УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ КРОНШТЕЙНОВ С КРУГЛЫМ КОЛЬЦОМ И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2013 года по МПК F01D25/16 F01D9/04 

Настоящее изобретение относится к соединению радиальных кронштейнов с круглым кольцом, в частности в авиационных турбомашинах посредством наложения присоединяемых частей.

Некоторые устройства таких турбомашин содержат наружное круглое кольцо, концентричное кольцу внутренней ступицы и присоединенное к нему посредством радиальных кронштейнов и соединяющее кольцевую камеру или участок потока газа, которое также имеет кольцевую форму, но открывается в его осевые торцы. На фиг.1 показан пример, на котором частично и схематично показана турбомашина, обычно содержащая между статором 1 и ротором 2 последовательно расположенные компрессоры низкого давления 3 и высокого давления 4, камеру сгорания 5 и турбины 6, 7 высокого давления и низкого давления. Ротор 2 может быть разделен на две отдельные секции с линией разделения между турбинами 6 и 7, а внутренняя ступица 8 находится между этими двумя секциями для обеспечения гладкого канала газового потока 9 в турбомашине. Внутренняя ступица 8 поддерживается радиально расположенными кронштейнами 10, присоединенными к внутреннему кольцу ступицы и к внешнему кольцу 11 статора 1. При этом она определяет форму газового потока 9 на противоположной внешней стороне. Кронштейны 10 имеют простое, по существу, прямоугольное сечение. Они подвержены высоким температурам, поскольку там проходят газообразные продукты сгорания, а также влияют на их течение. Обтекатели 12, отделенные от кронштейнов, должны быть окружены достаточным пространством, чтобы быть отчасти защищенными от теплового воздействия и для обеспечения хорошего аэродинамического профиля для прохождения газов. Поскольку кронштейны являются частью конструкции машины, они (а также соединительные детали) подвержены сильным нагрузкам и должны обладать надлежащей прочностью.

На фиг.4 показана сборка наружного кольца 11, кронштейнов 12 и внутренней ступицы 8 турбины в изолированном состоянии; для большей ясности показаны установочные фланцы (без ссылочной позиции), крепящиеся к статору 1 и ротору 2.

Трудно прикрепить кронштейны 10 к внешнему кольцу 11, независимо от того, выполнены ли кронштейны заодно с внутренней ступицей 8 или предварительно прикреплены к ней, поскольку зазор между обтекателями 12, расположенными вокруг кронштейнов 10, и наружным кольцом 11 очень небольшой.

Выполнение стыковки кронштейнов 10 со сборочными точками наружного кольца 11 является, таким образом, затруднительным, как и введение внутрь инструментов, необходимых для сборки, через ряд обтекателей 12. Соединение между кронштейнами 10 и внешним кольцом 11 должно выдерживать имеющиеся напряжения, а также большие нагрузки, возникающие при работе кронштейнов и сильном нагреве, которым они подвержены несмотря на наличие обтекателей 12.

При обычной сборке, показанной на фиг.2, в конце каждого кронштейна 10 просверлено отверстие, на внешнем кольце 11 предусмотрен просверленный выступ 13. Кронштейн 10 расположен по отношению к выступу 13 таким образом, чтобы выровнять отверстие в кронштейне с отверстием в выступе. Болт 14 пропускается через отверстия и служит несущей осью. Однако нагрузки на кронштейн 10 вызывают еще большие нагрузки на части указанного узла, поскольку узел свешивается с кронштейна и на болт действует большая изгибающая нагрузка. Это нежелательно и требует увеличения размеров деталей узла для выдерживания более высоких изгибающих нагрузок по сравнению с симметричной конструкцией с двумя выступами.

Вот почему в другом варианте конструкции, показанном на фиг.3, внешнее кольцо 11 снабжено двумя параллельными выступами 15 и 16. При этом конец кронштейна 10 расположен между выступами, а болт 17 установлен в отверстиях кронштейна 10 и обоих выступов 15 и 16.

