СЕКТОР СТАТОРА ТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, КОМПРЕССОР ТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, СОДЕРЖАЩИЙ ВЫШЕУКАЗАННЫЙ СЕКТОР, ТУРБИНА ТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2012 года по МПК F01D11/00 F01D9/04 F04D29/54 

Область техники

Настоящее изобретение относится к сектору лопатки статора турбинной установки, содержащему сектор внутреннего кольца, сектор внешнего кольца и множество лопаток, соединяющих сектор внутреннего кольца с сектором внешнего кольца; при этом между двумя следующими друг за другом лопатками сектора внешнего кольца или сектора внутреннего кольца имеются выполненные в радиальном направлении под углом или иным образом разрезы, которые делят сектор на элементарные сегменты, количество которых равно числу лопаток.

Турбинные установки серийного производства включают в себя, как правило, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления.

Компрессоры и турбины содержат много рядов регулируемых лопаток, устанавливаемых по окружности с определенным интервалом и разделяемых рядами неподвижно закрепленных лопаток. В современных турбинных установках спрямляющие аппараты и направляющие сопловые аппараты испытывают значительные динамические нагрузки. Действительно, развитие техники позволяет уменьшить количество ступеней и сохранить при этом такие же технические характеристики или даже улучшить их, что проявляется в увеличении удельных нагрузок на каждую ступень. С другой стороны, в результате развития технологических процессов производства уменьшается количество деталей, что в свою очередь ведет к снижению амортизирующего эффекта, возникающего на стыке между деталями. Таким примером, в частности, является попытка применения технологии припаивания плавкой истираемой вставки, которая устраняет важный источник рассеяния вибрационной энергии.

Известен (заявка US 6 343, 912) агрегат лопаток статора, который включает в себя внешнюю кольцевую конструкцию, внутреннюю кольцевую конструкцию и комплект отдельных лопаток, соединяющих внешнюю и внутреннюю конструкции. Лопатки содержат внутреннюю и внешнюю площадки, которые образуют, соответственно, внешнюю плоскость обтекания и внутреннюю плоскость обтекания. Комплект внутренних лент и комплект внешних лент закрывают комплекты между площадками. Ленты крепятся при помощи соответствующего клеящего вещества, в том числе прокладки, вулканизованной при комнатной температуре.

Вместе с тем в данном агрегате лопатки представляют собой отдельные детали и не образуют единое целое с внутренним кольцом и внешним кольцом. С точки зрения производства это является недостатком, поскольку приводит к увеличению количества деталей, задействуемых в сборочном процессе.

Задачей настоящего изобретения является разработка сектора спрямляющего аппарата и сектора направляющего соплового аппарата, позволяющих устранить эти недостатки. Задачей изобретения является также улучшение рассеяния вибрационной энергии без увеличения количества деталей, что является преимуществом при производстве.

Задача, согласно настоящему изобретению, решается тем, что предложен сектор лопатки статора турбинной установки, содержащий сектор внутреннего кольца, сектор внешнего кольца и множество лопаток, соединяющих сектор внутреннего кольца с сектором внешнего кольца, при этом между двумя следующими друг за другом лопатками сектора внешнего кольца или сектора внутреннего кольца имеются разрезы, которые выполнены в радиальном направлении и делят сектор на элементарные сегменты, количество которых равно числу лопаток, отличающийся тем, что в контуре выполненных в радиальном направлении разрезов предусмотрены гнезда, в которых располагаются амортизирующие пластинки, причем пластинки включают в себя, по меньшей мере, один слой вязкоупругого вещества, и каждый слой вязкоупругого вещества размещается между двумя слоями металла.

Целесообразно, чтобы амортизирующие пластинки устанавливались в гнездах со свободной посадкой.

Целесообразно, чтобы амортизирующие пластинки в гнездах предварительно напрягались.

Целесообразно также, чтобы гнезда располагались преимущественно перпендикулярно разрезам, выполненным в радиальном направлении.

Целесообразно также, чтобы амортизирующие пластинки имели различные геометрические формы, в том числе букв Н, U, Z, S и Х, а также форму шпильки или волнообразную форму.

Еще одним объектом является компрессор турбинной установки, содержащий, по меньшей мере, один вышеуказанный сектор.

Еще одним объектом является турбина турбинной установки, содержащая, по меньшей мере, один вышеуказанный сектор.

Еще одним объектом является турбинная установка, содержащая вышеуказанный компрессор и/или вышеуказанную турбину.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения станут более понятными после ознакомления с приводимым описанием примера его осуществления, приводимым со ссылками на фигуры чертежей, в числе которых:

- Фиг.1 изображает вид в разрезе турбореактивного двигателя;

- Фиг.2 - общий вид сектора спрямляющего аппарата компрессора согласно настоящему изобретению;

- Фиг.3 - детальный вид в изометрии сектора, представленного на фиг.2;

- Фиг.4 - другой детальный вид в изометрии сектора, показанного на фиг.2, демонстрирующего приспособление удержания пластинок относительно оси;

- Фиг.5 - общий вид одного из вариантов выполнения сектора согласно настоящему изобретению;

- Фиг.6 - график, иллюстрирующий динамическую реакцию приспособления на воздействие;

- Фиг.7-14 представляют изображения различных геометрических форм пластинок.

