УЗЕЛ ДИФФУЗОР-НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2013 года по МПК F04D29/44 F01D11/00 

Изобретение относится к узлу диффузор-направляющий аппарат, предназначенному для питания воздухом кольцевой камеры сгорания в турбомашине, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета.

Известный уровень техники

Турбомашина содержит компрессор высокого давления, выход которого открывается на вход камеры сгорания. В определенных конфигурациях, где желательно уменьшить аксиальный размер турбомашины, последняя компрессионная ступень является центробежной ступенью, выход которой окружен кольцевым радиальным диффузором, который связан с кольцевым направляющим аппаратом, открывающимся на вход камеры сгорания. Направляющий аппарат содержит внутреннюю кольцевую стенку, несущую на себе множество лопаток, окруженных снаружи корпусом, который простирается к выходу вокруг камеры сгорания.

Между радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата и наружным корпусом предусмотрен зазор в холодном состоянии. При работе направляющий аппарат радиально расширяется сильнее, чем корпус, и радиально наружные края лопаток входят в контакт с наружным корпусом. Зазор при вершинах направляющих лопаток определен таким образом, чтобы обеспечить упор радиально наружных краев лопаток направляющего аппарата, который является относительно слабым, чтобы исключить большие напряжения корпуса при работе, который уже подвергнут сильным колебаниям давления, вызванным сжиганием топлива в камере сгорания на выходе из компрессора высокого давления.

Однако зазор в холодном состоянии при вершинах лопаток может быть определен только для особой фазы полета, такой как крейсерская фаза, которая является наиболее длительной. Для других фаз полета радиально наружные края лопаток направляющего аппарата не находятся в контакте с корпусом, что вызывает циркуляцию воздуха между вершинами лопаток и корпусом, что создает помехи потоку воздуха к камере сгорания, либо оказывает весьма значительное давление на корпус. Кроме того, когда края лопаток не опираются на корпус, направляющий аппарат подвергается вибрациям.

Краткое изложение изобретения

Цель изобретения, в частности, направлена на простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.

Для этого изобретением предлагается узел диффузор-направляющий аппарат, установленный на выходе центробежного компрессора турбомашины, при этом диффузор содержит два кольцевых фланца, входной и выходной, объединенных лопатками, при этом входной кольцевой фланец опирается своим радиально наружным краем на наружный корпус, причем направляющий аппарат содержит множество лопаток, размещенных на радиально внутренней круговой стенке и окруженных наружным корпусом, отличающийся тем, что между радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата и наружным корпусом вклинены эластично деформируемые средства, препятствующие проходу воздуха между наружным корпусом и радиально наружными краями лопаток.

Эти эластично деформируемые средства позволяют обеспечивать постоянный контакт между радиально наружными краями лопаток и наружным корпусом, что позволяет абсорбировать и амортизировать часть вибраций направляющего аппарата. Эти средства гарантируют также герметичность между радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата и корпусом независимо от фазы полета. Таким образом, поток воздуха, текущий в камеру сгорания, не нарушается паразитным течением между корпусом и радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата, что улучшает рабочие характеристики турбомашины.

Упор радиально наружного края входного кольцевого фланца на наружный корпус позволяет центрировать диффузор в наружном корпусе.

В варианте осуществления изобретения эластично деформируемые средства содержат кольцевой лист, удаленная от наружного корпуса часть которого опирается на радиально наружные края лопаток и, по меньшей мере, один край которого опирается на корпус.

В соответствии с другой характеристикой изобретения один край кольцевого листа закреплен на наружном корпусе, а его другой край скользяще опирается на наружный корпус.

Таким образом, при работе дифференциальное расширение между корпусом и направляющим аппаратом приводит к тому, что радиально наружные края лопаток опираются на часть листа, удаленного от наружного корпуса, что следует из факта крепления одного из краев кольцевого листа к корпусу и перемещения другого края листа на наружном корпусе скольжением.

