НАПРАВЛЯЮЩАЯ СТУПЕНЬ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЛОПАТКАМИ С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F01D17/16 F04D29/56 F01D9/02 

Настоящее изобретение касается лопатки с изменяемым углом установки, а также выпрямляющей ступени с лопатками с изменяемым углом установки для газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный, двигатель или авиационный турбовинтовой двигатель.

В газотурбинном двигателе ступени с выпрямляющими лопатками с изменяемым углом установки установлены между подвижными колесами компрессора. Эти лопатки с изменяемым углом установки закреплены на картере статора и их положение регулируется вокруг их осей для оптимизации потока газа в моторе газотурбинного двигателя.

В известном уровне техники лопатка с изменяемым углом установки содержит, по существу, цилиндрическую опору на каждом из своих концов, эти опоры определяют поворот лопатки. Радиально внешняя опора, называемая управляющей опорой, установлена в посадочное место направляющей втулки, по существу радиальной или слегка наклонно расположенной в картере газотурбинного двигателя и связанной рычагом с управляющим кольцом, приводимым в движение гидроцилиндром, электродвигателем или тому подобным. Вращение управляющего кольца передается рычагами на внешние опоры лопаток и заставляет их поворачиваться вокруг своих осей (US 6984105).

Радиально внутренняя опора, называемая управляемой опорой, установлена в, практически радиальное или слегка наклонное посадочное место внутреннего кольца, установленного на кольцевой обечайке, несущей блоки из истираемого материала. Эти блоки из истираемого материала предназначены для взаимодействия с тонкими кольцевыми выступами, размещенными на роторе газотурбинного двигателя, для ограничения рециркуляции воздуха с входа на выход и с выхода на вход в радиальном направлении внутри кольца.

Цикл работы газотурбинного двигателя включает переходные режимы, сопровождающиеся относительными перемещениями в аксиальном и радиальном направлениях между ротором и статором, что приводит к значительному износу истираемых блоков вследствие трения тонких кольцевых выступов ротора об эти блоки.

Например, в процессе фазы разгона ротор перемещается в радиальном направлении к статору, и тонкие кольцевые выступы глубоко проникают в блоки из истираемого материала, образуя кольцевые канавки в этих блоках. При нормальном режиме работы тонкие кольцевые выступы радиально отведены от этих блоков и находятся напротив образованных ими канавок, что создает значительные радиальные зазоры между вершинами тонких кольцевых выступов и истираемыми блоками, и, таким образом, имеют малую эффективность лабиринтного уплотнения, образованного тонкими кольцевыми выступами.

Однако, относительные перемещения в аксиальном направлении между ротором и статором трудно предусмотреть. Для исключения контакта ротора со статором в нормальном режиме работы, обычно увеличивают осевые зазоры между ротором и статором. Однако это решение не является приемлемым, так как оно приводит к увеличению аксиального размера мотора и массы газотурбинного двигателя.

Задачей настоящего изобретения является простое, эффективное и экономичное устранение указанных недостатков.

Для решения этой задачи согласно изобретению предложена направляющая ступень компрессора газотурбинного двигателя, содержащая кольцевой ряд лопаток с изменяемым углом установки, при этом каждая лопатка содержит внешнюю цилиндрическую цапфу, являющуюся поворотной осью лопатки и заходящую в практически радиальное гнездо внешнего картера, и внутреннюю цилиндрическую цапфу, установленную в соответствующем посадочном месте внутреннего кольца, характеризующаяся тем, что внутренняя цапфа каждой лопатки размещена вдоль оси, по существу параллельной поворотной оси лопатки и на расстоянии от этой поворотной оси, и установлена в посадочном месте кольца с помощью шаровой шарнирной системы, при этом шарнирная система содержит шаровую муфту, посаженную на внутреннюю цапфу лопатки и установленную в посадочное место кольца.

Каждая лопатка направляющей ступени отличается от известного уровня техники тем, что ось внутренней цапфы не находится на одной линии и не совпадает с поворотной осью, задаваемой внешней цапфой лопатки. Эта несоосность цапф позволяет аксиально перемещать внутреннее кольцо, установленное на внутренней цапфе лопатки при угловом перемещении этой лопатки вокруг ее оси вращения.

Действительно, каждая лопатка действует как рычаг или кривошип, и содержит на своих концах практически параллельные цилиндрические цапфы, при этом внешняя цапфа размещена в картере статора, а внутренняя цапфа установлена на внутреннем кольце. Поворот лопатки вокруг оси внешней опоры приводит к вращательному перемещению внутренней опоры вокруг этой оси и соответствующему перемещению кольца, это перемещение кольца содержит, но меньшей мере, одну аксиальную составляющую. Аксиальный ход внутреннего кольца зависит, в частности, от максимального углового отклонения лопатки и от аксиального расстояния между осями внутренней и внешней опор этой лопатки.

