Вращающийся узел авиационного газотурбинного двигателя, вентилятор авиационного газотурбинного двигателя, содержащий такой узел, и способ монтажа этого узла
Изобретение относится к общей области авиационных газотурбинных двигателей, в частности к области присоединяемых полок лопаток вентилятора авиационного газотурбинного двигателя. Вращающийся узел авиационного газотурбинного двигателя, содержащий диск вентилятора, имеющий по меньшей мере один зуб, и по меньшей мере одну полку, установленную на зубе диска вентилятора. Зуб диска вентилятора содержит лапку, расположенную в осевом продолжении указанного зуба на входе, а полка содержит на уровне своего входного конца стопорное кольцо, в которое должна заходить лапка зуба диска вентилятора. Узел дополнительно содержит вставку, установленную внутри стопорного кольца с возможностью блокировки полки на лапке зуба диска вентилятора. Изобретение также относится к вентилятору газотурбинного двигателя, содержащему такой узел, а также к способу монтажа такого узла. Изобретение позволяет оптимизировать характеристики вентилятора и, в целом, газотурбинного двигателя. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к общей области авиационных газотурбинных двигателей и, в частности, к области присоединяемых полок лопаток вентилятора авиационного газотурбинного двигателя.
Уровень техники
В газотурбинном двигателе присоединяемые полки лопаток вентилятора должны обеспечивать несколько функций. С точки зрения аэродинамики эти полки в первую очередь образуют воздушный проточный тракт. Кроме того, они должны также выдерживать большие усилия, не деформируясь и оставаясь соединенными с диском, на котором они установлены.
Чтобы удовлетворить эти различные требования, были предложены некоторые конфигурации, в которых полки имеют первую часть, позволяющую образовать воздушный проточный тракт и обеспечивающую удержание полки, когда двигатель вращается, и вторую часть, позволяющую ограничивать деформации первой части под действием центробежных усилий и удерживающую полку в заданном положении, когда двигатель остановлен.
В существующих решениях полка может быть выполнена в виде короба с двухмерной стенкой тракта, удерживаемой на выходе барабаном и на входе обечайкой, при этом удержание на входе обечайкой происходит над зубом диска вентилятора (фланец обечайки блокирует полку на входе в осевом и радиальном направлениях).
Недостатком такого удержания на входе, осуществляемого над зубом диска при помощи обечайки, является то, что оно требует большого относительного радиуса втулки, при этом относительный радиус втулки является отношением радиуса, измеренного между осью вращения и точкой передней кромки лопатки, находящейся на одном уровне с поверхностью полки, к радиусу, измеренному между осью вращения и наиболее наружной точкой передней кромки.
Чтобы оптимизировать характеристики вентилятора и, в целом, газотурбинного двигателя, желательно реализовать вращающийся узел авиационного газотурбинного двигателя, содержащий присоединяемую полку лопатки вентилятора, установленную на диске вентилятора с как можно меньшим относительным радиусом втулки.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков за счет создания вращающегося узла авиационного газотурбинного двигателя, при этом узел содержит: диск вентилятора авиационного газотурбинного двигателя, причем указанный узел содержит диск вентилятора, имеющий по меньшей мере один зуб, и по меньшей мере одну полку, установленную на зубе диска вентилятора, при этом, согласно изобретению, зуб диска вентилятора содержит лапку, расположенную в осевом продолжении указанного зуба на входе, а полка содержит на уровне своего входного конца стопорное кольцо, в которое должна заходить лапка зуба диска вентилятора.
Этот узел, применимый для любого типа присоединяемой полки вентиляторной лопатки авиационного газотурбинного двигателя, позволяет уменьшить относительный радиус втулки и одновременно обеспечивает радиальное удержание полки при помощи стопорного кольца на входе.
Кроме того, заявленный узел не требует дополнительных присоединяемых деталей для обеспечения радиального удержания полки на входе, так как это удержание обеспечено стопорным кольцом, выполненным в полке. Как правило, зуб диска вентилятора уже содержит продолжающую его на входе лапку, что позволяет сократить операции, необходимые для проектирования заявленного узла, и избежать перерасчета формы окружающих деталей.
Узел позволяет также сохранить тангенциальную степень свободы на уровне полки за счет выбора размера стопорного кольца относительно сечения лапки. Эта степень свободы позволяет избежать повреждений, в частности, при попадании посторонних предметов в вентилятор.
Предпочтительно полка может быть выполнена из композиционного материала с органической матрицей, получаемого из волокнистого усиления, уплотненного матрицей.
