РАЗДЕЛЕННЫЙ НА СЕКТОРЫ СОПЛОВОЙ АППАРАТ, ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩИЕ ТАКОЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ Российский патент 2013 года по МПК F01D9/04 

Настоящее изобретение касается соплового аппарата, разделенного на секторы, в частности для турбины низкого давления турбореактивного или турбовинтового двигателя самолета.

Документ DE 3942785 А1 описывает лопаточное колесо, содержащее два кольца, между которыми проходят лопатки, это колесо содержит несколько вырезов в форме «Z», проходящих в осевом направлении по всей ширине второго кольца.

Патент US-A-4285633 описывает кольцевой ряд лопаток статора, которые проходят между двумя цилиндрическими кольцами, эти кольца разделены на секторы и имеют на своих окружных концах продольные края по прямой линии.

Турбина этого типа содержит ступени, каждая из которых содержит лопаточное колесо и сопловой аппарат, при этом каждый сопловой аппарат разбит на сектора и образован из нескольких секторов соплового аппарата, соединенных встык в окружном направлении.

Каждый сектор соплового аппарата содержит два сектора кольцевых площадок, один из которых проходит внутри другого и которые соединены друг с другом при помощи по существу радиальных лопаток. Наружная площадка содержит средства крепления на наружном корпусе турбины. Сектор соплового аппарата содержит сектор кольцевой направляющей для опоры элементов из истираемого материала, причем эта направляющая расположена радиально внутри внутренней площадки соплового аппарата и сопрягается с внутренней поверхностью этой площадки. Элементы из истираемого материала взаимодействуют с кольцевыми гребешками, выполненными на роторе турбины для образования герметичного соединения лабиринтного типа.

Секторы соплового аппарата отделены друг от друга небольшими зазорами в окружном направлении для обеспечения возможности тепловых расширений их площадок во время работы турбины.

Во время работы на них действуют вибрации и относительно большие динамические нагрузки, которые могут привести к небольшим нежелательным перемещениям секторов соплового аппарата и к деформациям этих секторов, в частности к деформациям кручения.

Ранее было предложено повысить жесткость соплового аппарата при помощи средств осевой опоры, выполненных на секторах внутренней площадки соплового аппарата, при этом средства опоры сектора площадки предназначены для взаимодействия с соответствующими средствами, выполненными на смежных секторах внутренней площадки для ограничения деформаций соплового аппарата во время работы.

В известных технических решениях каждый сектор внутренней площадки содержит продольные края, вырезанные по существу в виде Z, которые являются комплементарными по отношению к соответствующим продольным краям смежных секторов внутренней площадки. Каждый Z-образный продольный край сектора площадки содержит две параллельные концевые части продольного направления, которые смещены в окружном направлении и которые соединены друг с другом перпендикулярным бортиком, который должен входить в положение осевой опоры на соответствующий бортик смежного сектора площадки во время работы турбины таким образом, чтобы ограничить нежелательные перемещения и вышеуказанные деформации соплового аппарата.

Однако эти решения имеют недостатки. Продольные края каждого сектора площадки необходимо подвергать механической обработке для выполнения Z-образных вырезов. Эта механическая обработка является сложной операцией, которая может привести к повреждению соплового аппарата. В частности, механическая обработка этих продольных краев состоит в выполнении первого разреза для получения опорного бортика и второго разреза для соединения этого опорного бортика с входным или выходным окружным краем внутренней площадки. Эти разрезы осуществляют вблизи лопаток соплового аппарата, кривизна которых может более или менее мешать операции механической обработки. Наконец, эту технологию можно применять только для относительно плоских внутренних площадок соплового аппарата и нельзя распространить на любой тип соплового аппарата или на любой сектор соплового аппарата.

Настоящее изобретение призвано предложить простое, эффективное и экономичное решение этих проблем известных технических решений.

В этой связи предлагается разделенный на секторы сопловой аппарат для турбомашины, образованный из цилиндрических секторов, размещенных встык и содержащих, каждый, два коаксиальных сектора кольцевых площадок, соединенных между собой по существу радиальными лопатками, и сектор кольцевой опорной направляющей для элементов из истираемого материала, при этом сектор направляющей находится радиально внутри сектора внутренней площадки и сопрягается с внутренней поверхностью этого сектора площадки, при этом каждый сектор соплового аппарата содержит на продольных краях сектора внутренней площадки средства окружного жесткого закрепления, взаимодействующие с соответствующими средствами, предусмотренными на смежном секторе соплового аппарата, отличающийся тем, что продольные края секторов внутренней площадки образуют V-образную форму.