Предпочтительно, край листа, опирающийся со скольжением на корпус, направляется в кольцевой канавке радиально наружного края входного кольцевого фланца диффузора. Кольцевая канавка может быть образована между цилиндрической ребордой радиально наружного края входного кольцевого фланца и наружным корпусом. Лист, предпочтительно, выполнен из металлического материала с коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения корпуса и/или направляющего аппарата, что обеспечивает одинаковое механическое поведение различных контактирующих деталей.

Лист может иметь толщину, заключенную между 1 мм и 1,5 мм, и прикреплен сваркой, пайкой и клепкой к наружному корпусу.

Он может содержать также герметичное покрытие, такое, например, как эластомерное, позволяющее улучшить герметичность листа с лопатками. Он может содержать также покрытие, стойкое к износу, вызванному трением радиально наружных краев лопаток.

Монтаж листа может осуществляться с предварительным напряжением в холодном состоянии между наружным корпусом и радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата, что позволяет при работе обеспечить постоянное эластичное взаимодействие листа с наружным корпусом и радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата во всех фазах полета.

Изобретение касается также эластично деформируемого кольцевого листа, предназначенного для использования в узле диффузор-направляющий аппарат, описанного выше типа, отличающегося тем, что он имеет общую форму усеченного конуса с расширяющимися краями.

Лист может быть выполнен целиком на 360°.

Изобретение касается также турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающейся тем, что содержит узел диффузор-направляющий аппарат, как описано выше.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно и другие детали, преимущества и признаки проявятся при чтении нижеследующего описания, не являющегося ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 схематично изображает половину аксиального разреза узла диффузор-направляющий аппарат по известному уровню техники;

- фиг.2 схематично изображает в аксонометрии узел диффузор-направляющий аппарат по изобретению.

Детальное описание

Узел диффузор-направляющий аппарат 10, изображенный на фиг. 1, является частью средств питания воздухом кольцевой камеры сгорания турбомашины и содержит кольцевой радиальный диффузор 12, соединенный на выходе с кольцевым направляющим аппаратом 14, причем этот узел предназначен для установки на выходе последней центробежной ступени 16 компрессора турбомашины. Вход 18 диффузора 12 радиально выровнен с выходом центробежной ступени 16, а выход направляющего аппарата 14 питает воздухом кольцевую камеру сгорания 20 известным специалисту способом.

Диффузор 12 содержит входной кольцевой фланец 22 и выходной кольцевой фланец 24, которые параллельны между собой и проходят кольцеобразно вокруг оси вращения компрессора и связаны между собой лопатками 26. Входной 22 и выходной 24 кольцевые фланцы удерживаются в своем положении входными 28 и выходными 30 кольцевыми стенками соответственно, закрепленными на неподвижных частях турбомашины.

Направляющий аппарат 14 содержит стенку 32 в форме усеченного конуса с уменьшающимся к выходу сечением, несущую на себе множество по существу радиальных лопаток 34, окруженных снаружи наружным корпусом 36.

В процессе монтажа узла диффузор-направляющий аппарат между радиально наружными краями лопаток 34 и корпусом 36 предусматривают зазор для исключения преднапряжения наружного корпуса 36 в холодном состоянии.

При работе расширение направляющего аппарата 14, которое является более значительным, чем расширение корпуса 36, приводит к тому, что радиально наружные края лопаток 34 направляющего аппарата 14 входят в контакт с наружным корпусом 36, что позволяет исключить проход воздуха между вершинами лопаток 34 и корпусом 36 и ограничивает вибрации направляющего аппарата 14.

Однако оптимизация зазора может быть осуществлена только в конкретной фазе полета, а не в процессе всего полета по упомянутым выше причинам, что ограничивает летные качества турбомашины.

