СТУПЕНЬ ТУРБИНЫ ИЛИ КОМПРЕССОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F01D25/24 

Настоящее изобретение касается ступени турбины или компрессора, в частности турбореактивного двигателя самолета.

Из US 2006/0245924 A1 известна ступень этого типа, содержащая направляющий аппарат, образованный кольцевым рядом неподвижных спрямляющих лопаток, установленных на корпусе компрессора или турбины, и колесо ротора, установленное на входе направляющего аппарата внутри разделенного на сектора кольца, закрепленного на корпусе.

Направляющий аппарат содержит две круглые стенки, соответственно внутреннюю и наружную, между которыми расположены неподвижные спрямляющие лопатки.

На одном из своих концов кольцо содержит окружной выступ, который прижат в радиальном направлении к кольцевому рельсу корпуса при помощи кольцевого стопорного органа по существу С-образного сечения, который заходит в осевом направлении на рельс корпуса и на окружной выступ кольца. Стопорный орган содержит две круглые стенки, соответственно внутреннюю и наружную, соединенные между собой по существу радиальной стенкой. Этот орган разделен на сектора и образован несколькими замками, расположенными по окружности встык, при этом, как правило, каждый замок заходит на выступ только одного сектора кольца и на соответствующую часть рельса корпуса.

Как известно, между задним концом кольца и передним концом круглой наружной стенки направляющего аппарата устанавливают кольцевой лист герметизации и тепловой защиты, в частности, чтобы ограничить утечки горячих газов, циркулирующих в газовоздушном тракте турбины или компрессора в радиальном направлении наружу, и чтобы обеспечивать тепловую защиту стопорного органа.

Согласно известным техническим решениям (US 2006/0245924 A1б US 4087199 A, US 4748806 A), этот лист имеет по существу цилиндрическую форму и вставлен между кольцом и внутренней круглой стенкой стопорного органа. Однако он не застопорен правильно в радиальном направлении и поэтому может вибрировать во время работы и разрушаться.

Кроме того, каждый замок заходит на рельс корпуса и на окружной выступ сектора кольца с определенным радиальным предварительным напряжением. Во время работы в каждом секторе кольца появляется относительно большой температурный градиент, что приводит к так называемому «разгибанию» этого сектора кольца. Это явление в основном выражается в увеличении радиуса кривизны сектора кольца, что увеличивает напряжения в средней части замка и может привести к сокращению срока его службы.

Настоящее изобретение призвано, в частности, предложить простое, эффективное и экономичное решение, по меньшей мере, для части этих проблем.

В этой связи его объектом является ступень турбины или компрессора, в частности, турбореактивного двигателя, содержащая, по меньшей мере, одно колесо ротора, установленное внутри разбитого на сектора кольца, установленного на корпусе и содержащего окружной выступ, прижатый к кольцевому рельсу корпуса при помощи кольцевого стопорного органа С-образного сечения, который заходит в осевом направлении на рельс корпуса и на выступ кольца и который содержит две круглые стенки, соответственно внутреннюю и наружную, соединенные между собой по существу радиальной стенкой, при этом между кольцом и внутренней круглой внутренней стенкой органа вставляют по существу цилиндрический лист тепловой защиты, отличающаяся тем, что лист или внутренняя кольцевая стенка органа содержит, по меньшей мере, одно утолщение, выполненное в радиальном направлении к органу или к листу соответственно и содержащее средства радиальной опоры на орган или на лист.

Согласно изобретению, лист тепловой защиты содержит часть большей толщины или радиального размера, которая направлена к органу и предназначена для вхождения в положение радиальной опоры на этот орган для обеспечения неподвижности листа в радиальном направлении листа, или внутренняя круглая стенка органа содержит часть большей толщины или радиального размера, которая направлена к листу и предназначена для вхождения в положении опоры на этот лист для обеспечения его неподвижности в радиальном направлении. Это положение радиальной опоры обеспечивает небольшое радиальное предварительное напряжение листа, который, таким образом, неподвижен в радиальном направлении и не может вибрировать во время работы турбореактивного двигателя.

Утолщение листа образовано, например, кольцевым приливом, выступающим на наружной поверхности листа и содержащим средства радиальной опоры на внутреннюю круглую стенку стопорного органа.

В варианте, стопорный орган содержит, по меньшей мере, одно утолщение, выполненное в виде прилива окружного направления, выступающего на внутренней поверхности его внутренней круглой стенки и содержащего средства радиальной опоры на лист.

