СТАТОР ТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, СОДЕРЖАЩИЙ СТУПЕНЬ ВЫХОДНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК, ПРИВОДИМЫХ В ДВИЖЕНИЕ ПОСРЕДСТВОМ РОТАЦИОННОГО ВЕНЦА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЦЕНТРОВКОЙ, КОМПРЕССОР, СОДЕРЖАЩИЙ ВЫШЕУКАЗАННЫЙ СТАТОР, И ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2012 года по МПК F01D17/16 F04D29/56 F01D9/02 

Изобретение относится к статору турбинной установки.

Изобретение может быть использовано в наземных или авиационных турбинных установках, в частности, в авиационных турбореактивных двигателях, и особенно в компрессорах, которыми оснащены такие турбинные установки.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к такому типу турбинных установок, которые содержат статор, включающий в себя картер и, по меньшей мере, одну ступень выходных направляющих лопаток с регулировкой углов их установки. Вышеупомянутые лопатки перемещаются посредством венца приведения в движение, установленного на внешней стороне картера, при этом этот венец соединен с лопатками ступени посредством тяг для обеспечения их одновременного функционирования.

В турбинной установке данного типа статор компрессора содержит, по меньшей мере, одну ступень выходных направляющих лопаток с регулировкой углов их установки, поскольку их положение в проточной части регулируется. Угол атаки лопаток с учетом изменения условий работы турбинной установки может контролироваться посредством системы автоматического регулирования, которая управляет перемещением ротационного венца приведения в движение, установленного с внешней стороны картера и соединенного с вышеупомянутыми лопатками при помощи соответствующих тяг.

Как правило, такой венец приведения в движение содержит радиально регулируемые центрирующие сегментные вкладыши, которые обеспечивают его расположение вокруг картера и эксплуатацию. Каждый центрирующий сегментный вкладыш применяется на определенной линии картера, т.е. на выступе, располагаемом на поверхности картера, при этом выступы изготовляются для того, чтобы их соприкасающиеся поверхности являлись составной частью поверхности цилиндра, ось которого совпадает с осью турбинной установки.

Регулировка сегментных вкладышей, позволяющая обеспечить необходимую соосность венца и картера, носит сложный характер и требует времени. Более того, после выполнения процедуры регулировки возникает необходимость установки зазора в скользящей конструкции - между сегментными вкладышами и выступами - для того, чтобы учитывать явление температурного расширения, которое возникает в процессе работы и приводит к изменениям размеров венца и картера. Венец и картер действительно имеют различные коэффициенты температурного расширения. Более того, в процессе эксплуатации они подвергаются различному температурному воздействию. Такой необходимый рабочий зазор, который может составлять 0,7-0,8 мм, мешает при установке желаемой центровки. В холодном состоянии этот рабочий зазор достигает максимального значения, при этом нарушение центровки венца также является максимальным.

Имеются и другие технические решения. Так, в патенте США №4130375 дается описание венца приведения в движение с перемещением просто по окружности, состоящего из двух накладываемых друг на друга колец. Внутреннее кольцо устанавливается на картере посредством радиально расположенных зажимов; внешнее кольцо, которое крепится к рабочим тягам лопаток, перемещается над внутренним кольцом при помощи роликов. Однако такая система имеет большой вес и габариты.

Настоящее изобретение позволяет существенно улучшить ситуацию по сравнению с приведенными выше техническими решениями, поскольку способно обеспечить в процессе эксплуатации автоматическую центровку венца при помощи не столь громоздкой системы.

Настоящее изобретение относится к вышеуказанному типу статора турбинной установки, содержащему картер и, по меньшей мере, одну ступень выходных направляющих лопаток с регулируемыми углами установки, при этом вышеупомянутые лопатки перемещаются посредством венца приведения в движение, установленного на внешней стороне вышеуказанного картера, а венец соединен с лопатками посредством тяг для обеспечения их одновременного функционирования. При этом в соответствии с изобретением картер содержит соосную, неподвижно закрепленную направляющую, выступающую над внешней поверхностью картера; при этом по окружности на равных удалениях друг от друга расположены, по меньшей мере, три блока роликов, предназначенных для перемещения по вышеупомянутой направляющей; каждый блок роликов соединен с вышеупомянутым венцом посредством радиального направляющего элемента, т.е. каждый блок роликов направляется радиально относительно венца; каждый блок роликов содержит, по меньшей мере, два ролика, которые взаимодействуют с данной направляющей, а каждый вращающийся ролик устанавливается на радиальной оси, причем ось устанавливается непосредственно на вышеупомянутом венце.

