Подвижное колесо для турбореактивного двигателя и содержащий его турбореактивный двигатель - RU2487248C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к области амортизации деталей, в частности к амортизации подвижных колес в турбореактивном двигателе.

Его объектами являются подвижное колесо и турбореактивный двигатель, содержащий такое подвижное колесо.

В дальнейшем тексте описания термины «осевой» и «радиальный» соответствуют осевому направлению и радиальному направлению турбореактивного двигателя.

Турбореактивный двигатель содержит комплекты подвижных колес и комплекты неподвижных колес. Обычно подвижные колеса состоят из дисков и лопаток, установленных на этих дисках, или представляют собой моноблочные лопаточные диски (МЛД) или моноблочные лопаточные кольца (МЛК).

Во время работы турбореактивного двигателя входящие в его состав детали подвергаются динамическим напряжениям, которые могут привести к повреждениям. Размеры деталей должны быть подобраны так, чтобы они отвечали требованиям аэродинамических и аэроакустических характеристик, а также требованиям механической прочности к температурам, аэродинамическим нагрузкам и, в случае необходимости, к вращению. Аэроупругая связь, то есть связь между динамикой колес и потоком текучей среды, обуславливает также вибрационную стойкость деталей. Поэтому необходимо, чтобы детали подвергались напряжениям с небольшой амплитудой.

Пользователи ставят перед изготовителями турбореактивных двигателей задачу ограничения вибраций на уровне лопаток подвижных колес.

Если подвижные колеса содержат лопатки, установленные на дисках, существует возможность гашения энергии за счет трения на уровне соединений между этими дисками и этими лопатками. Что же касается подвижных колес типа моноблочного лопаточного диска (МЛД) или моноблочных лопаточных колец (МЛК), в которых лопатки выполнены заодно с дисками, этого гашения энергии за счет трения не происходит. Поэтому вибрационные уровни лопаток остаются более высокими.

Для преодоления этого недостатка было предложено оборудовать лопатки амортизирующими средствами, чтобы снизить явления вибраций, которым они подвергаются. В документе ЕР 1253290 предложено оборудовать профиль лопаток амортизирующим средством, содержащим слой вязкоупругого материала и слой напряжения. Поскольку профиль лопаток находится в газовоздушном тракте, предложение, описанное в этом документе, предусматривает выполнение выемки в профиле лопаток для установки в нем амортизирующих средств. За счет этого поверхность профилей лопаток, входящая в контакт с этим газовым потоком, не содержит неровностей, которые могли бы возмущать газовый поток. Действительно, каждый профиль лопатки необходимо подвергнуть механической обработке, чтобы получить выемку для установки амортизирующего средства. Эта операция механической обработки является сложной, поскольку лопатка имеет небольшую толщину. С другой стороны, в случае подвижного колеса, если операция механической обработки и/или размеры амортизирующих средств на каждой лопатке не являются идентичными, существует опасность общей разбалансировки колеса, которая выражается в появлении биений во время работы турбореактивного двигателя. Все эти сложности, связанные с операцией механической обработки, приводят к увеличению времени изготовления и к повышению себестоимости деталей.

Задачей настоящего изобретения является решение этой общей проблемы, связанной с вибрациями подвижных колес турбореактивного двигателя. В качестве изобретения предлагается решение, отличающееся от документа ЕР 1253290 и позволяющее избежать недостатков этого известного решения.

Первым объектом настоящего изобретения является подвижное колесо для турбореактивного двигателя, содержащее множество лопаток, осесимметричную опору лопаток, простирающихся по существу в радиальном направлении по одну и по другую сторону от площадки и имеющих основание, связывающее их с опорой в направлении оси колеса, причем совокупность указанных элементов формирует моноблочный лопаточный диск (МЛД) или моноблочное лопаточное кольцо (МЛК), и, по меньшей мере, одно амортизирующее средство, расположенное, по меньшей мере, на одной стороне промежуточной детали. Амортизирующее средство содержит, по меньшей мере, один слой вязкоупругого материала и, по меньшей мере, один контрслой жесткого материала.

