Патент на изобретение №2272180

(54) ЛОПАСТЬ ВЕНТИЛЯТОРА С СОГЛАСОВАННОЙ ПЛАТФОРМОЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится в основном к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к их вентиляторам. Лопасть (12) вентилятора содержит аэродинамическую поверхность (18), имеющую хвостовик (26), и выполненную за одно целое платформу (20). Платформа включает передний и задний края (34, 36) и дугообразные первую и вторую стороны (38, 40) между ними. Хвостовик аэродинамической поверхности смещен в поперечном направлении ближе к первой стороне платформы, чем ко второй стороне. Ударные нагрузки на последующую лопасть во время разрушения с отрывом лопасти распределяются соответствующим образом для уменьшения максимальной нагрузки на последующую лопасть и ее повреждения. 3 н. и 7 з.п.ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится в основном к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к их вентиляторам.

Пассажирское воздушное судно обычно оснащается турбовентиляторными газотурбинными двигателями. Ряд больших лопастей вентилятора установлен на диске ротора внутри кольцевой гондолы. Двигатель вращает вентилятор, создающий тягу для приведения в движение воздушного судна во время полета.

Лопасти вентилятора первыми встречают окружающий воздух, и они подвержены повреждению инородными предметами, вызванному, например, засасыванием птиц во время полета. Лопасти вентилятора относительно большие и создают значительную центробежную силу, когда они вращаются во время работы. При разрушении даже одной лопасти вентилятора, в результате которой лопасть отделяется от опорного диска, эта лопасть выбрасывается радиально наружу из двигателя.

Соответственно корпус вентилятора, окружающий группу лопастей вентилятора, обычно содержит защитный экран для удержания лопасти, который поглощает энергию выбрасываемой лопасти и удерживает лопасть, которая, иначе, была бы отделена от двигателя.

При таком виде разрушения с отрывом лопасти лопасть выбрасывается практически мгновенно, однако в течение малого интервала времени она находится в пределах направления вращательного движения последующих или расположенных за ней лопастей из ряда лопастей. Выбрасываемая лопасть затем сталкивается с последующей лопастью, вызывая ее повреждение.

Отделение выбрасываемой лопасти создает дисбаланс ротора и соответствующие нагрузки при дисбалансе, которым необходимо оказать соответствующее противодействие опорной конструкцией. Дополнительное повреждение одной или нескольких последующих лопастей также может оказать влияние на дисбаланс ротора и привести к значительным вторичным повреждениям.

Следовательно, желательно создать газотурбинный двигатель с уменьшенными повреждениями в результате такого вида разрушения с отрывом лопасти.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения создана лопасть вентилятора, содержащая: аэродинамическую поверхность, имеющую хвостовик, присоединенный с выполнением за одно целое к платформе; причем платформа имеет передний и задний края и дугообразные первую и вторую стороны, проходящие между ними; и хвостовик аэродинамической поверхности смещен в поперечном направлении ближе к первой стороне платформы, чем ко второй стороне.

Предпочтительно, аэродинамическая поверхность включает переднюю и заднюю кромки, проходящие от хвостовика до ее вершины, и противоположные стороны повышенного давления и разрежения, проходящие между ними; и вторая сторона платформы согласуется по профилю с первой стороной аэродинамической поверхности.

Предпочтительно, вторая сторона платформы согласуется со стороной повышенного давления аэродинамической поверхности между ее хвостовиком и серединой размаха аэродинамической поверхности.

Предпочтительно, вторая сторона платформы согласуется со стороной повышенного давления аэродинамической поверхности ближе к хвостовику, чем к середине размаха.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения создан вентилятор, содержащий множество лопастей, отходящих радиально наружу от диска ротора; причем каждая лопасть содержит: аэродинамическую поверхность, имеющую переднюю и заднюю кромки, проходящие от хвостовика до вершины, при этом противоположные стороны повышенного давления и разрежения проходят между ними; платформу, присоединенную с выполнением за одно целое к аэродинамической поверхности в хвостовике и имеющую передний и задний края и дугообразные первую и вторую стороны, проходящие между ними; и хвостовик аэродинамической поверхности смещен в поперечном направлении ближе к первой стороне платформы, чем ко второй стороне.

Предпочтительно, вторая сторона платформы согласуется по профилю со стороной повышенного давления аэродинамической поверхности примыкающей одной из лопастей.