Согласно изобретению продольные края секторов внутренней площадки имеют V-образную форму вместо Z-образной. В данном случае эти продольные края ограничены двумя бортиками вместо трех, как в известном уровне техники. Таким образом, продольные края имеют более простую форму, и их механическая обработка является более простой и более быстрой, так как состоит в выполнении только одного наклонного разреза на каждом продольном крае секторов площадки вместо двух разрезов в известном уровне техники (один разрез в окружном направлении и один - в продольном).

Предпочтительно, сектор внутренней площадки каждого сектора соплового аппарата содержит первый V-образный продольный край с углом в вершине, превышающим 180°, и второй противоположный V-образный продольный край с углом в вершине, меньшим 180°. Первый продольный край каждого сектора площадки может иметь форму, комплементарную со вторым продольным краем, и все сектора внутренней площадки могут быть идентичными, что упрощает изготовление секторов соплового аппарата и дает возможность жестко закреплять продольные края секторов внутренней площадки одни в другие во время крепления секторов соплового аппарата на корпусе турбины.

Каждый продольный край каждого сектора внутренней площадки содержит, например, входную часть, по существу параллельную оси вращения соплового аппарата, и выходную часть, наклонную относительно этой оси. Выходная наклонная часть одного из продольных краев сектора внутренней площадки может быть по существу параллельной выходной части спинки лопатки, смежной с этим продольным краем. Выходная часть этого продольного края частично следует кривизне лопатки, находящейся вблизи этого продольного края. Выполнение этой выходной части путем механической обработки не несет риска повреждения этой лопатки, так как режущий инструмент удален от лопатки и перемещается в направлении, параллельном кривизне лопатки, и поэтому не рискует войти в контакт с этой лопаткой.

Выходная наклонная часть продольного края сектора внутренней площадки является по существу параллельной выходной наклонной части другого продольного края этого сектора площадки, и, таким образом, продольные края секторов площадки являются комплементарными по отношению друг к другу.

Согласно другому отличительному признаку изобретения сектор направляющей каждого сектора соплового аппарата содержит на одном из своих окружных концов средства осевой опоры на сектор направляющей смежного сектора соплового аппарата. Таким образом, средства осевой опоры между секторами соплового аппарата в данном случае выполнены не на секторах внутренней площадки, а вынесены на секторы опорной направляющей истираемых элементов, что представляет собой преимущество по следующим причинам.

Средства осевой опоры расположены радиально внутри внутренней площадки соплового аппарата, и их формы и размеры не ограничены по отношению к форме и размерам внутренней площадки. Эти опорные средства установлены или выполнены на секторах направляющей соплового аппарата и могут быть выполнены в виде единой детали с этим сектором направляющей путем механической обработки или литья или могут быть соединены и закреплены на этом секторе направляющей.

Кроме того, настоящее изобретение не ограничивается конкретным типом соплового аппарата или сектора соплового аппарата.

Сектор направляющей имеет в сечении по существу L-образную форму и содержит по существу радиальную стенку, соединенную на своей наружной периферии с внутренней поверхностью сектора внутренней площадки, а на своей внутренней периферии - с концом сектора по существу цилиндрической стенки, несущего на себе элементы из истираемого материала, при этом средства осевой опоры сектора направляющей предпочтительно выполнены на его радиальной стенке.

Средства опоры могут быть выполнены на входной стороне радиальной стенки направляющей. В этом случае средства осевой опоры противостоят деформациям кручения секторов соплового аппарата, возникающим, в частности, в результате аэродинамических усилий, действующих на лопатки этих секторов во время работы. В варианте средства опоры выполняют на выходной стороне наружной радиальной стенки направляющей.

Согласно другому отличительному признаку изобретения каждый сектор направляющей содержит, по меньшей мере, одну боковую лапку, проходящую в окружном направлении в сторону смежного сектора направляющей и содержащую сторону осевой опоры на этот смежный сектор направляющей. Эта сторона осевой опоры является по существу перпендикулярной к оси вращения соплового аппарата и направлена в сторону входа или в сторону выхода.