Предпочтительно узел дополнительно содержит выходную обечайку, закрепленную на диске вентилятора и блокирующую полку на выходе.
Предпочтительно узел дополнительно содержит входную обечайку, закрепленную на диске вентилятора и блокирующую полку в осевом направлении на входе.
В примере осущесуществления лапка зуба диска и стопорное кольцо имеют по существу идентичные сечения.
Узел дополнительно содержит вставку, установленную внутри стопорного кольца таким образом, чтобы блокировать полку на лапке зуба диска вентилятора.
Зуб диска может иметь плоскую часть, выполненную на первой длине, при этом лапка зуба диска расположена на второй длине, составляющей от 4% до 15% указанной первой длины.
В примерах осуществления полка содержит короб, имеющий стенку тракта, стенку дна и две боковые стенки, расположенные радиально между стенкой дна и стенкой тракта. При такой конструкции, когда такая полка выполнена из композиционного материала на основе уплотненного матрицей волокнистого усиления, входная часть короба работает на растяжение в направлении волокон, благодаря стопорному кольцу, что обеспечивает хорошую механическую прочность узла.
Объектом изобретения является также вентилятор авиационного газотурбинного двигателя, содержащий описанный выше вращающийся узел, в котором диск вентилятора имеет по меньшей мере два зуба, ограничивающие между собой паз, и по меньшей мере одну лопатку, имеющую ножку, установленную в пазу диска вентилятора.
Объектом изобретения является также способ монтажа описанного выше вращающегося узла, при этом способ включает в себя следующие операции, на которых:
подводят полку в радиальном направлении к зубу диска вентилятора, располагая стопорное кольцо напротив лапки зуба диска вентилятора, и
перемещают полку поступательным движением от входа к выходу вдоль зуба диска вентилятора.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничивающих примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично показан газотурбинный двигатель в соответствии с изобретением, вид в разрезе;
на фиг. 2 показан вентилятор, изображенный на фиг. 1, схематичный вид в направлении II;
на фиг. 3 схематично показана полка, предназначенная для применения в заявленном вращающемся узле, вид в перспективе;
на фиг. 4 и 5 схематично показан вращающийся узел согласно варианту осуществления изобретения, вид в разрезе и вид спереди соответственно;
на фиг. 6 показан вращающийся узел согласно другому варианту осуществления изобретения, вид спереди.
Осуществление изобретения
В тексте данной заявки термины «продольный», «поперечный», «нижний», «верхний» и производные от них слова следует рассматривать относительно главного направления данной полки; термины «поперечный», «радиальный», «тангенциальный», «внутренний», «наружный» и их производные следует рассматривать относительно главной оси газотурбинного двигателя; наконец термины «вход» и «выход» следует рассматривать относительно направления потока текучей среды, проходящей через газотурбинный двигатель. Кроме того, если только не указано иное, одинаковые цифровые позиции на разных фигурах обозначают одни и те же признаки.
На фиг. 1 представлен схематичный вид в продольном разрезе двухконтурного турбореактивного двигателя 1 с центром на оси А-А, в соответствии с изобретением. От входа к выходу он содержит: вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру 5 сгорания, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления.
На фиг. 2 представлен схематичный вид вентилятора 2, показанного на фиг. 1, в направлении II. Вентилятор 2, относящийся к настоящему изобретению, содержит диск 22 вентилятора, в котором на уровне его наружной периферии выполнено множество пазов 24. Эти пазы 24 являются прямолинейными и проходят в осевом направлении от входа к выходу вдоль всего диска 22. Таким образом, каждый паз 24 образует вместе с соседним пазом зуб 25, который тоже проходит в осевом направлении от входа к выходу вдоль всего диска 22. Соответственно, паз 24 расположен между двумя соседними зубьями 25.
Кроме того, вентилятор 2 содержит множество лопаток 26 криволинейного профиля (на фиг. 2 показаны только четыре лопатки 26). Каждая лопатка 26 имеет ножку 26а, вставленную в соответствующий паз 24 диска 22 вентилятора. Для этого ножка 26а лопатки 26 может иметь форму елочки или форму ласточкина хвоста, соответствующие геометрии пазов 24.
Наконец, вентилятор 2 содержит множество присоединяемых полок 30, при этом каждая полка 30 установлена в промежутке между двумя соседними лопатками 26 вентилятора вблизи их ножек 26а, ограничивая с внутренней стороны кольцевой проточный тракт подачи воздуха в вентилятор 2, при этом проточный тракт ограничен с наружной стороны корпусом вентилятора.
