КЛАПАН РАЗГРУЗКИ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F16K17/02 F02C7/00 F01D17/10 F02K3/75 

Предлагаемое изобретение относится к клапану разгрузки в газотурбинном двигателе, таком, например, как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета.

Клапаны разгрузки обычно устанавливаются на промежуточном кожухе газотурбинного двигателя между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления и располагаются в кольцевом пространстве, проходящем между каналом течения первичного потока и каналом течения вторичного потока (ЕР 1398464 А2).

Указанные клапаны разгрузки равномерно распределяются вокруг продольной оси данного газотурбинного двигателя и каждый из клапанов содержит створку, имеющую возможность перемещаться по отношению к упомянутому промежуточному кожуху между положением перекрытия отверстия, предназначенного для прохождения воздуха и сформированного в этом промежуточном кожухе, и положением открытия этого отверстия. Открытие створок позволяет обеспечить отведение части воздуха из первичного потока в определенных условиях функционирования газотурбинного двигателя, причем воздух либо впрыскивается во вторичный поток, либо питает системы охлаждения или вентиляции компонентов данного газотурбинного двигателя.

В некоторых вариантах реализации створки клапанов разгрузки имеют по существу форму параллелепипедов и соответствующие отверстия, выполненные в промежуточном кожухе, имеют форму, по существу дополняющую форму этих створок. Уплотнительная прокладка герметизации, изготовленная из эластомерного материала и имеющая обычно U-образную форму, проходит вдоль боковых и задней по потоку периферийных кромок каждой створки и предназначена для взаимодействия с соответствующей частью кромки отверстия, выполненного в промежуточном кожухе, для того, чтобы обеспечить герметизацию вокруг этой створки в том ее положении, когда она закрывает упомянутое отверстие.

В существующем уровне техники указанная уплотнительная прокладка закрепляется на створке при помощи пластины, имеющей U-образную форму, которая присоединяется к уплотнительной прокладке и которая закрепляется на створке при помощи заклепок, проходящих сквозь эту уплотнительную прокладку. Таким образом, уплотнительная прокладка удерживается прижатой к периферийной кромке данной створки. При этом створка и упомянутая пластина обычно изготавливаются из металлического материала, например, из алюминия.

Каждая створка содержит средства, обеспечивающие ее поворот и выполненные в виде лапок, которые проходят от передней по потоку концевой части створки наружу в радиальном направлении. Эти лапки содержат на своих внутренних в радиальном направлении концах цилиндрические коаксиальные отверстия, предназначенные для монтажа центрирующих и направляющих подшипников для первой поворотной оси, установленной на промежуточном кожухе и определяющей ось поворота данной створки. Кроме того, эти лапки содержат на их наружных в радиальном направлении концах цилиндрические коаксиальные отверстия, предназначенные для монтажа подшипников, в которые вставляется вторая поворотная ось, установленная на конце рычага, который управляет поворотом данной створки вокруг первой поворотной оси. Подшипники, установленные в отверстиях упомянутых лапок, обычно изготавливаются из стали или из полимерных материалов.

Таким образом, указанный клапан разгрузки содержит относительно большое количество составляющих его элементов (всего двадцать пять элементов, а именно створку, четыре втулки подшипников, уплотнительную прокладку, пластину крепления этой уплотнительной прокладки, девять заклепок и девять перемычек), что обусловливает относительно большую массу и относительно высокую стоимость, причем изготовление и соединение между собой этих различных деталей представляет собой достаточно продолжительные операции.

Задача изобретения состоит в устранении вышеотмеченных недостатков известных устройств достаточно простым, эффективным и экономичным образом.

Для решения этой задачи в изобретении предлагается клапан разгрузки для газотурбинного двигателя, имеющий в своем составе створку, предназначенную для установки с возможностью ее поворота вокруг некоторой оси между положением перекрытия отверстия, предназначенного для прохождения воздуха, и положением открытия этого отверстия, уплотнительную прокладку герметизации, проходящую вдоль, по меньшей мере, части периферийной кромки упомянутой створки, и средства крепления этой уплотнительной прокладки герметизации на периферийной кромке створки, отличающийся тем, что упомянутая створка и упомянутые средства крепления уплотнительной прокладки герметизации изготавливаются из пластического материала и формируются в виде единой детали или жестко прикрепляются друг к другу при помощи сварки или приклеивания.

