Результат интеллектуальной деятельности: КОЛЕСО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ОБОРУДОВАННОЕ СИСТЕМОЙ ЛОПАТОК

Предлагаемое изобретение относится к оборудованному системой лопаток рабочему колесу газотурбинного двигателя, содержащему лопатки, располагаемые в канале конической формы и удерживаемые в периферийной кольцевой канавке указанного рабочего колеса при помощи узлов крепления молоткообразной формы, причем каждая из упомянутых лопаток дополнительно содержит платформу, наружная в радиальном направлении поверхность которой ограничивает канал потока газов и внутренняя в радиальном направлении поверхность которой представляет переднее по потоку ребро жесткости и заднее по потоку ребро жесткости, располагающиеся в плоскостях, перпендикулярных оси вращения данного рабочего колеса, и располагающиеся рядом, соответственно, переднее по потоку кольцо и заднее по потоку кольцо, сформированные на периферийной части данного рабочего колеса по одну и по другую стороны от упомянутой кольцевой канавки для обеспечения герметичности в этих зонах.

В турбореактивных двигателях с высокой степенью двухконтурности радиус канала первичного газового потока уменьшается в направлении спереди назад по потоку в компрессоре низкого давления. Конусность этого канала является существенной на уровне последних ступеней компрессора. Лопатки последних ступеней компрессора располагаются наклонно в канале по отношению к плоскости, перпендикулярной к оси вращения компрессора, то есть наклонно по отношению к радиальному направлению центробежных усилий.

Предлагаемое изобретение относится, в частности, к оборудованным системой лопаток рабочим колесам описанного выше типа, в которых лопатки удерживаются при помощи узлов крепления молоткообразной формы в периферийной кольцевой канавке рабочего колеса, ограниченной передней по потоку кромкой и задней по потоку кромкой, поверхности которых, соединенные с донной частью канавки, образуют опорные поверхности, в которые упираются боковые поверхности хвостовиков лопаток в процессе функционирования данного газотурбинного двигателя, причем указанные опорные поверхности воспринимают усилия реакции, результирующая которых предпочтительно располагается в плоскости центробежных усилий, прикладываемых к указанным лопаткам.

Для получения вышеуказанного результата в патенте ЕР 0695856 предлагается асимметричный молоткообразный узел крепления лопатки, то есть узел крепления, в котором угол опорной поверхности передней по потоку кромки, которая имеет наибольший диаметр по отношению к плоскости, перпендикулярной к оси вращения двигателя, превышает угол, образованный между опорной поверхностью задней по потоку кромки и упомянутой плоскостью. На фиг.4В указанного патента показано соединение лопатки с рабочим колесом в том случае, когда лопатка, подвергающаяся значительному осевому воздействию вследствие удара осколка, попавшего в данный газотурбинный двигатель, имеет тенденцию к повороту вокруг центра вращения С, располагающегося на переднем по потоку конце опорной поверхности задней по потоку кромки. Вследствие особенностей такой конструкции кольцевой канавки и хвостовика лопатки указанная лопатка может выйти из зацепления с рабочим колесом в случае сильного удара.

В патенте US 5271718 описаны лопатки с симметричным узлом крепления молоткообразного типа, которые содержат платформы, имеющие на их внутренней в радиальном направлении поверхности ребра жесткости, которые проходят в окружном направлении и в осевом направлении и которые предназначены для устранения вибрационных резонансов, причем два из указанных окружных ребер жесткости взаимодействуют с кольцами, образованными на периферийной части данного рабочего колеса, для обеспечения герметичности в этих зонах. Осевая толщина указанных ребер жесткости, по существу, равна толщине колец.

В данном патенте США показано, что осевые ребра жесткости, сформированные на внутренней в радиальном направлении поверхности платформ, имеют высоту, меньшую, чем высота ребер жесткости, взаимодействующих с упомянутыми кольцами. В случае значительного осевого воздействия ребро жесткости, располагающееся сзади по потоку, воспринимает преобладающую часть создаваемых усилий и может сдвигаться в осевом направлении на заднем по потоку кольце, что может вызвать высвобождение лопатки в результате ее отсоединения от рабочего колеса.

Кроме того, в случае направленного в тангенциальном направлении воздействия концы указанных ребер жесткости могут сдвигаться на упомянутых кольцах, что, в отсутствие разъединения и высвобождения данной лопатки, может привести к надвиганию друг на друга располагающихся рядом кромок двух соседних лопаток.

Указанные нарушения нормального расположения лопаток могут происходить, в частности, в оборудованном системой лопаток рабочем колесе турбореактивного двигателя, упомянутом во вводной части данного описания, в котором лопатки располагаются в канале конической формы.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке модифицированной конструкции лопатки, позволяющей устранить отмеченные выше недостатки.

Поставленная задача в соответствии с предлагаемым изобретением решается за счет того, что толщина заднего по потоку ребра жесткости в осевом направлении превышает толщину заднего по потоку кольца. Такое техническое решение позволяет обеспечить плоскую и однородную поверхность контакта между ребром жесткости и кольцом рабочего колеса, которое в случае необходимости представляет собой кольцевую канавку, предназначенную для размещения в ней уплотнительной прокладки.

В соответствии с другой предпочтительной характеристикой предлагаемого изобретения толщина переднего по потоку ребра жесткости в осевом направлении превышает толщину переднего по потоку кольца.

