Лопатка двойной кривизны для направляющего аппарата турбомашины - RU2341660C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей. Более конкретно, изобретение относится к компрессорам таких двигателей.

Уровень техники

Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания и турбинное отделение, расположенное за камерой сгорания. Кольцевой канал для газового потока проходит в аксиальном направлении через эти отделы двигателя. Газовый поток сжимается в компрессорном отделении, а затем смешивается с горючим и сжигается в камере сгорания. Газы, образующиеся в результате этого сгорания, проходят затем через турбинное отделение, где они создают толкающее усилие и приводят турбины в движение. Элементы компрессора жестко соединены с турбинами посредством ведущего вала и могут вращаться вместе с ними.

Компрессорное отделение газотурбинного двигателя может содержать три осевых компрессора с целью повышения степени сжатия газового потока: вентилятор, компрессор низкого давления и компрессор высокого давления. Каждый компрессор обычно состоит из вращающейся части (ротора), неподвижной части (статора) и оболочки (корпуса). Внутренний обод ротора и внешний обод статора ограничивают в радиальном направлении кольцевой канал для газового потока, проходящего через компрессор. Ротор содержит несколько рядов подвижных (рабочих) лопаток, пересекающих в радиальном направлении кольцевой канал от внутреннего обода до области внешнего обода. Статор содержит несколько рядов лопаток, прикрепленных к внешнему ободу, также пересекающих в радиальном направлении кольцевой канал от внешнего обода до внутреннего обода. Каждый ряд неподвижных лопаток, образующих направляющий аппарат, расположен между двумя соседними рядами рабочих лопаток ротора. Неподвижные лопатки направляющего аппарата позволяют направлять газовый поток, выходящий из рядов рабочих лопаток, под нужным углом и с нужной скоростью. Каждая неподвижная лопатка образована множеством сечений, расположенных вдоль компоновочной оси и образующих профиль лопатки.

При нормальной работе двигателя вращение ведущего вала компрессорного отделения порождает явление дисбаланса. Этот дисбаланс вызывает циклические нагрузки и вибрации, которые ротор передает статору двигателя, что связано со значительной опасностью износа последнего. В компрессорах это явление дисбаланса выражается в орбитальном движении внутреннего обода ротора при его вращении. Это орбитальное движение внутреннего обода передается неподвижным лопаткам направляющего аппарата при соприкосновении с ними в виде радиального смещения, которое может привести к деформации внешнего обода, к которому прикреплены эти лопатки. Кроме того, неподвижные лопатки направляющего аппарата под воздействием такого смещения изгибаются и могут сломаться (явление продольного изгиба).

Во избежание избыточной деформации внешнего обода и в целях предупреждения разрушения лопаток им обычно придается профиль, содержащий кривизну в форме буквы «С» (также называемую «корабельным парусом»). Такая геометрия отличается тангенциальным смещением сечений лопатки, расположенных в середине кольцевого канала, относительно внутренних и наружных сечений, расположенных вблизи внутреннего обода и внешнего обода, что позволяет уменьшить сопротивление лопаток направляющего аппарата продольному изгибу. Лопатка, состоящая из последовательности таких сечений, обладает большей гибкостью и, следовательно, способна поглотить часть энергии деформации, передаваемой через внутренний обод.

Тем не менее, кривизна типа «корабельного паруса» ухудшает аэродинамические свойства компрессора, в частности с точки зрения границы помпажа. Деформация тангенциального прогиба лопатки вызывает уменьшение угла между лопаткой и внешним и/или внутренним ободом, что, начиная с некоторых значений, ухудшает аэродинамику компрессора. Действительно, газовый поток, проходящий через направляющий аппарат, стремится смещаться от внутренних и наружных сечений лопаток к ее центральной части. Это смещение потока особенно отрицательно влияет на границу помпажа в зоне внутренних сечений лопаток.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается, следовательно, в устранении таких недостатков путем предложения новой геометрии лопатки направляющего аппарата с уменьшенным сопротивлением продольному изгибу, не ухудшающей в то же время аэродинамических свойств направляющего аппарата.

Для решения поставленной задачи предлагается лопатка направляющего аппарата для вращающегося диска турбомашины, имеющая ортогональные продольную, тангенциальную и радиальную оси. При этом данная лопатка имеет внутреннюю и внешнюю поверхности (называемые соответственно спинкой и корытом пера лопатки), расположенные в радиальном направлении между внутренней и наружной кромками лопатки, а в продольном направлении - между ее передней кромкой и задней кромкой. Лопатка образована множеством сечений, центры тяжести которых расположены вдоль компоновочной оси (оси центров тяжести), причем у лопатки имеются внутренняя часть, средняя часть и наружная часть. Внутренняя часть расположена в радиальном направлении между внутренней кромкой лопатки и внутренней границей средней части, а наружная часть расположена в радиальном направлении между наружной границей средней части и наружной кромкой лопатки. Лопатка по изобретению отличается тем, что компоновочная ось имеет во внутренней и наружной частях лопатки, по существу, радиально направленную тангенциальную составляющую, а в средней части - тангенциальную составляющую с двойным изгибом.