Данное изобретение обладает множеством преимуществ:

- аксиальное перемещение внутреннего кольца вынуждает при работе изменить взаимное относительное положение блоков из истираемого материала и тонких кольцевых выступов. Возможно также, например, в нормальном режиме работы аксиально переместить блоки из истираемого материала в сторону входа или выхода для того, чтобы эти тонкие кольцевые выступы были расположены не напротив канавок блока, а напротив неизношенных или менее изношенных поверхностей этого блока. Радиальные зазоры между тонкими кольцевыми выступами и блоками из истираемого материала, таким образом, могут быть лучше оптимизированы и отрегулированы в зависимости от различных режимов работы газотурбинного двигателя;

- аксиальные перемещения внутреннего кольца можно также контролировать путем отслеживания аксиальных перемещений ротора газотурбинного двигателя в различных режимах работы. Это позволяет оптимизировать аксиальные зазоры между внутренним кольцом и ротором и уменьшить аксиальный размер и массу газотурбинного двигателя. Хороший контроль зазоров позволяет также уменьшить количество тонких кольцевых выступов ротора, например, с трех до двух на ступень, так как эти кольцевые выступы очень дороги.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения внутренняя ось лопатки размещена в плоскости, проходящей практически по оси вращения лопатки и по передней кромке и/или задней кромке лопатки. Ось внутренней цапфы может быть расположена между осью вращения лопатки и задней кромкой лопатки. Как вариант, ось внутренней цапфы размещается между осью вращения лопатки и передней кромкой лопатки.

Такие различные конфигурации позволяют перемещать внутреннее кольцо аксиально вперед или назад в газотурбинном двигателе путем поворота лопаток. В общем, положение оси внутренней цапфы по отношению к оси внешней цапфы лопатки определяется в зависимости от необходимого аксиального перемещения внутреннего кольца. В некоторых случаях для заданного углового отклонения лопаток вокруг их осей вращения угловое кольцо может принимать два крайних входное - (или выходное) - положения, и промежуточное выходное положение (или, соответственно, входное).

Поворот лопатки приводит к перемещению внутреннего кольца, которое может иметь аксиальную составляющую или тангенциальную составляющую. В некоторых случаях может оказаться необходимым поднять внутреннюю цапфу лопатки в посадочном месте внутреннего кольца с помощью шаровой связи для обеспечения аксиального перемещения кольца и исключения появления напряжений на уровне внутренней цапфы лопатки.

Шаровая шарнирная система содержит, например, шаровую втулку, выполненную из материала с оптимальным коэффициентом трения, определяемым в зависимости от условий использования, причем, эта шаровая втулка надета на внутреннюю цапфу лопатки и установлена в посадочном месте кольца.

Предпочтительно, внутренняя цапфа лопатки установлена с возможностью аксиального перемещения в шаровой втулке.

Изобретение касается также газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный двигатель или авиационный турбовинтовой двигатель, характеризующегося тем, что содержит, по меньшей мере, одну выпрямляющую ступень с лопатками с изменяемым углом установки упомянутого типа.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает аксиальный полуразрез ступени компрессора высокого давления газотурбинного двигателя с лопатками с изменяемым углом установки в соответствии с известным уровнем техники;

фиг.2 - вид сбоку лопатки с изменяемым углом установки согласно изобретению;

фиг.3 - вид внутренней опоры лопатки на фиг.2 согласно изобретению;

фиг.4 - вид снизу другой лопатки с изменяемым углом установки согласно изобретению.

На фиг.1 изображена выпрямляющая ступень известного компрессора высокого давления газотурбинного двигателя с лопатками 10, распределенными вокруг оси газотурбинного двигателя и размещенными между внутренним кольцом 12 и внешним картером 14 газотурбинного двигателя.

Каждая лопатка 10 содержит лопасть 16, связанную на каждом из своих радиально внутреннем и внешнем концах с цилиндрической радиальной цапфой 18, 20, которая размещена на поворотной оси 22 лопатки.

Внешняя цилиндрическая цапфа 18, или управляющая цапфа, вставлена в посадочное место цилиндрической направляющей втулки 24 картера, и центрируется и направляется при повороте в этой направляющей втулке посредством цилиндрической втулки 26, установленной на цапфе 18.