Объектом настоящего изобретения является также турбина низкого давления турбомашины, содержащая, по меньшей мере, один разделенный на секторы сопловой аппарат вышеуказанного типа, а также турбомашина, такая как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, содержащая, по меньшей мере, один описанный выше сопловой аппарат.

Настоящее изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в осевом полуразрезе турбины низкого давления турбомашины.

Фиг.2 и 3 - схематичные виды в перспективе сектора соплового аппарата турбины из известного уровня техники.

Фиг.4 и 5 - схематичные частичные виды в перспективе сектора соплового аппарата турбины в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 показана турбина 10 низкого давления турбомашины, содержащая четыре ступени, каждая из которых содержит сопловой аппарат 12, установленный на наружном корпусе 16 турбины, и лопаточное колесо 18, расположенное на выходе соплового аппарата 12.

Колеса 18 содержат диски 20, соединенные коаксиально по отношению друг к другу при помощи кольцевых фланцев 22 и несущие на себе по существу радиальные лопатки 24. Эти колеса 18 соединены с валом турбины (не показан) при помощи приводного конуса 26, закрепленного на кольцевых фланцах 22 дисков.

Между дисками установлены кольцевые щеки 28 осевого удержания лопаток 24 на дисках 20 и содержат, каждая, внутреннюю радиальную стенку 29, зажатую в осевом направлении между кольцевыми фланцами 22 двух смежных дисков.

Каждый сопловой аппарат 12 содержит две коаксиальные кольцевые площадки 30, 32, соответственно внутреннюю и наружную, которые ограничивают между собой кольцевой тракт потока газов в турбине и между которыми расположены по существу радиальные неподвижные лопатки 14. Наружные площадки 32 направляющих аппаратов закреплены соответствующими средствами на наружном корпусе 16 турбины.

Внутренние площадки 30 направляющих аппаратов соединены с кольцевой опорной направляющей 34 кольцевых элементов 36 из истираемого материала. Каждая кольцевая направляющая 34 расположена радиально внутри внутренней площадки 30 соплового аппарата и имеет сечение общей L-образной формы. Эта направляющая 34 содержит по существу радиальную кольцевую стенку 38, которая соединена на своей наружной периферии с внутренней поверхностью внутренней площадки 30 соплового аппарата, а на своей внутренней периферии - с осевым концом цилиндрической стенки 40 опоры истираемых элементов 36.

Эти истираемые элементы 36 расположены радиально снаружи и напротив наружных кольцевых гребешков 42, выполненных на фланцах 28. Гребешки 42 предназначены для взаимодействия трением с элементами 36, образуя, таким образом, лабиринтные уплотнения и ограничивая прохождение воздуха в осевом направлении через эти уплотнения.

Сопловые аппараты 12 турбины разбиты на секторы и содержат, каждый, несколько секторов, расположенных в окружном направлении встык вокруг продольной оси турбины.

На фиг.2 и 3 показан сектор соплового аппарата 12 согласно известному уровню техники. Этот сектор соплового аппарата 12 содержит сектор внутренней площадки 30 и сектор наружной площадки 32, соединенные между собой пятью лопатками 14.

Продольные края секторов внутренней 30 и наружной 32 площадок имеют формы, комплементарные с соответствующими продольными краями секторов площадок смежных секторов соплового аппарата, за счет чего продольные края жестко крепятся одни в других в окружном направлении во время монтажа этого соплового аппарата.

В известных технических решениях продольные края 44, 44' секторов внутренней площадки 30 выполнены путем механической обработки и имеют Z-образную форму, образуя средства осевой опоры между секторами соплового аппарата 12.

Продольные края 44, 44' секторов внутренней площадки 30 содержат, каждый, бортик 46 (или 48) осевой опоры, который является по существу перпендикулярным к продольной оси турбины и который направлен в сторону входа (бортик 46) или в сторону выхода (бортик 48) и предназначен для вхождения в осевую опору с соответствующим опорным бортиком, направленным в сторону выхода (бортик 48) или в сторону входа (бортик 46) смежного сектора внутренней площадки 30. На одном из своих боковых концов каждый сектор внутренней площадки 30 содержит опорный бортик 46, направленный в сторону входа, а на другом своем боковом конце - опорный бортик 48, направленный в сторону выхода. Осевая опора сектора внутренней площадки 30 на смежный сектор внутренней площадки позволяет ограничить нежелательные перемещения и вибрации секторов соплового аппарата 12 во время работы турбины.

