СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ КРЫШКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА ТУРБОМАШИНЫ, КРЫШКА КОМПРЕССОРА И УЗЕЛ КОМПРЕССОРА, СНАБЖЕННЫЙ ТАКОЙ КРЫШКОЙ Российский патент 2015 года по МПК F01D11/08 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение касается способа крепления крышки центробежного компрессора турбомашины, крышки, предназначенной для осуществления такого способа, а также узла центробежного компрессора, снабженного такой крышкой. Турбомашиной может быть оборудован любой тип летательного аппарата, в частности вертолет или самолет. Конфигурация является оптимизированной в том плане, что она обеспечивает минимизированный и, по существу, постоянный зазор между крышкой и центробежным насосом во всех фазах полета.

Крепления крышки колеса выполнены в форме гибких диафрагм для обеспечения возможности позиционирования крышки в процессе работы центробежного компрессора. Классическое позиционирование стремится удержать минимальный зазор между крышкой и лопатками колеса во всех фазах полета, будь то переходные режимы работы компрессора или стабильные промежуточные режимы.

Обычно температура и давление потока воздуха в колесе центробежного компрессора повышаются, по существу, от 30 до 40% от передней кромки к задней кромке колеса. Эффект этой разности возникает вследствие наклона радиальных частей лопаток вблизи задней кромки в сторону входа и, таким образом, постепенно приближает колесо крышки от входа к выходу. Более того, дополнительное повышение температуры в области этих радиальных задней кромке частей вызывается теплом, излучаемым турбиной турбомашины. Этот дополнительный приток также усиливает наклон лопаток относительно крышки компрессора.

Такой наклон также возникает вследствие центробежных сил из-за повышенной скорости вращения колеса. Эти центробежные силы вызывают также радиальное удлинение, в особенности, в осевой части крышки со стороны передней кромки.

В этих условиях зазор между крышкой и колесом центробежного компрессора имеет разность, которая изменяется локально вдоль колеса между передней кромкой и задней кромкой и которая между крышкой и колесом является главным фактором для КПД центробежного компрессора. Для улучшения КПД обеспечивают наименьший и постоянный зазор без риска длительного контакта.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Обычно крепление в виде кольцевой диафрагмы используется для установки крышки путем закрепления на кольцевом держателе. Существует много вариантов для размещения кольцевого соединения на крышке и исследования поведения зазора крышка/колесо в зависимости от размещения. Это соединение может быть:

- на передней кромке, расположенной с входной стороны на осевом входе лопаток колеса;

- на задней кромке, расположенной на выходном конце со стороны радиальных выходов лопаток, или

- в изгибе крышки, образованном вогнутой кривой крышки между входными и выходным краями, в частности, посередине между этими краями.

Соединение на передней кромке не позволяет отбирать воздух в крышке. Действительно, герметичность между отобранным воздухом и воздухом, который проникает между крышкой и диффузором, не обеспечивается, что вызывает рециркуляции. Таким образом, отбор воздуха предусмотрен как источник мощности для оборудования турбомашины или летательного аппарата.

Соединение задней кромки не позволяет крышке отслеживать перемещение колеса, в частности, в его радиальной части, то есть там, где перемещение является наиболее значительным: зазор крышка/колесо рассчитан для того, чтобы иметь заданную величину максимальной мощности при взлете, сокращенно PMD, турбомашины. Но этот зазор не оптимизирован в стабильных промежуточных режимах и в переходных режимах.

Двойная связь, одновременно на задней кромке или в изгибе, как описано в патентном документе ЕР 1167772, или на передней кромке или в изгибе, как упомянуто в патенте US 5555721, приводит к тем же заключениям по проблематике перемещения крышки относительно наклона лопаток колеса.

Единственная связь в изгибе крышки не позволяет исключить недостатки двойных связей или связи на задней кромке, так как поведение крышки не следует за перемещением лопаток, в частности за перемещением вперед, для ограничения регулировки зазоров.

