Ротор вентилятора газотурбинного двигателя или опытного двигателя - RU2487250C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к ротору вентилятора опытного двигателя или газотурбинногодвигателя типа турбореактивного или турбовинтового авиационного двигателя.

Вентилятор газотурбинного двигателя содержит диск, на внешней периферии которого размещены лопасти вентилятора, при этом лопасти имеют основания, вставленные в пазы, которые расположены по существу аксиально по внешней периферии диска. Лопасти вентилятора радиально удерживаются на диске за счет взаимодействия формы их оснований с пазами диска, причем основания лопастей могут быть выполнены, например, в виде ласточкина хвоста. Межлопастные площадки размещены на диске между лопастями вентилятора.

В известном уровне техники лопасти аксиально удерживаются на диске на входной стороне с помощью средств, установленных на диске, на входе и на выходе лопасти, которые мешают основаниям лопастей аксиально перемещаться в пазах диска.

Средства удержания, размещенные на выходе лопасти, содержат, по меньшей мере, одну скобу, размещенную в канавках, выполненных в крайних выходных частях оснований лопастей.

Средства удержания, размещенные на входе, содержат кольцо и кольцевую щеку, расположенную на входном конце диска. Кольцо размещено на диске коаксиально и содержит зубчатую часть, взаимодействующую с соответствующей зубчатой частью диска. Щека коаксиально установлена на диске для аксиального блокирования кольца на диске. Внешняя периферия щеки аксиально опирается на основания лопастей для их аксиального удержания от перемещения вперед, ее внутренняя периферия наложена и зафиксирована на соответствующем кольцевом фланце диска. Внешняя периферия щеки содержит, кроме того, органы крепления входных концов межлопастных площадок.

На диске, на входе лопастей установлен кольцевой кожух, по существу выполненный в виде конуса усеченной формы, внутренняя поверхность которого ограничивает входной кольцевой поток воздуха в газотурбинный двигатель. Этот кожух содержит вблизи выходного края радиально внутренний фланец, который наложен аксиально на упомянутую щеку и который скреплен со щекой на фланце диска посредством соединения типа болт-гайка.

В редких, к счастью, случаях потери или отрыва лопасти вентилятора эта лопасть ударяет в соседнюю лопасть вентилятора, которая в этом случае подвергается значительному аксиальному усилию, направленному в сторону входа. Для уменьшения, по меньшей мере, частично этого усилия предусмотрены средства аксиального удержания вентиляторных лопастей посредством «двойной упругости», которая позволяет аксиально удержать другие лопасти вентилятора.

Первая упругость обеспечивается средствами удержания со стороны входа в вентилятор, которые предназначены для пластической деформации под действием упомянутого аксиального усилия. Вторая упругость обеспечивается выходными средствами удержания, которые предназначены для упора в выходные концы оснований лопастей, когда пластическая деформация входных средств удержания достигает определенного порога. Такая двойная упругость важна для механического удержания деталей вентилятора при потере или отрыве лопасти.

Однако средства, которые обеспечивают такую двойную упругость, имеют недостатки, так как они содержат значительное количество деталей: кольцо, щеку и кожух, фланец которого служит для фиксации щеки на диске, это касается средств входного удержания, и скобу, взаимодействующую с канавками оснований лопастей, это касается средств выходного удержания. Технология крепления межлопастных площадок на диске посредством органов крепления, предусмотренных на щеке, не представляется приемлемой вследствие отсутствия места в вентиляторе малого диаметра. Основания лопастей должны быть, кроме того, выполнены таким образом, чтобы образовывать канавки, предназначенные для взаимодействия с выходной скобой. Выбор материала лопастей вентилятора ограничен, таким образом, материалами, которые поддаются обработке.

Наконец, на некоторых газотурбинных двигателях, таких как опытные двигатели, вентилятор оборудован телеметрической системой, которая содержит трубку, размещенную аксиально внутри диска вентилятора, содержащего со стороны входного конца кольцевой фланец для крепления на фланце диска. Таким образом, невозможно закрепить фланец кожуха на этом фланце диска.

Целью изобретения является простое, эффективное и экономичное решение этих проблем известного уровня техники путем предложения средств аксиального удержания лопастей вентилятора, которые являются более простыми, менее габаритными и более легкими, чем средства из известного уровня техники.