Стопорный орган может содержать только один кольцевой прилив, выполненный на 360°, или окружные приливы, находящиеся на расстоянии друг от друга. Прилив или каждый прилив позволяет повысить жесткость органа, чтобы он лучше выдерживал напряжения, передаваемые сектором кольца во время работы. Окружные приливы позволяют ограничить количество материала, необходимого для выполнения радиального утолщения органа. Их можно выполнить путем механической обработки, например, путем фрезерования внутренней круглой стенки органа.

Если орган разбит на сектора и состоит из нескольких замков, расположенных в окружном направлении встык, по меньшей мере, некоторые из этих замков содержат, каждый, окружной прилив, выступающий на внутренней поверхности его внутренней стенки.

Таким образом, некоторые замки органа могут содержать радиальное утолщение на уровне их внутренней стенки, которое опирается на лист, а другие замки органа могут быть идентичными известным замкам и могут отстоять от листа в радиальном направлении.

Прилив каждого замка выполнен, например, в окружном направлении, по меньшей мере, на части ширины или углового размера замка таким образом, чтобы способствовать небольшому изменению массы этого замка.

Предпочтительно этот прилив выполняют на средней части внутренней стенки замка. В этом последнем случае прилив усиливает среднюю часть замка, которая может выдерживать усилия, передаваемые средней частью сектора кольца, и противостоять разгибанию этого сектора кольца. В этом случае наблюдаются слабые изменения радиальных зазоров между вершинами лопаток колеса ротора и секторами кольца, что улучшает характеристики турбореактивного двигателя.

Объектом настоящего изобретения является также турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одну описанную выше ступень турбины или компрессора.

Объектом настоящего изобретения является также кольцевой стопорный орган для ступени турбины или компрессора вышеуказанного типа, содержащий две круглые стенки, соответственно внутреннюю и наружную, соединенные друг с другом третьей по существу радиальной стенкой таким образом, чтобы замок имел сечение по существу С-образной формы, отличающийся тем, что его внутренняя стенка содержит, по меньшей мере, одно утолщение, направленное радиально внутрь.

Наконец, объектом изобретения является по существу цилиндрический лист тепловой защиты для ступени турбины или компрессора вышеуказанного типа, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одно утолщение, выступающее на его наружной поверхности.

Другие отличительные признаки, детали и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе ступени турбины из предшествующего уровня техники.

Фиг.2 - схематичный частичный увеличенный вид в осевом разрезе ступени турбины в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематичный частичный фронтальный вид замка и листа тепловой защиты согласно варианту выполнения ступени в соответствии с настоящим изобретением, со стороны выхода.

Фиг.4 - увеличенный вид в разрезе по линии IV-IV фиг.3.

На фиг.1 показана ступень 10 турбины турбореактивного двигателя, содержащая направляющий аппарат 12, образованный кольцевым рядом неподвижных лопаток 14, установленных на корпусе 16 турбины, и колесо 18 ротора, установленное на входе направляющего аппарата 12 и вращающееся в разделенном на сектора кольце 20, состоящем из множества секторов 22, установленных встык по окружности на корпусе 16 турбины.

Направляющий аппарат 12 содержит две круглые стенки, наружную 24 и внутреннюю (не показана) соответственно, которые ограничивают между собой кольцевой тракт прохождения газов в турбине и между которыми в радиальном направлении расположены лопатки 14. Наружная стенка 24 направляющего аппарата содержит цилиндрический выступ 26, направленный в сторону входа и предназначенный для захождения в кольцевой паз 28, направленный в сторону выхода корпуса 16.

Каждый сектор 22 кольца содержит стенку окружного направления, которая на своих переднем и заднем концах содержит окружные выступы 30, 32 крепления на корпусе 16 турбины. Передние окружные выступы 30 секторов кольца направлены в сторону входа и заходят в кольцевой паз 34, направленный в сторону выхода корпуса 16.

Задние окружные выступы 32 секторов находятся на расстоянии от заднего конца окружной стенки сектора кольца. Они направлены в сторону выхода и прижаты в радиальном направлении на цилиндрическом рельсе 36 корпуса при помощи кольцевого стопорного органа 38 С-образного сечения, открытая часть которого направлена в осевом направлении в сторону входа и который заходит в осевом направлении за счет упругой деформации со стороны выхода на рельс 36 корпуса и на окружные задние выступы 32 секторов кольца. Задние выступы 32 секторов кольца и рельс 36 корпуса имеют по существу одинаковый радиус кривизны при не работающем турбореактивном двигателе.