Промежуточная деталь простирается, по существу, в осевом направлении от опоры между последней и основанием лопатки. Амортизирующее средство разделено в осевом направлении, по меньшей мере, на два элементарных амортизирующих средства и/или разделено в окружном направлении, по меньшей мере, на два элементарных амортизирующих средства.

Согласно варианту выполнения амортизирующее средство полностью закрывает упомянутую сторону промежуточной детали. Согласно другому варианту выполнения амортизирующее средство закрывает ее только частично.

Амортизирующее средство содержит, по меньшей мере, один слой вязкоупругого материала и контрслой жесткого материала. Слой вязкоупругого материала и контрслой жесткого материала крепят друг к другу, например, при помощи адгезивного материала. В частности, амортизирующее средство содержит несколько слоев вязкоупругого материала и несколько контрслоев жесткого материала, которые чередуются между собой.

Слои вязкоупругого материала имеют либо одинаковые для них всех механические характеристики, либо разные механические характеристики.

Кроме того, контрслои жесткого материала имеют либо одинаковые для них всех механические характеристики, либо разные механические характеристики.

Амортизирующее средство разделено в осевом направлении, по меньшей мере, на два элементарных амортизирующих средства и/или разделено в окружном направлении, по меньшей мере, на два элементарных амортизирующих средства.

Промежуточная деталь, на которой располагают амортизирующее средство, имеет либо постоянную толщину, либо содержит зону непостоянной толщины. Согласно этому последнему варианту выполнения зона непостоянной толщины имеет толщину, увеличивающуюся в осевом направлении от ее края, наиболее близкого к опоре лопаток, к краю, наиболее удаленному от опоры лопаток. Согласно версии этого варианта выполнения зона непостоянной величины имеет толщину, увеличивающуюся в осевом направлении от ее края, наиболее удаленного от опоры лопаток, к краю, наиболее близкому к опоре. Согласно версии этого варианта выполнения зона непостоянной величины имеет толщину, увеличивающуюся в осевом направлении от ее центра к краю, наиболее удаленному от опоры лопаток, и к краю, наиболее удаленному от опоры. Согласно другой версии этого варианта выполнения зона непостоянной величины имеет толщину, увеличивающуюся в осевом направлении и в окружном направлении.

Согласно другому варианту выполнения промежуточная деталь содержит конец, соединенный с упомянутой опорой, и амортизирующее средство содержит главную часть, которая расположена на упомянутой промежуточной детали, и боковую часть, которая расположена на по существу радиальной стороне упомянутой опоры. Согласно другому варианту выполнения упомянутая промежуточная деталь содержит конец, соединенный с концевым фланцем, и амортизирующее средство содержит главную часть, расположенную на упомянутой промежуточной детали, и боковую часть, расположенную на по существу радиальной стороне упомянутого концевого фланца. Согласно одному или другому из этих вариантов выполнения упомянутая главная часть и упомянутая боковая часть соединены между собой соединительной частью, выполненной в виде укосины.

Согласно версии этих двух вариантов выполнения упомянутая промежуточная деталь содержит один конец, соединенный с упомянутой опорой, и другой конец, соединенный с концевым фланцем, и колесо содержит первое амортизирующее средство, содержащее первую главную часть, которая расположена на упомянутой промежуточной детали, и первую боковую часть, которая расположена на по существу радиальной стороне упомянутой опоры, при этом упомянутые первая главная часть и первая боковая часть соединены между собой первой соединительной частью в виде укосины, и колесо содержит второе амортизирующее средство, содержащее вторую главную часть, которая расположена на первой главной части, и вторую боковую часть, которая расположена на по существу радиальной стороне упомянутого концевого фланца, при этом упомянутые вторая главная часть и вторая боковая часть соединены между собой второй соединительной частью в виде укосины.