В изобретении предложен ротор вентилятора, в частности, газотурбинного двигателя, содержащий диск, несущий лопасти, основания которых установлены, по существу, в аксиальные пазы внешней периферии диска, и кольцевой кожух, по существу, формы усеченного конуса, закрепленный кулачковым соединением на диске на входе лопастей, причем кожух содержит внутреннюю кольцевую, по существу, радиальную реборду, которая выполнена зубчатой или зазубренной и содержит попеременно размещенные сплошные и полые части, и которые в собранном положении расположены во внешней кольцевой канавке диска, которая ограничена на входе внешней кольцевой, по существу, радиальной ребордой, которая выполнена зубчатой или зазубренной, отличающийся тем, что реборда кожуха связана с его внешней периферией цилиндрической, по существу, перегородкой, предназначенной для деформации в случае потери или отрыва лопасти вентилятора, а также тем, что полые части кольцевой реборды кожуха содержат, по существу, радиальные выемки, предназначенные для повышения упругости при изгибе сплошных частей этой реборды.

Изобретение позволяет исключить кольцо и щеку согласно известному уровню техники и, таким образом, упростить и облегчить средства удержания лопастей. Эти средства удержания имеют уменьшенные габариты, что позволяет использовать их в вентиляторе небольшого размера (например, порядка 31,5 дюйма). Они размещены только на входе лопастей, а не на входе и на выходе, как в известном уровне техники, что позволяет исключить выходную скобу из известного уровня техники. Больше нет необходимости изготавливать основания лопастей с учетом монтажа этой скобы, и лопасти могут быть изготовлены из любого типа материалов, включая легкие материалы, легко обрабатываемые, такие как композитные материалы.

Согласно одному признаку изобретения средства удержания содержат, по существу, радиальную внутреннюю кольцевую реборду, которая в собранном положении размещена во внешней кольцевой канавке диска. Эта кольцевая реборда опирается на входные края оснований лопастей для обеспечения их аксиального удержания в сторону входа.

Кольцевая реборда кожуха выполнена зубчатой или зазубренной и содержит размещенные попеременно сплошные и полые части. Кольцевая канавка диска ограничена на входе, по существу, радиальной внешней кольцевой ребордой, выполненной зубчатой или зазубренной, при этом кольцевая реборда диска содержит размещенные попеременно сплошные и полые части и имеет формы, по существу дополнительные формам реборды кожуха для обеспечения монтажа и демонтажа кожуха путем аксиального перемещения.

При монтаже кольцевого кожуха на диске вначале осуществляют его угловое позиционирование на входе диска таким образом, чтобы сплошные части реборды кожуха были аксиально выровнены с полыми частями кожуха диска. Далее кожух аксиально перемещают к диску до положения, когда реборда кожуха будет размещена в кольцевой канавке диска. Затем кожух поворачивают по оси вращения вентилятора до тех пор, пока сплошные части реборды кожуха и диска не будут выровнены одни относительно других в аксиальном направлении. Кожух по изобретению выполняет, таким образом, общие функции щеки и кольца из известного уровня техники, а именно соответственно аксиальной опоры на основания лопастей и фиксации на диске посредством зубчатой связи.

Реборда кожуха связана по внешней периферии, по существу, с цилиндрической перегородкой, предназначенной для ее деформации в случае потери или отрыва лопасти вентилятора. Для этого при монтаже можно обеспечить остаточный аксиальный зазор для обеспечения деформации этой цилиндрической перегородки.

Эта деформация образует первую упругость средств для удержания по изобретению, которые позволяют смягчить аксиальное усилие, связанное с потерей лопасти. В процессе этой деформации кольцевая реборда кожуха сгибается, по меньшей мере, локально, и ее внутренняя периферия слегка перемещается к входу до упора в кольцевую реборду диска.

Полые части кольцевой реборды кожуха содержат, по существу, радиальные выемки, предназначенные для повышения упругости при сгибе сплошных частей этой реборды.

Этот признак позволяет привнести вторую упругость средствам удержания, обеспечивая изгибную деформацию сплошных частей реборды кожуха, при этом внешняя периферия реборды кожуха в этом случае слегка перемещается к входу.

Упомянутые изгибы имеют место, по существу, вокруг оси, касательной по отношению к окружностям с центром на оси вращения вентилятора.

Предпочтительно, каждая межлопастная площадка, установленная на диске, содержит входную реборду, вставленную в кольцевую канавку кожуха, открывающуюся, по существу, аксиально к выходу.

Площадки, таким образом, удерживаются в своем положении кожухом, а не диском и фланцем, как в известном уровне техники.

Кожух может быть закреплен болтами на кольцевом фланце диска или на кольцевом фланце промежуточной обечайки, установленной и закрепленной на диске. Такие средства фиксации позволяют осуществить блокирование кожуха от проворачивания на диске, когда он был установлен на диске с помощью кулачкового соединения. Болты крепления кожуха размещены предпочтительно в отверстиях входной радиальной перегородки кожуха.

