Результат интеллектуальной деятельности: БАРАБАН КОМПРЕССОРА ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ С ДВОЙНЫМ СРЕДСТВОМ ДЛЯ ФИКСАЦИИ ЛОПАТОК

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к ротору осевой турбомашины. Более конкретно, настоящее изобретение относится к барабану ротора компрессора осевой турбомашины. Настоящее изобретение относится к осевой турбомашине, оснащенной барабаном ротора компрессора низкого давления.

Уровень техники

Турбомашина обеспечивает сжатие, сжигание и расширение газа. За счет этого турбомашина вырабатывает механическую энергию. С этой целью турбомашина содержит компрессор и турбину, оснащенную ротором и корпусом.

Внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность ротора образуют контур пути первичного потока. Его кольцевое сечение является непостоянным. Диаметр внутреннего и наружного контура может увеличиваться и уменьшаться вдоль оси двигателя. В компрессоре, особенно в компрессоре низкого давления, наружный корпус, как правило, имеет уменьшенный диаметр в направлении ниже по потоку. В направлении со стороны выше по потоку к стороне ниже по потоку диаметр ротора может увеличиваться, а затем уменьшаться. Такое сочетание поверхностей обеспечивает широкую площадь входного сечения и высокую степень сжатия на выходе.

Для передачи механической работы текучей среде и корпус, и ротор компрессора содержат несколько кольцевых рядов лопаток. Ряды лопаток ротора и ряды лопаток статора чередуются в осевом направлении.

Корпус может содержать несколько кольцевых статоров, каждый из которых содержит кольцевой ряд лопаток. Статоры образуют кольца, которые в осевом направлении упираются друг в друга с целью их сборки. В этом случае каждая лопатка в ряду ротора соединена с ротором посредством хвостовика, который вставлен в образованный на роторе кольцевой паз.

При сборке компрессора с ротором в форме барабана первый ряд лопаток устанавливают на ротор, а затем собирают статор таким образом, чтобы он был направлен в осевом направлении к этому первому ряду. Только после этого второй ряд лопаток можно устанавливать на ротор за статором относительно первого ряда. Сборку продолжают аналогично в направлении вперед, собирая ряд лопаток ротора и статора друг за другом. Такой способ сборки является необходимым ввиду того, что статоры выполнены цельно, и их внутренние диаметры не позволяют вставлять в них ротор с лопатками.

В патенте FR 2845436 B1 раскрыт компрессор осевой турбомашины. Компрессор содержит наружный корпус, образованный из нескольких статоров, собранных в осевом направлении. Также он содержит кольцевые ряды лопаток, каждый из которых расположен между статорами. Лопатки ротора прикреплены посредством хвостовиков, которые вставлены в кольцевые пазы, выполненные в роторе. Такой вариант осуществления позволяет выполнять компрессор, сборка которого является простой. Однако ротор подвержен воздействию колебаний. Он создает сложные формы колебаний, которые сложно проанализировать и погасить. Более того, для его выполнения необходима сложная и дорогостоящая механическая обработка. Кроме того, он имеет громоздкую и тяжелую конструкцию.

Краткое описание сущности изобретения

Техническая задача

Целью настоящего изобретения является решение по меньшей мере одной из проблем, свойственных предшествующему уровню техники. Более конкретно, целью настоящего изобретения является снижение колебаний в роторе осевой турбомашины. Также целью настоящего изобретения является снижение массы ротора осевой турбомашины.