Конструкция с единственной связью в изгибе описана, например, в патентном документе US 4264271. Соединение крышки является в данном случае расширением в форме радиальной короны (50), закрепленной на кольцевом суппорте (42) с помощью фланцев. Корона не может деформироваться под действием давления и температуры. Эта деформация позволяет переместить вогнутую крышку так, чтобы сохранить одинаковое расстояние с лопатками колеса.

Однако радиальное перемещение соединения (56) сильно ограничено короной 50, которая работает на сжатие. Таким образом, этот тип конструкции ограничивает вращение меридиана крышки, вызванного, естественно, градиента температуры, существующего на крышке.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено, напротив, на обеспечение перемещения крышки таким образом, чтобы зазор между крышкой и лопатками колеса оставался наименьшим в широком диапазоне деформации колеса. Для этого в изобретении предлагается конфигурация соединения в виде середины крышки, содержащей особую часть.

Точнее, объектом настоящего изобретения является способ соединения крышки колеса центробежного компрессора турбомашины, в котором крышка имеет вогнутую оболочку и осесимметричную связь между соединением, образованным по существу в середине оболочки, и осевым креплением по периферии, удерживающим оболочку на расстоянии от колеса. Часть, упругодеформируемая на изгиб, выполнена на упомянутой связи вне соединения с оболочкой, так чтобы расстояние между оболочкой и колесом удерживалось постоянным с постоянными зазорами в промежуточных и переходных режимах. Наличие такой части гарантирует по существу постоянное расстояние при работе, что позволяет обеспечить регулирование зазоров в промежуточных и переходных режимах, уменьшенных до минимума, а также характеристики соединения, которые остаются наиболее близкими к характеристикам колеса в промежуточных и переходных режимах.

В соответствии с особыми вариантами осуществления деформируемая часть размещена вблизи крепления соединения, и соединение является уплотнением оболочки в соответствии, по существу, с радиальной конфигурацией по отношению к кривизне оболочки при соединении.

Изобретение касается также крышки для осуществления представленного выше способа, причем крышка представляет собой вогнутую оболочку, имеющую внутреннюю поверхность, размещенную на расстоянии от компрессора, снабженного колесом с лопатками посредством связи, имеющей конец соединения, образованный, по существу, в центре оболочки, и другой конец, закрепленный на кожухе турбомашины. Такое соединение содержит осесимметричную диафрагму с общей конфигурацией в форме усеченного конуса, которая имеет профиль рычага, соединенного крепящим концом с кожухом c помощью соединения с двумя прямоугольными изгибами и тупым углом в состоянии покоя, причем это соединение размещено ближе к крепящему концу, чем конец соединения оболочки. Расстояние между внутренней поверхностью оболочки и внешними краями лопаток, таким образом, удерживается постоянным при работе и регулируется при регулировании минимального зазора в промежуточных и переходных режимах.

В соответствии с особыми вариантами осуществления:

- диафрагма содержит осевую кольцевую связь между радиальной фиксирующей короной и дважды изогнутым соединением;

- дважды изогнутое соединение в положении покоя образовано радиальной короной, соединенной, с одной стороны, с кольцевой осевой связью, по существу, с прямоугольным изгибом, и, с другой стороны, с рычагом в форме усеченного конуса с тупоугольным изгибом;

- предпочтительно, профиль рычага может быть, по существу, прямолинейным в покое и иметь толщину, по существу, увеличивающуюся к концу соединения;

- рычаг имеет в среднем толщину, по существу, меньшую, чем толщина оболочки крышки.

Изобретение касается также соединения вышеупомянутой крышки и центробежного компрессора турбомашины. В этом соединении крышка выполнена таким образом, чтобы, с одной стороны, оставаться на постоянном расстоянии от компрессора и, с другой стороны, крепиться к кожуху турбомашины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

- фиг.1 изображает продольный вид турбомашины, снабженной крышкой центробежного компрессора по изобретению;

- фиг.2 изображает вид в частичном продольном разрезе крышки центробежного компрессора по фиг.1 в состоянии покоя;

- фиг.3 изображает частичный вид спереди крышки и компрессора по плоскости III-III по фиг.1, и

- фиг.4 изображает вид в разрезе по фиг.2, когда компрессор находится в работе, и иллюстрирует положения крышки и компрессора в работе по сравнению с положениями в покое на фиг.2, которые представлены пунктиром.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В описании термины типа «осевой», «осесимметричный», «входной» и «выходной» относятся к локализации вдоль или при вращении вокруг центральной оси X'X вращения турбомашины, по направлению этой центральной оси. Однако элементы, обозначенные одинаковыми позициями на различных чертежах, являются идентичными элементами.