Установка оси непосредственно на венце означает, что ось не устанавливается на опоре, которая в свою очередь устанавливается на венце. В связи с этим можно рассматривать два варианта конструкции.

Согласно первому варианту, каждый ролик скользит в радиальном направлении по своей оси, которая крепится на вышеупомянутом венце. Ось может неподвижно устанавливаться на венце и даже образовывать с ним единый элемент.

Согласно второму варианту, каждый ролик взаимосвязан со своей осью, которая устанавливается с возможностью скольжения в рассверленном в венце отверстии и обеспечения радиального относительно венца скольжения ролика вместе с осью. Другими словами, ось способна совершать продольные перемещения в радиальном относительно венца направлении, в то время как ролик может только вращаться, но не способен совершать продольное перемещение, относительно оси.

Для облегчения скольжения оси в рассверленном отверстии венца между рассверленным отверстием и осью преимущественно предусматривается наличие подшипника скольжения или подшипника качения.

Предпочтительно, чтобы между каждым роликом и его осью была установлена система подшипников качения.

Конструкция согласно предлагаемому изобретению позволяет создать венец приведения в движение, обладающий незначительной массой и хорошей центровкой, т.е. соосный с картером. Более того, процесс сборки и регулировки такой конструкции отличается простотой и непродолжителен по времени. Наконец, отсутствует необходимость устанавливать рабочий зазор с учетом существования явления температурного расширения, что обеспечивает хорошую центровку венца независимо от температурного режима в процессе работы, особенно в холодном состоянии.

Конструкция согласно предлагаемому изобретению способна постоянно обеспечивать изначальное качество центровки независимо от температурного режима в процессе эксплуатации, а также материалов, используемых при изготовлении венца и картера. Усиливается также контроль за положением ведущего венца на всех этапах управления.

Для предлагаемой конструкции достаточно минимум трех или четырех блоков роликов, располагаемых по окружности и строго на равном удалении друг от друга.

Придание вращения венцу для приведения в движение осуществляется, как правило, при помощи силовых цилиндров управления путем воздействия в одной или двух точках окружности венца. Благодаря данному изобретению будут прикладываться меньшие усилия, при этом отчасти учитывается имевшее место ранее трение между центровочными сегментными вкладышами и выступами, которое составляло около 30% общего усилия по приведению в движение. Преимущества, которые предоставляет изобретение, могут выражаться в размерах одного или нескольких силовых цилиндров управления или любых других устройств управления.

Следует отметить, что по сравнению с конструкцией, описание которой приведено в патенте США №4130375, существенно уменьшены масса и размеры венца приведения в движение, что объясняется отсутствием внутреннего кольца в конструкции, описание которой приведено в данном патенте.

Целесообразно, чтобы вышеупомянутая направляющая состояла из двух параллельных колец, прикрепленных к картеру, а, по меньшей мере, два вышеупомянутых ролика из каждого блока роликов соприкасались, соответственно, с двумя кольцами. Каждый блок роликов содержит, как правило, более двух роликов, располагаемых как можно более равномерно между кольцами.

Например, два кольца содержат располагаемые напротив друг друга боковые ребра жесткости, при этом блоки роликов, включающие в себя ролики, имеющие, например, двухконическую форму, находятся в зацеплении с вышеупомянутыми боковыми ребрами жесткости.

Согласно другому варианту, данная направляющая представлена единственным кольцом, которое крепится к вышеупомянутому картеру, при этом ролики каждого блока роликов соприкасаются с данным кольцом по обе его стороны.

Как отмечалось выше, придание вращения венцу приведения в движение осуществляется путем воздействия, как правило, на одну или две точки его окружности. Так, поворачивание вокруг оси лопаток с регулируемой посадкой в их гнездах сопровождается трением, которое создает эффект противодействия перемещению. Данное противодействие проявляется на уровне тяг и в некоторых случаях может привести к эллиптической деформации венца, которая сопровождается отклонением (легким) осей от радиального направления. Для решения этой дополнительно возникающей проблемы можно использовать сечение венца для увеличения его прочности (его устойчивости к деформации) и/или свойства материала, из которого изготовлен венец, отдавая предпочтение материалам, обладающим повышенной прочностью. К ним, в частности, можно отнести некоторые композитные материалы на базе волокна из углерода.

Настоящее изобретение относится также к турбинной установке, оснащенной таким статором, в частности, к компрессору.