Предпочтительно, каждая из аэродинамических поверхностей закручивается от хвостовика к вершине; и вторая сторона платформы согласуется с примыкающей стороной повышенного давления аэродинамической поверхности как около хвостовика аэродинамической поверхности, так и около передней кромки.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения получен способ уменьшения повреждения в вентиляторе во время выбрасывания одной из ряда лопастей вентилятора, установленных на опорном диске, включающий: смещение аэродинамических поверхностей лопастей по окружности от их соответствующих вторых задних сторон выполненных за одно целое платформ; и согласование вторых задних сторон платформы по профилю с соответствующими сторонами повышенного давления последующих по окружности из аэродинамических поверхностей, ближайших к передним кромкам аэродинамических поверхностей, чем к их задним кромкам, для расширения контактных нагрузок между ними во время выбрасывания одной из лопастей под действием центробежной силы.

Предпочтительно, способ дополнительно включает согласование вторых задних сторон платформы со сторонами повышенного давления аэродинамической поверхности около их соответствующих хвостовиков и передних кромок.

Предпочтительно, способ дополнительно включает создание выпуклой кривизны вторых задних сторон платформы для согласования с комплементарно вогнутой кривизной сторон повышенного давления аэродинамической поверхности.

Настоящее изобретение в соответствии с предпочтительными и примерными вариантами выполнения вместе с другими его задачами и преимуществами более детально описывается в следующем подробном описании вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:

на фиг.1 изображен вид с разрезом по оси вентилятора газотурбинного двигателя в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения;

на фиг.2 – радиальный вид спереди части вентилятора, изображенного на фиг.1, с разрезом по линии 2-2;

на фиг.3 – вид сверху с частичным разрезом части вентилятора, изображенного на фиг.2, с разрезом по линии 3-3;

на фиг.4 – вид спереди части лопасти, выбрасываемой на фиг.3, с разрезом по линии 4-4;

на фиг.5 – вид сверху с разрезом выбрасываемой лопасти и примыкающей последующей лопасти, изображенных на фиг.4, по линии 5-5.

На фиг.1 изображена часть вентилятора 10 турбовентиляторного газотурбинного двигателя, установленного для приведения в движение воздушного судна в полете. Вентилятор 10 является осесимметричным относительно продольной оси или осевой линии и содержит множество лопастей 12 вентиляторного ротора, отходящих радиально наружу от опорного диска 14 ротора. Вентилятор расположен внутри кольцевой гондолы, в которой установлен кольцевой защитный экран 16 удержания вентилятора для поглощения энергии и удержания лопастей 12 вентилятора в случае разрушения с отрывом лопасти, при котором лопасть вентилятора отделяется от ее опорного диска.

Каждая лопасть 12, изображенная на фиг.1 и 2, включает аэродинамическую поверхность 18, отходящую радиально наружу от выполненной за одно целое платформы 20 с единой или цельной конструкцией.

Как показано на фиг.2 и 3, каждая аэродинамическая поверхность 18 включает аксиально противоположные переднюю и заднюю кромки 22, 24, проходящие радиально от хвостовика 26 до вершины 28 на противоположных концах ее размаха. Аэродинамическая поверхность также включает первую, в основном вогнутую сторону 30 повышенного давления и противоположную по окружности вторую, в основном выпуклую сторону 32 разрежения, проходящие между передней и задней кромками и хвостовиком и вершиной.

Как лучше всего показано на фиг.3, каждая платформа прикреплена с выполнением за одно целое к аэродинамической поверхности у ее хвостовика 26 и каждая платформа имеет аксиальные переднюю и заднюю кромки или края 34, 36, проходящие между противоположными по окружности первой и второй сторонами или кромками 38, 40, которые являются в основном дугообразными в соответствии с настоящим изобретением.

Также, в соответствии с настоящим изобретением, хвостовик 26 аэродинамической поверхности смещен по окружности или в поперечном направлении ближе к первой стороне 38 платформы, чем ко второй стороне 40 платформы.

Как первоначально показано на фиг.2, диск 14 вращается против часовой стрелки для подачи воздуха 42 между соседними аэродинамическими поверхностями 18. Как показано на фиг.1, воздух 42 протекает по оси к хвостовой части от передней кромки 22 к задней кромке 24 и его давление повышается аэродинамическим профилем аэродинамической поверхности вследствие кривизны или изгиба сторон 30, 32 аэродинамической поверхности.

Как показано на фиг.3, воздух 42 протекает по оси к хвостовой части между соседними аэродинамическими поверхностями 18, когда аэродинамические поверхности вращаются против часовой стрелки на опорном диске, при этом на фиг.3 это движение происходит справа налево. Следовательно, стороны 30 повышенного давления аэродинамической поверхности направляют соответствующие стороны 32 разрежения по окружности во время вращения лопастей с диском. Следовательно, первые стороны 38 платформы определяют передние стороны, которые предшествуют вторым сторонам 40 платформы, которые определяют задние стороны относительно направления вращения лопастей и диска.