На фиг.1 изображен пример турбомашины 1 летательного аппарата, которая в основном содержит расположенные с входа на выход вокруг центральной оси вращения X'X осевой трехступенчатый компрессор 10, центробежный компрессор 12, камеры 14 сгорания, двухступенчатую связанную турбину 16 и также двухступенчатую свободную турбину 18.

Поток воздуха F1 сжимается, проходя через компрессоры 10 и 12 в трубопроводы 2, затем смешивается с топливом в камерах 14 для обеспечения вследствие сжигания кинетической энергией турбин 16 и 18. Ступени турбины 16 приводят в действие компрессоры 10 и 12 через передаточный вал 3, а свободная турбина 18 передает мощность через поперечный вал оборудованию летательного аппарата (генераторы переменного тока, насосы, кондиционеры).

Турбомашина защищена кожухом 6. В представленном примере турбомашиной является турбинный двигатель, а летательным аппаратом - вертолет. Свободные турбины приводят в действие оборудование, в частности винтовой ротор, через коробку 7 передач мощности, снабженную соответствующими редукторами.

Центробежный компрессор 12 снабжен осевыми лопатками 20, расположенными на колесе 22, для направления потока воздуха F1 и его сжатия, когда компрессор вращается с повышенной скоростью. Как более точно изображено на фиг.2, трубопровод 2, в котором протекает поток F1, ограничен на уровне центробежного компрессора лопатками 20 и внутренней вогнутой оболочкой 50. Эта оболочка 50 удерживается продолжением, образующим крепление 8, прикрепленное к кожуху 6 фланцами 61. Оболочка 50 и крепление 8 образуют крышку 5. Поток сжатого воздуха F1 далее направляется к камерам 14 сгорания через диффузоры 19.

Крепление 8 крышки 5 образуется, по существу, в центре вогнутой поверхности крышки, например, как изображено на чертеже, в крайней точке соединения 83, где крышка наиболее изогнута. Крепление 8, таким образом, по существу, является радиальным относительно оболочки 50, если смотреть по кривизне крышки в точку контакта. Конфигурация этого крепления 8 более подробно изображена на видах спереди и в частичном разрезе крышки и центробежного компрессора на фиг.2 и 3. На этих чертежах по меньшей мере частично представлены лопатки 20 колеса, трубопровод 2, центробежный компрессор 12 и валы 3 и 4.

Оболочка 50 содержит переднюю кромку ВА, по существу, аксиально на входе, и заднюю кромку BF, по существу, радиально на выходе. Крепление 8 образовано с одного конца, содержащего радиальную корону 82, прикрепленную к кожуху фланцами (см. фиг.1), и осесимметричную диафрагму 80, общей конфигурацией в виде усеченного конуса. Корона 82 размещена, по существу, радиально напротив края передней кромки ВА оболочки 50. Диафрагма 80 на конце 83 соединяется с оболочкой 50 с соответствующим механическим усилением 84.

Диафрагма 80 состоит, в свою очередь, из кольцевой осевой связи 8а, сочлененной с прямолинейным рычагом 8b в форме усеченного конуса через дважды изогнутое соединение.

Регулируемая длина осевой связи 8а обеспечивает, предпочтительно, степень свободы для приспособления к положению, задаваемому крепящими фланцами 61.

Соединение образовано, как изображено в положении покоя, сочленением радиальной соединительной короны 8с, с одной стороны, с кольцевой соединительной связью 8а - в соответствии, по существу, с изгибом 8d под прямым углом - и, с другой стороны, прямолинейным рычагом 8b с изгибом под тупым углом, в данном примере составляющем 140°.