Согласно варианту, отличному от предыдущего, упомянутая промежуточная деталь содержит один конец, соединенный с упомянутой опорой, и другой конец, соединенный с концевым фланцем, и колесо содержит первое амортизирующее средство, содержащее первую главную часть, которая расположена на упомянутой промежуточной детали, и первую боковую часть, которая расположена на по существу радиальной стороне упомянутого концевого фланца, при этом упомянутые первая главная часть и первая боковая часть соединены между собой первой соединительной частью в виде укосины, и колесо содержит второе амортизирующее средство, содержащее вторую главную часть, которая расположена на первой главной части, и вторую боковую часть, которая расположена на по существу радиальной стороне упомянутой опоры, при этом упомянутые вторая главная часть и вторая боковая часть соединены между собой второй соединительной частью в виде укосины.

Согласно варианту выполнения колесо содержит амортизирующее средство, расположенное на внутренней стороне упомянутой промежуточной детали. Согласно другом варианту выполнения колесо содержит амортизирующее средство, расположенное на наружной стороне упомянутой промежуточной детали.

Вторым объектом настоящего изобретения является подвижное колесо, содержащее диск или кольцо с лопатками, в частности, для турбореактивного двигателя, в котором упомянутая промежуточная деталь является обечайкой диска или кольца и в котором на внутренней стороне упомянутой обечайки расположено, по меньшей мере, одно амортизирующее средство.

Еще одним объектом настоящего изобретения является турбореактивный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одно подвижное колесо.

Таким образом, в отличие от решения, предложенного в документе ЕР 1253290, амортизирующее средство располагают не на самих лопатках, а на дисках или кольцах и, в частности, на обечайке дисков или колец. Благодаря решению согласно настоящему изобретению амортизацию вибраций лопаток получают опосредованно после обеспечения амортизации вибраций диска или кольца с лопатками. Естественно, это решение не является очевидным для специалиста, так как настоящее изобретение не имеет вышеупомянутых недостатков решения, предложенного в документе ЕР 1253290, связанных с необходимостью механической обработки лопаток. Компромисс между уровнем вибрационной амортизации и устранением недостатков, связанных с известным решением, является приемлемым для определенных условий работы турбореактивного двигателя.

Другим преимуществом решения в соответствии с настоящим изобретением является то, что можно не производить механическую обработку деталей для размещения амортизирующих средств. Следовательно, изготовление колес осуществляют быстрее и с меньшими затратами. Кроме того, снижается опасность появления биений.

Еще одним преимуществом решения в соответствии с настоящим изобретением является то, что амортизирующие средства располагают на обечайках дисков или колец колес. Поскольку обечайки не находятся в воздушногазовом тракте, то нет необходимости в их механической обработке для выполнения гнезд для амортизирующих средств.

Еще одним преимуществом решения в соответствии с настоящим изобретением является то, что амортизирующими средствами в соответствии с настоящим изобретением можно оборудовать как новые модели колес, так и старые модели колес, не внося в них конструктивных изменений.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания частных вариантов выполнения, представленных в качестве неограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе турбореактивного двигателя, содержащего колеса в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - вид в разрезе амортизирующего средства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематичный вид в осевом разрезе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, оборудованного амортизирующим средством в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - частичный вид в перспективе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, оборудованного амортизирующим средством согласно другому варианту выполнения.

Фиг.5 - вид в перспективе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, оборудованного амортизирующим средством согласно варианту выполнения.

Фиг.6-8 - вид в перспективе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, оборудованного амортизирующим средством согласно другим вариантам выполнения.

Фиг.9 - частичный вид в перспективе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, содержащего обечайку согласно варианту выполнения.

Фиг.10-12 - частичный вид в перспективе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, содержащего обечайку согласно другим вариантам выполнения.

Фиг.13 - вид в перспективе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, оборудованного амортизирующим средством согласно еще одному варианту выполнения.

Фиг.14 - частичный вид в перспективе подвижного колеса типа моноблочного лопаточного диска, оборудованного амортизирующим средством согласно другому варианту выполнения.

На Фиг.1 схематично показан турбореактивный двигатель 1, содержащий турбину 2 высокого давления, турбину 3 низкого давления, камеру 4 сгорания, компрессор 5 высокого давления, компрессор 6 низкого давления и вентилятор 7. Турбореактивный двигатель 1 содержит подвижные колеса 8 и неподвижные колеса 9, входящие в состав, например, турбины 2 высокого давления или турбины 3 низкого давления или компрессора 5 высокого давления.