Радиально внешний конец 27 внешней цапфы 18 закреплен с помощью гайки 28 на конце управляющего рычага 30. На другом конце управляющего рычага 30 установлен палец 32, который приводится во вращение управляющим кольцом 34, которое размещено вокруг оси газотурбинного двигателя снаружи картера 14. Угловое перемещение управляющего кольца 34 вокруг оси газотурбинного двигателя происходит вследствие поворота управляющих рычагов 30 вокруг осей 22 и путем обеспечения поворота лопаток 10 с управляемым углом установки вокруг этих осей.

Внутренняя цилиндрическая цапфа 20, или приводимая цапфа, установлена в цилиндрическом посадочном месте внутреннего кольца 12 и центрируется путем поворота в этом посадочном месте цилиндрической втулкой 36, которая содержит на своем радиально внешнем конце внешнюю кольцевую реборду 38, размещенную между радиально внутренним концом лопасти 16 лопатки и кольцевым плечиком кольца 12.

Внутреннее кольцо 12 разделено на сектора, которые удерживаются радиально на внутренних цапфах 20 лопаток с помощью соответствующих средств. Кольцо 12 несет на своем радиальном внутреннем кольце кольцевую обечайку 40, также разделенную на сектора, по внутренней периферии которой закреплены блоки 42 из истираемого материала. Блоки 42 предназначены для взаимодействия с тонкими радиальными кольцевыми выступами 44 ротора газотурбинного двигателя для ограничения аксиального прохода воздуха с входа на выход и с выхода на вход внутри внутреннего кольца.

Как вариант, внутреннее кольцо 12 может быть выполнено в виде единой детали и может нести непосредственно на своей внутренней периферии кольцевой моноблочный элемент 42 из истираемого материала.

В процессе работы газотурбинного двигателя относительные аксиальные и радиальные перемещения между ротором и статором двигателя вызывают трение между вершинами тонких кольцевых выступов 44 и внутренними поверхностями блоков 42 из истираемого материала, что приводит к образованию кольцевых канавок 46 в блоках вследствие увеличения радиальных зазоров R между вершинами тонких кольцевых выступов и ухудшения рабочих характеристик газотурбинного двигателя.

Изобретение позволяет решить, по меньшей мере, часть этих проблем благодаря аксиальному перемещению внутреннего кольца 12 к входу или выходу таким образом, чтобы вершины тонких кольцевых выступов 44 были расположены напротив неизношенных или менее изношенных поверхностей блока 42, обеспечивая, таким образом, оптимальные радиальные зазоры R' и меньшие радиальные рециркуляции воздуха внутри кольца 12. Этот результат обеспечивается смещением внутренней 20 и наружной 18 осей цапф одной относительно другой, при этом ось внешней цапфы 22 является поворотной осью лопатки.

На фиг.2-4 представлены примеры осуществления изобретения.

В примере осуществления, изображенном на фиг.2, ось 150 внутренней цапфы 120 размещена практически параллельно и на небольшом аксиальном расстоянии D от поворотной оси 122 лопатки 110. В этом примере оси 122 и 150 размещены в плоскости (которая является плоскостью чертежа), проходящей через ребро 154 атаки и заднюю кромку 152 лопатки.

Ось 150 внутренней цапфы размещена в упомянутой плоскости между осью 152 внешней цапфы и задней кромкой 152. При угловом повороте лопатки 10 внутренняя цапфа 120 вращается вокруг поворотной оси 122 лопатки, что вызывает аксиальные перемещения внутреннего кольца. В промежуточном положении установки лопатки внутреннее кольцо находится в заднем или максимально отодвинутом назад положениях, а в каждом из крайних положений отклонения это кольцо имеет переднее положение или максимально сдвинуто вперед. Как указано выше, аксиальный ход кольца 12 зависит, в частности, от максимального углового отклонения лопатки и от расстояния D между осями 122 и 150.

В варианте, изображенном на фиг.4, ось 250 внутренней цапфы находится, практически, в плоскости Р', проходящей через заднюю кромку 252 и ребро 254 атаки лопатки, и между поворотной осью 222 лопатки и ребром 254 атаки. Оси 250 и 222 расположены на небольшом расстоянии D' одна от другой. В этом варианте реализации в промежуточном угловом положении лопатки внутреннее кольцо имеет переднее положение или максимально сдвинутое вперед, и в каждом из крайних положений отклонения это кольцо имеет заднее положение или максимально сдвинуто назад.

Расстояния D и D' между осями внутренней и внешней цапф составляют около нескольких миллиметров, поэтому внутреннее кольцо может перемещаться на расстояние, например, в несколько миллиметров. Значения величин этих расстояний D и D' зависят, в частности, от размеров газотурбинного двигателя.

