УСТРОЙСТВО СОЕДИНЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ СТОЕК С КРУГЛОЙ ОБЕЧАЙКОЙ ПРИ ПОМОЩИ ОСЕЙ И РАСПОРОК И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2013 года по МПК F01D25/16 F02C7/20 

Настоящее изобретение относится к соединению радиальных стоек с круглой обечайкой при помощи осей и распорок, в частности, в газотурбинных двигателях, используемых в авиации.

Некоторые конструкции этих газотурбинных двигателей содержат наружную обечайку, концентричную с обечайкой внутренней ступицы и соединенную с ней при помощи радиальных стоек и ограничивающую кольцевую камеру или участок газо-воздушного тракта, который тоже является кольцевым, но открытым на своих осевых концах. Пример выполнения представлен на фиг.1, на которой показан газотурбинный двигатель, классически содержащий последовательно расположенные между статором 1 и ротором 2 компрессор 3 низкого давления и компрессор 4 высокого давления, камеру 5 сгорания и турбины высокого давления 6 и низкого давления 7; ротор 2 может быть поделен на две отдельные части между турбинами 6 и 7, и между этими двумя частями установлена внутренняя ступица для сохранения гладкой формы газо-воздушного тракта 9 в газотурбинном двигателе. Внутренняя ступица поддерживается двумя в основном радиальными стойками 10, которые соединяют ее (внутреннюю круглую) обечайку 8 с наружной концентричной обечайкой 11, принадлежащей к статору 1 и ограничивающей также газо-воздушный тракт 9 с противоположной наружной стороны. Стойки 10 имеют профили простого, как правило, прямоугольного сечения. Они подвергаются действию повышенных температур от газообразных продуктов сгорания и поэтому влияют на их поток. Необходимо окружать их обтекателями 12, отделенными от них достаточным зазором, чтобы хотя бы в некоторой степени защищать их от перегрева и чтобы обеспечивать огибающий профиль хорошего аэродинамического качества для газов. На фиг.4 для большей ясности отдельно показано соединение из наружной обечайки 11, стоек 10 и внутренней ступицы. Эта конструкция содержит также фланцы (не показаны) соединения со статором 1 и с ротором 2.

При соединении стоек 10 с наружной обечайкой 11 возникают трудности, независимо от того, выполнены ли стойки 10 заодно с внутренней обечайкой 8 или соединены с ней ранее, так как обтекатели 12, установленные вокруг стоек 10, оставляют слишком незначительный зазор по отношению к наружной обечайке 11.

По этой причине очень сложно производить движение стыковки стоек 10 с местами соединения наружной обечайки 11, так же как и введение инструментов, необходимых для соединения, через зазор обтекателей 12. Соединение между стойками 10 и наружной обечайкой 11 следует рассчитывать таким образом, чтобы устранить эти недостатки, а также чтобы оно могло выдерживать большие усилия, действующие на стойки во время работы, и значительный нагрев, которому они подвергаются, несмотря на присутствие обтекателей 12.

