Неподвижная лопаточная решетка для направления потока в газотурбинном двигателе, содержащая внутреннюю площадку с встроенными усилениями, соответствующий газотурбинный двигатель и способ изготовления

Неподвижная лопаточная решетка газотурбинного двигателя содержит внутреннюю кольцевую площадку и множество установленных на ней неподвижных лопаток. Внутренняя площадка содержит опорную пластину, образующую основание лопаток, радиальную кольцевую перегородку, выполненную от опорной пластины в сторону оси лопаточной решетки, и внутренний венец, соединенный с радиальной кольцевой перегородкой и имеющий внутреннюю поверхность, на которой закреплен истираемый материал. Внутренний венец содержит, по меньшей мере, один вырез, ограничивающий язычок, при этом язычок загнут так, чтобы опираться на радиальную кольцевую перегородку. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанную выше лопаточную решетку. При изготовлении лопаточной решетки в венце выполняют U-образный вырез, чтобы ограничить по меньшей мере один язычок. Участок язычка сгибают под прямым углом относительно венца. Венец крепят на радиальной перегородке внутренней кольцевой площадки лопаточной решетки так, чтобы радиальная перегородка входила в контакт с наружной кольцевой поверхностью венца и чтобы участок язычка, загнутый под прямым углом относительно венца, опирался на указанную перегородку. Группа изобретений позволяет снизить массу газотурбинного двигателя. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области неподвижных лопаточных решеток для направления воздушного потока в газотурбинном двигателе.

Уровень техники

Как правило, газотурбинный двигатель содержит от входа к выходу в направлении потока газов вентилятор, одно или многоступенчатые компрессоры, например компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, камеру сгорания, одно или многоступенчатые турбины, например турбину высокого давления и турбину низкого давления, и сопло для выпуска отработавших газов.

Эти турбины содержат направляющий аппарат для направления потока в газотурбинном двигателе, состоящий из нескольких ступеней неподвижных лопаточных решеток, каждая из которых содержит множество лопаток, как правило, расположенных радиально относительно оси газотурбинного двигателя между внутренней кольцевой площадкой и наружной кольцевой площадкой, посредством которых указанные лопатки закреплены в газотурбинном двигателе.

В частности, чтобы минимизировать массу двигателя, все или часть этих лопаток выполнены полыми.

Для получения этих различных полостей, которые имеют сложные формы и геометрию которых необходимо соблюдать с высокой точностью, лопатки обычно производят с использованием технологии, известной под названием литья по выплавляемым восковым моделям. В пресс-форму перед началом заливания воска вставляют стержни, удерживаемые на месте при помощи втулок, при этом соединение между стержнями и втулками осуществляют вручную.

Однако современная геометрия лопаточных решеток не оставляет достаточного места для позиционирования втулок и, следовательно, не позволяет выполнять полые лопатки с заданными размерами и допусками.

В этой связи в документе US 2011/0044798 была предложена неподвижная лопаточная решетка, в которой внутренняя кольцевая площадка содержит опорную кольцевую пластину, образующую основание лопаток, и радиальную перегородку, выполненную от указанной пластины в сторону оси газотурбинного двигателя, при этом

указанная радиальная перегородка соединена с внутренним венцом, имеющим наружную поверхность, на уровне которой указанный венец закреплен на радиальной перегородке, при этом венец и радиальная перегородка соединены между собой также при помощи усилительных элементов.

Однако, чтобы уменьшить массу газотурбинного двигателя, необходимо свести к минимуму число деталей.

Раскрытие изобретения

Изобретение призвано решить эту проблему и предложить неподвижную лопаточную решетку для направления потока в газотурбинном двигателе, содержащую внутреннюю кольцевую площадку и множество установленных на ней неподвижных лопаток, при этом внутренняя площадка содержит опорную пластину, образующую основание указанных лопаток, радиальную кольцевую перегородку, выполненную от опорной пластины в сторону оси лопаточной решетки, и внутренний венец, соединенный с радиальной кольцевой перегородкой и имеющий внутреннюю поверхность, на которой расположен истираемый материал, при этом лопаточная решетка отличается тем, что внутренний венец содержит по меньшей мере один вырез, ограничивающий язычок, при этом язычок загнут таким образом, чтобы опираться на радиальную кольцевую перегородку.