Промежуточная обечайка может также служить для крепления весовых балансиров, предназначенных для корректировки возможных дисбалансов вентилятора. Больше нет необходимости выполнять отверстия в кожухе для установки таких весовых балансиров, как это было в известном уровне техники.

Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, такому как турбореактивный двигатель или турбовинтовой авиационный двигатель, отличающемуся тем, что он содержит описанный выше ротор вентилятора.

Изобретение относится также к опытному двигателю, отличающемуся тем, что он содержит ротор вентилятора указанного выше типа.

Изобретение относится, наконец, к кольцевому кожуху, по существу выполненному в форме усеченного конуса, для описанного выше ротора вентилятора, отличающемуся тем, что он содержит на своем входном конце радиальную перегородку, а на своем выходном конце - внутреннюю кольцевую зубчатую или зазубренную реборду, содержащую сплошные части, образованные попеременно с полыми частями, представляющими собой, по существу, радиальные выемки или вырезы, при этом кольцевая реборда связана с кожухом деформируемой, по существу цилиндрической перегородкой.

Кольцевая реборда связана с кожухом деформируемой, по существу цилиндрической перегородкой. Полые части кольцевой реборды кожуха содержат радиальные выемки или вырезы. Эти характеристики придают удерживающим средствам двойную гибкость.

Кожух содержит, предпочтительно, на своем выходном конце кольцевую канавку, открывающуюся аксиально со стороны, противолежащей ее фланцу.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 схематично изображает частично половину вида в аксиальном разрезе вентилятора газотурбинного двигателя в соответствии с известным уровнем техники,

- фиг.2 изображает в более крупном масштабе вид детали I₂ из фиг.1,

- фиг.3 схематично изображает частично половину вида в аксиальном разрезе вентилятора газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением,

- фиг.4 изображает в более крупном масштабе вид детали I₄ из фиг.3,

- фиг.5 схематично изображает в аксонометрии вентилятор по фиг.3 с частичным вырезом входного кожуха,

- фиг.6 и 7 схематично изображают в аксонометрии в более крупном масштабе входной кожух вентилятора по фиг.3,

- фиг.8 изображает в более крупном масштабе вид детали I₈ из фиг.7.

Обратимся вначале к фиг.1 и 2, которые изображают вентилятор 10 газотурбинного двигателя в соответствии с уровнем техники, предшествующим настоящему изобретению.

Вентилятор 10 содержит лопасти 12, закрепленные на диске 14, между которыми размещены межлопастные площадки 16, при этом диск 14 закреплен на входном конце вала 18 газотурбинного двигателя.

Каждая лопасть 12 вентилятора содержит лопатку, соединенную своим радиально внутренним концом с основанием 20, которое вставлено, по существу, в аксиальный паз формы, дополнительной к диску 14, позволяющий радиально удерживать эту лопасть на диске. Клин 22 размещен между основанием 20 каждой лопасти и дном соответствующего паза диска для обеспечения радиальной неподвижности лопасти на диске.

Межлопастные площадки 16 образуют перегородку, которая ограничивает изнутри струю потока воздуха, входящего в газотурбинный двигатель, и содержит средства, которые взаимодействуют с соответствующими средствами, предусмотренными на диске 14 между пазами для крепления площадок.

Лопасти 12 вентилятора аксиально удерживаются от движения вперед в пазах диска 14 посредством надлежащих средств, установленных на диске на входе и на выходе лопастей.

Средства удержания, расположенные на выходе, содержат скобу 24, размещенную в канавке, выполненной в крайней выходной части, называемой пятой, основания 20 каждой лопасти 12.

Средства удержания, расположенные на входе, содержат кольцо 26 и кольцевую щеку 28, установленные и закрепленные коаксиально на входном конце диска 14.

Кольцо 26 содержит внутреннюю кольцевую реборду 30, которая выполнена зубчатой или зазубренной, и взаимодействует с внешней кольцевой зазубренной или зубчатой ребордой диска 14 для обеспечения аксиальной неподвижности кольца на диске. Это кольцо опирается по внешней периферии на клинья 22 оснований 20 лопастей.

Щека 28 простирается вперед от кольца 26 и оснований 20 лопастей вентилятора. Этот фланец содержит по своей внешней периферии (не представленные на чертеже) элементы крепления входных концов межлопастных площадок 16.