В соответствии с предлагаемым изобретением створка и средства крепления уплотнительной прокладки герметизации изготавливаются из пластического материала, что позволяет существенным образом снизить массу клапана разгрузки. Достаточно простым образом упомянутые створка и средства крепления могут быть изготовлены в виде одной и той же единой детали. Предпочтительно, чтобы створка и средства крепления уплотнительной прокладки жестко присоединялись друг к другу при помощи сварки, например, при помощи ультразвуковой сварки, или при помощи склеивания материалов этих деталей между собой.

В двух вышеописанных вариантах створка и средства крепления уплотнительной прокладки образуют моноблочный элемент, который обеспечивает крепление уплотнительной прокладки герметизации на створке, не прибегая при этом к использованию дополнительных средств крепления типа заклепок или аналогичных средств.

Реализация створки и средств крепления уплотнительной прокладки из подходящего в данном случае пластического материала обеспечивает еще одно преимущество, состоящие в том, что внутренние цилиндрические поверхности отверстий лапок клапана разгрузки образуют центрирующие и направляющие средства для упомянутых выше первой и второй поворотных осей, что исключает необходимость использования специальных центрирующих и направляющих втулок для этих поворотных осей. В том случае, когда лапки сформированы в виде единой детали со створкой и средствами крепления уплотнительной прокладки герметизации, клапан разгрузки в соответствии с предлагаемым изобретением содержит только два элемента (створку и уплотнительную прокладку герметизации) против двадцати пяти элементов в существующем уровне техники.

Створка и/или средства крепления уплотнительной прокладки герметизации могут быть изготовлены из термопластического материала, усиленного, или не усиленного, волокнами, например, стекловолокном. Упомянутый термопластический материал может представлять собой, например, материал типа РЕЕК (полиэфирэфиркетон) или ULTEM® (полиэфиримид).

Створка и/или средства крепления уплотнительной прокладки могут быть изготовлены путем формования с использованием литья под давлением.

Предпочтительно, чтобы уплотнительная прокладка герметизации отливалась непосредственно на створке.

Предпочтительно также, чтобы уплотнительная прокладка герметизации содержала сквозные отверстия, через которые проходят штыри пластины крепления, причем эти штыри жестко закреплены на створке при помощи приклеивания или присоединения при помощи сварки их свободных концов к створке.

Предпочтительно, чтобы пластина крепления уплотнительной прокладки содержала выступ, проходящий вдоль периферийной кромки уплотнительной прокладки герметизации, и жестко связанный с этой створкой при помощи сварки или приклеивания.

Средства крепления уплотнительной прокладки имеют, например, U-образную форму и поперечное сечение, имеющее по существу S-образную форму.

Предлагаемое изобретение относится также к газотурбинному двигателю, такому, например, как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, отличающемуся тем, что он содержит, по меньшей мере, один клапан разгрузки описанного в предшествующем изложении типа.

Другие характеристики, особенности и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания не являющихся ограничительными вариантов его осуществления, приводимого со ссылками на чертежи, в числе которых:

фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе клапана разгрузки для газотурбинного двигателя в соответствии с существующим уровнем техники;

фиг.2 представляет собой схематический вид в изометрии клапана разгрузки, показанного на фиг.1;

фиг.3 представляет собой схематический вид в разрезе клапана разгрузки для газотурбинного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением;

фиг.4 представляет собой схематический вид в увеличенном масштабе детали I₄, показанной на фиг.3;

фиг.5 представляет собой вид, соответствующий виду, показанному на фиг.4, и представляющий вариант осуществления предлагаемого изобретения;

фиг.6 представляет собой схематический вид в изометрии уплотнительной прокладки герметизации и средств крепления этой уплотнительной прокладки для варианта реализации, показанного на фиг.5.

Прежде всего будут даваться ссылки на фигуры 1 и 2, на которых представлен клапан 10 разгрузки для газотурбинного двигателя, такого, например, как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, в соответствии с существующим уровнем техники в данной области.