На фиг.1 изображен авиационный турбореактивный двигатель 100, к которому относится настоящее изобретение. Он включает в себя (если следовать от передней к задней части): компрессор низкого давления 110, компрессор высокого давления 112, кольцевую камеру сгорания 114, турбину высокого давления 116 и турбину низкого давления 118.

На фиг.2 показан вид сектора спрямляющего аппарата компрессора. Для уменьшения количества деталей данный сектор отлит, как единая деталь. Он содержит сектор внутреннего кольца 4, сектор внешнего кольца 6 и лопатки 8, соединяющие сектор внутреннего кольца 4 с сектором внешнего кольца 6. Слой 9, представленный истираемым материалом, вязкоупругими или клеящими веществами (в зависимости от типа спрямляющего аппарата), жестко соединяется с внутренним кольцом 4. Сектор внутреннего кольца 4 изготовлен как единая деталь, в то время как сектор внешнего кольца 6 содержит выполненные в радиальном направлении разрезы 10, которые располагаются между двумя следующими одна за другой лопатками и делят сектор на элементарные сегменты 12, количество которых равно числу лопаток. Разрезы 10 выполняются, например, методом электроэрозионной обработки после изготовления моноблочной детали. Они образуют щель толщиной приблизительно в 1 мм, которая располагается почти на осевой линии между двумя лопатками. Затем аналогичным способом выполняется вторая операция, но в направлении, перпендикулярном щелям 10, с целью изготовить гнезда 14, которые состоят из двух половинок. В рассматриваемом примере гнездо 14 расположено перпендикулярно выполненным в радиальном направлении разрезам 10. Вместе с тем данная характеристика не является основной, и гнезда могут и не располагаться перпендикулярно выполненным в радиальном направлении разрезам 10.

На фиг.3 изображен детальный вид, выполненный с самым большим увеличением, щелей 10 и гнезд 14. В каждом гнезде располагается тонкая амортизирующая пластинка 16. При этом каждая пластинка 16 имеет две поверхности соприкосновения: одну - с элементарным сегментом 12а, другую - с элементарным сегментом 12b. Таким образом, при вибрации лопаток 8 движения каждого сегмента приводят к возникновению вынужденного перемещения между ними и пластинкой на уровне поверхностей соприкосновения. Пластинка в результате перепада давления, возникающего между аэродинамической проточной частью и внешней средой, прижимается к поверхностям соприкосновения в результате приложения средних усилий, которые определяются данным перепадом давления.

На фиг.4 представлен вид в изометрии внешнего кольца 6 сектора, изображенного на фиг.1. На данной фигуре чертежа показано приспособление удержания относительно оси пластинок 16. Каждая пластинка 16 располагается под частями кожуха турбинной установки 17 и 18 таким образом, что она оказывалась неподвижно закрепленной по оси.

На фиг.5 изображен общий вид варианта изготовления сектора спрямляющего аппарата компрессора согласно настоящему изобретению. В данном варианте сектор внешнего кольца 6 выполнен как единая деталь, в то время как сектор внутреннего кольца 4 содержит между двумя следующими друг за другом лопатками 8 выполненные в радиальном направлении разрезы 10, которые делят сектор на элементарные сегменты 12, количество которых равно числу лопаток. Слой 9, изготовленный из истираемого материала, упруговязких или клеящих веществ, также делится на элементарные сегменты выполненными в радиальном направлении разрезами 10. В контуре выполненных в радиальном направлении разрезов 10 предусмотрено наличие гнезд 14. Амортизирующие пластинки 16 размещаются в гнездах 14.

На фиг.6 представлен график, иллюстрирующий динамическую реакцию приспособления на воздействие. Цифрой 20 обозначена реакция приспособления в случае отсутствия амортизирующих пластинок, а цифрой 22 - реакция приспособления при наличии приклеенных пластинок. В процессе эксплуатации приспособление проходит через бесконечное множество неустойчивых состояний, которые заключены соответственно между кривыми 20 и 22, т.е последовательно меняющихся состояний, в которых пластинка остается приклеенной или когда она скользит относительно поверхности гнезда. Таким образом, удается добиться нелинейного коэффициента жесткости, зависящего от амплитуды вибрации. Когда амплитуда вибрации повышается, пластинка отклеивается. При понижении амплитуды вибрации пластинка приклеивается к поверхности гнезда под воздействием разницы давления между двумя поверхностями.