Щека 28 содержит, кроме того, внутренний кольцевой фланец 34, который размещен между соответствующим кольцевым фланцем 36 диска 14 и внутренним кольцевым фланцем 38 кожуха 40, выступающим перед диском 14 вентилятора. Фланцы 34, 36 и 38 содержат аксиальные отверстия для прохода болтов или тому подобного для стягивания фланцев между собой.

Кожух 40 имеет, по существу, форму усеченного конуса, расширяющуюся к выходу, при этом перегородка образована межлопастными площадками 16 и вытянута в аксиальном продолжении кожуха. Кожух 40 содержит радиально направленные сверления 42 для крепления весовых балансиров 44.

Хотя средства удержания и обеспечивают двойную упругость при потере одной вентиляторной лопасти 12, они имеют описанные выше недостатки, в особенности, они не могут быть использованы в вентиляторе относительно малого диаметра.

Изобретение позволяет исключить эти недостатки благодаря средствам удержания лопастей, образованным кожухом в форме усеченного конуса.

В варианте осуществления, представленном на фиг.3-8, вентилятор 110 газотурбинного двигателя может иметь диаметр, меньший диаметра по фиг.1 и 2, при этом диаметр вентилятора 110 может составлять, например, 31,5 дюйма. Диск 114 вентилятора несет на своей внешней периферии лопасти 112, между которыми размещены межлопастные площадки 116. Как и в известном уровне техники, каждая лопасть 112 содержит основание 120, расположенное, по существу, в по существу аксиальном пазу 122 диска 114, и радиально удерживается в этом пазу путем взаимодействия форм (фиг.5).

Лопасти 112 удерживаются от движения в сторону выхода упором в кольцевую щеку 150, установленную и закрепленную с помощью средств 152 типа болт-гайка на выходном конце диска 114. Эта щека 150 содержит внутренний кольцевой фланец 154 для крепления на входном конце вала газотурбинного двигателя.

Лопасти 112 удерживаются аксиально от движения вперед средствами, которые размещены единственно на входе лопасти 112, в противовес известному уровню техники, и которые выполнены на входном кожухе 140. Этот кожух 140 имеет, по существу, форму усеченного конуса, расширяющуюся к выходу, и содержит на своем выходном конце кольцевую реборду 156, размещенную, по существу, радиально внутрь и расположенную во внешней кольцевой канавке 158 диска 114.

Канавка 158 ограничена с выходной стороны радиальной входной поверхностью 160 диска, а с входной стороны - кольцевой ребордой 162, расположенной, по существу, радиально наружу.

Аксиальные пазы 122 для размещения оснований лопастей открыты с входной стороны к поверхности 160 диска, как изображено на фиг.5.

Реборда 156 кожуха расположена, по существу, по всему радиальному размеру входной поверхности 160 диска 114 и может аксиально опираться на эту поверхность и на входные края оснований 120 лопастей.

Для обеспечения размещения кольцевой реборды 156 кожуха в канавке 158 диска 114 кольцевые реборды 156 и 162 выполнены зубчатыми или зазубренными и содержат сплошные части 164, 168, расположенные попеременно с полыми частями 166, 170. Сплошные части 164 реборды 156 кожуха имеют формы, по существу, дополняющие полые части 170 реборды 162 диска, а полые части 166 реборды 156 имеют формы, по существу, дополняющие формы сплошных частей 168 диска 114. Сплошные части 164 и 168 равномерно распределены по оси вентилятора.

Кожух 140 закреплен посредством кулачкового соединения на диске, то есть он подводится к входной части диска 114, затем осуществляют его угловое позиционирование вокруг оси вращения вентилятора таким образом, чтобы сплошные части 164 реборды 156 кожуха были аксиально выровнены с полыми частями 170 реборды 162 диска 114. Кожух, таким образом, поступательно аксиально перемещается к диску до тех пор, пока реборда 156 не будет размещена в канавке 158 диска. Кожух 140 затем приводится во вращение на оси вентилятора до положения, когда сплошные части реборды 156 кожуха не будут аксиально выровнены со сплошными частями реборды 162 диска. Кожух 140, таким образом, находится в положении, изображенном на фиг.5, препятствующем его аксиальному отделению от диска 114.

Кольцевая реборда 156 соединена с кожухом цилиндрической, по существу, перегородкой 174, которая имеет относительно малую радиальную толщину для обеспечения ее деформации, как это будет детально показано ниже. Радиальная толщина 175 этой перегородки 174, например, составляет примерно от 2 до 4 мм.

Радиальные, по существу, канавки 172 выполнены, кроме того, в реборде 156 кожуха в глубине полых частей 172 для повышения способности к изгибной деформации сплошных частей, что также будет детально описано ниже.