Стопорный орган 38 содержит две круглые коаксиальные стенки 40 и 42, соответственно радиально наружную и радиально внутреннюю, которые соединены между собой на своих задних концах радиальной стенкой 44 и которые заходят соответственно снаружи на рельс 36 корпуса и внутри на задние выступы 32 секторов кольца.

Радиальная стенка 44 органа установлена в осевом направлении между задними концами рельса 36 и выступами 32 секторов, с одной стороны, и передним концом наружной круглой стенки 24 направляющего аппарата 12, с другой стороны, препятствуя органу 38 перемещаться в осевом направлении в сторону выхода и отходить от рельса корпуса 36 и выступов 32 секторов кольца.

Стопорный орган 38 разделен на сектора и состоит из нескольких замков, расположенных встык в окружном направлении, при этом каждый замок содержит две параллельные стенки 40, 42 окружного направления, соответственно наружную и внутреннюю, соединенные между собой радиальной стенкой 46.

Каждый замок органа 38 заходит на рельс 36 корпуса и на окружной выступ 32 сектора кольца с определенным радиальным предварительным напряжением. Во время осевого захождения замка на рельс 36 и на задний выступ 32 сектора замок упруго деформируется в радиальном направлении с раздвиганием его окружных стенок 40, 42.

Во время работы сектор кольца 22 подвергается воздействию большого температурного градиента в радиальном направлении, что выражается «разгибанием» сектора кольца, который в этом случае имеет радиус кривизны, больший, чем в состоянии без напряжения, причем его радиус кривизны становится больше радиуса кривизны рельса 36 корпуса. Это разгибание выражается, в частности, в радиальном перемещении внутрь средней части окружного выступа 32 сектора и, следовательно, в существенном увеличении напряжений в средней части соответствующего замка, которые могут привести к сокращению срока его службы.

Между секторами 22 кольца и наружной круглой стенкой 24 направляющего аппарата устанавливают по существу цилиндрический лист 46 герметизации и тепловой защиты, препятствующий утечкам горячих газов из газо-воздушного тракта турбины в радиальном направлении наружу и термически защищающий стопорный орган 38, а также окружающие его детали.

Передний конец этого листа 46 заходит в осевом направлении на задние концы окружных стенок секторов 22 кольца и окружен внутренней круглой стенкой 42 органа. Его задний конец заходит в кольцевой паз 48, направленный в сторону входа и выполненный на переднем конце наружной стенки 24 направляющего аппарата.

Этот лист 46 не является неподвижным в радиальном направлении и во время работы вибрирует, что может привести к разрушению этого листа и даже соседних с ним деталей.

Изобретение позволяет устранить, по меньшей мере, часть вышеуказанных недостатков, благодаря радиальному утолщению, выполненному на внутренней стенке органа 38 или на листе 46, причем это утолщение опирается на лист или на орган соответственно таким образом, чтобы сделать этот лист неподвижным в радиальном направлении на заднем конце секторов 22 кольца.

В примере выполнения, показанном на фиг.2, утолщение выполнено на листе 146, который вблизи своего переднего конца содержит кольцевой прилив 150, выполненный на 360° вокруг оси вращения листа. Этот прилив 150 выступает на наружной цилиндрической поверхности листа и направлен радиально наружу.

Наружная периферия прилива 150 содержит поверхность опоры на внутреннюю поверхность внутренней круглой стенки 142 органа 138. Этот прилив позволяет прижать в радиальном направлении лист к наружной цилиндрической поверхности заднего конца кольца 120.

В этом случае лист 146 может заходить на задний конец кольца перед монтажом органа 138. Во время осевого захождения органа 138 на рельс 136 корпуса и на выступы 132 секторов кольца стенки 140, 142 органа раздвигаются, и внутренняя стенка 142 заходит между задними выступами 132 секторов и листом 146 и прижимает этот лист к задним концам секторов 122 кольца с определенным радиальным предварительным напряжением.

В варианте выполнения, показанном на фиг.3 и 4, лист 246 сравним с известным листом, и внутренняя круглая стенка 242 стопорного органа 238 содержит утолщения, выполненные в виде приливов 250 окружного направления, которые направлены радиально внутрь и которые опираются в радиальном направлении своей внутренней периферией на наружную цилиндрическую поверхность листа 246.

Приливы 250 выступают на внутренней поверхности внутренней стенки 242 органа и находятся на расстоянии друг от друга. Если орган 238 состоит из нескольких установленных встык замков, то, по меньшей мере, некоторые из этих замков содержат окружной прилив 250, как показано на фиг.3. Замки, которые содержат приливы 250, опираются в радиальном направлении на лист 246, тогда как другие замки, которые не имеют приливов, отстоят от листа на радиальное расстояние е. Это расстояние е по существу соответствует значению утолщения (е₂-е₁), то есть разности между толщиной е₂ прилива 250 и толщиной е₁ остальной части внутренней стенки 242 замка.