Классический монтаж, показанный на фиг.2, состоит в выполнении отверстия на конце каждой стойки 10, в выполнении проушины 13 с отверстием на наружной обечайке 11, в расположении стойки 10 напротив проушины 13 таким образом, чтобы ее отверстие находилось напротив отверстия проушины, и в пропускании болта 14 через отверстия, который выполняет функцию опорного пальца; однако усилия, действующие на стойки 10, подвергают детали соединения еще более значительным напряжениям по причине консольности монтажа, в частности, на болт действует напряжение изгиба, что является недостатком и заставляет увеличивать размеры соединительных деталей, чтобы они могли выдерживать более значительные напряжения изгиба, чем в случае симметричной конфигурации с двумя проушинами. Поэтому в другом варианте, показанном на фиг.3, наружная обечайка 11 содержит две параллельные проушины 15 и 16, между которыми располагают конец стойки 10, а болт 17 устанавливают, пропуская его через отверстия стойки 10 и двух проушин 15 и 16. Усилия изгиба снижаются, и соединение можно предусматривать более легким, однако возникает следующая дилемма: если проушины 15 и 16 раздвинуть (что может быть вызвано монтажом, требующим введения стоек 10 в направлении, не параллельном сторонам проушин 15 и 16), монтаж будет более легким, но на болт 17 действуют значительные напряжения сдвига и усилие изгиба (даже если изгиб уменьшается за счет симметрии конфигурации), и монтаж содержит зазор; сближение проушин 15 и 16 друг с другом во время монтажа путем затягивания болта 17 не желательно, так как внутренние напряжения становятся слишком большими, и болт 17 становится подверженным заклиниванию; если же, наоборот, проушины 15 и 16 выполнены близко друг к другу, зазор с концом стойки 10 становится незначительным и даже нулевым, и прогиб болта 17 исчезает, но вводить стойки 10 между проушинами 15 и 16 становится трудно и даже невозможно, если стойки направлять с наклоном в угловом направлении двигателя, что часто происходит, учитывая выпрямление газового потока, которое они должны обеспечивать, так как монтаж необходимо осуществлять при помощи спиралевидного движения, которое не позволяет действовать усилиями, необходимыми для введения.

Другие концепции соединения между стойками и наружной обечайкой предполагают использование промежуточных деталей, соединяемых одновременно с обечайкой и со стойками. Пример такого выполнения описан в документе US 5272869. Но их недостатком являются слишком большие размеры, чтобы облегчить монтаж, и часто их крепят на стойках болтами, что может сделать демонтаж невозможным, если произойдет заклинивание болтов.

Последний недостаток присутствует и в других видах соединений, в которых стойки соединяют напрямую с обечайкой при помощи походящих через нее болтов, ориентированных параллельно направлению стоек. Пример такого соединения описан в документе US 6439841. Винты можно вводить в резьбовые втулки, запрессованные в отверстия стоек, или вставлять с зазором в гладкие отверстия стоек, которые выходят в отверстия, в которые можно вставлять и завинчивать гайки болтов.

В качестве ближайшего аналога выбран патент ЕР 1482130.

Преимущества, достигаемые настоящим изобретением по сравнению с различными известными концепциями, можно обобщить следующим образом: монтаж соединения является легким даже при затрудненном доступе по причине обтекателей; соединительные детали являются простыми, имеют небольшой объем и небольшую массу; устраняются дополнительные усилия, связанные с консольностью или с деформациями при монтаже; болты отделены от стоек, находясь в контакте с менее горячими деталями, и, следовательно, меньше подвержены нагреву и заклиниванию; обеспечивается точное позиционирование стоек на обечайке.

В целом, объектом настоящего изобретения является конструкция, содержащая круглую обечайку, в основном радиальные стойки, соединяющие обечайку с другой концентричной обечайкой, и соединения стоек с обечайкой или с внутренней ступицей, при этом каждое из соединений содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, проходящее через стойку параллельно обечайке, при этом через каждое от упомянутых отверстий проходит палец, отличающаяся тем, что палец оборудуют парой отверстий по обе стороны от стойки, и соединения дополнительно содержит пару распорок, расположенных по обе стороны стойки между пальцем и обечайкой, при этом отверстия проходят через обечайку и распорки и образуют одну линию с отверстиями пальца, а болты проходят через линии отверстий и стягивают обечайку, палец и распорки.

В рамках изобретения обечайка, соединенная таким образом со стойкой, может быть наружной обечайкой 11, что встречается чаще всего, но может быть также круглой обечайкой 8 внутренней ступицы: при этом конструкция остается такой же, если не считать нескольких изменений в размерах.

В предпочтительном варианте выполнения конструкция содержит также пару пальцев для каждого из соединений, при этом пальцы одной пары являются параллельными, и четыре линии вышеупомянутых отверстий и вышеупомянутых болтов.

Предпочтительно, чтобы отверстие стойки и центральный участок пальца, заходящий в отверстие стойки, имели круглое сечение.

Предпочтительно также, чтобы устройство содержало болты позиционирования в других линиях отверстий, которые проходят в стойке и обечайке.

Предпочтительно также, чтобы обечайка, которая в основном имеет конусную форму, содержала приливы (23) с плоской или цилиндрической внутренней поверхностью, при этом отверстия (29, 30) обечайки проходят через приливы и распорки (26), опирающиеся на плоскую или цилиндрическую внутреннюю поверхность.

В другом варианте выполнения конструкция содержит болты для позиционирования в других линиях отверстий, выполненных в стойках и либо в обечайке, либо в пальце или пальцах.

Другим объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий описанную выше конструкцию соединения.

Предпочтительно, чтобы в газотурбинном двигателе вокруг стоек были установлены обтекатели.

Предпочтительно также, чтобы в газотурбинном двигателе обечайка, внутренняя ступица, которая является другой обечайкой, и стойки были установлены между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления, а стойки проходят через газовоздушный тракт потока газообразных продуктов сгорания.

Далее следует описание изобретения со ссылками на следующие фигуры.

Фиг.1 (уже описана) - вид газотурбинного двигателя с применением изобретения.

Фиг.2 и 3 (уже описаны) - вид двух вариантов выполнения известного соединения.

Фиг.4 (уже описана) - вид обечайки и стоек в сборе.

Фиг.5, 6, 7, 8 и 9 - более детальный вид изобретения.

Соединение показано на фиг.5, а его элементы - на фиг.6, 7, 8 и 9.

Конец стойки 10 содержит параллельные отверстия 20, выполненные на ее конце в месте наименьшего размера и в двух противоположных сторонах (фиг.5 и 8). Пальцы 21 (фиг.5 и 6) вставлены в отверстия 20 и выступают из них. Они содержат центральный участок 22, имеющий такое же сечение, предпочтительно круглое, что и отверстия 20, и заходящий в них, и два боковых участка 23, выступающих из стойки 10, через каждый из которых проходит отверстие 24 пальца. Боковые участки 23 содержат плоские срезы 25. Конструкция содержит также распорки 26 (фиг.5 и 7), через которые проходит пара отверстий 27 распорки, параллельных между собой.

Наружная обечайка 11 оборудована приливом 28 (фиг.5 и 9), который связан с каждым из соединений и поверхность которого является плоской или цилиндрической, при этом цилиндр имеет тот же палец, что и газотурбинный двигатель. Через него проходят отверстия, - четыре наружных отверстия 29 и два внутренних отверстия 30, - выполненные в каждом приливе 28.

Сборку производят устанавливая обтекатели 12 (которые на последних фигурах не показаны) вокруг стоек 10 и вводя соединение, состоящее из внутренней ступицы 8, стоек 10 и обтекателей 12 в наружную обечайку 11, при помощи осевого движения. Позиционирование завершается, когда внутренние отверстия 30 оказываются в продолжении отверстий 31, выполненных в концах стойки 10 (фиг.8). Затем в эти линии отверстий 30 и 31 можно ввести болты 32 позиционирования для удержания стоек 10 в точном и фиксированном положении. После этого в отверстия 20 вставляют пальцы 21. Затем между приливами 28 и плоскими срезами 25 пальцев 21 по обе стороны от стойки 10 вставляют распорки 26, при этом каждую распорку 26 располагают под одним из выступающих участков 23 каждого из пальцев из пальцев 21. При подгонке положения получают четыре линии, каждая из которых включает наружное отверстие 23 обечайки 11, отверстие 27 распорки и отверстие 24 пальца. Наконец, через эти линии отверстий пропускают болты 33 и затягивают их таким образом, чтобы сжать распорки 26 между пальцами 21 и наружной обечайкой 11. В варианте, штифты позиционирования, аналогичные штифтам 32, могут проходить в другое отверстие пальца 21, чтобы удерживать его на месте.

Симметрия монтажа позволяет уменьшить усилия, прежде всего прикладываемые к стойкам 10. Все соединительные детали расположены на небольшом расстоянии от наружной обечайки 11, что позволяет легко устанавливать их и подгонять за счет зазора, присутствующего между наружной обечайкой 11 и обтекателем 12. Болты 32 легко доступны и могут быть легко установлены вместе с гайкой 33 внутри или снаружи наружной обечайки 11 в зависимости от требований, связанных с габаритом, или от других возможных требований. Болты 32 отделены от стоек 10 таким образом, чтобы сохранить возможность демонтажа даже в случае усложнений, таких как заклинивание гайки. Количество пальцев 21 можно ограничить только одним пальцем, если пойти на некоторое ухудшение распределения усилий. Сечения центрального участка 22 и отверстий 20 могут быть не круглыми, хотя круглая форма является более предпочтительной, так как упрощает изготовление и в то же время обеспечивает более равномерное и более контролируемое распределение усилий.

Устройство соединения радиальных стоек с круглой обечайкой при помощи осей и распорок содержит круглую обечайку, в основном радиальные стойки, соединяющие обечайку с другой концентричной обечайкой, и соединения стоек с обечайкой или с внутренней ступицей. При этом каждое из соединений содержит, по меньшей мере, одно отверстие, проходящее через стойку параллельно обечайке. При этом через каждое от упомянутых отверстий проходит палец. По обе стороны от стойки на пальце выполнена пара отверстий. Соединения также содержат пару распорок, расположенных по обе стороны от стойки между пальцем и обечайкой. Отверстия проходят через обечайку и распорки и образуют линии с отверстиями пальца. Болты проходят через линии отверстий и стягивают обечайку, палец и распорки. Изобретение позволяет облегчить монтаж соединения, упростить соединительные детали, облегчить их, болты меньше подвержены нагреву и заклиниванию. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство соединения радиальных стоек с круглой обечайкой при помощи осей и распорок, содержащее круглую обечайку (11), в основном радиальные стойки (10), соединяющие обечайку (11) с другой концентричной обечайкой (8), и соединения стоек с обечайкой или с внутренней ступицей, при этом каждое из соединений содержит, по меньшей мере, одно отверстие (20), проходящее через стойку параллельно обечайке (11), при этом через каждое от упомянутых отверстий (20) проходит палец (21), отличающееся тем, что по обе стороны от стойки на пальце выполнена пара отверстий (24), причем и соединения содержат также пару распорок (26), расположенных по обе стороны от стойки (10) между пальцем (21) и обечайкой (11), причем отверстия (29, 27) проходят через обечайку и распорки и образуют линии с отверстиями (24) пальца, а болты (23) проходят через линии отверстий и стягивают обечайку, палец и распорки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит пару пальцев (21) для каждого из соединений, при этом пальцы одной пары являются параллельными, и четыре линии вышеупомянутых отверстий и вышеупомянутых болтов.

3. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что отверстие (20) стойки и центральный участок (22) пальца (21), заходящий в отверстие стойки, имеют круглое сечение.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит болты позиционирования в других линиях отверстий (30, 31), которые проходят в стойке (10) и обечайке (8).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит болты позиционирования в других линиях отверстий, которые проходят в стойке, обечайке и пальце.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обечайка, которая в основном имеет конусную форму, содержит приливы (23) с плоской или цилиндрической внутренней поверхностью, при этом отверстия (29, 30) обечайки проходят через приливы и распорки (26), опирающиеся на плоскую или цилиндрическую внутреннюю поверхность.

7. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит устройство по любому из предыдущих пунктов.

8. Газотурбинный двигатель по п.7, отличающийся тем, что вокруг стоек (10) установлены обтекатели (12).

9. Газотурбинный двигатель по любому из пп.7 или 8, отличающийся тем, что обечайка, внутренняя ступица, которая является другой обечайкой (8), и стойки установлены между турбиной (6) высокого давления и турбиной (7) низкого давления, при этом стойки (10) проходят через газо-воздушный тракт (9) потока газообразных продуктов сгорания.