При этом изгибающие нагрузки уменьшены и соединение может быть выполнено более легко. Хотя существует дилемма: если выступы 15 и 16 разнесены (что может быть следствием требования к перемещению кронштейна 10 в направлении, не параллельном к плоскостям выступов 15 и 16, то сборка осуществляется легко, но болт 17 подвержен большим сдвигающим и изгибающим нагрузкам (даже если изгиб происходит более гладко благодаря симметрии конструкции). При этом в узле имеется зазор, а выступы 15 и 16 сближаются друг с другом на этапе сборки, при затягивании болта 17. Это можно считать недостатком, поскольку внутренние напряжения становятся чрезмерными, а болт 17, возможно, будет заедать. Если напротив, выступы 15 и 16 расположены близко друг к другу, то зазор между выступами и кронштейном 10 становится меньше или даже исчезает. При этом изгиб болта 17 исключен. Но в этом случае трудно или даже невозможно вставить кронштейн 10 между выступами 15 и 16, в особенности если кронштейны 10 выполнены с наклоном в угловом направлении машины, что бывает очень часто, поскольку посредством кронштейнов выполняется выравнивание потока. Что касается сборки, то она должна выполняться с движением по спирали, с тем чтобы при вставке избежать нагрузок.

Другие конструкции соединения кронштейнов и внешнего кольца используют промежуточные части, собранные как с кольцом, так и с кронштейнами. Пример приведен в патенте США 5 272 869. Такие конструкции часто имеют такой недостаток, как чрезмерные размеры, затрудняющие этап сборки. Обычно промежуточные части крепятся к кронштейнам на болтах. В случае заедания болтов кронштейн очень сложно вынуть.

Другой недостаток относится и к другим соединениям, в которых кронштейн напрямую присоединяется к кольцу посредством проходящих через него болтов, расположенных параллельно кронштейну. Пример приведен в патенте США 6 439 841. Винты могут быть вкручены в резьбовые ступицы или вставлены с зазором в гладкие отверстия в кронштейне, которые открываются в отверстия, в которые могут быть вставлены и закручены гайки и болты.

Наконец, в некоторых конструкциях, кронштейны имеют выступы или боковые юбки, удерживаемые блокирующими частями, привинченными к кольцу. При этом выступы зажаты между кольцом и другими выступами, которые продолжаются от блокирующих частей. Такая конструкция описана, среди прочего, в патенте Великобритании 2 262 573 и Европейском патенте 0 550 126. В этой конструкции устранены, по существу, все недостатки предыдущих конструкций. Однако имеется тот недостаток, что не гарантируется расположение кронштейна на поверхности кольца в случае неточной сборки или смещения во время работы из-за прилагаемых нагрузок, которые обусловлены расположением кронштейнов между двумя концентрическими кольцами. Вышеуказанные документы скорее относятся к трубам или гибким рукавам, не имеющим конструкционного сопротивления и которые подвержены лишь слабым нагрузкам.

В общем, изобретение относится к устройству для соединения радиальных кронштейнов с круглым кольцом, содержащему круглое кольцо, по существу, радиальные кронштейны, соединяющие указанное кольцо с другим концентричным кольцом и средства для соединения кронштейнов с кольцом. Средства для соединения содержат выступы, продолжающиеся от двух противоположных сторон кронштейна, фиксаторы, содержащие выступы, отверстия кольца и отверстия фиксаторов, и болты, проходящие через выравнивающие средства, каждое из которых содержит одно из отверстий кольца и одно из отверстий фиксаторов, и удерживающие фиксаторы на кольце, при этом выступы, продолжающиеся от кронштейна, соответственно удерживаются между выступами фиксаторов и кольцом.

Преимущества соединений на болтах, включающих наложение фиксаторов и выступов в соответствии с вышеприведенным описанием, могут быть пояснены следующим образом: сборка соединений осуществляется легко даже при ограниченном доступе вследствие обтекателей. Соединительные части просты в изготовлении, имеют малый объем и вес. Можно избежать дополнительных нагрузок из-за свешивания или деформации при сборке. Болты отделены от кронштейна, контактирующие с ними части менее горячие. Таким образом, можно избежать перегрева и заклинивания.

