ВНЕШНЯЯ СЕГМЕНТИРОВАННАЯ ОБОЛОЧКА, ВЫПОЛНЕННАЯ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ КОРРЕКТИРОВАНИЯ СМЕЩЕНИЯ РОТОРА ПО ОТНОШЕНИЮ К СТАТОРУ Российский патент 2017 года по МПК F01D11/12 

Предпосылки создания изобретения

[0001] Изобретение относится к корпусу для покрытия венцов ряда лопаток ротора, причем корпус снабжен уплотнительным устройством между венцами лопаток и корпусом. В частности, изобретение относится к корпусу компрессора осевой турбомашины. Изобретение также относится к компрессору осевой турбомашины, содержащему такой корпус.

Уровень техники изобретения

[0002] В патентном документе США 6406256 В1 описано вращающееся уплотнение между ротором и статором осевой турбомашины. В частности, данное описание обращается к проблеме компенсации при изменении зазора между венцами лопаток и внешней оболочкой в обычных условиях, охватывая широкий температурный диапазон, который часто встречается в секции турбины турбомашины. Уплотнительное устройство содержит сегментированную внешнюю оболочку, расположенную вокруг венцов лопаток ротора. Каждый сегмент удерживается в стенке корпуса ротора посредством пальцев, расположенных под углом в противоположном направлении к, и взаимодействующих с соответствующими желобами в стенке корпуса. В случае повышения температуры различных сегментов последние начинают немного расширяться и удлиняться. Подобное удлинение имеет результатом смещение пальцев из их первоначального положения. Поскольку эти пальцы расположены под углом, они смещаются в направлении от ротора, который эффективно вытягивает сегменты вверх, таким образом компенсируя зажатие венцов лопаток сегментов, полученное в результате повышения температуры. Этот компенсатор представляет собой интерес, однако имеет недостатки при компенсации изменений зазора, вызванных другими эффектами помимо изменения температуры. Фактически зазор между рядом лопаток ротора и внешней оболочкой также может меняться в зависимости от скорости их вращения, а также как функция любого смещения в результате нагрузок при маневрировании (гироскопические моменты, связанные с различными положениями турбомашины в воздухе) и в результате всасывания двигателем инородных тел (например, птиц). Смещение между ротором и статором приводит к изменению физического зазора между венцами лопаток и оболочкой так, что венцы лопаток приходят в контакт с оболочкой на определенном участке, а зазор на противоположном участке значительно увеличивается.

[0003] В патенте США 2008/0159850 А1 описано вращающееся уплотнение между ротором и статором секции турбины осевой турбомашины. Данное описание обращается к проблеме высоких температур оболочки и необходимости охлаждения оболочки. Предложенное решение, в общем, состоит из приспособления для быстрого закрепления, упрощенной сборки и разборки оболочки. В частности, оно состоит из сегментированной оболочки, на которой каждый сегмент снабжен периферическим ребром, имеющим в поперечном сечении вид ласточкина хвоста, направленным наружу от статора. Данное ребро действует в комбинации с секцией, имеющей желоб, находящейся в приблизительном соответствии со стенкой корпуса статора. Факультативно, чтобы воздействовать на сегменты, в стенке корпуса может размещаться пружина, причем это воздействие осуществляется главным образом радиально в направлении центра вращения ротора. Такая пружина предназначена для осуществления контактного усилия между поверхностями желоба и соответствующими поверхностями секцией ребра в виде ласточкина хвоста с тем, чтобы обеспечить некоторую степень плотности посадки. Кроме того, сбоку на ребре могут размещаться уплотнители, между сегментированной поверхностью, которая является противоположной к внутренней поверхности оболочки и к внутренней поверхности стенки корпуса. Эти уплотнители выполнены из твердого материала в виду высоких температур, при которых работает турбина. Преимуществом данного решения является то, что различные составляющие сегменты оболочки могут быть легко замещены простым параллельным переносом относительно стенки корпуса. Вопреки тому, что предложено на фиг.3 данного патента, составляющие сегменты оболочки не способны перемещаться радиально и тем более компенсировать любое смещение или изменение зазора.

