УЗЕЛ СЕКТОРОВ НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ТУРБИНЫ В КОРПУСЕ Российский патент 2008 года по МПК F01D25/24 

Изобретение относится к узлу секторов направляющего аппарата турбины, несущего неподвижные лопатки, гарантирующего коррекцию потока газа в турбомашине, в корпусе, в котором заключен статор этой машины.

Внешний поток газов из турбомашин ограничен секторами направляющего аппарата и секторами патрубка, которые чередуются вдоль машины и которые установлены друг за другом и на корпусе, в основном за счет перекрытия крюков. Обращаясь к фиг.1, где изображен уже известный узел, отмечаем, что спрямляющий сектор 1 несет пару фланцев 2 и 3 узла, расположенных соответственно спереди и сзади, причем посадка обоих этих фланцев осуществлена посредством концевых крюков 4 и 5, проходящих в продольном направлении машины. Концевой крюк 4, расположенный спереди, размещен на крюке 6 корпуса 7 с помощью пары взаимодействующих опорных поверхностей 8, которые препятствуют центростремительным радиальным перемещениям секторов 1 в машине; концевой крюк 5 другого фланца 3 упирается в радиальном направлении наружу в корпус 7 посредством пары поверхностей 9, а в направлении назад упирается во второй крюк 10 корпуса 7 посредством пары плоских стопорящих поверхностей 11. Вокруг второго крюка 10 и ниже второго концевого крюка 5 расположена зажимная скоба 12, которая также препятствует центростремительным перемещениям секторов 1. Секторы 1 содержат несколько выступов 13, направленных вперед, которые окружают задние части сегментов 14 патрубка, находящихся между ними и первыми крюками.

Этот узел препятствует перемещениям секторов 1, обусловленным радиальными и осевыми нагрузками, которые ориентированы в направлении назад и воздействие которых происходит во время работы турбомашины. Монтаж оказывается не очень удобным, поскольку секторы 1 приходится наклонять в корпусе 7, так что фланец 3, находящийся сзади, заходит во второй крюк 10 перед поворотом их вокруг концевого крюка 4, находящегося спереди, вследствие чего концевой крюк 5 оказывается позади крюков 10, перемещаясь в радиальном направлении наружу. Для осуществления такой сборки необходимо иметь два основных комплекта «ротор-статор» во внутреннем потоке, что негативно сказывается на уплотнениях между ротором и статором. И, наконец, вероятно, самым серьезным недостатком такого узла является сам факт существования крюков 6 и 10, поскольку все они выполнены как единое целое с корпусом 7 и подвергаются значительным механическим и температурным напряжениям, так как находятся рядом с потоком горячих газов. Необходимо изготавливать эти крюки, как и сам корпус 7, из достаточно прочного материала, что не является необходимостью, поскольку корпус подвергается воздействию более низкой температуры; в крюках 6 и 10 могут появляться усталостные трещины, которые будут распространяться вплоть до момента, когда нужно будет заменить весь корпус 7.

Хорошо было бы усовершенствовать конструкцию корпуса, которая является и сложной, и дорогостоящей, одновременно гарантируя более простую установку спрямляющих секторов с получением более жесткого и менее сложного узла. Изобретение удовлетворяет эти потребности. В своей наиболее общей форме оно относится к узлу секторов кольца направляющего аппарата в корпусе, причем эти секторы содержат два фланца, установленные опорными поверхностями на корпус, крюк, который заходит под криволинейный край одного из фланцев для предотвращения центростремительных перемещений секторов, отличающемуся тем, что содержит подвижную концевую пластину, размещенную между фланцами, и средства для крепления этой концевой пластины на корпусе, при этом крюк размещен на концевой пластине, а концевая пластина и корпус содержат плоские опорные поверхности взаимодействия, ориентированные в осевом направлении, причем для крепления содержат установочные штыри, проходящие в радиальном направлении сквозь корпус, и концевая пластина зафиксирована между корпусом и установочными штырями, причем эта концевая пластина имеет направление установки, ориентированное к фланцу, имеющему упомянутый криволинейный край.