Устройство согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что оно содержит выравнивающие средства других отверстий кольца и отверстий кронштейна, причем в выравнивающих средствах расположены центрирующие штифты, при этом кольцо выполнено коническим и содержит приливы, выполненные плоскими или цилиндрическими, причем фиксаторы обращены к приливам, а кронштейны окружены обтекателями. Сочетание болтового соединения и центрирующих штифтов позволяет надежно закрепить кронштейн на поверхности кольца, при этом также приложенные к кронштейну нагрузки могут быть разложены, поскольку осевые нагрузки воспринимаются болтами, а тангенциальные - штифтами.

В соответствии с изобретением, кольцо, соединенное с кронштейном, как было указано, наружное кольцо 11. Также может быть присоединено и цилиндрическое кольцо внутренней ступицы 8: конструкция может быть такой же, за исключением некоторых изменений в размерах.

Выступы фиксатора и выступы кронштейна предпочтительно контактируют через поверхности, параллельные друг другу.

Выступы фиксатора и выступы кронштейна предпочтительно контактируют через поверхности, образующие углы между ними, при этом выступы фиксатора и кронштейна сужаются от фиксаторов и кронштейна, соответственно.

Приливы предпочтительно выполнены плоскими.

Приливы предпочтительно выполнены цилиндрическими.

Другим аспектом настоящего изобретения является турбомашина, содержащая вышеописанное устройство, при этом кольцо, другое кольцо и кронштейны расположены между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления, причем кронштейны проходят через поток продуктов сгорания.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой вышеописанную турбомашину, выполненную в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2 и 3 представляют собой вышеописанные два варианта сборки в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.4 представляет собой другой вид вышеописанного кольца и узла кронштейна;

Фиг.5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 показывают более подробно соединение колец и кронштейна. Фигура 5 показывает общий вид, на фиг.6 и 7 показаны отдельные элементы, на фиг.8 и 9 показаны разрезы по линиям VIII - VIII и IX - IX (см. фиг.5), и на фиг.10 и 11 показана альтернативная конструкция выступов.

Конец кронштейна 10, прилегающий к внешнему кольцу 11, имеет два боковых выступа 21, проходящих от его длинных сторон (см. фиг.6). Узел также включает две присоединяемые части 22, называемые фиксаторами, которые аналогичны друг другу и расположены симметрично. Причем каждый фиксатор имеет выступ 23 (см. фиг.7). Выступы 23 фиксаторов 22 расположены ниже выступов 21 кронштейна 10, и посредством полученного таким образом наложения конец кронштейна 10 прилегает к внешнему кольцу 11 (см. фиг.5). Узел дополняется болтами 24, проходящими через выравнивающие средства отверстий 25 во внешнем кольце 11 и отверстий 26 в фиксаторах 22. Имеется четыре выравнивающих средства отверстий и четыре болта 24, по два на каждый фиксатор 22.

Наружное кольцо 11 имеет прилив 27 (см. фиг.5) в каждом месте присоединения кронштейна 10, причем поверхность прилива может быть как плоской, так и цилиндрической (ось цилиндрической поверхности должна совпадать с осью турбомашины). Приливы 27 представляют интерес, поскольку они упрощают конструкцию внешнего кольца 11, которая обычно имеет коническую форму. При этом конструкция из кронштейна 10 и внутренней ступицы 12 может гораздо легче вставляться в устройство.

Существуют также другие выравнивающие средства отверстий 28 и 29, которые проходят соответственно через наружное кольцо 11 и конец кронштейна 10 (см. фиг.9). В них вставляются центрирующие штифты 30 кронштейна 10 (см. фиг.9) и таким образом кронштейн фиксируется. Может быть два таких выравнивающих средства отверстий.

