ТУРБИНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КАМЕРОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА ПОДВИЖНЫХ ЛОПАТОК И ТУРБОМАШИНА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ТАКУЮ ТУРБИНУ Российский патент 2014 года по МПК F01D11/24 

Область техники, к которой относится изобретение, и уровень техники

Настоящее изобретение относится к турбине высокого давления в турбомашине, например в турбореактивном двигателе или турбовинтовом двигателе.

Турбина высокого давления в турбомашине содержит, по меньшей мере, одну ступень, содержащую распределитель, образованный из кольцевого ряда нерегулируемых направляющих лопаток, и лопастное колесо, свободно установленное для вращения на выходной стороне распределителя в цилиндрической или конусной укороченной сборке кольцевых секторов, расположенных по окружности друг за другом. Эти кольцевые секторы содержат средства крепления к кольцевой опоре у их переднего и заднего концов, и кольцевая опора крепится к наружному корпусу турбины.

Радиальные зазоры между подвижными лопатками колеса и кольцевыми секторами должны быть сведены к минимуму для улучшения коэффициента полезного действия турбомашины при одновременном исключении трения между концами лопаток на кольцевых секторах, что могло бы привести к износу этих концов и уменьшить коэффициент полезного действия турбомашины при всех рабочих условиях.

Использование кольцевых вершин, окружающих закрепленное кольцо, за счет чего воздух отводится от других частей турбомашина, так чтобы свести к минимуму радиальные зазоры, уже были описаны. Отводимый воздух инжектируется на наружную поверхность неподвижного кольца и вызывает тепловое расширение или сжатие неподвижного кольца, тем самым варьируя его диаметр. Тепловое расширение и сжатие регулируются клапаном в зависимости от рабочей частоты вращения турбины, и клапан может регулироваться для контроля расхода и температуры воздуха, входящего в воздухопроводы. Узел, состоящий из воздуховодов и клапана, обычно носит название «камера регулирования зазора на законцовках лопаток».

Заявитель подавал на рассмотрение патентную заявку FR 2865237, описывающую, в частности, высокоэффективную камеру регулирования, поскольку инжектируемый воздух обеспечивает эффективное и равномерное охлаждение.

Фиг. 1 и 1А показывают пример камеры регулирования в сборе на наружном корпусе турбины высокого давления турбомашины. Эти фигуры показывают стенку 400 камеры 40 регулирования, прикрепленной к наружному корпусу 22 турбины 10 в двух диаметрально противоположных местах с помощью резьбового кольца 45.

Авторы изобретения показали, что при эксплуатации турбомашины, оборудованной турбиной высокого давления, в камере регулирования возникают вибрации, которые могут вызвать повреждения в местах ее крепления. Существует риск образования трещин в местах крепления.

Цель изобретения состоит в том, чтобы предложить решение для предотвращения возникновения пагубных нагрузок в местах крепления камеры регулирования к наружному корпусу при эксплуатации турбины высокого давления турбомашины.

Сущность изобретения

Для решения указанной задачи по изобретению предлагается турбина высокого давления для турбомашины, содержащая:

- наружный корпус,

- по меньшей мере, один распределитель, образованный из кольцевого ряда нерегулируемых направляющих лопаток,

- лопастное колесо, свободно установленное для вращения на выходной стороне распределителя,

- узел, образующий кольцо, размещенное по окружности вращающихся лопастей,

- устройство для регулирования радиального зазора между законцовками вращающихся лопастей и кольцом, содержащее камеру регулирования, окружающую кольцевые камеры и прикрепленную к наружному корпусу, по меньшей мере, в двух местах на расстоянии друг от друга,

- кольцевую опору, поддерживающую кольцо и прикрепленную к наружному корпусу, отличающуюся тем, что она также содержит кольцевой элемент с заданной гибкостью с одним концом, прикрепленным к кольцевой опоре, и с другим концом, который поддерживается за счет того, что он опирается в осевом направлении с заданным усилием на входную сторону камеры регулирования; кольцевой элемент с заданной гибкостью, опирающийся на опору с заданным усилием, таким образом, образует амортизатор, по меньшей мере, некоторой части вибраций камеры, возникающих при эксплуатации турбомашины.