Крюк, который является наиболее напряженным элементом узла, теперь можно изготавливать с гораздо большей, свободой, потому что он находится на подвижной концевой пластине и поэтому отделен от корпуса; при необходимости этот крюк можно легко заменить; и, наконец, установку осуществляют посредством линейного перемещения обычной концевой пластины, более простого, чем движение поворота в соединениях секторов.

Узел оказывается очень удобным, если крюк имеет коническую наружную поверхность, по меньшей мере, в центральной зоне под криволинейным краем, скошенную по направлению к фланцу, имеющему упомянутый криволинейный край.

Опорные поверхности фланцев на корпусе содержат две поверхности радиальной ориентации относительно оси вращения турбины и две поверхности осевой ориентации в направлении оси вращения турбины.

Выступающие концы секторов патрубка, примыкающие к спрямляющим секторам, заходят под криволинейный край другого из фланцев и находятся на выступах другого из фланцев.

Следует отметить, что в документах US 3892497 А и US 5618161 А описаны конструкции, при наличии которых секторы направляющего аппарата зафиксированы посредством носителей крюка, который вследствие этого отделен от корпуса, но концевые пластины размещены по-другому и установлены не посредством поступательного движения, а посредством наклона. Они должны быть разделены на секторы, поэтому конструкция аппарата и его узлы остаются сложными.

Помимо вышеупомянутых можно приспособить к достижению поставленной цели другие конструкции, преимущественно те, которые предусматриваются этим изобретением. Различные его аспекты станут лучше понятны после изучения нижеследующего описания чертежей, при этом:

фиг.1 уже описана и характеризует узел, созданный ранее,

на фиг.2 показан узел согласно изобретению, а

на фиг.3 поясняется способ сборки.

Корпус теперь обозначен позицией 21, но его общая форма напоминает форму вышеописанного корпуса, его диаметр уменьшается по направлению к передней части и поэтому его форма имеет небольшую конусность в месте, о котором идет речь в изобретении.

Новые спрямляющие секторы обозначены позицией 20 и содержат, как и прежде, фланцы 22 и 23 спереди и сзади, установленные с помощью концевых крюков 24 и 25, причем оба они загнуты в направлении назад; концевые крюки 24 и 25 в данном случае опираются на корпус 21 посредством взаимодействующих опорных поверхностей 26 и 27, ориентированных в радиальном направлении относительно оси О1-О1 вращения турбины, и посредством плоских опорных поверхностей 28 и 29, ориентированных в осевом направлении относительно оси О1-О1 вращения турбины противоположно друг другу. В отличие от ранее описанной конструкции этот узел значительно устойчивее. Существенным элементом предлагаемого технического решения является концевая пластина 30, также опирающаяся на корпус 21 посредством плоских взаимодействующих поверхностей 31, ориентированных в осевом направлении относительно оси b-b, и несущая на своем краю крюк 32, обращенный вперед и проходящий под концевым крюком 24 первого фланца 22. Концевая пластина 30 простирается на полный оборот. Как и прежде, спрямляющие секторы несут направленный вперед выступ 33 для фиксации соседних секторов 34 патрубка под ними. Можно заметить и другой выступ 35; он находится под вторым концевым крюком 25, а назначением его является опирание секторов 36 патрубка напротив предыдущих.

Установочные штыри 37 проходят с возможностью регулирования сквозь корпус 21 в радиальном направлении относительно оси О1-О1 вращения турбины и удерживают концевую пластину 30 опертой на корпус 21 за счет сцепления с последним с блокировкой пластины в осевом направлении.

