Рычаг управления угловой установкой лопатки статора в компрессоре турбовального двигателя, компрессор турбовального двигателя и турбовальный двигатель
Изобретение относится к рычагам управления угловой установкой лопатки статора, компрессору турбовального двигателя, содержащему множество лопаток статора с различными углами установки, оборудованных рычагами управления, а также к турбовальному двигателю, включающему указанный компрессор. Рычаг управления угловой установкой лопатки статора содержит первый конец, второй конец и плоскую среднюю часть, соединенную с первым и вторым концами. Первый конец установлен неподвижно на радиальной опоре лопатки и имеет толщину и ширину больше, чем у средней части и второго конца рычага. Второй конец содержит цилиндрический палец для установки на приводном средстве. Формы и размеры средней части и второго конца определены так, чтобы увеличить собственную частоту рычага при изгибе и кручении выше частот вибрации участка турбовального двигателя, расположенного выше рычага, и сохранить жесткость рычага. Изобретение позволяет избежать появления разломов и трещин на рычаге без существенного изменения его жесткости. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Изобретение касается рычага управления угловой установкой лопатки статора в компрессоре турбовального газотурбинного двигателя и компрессора турбовального двигателя, содержащего множество лопаток статора с различными углами установки, оборудованных рычагами управления.
Предшествующий уровень техники
Регулировка угловой установкой лопаток статора в турбовальном двигателе, таком как турбореактивный двигатель, предназначена для оптимизации производительности турбовального двигателя и снижения потребления топлива в различных режимах полета.
Эта регулировка выполняется посредством рычага, который содержит первый конец, установленный неподвижно на опоре лопатки для приведения ее во вращение вокруг продольной оси, второй конец, содержащий цилиндрический палец для установки на управляющем кольце, которое окружает статор турбовального двигателя снаружи и которое имеет возможность вращения вокруг продольной оси статора посредством приводного средства, такого как винтовой механизм или электропривод, и плоскую промежуточную часть, соединенную с первым и вторым концом рычага.
Рычаг управления, который приводится во вращение управляющим кольцом и который прикреплен к стержню лопатки, подвергается силам изгиба и кручения, которые прикладываются главным образом к его средней части и второму концу.
Во время работы турбовального двигателя рычаги управления повергаются воздействию вибраций, в особенности, из-за прохождения лопаток ротора перед лопатками статора, причем частоты этих вибраций изменяются со скоростью вращения ротора.
Замечено, что эти частоты могут совпадать с вибрационным режимом рычагов и что результирующие нагрузки, испытываемые рычагами, могут вызывать возникновение расколов или трещин в рычагах в особенности на участке, соединяющем среднюю часть со вторым концом, соединенным с управляющим кольцом, с риском разрушения рычагов.
Чтобы избежать этого серьезного недостатка, была сделана попытка увеличить размер каждого рычага, чтобы избежать появления разломов или трещин и соответственно риска разрушения рычага. Но это привело к соответственному увеличению жесткости рычага и мощности, необходимой, чтобы передвинуть рычаг, так как любое смещение рычага приводит к деформации рычага при изгибе или кручении. Так как энергия, необходимая для приведения в действие рычагов, обеспечивается турбовальным двигателем, такое решение является невыгодным.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание рычага управления для угловой установки лопатки статора в турбовальном двигателе, конструкция которого позволит избежать появления разломов или трещин в рычаге вышеупомянутого типа, без существенного изменения жесткости этого рычага.
Поставленная задача решена путем создания рычага для управления угловой установкой лопатки статора, в частности, в компрессоре турбовального двигателя, содержащего первый конец, установленный неподвижно на опоре лопатки, второй конец, содержащий цилиндрический палец для установки на приводном средстве, и плоскую среднюю часть, соединенную с первым и вторым концами, причем первый конец имеет толщину и ширину больше, чем у средней части и чем у второго конца рычага, при этом формы и размеры средней части и второго конца определены так, чтобы увеличить собственную частоту рычага при изгибе и кручении выше частоты вибрации участка турбовального двигателя, расположенного выше рычага, и сохранить при этом жесткость рычага.
Увеличение собственной частоты рычага при изгибе и кручении выше частоты вибрации участка турбовального двигателя, расположенного выше рычага, предотвращает переход рычага в режим резонанса во время работы турбовального двигателя и, при сохранении жесткости, мощность, необходимая для приведения его в действие, не увеличивается, а работа турбовального двигателя не ухудшается.
Таким образом, обеспечена возможность избежать риска появления разломов или трещин в рычаге управления из-за вибрационной усталости.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения второй конец рычага управления имеет толщину больше, чем толщина средней части, и средняя часть имеет ширину меньше, чем ширина второго конца рычага. Участок меньшей ширины средней части обеспечивает соединение средней части со вторым концом.