В данном примере рычаг 8b имеет, предпочтительно, по существу увеличивающуюся толщину «Е», которая увеличивается между изгибом 8е и его концом 63.

Кроме того, эта толщина в среднем меньше, например, в 1,5-3 раза, чем толщина оболочки 50. Такая малая толщина рычага позволяет уменьшить зазор между внутренней поверхностью 51 оболочки 50 и наружными краями 21 лопаток 20 в стабильных режимах работы, а именно в промежуточных режимах, а также зазор в промежуточных режимах. Однако очень малая толщина рычага может увеличить зазор в переходных режимах. Таким образом, достигают компромисса во всех промежуточных режимах без риска жесткого контакта между оболочкой 50 и краями лопаток 21 благодаря этой промежуточной толщине рычага, которая также может быть увеличена.

Изменение высоты Н радиальной короны соединения 8с приводит к тому же компромиссу: высота Н увеличена для уменьшения зазора во всех стабилизированных режимах, однако это увеличение ограничено для уменьшения риска контакта между крышкой и лопатками. Так увеличение высоты Н на 25% приводит к уменьшению толщины оболочки 50 на 20%.

Фиг.4 изображает в разрезе положение крышки 5 (сплошные линии), когда компрессор и, таким образом, лопатки 20 находятся в работе, а также положения крышки (штриховые линии) и лопаток 20 компрессора находятся в состоянии покоя по фиг.2. При работе кожух и крепление крышки также испытывают воздействия давления и температуры. Для обеспечения очевидности явлений решения по изобретению, в частности, благодаря гибкости крепления 8 кожух и крепление крышки изображены на фиг.4 в том же положении, что и положение покоя на фиг.2.

При работе под действием давления и температуры лопатки 20 перемещаются к входу (стрелка А) со стороны задней кромки BF, а также радиально расширяются (стрелка R) в осевой части 50а (по существу, параллельно оси X'X) оболочки 50 со стороны ее передней кромки ВА.

Благодаря изгибу радиальной короны 8с и рычага 8b крепления 8 - другими словами, благодаря изменению углов сочленений 8d и 8е - внутренняя поверхность 51 оболочки 50 следует за перемещениями лопаток 20. Толщина «Е» в середине и в изменении до соединения 83 и длина «L» рычага 8b могут, предпочтительно, регулироваться для обеспечения также изгиба, присущего рычагу в зависимости от конструкции компрессора. Поведение крышки остается весьма близким к поведению колеса, и регулировка зазора, таким образом, сводится к минимуму.

Что касается известной конструкции с непосредственным креплением без изгибов, то она требует регулировки, обеспечивающей монтажные зазоры, сильно уменьшенные и оптимизированные к промежуточным и переходным режимам. Например, в задней кромке монтажный зазор может быть уменьшен на 120%, что приводит к уменьшению зазора в 54% в промежуточном режиме, который требует оптимальных регулировок двигателей.

Изобретение не ограничено представленным и описанным примером воплощения. Можно также предусмотреть двойной изгиб в положении, более приближенном к центру крепления, оставаясь предпочтительно ближе к короне крепления к кожуху, чем к крышке. Несколько изгибов могут быть также предусмотрены вокруг радиальной короны соответствующих размеров. Однако тупой угол рычага формы усеченного конуса может предпочтительно изменяться в диапазоне от 120° до 150°.

Можно также предусмотреть немного изогнутый рычаг, вогнутый или выпуклый, либо также радиальную корону, также немного вогнутую или выпуклую. Размерные характеристики рычага 8b, а именно его толщина «Е» в ее не обязательно линейном увеличении до соединения и его длина «L», например, в 3-4 раза превышающая рычаг с двойным изгибом для регулирования гибкости системы крепления.

Кроме того, могут быть предусмотрены другие типы упругодеформируемой части: использование различных материалов для части рычага, часть, имеющая волнистость и/или ажурный материал, любая другая подходящая форма обработки.