Предпочтительно, чтобы высота упомянутых ребер жесткости являлась достаточно большой для того, чтобы ограничить возможность надвигания платформ друг на друга.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры, в числе которых:

фиг.1 изображает вид в разрезе по плоскости, содержащей ось вращения данного двигателя, соединения лопатки с рабочим колесом в соответствии с предлагаемым изобретением, причем упомянутая лопатка располагается в коническом канале, и узел ее крепления представляет собой асимметричный узел молоткообразного типа;

фиг.2 - вид в перспективе снизу двух примыкающих друг к другу лопаток 1а и 1b.

На фиг.1 схематически представлена лопатка 1, хвостовик 2 которой в форме ласточкиного хвоста содержит переднюю по потоку боковую поверхность 3а и заднюю по потоку боковую поверхность 3b, которые упираются в опорные поверхности 4а, 4b внутренних сторон передней по потоку кромки 5 и задней по потоку кромки 6, которые определяют кольцевую канавку 7, выполненную на периферийной части рабочего колеса 12, и донная часть 8 которой соединяется с упомянутыми опорными поверхностями 4а и 4b при помощи закругленных поверхностей 9а и 9b соответственно.

В случае значительных осевых воздействий, оказываемых при ударе осколка на аэродинамическую часть лопатки 1, последняя имеет тенденцию поворачиваться вокруг переднего по потоку конца С опорной поверхности 4b задней по потоку кромки 6. При этом конец 10 пятки 11 хвостовика лопатки 1, наиболее удаленный от центра вращения С, стремится описывать траекторию в виде геометрической окружности С.

Следует отметить, что лопатка 1 располагается в коническом канале, то есть передняя по потоку кромка 5 имеет диаметр, превышающий диаметр задней по потоку кромки 6, и опорные поверхности 4а и 4b образуют с плоскостью, перпендикулярной к оси вращения рабочего колеса 2, различные углы.

Рабочее колесо 12 имеет в своей передней по потоку части первое радиальное расширение 20, имеющее небольшую толщину в осевом направлении, называемое передним по потоку кольцом, а в своей задней по потоку части - второе радиальное расширение 21, называемое задним по потоку кольцом, которое содержит кольцевую канавку 22, предназначенную для размещения в ней уплотнительной прокладки, не показанной на приведенных фигурах.

Переднее по потоку кольцо 20 и заднее по потоку кольцо 21 содержат цилиндрические периферийные поверхности 20а и 21а, представляющие собой поверхности вращения вокруг оси вращения рабочего колеса 12.

Между хвостовиком 2 и аэродинамической частью лопатки 2 предусмотрена платформа 30, наружная в радиальном направлении поверхность 30а которой ограничивает конический канал потока газов и внутренняя в радиальном направлении поверхность 30b которой содержит переднее по потоку ребро жесткости 32 и заднее по потоку ребро жесткости 33, которые проходят в окружном направлении в непосредственной близости от периферийных поверхностей 20а и 21а переднего по потоку кольца 20 и заднего по потоку кольца 21.

Ребра жесткости 32 и 33 имеют, в частности, участки цилиндрических поверхностей вращения, соответственно 32а и 32b, вокруг оси вращения рабочего колеса 1, которые перекрывают периферийные поверхности 20а и 21а переднего по потоку кольца 21 и заднего по потоку кольца 22, и ширина которых в осевом направлении превышает ширину периферийных поверхностей 20а и 21а.

В случае осевого воздействия на лопатку 1 вследствие удара попавшего в данный двигатель осколка лопатка 1 имеет тенденцию поворачиваться вокруг точки С. Такое воздействие влечет за собой позитивный упор заднего по потоку ребра жесткости 33 в заднее по потоку кольцо 21.

Поскольку поверхность 32b является цилиндрической и достаточно широкой в осевом направлении, она не имеет возможности сдвигаться на периферийной поверхности 21а кольца 21. Такое конструктивное решение не позволяет хвостовику лопатки 2 выйти из кольцевой канавки 7, поскольку оно ограничивает возможный ход лопатки 1.

В случае значительного механического воздействия в тангенциальном направлении концы двух ребер 32 и 33 оказываются в позитивном упоре в периферийные поверхности 20а и 21а переднего по потоку кольца 20 и заднего по потоку кольца 21.

Ширина поверхностей 32а и 33а рассчитывается таким образом, чтобы имелась достаточная опора на кольцах 20 и 21 во всем диапазоне возможных перемещений лопатки 1 в процессе функционирования данного турбореактивного двигателя.

Высота ребер жесткости 32 и 33 рассчитывается таким образом, чтобы при любом возможном перемещении примыкающих друг к другу лопаток вследствие механического воздействия на них в тангенциальном направлении примыкающие друг к другу края платформ 30 двух последовательно расположенных лопаток 1а и 1b не имели возможности надвигаться друг на друга так, как это показано на фиг.2.

На фиг.2 схематически показаны лопатки 1а и 1b, которые дополнительно содержат дополнительные ребра жесткости, располагающиеся между передним по потоку ребром жесткости 32 и задним по потоку ребром жесткости 33.

Указанная лопатка может также содержать ребра жесткости, ориентированные в осевом направлении, без выхода за рамки предлагаемого изобретения.