НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ КОМПРЕССОРА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2017 года по МПК F01D25/24 F01D9/04 

Настоящее изобретение относится к направляющим аппаратам компрессоров, в частности высокого давления, предназначенным для турбомашин, таких как турбореактивные двигатели летательных аппаратов.

Как правило, компрессоры для турбореактивных двигателей содержат множество последовательно установленных ступеней, выровненных согласно продольной оси двигателя и состоящих из поочередно установленных подвижных ступеней, образующих ротор компрессора, лопатки которого ускоряют поток газа, отклоняя его в сторону относительно упомянутой оси, и неподвижных ступеней, образующих статор, лопатки которого частично преобразуют скорость потока в давление и спрямляют его в направлении следующей подвижной ступени.

Последняя ступень или последние ступени статора компрессора высокого давления представляют собой разделенные на сектора направляющие аппараты, которые в основном образуют, после последовательного скрепления следующих друг за другом секторов во внешнем приемном корпусе, два концентрических кольца соответственно, внешнее и внутреннее, - между которыми размещены лопатки системы лопаток, через которые, таким образом, в двухконтурном газотурбинном двигателе проходит поток первичного газа. Внешнее кольцо снабжено средством крепления, таким как периферические выступающие края зацепления (угловой формы), спереди и сзади, если следовать в направлении потока, для соединения с внешним корпусом статора компрессора, в то время как внутреннее кольцо снаружи несет на себе истираемые устройства, соединенные с уплотняющими устройствами рассматриваемого ротора.

В турбореактивном двигателе направляющие аппараты являются деталями, работающими одновременно в статике (аэродинамические силы и механические усилия, проходящие через внешний корпус) и в динамике (например, сильные явления вибрации во время некоторых переходных режимов работы двигателя) таким образом, что они предварительно рассчитаны на основе так называемой кривой Хейга, которая позволяет определять их механическую прочность и усталостную прочность. Таким образом, на основе данной кривой для заданного статического напряжения в точке рассматриваемой детали определяется допустимое максимальное динамическое напряжение в данной точке. Кроме того, из опыта известно, что необходимо иметь самое большое максимальное динамическое напряжение для того, чтобы обладать возможностью принимать более сильные вибрационные реакции на двигатель.

В случае обычных неподвижных направляющих аппаратов оказывается, что зона максимального статического напряжения и зона динамического напряжения сосредоточены в одном и том же месте направляющего аппарата, а именно сзади цилиндрического внешнего кольца, образованного скрепленными секторами. Таким образом, допустимое динамическое напряжение сильно уменьшено ввиду того, что максимальное статическое напряжение находится в том же месте, что ограничивает возможности работы направляющего аппарата и его усталостную прочность, в частности, на испытываемых режимах вибрации.

Решение, направленное на оптимизацию динамического напряжения, изложено в патенте FR 2945331 заявителя, которое заключается в том, что необходимо предусмотреть отверстие в форме подковы в цилиндрической стенке верхнего кольца, между задним выступающим краем и задней кромкой, по меньшей мере, некоторых из лопаток, приваренных к стенке таким образом, чтобы локально «смягчать» кольцо. Это позволяет значительно уменьшить статические напряжения в радиусе сопряжения заднего изогнутого выступающего края для увеличения, таким образом, максимального динамического напряжения и отклонения усталостной прочности направляющего аппарата в динамическом режиме.

Если такое решение признано действительным, когда достаточное пространство существует между задней кромкой лопаток и задним периферическим выступающим краем внешнего кольца для просверливания в нем отверстия, и напротив, когда это пространство является недостаточным, то оно не может быть выполнено, поскольку это потребует осуществления просверливания также через задний выступающий край для прохождения сквозь стенку кольца. Такое решение привело бы к тому, что направляющий аппарат оказался бы очень непрочным и, как следствие, неприспособленным к данному типу направляющих аппаратов.

Цель настоящего изобретения - устранить этот недостаток.

В связи с этим разделенный на сектора направляющий аппарат компрессора для турбомашины относится к типу, содержащему скрепленные сектора, образующие два концентрических кольца -внешнее и внутреннее, - между которыми размещены лопатки с их передними и задними кромками, находящимися рядом, соответственно, с передней и задней поперечными сторонами колец по потоку газа, циркулирующему в компрессоре, внешнее кольцо которого снаружи снабжено средством крепления с внешним приемным корпусом упомянутых секторов.

Согласно изобретению, такой направляющий аппарат примечателен тем, что упомянутое средство крепления имеет признаки по п. 1.