Крюк 6 ранее описанного корпуса 7 устранен, его заменяет крюк 32 концевой пластины 30, так что слабое место корпуса 7 исключено. Крюк 10 другого фланца 3 не устранен полностью, поскольку второй концевой крюк 25 расположен позади бурта 19 корпуса 21, что гарантирует те же функции опирания для фланца 23, но при этом следует подчеркнуть, что бурт 19, более массивный и менее выступающий, чем крюк 10, нагружен значительно меньше. Такая модификация крюка 10, присутствовавшего в конструкции, показанной на фиг.1, имела бы ограниченное применение, если бы в ней сохранился крюк 6, который пришлось бы сделать значительно более выступающим, чтобы гарантировать установку спрямляющих секторов 1 за счет осевого перемещения и последующего движения поворота. Суммируя вышеизложенное, отметим, что исключение представлявшего собой крюк 6 слабого места корпуса 7 представляет интерес и должно быть учтено при исключении другого слабого места, представляющего собой крюк 10.

Исключение крюков 6 и 10 или замена их более простыми конструктивными элементами уменьшают механическую нагрузку, а также риск возникновения повреждений в корпусе 21, и одновременно упрощают изготовление предлагаемой конструкции. Ее можно изготовить из материала, менее дорогого, чем материал корпуса 7. Значительному перегреву по-прежнему подвергаются только крюк 32 и его концевая пластина 30, что вынуждает изготавливать их из материала, подходящего для таких условий.

Спрямляющие секторы 20 поднимают посредством чисто радиального перемещения в направлении наружу (фиг.3), обуславливающего скольжение пары опорных поверхностей 28 и 29, которое можно реализовать посредством перемещения концевой пластины 30 вперед до останова у поверхностей 31: посадка крюка 32 осуществляется по его наружной поверхности, одна центральная поверхность 38 которого является, по меньшей мере, конической, скошенной в направлении вперед, что вызывает подъем концевого крюка 24 на эту поверхность 38 по мере продвижения крюка 32. Когда концевой крюк 24 проходит эту поверхность 38, останавливаясь на заднем цилиндрическом участке 39 верхней поверхности крюка 32, спрямляющие секторы 20 оказываются введенными на свое место. Затем - для осевой блокировки концевой пластины 30 - приходится вставлять штыри 37 в предусмотренные для них отверстия.

Перемещение концевой пластины 30 вперед можно реализовать очень легко с помощью специального инструмента, часто применяемого для сборки и разборки турбомашин: подходящий инструмент может представлять собой валик, установленный в корпусе, служащем опорой спрямляющим секторам 1, а также толкатели для оказания нажима на задний участок концевой пластины 30 через отверстия 42, просверленные сквозь другой фланец 23.

Следует подчеркнуть, что одной из основных механических нагрузок, воздействующих на спрямляющие секторы 1 или 20, является усилие, воздействующее на заднюю зону и обуславливаемое потоком воздуха через последнюю. Это усилие передается посредством движения наклона вокруг опорных точек секторов на корпусе 7 или 21 и посредством центробежного радиального усилия на крюк 6 или 32, что делает его уязвимым; однако последовательность разрушения имела бы менее серьезные последствия на крюке 32, чем на крюке 6, поскольку достаточно было бы заменить концевую пластину 30, а не весь корпус 7. Крюк 32 обеспечивает радиальное опирание на внутренние поверхности на секторах 20, почти аналогичное опиранию крюка 6 на секторы 1, поскольку на последних имеется крюк 24, а он создает более жесткий узел, чем крюк 6, даже несмотря на то, что не является единым целым с корпусом 21, за счет удержания крюка 24 прижатым к корпусу 21 опорными поверхностями 26; диаметр заднего участка 39 поверхности крюка 32 можно выбрать так, чтобы гарантировать приложение желаемого усилия нажима в этой точке.