Сущность предлагаемого изобретения и его преимущества станут более очевидными из описания примера осуществления изобретения, приводимого со ссылками на фигуры чертежей, в числе которых:

Фиг.1 изображает вид поперечного сечения картера, выполненного перпендикулярно оси турбинной установки, а также установки венца приведения в движение вокруг данного картера;

Фиг.2 - вид сбоку в изометрии части венца и картера, показанных на Фиг.1;

Фиг.3 - вид сверху в изометрии части венца и картера, показанных на Фиг.1;

Фиг.4 - вид сверху (с внешней стороны венца внутрь него) части венца и картера, показанных на Фиг.1;

Фиг.5 - вид снизу (изнутри венца наружу) части венца и картера, показанных на Фиг.1.

На Фиг.1 и 2 частично изображен расположенный вокруг оси Х картер 11 турбинной установки, внутри которого установлены регулируемые выходные направляющие лопатки 12. Каждая лопатка 12 содержит ось 14, выступающую за пределы картера 11 и соединенную посредством тяги 16 с венцом приведения 18 в движение, расположенным с внешней стороны картера. На внешней поверхности венца 18 имеются штыри 21, которые жестко соединены с концами тяг 16. Понятно, что вращение венца приведения в движение вокруг оси Х одновременно заставляет вращаться лопатки 12 одного и того же предназначения. В авиационном турбореактивном двигателе угол установки лопаток может регулироваться в зависимости от условий полета.

Изобретение может обеспечить центровку венца приведения 18 в движение, при этом такая центровка не нарушается из-за разницы температурного расширения картера 11 и венца 18.

С этой целью картер 11 содержит (с наружной стороны) неподвижно закрепленную, соосную, кольцевую направляющую 24 (в данном случае одну), прикрепленную к стенке картера и выступающую за пределы его внешней поверхности. По окружности, предпочтительно строго на равном удалении друг от друга устанавливаются, по меньшей мере, три блока роликов 26, которые перемещаются вдоль направляющей 24. Направляющая устанавливается не на всем протяжении движения роликов 26 (см. Фиг.1), а только на тех участках, где она функционально необходима. Направляющая срезается на других участках, что представляет собой существенный выигрыш в весе и облегчает установку блоков роликов. Кроме того, как это можно будет увидеть в дальнейшем, каждый блок роликов 26 попарно соединен с венцом 18 путем радиального расположения направляющих элементов, т.е. каждый блок роликов направляется по радиусу относительно венца, обеспечивая тем самым лучшую автоматическую центровку венца 18 относительно оси Х турбинной установки. Например, предусмотрены четыре блока роликов 26, которые расположены друг от друга с промежутком, равным 90°.

В примере, изображенном на фигурах чертежа, венец 18 составлен из множества закругленных отрезков 38, 39, имеющих по краям неровные ограничивающие плоскости и крепящихся стык в стык, например, методом зачеканки или стягивания болтами, в результате чего образуется кольцевая конструкция (см. Фиг.1). По отрезкам 38 направляются блоки роликов 26.

В рассматриваемом примере направляющая 24 состоит из двух параллельных колец 30а, 30b (составленных из участков колец), которые жестко соединены с картером, при этом блоки роликов 26 приспособлены для перемещения между этими кольцами, точнее, между участками колец соответственно. Более того, два кольца 30а и 30b снабжены расположенными напротив друг друга боковыми ребрами жесткости 32а, 32b, а блоки роликов 26, включающие в себя ролики, имеющие двухконусную форму, находятся в катящемся зацеплении с этими боковыми ребрами жесткости.

В представленном примере каждый блок роликов 26 содержит три ролика 34, имеющих двухконусную форму, при этом каждый ролик устанавливается для вращения вокруг оси 36. Три ролика образуют между собой равнобедренный треугольник. Один из роликов взаимодействует с одним из колец 30а, а два других ролика 34 - с другим кольцом 30b. Для обеспечения вращения роликов между каждым роликом 34 и его осью 36 размещается система подшипников качения. Ролики 34 не могут перемещаться вдоль осей 36.

В соответствии с другим примером выполнения (не показан), оси 36 представляют собой составную часть венца 18.

В представленном примере оси 36 устанавливаются с возможностью скольжения в дополнительных рассверленных отверстиях 40, которые выполняются в венце 18. Эти рассверленные отверстия 40 имеют радиальную направленность, в связи с этим оси 36 также ориентированы по радиусу и совершают радиальное относительно венца 18 скольжение.

Для облегчения перемещения методом скольжения каждой оси 36 в соответствующем рассверленном отверстии между рассверленным отверстием и осью предусматривается наличие подшипника скольжения или подшипника качения.

В качестве подшипника качения преимущественно используется втулка для циркуляции шариков. Может также использоваться обойма шарикового подшипника, устанавливаемая на системе амортизаторов, которая позволяет осуществлять радиальное перемещение данной обоймы шарикового подшипника.