Изобретение позволяет исключить зазор между радиально наружными краями лопаток 34 и наружным корпусом 36 благодаря эластично деформируемым средствам, вклиненным между краями лопаток 34 направляющего аппарата 14 и наружным корпусом 36, при этом препятствуют любому проходу воздуха между корпусом 36 и вершинами лопаток 34 и ограничивают вибрации направляющего аппарата 14.

Эти средства содержат кольцевой лист 38, образующий круговую стенку 40, по существу параллельную внутренней стенке 32 направляющего аппарата 14. Эта стенка 40 формы усеченного конуса с уменьшающимся к выходу сечением радиально удалена от наружного корпуса 36, а в средней ее части находится в контакте с радиально наружными краями лопаток 34 направляющего аппарата 14. Выходной край 42 стенки 40 в форме усеченного конуса является по существу цилиндрическим и закреплен на наружном корпусе 36, при этом ее входной край, содержащий по существу цилиндрическую реборду 44, вставлен с возможностью скольжения в кольцевой канавке 46.

Выходной край 48 внутренней стенки 32 направляющего аппарата 14 простирается на выходе лопаток 34 направляющего аппарата 14 и расположен против выходной цилиндрической стенки 42 кольцевого листа 38.

Радиально наружный край входного кольцевого фланца 22 изогнут к выходу и радиально опирается на наружный корпус, что обеспечивает центрирование диффузора в наружном корпусе. Он содержит кольцевую часть 50 с припуском, на который радиально опирается наружный корпус 36. Кольцевая канавка 46 образована между наружным корпусом 36 и цилиндрической ребордой 52 выходного края изогнутой части, при этом часть 50 с припуском образует дно канавки 46.

В процессе работы турбомашины расширение направляющего аппарата 14 приводит к тому, что радиально наружные края лопаток 34 упираются на лист 38, который при этом деформируется и приближается к наружному корпусу 36, что вследствие его крепления за выходной край вызывает скольжение его входного края в кольцевой канавке 46.

Таким образом, радиально наружные края лопаток 34 находятся в постоянном контакте с кольцевым листом 38, что позволяет в процессе всей работы турбомашины, с одной стороны, поглощать и ограничивать вибрации направляющего аппарата 14 и, с другой стороны, исключить то, чтобы воздух из диффузора 12 циркулировал между корпусом 32 и радиально наружными краями лопаток 34 направляющего аппарата 14. Деформация листа 38 позволяет выдержать все отклонения расширения между наружным корпусом 36 и направляющим аппаратом 14, что исключает то, что лопатки 34 направляющего аппарата 14 оказывают напряжение на наружный корпус 36.

Кольцевая канавка 46 должна иметь достаточную аксиальную глубину для обеспечения аксиального перемещения входного края кольцевого листа 38, вызванного одновременно расширением направляющего аппарата 14 и расширением собственно кольцевого листа 38.

Предпочтительно, лист 38 выполнен из металлического материала с коэффициентом термического расширения, схожим с коэффициентом термического расширения наружного кожуха 36 и/или направляющего аппарата 14 для того, чтобы обеспечивать при работе поведение листа, схожее с поведением направляющего аппарата 14 и корпуса 36.

Монтаж листа 38 может предпочтительно осуществляться с предварительным эластичным напряжением в холодном состоянии между наружным корпусом 36 и радиально наружными краями лопаток 34 направляющего аппарата 14, что позволяет обеспечить при работе постоянный эластичный возврат листа 38 на наружный корпус 36 и радиально наружные края лопаток 34 направляющего аппарата 14.

Лист 38 может быть выполнен целиком на 360°, может содержать на своей внутренней поверхности герметичное покрытие, например из эластомера, для того, чтобы улучшить герметичность упора листа 38 на края лопаток 34. Он также может содержать покрытие, обеспечивающее сопротивление износу радиально наружных краев лопаток 34 направляющего аппарата 14.

Толщина листа 38 составляет примерно от 1 мм до 1,5 мм.