Техническое решение

Настоящее изобретение относится к барабану ротора осевой турбомашины, в частности компрессора низкого давления, при этом барабан содержит стенку, в целом вращательно-симметричную относительно его оси в целом с изогнутым профилем, причем указанная стенка выполнена для установки нескольких рядов лопаток; при этом первый ряд лопаток образован кольцевой полкой, выполненной цельно со стенкой в вершине ее профиля относительно оси; и по меньшей мере один, предпочтительно каждый, второй ряд лопаток непосредственно ниже по потоку от первого и третьего ряда лопаток и непосредственно выше по потоку от первого образован одним или несколькими пазами для фиксации лопаток, выполненными на стенке.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения наружная поверхность фиксирующего паза (пазов) находится на среднем расстоянии от оси, которое меньше среднего расстояния полки от первого ряда к указанной оси.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения стенка на своей наружной поверхности содержит набор кольцевых ребер, выполненных с возможностью сопряжения с кольцевым слоем истираемого материала с обеспечением уплотнения, при этом набор кольцевых ребер выполнен в осевом направлении между первым и вторым рядом лопаток и/или между первым и третьим рядами лопаток.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения минимальный интервал между вершинами одного набора ребер относительно оси больше минимального расстояния от указанной оси до наружной поверхности смежных фиксирующих пазов. Имеется в виду паз (пазы) второго и/или третьего ряда из ряда (рядов) лопаток.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения лопатки первого ряда приварены к полке указанного ряда.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения полка первого ряда лопаток содержит ножку лопатки, к которой приварено удлинение лопатки; предпочтительно высота ножки лопатки составляет больше 10% от радиальной высоты лопатки в первом ряду, более предпочтительно больше 25%.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения лопатки первого ряда, по меньшей мере, частично врезаны в тело необработанного барабана.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения общий изогнутый профиль стенки проходит по большей части длины барабана и/или имеет основную вогнутость, направленную к основной оси и проходящую вдоль большей части длины барабана, при этом радиус указанного профиля относительно оси имеет наибольшее значение на первом ряду лопаток.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения полка первого ряда лопаток выступает относительно стенки непосредственно выше и ниже по потоку от указанного ряда.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения стенка содержит две части, проходящие в целом в радиальном направлении под полкой первого ряда, так что продольное сечение стенки на указанной полке имеет π-образный профиль.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения стенка содержит по меньшей мере один кольцевой элемент жесткости, проходящий вовнутрь в радиальном направлении на первом ряду лопаток, предпочтительно на протяжении по меньшей мере одной из радиальных частей.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения стенка непосредственно выше и ниже по потоку от первого ряда содержит часть с по существу постоянной толщиной, которая образует кольцевое пространство для размещения внутреннего кожуха статора.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения барабан ротора содержит лопатки второго и/или третьего ряда лопаток, при этом каждая из указанных лопаток содержит хвостовик, размещенный в одном или любом из фиксирующих пазов.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения фиксирующий паз (пазы) расположен (расположены) по кольцу вдоль периметра барабана.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения лопатки в первом ряду и кольцевая полка образуют цельный узел.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения барабан выполнен из металлического материала, предпочтительно титана.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения стенка выкована и обработана из цельного тела.

В соответствии с другим преимущественным вариантом осуществления настоящего изобретения кольцевая полка и фиксирующие пазы выполнены как одно целое.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения барабан характеризуется непрерывностью материала между лопатками первого ряда и стенкой.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения набор кольцевых ребер распределен в осевом направлении на кольцевом стыке.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения все ряды лопаток на барабане, за исключением первого, содержат паз для фиксации лопаток для их сборки на барабане.

Также настоящее изобретение относится к осевой турбомашине, содержащей барабан ротора, при этом барабан соответствует настоящему изобретению; предпочтительно ротор представляет собой ротор компрессора низкого давления, содержащий по существу три кольцевых ряда лопаток ротора.

Преимущества изобретения

Также целью настоящего изобретения является снижение колебаний ротора осевой турбомашины. С этой целью обеспечивается устранение свободы перемещения между кольцевой стенкой и лопатками в первом ряду. Также настоящее изобретение повышает общую жесткость барабана. Предлагаемая конструкция также позволяет уменьшить массу ротора, подвергая изменениям как барабан, так и лопатки.

Механическая обработка поверхностей барабана и лопаток упрощается. Все указанные усовершенствования барабана остаются возможными при сохранении совместимости ротора с корпусом, образованным кольцевыми статорами.

Настоящее изобретение применимо к барабану, оснащенному кольцевыми ребрами, применяемыми в качестве уплотняющих элементов между ступенями сжатия. Этот аспект не является ограничивающим, поскольку настоящее изобретение также можно применять для барабана, сопрягаемого с осевыми щеточными уплотнениями. Такие уплотнительные элементы хорошо известны специалистам в данной области техники и, например, могут соответствовать уплотнительным элементам, раскрытым в патенте DE102005042272 A1.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 показана осевая турбомашина в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 схематически показан компрессор турбомашины в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 показан барабана ротора в сечении в соответствии с настоящим изобретением.