На фиг. 1 и 2 показаны также внутренний радиус RI и наружный радиус RE. Внутренний радиус RI соответствует радиусу, измеренному между осью вращения А-А и точкой передней кромки лопатки 26, находящейся на одном уровне с поверхностью полки 30. Наружный радиус RE соответствует радиусу, измеренному между осью вращения А-А и наиболее наружной точкой передней кромки лопатки 26. Эти два радиуса RI, RE являются радиусами, используемыми при вычислении относительного радиуса втулки RI/RE, который необходимо уменьшить при помощи заявленного вращающегося узла (в частности, за счет уменьшения внутреннего радиуса RI). Иначе говоря, уменьшение относительного радиуса втулки путем изменения внутреннего радиуса RI соответствует максимальному приближению аэродинамического воздушного проточного тракта к диску вентилятора.
Полка 30, предназначенная для использования во вращающемся узле согласно варианту осуществления изобретения, показана в перспективе на фиг. 3. В данном случае полка 30 имеет форму короба со стенкой 31 тракта, образующей верхнюю или наружную сторону полки 30 и имеющей наклонный профиль, стенкой 32 дна, которая позволяет полке опираться на зуб 25 диска 22, когда газотурбинный двигатель выключен, и двумя боковыми стенками 33, расположенными радиально между стенкой 32 дна и стенкой 31 тракта.
Как известно, такую полку 30 можно выполнить из композиционного материала с органической матрицей, содержащего уплотненное матрицей волокнистое усиление.
Согласно изобретению, на уровне своего входного конца полка 30 содержит стопорное кольцо, в которое должна заходить лапка 25а (фиг. 4, 5 и 6) зуба 25 диска 22. В этом примере выполнения кольцо 34 имеет сечение в виде трапеции.
Далее со ссылками на фиг. 4 следует описание вращающегося узла, в котором применена полка 30, описанная выше со ссылками на фиг. 3. На фиг. 4 более детально представлен вентилятор 2 согласно варианту осуществления изобретения (вид в разрезе на уровне зуба диска вентилятора по плоскости сечения IV, показанной на фиг. 5).
В частности, на фиг. 4 показан вентилятор 2, содержащий: входную обечайку 21, диск 22 вентилятора и выходной барабан 23 (называемый также барабаном “booster” или обечайкой “booster”), оснащенный удерживающим фланцем 23а, предназначенным для взаимодействия с соединительной ступенькой 31а полки 30 на выходе. Выходной барабан 23 закреплен на диске 22 вентилятора на уровне отверстия 25b, выполненного в ступеньке на выходе зуба 25, при помощи креплений 23b. Обечайка 21 закреплена на диске 22 вентилятора на уровне лапки 25а, которая продолжает в осевом направлении зуб 25 диска 22 на входе, при помощи креплений 21а.
Следует отметить, что зуб 25 диска 25 имеет плоскую часть (между ступенькой на выходе, содержащей отверстие 25b, и входным концом лапки 25а), которая проходит на первой длине L1, и что лапка 25а зуба диска проходит на второй длине L2, которая может составлять от 4% до 15% первой длины L1. Стопорное кольцо 34 расположено в осевом направлении на длине, предпочтительно меньшей длины L2 лапки 25а.
Диск 22 вентилятора связан с приводным валом турбины 7 низкого давления газотурбинного двигателя таким образом, что во время работы входная обечайка 21, диск 22 вентилятора, лопатки 26 и выходной барабан 23 приводятся вместе во вращение турбиной 7 низкого давления. Во вращение приводятся также все полки 30, установленные между входной обечайкой 21 и выходным барабаном 23 и заблокированные в осевом направлении этими двумя элементами.
Полка 30 удерживается в радиальном направлении при помощи стопорного кольца 34, «посаженного» на лапку 25а. Иначе говоря, лапка 25а зуба 25 вставлена в стопорное кольцо 34 полки 30.
Предпочтительно лапка 25а имеет трапециевидное сечение, предназначенное для взаимодействия с кольцом 34, которое тоже имеет внутреннее сечение в виде трапеции, по существу идентичное с сечением кольца. Таким образом, после посадки на лапку 25а полка 30 оказывается заблокированной в радиальном и тангенциальном направлениях. Разумеется, для лапки 25а или кольца 34 можно предусмотреть любой другой тип сечения, например, круглое, прямоугольное и т.д.
На фиг. 5 представлен вид спереди (в направлении V фиг. 4) заявленного вращающегося узла, содержащего диск 22 вентилятора, на котором установлена полка 30, показанная на фиг. 4.
