступов прокладок 22 на небольшом осевом расстоянии от последних. Фланец 28 удерживается на диске 14 кулачковыми зубцами 29, которые взаимодействуют с кулачковыми зубцами 31 диска, при этом фланец 28 дополнительно содержит кольцевой зажим 30, который размещен между входным кольцевым зажимом 32 диска 14 и внутренним кольцевым зажимом 34 кожуха 36, закрывающего спереди диск 14 и лопасти 10. Зажимы 30, 32 и 34 содержат аксиальные отверстия для прохода болтов 37 или аналогичных элементов для стяжки зажимов между собой.
Кожух 36 имеет, по существу, форму усеченного конуса, расширяющегося к выходу, при этом стенка, образованная межлопастными вставками 16, расположена в продолжение этого кожуха в осевом направлении. Кожух 36 выполнен с радиальными сверлениями 38 для крепления весовых балансиров 40.
При потере лопасти 12 вентилятора она отбрасывается на соседнюю лопасть вентилятора, которая испытывает при этом чрезмерную осевую нагрузку, направленную вперед, при этом эта нагрузка передается на входной фланец 28 прокладкой 22, сочлененной с этой лопастью. Хвостовик 18 лопасти, подвергнутый этой осевой нагрузке, прежде всего аксиально упирается в поверхность 26 выступа 24 прокладки (стрелка F), при этом выступ 24, в свою очередь, аксиально упирается во фланец 28, который эластично деформируется для гашения части указанной осевой нагрузки. Средства осевого удержания лопастей 12 на диске установлены, кроме того, с выходной стороне диска.
В процессе передачи указанной осевой нагрузки выступ 24 подвергается значительным сдвиговым нагрузкам в плоскости 42, схематично обозначенной штриховой линией. Для противодействия этим сдвиговым нагрузкам выступ 24 имеет увеличенные размеры в осевом направлении, что приводит увеличению габаритных размеров и массы.
Изобретение позволяет устранить указанные недостатки благодаря наклонной поверхности, выполненной на выступе, которая предназначена для упора хвостовика лопасти, создавая клиновой эффект, который увеличивает силы трения и опоры хвостовика лопасти на боковые стенки паза диска и поглощает, таким образом, часть удара вследствие потери или отрыва лопасти вентилятора.
В варианте осуществления по фиг.2 и 3 диск 14, фланец 28 и кожух 36 идентичны этим деталям по фиг.1.
Лопасть 12' отличается от лопасти по фиг.1 тем, что ее хвостовик 18 содержит на своем входном конце поверхность 44' опоры на выступ 24' прокладки 22', при этом поверхность 44' размещается наклонно относительно оси А вентилятора, что будет показано более детально ниже. Эта наклонная поверхность 44' образована на радиально внутреннем конце хвостовика лопасти и связывает входную радиальную поверхность 46' этого хвостовика с его радиально внутренней продольной поверхностью 48'.
Входная радиальная поверхность 46' хвостовика 18' лопасти в собранном положении и в ненагруженном состоянии, изображенном на чертежах, аксиально опирается на выходную радиальную поверхность 26', находящуюся на конечной части радиально наружной части выступа 24', и обеспечивает точное аксиальное позиционирование хвостовика лопасти на диске 14.
Выступ 24' также содержит радиально внутри радиальной поверхности 46' поверхность 50', размещенную напротив поверхности 44' хвостовика лопасти и предназначенную для взаимодействия посредством опоры на эту поверхность 44' в случае потери или отрыва лопасти вентилятора 12'. Эта поверхность 50' простирается наклонно относительно продольной оси А вентилятора и, по существу, параллельно наклонной поверхности 44' хвостовика лопасти.
Угол α, образованный между наклонной поверхностью 50' выступа и осью вентилятора, составляет от 10 до 80° и предпочтительно от 20 до 70°. В представленном примере он составляет примерно от 40 до 50°.
В ненагруженном состоянии, изображенном на чертежах, наклонные поверхности 44', 50' хвостовика лопасти и выступа образуют между собой угол β', меньший 10° и составляющий предпочтительно примерно от 2 до 5°. Поверхности 44', 50' расходятся одна от другой в сторону выхода.
Зубцы или пазы 52' или неровности поверхности могут быть выполнены на наклонной поверхности 50' выступа, как это будет показано ниже.
Наклонная поверхность 50' выступа связана с радиальной поверхностью 26' этого выступа поперечной выемкой 54'. Эта поперечная выемка в представленном примере имеет в сечении скругленную вогнутую форму.
Эта выемка 54' облегчает эластичную деформацию выступа 24' в сторону входа при осевом упоре хвостовика лопасти в радиальную поверхность 26' выступа посредством изгиба выступа в области выемки 54'. Выемка 54' образует, с другой стороны, средства ослабления и охрупчивания выступа 24' так, чтобы радиальная часть выступа могла оторваться, когда осевая нагрузка, передаваемая прокладкой, достигнет определенного порога. Штриховые линии 56' схематично изображают плоскость отрыва радиально внешней части выступа 24'.