[0004] Описание патента Франции 2636373 А1 относится к проблеме перепада термальных расширений в газовой турбине и, в частности, к компенсации изменения зазора между венцами лопаток ротора и соотнесенной с ними оболочкой. Предложенное решение состоит из отдельного закрытого кольцеобразного кожуха, установленного на корпус ротора посредством серии компенсаторов с пневматическими амортизаторами. Сжатый воздух подается на компенсаторы, чтобы радиально воздействовать на оболочку и таким образом контролировать радиальный зазор между венцами лопаток и оболочкой. Такое решение, хотя и имеет технический интерес и является потенциально эффективным, ограничено в том, что равномерно компенсирует зазор по всей окружности. Таким образом, это решение не способно компенсировать изменения зазора в случае смещения между ротором и статором. Более того, требуются средства, контролирующие давление воздуха, которые делают осуществление этого решения относительно дорогостоящим и повышают риск отказа.

Краткое описание изобретения

Технические проблемы

[0005] Во время срока службы турбомашины одной из необратимых причин увеличения зазора является смещение оси ротора относительно статора с замыканием зазора с одной стороны и увеличением с другой.

[0006] У турбомашин существует по меньшей мере два источника смещения, которые являются обратимыми и ограниченными по времени действия: во-первых, это относится к нагрузкам при маневрировании (гироскопические моменты, связанные с различными положениями турбомашины в воздухе) и, во-вторых, это смещение, связанное с всасыванием двигателем инородных тел (например, птиц). С другой стороны, во время срока службы турбомашины может возникнуть небольшое смещение, которое является обратимым и подлежащим ремонту. Причиной тому является дисбаланс, связанный с локализованной поломкой ротора, случайного или нет. Когда это происходит, с рабочей поверхности безвозвратно удаляется тонкий слой крошащегося (истирающегося) материала; это приводит к безвозвратному увеличению зазора и, таким образом, в равной степени к безвозвратному снижению характеристик турбомашины.

[0007] Помимо проблем вызванных потерей аэродинамических характеристик смещение оси ротора относительно статора приводит к потере истираемых частиц по пути главного потока, что может привести к повреждению двигателя (в частности, вызванному блокировкой вентиляционных отверстий в турбине).

[0008] Более того, в случае значительного случайного смещения корпус ротора должен гарантировать, что подвижные части с высокой энергией не вырвутся. Таким образом, ради таких критических случаев разрабатывается конструкция корпуса.

[0009] Целью изобретения является обеспечение уплотнения между ротором и статором осевой турбомашины, которая решает по меньшей мере одну из вышеуказанных проблем. В частности, целью изобретения является обеспечение уплотнения между ротором и статором осевой турбомашины, соответствующее смещению между ротором и статором. В частности, целью изобретения является предоставление решения для указанных выше проблем, связанных с компрессором осевой турбомашины.

Техническое решение

[0010] Настоящее изобретение относится к корпусу для покрытия венцов ряда лопаток ротора компрессора осевой турбомашины, содержащему: несущую стенку; сегментированую оболочку, окружающую ряд лопаток и поддерживаемую стенкой; где также содержится ряд лопаток и упругих средств, расположенных между стенкой и сегментами оболочки так, чтобы обеспечить движение указанных сегментов радиально в случае контакта с венцами лопаток ротора, в частности, в случае смещения оси вращения ротора относительно оси корпуса.

[0011] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения упругие средства поддерживают сегменты. Причем последние удерживаются исключительно при помощи упругих средств.

[0012] Факультативно радиальное перемещение сегментов по направлению к венцам может быть ограничено при помощи средств механического удержания.

[0013] Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения упругие средства содержат один или более элементов, выполненных из одного или более упругодеформируемых материалов, при этом упругость указанных элементов главным образом основана на упругости материала или материалов, при этом материал или материалы предпочтительно являются эластомерными.

[0014] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения упругие средства содержат несколько упругих элементов, распределенных по окружности и/или в продольном направлении.