Выходной край цилиндрической стенки 42 листа 38 может быть закреплен сваркой, пайкой или клепкой к наружному корпусу 36.

В другом варианте осуществления изобретения, не представленном на чертежах, лист 38 мог бы быть прикреплен к наружному корпусу своим входным краем и скользить в кольцевой канавке выходным краем.

Узел диффузор-направляющий аппарат установлен на выходе центробежного компрессора в турбомашине и включает диффузор с входным и выходным кольцевыми фланцами, объединенными лопатками, а также направляющий аппарат с множеством лопаток на радиально внутренней кольцевой стенке, окруженных наружным корпусом. Входной кольцевой фланец диффузора опирается своим радиально наружным краем на наружный корпус. Между радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата и наружным корпусом вклинены эластично деформируемые средства, препятствующие проходу воздуха между наружным корпусом и радиально наружными краями лопаток. Эластично деформируемые средства содержат кольцевой лист, удаленный от наружного корпуса, часть которого опирается на радиально наружные края лопаток и край которого опирается на корпус. Другое изобретение группы относится к эластично деформируемому кольцевому листу в указанном выше узле диффузор-направляющий аппарат, имеющему общую форму усеченного конуса с расширяющимися краями. Еще одно изобретение относится к турбомашине, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащей указанный выше узел диффузор-направляющий аппарат. Изобретения позволяют амортизировать вибрации направляющего аппарата и повысить рабочие характеристики турбомашины. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Узел диффузор-направляющий аппарат, установленный на выходе центробежного компрессора в турбомашине, при этом диффузор содержит два кольцевых фланца, входной и выходной, объединенных лопатками, причем входной кольцевой фланец опирается своим радиально наружным краем на наружный корпус, а направляющий аппарат содержит множество лопаток на радиально внутренней кольцевой стенке, окруженных наружным корпусом, отличающийся тем, что между радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата и наружным корпусом вклинены эластично деформируемые средства, эти средства препятствуют проходу воздуха между наружным корпусом и радиально наружными краями лопаток.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что эластично деформируемые средства содержат кольцевой лист, удаленная от наружного корпуса часть которого опирается на радиально наружные края лопаток, и, по меньшей мере, один из краев которого опирается на корпус.

3. Узел по п.2, отличающийся тем, что один край кольцевого листа закреплен на наружном корпусе, а другой его край скользяще опирается на наружный корпус.

4. Узел по п.3, отличающийся тем, что другой край листа направляется в кольцевой канавке радиально наружного края входного кольцевого фланца диффузора.

5. Узел по п.4, отличающийся тем, что кольцевая канавка образована между цилиндрической ребордой радиально наружного края входного кольцевого фланца и наружным корпусом.

6. Узел по п.2, отличающийся тем, что лист имеет толщину примерно от 1 мм до 1,5 мм.

7. Узел по п.2, отличающийся тем, что лист выполнен из металлического материала с коэффициентом термического расширения, схожим с коэффициентами термического расширения корпуса и направляющего аппарата.

8. Узел по п.2, отличающийся тем, что лист закреплен на наружном корпусе сваркой, пайкой или клепкой.

9. Узел по п.2, отличающийся тем, что лист содержит герметичное покрытие, например, из эластомера.

10. Узел по п.2, отличающийся тем, что лист содержит износостойкое покрытие.

11. Узел по п.2, отличающийся тем, что лист установлен с эластичным преднапряжением между наружным корпусом и радиально наружными краями лопаток направляющего аппарата.

12. Эластично деформируемый кольцевой лист, предназначенный для использования в узле диффузор-направляющий аппарат по п.2, отличающийся тем, что он имеет общую форму усеченного конуса с расширяющимися краями.

13. Лист по п.12, отличающийся тем, что он выполнен целиком на 360°.

14. Турбомашина, такая как турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающаяся тем, что содержит узел диффузор-направляющий аппарат по п.1.