В представленном примере прилив 250 выполнен на средней части внутренней стенки замка, усиливая эту часть, которая подвергается значительным напряжениям во время работы. Прилив 250 имеет ширину d или угловой размер, который составляет примерно половину, предпочтительно одну треть и, например, четверть от ширины L замка 238. Прилив 250 можно выполнить путем механической обработки, например, фрезерованием концевых частей внутренней стенки 242 замка.

Приливы 250 органа позволяют также удерживать лист 246 на секторах кольца с небольшим радиальным предварительным напряжением.

Лист 246 и стопорный орган 238 можно устанавливать так же, как в варианте выполнения, показанном на фиг.2.

Ступень турбореактивного двигателя содержит колесо ротора, установленное внутри разделенного на сектора кольца, установленного на корпусе и содержащего окружной выступ. Выступ прижат к кольцевому рельсу корпуса стопорным органом С-образного сечения, заходящим в осевом направлении на рельс корпуса и на выступ кольца. Стопорный орган содержит внутреннюю и наружную круглые стенки, соединенные между собой радиальной стенкой. Между кольцом и внутренней стенкой органа вставлен цилиндрический лист тепловой защиты. Лист тепловой защиты или внутренняя стенка органа содержит утолщение, выполненное в радиальном направлении к органу или к листу соответственно, и содержащее средства радиальной опоры на орган или на лист. Другое изобретение группы относится к турбореактивному двигателю, содержащему указанную выше ступень. Одно изобретение относится к кольцевому стопорному органу, содержащему две круглые стенки, соединенные радиальной стенкой, причем его внутренняя стенка содержит утолщение, направленное радиально внутрь. Еще одно изобретение относится к цилиндрическому листу тепловой защиты для указанной выше ступени, содержащему утолщение, выступающее на его наружной поверхности. Изобретения позволяют исключить вибрации листа тепловой защиты. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ступень турбореактивного двигателя, содержащая, по меньшей мере, одно колесо ротора, установленное внутри разделенного на сектора кольца, установленного на корпусе и содержащего окружной выступ, прижатый в радиальном направлении к кольцевому рельсу корпуса при помощи кольцевого стопорного органа С-образного сечения, который заходит в осевом направлении на рельс корпуса и на выступ кольца и который содержит две круглые стенки, соответственно внутреннюю и наружную, соединенные между собой, по существу, радиальной стенкой, при этом между кольцом и внутренней круглой стенкой органа вставлен, по существу, цилиндрический лист тепловой защиты, отличающаяся тем, что лист или внутренняя круглая стенка органа содержит, по меньшей мере, одно утолщение, выполненное в радиальном направлении к органу или к листу соответственно и содержащее средства радиальной опоры на орган или на лист.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что утолщение выполнено на листе, который содержит кольцевой прилив, выступающий на наружной поверхности листа и содержащий средства радиальной опоры на круглую внутреннюю стенку стопорного органа.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что утолщение выполнено на стопорном органе, который содержит, по меньшей мере, один прилив окружного направления, выступающий на внутренней поверхности его круглой внутренней стенки и содержащий средства радиальной опоры на лист.

4. Ступень по п.3, отличающаяся тем, что орган разделен на сектора и состоит из нескольких замков, расположенных по окружности встык, при этом, по меньшей мере, некоторые из этих замков содержат, каждый, окружной прилив, выступающий на внутренней поверхности его внутренней стенки.

5. Ступень по п.4, отличающаяся тем, что прилив каждого замка выполнен в окружном направлении, по меньшей мере, на части ширины или углового размера замка.

6. Ступень по п.4, отличающаяся тем, что прилив каждого замка выполняют на средней части внутренней стенки этого замка.

7. Турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одну ступень по п.1.

8. Кольцевой стопорный орган для ступени по п.1, содержащий две круглые стенки, соответственно внутреннюю и наружную, соединенные друг с другом третьей, по существу, радиальной стенкой таким образом, чтобы замок имел сечение, по существу, С-образной формы, отличающийся тем, что его внутренняя стенка содержит, по меньшей мере, одно утолщение, направленное радиально внутрь.

9. Цилиндрический лист тепловой защиты для ступени по п.1, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одно утолщение, выступающее на его наружной поверхности.