Таким образом, путем осевого смещения средства крепления перпендикулярно к лопаткам статическое напряжение, а именно аэродинамические силы и усилия корпуса, более не сконцентрировано и расположено частично сзади или ниже по потоку от внешнего кольца, но на уровне лопаток и оказывается в связи с этим разделенным с динамическим напряжением, всегда находящимся на уровне задней части внешнего кольца направляющего аппарата. Разделяя эти напряжения, которые более не совмещаются друг с другом, путем смещения средства крепления кольца относительно корпуса задняя часть внешнего кольца меньше подвержена воздействию, поскольку она, таким образом, освобождена от статического напряжения и испытывает только динамическое напряжение. Как следствие, данная задняя часть может работать вместе с увеличенным допустимым максимальным динамическим напряжением и, таким образом, при более высоких режимах вибрации без риска ее повреждения. Таким образом, улучшено вибрационное свойство направляющего аппарата, т.е. его свойство противостоять заданному аэродинамическому возмущению.

Упомянутое средство крепления к внешнему корпусу содержит относительно направления потока, проходящего через лопатки, передний периферический выступающий край, расположенный на уровне расположенной выше по потоку поперечной стороны внешнего кольца упомянутых секторов и задний периферический выступающий край, смещенный относительно расположенной ниже по потоку поперечной стороны внешнего кольца и расположенный, в проекции, между передними и задними кромками лопаток.

Предпочтительно, упомянутый смещенный задний периферический выступающий край расположен, в проекции, по существу посередине лопаток, между их передними и задними кромками. Таким образом, статическое напряжение не только смещено от задней части кольца, но также уменьшено, поскольку объем материала, в котором проходят усилия, приводящие к образованию статического напряжения между задним выступающим краем, кольцом и лопатками, является более большим; причем толщина лопаток на этом уровне является самой большой.

Согласно другому примеру осуществления, упомянутое средство крепления к внешнему корпусу содержит кольцевой фланец, предусмотренный на периферии внешнего кольца и расположенный, в проекции, между передними и задними кромками лопаток. Результаты на уровне разделения напряжений похожи на предшествующее осуществление, задняя часть внешнего кольца более не подвержена воздействию статического напряжения.

Предпочтительно, упомянутый фланец крепления расположен, в проекции, посередине передних и задних кромок лопаток, приводя к обеспечению такого же преимущества, что и ранее, что касается уменьшения статического напряжения путем увеличения объема материала.

В частности, упомянутый задний периферический выступающий край или упомянутый фланец могут проходить, непрерывно или с прерываниями, на совокупности секторов.

Фигуры прилагаемых чертежей позволяют лучше понять, как может быть осуществлено изобретение. На данных фигурах чертежей одинаковые цифровые позиции обозначают подобные конструктивные элементы.

Фиг. 1 схематически изображает в продольном разрезе часть компрессора высокого давления турбомашины со ступенью статора с неподвижным направляющим аппаратом согласно изобретению, за которым расположена ступень ротора;

Фиг. 2 представляет собой частичный вид в перспективе направляющего аппарата, представленного на фиг. 1, с задним, смещенным в осевом направлении выступающим краем зацепления;

Фиг. 3 представляет собой вид сверху направляющего аппарата, представленного на фиг. 2;

Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе другого примера осуществления направляющего аппарата согласно изобретению.

Часть компрессора 1, представленная на фиг. 1, является частью компрессора высокого давления газотурбинного двигателя с осью А для летательного аппарата, и она изображает ступень статора 2, образующую неподвижный направляющий аппарат 3, ниже по потоку от которого расположена ступень ротора 4 данного компрессора. Обычно направляющий аппарат статора 3 разделен на сектора, т.е. состоит из множества секторов 5, последовательно установленных друг за другом в кольцевом наружном приемном корпусе 6 для удерживания в положении данные сектора при помощи средства крепления или зацепления 7 для образования, таким образом, направляющего аппарата в целом.