Увеличение толщины второго конца рычага управления позволяет лучше выдерживать нагрузки во время изгибания цилиндрического пальца и ограничивать появление и распространение разломов и трещин. Это приводит к увеличению общей жесткости рычага, которая компенсируется локальным снижением ширины средней части так, что рычаг управления сохраняет ту же жесткость и требует той же приводной мощности, как и раньше.
В этом варианте осуществления средняя часть рычага имеет постоянную толщину и соединена с концами рычага участками, имеющими постепенно увеличивающуюся толщину.
Постепенное увеличение толщины участков соединения с концами рычага позволяет снизить локальные концентрации напряжений.
Средняя часть рычага имеет изогнутые продольные кромки вогнутой формы, которые позволяют осуществить постепенный переход между участками различной ширины и в то же время избежать концентрации напряжений, которые могут появляться в частях рычага, если их ширина изменялась бы внезапно и дискретно.
Поэтому форма и размеры рычага управления оптимизируются динамически, чтобы увеличить собственную частоту рычага при изгибе и кручении выше частоты вибрации верхнего участка турбовального двигателя, и статически, чтобы снизить локальные концентрации напряжения.
Кроме того, рычаг управления согласно изобретению подвергается, по меньшей мере частично, дробеструйному упрочнению, эта обработка позволяет упрочнить поверхность рычага и защитить его от возможных толчков и ударов при обработке и установке на опоре лопатки и кольце управления, причем эти толчки и удары способны вызвать разломы и микротрещины.
Согласно изобретению также предложен компрессор турбовального двигателя, например компрессор турбореактивного двигателя, содержащий множество различно установленных лопаток, снабженных рычагами управления вышеупомянутого типа.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и особенности изобретения станут очевидными из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает рычаг для управления (частичный разрез) угловой установкой лопатки статора в ступени компрессора турбовального двигателя, согласно изобретению.
Фиг.2 - общий вид известного рычага управления.
Фиг.3 - общий вид рычага управления, согласно изобретению.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
На фиг.1 показана часть компрессора 10 высокого давления турбовального двигателя, в котором каждая ступень компрессора содержит ряд лопаток 12 направляющего аппарата, подогнанных к статору, и ряд лопаток 14, размещенных на роторе.
Лопатки 12 статора являются лопатками направляющего аппарата, расположенного ниже по потоку, ориентация которых или угловая установка регулируется с помощью рычагов 16 управления, управляемых кольцом 18, приводимым в действие приводным средством (не показано) типа винтового механизма или электропривода.
Каждый рычаг 16 управления содержит первый конец 20, закрепленный на радиальной опоре 22 лопатки 12, приводимой во вращение в подшипнике 24, установленном на радиальном валу внешнего корпуса 26, второй конец 28 и плоскую среднюю часть 30, соединяющуюся с концами 20 и 28.
Второй конец 28 рычага 16 управления имеет цилиндрический палец 32, который изгибается на этом конце 28 и приводится во вращение в цилиндрическом гнезде 34 управляющего кольца 18.
Угловое смещение управляющего кольца 18 вокруг оси корпуса 26 приводит к вращению рычагов 16 вокруг осей 36 стержней 22, и к приведению во вращение лопаток 12 вокруг этих осей 36, и к деформации при изгибе и кручении рычагов 16.
Как показано на фиг.2, первый конец 20 рычага 16 имеет толщину и ширину больше, чем у средней части 34 и второго конца 28 рычага 16. Например, толщина первого конца 20 составляет около 10 мм, а его ширина приблизительно 22 мм.
Второй конец 28 рычага 16 имеет цилиндрический палец 32 для установки в управляющем кольце 18 и имеет также круговую кромку, проходящую приблизительно на 180° вокруг головки цилиндрического пальца 32. Например, толщина второго конца составляет около 1,1 мм, а его ширина около 10 мм.
Средняя часть 34, которая соединяет первый и второй концы 20 и 28, имеет ту же толщину, что и второй конец 28, и треугольную форму, и соединяется с первым концом 20 посредством соединительного участка 38 постепенно увеличивающейся толщины. Например, толщина средней части 34 составляет около 1,1 мм, а его ширина изменяется от 10 до 22 мм.
Во время работы компрессора высокого давления собственная частота рычагов 16 при изгибе и при кручении может совпадать с частотой вибраций части компрессора, расположенной выше по потоку, и поэтому возбуждают сильные вибрации в рычагах 16, приводящие к формированию разломов или трещин, в особенности в зонах изгиба цилиндрических пальцев 32 ко вторым концам 28 рычагов 16. Эта вибрационная частота зависит от скорости вращения ротора и составляет около 6500 Гц в конкретном примере компрессора высокого давления.
Согласно изобретению форма и размеры средней части 34 и второго конца 28 изменены так, что собственная частота рычага при изгибе и кручении выше, чем вибрационные частоты части компрессора, расположенной выше по потоку, без существенного увеличения жесткости рычага.