На Фиг.2 показано амортизирующее средство 30 в соответствии с настоящим изобретением, установленное на детали 100. Амортизирующее средство 30 выполнено по существу в виде многослойного элемента. Согласно варианту выполнения оно содержит слой 32 вязкоупругого материала и контрслой 34 из жесткого материала. Под «жестким материалом» следует понимать материал, более жесткий, чем вязкоупругий материал слоя 32. Согласно другим вариантам выполнения амортизирующее средство 30 содержит несколько слоев 32 вязкоупругого материала и несколько контрслоев 34 жесткого материала, которые чередуются между собой. На Фиг.2 показан неограничительный пример выполнения амортизирующего средства 30, содержащего три слоя 32 вязкоупругого материала и три контрслоя 34 жесткого материала. Предпочтительно, слой(и) 32 вязкоупругого материала и контрслой(и) 34 жесткого материала имеют одинаковые размеры. Если амортизирующее средство 30 содержит несколько слоев 32 вязкоупругого материала, то они все могут иметь одинаковые механические характеристики или могут иметь разные механические характеристики. Если амортизирующее средство 30 содержит несколько контрслоев 34 жесткого материала, то они все могут иметь одинаковые механические характеристики или могут иметь разные механические характеристики. Амортизирующее средство 30 закреплено на детали 100 за счет сцепления при помощи пленки клея или путем полимеризации. Слои 32 вязкоупругого материала и слои 34 жесткого материала крепят друг к другу тоже за счет сцепления при помощи пленки клея или путем полимеризации.

На Фиг.3 в осевом полуразрезе показано подвижное колесо 8 типа моноблочного лопаточного диска, оборудованного амортизирующим средством 30. Как известно, колесо 10 содержит лопатку 12, состоящую из пера 14 и основания 16 лопатки, которые выполнены соответственно по обе стороны от площадки 18 в радиальном направлении. Колесо содержит также диск 20, состоящий из опоры 22 лопатки, которая в данном случае является телом диска, при этом упомянутая опора 22 заканчивается радиально внутрь ступицей 24. Между опорой 22 лопатки и основанием 16 лопатки диск 20 содержит две обечайки 26, выполненные по обе стороны от упомянутой опоры 22 по существу в осевом направлении. По меньшей мере, одна из этих обечаек 26 на конце, противоположном опоре 22, содержит концевой фланец 28 для крепления упомянутой обечайки 26 на смежной детали (не показана). Каждая обечайка 26 содержит наружную сторону 262 и внутреннюю сторону 264. Амортизирующее средство 30 закреплено на внутренней стороне 264, по меньшей мере, одной из обечаек 26. Во время работы турбореактивного двигателя 1 центробежная сила, создаваемая вращением подвижного колеса 8, прижимает амортизирующее средство 30 к внутренней стороне 264 обечайки 26, что усиливает сцепление амортизирующего средства 30 с обечайкой 26. Поэтому в подвижном колесе 8 предпочтительно располагать амортизирующее(ие) средство(а) 30 на внутренней стороне 264 упомянутой обечайки 26.

Эффект амортизации, обеспечиваемый амортизирующим средством, показанным на Фиг.2, возникает в результате действия напряжений сдвига внутри каждого слоя 32 вязкоупругого материала. Эти напряжения сдвига способствуют гашению энергии на уровне каждого слоя 32 вязкоупругого материала. Таким образом, амортизируются эффекты вибрационных воздействий на диски и/или кольца 20. Опосредованно амортизируются также вибрационные воздействия на лопатки 12. За счет того что амортизация вибрационных явлений лопаток 12 следует из амортизации вибрационных явлений диска, это позволяет избежать передачи вибрационной энергии от одной лопатки к другой, что представляет собой дополнительное преимущество изобретения.

Дальнейшее подробное описание относится к применению изобретения на подвижном колесе 8, выполненном в виде моноблочного лопаточного диска, в котором промежуточной деталью 26 является обечайка диска 20, а опорой 22 лопаток является тело диска 20.