На фиг.3 схематически изображен примерный случай отрыва лопасти, при котором одна из лопастей вентилятора отделяется от опорного диска и выбрасывается радиально наружу центробежной силой. Более подробно это изображено на фиг.4, на которой центробежная сила обозначена F и она выбрасывает лопасть вентилятора радиально наружу во время вращения.

Хотя лопасть отделяется от опорного диска, она находится в пределах круговой траектории вращения последующих лопастей до тех пор, пока она не будет полностью выброшена из вентилятора и обычно удержана внутри защитного экрана 16, показанного на фиг.1. Однако во время отделения лопасти, как изображено первоначально на фиг.4, ближайшая примыкающая последующая лопасть ударяется об отделяемую лопасть, как показано более подробно на фиг.5.

Как показано на фиг.4, посредством смещения в поперечном направлении аэродинамических поверхностей 18 к передним сторонам 38 платформ соответствующие задние стороны 40 платформ располагаются ближе к сторонам 30 повышенного давления последующих лопастей. В случае разрушения с отрывом лопасти задняя сторона 40 отделяемой платформы быстрее ударится о сторону 30 повышенного давления последующей аэродинамической поверхности, т.к. она располагается относительно близко к ней.

Этот удар происходит соответственно при относительно меньшем или малом радиусе А, как показано на фиг.4, измеренном от осевой линии вентилятора, который соответствует нижнему краю размаха аэродинамической поверхности, расположенному вблизи платформы. В этом месте аэродинамической поверхности толщина поперечного сечения аэродинамической поверхности относительно большая и она существенно прочнее, чем на внешних точках вдоль размаха, где аэродинамическая поверхность сужается с уменьшенной толщиной.

Таким образом, ударные нагрузки сначала воспринимает более прочная нижняя часть размаха аэродинамической поверхности для уменьшения повреждения от начального удара во время отрыва лопасти.

Как показано на фиг.5, задняя сторона 40 платформы предпочтительно согласуется по осевому дугообразному профилю со стороной 30 повышенного давления аэродинамической поверхности. Таким образом, задняя сторона 40 платформы каждой лопасти согласуется по профилю со стороной 30 повышенного давления аэродинамической поверхности ближайшей примыкающей последующей лопасти, так что в случае разрушения с отрывом лопасти соответствующее место удара относительно протяженное в направлении хорды аэродинамической поверхности для расширения ударных нагрузок и, тем самым, уменьшения повреждения при ударе.

Следовательно, можно добиться значительного уменьшения повреждения вентилятора во время разрушения с отрывом лопасти, при котором одна из ряда лопастей вентилятора выбрасывается радиально наружу от ее опорного диска. Аэродинамические поверхности 18 каждой лопасти 12 смещаются по окружности по направлению вращения и от соответствующих задних сторон 40 выполненных за одно целое платформ 20. Задние стороны 40 платформ дополнительно согласуются по профилю с соответствующими сторонами 30 повышенного давления последующих по окружности аэродинамических поверхностей для осевого расширения контактных нагрузок между ними во время выбрасывания любой одной из лопастей под действием центробежной силы.

Как показано на фиг.4 и 5, задние стороны 40 платформ предпочтительно согласуются по профилю со сторонами 30 повышенного давления аэродинамической поверхности радиально между соответствующими хвостовиками 26 аэродинамических поверхностей и их серединами размаха. Предпочтительно, чтобы согласованный профиль имел место ближе к хвостовику аэродинамической поверхности, где аэродинамическая поверхность толще, чем в середине размаха.

Как показано на фиг.5, сторона 30 повышенного давления аэродинамической поверхности в основном вогнутая между передней и задней кромками 22, 24 и задние стороны 40 платформ предпочтительно комплементарно выпуклые с ними от лопасти к лопасти. Предпочтительно, чтобы задние стороны 40 платформ согласовались со сторонами 30 повышенного давления аэродинамической поверхности ближе к передним кромкам 22, чем к задним кромкам 24.