[0015] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения упругие элементы разнесены друг от друга с возможностью свободного деформирования.

[0016] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения упругие средства содержат несколько упругих элементов, каждый из которых первым концом прикреплен к стенке, а вторым концом - к сегменту оболочки.

[0017] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения первый и/или второй концы прикреплены посредством адгезии, предпочтительно посредством диффузии и/или приклеивания.

[0018] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка имеет внутреннюю выемку, в которую, по меньшей мере, частично помещаются упругие средства.

[0019] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения каждый сегмент оболочки имеет концы, которые скошены в направлении по окружности относительно оболочки.

[0020] Соединенные концы сегментов предпочтительно соединены друг с другом и скошены так, чтобы радиальное движение сегмента в направлении к корпусу вызывало бы через соединения концов подобное движение в соседнем сегменте в направлении вращения ротора.

[0021] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения концы сегментов в поперечном сечение имеют, в целом, наклон между 30° и 90°.

[0022] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения концы каждого сегмента оболочки наклонены в том же направлении по окружности.

[0023] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения сегменты оболочки имеют внутреннюю поверхность, которая фрикционно согласована с венцами лопаток.

[0024] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения внутренняя поверхность сегментов оболочки имеет крошащееся покрытие на случай, если они были перетерты венцами лопаток.

[0025] Изобретение также относится к компрессору осевой турбомашины, содержащему: ротор, оснащенный по меньшей мере одним рядом лопаток; статор с корпусом, содержащим ротор; при этом корпус выполнен в соответствии с изобретением.

[0026] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения между венцами лопаток и оболочкой при нормальной работе обеспечивается механический зазор, при этом ось вращения ротора выровнена с осью ротора.

Заявляемые преимущества изобретения

[0027] В отличие от устройств известных из уровня техники, описанных в пункте «Уровень техники изобретения», настоящее изобретение имеет преимущество, которое обеспечивает радиальное смещение между сегментами и, таким образом, компенсацию смещения между ротором и статором, в частности, в случае когда положение самолета изменяется или в результате всасывания двигателем инородных тел. Известный уровень техники уделяет внимание на термические проблемы в турбине и ни в коей мере не уделяют внимания проблеме смещения. При этом проблема смещения может появляться неожиданно и затем исчезать, например, во время изменения положения самолета. Посредством сегментации оболочки и обеспечения эластичности этих сегментов предложенное решение обеспечивает согласование оболочки со смещением и дальнейшее возвращение в ее исходную кольцевую форму.

[0028] Преимуществом использования блоков эластомерных материалов является характерные коэффициенты эластомеров высокой демпфирующей способности.

Краткое описание графических материалов

[0029] Фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе двухроторного турбовентилятора с осевым потоком, относящегося к авиационному двигателю, у которого компрессор(компрессоры) низкого давления и/или высокого давления снабжены одним или более уплотнительных устройств, описанных в настоящем изобретении.

[0030] Фиг.2 представляет собой частичный вид в разрезе компрессора низкого давления двигателя по фиг.1, где компрессор низкого давления снабжен уплотнительными устройствами, описанными в настоящем изобретении.

[0031] Фиг.3 представляет собой вид в разрезе одного из уплотнительных устройств компрессора по фиг.2.

[0032] Фиг.4 представляет собой детальный вид одного из упругих элементов по фиг.3, где упругий элемент образует связь между оболочкой и корпусом.

[0033] Фиг.5 представляет собой вид упругого элемента по фиг.4 в сжатом состоянии.

[0031] Фиг.6 представляет собой вид в разрезе одного из участков компрессора по фиг.2, изображающей уплотнительное устройство согласно настоящему изобретению.

[0031] Фиг.7 представляет собой вид в разрезе уплотнительного устройства альтернативного устройству, изображенному на фиг.3.

Описание вариантов осуществления изобретения

[0036] Далее в описании термины «внутренний» и «внешний» используются для описания поверхностей оболочки и стенки корпуса относительно огибающей, выполненной между втулкой и стенкой корпуса, тогда термин «внутренний» обозначает расположенный на огибающей, а термин «внешний» обозначает - расположенный снаружи огибающей.