Клапан 10 разгрузки устанавливается на промежуточный кожух 12 газотурбинного двигателя, который выполнен между компрессором низкого давления, располагающимся спереди по потоку, и компрессором высокого давления, располагающимся позади по потоку, причем эти компрессоры не показаны на приведенных в приложении чертежах.

Промежуточный кожух 12, только часть которого можно видеть на фиг.1, имеет в целом цилиндрическую или коническую форму и ограничен изнутри каналом течения первичного потока газов газотурбинного двигателя.

Промежуточный кожух 12 содержит отверстия 14, имеющие по существу параллелепипедную форму и каждое из этих отверстий связано с клапаном 10 разгрузки. Кожух 12 содержит, например, двенадцать отверстий 14, равномерно распределенных вокруг продольной оси данного газотурбинного двигателя и оборудованных соответственно двенадцатью клапанами 10 разгрузки.

Каждый клапан 10 разгрузки содержит створку 16, которая имеет по существу параллелепипедную форму, дополняющую форму соответствующего отверстия 14, выполненному в промежуточном кожухе, и предназначена для перекрытия этого отверстия. Клапан 10 дополнительно содержит средства 18, предназначенные для обеспечения поворота этой створки относительно поперечной оси 20, которая по существу является касательной к промежуточному кожуху 12 и которая проходит вдоль передней по потоку периферийной кромки 22 створки и снаружи от этой кромки. Створка 16 имеет возможность совершать поворотные движения по отношению к промежуточному кожуху 12 между положением закрытия отверстия 14 кожуха (это положение представлено сплошными линиями на фиг.1), в котором внутренняя поверхность этой створки 16 располагается на одной линии с внутренней поверхностью промежуточного кожуха 12, и положением открытия этого отверстия (это положение представлено на фиг.1 пунктирными линиями), в котором створка отклоняется на некоторый угол, составляющий примерно 60°, в направлении наружу по отношению к своему положению закрытия.

Средства 18 обеспечения поворота створки 16 содержат две лапки 24, которые сформированы в виде единой детали с этой створкой и которые проходят по существу в радиальном направлении наружу от наружной поверхности створки.

Лапки 24 выполнены по существу симметричными по отношению к плоскости, проходящей через продольную ось газотурбинного двигателя и между двумя лапками 24, причем указанная плоскость по существу соответствует плоскости, по которой выполнен вид в разрезе, схематически представленный на фиг.1.

Каждая из этих лапок 24 содержит на своем внутреннем в радиальном направлении конце цилиндрическое отверстие 26, которое проходит коаксиально по отношению к оси 20 поворота створки 16 и в которое вставляется втулка 28, образующая подшипник. Ось 20 поворота створки определяется цилиндрической поворотной осью 30, которая вставляется во втулки 28 лапок 24 клапана и которая закрепляется при помощи соответствующих средств 32 на каждом из ее концов на промежуточном кожухе 12.

Каждая лапка 24 содержит также на своем наружном в радиальном направлении конце цилиндрическое отверстие 34, предназначенное для установки другой втулки 36, образующей подшипник, причем втулки 36 располагаются на одной линии коаксиально между собой и в них вставляется вторая поворотная ось 38. Эта вторая поворотная ось 38 определяет ось 40, по существу параллельную оси 20 поворота створки 16, и устанавливается на конце, по меньшей мере, одного рычага 42, другой конец которого соединен при помощи связи типа шарового шарнира с соответствующим приводным средством 44 осевого перемещения упомянутого рычага в направлении против потока или в направлении по потоку.

Рычаг 42 представлен на фиг.1 в своем максимально смещенном в направлении по потоку положении, которое соответствует положению закрытия створки 16, и имеет возможность перемещаться вплоть до некоторого своего переднего по потоку положения, в котором створка оказывается в своем открытом положении, представленном пунктирными линиями на фиг.1.

Кроме того, лапки 24 связаны между собой при помощи поперечной стенки 46, которая проходит между этими лапками по существу на уровне половины высоты этих лапок.

Передняя по потоку концевая часть 48 створки искривлена в направлении наружу и радиус этой кривизны центрирован на оси 20 поворота створки 16. Эта концевая часть 48 представляет наружную цилиндрическую поверхность, которая взаимодействует для обеспечения герметизации с уплотнительной прокладкой 50, закрепленной на промежуточном кожухе 12, в процессе поворота створки. Эта уплотнительная прокладка 50 проходит вдоль передней по потоку кромки отверстия 14 промежуточного кожуха 12.

В своем положении закрытия, представленном на фиг.1 сплошными линиями, створка 16 взаимодействует, также для обеспечения герметизации, с кромкой отверстия 14 промежуточного кожуха 12 при помощи другой уплотнительной прокладки 52, имеющей в целом U-образную форму, которая проходит вдоль боковых периферийных кромок 54 и задней по потоку периферийной кромки 56 створки.

Уплотнительная прокладка 52 содержит плоскую часть, которая проходит над периферийными кромками 54, 56 створки и которая удерживается прижатой к этой створке при помощи пластины 58 крепления, и утолщение или выпуклую часть, которая проходит вокруг кромок 54, 56 створки, снаружи от нее, и которая опирается на соответствующие боковые кромки и заднюю по потоку кромку отверстия 14 кожуха в положении закрытия створки 16 (см. фиг.1).

Пластина 58 крепления уплотнительной прокладки 52 имеет в целом U-образную форму и проходит на плоской части уплотнительной прокладки 52. Эта пластина закрепляется на створке 16 посредством нескольких заклепок 60, которые проходят сквозь соответствующие отверстия, выполненные в пластине крепления, в створке 16 и в уплотнительной прокладке.

Клапан 10 разгрузки из существующего уровня техники состоит, таким образом, из множества компонентов (в целом в состав этого клапана в представленном здесь специфическом примере реализации входят двадцать пять компонентов, а именно створка 16, четыре втулки 18, 36, уплотнительная прокладка 52, пластина 58 крепления этой уплотнительной прокладки, девять заклепок 60 и девять перемычек, не показанных на приведенных в приложении чертежах), которые изготавливаются из различных материалов. Этот клапан является достаточно тяжелым и его сборка оказывается продолжительной и сложной.

Данное изобретение позволяет устранить указанную проблему и предлагает створку и средства крепления уплотнительной прокладки из пластического материала, обеспечивающего дополнительные преимущества, приводимые выше.

В примере реализации, схематически представленном на фиг.3 и 4, створка 116 и пластина 158 крепления уплотнительной прокладки 152 сформированы в виде единой детали и изготовлены, таким образом, из одного и того же пластического материала.

Створка 116 и пластина 158 крепления уплотнительной прокладки могут быть получены путем формования с использованием литья под давлением из подходящего в данном случае пластического материала, такого, например, как материал типа РЕЕК (полиэфирэфиркетон) или ULTEM® (полиэфиримид). Материал, из которого изготавливается створка и пластина крепления, также может быть усилен волокнами, такими, например, как стекловолокно.

Здесь, как и в предшествующем уровне техники, пластина 158 имеет в целом U-образную форму. Кроме того, эта пластина имеет поперечное сечение по существу S-образной формы, и содержит промежуточную стенку 162, которая проходит параллельно периферийным кромкам 154, 156 створки и над этими кромками. Эта промежуточная стенка 162 связана на своем конце, располагающемся со стороны, противоположной периферийным кромкам 154, 156, с наружным в радиальном направлении концом выступа 164, располагающегося по существу в радиальном направлении по отношению к оси газотурбинного двигателя, причем внутренний в радиальном направлении конец этого выступа присоединен к створке 116. Промежуточная стенка 162 также связана на другом своем конце, располагающемся со стороны периферийных кромок 154, 156 створки с наклонной стенкой 166, которая проходит в направлении по потоку и в направлении наружу.

Промежуточная стенка 162 и радиальный выступ 164 пластины крепления содержат отверстия 168, предназначенные для прохождения и закрепления уплотнительной прокладки 152, которая отливается непосредственно между пластиной 158 крепления и боковыми периферийными кромками и задней по потоку периферийной кромкой створки. В процессе отливки по месту уплотнительной прокладки материал этой уплотнительной прокладки 152 проходит через отверстия 168 пластины крепления и покрывает некоторую часть этой пластины, например, зону соединения между промежуточной стенкой 162 и радиальным выступом 164 пластины, располагающимся между отверстиями 168, как это можно видеть на фиг.4.

В варианте реализации, схематически представленном на фигурах 5 и 6, пластина 258 и створка 216 сформированы независимо друг от друга, причем эта пластина присоединяется и закрепляется на створке таким образом, чтобы захватить уплотнительную прокладку 252, которая является по существу идентичной уплотнительной прокладке из существующего уровня техники.

Пластина 258 крепления может быть изготовлена из материала, идентичного или отличающегося от материала створки. Материал створки и/или материал пластины могут представлять собой один из материалов, описанных в предшествующем изложении со ссылками на фигуры 3 и 4.

Пластина 158 имеет форму, сопоставимую в своем поперечном сечении с формой пластины 158, представленной на фигурах 3 и 4, и содержит наклонную или косую стенку 266, связанную при помощи промежуточной стенки 262 с радиальным выступом 264.

Радиальный выступ 264 пластины опирается своим внутренним в радиальном направлении свободным концом на наружную поверхность створки. Эта пластина жестко связана со створкой путем приклеивания указанной пластины к створке на уровне этой опорной зоны или зоны контакта.

Упомянутая пластина дополнительно содержит штыри 270, сформированные в виде единой детали с этой пластиной, причем эти штыри 270 проходят сквозь соответствующие отверстия 272, выполненные в уплотнительной прокладке 252, и также жестко связаны со створкой путем приклеивания их свободных концов к створке 216.

Штыри 270 проходят от внутренней поверхности промежуточной стенки 262 пластины в направлении створки 216 и имеют высоту, которая немного превышает толщину плоской части уплотнительной прокладки 252, таким образом, чтобы свободные концы этих штырей выступали из упомянутой прокладки в том случае, когда они вставлены в отверстия 272 этой уплотнительной прокладки (см. фиг.6). Створка 216 содержит на своей наружной поверхности совокупность глухих отверстий 274, диаметр и глубина которых определяются в функции диаметра штырей 270 и высоты концов этих штырей, которые выступают из уплотнительной прокладки. В процессе установки пластины 258 и уплотнительной прокладки 252 на створку штыри 270 пластины вставляются в отверстия 272 уплотнительной прокладки (см. фиг.6), а затем свободные концы этих штырей вставляются в глухие отверстия 274 створки таким образом, чтобы правильно определить монтажное положение уплотнительной прокладки и пластины на периферийной кромке створки.

Для того чтобы приклеить свободные концы штырей 270 к донной части глухих отверстий 274, клей предварительно размещается в этих отверстиях 274 или на свободных концах штырей.

В качестве варианта реализации радиальный выступ 264 и свободные концы штырей 270 пластины 258 присоединяются при помощи сварки к створке 216 клапана разгрузки. В данном случае сварка реализуется, например, посредством ультразвуковых волн, излучаемых на уровне упомянутых выше зон контакта через материал створки и/или через материал пластины.

Количество штырей 274 пластины является, например, идентичным количеству заклепок 60, использованных в предшествующем уровне техники (девять, как это можно видеть на фиг.2), причем эти штыри равномерно распределены вдоль передней по потоку и боковых периферийных кромок створки.

В том случае, когда створка 116, 216 и пластина 158, 258 клапана разгрузки изготовлены из подходящего в данном случае пластического материала, например, из материалов, описанных в предшествующем изложении, нет необходимости предусматривать использование специальных направляющих и центрирующих втулок для поворотных осей 30, 38, как это имеет место в существующем уровне техники.

Действительно, внутренние и наружные в радиальном направлении отверстия 126, 134, предусмотренные на лапках 124 клапана для прохождения поворотных осей 30, 38, могут иметь, каждое, цилиндрическую поверхность, предназначенную для непосредственного центрирования и направления поворотного вала. В этом случае каждая лапка содержит два отверстия, внутреннее и наружное в радиальном направлении соответственно, содержащие внутренние цилиндрические центрирующие и направляющие поверхности для поворотных осей 30, 38, причем каждое отверстие имеет диаметр, который определяется таким образом, чтобы соответствующая поворотная ось была установлена пригнанным образом в это отверстие.

В этом случае клапан разгрузки из примера реализации, проиллюстрированного на фигурах 3 и 4, содержит только две детали (уплотнительную прокладку 152 и створку 116, сформированную в виде единой детали с пластиной 158 крепления уплотнительной прокладки, как это можно видеть на фиг.3), и клапан разгрузки согласно варианту реализации, проиллюстрированному на фигурах 5 и 6, содержит три детали (уплотнительную прокладку 252, пластину 258 и створку 216).

Группа изобретений относится к арматуростроению и предназначена для закрепления уплотнительного элемента к створке клапана разгрузки, применяемого в двигателях, в частности газотурбинном двигателе, например, турбореактивном или турбовинтовом двигателе самолета. Клапан разгрузки содержит створку (116, 216), уплотнительную прокладку герметизации (152, 252) и средства (158, 258) крепления этой уплотнительной прокладки герметизации на периферийной кромке створки. Створка (116, 216) предназначена для установки с возможностью ее поворота относительно оси (120) между положением перекрытия отверстия (14), предназначенного для прохождения воздуха, и положением открытия этого отверстия. Уплотнительная прокладка герметизации (152, 252) проходит вдоль, по меньшей мере, части периферийной кромки створки. Створка и средства крепления уплотнительной прокладки герметизации изготовлены из пластического материала и сформированы в виде единой детали или жестко скреплены друг с другом при помощи сварки или приклеивания. Имеется также газотурбинный двигатель, который содержит, по меньшей мере, один упомянутый выше клапан разгрузки. Группа изобретений направлена на упрощение конструкции клапана и соответственно газотурбинного двигателя в целом. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Клапан разгрузки в газотурбинном двигателе, имеющий в своем составе створку (116, 216), предназначенную для установки с возможностью ее поворота относительно оси (120) между положением перекрытия отверстия (14), предназначенного для прохождения воздуха, и положением открытия этого отверстия, уплотнительную прокладку герметизации (152, 252), проходящую вдоль, по меньшей мере, части периферийной кромки створки, и средства (158, 258) крепления этой уплотнительной прокладки герметизации на периферийной кромке створки, отличающийся тем, что створка и средства крепления уплотнительной прокладки герметизации изготовлены из пластического материала и сформированы в виде единой детали или жестко скреплены друг с другом при помощи сварки или приклеивания.

2. Клапан разгрузки по п.1, отличающийся тем, что створка (116, 216) и/или средства крепления (158, 258) изготовлены из термопластического материала, усиленного волокнами, такими, например, как стекловолокно.

3. Клапан разгрузки по п.1, отличающийся тем, что створка (116, 216) и/или средства крепления (158, 258) изготовлены путем формования с использованием литья под давлением.

4. Клапан разгрузки по п.1, отличающийся тем, что уплотнительная прокладка герметизации (152) отлита непосредственно на створке (116).

5. Клапан разгрузки по п.1, отличающийся тем, что уплотнительная прокладка герметизации (252) содержит сквозные отверстия, через которые проходят штыри (270) пластины крепления (258), причем штыри жестко закреплены на створке при помощи приклеивания или присоединения при помощи сварки их свободных концов к створке.

6. Клапан разгрузки по п.5, отличающийся тем, что пластина крепления (258) содержит выступ (264), который проходит вдоль периферийной кромки уплотнительной прокладки (252) герметизации и который жестко связан со створкой при помощи сварки или приклеивания.

7. Клапан разгрузки по п.1, отличающийся тем, что створка (216) и средства крепления (258) жестко связаны между собой при помощи ультразвуковой сварки.

8. Клапан разгрузки по п.1, отличающийся тем, что средства крепления (158, 258) имеют U-образную форму и поперечное сечение, по существу, S-образной формы.

9. Клапан разгрузки по п.1, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одну лапку (124), сформированную в виде единой детали со створкой и содержащую, по меньшей мере, одно отверстие (126, 134), представляющее внутреннюю цилиндрическую центрирующую и направляющую поверхность для поворотной оси.

10. Газотурбинный двигатель, например турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один клапан разгрузки по п.1.