Как показано на фиг.3, лопасти вентилятора обычно имеют значительную величину угловой закрутки В между их хвостовиками и вершинами. Угол закрутки В определяется между соответствующими линиями хорд сечений вершины и хвостовика, причем вершина 28 аэродинамической поверхности на передней кромке 22 предшествует задней кромке 24 по направлению кругового вращения лопастей. Следовательно, каждая задняя сторона 40 платформы предпочтительно согласуется по профилю или осевой кривизне со стороной 30 повышенного давления аэродинамической поверхности как около соответствующего хвостовика 26 аэродинамической поверхности, так и около передней кромки 22.

На фиг.4 и 5 показан примерный удар задней стороной 40 отделяемой платформы по ближайшей последующей лопасти. Как показано на фиг.5, задняя сторона 40 платформы имеет в основном выпуклую кривизну, предварительно выбранную так, чтобы в основном согласовываться или соответствовать в основном комплементарно вогнутой кривизне стороны 30 повышенного давления аэродинамической поверхности в ожидаемом месте удара. Как указано выше, удар происходит относительно близко к хвостовику аэродинамической поверхности и в первую очередь около передней кромки аэродинамической поверхности, от передней кромки к хвостовой части в основном к середине хорды аэродинамической поверхности.

На фиг.3 более подробно показана аэродинамическая закрутка аэродинамической поверхности, которая приводит к начальному удару участка передней кромки аэродинамической поверхности об отделяемую платформу, причем участок задней кромки аэродинамической поверхности отклонен от направления вращения. Таким образом, маловероятно, что выбрасываемая лопасть нанесет удар по участку задней кромки, и, поэтому хвостовая часть платформы требует меньшей согласованности, если вообще она нужна, по боковому профилю с отходящей хвостовой частью стороны повышенного давления аэродинамической поверхности.

Так как установка лопастей вентилятора, показанных на фиг.3, производится вплотную друг к другу и лопасти вентилятора имеют аэродинамические поверхности с относительно большой закруткой, величина кривизны, с которой могут быть выполнены задние стороны 40 платформ, может быть ограничена возможностью установки индивидуальных лопастей в требуемое положение между соседними лопастями. Профиль задних сторон платформ, поэтому может иметь более пологий контур, чем соответствующий вогнутый контур прилегающей стороны повышенного давления, чтобы прилегающие аэродинамические поверхности не создавали препятствий и помех для сборки.

Если выбран требуемый профиль задней стороны 40 платформы, то затем может быть определен профиль соответствующей передней стороны 38 платформы для согласования с задней стороной 40 платформы ближайшей соседней платформы для получения относительно малого промежутка по окружности между ними для снижения утечки воздуха через них во время работы. Следовательно, определяется форма задней стороны 40 платформы для согласования с ожидаемым местом удара на стороне повышенного давления аэродинамической поверхности, а затем определяется форма комплементарной передней стороны 38 платформы, чтобы она соответствовала задней стороне ближайшей примыкающей платформы.

На фиг.3 схематически изображено, как одна из лопастей 12 вентилятора затем может быть установлена между двумя ранее установленными лопастями вентилятора путем поворота и радиального опускания в требуемое положение между соседними платформами. Ввиду значительной кривизны платформ лопастей процесс сборки может потребовать, чтобы индивидуальные лопасти опускались радиально в требуемое положение в отличие от осевой вставки, как общепринято для лопастей вентилятора.

В предпочтительном варианте выполнения, показанном на фиг.1, диск 14 содержит множество аксиально разнесенных друг от друга кольцевых ободов 44, отходящих наружу от общей втулки 46.

Соответственно каждая лопасть вентилятора также предпочтительно содержит множество опорных анкерных хвостов 48, проходящих радиально внутрь от платформы 20 и непосредственно под соответствующей аэродинамической поверхностью 18. Аксиально разнесенные друг от друга хвосты 48 представляют собой встречно-гребенчатую конструкцию с соответствующими ободами 44 и имеют общее сквозное отверстие, в котором аксиально расположен соответствующий стопорный штифт 50 для прикрепления лопасти к опорным ободам.

Крепление штифта индивидуальных лопастей вентилятора может быть осуществлено любым обычным способом, причем ось сборки аэродинамической поверхности проходит радиально внутрь через смещенную платформу и через соответствующие хвосты для передачи центробежных нагрузок на ободы 44 диска. Это устройство крепления штифта также позволяет иметь значительную кривизну передних и задних сторон 38, 40 платформ без создания помех для установки индивидуальных лопастей на диск.

В альтернативном варианте выполнения (не показан), в котором на лопастях вентилятора можно видеть обычные направляющие типа «ласточкин хвост» с осевой установкой, величина кривизны сторон платформы может быть ограничена возможностью осевой установки направляющих типа «ласточкин хвост» в соответствующие пазы типа «ласточкин хвост», образованные по периметру диска, без создания препятствий дугообразными сторонами платформы.