В процессе угловой установки лопаток внутреннее кольцо может перемещаться в аксиальном направлении и в тангенциальном направлении на небольшие расстояния. Чтобы обеспечить эти перемещения и помешать появлению напряжений на уровне внутренней цапфы каждой лопатки, предпочтительно заменить цилиндрическую втулку 36 из известного уровня техники на шарнирную втулку.

В примере, представленном на фиг.3, шарнирная муфта 160 содержит первый шарнирный элемент, внутренний, установленный с возможностью осевого сдвига в сторону на внутренней цапфе 120 лопатки, и второй элемент, внешний, входящий в соответствующее посадочное место кольца. Этот второй элемент содержит внешнюю кольцевую реборду, предназначенную для размещения между радиально внутренним кольцом лопасти 116 лопатки и кольцевым плечиком кольца 12 (фиг.1).

Само собой разумеется, изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными выше и изображенными на приложенных чертежах. Ось 150, 250 нижней цапфы лопатки может, например, находиться вне плоскости, проходящей через поворотную ось 122 лопатки и переднюю кромку и/или заднюю кромку этой лопатки.

Направляющая ступень компрессора газотурбинного двигателя включает ряд лопаток с изменяемым углом установки. Каждая лопатка содержит лопасть, внешнюю цилиндрическую цапфу, являющуюся поворотной осью лопатки и заходящую в гнездо внешнего картера, и внутреннюю цилиндрическую цапфу, установленную в посадочном месте внутреннего кольца. Внутренняя цапфа каждой лопатки размещена параллельно поворотной оси лопатки и на расстоянии от этой оси и установлена в посадочном месте кольца с помощью шаровой шарнирной системы. Шарнирная система содержит шаровую муфту, посаженную на внутреннюю цапфу лопатки и установленную в посадочное место кольца. Шаровая муфта содержит внутренний элемент, установленный с возможностью осевого сдвига в сторону на внутренней цапфе лопатки, и внешний элемент, заходящий в посадочное место кольца. Внешний элемент содержит внешний круговой выступ, предназначенный для размещения между радиально внутренним концом лопасти лопатки и кольцевым выступом внутреннего кольца. Изобретение позволяет обеспечить возможность осевого перемещения внутреннего кольца для регулирования расположенного на нем лабиринтного уплотнения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Направляющая ступень компрессора газотурбинного двигателя, содержащая кольцевой ряд лопаток (110) с изменяемым углом установки, при этом каждая лопатка содержит лопасть и внешнюю цилиндрическую цапфу (118), являющуюся поворотной осью (122) лопатки и заходящую в практически радиальное гнездо (24) внешнего картера (14), и внутреннюю цилиндрическую цапфу (120), установленную в соответствующем посадочном месте внутреннего кольца (12), отличающаяся тем, что внутренняя цапфа (120) каждой лопатки размещена вдоль оси (150), по существу, параллельно поворотной оси (122) лопатки и на расстоянии от этой поворотной оси и установлена в посадочном месте кольца с помощью шаровой шарнирной системы (160), при этом шарнирная система содержит шаровую муфту, посаженную на внутреннюю цапфу (120) лопатки и установленную в посадочное место кольца, причем шаровая муфта содержит первый элемент, внутренний, установленный с возможностью осевого сдвига в сторону на внутренней цапфе лопатки, и второй элемент, внешний, заходящий в посадочное место, соответствующее внутреннему кольцу, причем второй элемент содержит внешний круговой выступ, предназначенный для размещения между радиально внутренним концом лопасти лопатки и кольцевым выступом внутреннего кольца.

2. Направляющая ступень по п.1, отличающаяся тем, что ось (150) внутренней цапфы (120) каждой лопатки находится в плоскости, проходящей, по существу, через поворотную ось (122) лопатки и через переднюю кромку (154) лопатки и/или заднюю кромку (152) лопатки.

3. Направляющая ступень по п.2, отличающаяся тем, что ось (150) внутренней цапфы (120) каждой лопатки находится между поворотной осью (122) лопатки и задней кромкой (152) лопатки.

4. Направляющая ступень по п.2, отличающаяся тем, что ось (150) внутренней цапфы (120) каждой лопатки находится между поворотной осью (122) лопатки и передней кромкой (154) лопатки.

5. Газотурбинный двигатель, такой как турбореактивный или авиационный турбовинтовой двигатель, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одну направляющую ступень с лопатками с изменяемым углом установки по п.1.