Поддержание выступов 21 и 23 кронштейна 10 и фиксаторов 22 может быть выполнено различными способами: либо все поверхности параллельны друг другу и внешнему кольцу 11 (ссылочная позиция 32 на фиг.10), либо - сужающиеся (ссылочная позиция 31 на фиг.7 и 11). В этом случае поверхности расположены под углом и сужаются от кронштейна 10 в виде поверхностей 31 выступов 21 диска 10, и от фиксаторов 22 в виде поверхностей 31 выступов 23 фиксаторов 22. Возможны также сложные ступенчатые сопряжения. Наклон контактирующих поверхностей выступов 21 и 23 должен быть в одну сторону, чтобы гарантировать контакт по всей поверхности.

Изобретение может использоваться в других ситуациях, в частности, в других турбомашинах. Вместо расположения между турбиной 6 высокого давления и турбиной 7 низкого давления, предложенное устройство может быть расположено в другом месте, например, между компрессорами 3 и 4 низкого давления и высокого давления.

Устройство для соединения радиальных кронштейнов с круглым кольцом содержит круглое кольцо, радиальные кронштейны, соединяющие кольцо с другим концентричным кольцом и средства для соединения кронштейнов с кольцом. Средства для соединения содержат выступы, фиксаторы, содержащие выступы, отверстия кольца и отверстия фиксаторов и болты, проходящие через выравнивающие средства. Выступы проходят от двух противоположных сторон кронштейна. Выравнивающие средства содержат одно из отверстий кольца и одно из отверстий фиксаторов, и удерживающие фиксаторы на кольце. Выступы, проходящие от кронштейна, удерживаются между выступами фиксаторов и кольцом. Устройство содержит выравнивающие средства других отверстий кольца и отверстий кронштейна. В указанных выравнивающих средствах расположены центрирующие штифты. Кольцо выполнено коническим и содержит приливы, выполненные плоскими или цилиндрическими. Кронштейны окружены обтекателями. Также объектом изобретения является турбомашина, содержащая описанное выше устройство для соединения, в котором кольцо, другое кольцо и кронштейны расположены между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления, причем кронштейны проходят через поток продуктов сгорания. Изобретение позволяет облегчить сборку соединений, снизить его вес и объем. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для соединения радиальных кронштейнов с круглым кольцом, содержащее круглое кольцо, по существу, радиальные кронштейны, соединяющие кольцо с другим концентричным кольцом и средства для соединения кронштейнов с кольцом, при этом средства для соединения содержат выступы, проходящие от двух противоположных сторон кронштейна, фиксаторы, содержащие выступы, отверстия кольца и отверстия фиксаторов, и болты, проходящие через выравнивающие средства, каждое из которых содержит одно из отверстий кольца и одно из отверстий фиксаторов, и удерживающие фиксаторы на кольце, при этом выступы, проходящие от кронштейна, соответственно удерживаются между выступами фиксаторов и кольцом, причем устройство содержит выравнивающие средства других отверстий кольца и отверстий кронштейна, причем в указанных выравнивающих средствах расположены центрирующие штифты, при этом кольцо выполнено коническим и содержит приливы, выполненные плоскими или цилиндрическими, причем кронштейны окружены обтекателями.

2. Устройство по п.1, в котором выступы фиксатора и выступы кронштейна контактируют через поверхности, параллельные друг другу.

3. Устройство по п.1, в котором выступы фиксатора и выступы кронштейна контактируют через поверхности, образующие углы между ними, при этом выступы фиксатора и кронштейна сужаются от фиксаторов и кронштейна соответственно.

4. Устройство по п.1, в котором приливы выполнены плоскими.

5. Устройство по п.1, в котором приливы выполнены цилиндрическими.

6. Турбомашина, содержащая устройство для соединения радиальных кронштейнов с круглым кольцом по п.1, при этом кольцо, другое кольцо и кронштейны расположены между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления, причем кронштейны проходят через поток продуктов сгорания.