Каждый опорный бортик 46, 48 соединен на первом окружном конце с выходным концом продольного бортика 50, проходящего до входного окружного края 54 сектора площадки 30 по существу параллельно продольной оси турбины. Второй окружной конец опорной стороны 46, 48 соединен с входным концом второго продольного бортика 52, который соединен своим другим концом с выходным окружным краем 56 сектора площадки 30. Бортики 50, 52 параллельны между собой и смещены друг от друга в окружном направлении на расстояние, равное окружному размеру опорного бортика 46, 48.

Выполнение продольных краев секторов внутренней площадки 30 путем механической обработки характеризуется описанными выше недостатками. Изобретение позволяет, по меньшей мере, частично решить эти проблемы за счет упрощения продольных краев секторов внутренней площадки 30, которые согласно изобретению выполнены в виде V.

В примере выполнения, показанном на фиг.4 и 5, сектор внутренней площадки 130 каждого сектора соплового аппарата содержит первый продольный V-образный край 144, угол в вершине которого превышает 180° (фиг.4) и находится, например, в пределах от 210 до 240°, и второй продольный V-образный край 144', угол в вершине которого меньше 180° (фиг.5) и находится, например, в пределах от 120 до 150°.

Первый продольный край 144 каждого сектора внутренней площадки 130 является комплементарным с его вторым продольным краем 144', и секторы внутренней площадки всех секторов соплового аппарата являются идентичными таким образом, что продольные края 144, 144' каждого сектора площадки 130 могут жестко крепиться в соответствующих продольных краях смежных секторов площадки 130.

Продольные края 144, 144' каждого сектора внутренней площадки 130 содержат, каждый, первый бортик 150 или входную концевую часть, которая проходит в продольном направлении от входного окружного края 154 сектора площадки 130 до уровня соединения между радиальной стенкой 138 сектора направляющей 134 и сектором площадки 130. Продольные края 144, 144' содержат, каждый, второй бортик 166 или выходную концевую часть, которая проходит наклонно по отношению к продольной оси турбины, при этом второй бортик 166 непосредственно соединяет выходной конец первого бортика 150 с выходным окружным краем 156 сектора внутренней площадки 130. Вторые бортики 166 продольных краев 144, 144' сектора внутренней площадки 130 параллельны между собой. Бортик 166 продольного края проходит по существу параллельно и на небольшом расстоянии от концевой части спинки лопатки 114, расположенной вблизи этого бортика 144 (фиг.4), а бортик 166 другого продольного края 144' проходит по существу параллельно и на небольшом расстоянии от противоположной концевой части корытца лопатки 114, находящейся вблизи этого бортика 144' (фиг.4).

Наклонные бортики 166 секторов внутренней площадки 130 могут опираться друг на друга, ограничивая деформации и нежелательные перемещения секторов соплового аппарата во время работы.

Для повышения жесткости соплового аппарата в соответствии с настоящим изобретением сектор направляющей 134 каждого сектора соплового аппарата 112 содержит на одном из своих окружных концов боковую лапку 160 осевой опоры на сектор направляющей смежного сектора соплового аппарата. Эта лапка 160 имеет по существу окружное направление и содержит первый окружной конец, соединенный с сектором направляющей 134 на уровне его наружной радиальной стенки 138. Второй окружной конец лапки 160 содержит сторону 162 осевой опоры, предназначенную для взаимодействия с соответствующей стороной 164 наружной радиальной стенки 138 смежного сектора направляющей 134, при этом стороны 162, 164 являются по существу перпендикулярными к продольной оси турбины.

В представленном примере лапка 160 находится на выходе радиальной стенки 138 сектора направляющей 134 и соединена своим первым концом с выходной стороной этой стенки.

Опорная сторона 162 этой лапки направлена в сторону входа и должна опираться на сторону 164, направленную в сторону выхода, радиальной стенки 138 смежного сектора направляющей 134.

В варианте лапка 160 находится на входе радиальной стенки 138 сектора направляющей и соединена одним концом с входной стороной этой стенки, при этом опорная сторона 162 этой лапки направлена в сторону выхода и взаимодействует со стороной 164, направленной в сторону входа радиальной стенки смежного сектора направляющей 134.