Исследование отрыва улучшенной лопасти вентилятора с согласованными смещенными платформами проводилось при испытании компонентов и всего двигателя. Как показано на фиг.2 и 4, трещина 52 разрушения образовывалась в хвостах 48 лопасти у соответствующего стопорного штифта 50. Отделение выбрасываемой лопасти при рабочей скорости не приводило к потери материала у любой из последующих лопастей, несмотря на их удар с платформой.

Так как улучшенная платформа эффективно ограничивает повреждение при отрыве лопасти повреждением самой отделяемой лопасти без потери дополнительного материала у ударяемой последующей лопасти, также ограничивается результирующий дисбаланс ротора. Следовательно, могут быть снижены прочностные требования на другие элементы ротора и статора, подверженные нагрузкам при дисбалансе ротора, для уменьшения полного веса и сложности всего двигателя. Улучшенные согласованные платформы со смещением обладают, таким образом, синергическим преимуществом, кроме их непосредственного преимущества.

Хотя были описаны, как представляется, предпочтительные и примерные варианты выполнения настоящего изобретения, для специалиста в этой области техники очевидны другие модификации изобретения, основанные на идеях этого изобретения, и поэтому желательно, чтобы все такие модификации были защищены прилагаемой формулой изобретения как не выходящие за пределы подлинного существа и объема изобретения.

Формула изобретения

1. Лопасть вентилятора, содержащая аэродинамическую поверхность, имеющую хвостовик, присоединенный с выполнением за одно целое к платформе, причем платформа имеет передний и задний края и дугообразные первую и вторую стороны, проходящие между ними; хвостовик аэродинамической поверхности смещен в поперечном направлении ближе к первой стороне платформы, чем ко второй стороне.

2. Лопасть по п.1, в которой аэродинамическая поверхность включает переднюю и заднюю кромки, проходящие от хвостовика до ее вершины, и противоположные стороны повышенного давления и разрежения, проходящие между ними; вторая сторона платформы согласуется по профилю с первой стороной аэродинамической поверхности.

3. Лопасть по п.1, в которой вторая сторона платформы согласуется со стороной повышенного давления аэродинамической поверхности между ее хвостовиком и серединой размаха аэродинамической поверхности.

4. Лопасть по п.2, в которой вторая сторона платформы согласуется со стороной повышенного давления аэродинамической поверхности ближе к хвостовику, чем к середине размаха.

5. Вентилятор, содержащий множество лопастей, отходящих радиально наружу от диска ротора; каждая лопасть содержит аэродинамическую поверхность, имеющую переднюю и заднюю кромки, проходящие от хвостовика до вершины, при этом противоположные стороны повышенного давления и разрежения проходят между ними; платформу, присоединенную с выполнением за одно целое к аэродинамической поверхности в хвостовике и имеющую передний и задний края и дугообразные первую и вторую стороны, проходящие между ними; хвостовик аэродинамической поверхности смещен в поперечном направлении ближе к первой стороне платформы, чем ко второй стороне.

6. Вентилятор по п.5, в котором вторая сторона платформы согласуется по профилю со стороной повышенного давления аэродинамической поверхности, примыкающей одной из лопастей.

7. Вентилятор по п.5, в котором каждая из аэродинамических поверхностей закручивается от хвостовика к вершине и вторая сторона платформы согласуется с примыкающей стороной повышенного давления аэродинамической поверхности как около хвостовика аэродинамической поверхности, так и около передней кромки.

8. Способ уменьшения повреждения в вентиляторе во время выбрасывания одной из ряда лопастей вентилятора, установленных на опорном диске, включающий смещение аэродинамических поверхностей лопастей по окружности от их соответствующих вторых задних сторон выполненных за одно целое платформ; согласование вторых задних сторон платформы по профилю с соответствующими сторонами повышенного давления последующих по окружности из аэродинамических поверхностей, ближайших к передним кромкам аэродинамических поверхностей, чем к их задним кромкам, для расширения контактных нагрузок между ними во время выбрасывания одной из лопастей под действием центробежной силы.

9. Способ по п.8, дополнительно включающий согласование вторых задних сторон платформы со сторонами повышенного давления аэродинамической поверхности около их соответствующих хвостовиков и передних кромок.

10. Способ по п.9, дополнительно включающий создание выпуклой кривизны вторых задних сторон платформы для согласования с комплементарно вогнутой кривизной сторон повышенного давления аэродинамической поверхности.

РИСУНКИ