Предпочтительно, но факультативно лопаточная решетка в соответствии с изобретением может дополнительно иметь по меньшей мере один из следующих отличительных признаков:

- язычок или каждый язычок опирается по меньшей мере концевым участком на радиальную перегородку, что позволяет выполнять только одно сгибание язычка и, следовательно, упростить изготовление лопаточной решетки.

- если лопаточная решетка имеет несколько язычков, они могут быть равномерно распределены в угловом направлении по окружности венца, что позволяет равномерно распределить упорные контакты и придать лопаточной решетке лучшую устойчивость.

- концевой участок каждого язычка закреплен посредством пайки на радиальной перегородке.

- внутренний венец соединен с радиальной кольцевой перегородкой на уровне сквозных отверстий, каждое из которых образовано в результате сгибания соответствующего язычка.

- истираемый материал располагают на радиальной перегородке сквозь каждое отверстие.

- истираемый материал крепят посредством пайки на внутренней поверхности венца и на радиальной перегородке сквозь каждое отверстие венца.

- внутренний венец дополнительно содержит кольцевую лапку, выполненную в сторону входа, и кольцевую лапку, выполненную в сторону выхода относительно воздушного потока в лопаточной решетке.

Изобретением предложен также газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере одну такую лопаточную решетку.

Наконец, изобретением предложен способ изготовления заявленной неподвижной лопаточной решетки для направления потока, содержащий следующие этапы:

- в венце выполняют по меньшей мере один U-образный вырез для ограничения множества язычков,

- участок язычка сгибают под прямым углом относительно венца, и

- венец крепят на радиальной перегородке внутренней кольцевой площадки лопаточной решетки таким образом, чтобы радиальная перегородка входила в контакт с наружной кольцевой поверхностью венца и чтобы участок язычка, загнутый под прямым углом относительно венца, опирался на указанную перегородку.

Предпочтительно, но факультативно заявленный способ может дополнительно иметь по меньшей мере один из следующих отличительных признаков:

- этап крепления венца на радиальной перегородке включает в себя крепление посредством пайки участка каждого язычка, загнутого под прямым углом относительно венца, на перегородке.

- способ дополнительно содержит этап, на котором слой истираемого материала крепят посредством пайки на внутренней поверхности венца и на радиальной перегородке через множество отверстий венца, полученных в результате сгибания каждого язычка.

Таким образом, лопаточная решетка в соответствии с изобретением является более легкой, но также и более прочной, чем раньше, так как функцию усиления в положении опоры на радиальную перегородку выполняет внутренний венец самой лопаточной решетки без добавления материала.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана часть лопаточной решетки для направления потока согласно варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;

на фиг. 2a и 2b показан внутренний венец внутренней кольцевой площадки лопаточной решетки для направления потока, показанной на фиг. 1, соответственно частичный вид в разрезе и вид сверху;

на фиг. 3 представлена схема основных этапов способа изготовления лопаточной решетки для направления потока согласно варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлена часть неподвижной лопаточной решетки для направления воздушного потока, проходящего через газотурбинный двигатель, при этом направление прохождения воздушного потока показано стрелкой F, при этом лопаточная решетка образует ступень направляющего аппарата турбины газотурбинного двигателя, например турбины низкого давления.

Лопаточная решетка 10 содержит множество неподвижных лопаток 11, расположенных радиально относительно оси (не показана) газотурбинного двигателя, которая является также осью лопаточной решетки, при этом указанные лопатки установлены на внутренней кольцевой площадке 12.

Площадка 12 содержит кольцевую перегородку 120, расположенную радиально относительно оси газотурбинного двигателя, а также кольцевую пластину 121, образующую опору для лопаток 11, расположенную с двух сторон от кольцевой перегородки на уровне ее радиально наружного конца.

Площадка 12 содержит также внутренний венец 122, который расположен с двух сторон от радиальной кольцевой перегородки 120 на уровне ее радиально внутреннего конца и на котором закреплен слой истираемого материала 123.