Сектор направляющей 134 каждого сектора соплового аппарата 112 может быть выполнен в виде единой детали путем литья или путем механической обработки, по меньшей мере, с одной боковой опорной лапкой 160 вышеуказанного типа. В варианте эту боковую лапку устанавливают и крепят на окружном конце каждого сектора направляющей. Любой тип сектора соплового аппарата можно оборудовать опорной лапкой этого типа.

Сопловой аппарат турбомашины включает цилиндрические сектора, содержащие коаксиальные сектора кольцевых площадок, соединенные радиальными лопатками, и сектор кольцевой опорной направляющей для элементов истираемого материала. Сектор направляющей находится внутри сектора внутренней площадки и сопрягается с его внутренней поверхностью. Продольные края каждого сектора внутренней площадки имеют комплементарные V-образные формы, взаимодействующие с продольными краями смежных секторов. Сектор направляющей каждого сектора соплового аппарата содержит на одном из своих окружных концов средства осевой опоры на сектор направляющей смежного сектора соплового аппарата. Другие изобретения группы относятся к турбине низкого давления турбомашины и турбомашине, содержащим указанный выше разделенный на секторы сопловой аппарат. Изобретения позволяют повысить жесткость соплового аппарата и обеспечить простоту его изготовления 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Разделенный на секторы сопловой аппарат для турбомашины, образованный из цилиндрических секторов (112), размещенных встык и содержащих, каждый, два коаксиальных сектора кольцевых площадок (130), соединенных между собой по существу радиальными лопатками (114), и сектор кольцевой опорной направляющей (134) для элементов (136) из истираемого материала, при этом сектор направляющей находится радиально внутри сектора внутренней площадки (130) и сопрягается с внутренней поверхностью этого сектора площадки, при этом каждый сектор соплового аппарата содержит продольные края сектора внутренней площадки, имеющие комплементарные формы взаимодействующие с соответствующими продольными краями смежных секторов соплового аппарата, отличающийся тем, что продольные края секторов внутренней площадки образуют V-образную форму и тем, что сектор направляющей (134) каждого сектора соплового аппарата (112) содержит на одном из своих окружных концов средства осевой опоры на сектор направляющей смежного сектора соплового аппарата.

2. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.1, отличающийся тем, что сектор внутренней площадки (130) каждого сектора соплового аппарата (112) содержит V-образный продольный край с углом в вершине, превышающим 180°, и противоположный V-образный продольный край с углом в вершине, меньшим 180°.

3. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждый продольный край каждого сектора внутренней площадки (130) содержит входную часть (150), по существу, параллельную оси вращения соплового аппарата, и выходную часть (166), наклонную относительно этой оси.

4. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.3, отличающийся тем, что выходная наклонная часть (166) одного из продольных краев сектора внутренней площадки (130) является по существу параллельной выходной части спинки лопатки (114), смежной с этим продольным краем.

5. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.3, отличающийся тем, что выходная наклонная часть (166) продольного края сектора внутренней площадки (130) является но существу параллельной выходной наклонной части другого продольного края этого сектора площадки.

6. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.1, отличающийся тем, что сектор направляющей (134) имеет в сечении но существу L-образную форму и содержит по существу радиальную стенку (138), соединенную на своей наружной периферии с внутренней поверхностью сектора внутренней площадки (130), а на своей внутренней периферии - с концом сектора по существу цилиндрической стенки (140), несущего на себе элементы (136) из истираемого материала, при этом средства (160) осевой опоры этого сектора направляющей выполнены на его радиальной стенке.

7. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.6, отличающийся тем, что средства (160) опоры выполнены на входной стороне радиальной стенки (138) сектора направляющей (134).

8. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.6, отличающийся тем, что средства (160) опоры выполнены на выходной стороне радиальной стенки (138) сектора направляющей (134).

9. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждый сектор направляющей (134) содержит, по меньшей мере, одну боковую лапку (160), проходящую в окружном направлении в сторону смежного сектора направляющей (134) и содержащую сторону (162) осевой опоры па этот смежный сектор направляющей.

10. Разделенный на секторы сопловой аппарат по п.9, отличающийся тем, что сторона (162) осевой опоры является но существу перпендикулярной к оси вращения соплового аппарата и направлена в сторону входа или в сторону выхода.

11. Турбина низкого давления турбомашины, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один разделенный на секторы сопловой аппарат по п.1.

12. Турбомашина, такая как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один разделенный на секторы сопловой аппарат по п.1.