Описание вариантов осуществления

В следующем описании термины "внутренний" или "находящийся внутри" или "внешний" или "наружный" относятся к положению относительно оси вращения турбомашины.

На фиг. 1 схематически показана осевая турбомашина. В этом случае она является двухконтурным турбореактивным двигателем. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую ступень сжатия, так называемый компрессор 4 низкого давления, вторую ступень сжатия, так называемый компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней турбины 10. При эксплуатации механическая мощность турбины 10 передается через центральный вал на ротор 12 и приводит в действие два компрессора 4 и 6. Редукционные механизмы могут увеличивать скорость вращения, передаваемого компрессорам. Альтернативно каждая из разных ступеней турбины может быть соединена со ступенями компрессора посредством соосных валов. Последние содержат несколько рядов лопаток ротора, соединенных с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг его оси 14 вращения обеспечивает создание потока и постепенно сжимает его до впуска в камеру 10 сгорания.

Приточный вентилятор, в целом обозначенный вентилятором 16, соединен с ротором 12 и создает поток воздуха, разделяемый на первичный поток 18, проходящий через разные указанные выше ступени турбомашины, и вторичный поток 20, проходящий через кольцевой канал (показан частично) по длине машины, который затем соединяется с основным потоком на выходе турбины. Первичный поток 18 и вторичный поток 20 являются круговыми потоками и направлены по каналам через корпус турбомашины. С этой целью корпус имеет цилиндрические стенки или кожухи, которые могут быть внутренними или наружными.

На фиг. 2 показан вид в разрезе компрессора осевой турбомашины 2, такой как показана на фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Идеи настоящего изобретения также применимы к барабану ротора турбины 10.

На компрессоре 4 находится передняя часть 22 разделителя первичного 18 и вторичного 20 воздушных потоков. Ротор 12 содержит несколько кольцевых рядов лопаток ротора; на фиг. 2 показано три. Также могут быть предоставлены дополнительные ряды лопаток. Эти три ряда расположены последовательно в осевом направлении. То есть представлен первый ряд 24 лопаток ротора, второй ряд 26 лопаток ротора ниже по потоку от первого ряда 24 и третий ряд лопаток 28 ротора выше по потоку от первого ряда 24.

Лопатки (24, 26, 28) ротора расходятся по существу в радиальном направлении от ротора 12. Лопатки в одном ряду расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и направлены под одинаковым углом в воздушный поток. Необязательно расстояние между лопатками может меняться в определенных местах, равно как и их угловое положение. Некоторые лопатки из ряда могут отличаться от остальных.

Компрессор 4 содержит наружный корпус. Наружный корпус содержит несколько статоров, например четыре, каждый из которых содержит наружный кожух 30, ряд 32 лопаток статора и, необязательно, внутренний кожух 34. Кольцевой слой истираемого материала 36 может быть нанесен на внутреннюю поверхность наружного кожуха и внутреннего кожуха статора. Лопатки 32 статора того же статора проходят в радиальном направлении от их наружного кожуха 30 к их внутреннему кожуху 34. Статоры образуют замкнутые круговые кольца. Они собираются в осевом направлении друг напротив друга и крепятся друг к другу с помощью радиальных фланцев 38.

Статоры взаимодействуют с вентилятором или рядом лопаток (24, 26, 28) ротора для выпрямления воздушного потока так, чтобы преобразовать скорость потока в давление.

Ротор 12 содержит барабан 40. Барабан 40 содержит стенку 42, в целом вращательно-симметричную относительно его оси 14 вращения, причем ось является общей осью для турбомашины. Стенка 42 может иметь общий вращательный профиль или средний вращательный профиль относительно оси 14 вращения. Общий профиль может быть учтен в толщине частей стенки 42, которые в осевом направлении расположены под прямым углом к рядам лопаток статора.

Общий профиль в целом изогнут и может иметь непрерывную кривизну и/или непрерывно меняющуюся кривизну. В радиальном направлении он совпадает с изменением внутренней поверхности первичного потока 18. Наружная поверхность общего профиля является выгнутой. В направлении со стороны выше по потоку к стороне ниже по потоку радиус внутренней поверхности увеличивается, а затем уменьшается, так что профиль стенки является максимальным. Стенка 42 является в основном тонкой. Ее толщина в целом постоянна. Ее толщина составляет менее 10,00 мм, предпочтительно менее 5,00 мм, более предпочтительно менее 2,00 мм. Стенка 42 образует полое тело, которое образует полость, которая имеет оживальную форму или форму бочонка. Барабан 40 и/или лопатки (24, 26, 28) ротора изготовлены из металлического материала, предпочтительно титана.