Такая компоновка сечений лопатки позволяет сохранить оптимальный, с точки зрения границы помпажа компрессора, угол между лопаткой и внешним или внутренним ободом, увеличив в то же время тангенциальное отклонение средней части лопатки, тем самым сделав лопатку более гибкой относительно продольного изгиба. Действительно, внутренняя и наружная части лопатки, имеющие тангенциальную составляющую, направленную, по существу, радиально, препятствуют чрезмерному смещению к средней части газового потока, проходящего через компрессор, даже в случае деформации лопатки. Кроме того, тангенциальное отклонение средней части лопатки позволяет уменьшить сопротивление лопатки продольному изгибу.

Тангенциальная составляющая компоновочной оси средней части лопатки предпочтительно имеет первый изгиб в направлении, обратном направлению вращения диска, и второй изгиб в направлении вращения диска. Как первый, так и второй изгибы могут соответствовать наклону под углом от 5° до 45°.

В предпочтительном варианте высота в радиальном направлении тангенциальной составляющей компоновочной оси средней части лопатки составляет от 35% до 65% полной высоты лопатки в радиальном направлении между ее внутренней и наружной кромками.

Кроме того, высота в радиальном направлении тангенциальной составляющей компоновочной оси внутренней части лопатки предпочтительно составляет от 10% до 25% полной высоты лопатки в радиальном направлении между ее внутренней и наружной кромками. Аналогичным образом, высота в радиальном направлении тангенциальной составляющей компоновочной оси наружной части лопатки составляет от 10% до 25% полной высоты лопатки в радиальном направлении между ее внутренней и наружной кромками.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:

- фиг.1 изображает в продольном разрезе часть компрессорного отделения газотурбинного двигателя;

- фиг.2 изображает в перспективе часть компрессорного отделения, содержащего лопатки направляющего аппарата по изобретению;

- фиг.3 схематически изображает тангенциальную компоновочную ось сечений лопатки по изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена часть компрессорного отделения 10 газотурбинного двигателя. Это компрессорное отделение содержит кольцевой канал 12 для газового потока, проходящий в аксиальном направлении через компрессорное отделение и расположенный в радиальном направлении между внешним ободом 14, образованным статором, и внутренним ободом 16, образованным диском ротора. Внутренний обод приводится во вращение вокруг продольной оси 17 двигателя в направлении, обозначенном стрелкой 18, в то время как внешний обод остается неподвижным. Направление течения газового потока, проходящего через компрессорное отделение, обозначено стрелкой F.

Диск ротора содержит несколько рядов рабочих лопаток 20, пересекающих в радиальном направлении кольцевой канал 12 от внутреннего обода 16 до области внешнего обода 14. Каждая рабочая лопатка 20 содержит хвостовик 22 в форме ласточкина хвоста, вставленный в паз 24, предусмотренный с этой целью во внутреннем ободе 16. Статор содержит несколько рядов лопаток 26 направляющего аппарата, прикрепленных к внешнему ободу 14 и пересекающих в радиальном направлении кольцевой канал 12 от внешнего обода 14 до внутреннего обода 16. Каждая лопатка 26 направляющего аппарата представляет собой единое целое с внешним ободом 14. В другом варианте лопатки 26 направляющего аппарата могут также содержать хвостовики, вставляемые в пазы (гнезда) во внешнем ободе.

Как показано на фиг.2, каждая лопатка 26 направляющего аппарата имеет три ортогональные оси: продольную ось X, тангенциальную ось Y и радиальную ось Z. Продольная ось Х направлена параллельно направлению F течения газового потока, проходящего через компрессорное отделение. Тангенциальная ось Y ориентирована по направлению 18 вращения внутреннего обода 16, а радиальная ось Z направлена радиально, от внутреннего обода 16 к внешнему ободу.

Каждая лопатка 26 направляющего аппарата имеет внутреннюю поверхность 28 и внешнюю поверхность 30, расположенные в радиальном направлении между внутренней кромкой 32 и наружной кромкой 34, а в аксиальном направлении между передней кромкой 36 и задней кромкой 38. Лопатка 26 направляющего аппарата состоит при этом из множества сечений (не представлены), центры тяжести которых расположены вдоль компоновочной оси 40, между внутренней кромкой 32 и наружной кромкой 34 лопатки.

На фиг.3 лопатка условно разбита на три части вдоль радиальной оси Z: на внутреннюю часть 42а, среднюю часть 42b и наружную часть 42 с. Внутренняя часть 42а расположена в радиальном направлении между внутренней кромкой лопатки и внутренней границей 44 средней части 42b, а наружная часть 42 с расположена в радиальном направлении между наружной границей 46 средней части 42b и наружной кромкой лопатки.