Преимущественный пример камеры регулирования, которая может быть использована в изобретении, описан в патентной заявке FR 2865237. Таким образом, все содержание этой предшествующей заявки включено в эту заявку.

По изобретению энергия вибраций камеры, возникающих за счет динамического нагружения турбомашины, рассеивается в результате использования сочетания трения в осевой опоре и торможения камеры регулирования из-за изгибания дополнительного кольцевого элемента.

Это исключает риск образования трещин в местах крепления, делая некоторую часть вибрационных нагрузок некритичной.

Другими словами, амортизационный элемент по изобретению препятствует развитию пагубных режимов вибраций.

Соответственно, увеличивается срок службу камеры регулирования.

По варианту выполнения кольцевой амортизирующий элемент является металлической секцией, изготовленной с помощью механической обработки или штамповки листового материала.

Преимущественно геометрическая форма кольцевого амортизирующего элемента состоит из сплошного обода, прикрепленного к кольцевой опоре и продолжающегося множеством идентичных, расположенных через равные интервалы лопастей, наклоненных по отношению к ободу, криволинейный конец которых опирается с усилием на входную часть камеры.

Предпочтительно количество лопастей в кольцевом амортизирующем элементе кратно восемнадцати. Исследования показали, что этот выбор, например, использование семидесяти двух лопастей, равномерно распределенных по окружности диаметром 0,680 м, был вполне удовлетворительным.

По предпочтительному варианту выполнения камера регулирования и кольцевой амортизирующий элемент изготавливаются из одного материала.

По другому варианту выполнения износостойкий материал вставляется в опорную зону между амортизирующим элементом и входной стороной камеры, так чтобы уменьшить износ амортизатора или камеры из-за трения. Слой износостойкого материала предпочтительно наносится на входную сторону камеры в опорной зоне амортизирующего элемента.

По варианту выполнения кольцевой амортизирующий элемент состоит, по меньшей мере, из двух угловых секторов, прикрепленных один за другим и образующих готовую кольцевую форму амортизатора. Таким образом, амортизирующий элемент предпочтительно состоит из двух, шести или восемнадцати угловых секторов, прикрепленных один за другим и образующих готовую кольцевую форму амортизатора.

Предпочтительно, кольцевой амортизирующий элемент крепится к кольцевой опоре с помощью винтов, которые также крепят осевые ограничители. Эти части обычно называются стопорными пластинами.

Амортизирующий элемент может содержать, по меньшей мере, один угловой сектор, состоящий из сплошного обода, продолжающегося множеством идентичных, расположенных через равные интервалы лопастей, наклоненных по отношению к ободу, конец которых является криволинейным.

И, наконец, изобретение также относится к турбомашине, содержащей турбину высокого давления, подобную турбине, описанной выше.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и отличительные характеристики изобретения станут понятными после изучения подробного описания, приведенного в качестве примера со ссылкой на следующие фигуры, на которых:

фиг. 1 - схематичный разрез турбины высокого давления турбореактивного двигателя в местах крепления камеры регулирования к наружному корпусу,

фиг. 1А - детальный вид по фиг. 1, показывающий зону крепления камеры регулирования к наружному корпусу,

фиг. 2 - частичный схематичный вид в продольном разрезе турбины высокого давления турбореактивного двигателя по изобретению,

фиг. 3 - детальный вид в перспективе амортизирующего элемента по изобретению,

фиг. 4 - частичный вид в перспективе в разрезе турбины высокого давления по изобретению в местах крепления камеры регулирования к наружному корпусу.

Подробное описание конкретных вариантов выполнения

Фиг. 1 схематично показывает часть турбомашины, например турбореактивного двигателя и турбовинтового двигателя самолета, содержащей турбину 10 высокого давления, расположенную на стороне выхода камеры 12 сгорания и на стороне входа турбины 14 низкого давления турбомашины.

Камера 12 сгорания содержит наружную стенку 50 вращения, соединенную у стороны ее выхода с радиально внутренним концом конусной укороченной стенки 58, которая содержит радиально наружный кольцеобразный фланец 60 у своего радиально наружного конца для крепления к соответствующему кольцеобразному фланцу 62 на наружном корпусе 64 камеры.

Турбина 10 высокого давления содержит одну ступень турбины, в которой предусмотрен распределитель 16, образованный из кольцеобразного ряда нерегулируемых направляющих лопаток, и лопаточное колесо 18, свободно установленное для вращения на стороне выхода распределителя 16.

Турбина 14 низкого давления содержит несколько ступеней турбины, причем каждая из этих ступеней также содержит распределитель и лопаточное колесо; на фиг. 1 показан только распределитель 47 на входе ступени низкого давления.

Колесо 18 турбины высокого давления вращается внутри приблизительно цилиндрического узла из кольцевых секторов 20, расположенных один за другим по окружности и подвешенных в наружном корпусе 22 турбины с помощью кольцеобразной опоры 24. Эта кольцеобразная опора 24 содержит средство 26 крепления кольцевых секторов 20 у ее внутренней периферии и содержит стенку 28, которая продолжается наружу и в направлении входа и которая соединена с радиально наружным фланцем 30 для крепления наружного корпуса турбины 22 у ее радиально наружного конца. Фланец 60 вставлен в осевом направлении между фланцем 30 и фланцем 62 корпуса 22 турбины и зажат в осевом направлении между этими фланцами соответствующими средствами 7 типа винт/гайка.

Кольцеобразная опора 24 содержит у своей внутренней периферии две радиальных кольцевых стенки 34, 36 на входе и выходе, соответственно, которые соединены друг с другом цилиндрической стенкой 38. Радиальные стенки 34, 36 содержат цилиндрические края 90, обращенные к стороне выхода у их радиально внутренних концов, и эти края взаимодействуют с периферийными ловителями 92, 94, установленными у выходного и входного концов кольцевых секторов 20. Кольцевое стопорное устройство 96 с С-образным сечением присоединено в осевом направлении у выходного конца на выходном цилиндрическом краю 90 опоры и на выходных ловителях 94 кольцевых секторов для стопорения сборки.

Стенка 28 кольцевой опоры 24 и конусная укороченная стенка 58 камеры образуют кольцевую полость 80, которая вентилируется и в которую подается охлаждающий воздух через отверстия 82, образованные в конусной укороченной стенке 58. Непоказанные отверстия образованы во входной радиальной стенке 34 кольцевой опоры 24 для создания канала для движения среды между полостью 80 и кольцевой полостью 86 для охлаждения кольцевых секторов 28, ограниченных снаружи цилиндрической стенкой 38 кольцевой опоры.

Наружная стенка 66 распределителя содержит кольцевую канавку 74 как у входного конца, так и у выходного конца, открывающуюся в радиальном направлении наружу. В эти канавки помещено кольцевое герметичное уплотнение 76, которое взаимодействует с цилиндрическими ребрами 78, образованными на конусной укороченной стенке 58 и на входной радиальной стенке 34 кольцевой опоры 24, соответственно, во избежание прохождения газа радиально наружу из потока турбины через наружную стенку 66 и, наоборот, во избежание прохождения воздуха радиально внутрь из полости 80 в поток турбины.

Радиальный зазор между законцовками подвижных лопастей 18 и кольцом 20 также должен быть сведен к минимуму для увеличения коэффициента полезного действия турбины.

Для регулирования зазора предусмотрено дополнительное устройство D. Это устройство D содержит кольцевую камеру 40 регулирования, окружающую неподвижное кольцо 20, и, конкретнее, кольцевую опору 24.

В зависимости от рабочей частоты вращения турбомашины камера 40 регулирования либо охлаждает, либо нагревает входное кольцо 240 и выходное ребро 242 кольцевой опоры 24 за счет продувки воздуха через эти лопатки. Кольцевая опора 24 сжимается или расширяется, когда этот воздух контактирует с этой опорой, что уменьшает или увеличивает диаметр сегментов 20 неподвижного кольца турбины, так чтобы изменять зазор у законцовок лопаток 18.

Камера 40 регулирования поддерживает, по меньшей мере, три кольцевых камеры 41, 42 и 43 циркуляции воздуха, которые окружают кольцевую опору 24 неподвижного кольца в сборе. Эти камеры расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении и приблизительно параллельны друг другу. Они расположены с каждой стороны боковых поверхностей каждого из ребер 240, 242 и они приблизительно соответствуют форме этих ребер.

Камера 40 регулирования также содержит непоказанную сборную трубу для подачи воздуха в камеры 41, 42 и 43 циркуляции воздуха. Эта труба сбора воздуха окружает камеры 41, 42 и 43 и подает к ним воздух через воздушные каналы 44.

В показанном варианте выполнения такая камера 40 регулирования состоит из двух сжатых полукожухов и крепится к наружному кожуху 22 с помощью резьбовых колец 45 в двух диаметрально противоположных местах (фиг. 1).

Авторы изобретения определили, что во время эксплуатации турбомашины, содержащей турбину 10 высокого давления, показанную выше, существует риск образования трещин в местах 45 крепления. Они показали, что это связано с тем, что камера 40 регулирования подвергается пагубной вибрации, которая может привести к повреждению в местах 45 крепления.

Фиг. 1 и 1А схематично показывают эллиптические контуры, представляющие определенные зоны Z, в которых существует риск образования трещин вблизи крепежных отверстий 46.

Изобретение уменьшает этот риск образования трещин за счет внедрения кольцевого элемента 5 с заданной гибкостью внутрь полости, ограниченной кольцевой опорой 24 и наружным корпусом 22 на стороне входа в камеру 40 регулирования (фиг. 2 и 4).

Этот элемент внедряется так, что один из его концов 51 неподвижно крепится к кольцевой опоре 24 с помощью соединения 29 винт/гайка, а другой конец 52 просто опирается и контактирует в осевом направлении с заданным усилием с входной частью 401 камеры 40 регулирования.

Этот кольцевой элемент 5 с заданной гибкостью опирается на опору с заданным усилием и образует амортизатор, по меньшей мере, некоторой части вибраций камеры 40 регулирования, возникающих при эксплуатации турбины.

Таким образом, амортизация колебаний, предусматриваемая по изобретению, является средством рассеивания энергии вибраций камеры 40, возникающих при эксплуатации турбомашины, за счет сочетания трения в осевой и торможения камеры 40 регулирования из-за изгибания кольцевого элемента между его концами 51, 52 при эксплуатации турбомашины. Другими словами, амортизирующий элемент 5 улучшает рассеивание энергии и динамическое демпфирование камер 41, 42 и 43, регулируя радиальный зазор вращающихся лопаток 18.

Таким образом, амортизирующий элемент 5 позволяет устранить нагрузки от механической вибрации камеры 40 регулирования без необходимости изменения способа, с помощью которого она крепится к наружному кожуху (фиг. 4).

В показанном варианте выполнения каждый кольцевой сектор, образующий амортизирующий элемент 5, является металлической секцией, полученной листовой штамповкой.

Как показано на фиг. 3, геометрическая форма амортизирующего элемента 5 состоит из сплошного обода 51, прикрепленного к кольцевой опоре и продолжающегося с помощью множества идентичных, расположенных через равные интервалы лопастей 510, наклоненных по отношению к ободу 51, криволинейный конец 52 которых опирается с усилием на входную часть 401 камеры. Эти лопасти 510, которые упираются с усилием на входную часть камеры, могут быть изготовлены, например, из сплошной металлической секции посредством механической обработки типа «распиливания», которая схематично показана в виде пространства 53 между двумя смежными лопастями 510. По необходимости, в частности, в качестве функции заданного опорного давления, которое должно быть получено на камере, количество лопастей 510 по всей окружности может варьироваться посредством модификации ширины выполняемого распила. Количество лопастей в амортизирующем элементе 5 кратно восемнадцати. Например, было бы желательным количество лопастей, равное семидесяти двум. Также можно использовать тридцать шесть или сто сорок четыре лопасти. Камера 40 регулирования и амортизирующий элемент 5 предпочтительно изготавливаются из одного материала, например из сплава Hastelloy® X.

Предпочтительно вставить износоустойчивый материал в опорную зону 52 между амортизирующим элементом 5 и входной частью 401 камеры 40 во избежание преждевременного износа камеры 40 регулирования или амортизирующего элемента 5 из-за взаимного трения и для улучшения рассеивания энергии за счет трения. Может быть использован сплав Tribaloy® 800 или сплав Tribaloy® 800 с CoCrAlYSi. Вставляемый материал преимущественно может быть слоем износоустойчивого материала, нанесенного на входную часть 401 камеры 40 в опорной зоне 52 амортизирующего элемента 5. Нанесение грубого слоя с помощью такого способа изменяет коэффициент трения и улучшает рассеивание энергии.

Амортизирующий элемент 5 состоит, по меньшей мере, из двух угловых секторов, прикрепленных один за другим и образующих готовую кольцевую форму амортизатора. Как минимум два угловых сектора удовлетворяют требованиям к сборке и различным ограничениям расширения, встречающимся в зоне крепления кольцевой опоры 24 турбины высокого давления. Количество угловых секторов при желании может быть увеличено. Например, для получения готовой кольцевой формы амортизатора может быть использовано два, шесть или восемнадцать угловых секторов, прикрепленных один за другим. Восемнадцать является наиболее предпочтительным числом идентичных угловых секторов, поскольку это обеспечивает крепление каждого сектора к кольцевой опоре с помощью гаек/винтов 29, которые также используются для крепления осевых ограничителей 88. Эти части обычно называются стопорными пластинами.

Таким образом, по изобретению количество угловых секторов и количество лопаток должно быть кратно количеству крепежных винтов, так чтобы секторы были идентичными.

Следовательно, любое средство для получении угловых секторов, с помощью которого они могут быть прикреплены за счет использования существующих систем 29 винт/гайка, чтобы установить осевые ограничители, является преимущественным, поскольку изобретение не требует каких-либо дополнительных средств крепления амортизатора.

Описанное выше изобретение является преимущественным, поскольку оно устраняет проблему возникновения пагубных механических нагрузок, прикладываемых к камере регулирования при эксплуатации турбомашины с установленным амортизатором, который:

- можно легко изготовить (легко собираемая металлическая секция 5),

- можно адаптировать к существующей турбине высокого давления без изменения окружающих условий (секция крепится в существующую конструкционную полость между наружным корпусом 22 и кольцевой опорой с помощью винтов/болтов, которые уже использовались для крепления других частей; не требуется никаких изменений в способе крепления камеры регулирования).

Турбина высокого давления содержит наружный корпус, распределитель, лопастное колесо, узел, образующий кольцо и размещенный по окружности вращающихся лопастей, устройство для регулирования радиального зазора между законцовками вращающихся лопастей и кольцом, а также кольцевую опору и кольцевой амортизирующий элемент. Распределитель образован рядом направляющих лопаток, а лопастное колесо установлено на его выходной стороне. Устройство для регулирования радиального зазора включает камеру регулирования с кольцевыми камерами, прикрепленную к наружному корпусу, по меньшей мере, в двух местах на расстоянии друг от друга. Кольцевая опора поддерживает кольцо и прикреплена к наружному корпусу турбины. Кольцевой амортизирующий элемент выполнен с заданной упругостью, одним концом закреплен на кольцевой опоре, а другим концом опирается в осевом направлении на входную сторону камеры регулирования, для обеспечения амортизации, по меньшей мере, некоторой части вибраций камеры, возникающих при эксплуатации турбомашины. Другое изобретение группы относится к турбомашине, содержащей указанную выше турбину. Изобретения позволяют повысить срок службы камеры регулирования радиального зазора. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбина (10) высокого давления турбомашины, содержащая
- наружный корпус,
- по меньшей мере, один распределитель (10), образованный из кольцевого ряда нерегулируемых направляющих лопаток,
- лопастное колесо (18), свободно установленное для вращения на выходной стороне распределителя,
- узел, образующий кольцо (20), размещенное по окружности вращающихся лопастей,
- устройство для регулирования радиального зазора (D) между законцовками вращающихся лопастей и кольцом, содержащее камеру (40) регулирования с кольцевыми камерами (41, 42, 43), прикрепленную к наружному корпусу (22), по меньшей мере, в двух местах на расстоянии друг от друга,
- кольцевую опору (14), поддерживающую кольцо (20) и прикрепленную к наружному корпусу (22),
отличающаяся тем, что
она содержит кольцевой амортизирующий элемент (5) с заданной упругостью, который одним концом (51) закреплен на кольцевой опоре (24), а другим концом (52) опирается в осевом направлении на входную сторону (401) камеры (40) регулирования, для обеспечения амортизации, по меньшей мере, некоторой части вибраций камеры, возникающих при эксплуатации турбомашины.

2. Турбина (10) высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой амортизирующий элемент (5) выполнен из металла путем механической обработки или штамповки листового материала.

3. Турбина (10) высокого давления по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что геометрическая форма кольцевого амортизирующего элемента (5) образована сплошным ободом (51), присоединенным к кольцевой опоре (24) и продолжающимся множеством идентичных, расположенных через равные интервалы лопастей (510), наклоненных по отношению к ободу, криволинейный конец (52) которых опирается с усилием на входную часть (401) камеры (40).

4. Турбина (10) высокого давления по п.3, отличающаяся тем, что количество лопастей (510) в кольцевом амортизирующем элементе (5) кратно восемнадцати.

5. Турбина (10) высокого давления по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что камера (40) регулирования и кольцевой амортизирующий элемент (5) изготовлены из одного материала.

6. Турбина (10) высокого давления по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что в опорную зону между кольцевым амортизирующим элементом и входной стороной камеры вставлен износостойкий материал для обеспечения уменьшения износа амортизатора или камеры из-за трения.

7. Турбина (10) высокого давления по п.6, отличающаяся тем, что слой износостойкого материала нанесен на входную сторону камеры (40) в опорной зоне (401) амортизирующего элемента (5).

8. Турбина (10) высокого давления по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что кольцевой амортизирующий элемент состоит, по меньшей мере, из двух угловых секторов, закрепленных один за другим, образуя кольцевую форму амортизатора.

9. Турбина (10) высокого давления по п.8, отличающаяся тем, что кольцевой амортизирующий элемент состоит из шести или восемнадцати угловых секторов, закрепленных один за другим и образующих кольцевую форму амортизатора.

10. Турбина (10) высокого давления по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что кольцевой амортизирующий элемент крепится к кольцевой опоре с помощью винтов, которые также крепят осевые ограничители (88).

11. Турбина (10) высокого давления по п.2, отличающаяся тем, что кольцевой амортизирующий элемент (5) выполнен из сплошного обода (51), продолжающегося множеством идентичных, расположенных через равные интервалы лопастей (510), наклоненных по отношению к ободу (51), конец (52) которых является криволинейным.

12. Турбомашина, содержащая турбину высокого давления по одному из пп.1-11.