[0037] В отличие от этого следует понимать, что термин «внешний» применительно к оболочке (а не к ее поверхности) относится к в целом кольцеобразному потоку газа; «внешняя оболочка» определяет оболочку непосредственно на внешней границе потока газа или за ее пределами, а «внутренняя оболочка» определяет оболочку, находящуюся непосредственно за внутренней границей потока газа.

[0038] Осевая турбомашина 2, изображенная на фиг.1, представляет собой двухроторный реактивный авиадвигатель. При этом осевая турбомашина в направлении от входа потока к выходу потока содержит компрессор 4 низкого давления, компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и турбину 10. Компрессоры низкого давления и высокого давления не подвергаются высоким температурам, которым подвергается турбина. Таким образом, для изготовления различных компонентов для этих компрессоров можно использовать более низкоплавкие материалы.

[0039] На фиг.2 изображен компрессор 4 низкого давления по фиг.1. На изображении представлен ротор 20 с несколькими рядами так называемых лопаток 24 ротора. Статор состоит из корпуса 12 и стенки 16, обозначающих границу вторичного воздушного потока. Корпус 12 содержит несколько рядов неподвижных лопаток, так называемых статоров 26. Вместе с кольцевым рядом лопаток ротора каждый кольцевой ряд лопаток статора образует стадию сжатия, целью которой является увеличение сжатия газа, в данном случае воздуха, проходящего через компрессор. Поскольку градиент давление находится главным образом в осевом направлении, необходимо обеспечить средства уплотнения между вращающимися и неподвижными частями вдоль всего пути потока газа. С целью обеспечения уплотнения внешняя оболочка 22 располагается над внешними венцами каждого ряда лопаток 24 ротора с определенной степенью контакта.

[0040] Фиг.3 представляет собой вид в разрезе корпуса снабженного уплотнительным устройством, как описано в описании изобретения. Стенка 12 корпуса содержит сформованную выемку 32 в форме канального выреза на своей внутренней поверхности. Выемка содержит ряд упругодеформируемых элементов 30, прикрепленных к своей нижней поверхности и прикрепленных к оболочке 22. Данная оболочка частично находится в выемке. Оболочка расположена и прикреплена к корпусу лишь посредством упругодеформируемых элементов 30.

[0041] Оболочка содержит ряд отдельных сегментов 22, с возможностью свободного перемещения, в случае смещения между ротором и статором. Более того, упругодеформируемые элементы 30 обеспечивают упругое соединение между этими различными сегментами и корпусом так, что в случае контакта венцов лопаток с внутренней поверхностью оболочки, сегменты оболочки, подвергающиеся контакту, могут смещаться в выемку при деформации упругодеформируемых элементов 30 под воздействием контактирующей лопатки.

[0042] Результат деформации элементов 30 изображен на фиг.4 и 5. На фиг.4 можно увидеть элемент 30 в его нормальном состоянии, где внешняя поверхность сегмента 22 оболочки находится на расстоянии е от поверхности нижней части выемки в корпусе 12. Это расстояние е представляет собой высоту элемента 30. На фиг.5 тот же элемент 30 находится в деформированном состоянии в результате силы образованной венцами лопаток, находящихся в контакте с внутренней поверхностью сегмента 22 оболочки. В соответствии с новым расстоянием между внешней поверхностью сегмента 22 оболочки и внутренней поверхностью выемки в корпусе 12 элемент 30 имеет форму бочки с высотой е’, которая меньше, чем высота е.

[0043] Упругодеформируемые элементы 30 предпочтительно выполнены из эластомерного материала. Предпочтительно они приклеены к корпусу и оболочке соответственно. Кроме того, они могут соединяться посредством диффузии, винтов или других способов соединения, известных среднему специалисту в данной области техники. Упругодеформируемые элементы предпочтительно выполнены из упругодеформируемых материалов, которые наделяют эти элементы их свойствами упругой деформируемости.