На Фиг.9 в перспективе и в увеличенном виде показан участок колеса в виде сектора с обечайкой 26, которая имеет по существу постоянную толщину. На Фиг.5-8 показаны несколько вариантов выполнения подвижного колеса 8, согласно которым обечайки 26 имеют по существу постоянную толщину и оборудованы амортизирующими средствами 30.

На Фиг.5 показан вариант выполнения изобретения, согласно которому внутренняя сторона 264 каждой из двух обечаек 26 полностью закрыта амортизирующим средством 30. В частности, рабочую сторону этого амортизирующего средства определяют по отношению к режиму вибрации, то есть этой стороной является та, которая деформируется больше всего при этом режиме вибрации.

На Фиг.6 показан другой вариант выполнения изобретения, согласно которому на внутренней стороне 264 одной из обечаек 26 размещают амортизирующее средство 30, которое разделено в осевом направлении на два элементарных амортизирующих средства 36. Преимуществом такой конструкции является более легкий монтаж по сравнению с предыдущей.

На Фиг.7 показан еще один вариант выполнения изобретения, согласно которому внутренняя сторона 264 одной из обечаек 26 (на Фиг.7 справа) полностью закрыта амортизирующим средством 30, тогда как внутренняя сторона 264 другой обечайки 26 (на Фиг.7 слева) оборудована амортизирующим средством 30, которое разделено в осевом направлении на два элементарных амортизирующих средства 36.

Одно из этих элементарных амортизирующих средств 36 содержит главную часть 35, боковую часть 37 и соединительную часть 39. Главная часть 35 частично закрывает упомянутую внутреннюю сторону 264 вблизи тела 22. Боковая часть 37 частично закрывает по существу радиальную сторону тела 22 вблизи упомянутой внутренней стороны 264. Соединительная часть 39 соединяет упомянутую главную часть 35 и упомянутую боковую часть 37. За счет наличия одного или нескольких жестких контрслоев 34 соединительная часть 39 не прижимается к зоне колеса 10, находящейся на сопряжении между обечайкой 26 и телом 22. Эта соединительная часть 39 расположена между главной частью 35 и боковой частью 37 и по существу имеет форму укосины или мостика.

Другое элементарное амортизирующее средство 36 этой обечайки 26 (на Фиг.7 слева) содержит главную часть 35, боковую часть 37 и соединительную часть 39. Главная часть 35 частично закрывает упомянутую внутреннюю сторону 264 вблизи концевого фланца 28 обечайки 26. Боковая часть 37 частично закрывает по существу радиальную сторону упомянутого концевого фланца 28 вблизи упомянутой внутренней стороны 264. Соединительная часть 39 соединяет упомянутую главную часть 35 и упомянутую боковую часть 37 и по существу имеет форму укосины или мостика.

На Фиг.8 в осевом разрезе показан другой вариант выполнения изобретения, который является версией варианта выполнения, показанного на Фиг.7. Внутренняя сторона 264 обечайки 26 закрыта первым амортизирующим средством 301 и вторым амортизирующим средством 302, которые содержат главную часть 351, 352, боковую часть 371, 372 и соединительную часть 391, 392. Эти два амортизирующих средства 301, 302 наложены друг на друга и расположены друг против друга. Иначе говоря, главная часть 351 первого амортизирующего средства 301 закреплена на внутренней стороне 264 обечайки 26, а главная часть 352 второго амортизирующего средства 302 закреплена на главной части 351 первого амортизирующего средства 301. Боковая часть 371 одного из них расположена на по существу радиальной стороне тела 22 вблизи упомянутой внутренней стороны 264, тогда как боковая часть 372 другого расположена на по существу радиальной стороне концевого фланца 28 вблизи упомянутой внутренней стороны 264. В примере, показанном на Фиг.8, амортизирующее средство 301, закрепленное непосредственно на внутренней стороне 264 обечайки, является средством, боковая часть 371 которого расположена на радиальной стороне тела 22. В другом варианте (не показан) амортизирующее средство, закрепленное непосредственно на внутренней стороне обечайки, является средством, боковая сторона которого расположена на радиальной стороне концевого фланца.