На фиг. 6 представлен другой пример заявленного вращающегося узла, тоже содержащего диск 22, на котором установлена полка 30’.
В отличие от вращающегося узла, показанного на фиг. 4 и 5, стопорное кольцо 34’ полки 30’ вращающегося узла, представленного на фиг. 6, имеет большее прямоугольное сечение, чем трапециевидное сечение лапки 25а зуба 25 диска 22. Поэтому между кольцом 34’ и лапкой 25а располагают вставку 40 (когда лапка 25а вставлена в кольцо), чтобы заполнить пространство между этими двумя элементами и заблокировать полку на входе в радиальном и тангенциальном направлениях. Вставка 40 имеет сечение, по существу соответствующее форме пространства, остающегося между кольцом 34’ и лапкой 25а, в данном случае в виде “U”.
Использование этой вставки 40 позволяет установить полку 30’ с определенным тангенциальным зазором и затем застопорить ее при помощи вставки. Действительно, во время монтажа вентилятора сложный и габаритный профиль лопаток и полок оставляет слишком низкую возможность маневра для установки полок на диске. Таким образом, монтажу вентилятора способствует возможность поворачивать полки в тангенциальном направлении (в направлении стрелок 10 на фиг. 6).
Наконец, чтобы установить вентилятор в соответствии с изобретением, сначала можно установить выходной барабан 23 на диск 22, затем установить на место крепежный элемент 21а (например, гайку), который предназначен для обеспечения крепления входной обечайки 21 на диске 22. После этого полку 30, 30’ подводят к зубу диска в радиальном направлении таким образом, чтобы стопорное кольцо 34, 34’ оказалось напротив лапки 25а и было совмещено с этой лапкой. Затем полку 30, 30’ перемещают поступательным движением в осевом направлении от входа к выходу вдоль зуба диска, пока она не окажется заблокированной на выходе выходным барабаном 23. Наконец, на диск 22 устанавливают входную обечайку 21, которую крепят при помощи крепежных элементов 21а.
Следует отметить, что в случае использования вставки 40 полку 30’ можно повернуть в тангенциальном направлении в момент, когда она окажется посаженной на лапку 25а зуба диска, и затем заблокировать ее при помощи вставки 40, после чего установить входную обечайку 21.
Следует также отметить, что изобретение не ограничивается только коробчатыми полками, как в описанных выше примерах, и его можно применять для любого типа присоединяемой полки лопатки вентилятора.
1. Вращающийся узел авиационного газотурбинного двигателя, содержащий диск (22) вентилятора (2), имеющий по меньшей мере один зуб (25), и по меньшей мере одну полку (30’), установленную на зубе диска вентилятора, отличающийся тем, что зуб диска вентилятора содержит лапку (25а), выполненную на входе в осевом продолжении указанного зуба, причем полка содержит на уровне своего входного конца стопорное кольцо (34’), выполненное с возможностью приема лапки зуба диска вентилятора, и при этом узел дополнительно содержит вставку (40), установленную внутри стопорного кольца (34’) с возможностью блокировки полки (30’) на лапке (25а) зуба диска вентилятора.
2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит выходную обечайку (23), закрепленную на диске вентилятора и блокирующую полку на выходе.
3. Узел по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит входную обечайку (21), закрепленную на диске вентилятора и блокирующую полку в осевом направлении на входе.
4. Узел по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что зуб (25) диска (22) имеет плоскую часть, выполненную на первой длине (L1), при этом лапка зуба диска расположена на второй длине (L2), составляющей от 4% до 15% указанной первой длины.
5. Узел по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что полка (30, 30’) содержит короб, имеющий стенку (31) тракта, стенку (32) дна и две боковые стенки (33), расположенные радиально между стенкой дна и стенкой тракта.
6. Вентилятор (2) авиационного газотурбинного двигателя (1), содержащий узел по любому из пп. 1-5, в котором диск (22) вентилятора имеет по меньшей мере два зуба (25), ограничивающих между собой паз (24), и по меньшей мере одну лопатку (26), имеющую ножку (26а), установленную в пазу диска вентилятора.
7. Способ монтажа узла по любому из пп. 1-5, включающий в себя этапы, на которых
подводят полку (30, 30’) в радиальном направлении к зубу (25) диска (22) вентилятора, располагая стопорное кольцо (34, 34’) напротив лапки (25а) зуба диска вентилятора, и
перемещают полку поступательным движением от входа к выходу вдоль зуба диска вентилятора.