[0044] Упругодеформируемые элементы также могут быть механически деформируемыми элементами, чья упругая деформируемость основана на комбинации упругодеформируемого материала и особой геометрии, например, такой как пружины.

[0045] Как можно увидеть на фиг.3, сегменты оболочки предпочтительно присоединены к корпусу через несколько упругодеформируемых элементов, расположенных аксиально.

[0046] Фиг.6 представляет собой вид в разрезе части корпуса компрессора по фиг.2. Можно увидеть, что оболочка сегментирована на ряд отдельных участков или сегментов, которые находятся отдельно друг от друга. Два кольцевых конца каждого сегмента 22 скошены в том же направлении, чтобы обеспечить непрерывность переходов между различными сегментами. Следует отметить, что скосы так направлены относительно направления вращения ротора, чтобы избежать появления выступов на переходах, которые приходят в положительный контакт с движущимися лопатками. Как можно увидеть на фиг.6, скосы наклонены так, что любое радиальное движение, направленное наружу любого сегмента, тянет за собой последующий сегмент в направлении вращения ротора. Скошенная поверхность заднего края предыдущего сегмента выталкивает скошенную поверхность переднего края последующего сегмента. Таким образом, внутренняя поверхность оболочки на переходах остается по существу непрерывной. Имея кольцевую форму в нормальном состоянии, оболочка может деформироваться, чтобы соответствовать любому смещению между ротором и статором.

[0047] Скошенные концы сегментов предпочтительно являются в целом плоскими. Однако такие концы могут иметь различные формы, чтобы обеспечить возможность зацепления соседних сегментов, как описано выше, обеспечивая непрерывность внутренней поверхности оболочки на переходах между сегментами, когда вращение ротора оказывает давление на определенные сегменты. Концы могут иметь, например, ступенчатый профиль в плоскости, перпендикулярной оси вращения машины.

[0048] Упругодеформируемые элементы 30 размещаются на временной основе на нескольких кольцевых рядах друг от друга. Их разделение одного от другого аксиально и/или по окружности позволяет отдельным элементам деформироваться свободно и независимо. Такое размещение обозначает, следовательно, что между точкой в потоке газа, проходящей через компрессор, которая по потоку находится перед рядом лопаток, и другой точкой в потоке газа, которая по потоку находится за рядом лопаток, уплотнение отсутствует. Чтобы обеспечить приемлемое уплотнение, между соответственно передним и задним краями оболочки и соответствующими краями выемки 32 (см. фиг.3) предусмотрен минимальный зазор.

[0049] Однако можно обеспечить средства уплотнения между передним и задним краями оболочки и соответствующей выемкой на корпусе. Действительно, как изображено на фиг.7, уплотнение 34 закреплено, например, при помощи его приклеивания к краям выемки 32, соответствующей переднему и заднему краям оболочки 22. Помимо обеспечения уплотнения уплотнение также может служить для амортизации движения различных сегментов оболочки.

[0050] В целом следует отметить, что оболочка может иметь на своей внутренней поверхности покрытие из крошащегося материала, способного распадаться при фрикционном контакте с лопатками ротора. Такие покрытия именуются как «истираемые» и хорошо известны среднему специалисту в данной области техники. Способность оболочки смещаться и деформироваться между ротором и статором может обозначать, что необходимо более тонкое и/или жесткое покрытие или даже его отсутствие. Действительно, можно себе представить, что может быть использован отшлифованный металлический материал оболочки без какого-либо истираемого покрытия, обладающий преимуществами уплотнительного устройства. Применение жестких материалов обозначает, что при контактах между «истираемым» покрытием и движущимися венцами ротора выброс частиц, которые способны повредить двигатель, происходит в небольшом количестве или не происходит вовсе.

[0051] В целом следует также отметить, что от уплотнительного устройства, которое является объектом данного документа, не требуется обеспечение абсолютного уплотнения, в частности, в присутствии физического зазора между венцами лопаток и внутренней поверхностью оболочки.