На Фиг.4 и 10-14 показаны несколько вариантов выполнения подвижного колеса 8, согласно которым, по меньшей мере, одна из обечаек 26 содержит зону 260 непостоянной толщины, предназначенную для размещения на ней амортизирующего средства 30.

На Фиг.10 толщина обечайки 26 увеличивается на ее внутренней стороне 264 в осевом направлении от ее края, наиболее близкого к телу 22, к краю, наиболее удаленному от тела 22.

На Фиг.11 толщина обечайки 26 увеличивается на ее внутренней стороне 264 в осевом направлении от ее края, наиболее удаленного от тела 22, к краю, наиболее близкому к телу 22.

На Фиг.12 толщина обечайки 26 увеличивается на ее внутренней стороне 264 в осевом направлении от к центра к краю, наиболее удаленному от тела 22, и к краю, наиболее удаленному от тела 22.

На Фиг.13 толщина обечайки 26 увеличивается на ее внутренней стороне 264 в осевом направлении и в окружном направлении. Зона 260 непостоянной толщины выполнена в виде по существу прямоугольной зоны, углы которой имеют толщину, увеличенную по сравнению с остальной частью поверхности упомянутой зоны.

На Фиг.10-12 зона 260 непостоянной толщины соответствует участку обечайки 26. Однако эта зона 260 непостоянной толщины может также соответствовать всей обечайке 26, как в вариантах выполнения, показанных на Фиг.4 и 14. На этих двух фигурах зона 260 непостоянной толщины обечайки 26 увеличивается на ее внутренней стороне 264 в осевом направлении от ее центра к краю, наиболее удаленному от тела 22, и к краю, наиболее удаленному от тела 22. На Фиг.14 показано амортизирующее средство 30, разделенное в окружном направлении на два элементарных амортизирующих средства 36. На Фиг.4 показано амортизирующее средство 30, дважды разделенное в осевом направлении и один раз в окружном направлении на шесть элементарных амортизирующих средств 36.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами выполнения и охватывает также их комбинации. Например, можно предусмотреть обечайку постоянной толщины с амортизирующим средством, полностью закрывающим ее внутреннюю сторону или частично закрывающим упомянутую внутреннюю сторону. В том или ином случае амортизирующее средство может быть выполнено в виде единой детали или может быть разделено один или несколько раз в осевом направлении, или может быть разделено один или несколько раз в окружном направлении, или может быть разделено один или несколько раз и в осевом, и в окружном направлениях. Кроме того, в комбинации со всеми предыдущими случаями амортизирующее средство может быть расположено только на внутренней стороне обечайки или может быть средством из трех частей, при этом боковая часть расположена на радиальной стороне диска или на радиальной стороне концевого фланца.

Настоящее изобретение не ограничивается подвижным колесом типа моноблочного лопаточного диска. Оно может также применяться для подвижного колеса, содержащего лопатки, установленные на отдельно выполненном диске.

Реферат

Подвижное колесо турбомашины содержит лопатки, их осесимметричную опору и амортизирующее средство. Лопатки простираются в радиальном направлении по одну и по другую сторону от площадки и имеют основание, связывающее их с опорой в направлении оси колеса. Амортизирующее средство расположено на одной стороне промежуточной детали, простирающейся в осевом направлении от опоры между последней и основанием лопатки, и содержит, по меньшей мере, один слой вязкоупругого материала и, по меньшей мере, один контрслой жесткого материала. Амортизирующее средство разделено в осевом направлении, по меньшей мере, на два элементарных амортизирующих средства и/или разделено в окружном направлении, по меньшей мере, на два элементарных амортизирующих средства. Другое изобретение группы относится к турбореактивному двигателю, содержащему, по меньшей мере, одно указанное выше колесо. Изобретения позволяют обеспечить амортизацию вибраций и упростить изготовление подвижного колеса турбомашины. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 14 ил.

Формула