Как показано на фиг. 2a и 2b, внутренний венец 122 имеет центральную кольцевую секцию 1220, проходящую по существу в осевом направлении относительно оси лопаточной решетки, и две концевые кольцевые лапки 1221, 1222, выполненные соответственно в сторону входа и в сторону выхода лопаточной решетки относительно воздушного потока, будучи смещенными в радиальном направлении относительно центральной секции 1220, при этом указанные секции могут иметь наклон относительно оси лопаточной решетки.

Эти секции выполнены с возможностью взаимодействия с носиками лопаточной решетки ротора, расположенными на входе и на выходе относительно лопаточной решетки 10, образуя уплотнительные прокладки лабиринтного типа, чтобы избегать поворота воздуха в радиальном направлении между проточным трактом лопаточной решетки 10 (то есть между лопатками 11) и промежутком между площадкой неподвижной лопаточной решетки и смежным ротором.

Кроме того, на своей центральной секции 1220 внутренний венец 122 содержит по меньшей мере один и предпочтительно несколько U-образных вырезов 1223, при этом каждый вырез содержит два участка 1224, которые предпочтительно, но не ограничительно являются параллельными (образуя ветви "U"). Предпочтительно, как показано на фиг. 2a, участки 1224 ориентированы по существу параллельно оси лопаточной решетки, и поперечный участок 1225 расположен с выходной стороны выреза относительно воздушного потока.

Таким образом, каждый вырез 1223 ограничивает язычок 1226, отделенный от остальной части центральной секции тремя участками выреза. Учитывая форму вырезов, каждый язычок расположен на секторе кольца.

По меньшей мере концевая часть 1227 каждого выреза загнута под прямым углом относительно центральной секции венца 122 и проходит по существу в радиальном направлении.

Можно также загнуть весь язычок под прямым углом относительно венца.

Каждый загнутый таким образом язычок освобождает отверстие 1226 в виде сектора кольца в венце 122.

Предпочтительно вырезы 1123 и, следовательно, язычки 1226 и отверстия 1228 распределены равномерно, то есть через постоянный угловой интервал относительно оси лопаточной решетки вдоль окружности венца. Таким образом, на кольцевой зоне своей центральной секции по ширине отверстий венец 122 содержит чередование сплошных зон и отверстий 1228.

Наконец, венец 122 присоединен к радиальной перегородке 120 на уровне кольцевой зоны, содержащей чередование отверстий и сплошных зон, при этом конец 1227 язычков, загнутый под прямым углом относительно венца, опирается на радиальную перегородку.

Таким образом, вырезанные в венце язычки образуют поверхность, закрепляемую пайкой на радиальной перегородке, что позволяет осуществить соединение венца с радиальной перегородкой без добавления дополнительных элементов (например, листов, лапок на радиальной перегородке и т.д.). За счет этого лопаточная решетка оказывается более легкой.

С другой стороны, слой истираемого материала 123, располагаемый на венце, можно также расположить на радиальной перегородке через каждое отверстие 1228 указанного венца. Предпочтительно слой истираемого материала 123 крепят пайкой на радиально внутренней поверхности центральной секции 1220 внутреннего венца.

Венец 122 может содержать только один вырез 1223 U-образной формы и занимает, таким образом, меньше пространства. Тем не менее, дополнительно к этому единственному вырезу в венце можно выполнить другие типы креплений.

Далее со ссылками на фиг. 3 следует описание способа изготовления вышеупомянутой лопаточной решетки.

Во время этапа 100 выполняют множество вырезов 1223 U-образной формы на окружности кольцевого венца 122, соответствующих описанным выше вырезам, при этом вырезы предпочтительно равномерно распределяют по указанной окружности.

На этапе 200 язычок 1226, ограниченный каждым вырезом 1223, загибают под прямым углом наружу венца таким образом, чтобы конец 1227 каждого язычка был ориентирован по существу радиально относительно оси венца.

На этапе 300 венец 122 соединяют с радиальной перегородкой 120 внутренней площадки неподвижной лопаточной решетки, при этом на внутренней площадке можно также установить лопатки 11 и наружную площадку лопаточной решетки. Венец присоединяют таким образом, чтобы загнутые концы каждого язычка опирались на радиальную перегородку и чтобы радиальная кольцевая перегородка располагалась на уровне выполненных в венце отверстий 1228.