Барабан 40 содержит кольцевые ребра 44 или уплотнительные выступы. Они образуют узкие кольцевые полосы, которые проходят в радиальном положении. Они предназначены для абразивного сопряжения с кольцевыми слоями истираемого материала 36, обеспечивая уплотнение. В целом один истираемый слой 36 сопрягается с двумя кольцевыми ребрами 44.

На фиг. 3 показан подробный вид в разрезе барабана 40, показанного на фиг. 2. Барабан может также быть барабаном ротора компрессора высокого давления. Он может быть также барабаном ротора турбины.

Первый ряд лопаток 24 выполнен цельно на стенке за счет кольцевой полки 46. Кольцевая полка 46 выполнена цельно со стенкой 42. Кольцевая полка 46 выполнена над профилем стенки 42. Кольцевая полка 46 имеет в целом прямой или изогнутый вращательный профиль.

Каждая лопатка 26 ротора второго ряда и третьего ряда 28 содержит полку 48 лопатки, образующую внутреннюю поверхность первичного потока, лопатку 50, проходящую в радиальном направлении наружу от полки 48 лопатки, и фиксирующий хвостовик 52, проходящий вовнутрь в радиальном направлении от полки 48 лопатки. Фиксирующий хвостовик 52 может иметь форму "ласточкин хвост". Он может иметь форму, осевой размер которой увеличивается при приближении внутрь, обеспечивая фиксацию на месте.

Стенка 42 барабана 40 содержит два участка для фиксации лопаток с помощью фиксирующих пазов. Каждый участок фиксации содержит кольцевой паз 54, в который вставляют фиксирующие хвостовики 52 лопаток 26 второго ряда и лопаток 28 третьего ряда. Кольцевые пазы 54 содержат кольцевые наружные поверхности, которые входят в контакт с полками 48 лопаток. Полки 48 лопаток 26 второго ряда входят в зацепление со второй наружной поверхностью 56, а полки 48 лопаток третьего ряда лопаток 28 входят в зацепление с третьей наружной поверхностью 58.

В целом форма фиксирующих хвостовиков 52 совпадает с соответствующим фиксирующим пазом, обеспечивая радиальную фиксацию. Фиксирующие пазы 54 имеют профиль с сужением на наружной поверхности. Таким образом лопатки 26 второго ряда и лопатки 28 третьего ряда обратимо зафиксированы. Между кольцевой стенкой 42 и лопатками ротора второго и третьего ряда выполнен механический зазор, обеспечивающий небольшое перемещение лопаток. Однако ротор выполнен таким образом, что центробежные силы, присутствующие во время работы компрессора, устанавливают лопатки на место в их наименьших сечениях.

Согласно альтернативному варианту настоящего изобретения фиксирующие пазы могут представлять собой осевые пазы. В этом случае кольцевая стенка содержит кольцевой ряд осевых пазов, распределенных по его окружности, и каждый из которых образует кольцевой ряд лопаток.

Наружная поверхность (56, 58) по меньшей мере одного из кольцевых пазов 48 находится на среднем расстоянии от оси 14, которое меньше среднего расстояния между кольцевой полкой 46 и первым рядом 24 указанной оси. Предпочтительно каждый радиус на осевом конце кольцевой полки 48 больше максимального радиуса наружной поверхности (56, 58), расположенной напротив.

Лопатки 24 первого ряда прикреплены к барабану способом, отличным от прикрепления лопаток (26, 28) других рядов. Фиксация или прикрепление лопаток является разным или смешанным. Лопатки 24 первого ряда прикреплены к кольцевой полке 46 посредством сварки. Они могут быть приварены трением, например, в ходе орбитальной сварки. Таким образом, барабан 40 служит в качестве опоры для фиксации лопаток обоих типов.