В качестве подшипника скольжения преимущественно используется гильза, размещаемая между рассверленным отверстием и осью. Может также применяться покрытие, наносимое на поверхность рассверленного отверстия и/или на поверхность оси. Материал гильзы и/или покрытия выбирается с учетом слабого коэффициента трения.

Как правило, при повышении температуры в процессе эксплуатации температурное расширение картера 11 оказывается больше, чем у венца 18, при этом увеличение диаметра колец 30а, 30b происходит быстрее, чем диаметра венца 18. Благодаря настоящему изобретению, кольца 30а, 30b приводят вместе с ними в движение ролики 34 и оси 36, которые скользят внутри рассверленных отверстий 40 в направлении наружной стороны венца. Таким образом, центровка венца 18, выполненная перед расширением, сохраняется во время и после расширения.

Статор турбинной установки содержит картер, ступень направляющих лопаток с регулируемыми углами установки, венец приведения в движение и направляющую. Направляющие лопатки перемещаются посредством венца приведения в движение, установленного на внешней стороне картера и соединенного с лопатками посредством тяг. Направляющая выступает над внешней поверхностью картера и неподвижно закреплена на последнем. По окружности венца на равных удалениях друг от друга расположены три блока роликов для перемещения по направляющей. Каждый блок роликов соединен с венцом таким образом, что каждый блок роликов направляется радиально относительно венца. Каждый блок роликов содержит, по меньшей мере, два ролика, взаимодействующие с направляющей, и каждый ролик устанавливается на радиальной оси, установленной непосредственно на венце. Другие изобретения группы относятся к компрессору и турбинной установке, содержащим вышеуказанный статор. Изобретения позволяют обеспечить центровку венца относительно картера без существенного усложнения конструкции статора. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Статор турбинной установки, содержащий картер (11) и, по меньшей мере, одну ступень выходных направляющих лопаток (12) с регулируемыми углами установки, при этом вышеупомянутые лопатки перемещаются посредством венца приведения в движение (18), установленного на внешней стороне вышеуказанного картера, а венец соединен с лопатками (12) посредством тяг (16) для обеспечения их одновременного функционирования, отличающийся тем, что картер (11) содержит соосную, неподвижно закрепленную направляющую (24), выступающую над внешней поверхностью картера; при этом по окружности на равных удалениях друг от друга расположены, по меньшей мере, три блока роликов (26), предназначенных для перемещения по вышеупомянутой направляющей; каждый блок роликов (26) соединен с вышеупомянутым венцом (18) таким образом, что каждый блок роликов направляется радиально относительно венца; каждый блок роликов (26) содержит, по меньшей мере, два ролика (34), которые взаимодействуют с данной направляющей (24), и каждый вращающийся ролик устанавливается на радиальной оси (36), причем данная ось устанавливается непосредственно на вышеупомянутом венце (18).

2. Статор по п.1, в котором каждый ролик радиально скользит на своей оси, при этом данная ось закреплена на венце.

3. Статор по п.1, в котором каждый ролик (34) жестко соединен со своей осью (36), при этом данная ось располагается и скользит внутри рассверленного отверстия (40), выполненного в венце (18), и обеспечивает совместное скольжение ролика и оси в радиальном направлении относительно венца.

4. Статор по п.3, в котором венец (18) содержит подшипник скольжения, установленный между отверстием (40) и осью (36) и служащий для улучшения скольжения оси.

5. Статор по п.3, в котором венец (18) содержит подшипник качения, установленный между отверстием (40) и осью (36) и служащий для улучшения скольжения оси.

6. Статор по п.1, в котором между каждым роликом (34) и его осью (36) устанавливается система подшипников качения.

7. Статор по п.1, в котором направляющая (24) состоит из двух параллельных колец (30а, 30b), жестко соединенных с картером (11), а, по меньшей мере, два ролика (34) каждого блока роликов (26) соответственно соприкасаются с двумя кольцами.

8. Статор по п.7, в котором два кольца (30а, 30b) снабжены расположенными напротив друг друга боковыми ребрами жесткости (32а, 32b), а блоки роликов (26) содержат ролики (34), имеющие двухконусную форму и находящиеся во взаимодействии с вышеуказанными боковыми ребрами жесткости.

9. Статор по п.1, в котором направляющая (24) состоит из единого кольца, жестко соединенного с картером (11), причем ролики каждого блока роликов соприкасаются с кольцом с обеих его сторон.

10. Статор по п.1, в котором венец (18) приведения в движение изготовлен из композитных материалов на базе волокна из углерода.

11. Компрессор, содержащий статор по любому из пп.1-10.

12. Турбинная установка, содержащая статор по любому из пп.1-10.