В представленном примере межлопастные площадки 116 закреплены на диске 114, а также на выходном конце кожуха 140 и по внешней периферии щеки 150.

Каждая площадка 116 содержит три радиально внутренних реборды 176, 178 и 180, соответственно, входную, промежуточную и выходную. Промежуточная 178 и выходная 180 реборды размещены аксиально к выходу и расположены в кольцевых канавках, открытых аксиально к входу диска 114 и щеки 150 соответственно. Входная реборда 176 каждой площадки 116 размещена аксиально в сторону входа и расположена в кольцевой канавке 182, открывающейся аксиально к выходу выходного края кожуха 140. Кольцевая канавка 182 кожуха, в данном случае, ограничена изнутри деформируемой перегородкой 174, удерживающей кольцевую реборду 156.

Кожух 140 содержит, кроме того, со стороны входа радиальную перегородку 184 для крепления на входном кольцевом фланце промежуточной кольцевой обечайки 186, выходной кольцевой фланец которой закреплен на соответствующем кольцевом фланце 188 диска 114.

Перегородка 184 кожуха 140 и фланцы обечайки 186 и диска содержат, по меньшей мере, два аксиальных отверстия, размещенных на одной линии, для прохода болтов 190 для углового закрепления кожуха. В этом положении крепления имеется остаточный аксиальный зазор J между ребордами 156 и 162 кожуха и диска (фиг.4).

В представленном примере перегородка 184 кожуха содержит два отверстия 192 такого типа. Болты 190 для крепления перегородки 184 кожуха предотвращают вращение кожуха вокруг оси вентилятора и, таким образом, мешают сплошным частям реборды 156 кожуха сместиться относительно сплошных частей реборды 162 диска. Промежуточная обечайка 186 может также служить для крепления весовых балансиров для исключения дисбаланса ротора вентилятора.

В не представленном варианте перегородка 184 кожуха может быть непосредственно наложена и закреплена на входном фланце 188 диска 114. Для этого входной фланец 188 диска может быть аксиально выдвинут к перегородке 184 кожуха, и/или перегородка 184 кожуха может быть аксиально отодвинута к фланцу 188 диска 114.

В случае потери или отрыва лопасти 112 вентилятора эта лопасть ударяет по соседней лопасти, которая, в этом случае, испытывает сильный толчок вперед и оказывает значительное аксиальное усилие на реборду 156 кожуха. Эта реборда 156 предназначена для частичного смягчения этого усилия, деформируясь в процессе двух последовательных этапов (называемых двойной упругостью).

На первом этапе лопасть аксиально опирается на выходную радиальную поверхность реборды 156, при этом ее внутренняя периферия изгибается вперед (стрелка 194 на фиг.4). Этот изгиб происходит вследствие деформации перегородки 174, вызванной аксиальным зазором J. Изгиб внутренней периферии реборды 156 происходит вокруг оси, по существу, по касательной к окружности с центром на оси вентилятора до того момента, пока она не упрется аксиально в реборду 162 диска. На втором этапе реборда 156 кожуха испытывает другое изгибное перемещение (стрелка 196), которое происходит вследствие небольшого аксиального перемещения вперед внешней периферии реборды 156. Этот изгиб обеспечивается деформацией сплошных частей 164 реборды 156, когда она аксиально опирается своими радиально внутренними краями на сплошные части 168 реборды 162 диска. Упомянутые изгибы могут быть локализованы в особой зоне реборды, расположенной в области потерянной или отломанной лопасти, или могут распространяться на весь контур кожуха.

Реферат

Ротор вентилятора газотурбинного двигателя содержит диск с лопастями, размещенными в пазах диска, и кольцевой кожух в форме усеченного конуса, установленный на диске с помощью кулачкового соединения на входе лопастей. Кожух содержит радиальную внутреннюю кольцевую зубчатую реборду, содержащую сплошные части, размещенные попеременно с полыми частями, и установленную во внешней кольцевой канавке диска, ограниченной со стороны входа, радиальной внешней кольцевой зубчатой ребордой. Реборда кожуха связана на своей внешней периферии с цилиндрической перегородкой, деформирующейся в случае потери или отрыва лопасти вентилятора. Полые части кольцевой реборды кожуха содержат радиальные выемки, увеличивающие упругость при изгибе сплошных частей реборды. Другие изобретения группы относятся к газотурбинному двигателю и опытному двигателю, содержащим указанный выше ротор вентилятора. Еще одно изобретение группы относится к кольцевому кожуху указанного выше ротора вентилятора. Изобретения позволяют упростить средства удержания лопастей, а также снизить их массу и габаритные размеры. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула