ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ БЛОКИРОВКИ ВРАЩЕНИЯ СЕГМЕНТА НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА В КАРТЕРЕ И БЛОКИРОВОЧНЫЙ ШТИФТ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИЙ ВРАЩЕНИЮ Российский патент 2015 года по МПК F01D25/24 F01D9/04 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается кольцевого направляющего соплового аппарата осевой турбины, образованного сегментами направляющего аппарата, расположенными в виде секторов кольца. В частности, изобретение касается устройства блокировки вращения этих секторов внутри картера.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Используемый в авиации газотурбинный двигатель содержит передний вход, через который воздух всасывается, затем сжимается при прохождении через компрессорные ступени. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, куда также подают топливо, с которым он смешивается, и где происходит горение. Горячие газообразные продукты горения расширяются в различных турбинных ступенях, в том числе, как правило, в ступени высокого давления, которая находится сразу на выходе камеры и в которую газы поступают при максимально высокой температуре, совместимой со стойкостью материалов. После этого первого расширения газы расширяются вторично, проходя через так называемые турбинные ступени низкого давления. Турбинная ступень содержит венец направляющего соплового аппарата на входе подвижного рабочего колеса турбины.

Венец направляющего соплового аппарата с осевым потоком содержит множество лопаток, расположенных радиально по отношению к оси двигателя и соединяющих радиально внутренний кольцевой элемент и радиально наружный кольцевой элемент; вся конструкция образует кольцевой контур напротив подвижных лопаток рабочего колеса турбины. Само подвижное колесо состоит из лопаток, проходящих в радиальном направлении от обода диска или барабана, вращающегося вокруг оси вращения. Через лопатки в осевом направлении проходят рабочие газы. Как правило, секция низкого давления двигателя содержит несколько турбинных ступеней.

Венцы направляющих сопловых аппаратов сегментированы на множество секторов, распределенных вокруг оси двигателя, при этом каждый сегмент образован несколькими лопатками между двумя секторами кольца. Каждый сегмент устанавливают внутрь картера турбины через радиально наружный сектор кольца. Последний содержит переднее средство удержания и заднее средство удержания. Эти средства выполнены, например, в виде кольцевых направляющих на внутренней стенке картера, на которые опираются опорные поверхности, выполненные на секторах кольца сегментов направляющего аппарата. Монтаж производят таким образом, чтобы учитывать относительное расширение направляющего аппарата относительно картера, которое зависит от изменений режима двигателя. Учитывая осевую симметрию венцов направляющих сопловых аппаратов и тангенциальные усилия, возникающие в результате прохождения через них газового потока, необходимо предусматривать средства блокировки вращения секторов.

В патенте FR 2743603, зарегистрированном на имя SNECMA, описан способ монтажа таких сегментов направляющего аппарата внутри картера. Сегменты направляющего аппарата содержат периферическую наружную нервюру, перпендикулярную к оси направляющего аппарата, опирающуюся своими сторонами, одна из которых является радиально наружной, а другая задней, на соответствующие стороны внутренней стенки картера. Захваты, образованные задним турбинным кольцом на этом уровне, удерживают сегменты и препятствуют их радиальным смещениям. Выступ на передней стороне нервюры каждого сегмента содержит выемку, в которую заходит препятствующий вращению блокировочный штифт. Этот штифт содержит головку, заходящую в упомянутую выемку, и стержень, заходящий скольжением в радиальное отверстие стенки картера. Таким образом, этот штифт препятствует любому вращательному движению сегмента направляющего аппарата вокруг его оси.

Чтобы защитить стенку картера от теплового излучения, исходящего от сегментов направляющего аппарата, предусмотрен лист, который вставляют между сегментом и внутренней стенкой картера. Этот теплозащитный лист опирается спереди на радиальный участок поверхности, выполненный во внутренней стенке картера. Передний край защитного листа загнут радиально внутрь, образуя загиб, который опирается также на передний край сегмента и участвует в его удержании на передней направляющей картера. Сзади защитный лист содержит вырез с язычком в дне выреза, опирающимся на блокировочный штифт сегмента. По сути дела язычок блокируется в тонком пазу штифта.

Этот монтаж является удовлетворительным с точки зрения удержания направляющего соплового аппарата внутри картера и его термической защиты.

Однако было установлено, что лист может отходить от своего положения контакта с блокировочным штифтом, при этом язычок выходит из упорного паза, выполненного на штифте. Будучи не закрепленной на штифте, задняя часть листа, где находится язычок, трется по внутренней стороне стенки картера и оставляет на ней царапины. Поэтому необходимо устранить этот риск износа картера.

ОБЪЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является решение вышеуказанной проблемы известного уровня техники.

Эта задача решается тем, что в газотурбинном двигателе, оборудованным устройством блокировки вращения сегмента направляющего соплового аппарата в виде сектора кольца, установленного внутри кольцевого картера газотурбинного двигателя, при этом между внутренней стенкой картера и наружной стенкой сегмента установлен теплозащитный лист, при этом устройство содержит препятствующий вращению блокировочный штифт, установленный одновременно в выемке, выполненной в сегменте, и в гнезде, выполненном в картере, при этом теплозащитный лист содержит язычок, опирающийся на блокировочный штифт, согласно изобретению, устройство блокировки содержит участок поверхности, расположенный радиально между язычком и упомянутой внутренней стенкой картера, образуя упор при возможном радиальном смещении теплозащитного листа во время работы газотурбинного двигателя.

Предусмотрев упор между картером и частью листа, которая может смещаться во время работы двигателя, устраняют риск контакта с внутренней стенкой картера.

Согласно варианту выполнения, штифт содержит головку, заходящую в выемку сегмента, и стержень, заходящий в гнездо, выполненное на картере, при этом упомянутый участок поверхности выполнен заодно с головкой блокировочного штифта.

Преимуществом этого варианта выполнения является то, что он затрагивает только блокировочный штифт, а остальные детали, такие как сегмент направляющего аппарата, теплозащитный лист и картер, остаются без изменения. В результате получают существенную экономию в расходах, поскольку уже существующий штифт можно заменить модифицированным штифтом, не изменяя окружающие детали.

Эту замену можно произвести во время изготовления в качестве профилактической меры или во время ремонта.

Предпочтительно упомянутый участок поверхности образован заплечиком, выполненным посредством механической обработки в головке блокировочного штифта; в частности, упомянутый участок поверхности образован лапкой, проходящей параллельно оси направляющего соплового аппарата и опирающейся на внутреннюю стенку картера.

Заявленное устройство находит свое применение в конфигурации, описанной в патенте FR 2743603, где сегмент направляющего соплового аппарата содержит нервюру, перпендикулярную к оси направляющего аппарата и опирающуюся на внутреннюю стенку картера, при этом упомянутая выемка выполнена в выступе, предусмотренном на одной стороне нервюры. При этом предпочтительно теплозащитный лист имеет форму сектора кольца с вырезом, соответствующим упомянутому выступу, при этом в дне выреза выполнен язычок. В частности, защитный лист располагают спереди относительно нервюры сегмента направляющего аппарата и блокировочного штифта.

Поскольку отличительным признаком изобретения является наличие блокировочного штифта, то его объектом является также препятствующий вращению блокировочный штифт, выполненный с возможностью использования в вышеуказанном устройстве, при этом штифт содержит прямой стержень и головку с первой стороной, параллельной оси стержня, и участком поверхности, перпендикулярным к упомянутой первой стороне, расположенным противоположно стержню.

Предпочтительно штифт содержит лапку, перпендикулярную к оси прямого стержня, при этом упомянутый участок поверхности выполнен на лапке.

Объектом изобретения является также двигатель с газовой турбиной, содержащей турбинную ступень с описанным выше устройством.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Далее следует описание изобретения, представленное в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает пример газотурбинного двигателя, в котором применено изобретение;

фиг.2 - частичный вид в осевом разрезе направляющего соплового аппарата турбины, установленного в картере газотурбинного двигателя, согласно известному техническому решению;

фиг.3 - вид в направлении оси двигателя направляющего соплового аппарата, показанного на фиг.2, с частичным вырезом;

фиг.4 - известный блокировочный штифт;

фиг.5 - вид в осевом разрезе, соответствующий фиг.2, с внесенным изменением согласно изобретению;

фиг.6 - блокировочный штифт в соответствии с изобретением.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ

На фиг.1 в осевом разрезе показан газотурбинный двигатель 1 с турбокомпрессором. Он содержит от входа к выходу (в данном случае слева направо) вентилятор 2 с компрессором 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру сгорания 5, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления. Турбина 7 низкого давления, содержащая несколько подвижных ступеней на одном роторе, вращает через центральный вал узел, образованный вентилятором 2 и компрессором 3 низкого давления.

На фиг.2 частично показан участок турбины 7 низкого давления на уровне ее наружной окружности. Направляющий сопловой аппарат 8 или статор находится на входе колеса с подвижными лопатками 9 внутри картера 10 турбины. Подвижное колесо вращается вокруг оси двигателя внутри турбинного кольца 9'.

Направляющий сопловой аппарат 8 образован неподвижными лопатками, расположенными в виде венца, разделенного на множество сегментов 80, распределенных в окружном направлении вокруг оси двигателя. Каждый сегмент 80 содержит несколько смежных неподвижных лопаток, выполненных заодно с элементом в виде сектора 81 кольца. Сегмент 80 направляющего аппарата удерживается спереди нервюрой в виде направляющей 101, выполненной в осевом направлении от внутренней стенки картера 10; передний крючок 82, выполненный заодно с элементом в виде сектора 81 кольца, опирается на радиально наружную сторону направляющей 101. Сзади элемент 81 содержит периферическую радиальную нервюру 83, перпендикулярную к оси направляющего аппарата, которая опирается радиально наружной стороной 83а и задней стороной 83b на соответствующие стороны кольцевой направляющей 102, которая выполнена в осевом направлении от внутренней стенки картера 10 с задним краем, обращенным в сторону оси.

Как показано на фиг.3, в радиальном отверстии картера 10 установлен препятствующий вращению блокировочный штифт 20. Штифт 20 выступает внутрь картера и заходит в выемку 83с, выполненную механической обработкой в нервюре 83 сегмента 80. Следует отметить, что нервюра образует на этом уровне утолщение 83', в котором выполнена выемка. Как указано в патенте FR 2743603, нервюра 83 образует препятствие для газов, находящихся спереди; зона, находящаяся спереди нервюры 83, не сообщается с зоной, находящейся сзади. Штифт плотно заходит в отверстие картера, а также в выемку 83с. Он содержит две боковины 22а и 22b, которые заходят скольжением между боковинами выемки, выполненными механической обработкой параллельно оси направляющего соплового аппарата. Выемка открыта спереди и находится в центре сегмента. Таким образом, сегмент 80 неподвижно удерживается от вращения относительно картера, но при этом может расширяться в окружном направлении с двух сторон от штифта и в определенных пределах смещаться в осевом направлении.

Между сектором 81 кольца сегмента 80 и внутренней стенкой картера установлен теплозащитный лист 30. Лист имеет общую форму сектора кольца, который спереди опирается на упорную поверхность, выполненную в картере, которая может находиться на уровне передней направляющей 101. Сзади защитный лист 30 содержит вырез, соответствующий контуру выступа 83' нервюры. Язычок 30а, выполненный в дне выреза, опирается на блокировочный штифт 20. Поскольку лист может слегка деформироваться, то во время работы газотурбинного двигателя лист может удерживаться на месте за счет пружинного эффекта.

На фиг.4 отдельно показан известный блокировочный штифт. Он содержит цилиндрический стержень 21, диаметр которого обеспечивает его плотную посадку в отверстие картера. Штифт содержит головку 22, образующую поперечину Т-образного элемента вместе со стержнем 21. Эта головка имеет форму параллелепипеда с двумя боковинами 22а и 22b, параллельными оси стержня 21 и между собой. Язычок 30а защитного листа опирается на сторону, перпендикулярную двум первым сторонам 22а и 22b и находящуюся спереди, когда штифт находится в выемке 83с нервюры 83.

Как было указано выше, этого недостаточно, и задний край защитного листа может тереться по внутренней стороне картера, что может привести к появлению нежелательных царапин.

Согласно изобретению, в блокировочный штифт внесены изменения. Элементы заявленного блокировочного штифта имеют те же обозначения, что и у известного штифта, но увеличенные на 100.

Этот штифт 120 показан на фиг.5 и 6. Он похож на штифт 20 и имеет стержень 121, головку 122 и боковины 122а и 122b. Размеры совпадают с размерами штифта 20. Он дополнительно содержит лапку 122с, которая проходит перпендикулярно к оси стержня 121 и по ширине головки 120. Она расположена между стержнем и головкой. Она имеет калиброванную толщину.

На фиг.5 показан новый штифт 120 в положении после монтажа. Как и штифт 20, он обеспечивает блокировку вращения направляющего соплового аппарата относительно картера 10. Необходимо отметить, что по сравнению с известным устройством изменение внесено только в штифт. Другие элементы, такие как направляющий аппарат, лист и картер, остались без изменения. Язычок опирается на переднюю боковину головки 122 блокировочного штифта. Лапка 122с, опирающаяся на картер, образует поверхность, в которую может упираться задний край листа. Если во время работы газотурбинного двигателя возникает трение, царапины будут появляться на поверхности лапки 122с, обращенной внутрь; во время ремонта достаточно заменить штифт 120, не трогая внутреннюю стенку картера. За счет этого стоимость ремонта значительно снижается.

В качестве профилактической меры во время технического обслуживания двигателя можно заменить существующие блокировочные штифты 20 на штифты 120 в соответствии с изобретением. Функция блокировки вращения обеспечивается точно так же, но зато дополнительно обеспечивается защита внутренней стенки картера.

Газотурбинный двигатель включает устройство блокировки вращения сегмента направляющего соплового аппарата, установленного внутри кольцевого картера газотурбинного двигателя, и теплозащитный лист, установленный между внутренней стенкой картера и наружной стенкой сегмента направляющего аппарата. Устройство блокировки вращения содержит препятствующий вращению блокировочный штифт, установленный одновременно в выемке, выполненной в сегменте направляющего аппарата, и в гнезде, выполненном в картере. Теплозащитный лист содержит язычок, опирающийся на блокировочный штифт. Устройство блокировки содержит участок поверхности, расположенный радиально между язычком и упомянутой внутренней стенкой картера, образуя упор при возможном радиальном смещении теплозащитного листа во время работы газотурбинного двигателя. Другие изобретения группы относятся к вариантам блокировочного штифта, используемого в указанном выше газотурбинном двигателе. В одном варианте блокировочный штифт содержит прямой стержень и головку с первой стороной, параллельной оси стержня, и участком поверхности, перпендикулярным первой стороне, расположенным противоположно стержню. В другом варианте штифт дополнительно содержит лапку, перпендикулярную к оси прямого стержня, при этом участок поверхности, перпендикулярный первой стороне, образован лапкой. Группа изобретений позволяет снизить износ картера за счет исключения его контакта с теплозащитным листом. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газотурбинный двигатель с устройством блокировки вращения сегмента (80) направляющего соплового аппарата в виде сектора кольца, установленного внутри кольцевого картера (10) газотурбинного двигателя, при этом между внутренней стенкой картера и наружной стенкой сегмента (80) направляющего аппарата установлен теплозащитный лист (30), при этом устройство содержит препятствующий вращению блокировочный штифт (120), установленный одновременно в выемке (83с), выполненной в сегменте (80) направляющего аппарата, и в гнезде, выполненном в картере, при этом теплозащитный лист (30) содержит язычок (30а), опирающийся на блокировочный штифт (120), отличающийся тем, что устройство блокировки содержит участок поверхности (122с), расположенный радиально между язычком и упомянутой внутренней стенкой картера, образуя упор при возможном радиальном смещении теплозащитного листа во время работы газотурбинного двигателя.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, в котором блокировочный штифт (120) содержит головку (122), заходящую в выемку (83с) сегмента (80) направляющего аппарата, и стержень (121), заходящий в гнездо, выполненное на картере, при этом упомянутый участок поверхности (122с) выполнен заодно с головкой (122) блокировочного штифта.

3. Газотурбинный двигатель по п.2, в котором упомянутый участок поверхности (122с) образован заплечиком, выполненным посредством механической обработки в головке блокировочного штифта.

4. Газотурбинный двигатель по п.1, в котором упомянутый участок поверхности (122с) образован лапкой, параллельной оси направляющего соплового аппарата и опирающейся на внутреннюю стенку картера.

5. Газотурбинный двигатель по п.1, в котором сегмент (80) направляющего аппарата содержит нервюру (83), перпендикулярную к оси направляющего аппарата и опирающуюся на внутреннюю стенку картера, при этом упомянутая выемка (83с) выполнена в выступе (83'), предусмотренном на одной стороне нервюры (83).

6. Газотурбинный двигатель по п.5, в котором теплозащитный лист (30) имеет форму сектора кольца с вырезом, соответствующим упомянутому выступу (83'), при этом в дне выреза выполнен язычок (30а).

7. Газотурбинный двигатель по п.5, в котором защитный лист (30) расположен спереди относительно нервюры (83) сегмента (80) направляющего аппарата и блокировочного штифта (120).

8. Блокировочный штифт (120), препятствующий вращению, выполненный с возможностью использования в газотурбинном двигателе по одному из пп.1-7, содержащий прямой стержень (121) и головку (122) с первой стороной, параллельной оси стержня, и участком поверхности (122с), перпендикулярным к первой стороне, расположенным противоположно стержню.

9. Штифт, выполненный с возможностью использования в газотурбинном двигателе по одному из пп.1-7, содержащий прямой стержень (121) и головку (122) с первой стороной, параллельной оси стержня, и участком поверхности (122с), перпендикулярным к первой стороне, расположенным противоположно стержню, и лапку, перпендикулярную к оси прямого стержня (121), при этом упомянутый участок поверхности (122с) образован лапкой.