Для этого лопатки, соответствующие первому ряду 24, прикреплены к неоснащенному барабану и приварен к кольцевой полке 46. Эти лопатки могут быть прямо или косвенно прикреплены к кольцевой полке 46. Кольцевая полка 46 может содержать ножку 60 лопатки, проходящую в радиальном направлении от ее наружной поверхности. В этом случае каждая лопатка, приваренная ко второй поверхности, эффективно образует радиальную часть готовой лопатки. Сварной шов 62 между ножкой и частью лопатки расположен над кольцевой полкой 46.

Согласно альтернативному варианту настоящего изобретения лопатки 24 первого ряда могут быть цельно обработаны на теле необработанного барабана, стенка которого также обработана.

Таким образом, стенка барабана 40 и лопатки первого ряда образуют цельный узел. Они характеризуются непрерывностью материала. Металлические материалы, из которых они выполнены, обладают непрерывной кристаллической структурой на границе их раздела. Они могут быть, по меньшей мере, частично выполнены цельно. Закрепление лопаток является необратимым. Лопатки 24 первого ряда выполнены цельно с кольцевой стенкой 42. Этот вариант осуществления исключает колебания между лопатками 24 первого ряда и стенкой 42 барабана 40.

Кроме того, такой способ закрепления лопаток упрощает выполняемую механическую обработку, поскольку изготовление кольцевой полки 46 и любой ножки 60 проще, чем получение кольцевого паза или нескольких осевых пазов. Действительно, паз должен быть вырезан в целом в недоступной области небольшим инструментом, что увеличивает время производства. Альтернативно осевой паз можно обработать протяжкой. Однако для этого способа снятия материала необходима дорогостоящая оснастка и он походит не для всех типов барабанов.

Стенка 42 барабана непосредственно выше по потоку и ниже по потоку от первого ряда лопаток 24 содержит, по меньшей мере, часть 64 по существу постоянной толщины или осевой кольцевой стык 64 предпочтительно с двумя частями по существу постоянной толщины 64. Каждая часть 64 с постоянной толщиной проходит в осевом направлении от кольцевой полки 46 ко второму ряду лопаток 26 или к третьему ряду лопаток 28. Кольцевая полка 46 выступает в радиальном направлении от части 64 с постоянной толщиной. Части 64 с постоянной толщиной образуют кольцевое пространство между первым рядом лопаток 24 и вторым рядом лопаток или третьим рядом лопаток 28, при этом кольцевое пространство выходит наружу в радиальном направлении. Они предназначены для размещения внутренних кожухов статора.

Стенка 42 содержит две части 65, которые проходят в целом в радиальном направлении. Они проходят от кольцевой полки 46 вовнутрь. Они могут быть расположены на каждом из осевых краев кольцевой полки 46. Таким образом, стенка может иметь в целом π-образный профиль. Профили радиальных участков проходят в целом перпендикулярно профилю кольцевой полки 46.

Кольцевые ребра 44 расположены на частях 64 с постоянной толщиной. Каждый набор ребер содержит несколько ребер 44. На каждой стороне кольцевой полки 46 наблюдаются постепенные уменьшения наружных радиусов от края кольцевой полки 46, ребер 44 и наружных поверхностей (56, 58) кольцевых пазов. Вершины этих элементов образуют лестницу. Такая конфигурация позволяет фиксировать оснащенные лопатками статоры на обеих сторонах первого ряда лопаток 24, а затем собирать второй ряд 26 и третий ряд 28.

На фиг. 3 показаны лопатки 32 и внутренний кожух 36 двух статоров выше и ниже по потоку, соответственно, первого ряда лопаток 24. На фиг. 3 пунктирными линиями также показаны эти статоры в промежуточном положении во время осевой сборки вокруг барабана.

Кольцевая стенка 42 барабана содержит кольцевые элементы 66 жесткости. Кольцевые элементы 66 жесткости могут содержать кольцевые фланцы, которые проходят в радиальном направлении вовнутрь. Эти фланцы расположены в осевом направлении на концах кольцевой полки 46, предпочтительно в радиальном направлении радиальных участков 65.

Обычно барабан обрабатывают точением, начиная с необработанной заготовки в форме барабана, стенки которой составляют законченный барабан. Заготовка барабана должна в радиальном направлении охватывать наружные поверхности кольцевых пазов 54, кольцевой полки 46, внутренних элементов 66 жесткости и любую ножку 60 лопатки. В зависимости от обстоятельств он может содержать первый ряд лопаток 24 по всей радиальной высоте.