[0052] Следует также отметить, что существует множество возможных вариантов элементов или сплошных блоков из упругого материала 30. Действительно, существуют упругие средства и устройства с более высоким или низким коэффициентом демпфирования.

Изобретение относится к корпусу, покрывающему концы ряда лопаток ротора компрессора осевой турбомашины, при этом корпус снабжен уплотнительным устройством между венцами лопаток и корпусом. Уплотнительное устройство содержит оболочку 22, сегментированную по своей окружности, где каждый сегмент закреплен к корпусу 12 при помощи серии эластомерных элементов 30 в выемку 32 в форме канального выреза на внутренней поверхности корпуса. Таким образом, в случае смещения ротора относительно статора, лопатки 24 ротора, приходящие в контакт с секциями оболочки, смогут смещаться для того, чтобы компенсировать это смещение, уменьшая при этом силы трения полученные в результате контакта между лопатками и оболочкой. Упругие средства 30 содержат несколько упругих элементов, каждый из которых имеет первый конец, прикрепленный посредством адгезии к стенке, и второй конец, прикрепленный посредством адгезии к сегменту оболочки. В случае восстановления центрирования, сегменты оболочки приходят в исходное положение благодаря упругой природе элементов 30. Достигается простота конструкции. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Корпус для покрытия концов ряда лопаток ротора компрессора осевой турбомашины, содержащий:

несущую стенку (12);

сегментированную оболочку (22), предназначенную для охвата ряда лопаток и поддерживаемую стенкой;

где корпус дополнительно содержит:

упругие средства (30), расположенные между стенкой (12) и сегментами (22) оболочки так, чтобы позволить указанным сегментам двигаться в случае контакта с венцами лопаток (24) ротора; и

где упругие средства (30) содержат несколько упругих элементов, каждый из которых имеет первый конец, прикрепленный посредством адгезии к стенке, и второй конец, прикрепленный посредством адгезии к сегменту оболочки.

2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что упругие средства (30) поддерживают сегменты (22).

3. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что упругие средства (30) содержат один или более элементов, выполненных из упругодеформируемых материалов, при этом упругость указанных элементов главным образом основана на упругости материала или материалов.

4. Корпус по п. 3, отличающийся тем, что материал или материалы упругих средств (30) являются эластомерными.

5. Корпус по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что упругие средства (30) содержат несколько упругих элементов, расположенных по кругу и/или аксиально.

6. Корпус по п. 5, отличающийся тем, что упругие элементы (30) расположены на расстоянии друг от друга таким образом, чтобы обеспечить их свободную деформацию.

7. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что первые концы и/или вторые концы прикреплены посредством диффузии и/или приклеивания.

8. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что стенка (12) имеет внутреннюю выемку (32), в которой, по меньшей мере, частично размещены упругие элементы (30).

9. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что каждый из сегментов (22) оболочки имеет скошенные концы по окружности относительно втулки.

10. Корпус по п. 9, отличающийся тем, что концы сегментов имеют в поперечном сечении наклон на угол между 30° и 60° относительно касательной.

11. Корпус по п. 10, отличающийся тем, что поперечное сечение концов сегментов является прямым.

12. Корпус по одному из пп. 9, 10 и 11, отличающийся тем, что концы каждого из сегментов оболочки наклонены по окружности в одном направлении.

13. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что сегменты оболочки имеют внутреннюю поверхность, которая фрикционно согласована с концами лопаток.

14. Корпус по п. 13, отличающийся тем, что внутренняя поверхность сегментов оболочки имеет крошащееся покрытие на случай их истирания венцами лопаток.

15. Компрессор осевой турбомашины, содержащий:

ротор (20), снабженный по меньшей мере одним рядом лопаток (24);

статор с корпусом (12), содержащий ротор;

где корпус выполнен по одному из пп. 1-14.

16. Компрессор осевой турбомашины по п. 15, отличающийся тем, что механический зазор выполнен между концами лопаток (24) и оболочкой (22) в нормальных условиях, когда ось вращения ротора выровнена с осью ротора.