Настоящее изобретение предназначено для обеспечения перемещения крышки центробежного компрессора так, чтобы зазор между крышкой и лопастями колеса компрессора оставался постоянным и наименьшим. Для этого предлагается конструкция крепления в середине крышки, имеющей упругодеформируемую часть. Крышка имеет вогнутую оболочку с внутренней поверхностью, расположенной на расстоянии от компрессора, снабженного колесом, содержащим лопатки. Крепление имеет соединительный конец в середине оболочки и другой конец, закрепленный на кожухе турбомашины. Крепление содержит осесимметричную диафрагму в форме усеченного конуса, имеющего профиль рычага, соединенного с концом крепления к картеру с помощью соединения с двойным изгибом - с прямым и тупым углами. Расстояние между внутренней поверхностью оболочки и верхними краями лопаток удерживается постоянным при работе с регулировкой минимального зазора. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ крепления крышки (22) колеса центробежного компрессора (12) турбомашины (1), при этом крышка снабжена вогнутой оболочкой (50) и имеет осесимметричное соединение (8) между соединением (83), выполненным, по существу, в середине оболочки (50), и осевым креплением (82) по периферии, удерживающим оболочку (50) на расстоянии от колеса (22), отличающийся тем, что устанавливают эластично деформируемую часть (8c, 8d, 8e) на упомянутое соединение (8) ближе к месту крепления (82) крайней части соединения (83) с оболочкой (50) таким образом, чтобы расстояние между оболочкой (50) и колесом удерживалось постоянным с минимальными зазорами при промежуточных и переходных режимах.

2. Способ крепления по п.1, в котором деформируемая часть (8c, 8d, 8e) установлена вблизи крепления (82) соединения (8).

3. Способ крепления по п.1, в котором соединение (8) крепится к оболочке (50), по радиальной конфигурации в соответствии с кривизной оболочки (50) к соединению (83).

4. Крышка центробежного компрессора турбомашины для осуществления способа по п.1, при этом крышка имеет вогнутую оболочку (50) с внутренней поверхностью (51), которая может быть размещена на расстоянии от компрессора (12), снабженного колесом (22) с лопатками (20), причем крепление (8) снабжено соединением (83), образованным, по существу, в середине оболочки (50), тогда как другой конец (82) может быть закреплен на кожухе (6) турбомашины (1), отличающаяся тем, что крепление (8) содержит осесимметричную диафрагму (80) общей конфигурации усеченного конуса, имеющую профиль рычага (8b), сочлененного с концом (82) крепления к кожуху (6) посредством соединения с двойным изгибом (8c, 8d, 8e) c прямыми углами и тупым углом в состоянии покоя, причем соединение (8с, 8d, 8е) расположено ближе к концу (82) крепления, чем крепление конца (83) к оболочке (5), при этом расстояние между внутренней поверхностью (51) оболочки (50) и верхними краями (21) лопаток (20) удерживается постоянным при работе с минимальными зазорами при промежуточных и переходных режимах.

5. Крышка центробежного компрессора по предыдущему пункту, в которой диафрагма (80) содержит осевое кольцевое соединение (8а) между короной радиального крепления (82) и соединением с двойным изгибом (8с, 8d, 8е).

6. Крышка центробежного компрессора по предыдущему пункту, в которой соединение с двойным изгибом (8с, 8d, 8е) образовано в положении покоя радиальной соединительной короной (8с), соединенной, с одной стороны, с кольцевым осевым соединением (8а), по существу, прямоугольным изогнутым соединением, и, с другой стороны, с рычагом (8а) в форме усеченного конуса по тупоугольному изгибу (8е).

7. Крышка центробежного компрессора по п.4, в которой рычаг (8b) имеет, по существу, прямолинейный профиль в состоянии покоя и расширяющуюся толщину (Е), увеличивающуюся к концу соединения (83).

8. Крышка центробежного компрессора по п.4, в которой рычаг (8b) имеет в среднем толщину (Е), по существу меньшую, чем толщина оболочки крышки (50).

9. Узел центробежного компрессора турбомашины с крышкой, при этом крышка (5) выполнена по п.4 так, чтобы, с одной стороны, оставаться на постоянном расстоянии от компрессора (12) при работе и, с другой стороны, крепиться к кожуху (6) турбомашины (1).