Принцип функционирования основывается на введении нелинейности жесткости в динамическое состояние конструкции. Данная нелинейность возникает с порогового уровня вибрации всей конструкции приспособления. Такая вибрационная активность приводит к возникновению перемещения элементарных сегментов с лопатками относительно амортизирующих пластинок. Подобное относительное перемещение приводит к снижению прилипания и последовательному отклеиванию амортизирующих пластинок. Это выражается в непрерывном изменении в определенных местах степени жесткости приспособления. В связи с этим постоянные изменения соответствующих частот собственных колебаний режимов приводят к сбоям в одном или нескольких режимах, которые вызывают вибрационные явления. Добиться резонанса приспособлений не удается ввиду постоянного изменения динамического состояния приспособления. В результате этого возникает очень значительное уменьшение вибрационных уровней приспособления.

На фиг.7-14 изображены различные варианты геометрических форм амортизирующих пластинок. Показанные на фиг.7 пластинки имеют Н-образную форму, а на фиг.8 - Х-образную форму. Амортизирующие пластинки, изображенные на фиг.9, имеют U-образную, предварительно напряженную геометрическую форму. Другими словами, пластинки 16 обладают эластичностью, благодаря которой они прижимаются к поверхности гнезда. На фиг.10 представлена амортизирующая пластинка, имеющая Z-образную форму, которая также была подвергнута предварительному напряжению, а на фиг.11 - пластинка с формой в виде шпильки, также подвергнутая предварительному напряжению. На фиг.12 показана пластинка, имеющая волнообразную форму и подвергнутая предварительному напряжению, а на фиг.13 - пластинка, имеющая 3-образную форму и также подвергнутая предварительному напряжению. На фиг.14 изображена пластинка типа «сэндвич»: металл - вязкоупругое вещество - металл. Она состоит из двух изготовленных из твердого материала пластинок 23, между которыми размещен слой вязкоупругого вещества 25. Безусловно, можно использовать не один, а несколько слоев, выполненных из эластичного материала. При этом каждый слой вязкоупругого вещества будет размещаться между двумя слоями твердого материала. И наконец, понятно, что амортизирующие пластинки с Х-, U-, Z-, или S-образными формами, в виде шпильки, а также имеющие волнообразную форму в свою очередь могут содержать один или несколько слоев вязкоупругого вещества, размещаемых между двумя слоями, представленными твердыми материалами.

Сектор статора турбинной установки содержит секторы внутреннего и внешнего колец и множество соединяющих их лопаток. Между двумя следующими друг за другом лопатками сектора внешнего или внутреннего кольца имеются разрезы, выполненные в радиальном направлении и делящие сектор на элементарные сегменты по числу лопаток. В контуре выполненных в радиальном направлении разрезов предусмотрены гнезда, в которых расположены амортизирующие пластинки. Пластинки включают в себя, по меньшей мере, один слой вязкоупругого вещества. Каждый слой вязкоупругого вещества размещается между двумя слоями металла. Другие изобретения группы относятся к компрессору и турбине турбинной установки, содержащим, по меньшей мере, один указанный выше сектор статора. Еще одно изобретение относится к турбинной установке, включающей компрессор и/или турбину, указанные выше. Изобретения позволяют снизить вибрацию сектора статора турбинной установки без увеличения количества его деталей. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Сектор статора турбинной установки, содержащий сектор внутреннего кольца (4), сектор внешнего кольца (6) и множество лопаток (8), соединяющих сектор внутреннего кольца (4) с сектором внешнего кольца (6), при этом между двумя следующими друг за другом лопатками (8) сектора внешнего кольца (6) или сектора внутреннего кольца (4) имеются разрезы (10), которые выполнены в радиальном направлении и делят сектор на элементарные сегменты, количество которых равно числу лопаток, отличающийся тем, что в контуре выполненных в радиальном направлении разрезов (10) предусмотрены гнезда (14), в которых располагаются амортизирующие пластинки (16), причем пластинки включают в себя, по меньшей мере, один слой вязкоупругого вещества (25), и каждый слой вязкоупругого вещества размещается между двумя слоями металла (23).

2. Сектор по п.1, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) устанавливаются в гнездах (14) со свободной посадкой.

3. Сектор по п.1, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) подвергнуты предварительному напряжению в гнездах (14).

4. Сектор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что гнезда (14) располагаются перпендикулярно разрезам (10), выполненным в радиальном направлении.

5. Сектор по п.2, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) имеют Н-образную форму.

6. Сектор по п.2, отличающийся тем, что пластинки (16) имеют X-образную форму.

7. Сектор по п.3, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) имеют форму шпильки.

8. Сектор по п.3, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) имеют волнообразную форму.

9. Сектор по п.3, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) имеют U-образную форму.

10. Сектор по п.3, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) имеют Z-образную форму.

11. Сектор по п.3, отличающийся тем, что амортизирующие пластинки (16) имеют S-образную форму.

12. Компрессор турбинной установки, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один сектор по любому из пп.1-11.

13. Турбина турбинной установки, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один сектор по любому из пп.1-11.

14. Турбинная установка, отличающаяся тем, что содержит компрессор по п.12 и (или) турбину по п.13.