На фиг.3 представлен общий вид одного из вариантов осуществления рычага 40 управления согласно изобретению.
Второй конец 42 рычага 40 имеет толщину больше, чем толщина второго конца 28 известного рычага 16 (фиг.2), чтобы лучше выдерживать нагрузки из-за изгибания цилиндрического пальца 32 и препятствовать распространению разломов или трещин. Эта толщина составляет, например, около 1,8 мм.
Форма второго конца 42 также была изменена путем увеличения угловой протяженности закругленной кромки, которая проходит более, чем на 180°. Эта закругленная кромка может иметь один или более радиусов кривизны, изменяющихся, например, от 6 до 15 мм.
Средняя часть 44 рычага 40 имеет постоянную толщину, большую, чем толщина средней части 34 известного рычага 16, но меньшую, чем толщина второго конца 42 рычага 40. Например, толщина средней части 44 рычага 40 составляет около 1,4 мм.
Увеличение жесткости рычага 40 из-за увеличения толщины средней части 44 и второго конца 42 компенсируется снижением ширины, по меньшей мере, участка 46 средней части 44 рычага 40, что позволяет сохранить ту же общую жесткость, как в известном рычаге, причем участок 46 меньшей толщины, чем средняя часть 44, соединяет среднюю часть 44 со вторым концом 42 рычага.
В варианте осуществления на фиг.3 участок 46 имеет ширину около 8 мм, т.е. меньше, чем ширина второго конца 42, и ограничен, по существу, параллельными продольными кромками.
Средняя часть 44 рычага 40 соединена с первым концом 48 соединительным участком 50 короткой длины, но постепенно увеличивающейся толщины, которая по существу идентична толщине соединительного участка 38 известного рычага 16 и изменяется между толщиной средней части 44 рычага 40 и толщиной его первого конца 48.
Другой участок 52 постепенно увеличивающейся толщины соединяет участок 46 средней части 44 со вторым концом 42 рычага 40.
Кромки 54, 56 соединительных участков 50 и 52 и средней части 44 являются изогнутыми и вогнутыми и соединяются с прямыми кромками участка 46. Кромки 54 могут иметь один или несколько радиусов кривизны, величины которых обычно, находятся в пределах от 6 до 15 мм, и кромки 56 могут также иметь один или несколько радиусов кривизны, величины которых обычно находятся в пределах от 15 до 30 мм. Радиусы кривизны кромок 54, 56 увеличиваются от второго конца 42 рычага 40 к первому концу 48.
Рычаг 40 управления согласно изобретению предпочтительно подвергается, по меньшей мере частично, дробеструйному упрочнению, например, на средней части 44 и/или на втором конце 42 рычага 40. Эта обработка позволяет упрочнить поверхность рычага и поэтому улучшить его защиту от толчков и ударов, которые могут произойти, в особенности, при установке рычага 40 управления и которые могут вызывать возникновение разломов и трещин.
Рычаг 40 управления согласно изобретению предпочтительно выполнен из титана.
1. Рычаг управления угловой установкой лопатки статора, в частности, в компрессоре турбовального двигателя, содержащий первый конец, установленный неподвижно на радиальной опоре лопатки, второй конец, содержащий цилиндрический палец для установки на приводном средстве, и плоскую среднюю часть, соединенную с первым и вторым концами, причем первый конец имеет толщину и ширину больше, чем у средней части и чем у второго конца рычага, при этом формы и размеры средней части и второго конца определены так, чтобы увеличить собственную частоту рычага при изгибе и кручении выше частот вибрации участка турбовального двигателя, расположенного выше рычага, и сохранить жесткость рычага.
2. Рычаг управления по п.1, отличающийся тем, что второй конец имеет толщину больше, чем толщина средней части, а средняя часть имеет ширину меньше, чем ширина второго конца рычага.
3. Рычаг управления по п.2, отличающийся тем, что участок меньшей ширины средней части обеспечивает соединение средней части со вторым концом.
4. Рычаг управления по п.1, отличающийся тем, что средняя часть имеет постоянную толщину и соединена с концами рычага участками постепенного увеличения толщины.
5. Рычаг управления по п.1, отличающийся тем, что средняя часть имеет изогнутые продольные кромки вогнутой формы.
6. Рычаг управления по п.5, отличающийся тем, что радиусы кривизны кромок средней части увеличиваются от второго конца рычага к первому концу.
7. Рычаг управления по п.1, отличающийся тем, что подвергнут, по меньшей мере, частично дробеструйному упрочнению.
8. Рычаг управления по п.1, отличающийся тем, что выполнен из титана.
9. Компрессор турбовального двигателя, содержащий множество установленных под различным углом лопаток, отличающийся тем, что каждая различно установленная лопатка снабжена рычагом управления по п.1.
10. Турбовальный двигатель, отличающийся тем, что содержит компрессор по п.9.