Предпочтительно концы язычков 1226, опирающиеся на радиальную перегородку, а также зоны венца между двумя последовательными отверстиями крепят на радиальной перегородке посредством пайки.

Наконец, во время этапа 400 на узле, полученном на предыдущем этапе, предпочтительно посредством пайки крепят слой истираемого материала 123, предпочтительно на радиально внутренней поверхности центрального участка 1220 венца и на уровне отверстий 1228, закрепляя пайкой слой 123 на радиальной перегородке (а также на радиально внутренней поверхности).

Предпочтительно, но факультативно операции пайки 300 и 400 можно осуществлять одновременно, что делает способ более быстрым в осуществлении.

1. Неподвижная лопаточная решетка (10) для направления потока в газотурбинном двигателе, содержащая внутреннюю кольцевую площадку (12) и множество установленных на ней неподвижных лопаток (11), при этом внутренняя площадка содержит опорную пластину (121), образующую основание указанных лопаток, радиальную кольцевую перегородку (120), выполненную от опорной пластины в сторону оси лопаточной решетки, и внутренний венец (122), соединенный с радиальной кольцевой перегородкой (120) и имеющий внутреннюю поверхность, на которой закреплен истираемый материал (123), при этом лопаточная решетка отличается тем, что внутренний венец содержит по меньшей мере один вырез (1223), ограничивающий язычок (1226), при этом язычок загнут так, чтобы опираться на радиальную кольцевую перегородку (120).

2. Лопаточная решетка (10) по п. 1, в которой язычок (1226) опирается по меньшей мере концевым участком (1227) на радиальную перегородку (120).

3. Лопаточная решетка (10) по п. 2, в которой концевой участок (1227) каждого язычка закреплен посредством пайки на радиальной перегородке (120).

4. Лопаточная решетка (10) по п. 1, в которой внутренний венец (122) соединен с радиальной кольцевой перегородкой (120) на уровне сквозных отверстий (1228), каждое из которых образовано в результате сгибания соответствующего язычка (1226).

5. Лопаточная решетка (10) по п. 4, в которой истираемый материал (123) располагают на радиальной перегородке (120) сквозь каждое отверстие (1228).

6. Лопаточная решетка (10) по п. 4, в которой истираемый материал (123) крепят посредством пайки на внутренней поверхности венца (122) и на радиальной перегородке (120) сквозь каждое отверстие (1228) венца (122).

7. Лопаточная решетка (10) по одному из пп. 1-6, в которой внутренний венец (122) дополнительно содержит кольцевую лапку (1221), выполненную в сторону входа, и кольцевую лапку (1222), выполненную в сторону выхода относительно воздушного потока в лопаточной решетке.

8. Газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере одну лопаточную решетку (10) для направления потока по одному из пп. 1-7.

9. Способ изготовления неподвижной лопаточной решетки (10) для направления потока по одному из пп. 1-7, содержащий следующие этапы:

- в венце (122) выполняют по меньшей мере один U-образный вырез (1223), чтобы ограничить по меньшей мере один язычок (1226),

- участок (1227) язычка (1226) сгибают под прямым углом относительно венца, и

- венец (122) крепят на радиальной перегородке (120) внутренней кольцевой площадки (12) лопаточной решетки (10) так, чтобы радиальная перегородка входила в контакт с наружной кольцевой поверхностью венца и чтобы участок (1227) язычка, загнутый под прямым углом относительно венца, опирался на указанную перегородку.

10. Способ изготовления лопаточной решетки (10) по п. 9, в котором этап (300) крепления венца (122) на радиальной перегородке (120) включает в себя крепление посредством пайки участка (1227) каждого язычка, загнутого под прямым углом относительно венца (122), на перегородке (120).

11. Способ изготовления лопаточной решетки (10) по одному из пп. 9 или 10, дополнительно содержащий этап, на котором слой истираемого материала (123) крепят посредством пайки на внутренней поверхности венца (122) и на радиальной перегородке сквозь множество отверстий венца (1228), полученных в результате сгибания каждого язычка (1226).