Когда происходит потеря лопасти вентилятора, соседняя лопасть 12' воспринимает толчок вперед и создает значительную осевую нагрузку на радиально внешний конец выступа 24', который эластично деформируется до определенного порога и позволяет хвостовику лопатки 18' осуществить упор своей наклонной поверхностью 44' в наклонную поверхность 50' выступа до тех пор, пока обе наклонных поверхности 44' и 50' не станут параллельны между собой и не будут прижиматься одна к другой на всем протяжении. Часть удара, которому подвергается лопасть 12 (стрелка F), поглощается упором и трением хвостовика лопасти о боковые стенки паза 20 диска (стрелка ff). Оставшаяся часть осевой нагрузки передается выступом 24' прокладки фланцу 28, который, в свою очередь, передает ее диску 14 кулачковыми зубцами 29 и 31, при этом выступ 24' подвергается сдвиговым напряжениям (стрелка fc), которые менее значительны, чем сдвиговые напряжения по фиг.1. Пазы 52' или неровности поверхности позволяют поглощать дополнительную часть энергии удара за счет трения и деформации при упоре наклонной поверхности 44' хвостовика лопасти в наклонную поверхность 50' прокладки.
Изобретение позволяет сделать более легкими выступы 24' прокладок по сравнению с известным уровнем техники, так как сдвиговые напряжения, которым они подвергаются в случае потери лопасти, являются значительно меньшими, чем в известном уровне техники. Кроме того, оно позволяет исключить средства осевого удержания, установленные на выходе лопастей и, таким образом, уменьшить массу вентилятора.
1. Ротор вентилятора для газотурбинного двигателя, содержащий диск (14), несущий лопасти (12'), хвостовики (18') которых вставлены в пазы (20), размещенные по существу аксиально по внешней периферии диска, и прокладки (22'), каждая из которых размещена между дном паза диска и соответствующим хвостовиком лопасти, при этом входной конец каждой прокладки предназначен для упора в удерживающий фланец (28), присоединенный к диску, и содержит выступ (24'), проходящий радиально наружу и предназначенный для удержания входного конца хвостовика лопасти, отличающийся тем, что выступ каждой прокладки содержит упорную выходную поверхность (50'), в которую упирается входной конец хвостовика лопасти в случае избыточной нагрузки, причем эта упорная выходная поверхность наклонена относительно оси (А) вращения ротора.
2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что упорная выходная поверхность (50') выступа (24') образует угол (α), составляющий от приблизительно 10 до 80° с осью (A) ротора.
3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что упорная выходная поверхность (50') выступа (24') образует угол (α), составляющий приблизительно 20-70° с осью (A) ротора.
4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что упорная выходная поверхность (50') выступа (24') размещена напротив входной поверхности (44') хвостовика (18') лопасти, которая также наклонена относительно оси (A) вращения ротора и которая, по существу, параллельна выходной поверхности выступа.
5. Ротор по п.4, отличающийся тем, что в ненагруженном состоянии противолежащие наклонные поверхности (44', 50') выступа (24') и хвостовика (18') лопасти наклонены одна относительно другой на угол (β), меньший 10°, причем этот угол имеет тенденцию сводиться к нулю вследствие эластичной деформации выступа в случае чрезмерной нагрузки на лопасть.
6. Ротор по п.4, отличающийся тем, что в ненагруженном состоянии противолежащие наклонные поверхности (44', 50') выступа (24') и хвостовика (18') лопасти наклонены одна относительно другой на угол (β), составляющий приблизительно 2-5°, причем этот угол имеет тенденцию сводиться к нулю вследствие эластичной деформации выступа в случае чрезмерной нагрузки на лопасть.
7. Ротор по п.1, отличающийся тем, что выступ (24') имеет на своем радиально внешнем конце радиальную выходную поверхность (26') для аксиального позиционирования входного конца хвостовика (18') лопасти.
8. Ротор по п.7, отличающийся тем, что в ненагруженном состоянии противолежащие наклонные поверхности (44', 50') выступа (24') и хвостовика (18') лопасти удерживаются разнесенными одна от другой посредством упора хвостовика лопасти в выходную радиальную поверхность (26') выступа.
9. Ротор по п.7, отличающийся тем, что выходная радиальная поверхность (26') выступа (24') связана с наклонной поверхностью (50') этого выступа поперечной выемкой (54'), предназначенной для облегчения эластичной деформации радиально внешней части выступа в сторону входа.
10. Ротор по п.9, отличающийся тем, что выемка (54') имеет сечение вогнутой скругленной формы.
11. Ротор по п.1, отличающийся тем, что наклонная поверхность (50') выступа (24') является гладкой.
12. Ротор по п.1, отличающийся тем, что на наклонной поверхности (50') выступа (24') выполнены пазы (52') или зубцы.
13. Газотурбинный двигатель, такой как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, отличающийся тем, что он содержит ротор (10) вентилятора по п.1.
14. Прокладка хвостовика лопасти для ротора вентилятора по п.1, отличающаяся тем, что она содержит на одном конце выступ (24'), содержащий две опорные поверхности хвостовика лопасти, образованные первой радиальной поверхностью (26') для позиционирования хвостовика лопасти и второй наклонной поверхностью (50') для удержания хвостовика лопасти.
15. Прокладка по п.14, отличающаяся тем, что радиальная и наклонная поверхности (26', 50') связаны между собой поперечной выемкой (54'), имеющей сечение вогнутой скругленной формы.