На фиг.3 изображена тангенциальная компоновочная ось лопатки направляющего аппарата по фиг.2. Точнее, ось 48, изображенная на этом чертеже, соответствует тангенциальной составляющей компоновочной оси 40, изображенной на фиг.2, в проекции на плоскость, определяемую тангенциальной осью Y и радиальной осью Z лопатки.

Согласно изобретению, компоновочная ось (ось центров тяжести) 40 сечений лопатки 26 направляющего аппарата имеет в районе внутренней части 42а и наружной части 42с лопатки, по существу, радиально направленную тангенциальную составляющую 48, а в районе средней части 42b - тангенциальную составляющую 48 с двойным изгибом. Как показано на фиг.3, тангенциальная составляющая 48 компоновочной оси 40 внутренней части 42а и наружной части 42 с лопатки расположена параллельно радиальной оси Z лопатки. Кроме того, тангенциальная составляющая 48 компоновочной оси средней части 42b лопатки имеет первый изгиб 50а в районе внутренней границы 44 средней части лопатки и второй изгиб 50b в районе наружной границы 46 средней части лопатки. Первый изгиб 50а предпочтительно направлен против направления 18 вращения внутреннего обода 16, а второй изгиб 50b предпочтительно направлен по направлению 18 вращения.

Полезное отличие настоящего изобретения заключается в том, что первый изгиб соответствует углу наклона α, который составляет от 5° до 45°, а второй изгиб соответствует углу наклона β, который также составляет от 5° до 45°.

Первый изгиб 50а расположен в радиальном направлении между внутренней границей 44 средней части 42b лопатки и точкой перегиба 52 тангенциальной составляющей компоновочной оси, а второй изгиб 50b расположен в радиальном направлении между этой точкой перегиба 52 и наружной границей 46 средней части 42b лопатки. В оптимальном варианте высота в радиальном направлении тангенциальной составляющей 48 компоновочной оси средней части 42b лопатки составляет от 35% до 65% полной высоты в радиальном направлении между внутренней и наружной кромками лопатки.

Другое полезное отличие настоящего изобретения заключается в том, что высота в радиальном направлении тангенциальной составляющей 48 компоновочной оси внутренней части 42а лопатки составляет от 10% до 25% полной высоты в радиальном направлении между внутренней и наружной кромками лопатки. Аналогичным образом, высота в радиальном направлении тангенциальной составляющей 48 компоновочной оси наружной части 42 с лопатки составляет от 10% до 25% полной высоты в радиальном направлении между внутренней и наружной кромками лопатки.

Лопатка направляющего аппарата по изобретению обладает лучшим сопротивлением механическим напряжениям, которым она подвергается, и сохраняет приемлемые аэродинамические характеристики. Уменьшение сопротивления продольному прогибу лопатки проиллюстрировано, в частности, на фиг.3, на которой пунктиром изображена деформация, которой лопатка может быть подвергнута, не ломаясь. Таким образом, при возникновении дисбаланса лопатки направляющего аппарата поглощают значительную часть энергии деформации, передаваемой внутренним ободом, что позволяет ограничить износ внешнего обода. Исключение приложения значительных механических усилий к неподвижным частям двигателя позволяет уменьшить размеры этих неподвижных частей. Из фиг.3 также видно, что возможная деформация наружной и внутренней частей лопатки лишь незначительно уменьшает угол между лопаткой и внешним ободом и внутренним ободом. Это ограничение угла между лопаткой и соответствующим ободом препятствует чрезмерному смещению газового потока, проходящего через направляющий аппарат, к средней части лопатки, что позволяет сохранить приемлемые аэродинамические свойства.

Реферат

Лопатка направляющего аппарата компрессора турбомашины имеет ортогональные продольную, тангенциальную и радиальную оси. Между внутренней кромкой и наружной кромкой лопатки расположены в радиальном направлении внутренняя и внешняя поверхности, а в продольном направлении - между передней кромкой и задней кромкой, и множество сечений, центры тяжести которых расположены вдоль компоновочной оси. При этом у лопатки имеются внутренняя, средняя и наружная части. Внутренняя часть расположена в радиальном направлении между внутренней кромкой лопатки и внутренней границей средней части. Наружная часть расположена в радиальном направлении между наружной границей средней части и наружной кромкой лопатки. Компоновочная ось имеет в средней части тангенциальную составляющую с двойным изгибом, а во внутренней и наружной частях лопатки - тангенциальную составляющую, параллельную радиальной оси лопатки. Изобретение позволяет создать лопатку с уменьшенным сопротивлением продольному изгибу, не ухудшающую в то же время аэродинамических свойств направляющего аппарата. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула