СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТУПЕНЯМИ ПОВОРОТНЫХ ЛОПАТОК СТАТОРА КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F01D17/16 F04D29/56 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения и газотурбинным установкам наземного применения, а именно к компрессорам высокого давления.

Улучшение параметров двигателя, в частности увеличение КПД двигателя и уменьшение удельного расхода топлива, требует повышения КПД компрессора и расширения диапазона его устойчивой работы. Одним из путей повышения КПД компрессора является расширение вариантности углов установки и интервалов углов поворота лопаток направляющих аппаратов ступеней компрессора высокого давления на переходных режимах от запуска двигателя до режима максимальной тяги. Для обеспечения достаточных запасов устойчивости компрессора на переходных режимах работы двигателя изменение углов установки поворотных лопаток должно выполняться в соответствии с программой регулирования и с необходимой степенью быстродействия системы регулирования.

Для выполнения этого условия необходимо обеспечить определенное усилие от исполнительного механизма. Чем меньше усилие, потребное для осуществления поворота лопаток направляющих аппаратов, тем меньше габариты и масса исполнительного механизма, деталей привода, объем рабочего тела и меньше возможное время перекладки механизма из одного крайнего положения в другое.

Известна конструкция устройства для регулирования положения поворотных направляющих лопаток компрессора или турбины газотурбинного двигателя (Патент РФ №2098670, F04D 29/56, F01D 9/02, опубл. 10.12.1997). Недостатком известной конструкции являются значительные габариты, что приводит к трудности размещения ее в подкапотном пространстве ГТД.

Наиболее близкой к заявляемой является система управления двумя ступенями лопаток с изменяемым углом установки статора турбореактивного двигателя, содержащая приводной элемент, предназначенный для приведения во вращательное движение кольца управления одной из ступеней посредством ведущего органа, установленного с возможностью поворота на кожухе, рычаг синхронизации, предназначенный для передачи вращательного движения кольца, приводимого в движение приводным элементом, на кольцо управления другой ступени посредством следящего органа, установленного с возможностью поворота на упомянутом кожухе, и дополнительный поворотный орган, вставленный между следящим органом и ведомым кольцом, причем дополнительный поворотный орган установлен с возможностью поворота одновременно на кожухе и на упомянутом следящем органе (Патент РФ №2396438, F01D 17/16, опубл. 10.08.2010).

Недостатком известной конструкции является то, что усилие от газовых сил, действующих на лопатки направляющего аппарата первой и второй ступеней передаваемое через тяги и рычаги на механизм привода, дополняют друг друга, увеличивая тем самым необходимое усилие для «перекладки» механизма поворота лопаток и увеличивая габариты установленной системы управления.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение быстродействия системы управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора высокого давления за счет снижения ее массы и габаритов путем минимизации результирующих сил, действующих на исполнительный механизм, и компенсирования моментов сил, действующих на поворотные лопатки направляющих аппаратов первой, второй и последующих ступеней.

Заявленный технический результат достигается тем, что система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора высокого давления, включающая исполнительный механизм, синхронизирующие кольца, тяги и рычаги, закрепленные на цапфах поворотных лопаток, содержит дополнительные рычаги, установленные на корпусе статора, при этом один из дополнительных рычагов выполнен трехплечим, и, по меньшей мере, один дополнительный рычаг выполнен двуплечим, при этом трехплечий рычаг первым плечом посредством тяги связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно соединенным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата первой ступени, вторым плечом посредством тяги связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно закрепленным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата второй ступени, и третьим плечом посредством тяги связан с исполнительным механизмом, а двуплечий рычаг первым плечом посредством тяги связан с исполнительным механизмом и вторым плечом посредством тяги связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно соединенным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата третьей или одной из последующих ступеней соответственно, при этом спинки профилей поворотных лопаток первой ступени расположены по потоку газа, а спинки поворотных лопаток второй и, по меньшей мере, последующей ступеней расположены против потока газа.

Профиль лопатки направляющего аппарата первой ступени может быть выполнен с одной поворотной частью или с двумя частями - поворотной и неподвижной.

Заявляемая конструкция состоит из системы рычагов, синхронизирующих колес и тяг, связывающих поворотные лопатки статора турбореактивного двигателя с определенным расположением профилей лопаток относительно потока газа, и выполнена таким образом, что результирующая газовых сил, действующих на поворотные лопатки первой и последующих ступеней, создает моменты сил, имеющие противоположные направления. Таким образом, создаются усилия, направленные в противоположные стороны, тем самым уменьшая суммарное усилие, действующее на шток исполнительного механизма, т.е. минимизируя результирующую сил и компенсируя моменты сил, действующих на поворотные лопатки направляющих аппаратов первой, второй и последующих ступеней. Минимизация усилия, действующего на шток исполнительного механизма, позволяет снижать габариты и массу исполнительного механизма, деталей привода, объем рабочего тела, т.е. системы в целом, и увеличить быстродействие всей системы управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора высокого давления.

Кроме того, профиль лопатки направляющего аппарата первой ступени может выполняться с одной поворотной частью или с двумя частями - поворотной и неподвижной. Первый вариант исполнения позволяет снизить массу направляющего аппарата и обеспечить простоту конструкции. Второй вариант выполнения профиля лопатки с неподвижной и поворотной частями несколько увеличивает массу заявляемой системы (до 2%), однако повышает прочность и жесткость конструкции направляющего аппарата первой ступени.

На фиг.1 представлен разрез компрессора с поворотными лопатками направляющих аппаратов.

На фиг.2 изображен вид А, на котором показана система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора высокого давления турбореактивного двигателя.

На фиг.3 показан профиль лопатки направляющего аппарата первой ступени с одной поворотной частью.

На фиг.4 показан профиль лопатки направляющего аппарата первой ступени с двумя частями - поворотной и неподвижной.

Компрессор высокого давления турбореактивного двигателя (показан на примере трех ступеней направляющего аппарата) включает корпус статора 1, ротор 2, поворотные лопатки 3 направляющего аппарата первой ступени, поворотные лопатки 4 направляющего аппарата второй ступени, поворотные лопатки 5 направляющего аппарата третьей ступени. На цапфах 6, 7, 8 соответственно поворотных лопаток 3, 4, 5 закреплены рычаги 9, 10, 11, шарнирно связанные с соответствующими синхронизирующими кольцами 12, 13, 14. Кольца 12, 13 связаны посредством тяг 15 с рычагом 16, 17, а кольцо 14 связано посредством тяги 15 с рычагом 17. Причем рычаг 16 выполнен трехплечим, и одним плечом связан с синхронизирующим кольцом 12, а вторым плечом - с синхронизирующим кольцом 13. Третье плечо рычага 16 через тягу 18 соединено с исполнительным механизмом 19, закрепленным на корпусе статора 1. Рычаг 16 закреплен на кронштейне 20 на корпусе статора 1.

Второй рычаг 17 выполнен двуплечим. Одним плечом рычаг 17 связан через тягу 18 с исполнительным механизмом 19, а вторым плечом через тягу 15 - с синхронизирующим кольцом 14. Рычаг 17 закреплен на кронштейне 21.

Двуплечими выполнены также и рычаги последующих ступеней (не показаны).

Спинки профилей поворотных лопаток 3 первой ступени расположены по направлению потока газа. Спинки профилей поворотных лопаток 4 и 5 соответственно второй и третьей ступеней расположены против потока. Момент M₁ от газовых сил, действующий на лопатку 3 первой ступени, направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны наружной цапфы лопатки 3. Моменты М₂ и М₃ от газовых сил, действующих на лопатки 4 и 5 соответственно второй и третьей ступеней, направлены по часовой стрелке.

Система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора высокого давления работает следующим образом.

От газовых сил, действующих на поворотные лопатки 3, 4 и 5, создаются усилия P₁, Р₂ и Р₃, которые передаются на синхронизирующие кольца 12, 13 и 14 и далее тягами 15 - на рычаги 16 и 17. Усилия Р₂ и Р₃ создают моменты М_р2 и М_р3, соответственно, на рычаги 16 и 17, противоположно направленные моменту M_p1, тем самым осуществляя компенсирование моментов сил, действующих на лопатки направляющего аппарата первой, второй и последующих ступеней, и минимизируя результирующую сил, действующих на исполнительный механизм 19.

Система управления ступенями поворотных лопаток статора включает исполнительный механизм, синхронизирующие кольца, тяги, рычаги, закрепленные на цапфах поворотных лопаток, и дополнительные рычаги, установленные на корпусе статора. Один из дополнительных рычагов выполнен трехплечим а, по меньшей мере, один другой - двуплечим. Трехплечий рычаг первым плечом связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно соединенным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата первой ступени. Вторым плечом трехплечий рычаг связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно закрепленным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата второй ступени. Третьим плечом трехплечий рычаг связан с исполнительным механизмом. Двуплечий рычаг первым плечом связан с исполнительным механизмом и вторым плечом - с синхронизирующим кольцом, шарнирно соединенным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата третьей или одной из последующих ступеней. Спинки профилей поворотных лопаток первой ступенеи расположены по потоку газа, а спинки поворотных лопаток второй и, по меньшей мере, последующей ступеней расположены против потока газа. Изобретение позволяет повысить быстродействие системы управления ступенями поворотных лопаток. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора высокого давления, включающая исполнительный механизм, синхронизирующие кольца, тяги и рычаги, закрепленные на цапфах поворотных лопаток, отличающаяся тем, что содержит дополнительные рычаги, установленные на корпусе статора, при этом один из дополнительных рычагов выполнен трехплечим, и, по меньшей мере, один дополнительный рычаг выполнен двуплечим, при этом трехплечий рычаг первым плечом посредством тяги связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно соединенным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата первой ступени, вторым плечом посредством тяги связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно закрепленным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата второй ступени, и третьим плечом посредством тяги связан с исполнительным механизмом, а двуплечий рычаг первым плечом посредством тяги связан с исполнительным механизмом и вторым плечом посредством тяги связан с синхронизирующим кольцом, шарнирно соединенным с рычагами, закрепленными на цапфах поворотных лопаток направляющего аппарата третьей или одной из последующих ступеней соответственно, при этом спинки профилей поворотных лопаток первой ступени расположены по потоку газа, а спинки поворотных лопаток второй и, по меньшей мере, последующей ступени расположены против потока газа.

2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что профиль лопатки направляющего аппарата первой ступени выполнен с одной поворотной частью или с двумя частями - поворотной и неподвижной.