Конусность поверхности 38 всегда позволяет концевой пластине 30 перемещаться беспрепятственно, при этом крюк 32 играет роль части уголка. Узел остается жестким, хотя и становится упрощенным, если секторы 36 патрубка, идущие в направлении назад, содержат выступающий передний конец 43, расположенный на выступе 35 и заводимый на концевой крюк 25 фланца 23 вместо зажимной скобы 12.

Если концевую пластину 30 нужно заменить, то ее легко извлечь, если на месте находятся точки ответвления, например внутренние винтовые резьбы 53, которые обеспечивают захват упомянутой пластины вдоль осей резьбы, реализованных посредством отверстий 42, и извлечение ее путем продвижения назад до тех пор, пока она не отпустит спрямляющие секторы 20.

Должно быть заметно, что концевой крюк 24 первого фланца 22 направлен назад, а крюк 32, с которым собран первый фланец, направлен вперед, в противоположность традиционной компоновке, показанной на фиг.1. Преимущество этого изменения направления, оказавшееся возможным за счет исключения движения поворота во время установки спрямляющих секторов, заключается в том, что крюк 32 и его концевая пластина 30 заключены между фланцами 22 и 23 в объеме, изолированном от воздействия температуры и газов сектором 20 направляющего аппарата.

Узел секторов направляющего аппарата в корпусе турбины содержит два фланца, установленные опорными поверхностями на корпус, крюк, заходящий под криволинейный край одного из фланцев для предотвращения центростремительных перемещений секторов, подвижную концевую пластину, размещенную между фланцами, и средства для крепления этой концевой пластины на корпусе. Крюк размещен на концевой пластине, а концевая пластина и корпус турбины имеют плоские опорные поверхности, ориентированные в направлении оси турбины. Средства для крепления концевой пластины содержат установочные штыри, проходящие в радиальном направлении сквозь корпус турбины. Концевая пластина зафиксирована между корпусом турбины и установочными штырями и устанавливается на корпус турбины по направлению к фланцу, имеющему упомянутый криволинейный край. Другое изобретение группы относится к турбомашине, содержащей указанный узел секторов направляющего аппарата. Предложенная группа изобретений позволяет обеспечить простоту установки секторов направляющего аппарата на корпус турбины с сохранением жесткости соединения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел секторов (20) направляющего аппарата турбины в корпусе (21), причем эти секторы содержат два фланца (22, 23), установленные опорными поверхностями (26, 27, 28, 29) на корпус (21), крюк (32), который заходит под криволинейный край одного из фланцев (22) для предотвращения центростремительных перемещений секторов (20), отличающийся тем, что он содержит подвижную концевую пластину (30), размещенную между фланцами (22, 23), и средства для крепления этой концевой пластины на корпусе, при этом крюк (32) размещен на концевой пластине, а концевая пластина (30) и корпус (21) имеют плоские опорные поверхности (31) взаимодействия, ориентированные в направлении оси, причем средства для крепления концевой пластины содержат установочные штыри (37), проходящие в радиальном направлении сквозь корпус, и концевая пластина зафиксирована между корпусом и установочными штырями, причем эта концевая пластина имеет направление установки, идущее к фланцу (22), имеющему упомянутый криволинейный край.2. Узел по п.1, отличающийся тем, что крюк содержит коническую наружную поверхность, по меньшей мере, на центральном участке под криволинейным краем, сужающуюся по направлению к фланцу (22), имеющему упомянутый криволинейный край.3. Узел по п.1, отличающийся тем, что опорные поверхности фланцев (22, 23) на корпусе (21) содержат две поверхности (26, 27) радиальной ориентации и две поверхности (28, 29) осевой ориентации.4. Узел по п.1, отличающийся тем, что выступающие концы (43) секторов (36) патрубка, примыкающие к спрямляющим секторам (20), заходят под криволинейный край другого из фланцев (23) и находятся на выступах (35) другого из фланцев (23).5. Турбомашина, включающая узел секторов направляющего аппарата турбины, отличающаяся тем, что узел секторов выполнен по любому из пп.1-4.