На фигурах чертежа изображен один сектор 5, и в нижеследующем описании ссылка будет сделана на него, понимая при этом, что оно применяется ко всей совокупности секторов, в этом случае, собственно говоря, к направляющему аппарату 3 в полном объеме. Каждый сектор 5 направляющего аппарата содержит внешнее кольцо 8 с цилиндрической стенкой 9 и внутреннее кольцо 10 также с цилиндрической стенкой 11, которые являются концентрическими относительно оси А и между которыми предусмотрены лопатки 12, через которые осуществляется истечение потока первичного воздуха F, поступающего, выше по потоку, от нагнетательного вентилятора и направляемого, ниже по потоку, к камере сгорания. Для большей наглядности изображения расстояние, отделяющее ось А от внутреннего кольца 10 направляющего аппарата, уменьшено. Что касается внутреннего кольца, то на фиг. 1 видно, что на его внешнюю сторону известным методом нанесено истираемое покрытие 25, на которое наложено герметичное уплотнение с множеством губок 26, предусмотренных на ступени ротора 4.

Вершины 13 и хвостовики 14 лопаток 11 прикреплены, например, путем припаивания, соответственно, к стенкам 9 и 11 внешнего кольца 8 и внутреннего кольца 10. Лопатки 12 проходят почти на всю ширину колец по оси А таким образом, что передняя кромка 15 и задняя кромка 16 лопаток согласно потоку F расположены рядом с поперечными сторонами 17 и 18, соответственно, переднего и заднего края (или выше по потоку, или ниже по потоку) стенок 9, 11 цилиндрических колец.

На внешней периферии боковой стенки 9 внешнего кольца 8, кроме того, предусмотрено средство крепления 7 с внешним корпусом 6; причем данное средство включает в себя, в этом примере, установку посредством направляющей-ползуна. Для этого средство крепления 7 образовано, в этом первом примере осуществления направляющего аппарата, двумя угловыми выступающими краями зацепления, соответственно, передним или расположенным выше по потоку 19 и задним или расположенным ниже по потоку 20 согласно направлению потока F, образующими ползун, которые заходят, как это схематически изображено на фиг. 1, в приемные пазы удерживания 21, образующие направляющую, внешнего корпуса 6, который окружает сектора 5 направляющего аппарата 1.

На фиг. 1-3 видно, что передний выступающий край зацепления 19 расположен по существу вертикально над передней поперечной стороной 17 внешнего кольца 8, в то время как задний выступающий край зацепления 20 находится, что касается него, согласно изобретению, на удалении от задней поперечной стороны 18 кольца, по существу посередине цилиндрической боковой стенки 9 и, таким образом, вертикально над лопатками 12. Что касается размеров, этот задний выступающий край 20 расположен таким образом, чтобы находиться, в проекции, посередине лопаток 12, в том месте, где последние имеют наибольшую толщину, как это показано на фиг. 3.

Путем данного осевого смещения к переднему выступающему краю 19 от заднего выступающего края 20 (изначально расположенного на уровне задней стороны 20 внешнего кольца или рядом с задней кромкой 16 лопаток, как это показано пунктирной линией и обозначено цифровой позицией 20' на фиг. 2) по существу до середины боковой стенки 9 внешнего кольца совокупность аэродинамических сил (поток F, проходящий через направляющий аппарат) и механических усилий, передаваемых через внешний корпус 6, будут направлены в сектора 5 по радиусу сопряжения, который определен задним угловым выступающим краем 20 и вершинами 13 лопаток, в их середине, и будут, таким образом, восприняты большим объемом материала. Как следствие, максимальное статическое напряжение, обусловленное воздействием этих усилий на статор, будет меньше.

С этого момента, поскольку часть или задний конец 22 боковой стенки 9 внешнего кольца 8 (часть 22, завершающаяся задней поперечной стороной 18) больше не подвержена воздействию данного максимального статического напряжения, она может воспринимать большее допустимое максимальное динамическое напряжение, т.к. это последнее всегда находится в данной задней части 22. Как следствие, путем разделения усилий и смещения максимального статического напряжения по отношению к максимальному динамическому напряжению улучшена вибрационная способность направляющего аппарата 3 и, таким образом, ступени статора 2, т.е. его способности противостоять заданному аэродинамическому возмущению.

Другое осуществление разделенного на сектора направляющего аппарата 3 согласно изобретению изображено на фиг. 4. В этом виде в перспективе сектора 5 направляющего аппарата видны концентрические кольца, соответственно, внешнее 8 и внутреннее 10, между которыми размещены лопатки 12. На внешней стороне внешнего кольца 8 предусмотрено средство крепления 7 к внешнему корпусу, не изображенному на данной фигуре чертежа. Данное средство крепления 7, в отличие от предшествующего осуществления, содержит единственный кольцевой фланец 23, выступающий в радиальном направлении за пределы боковой стенки 9 цилиндрического кольца 8, которое, как правило, содержит по периферии отверстия 24 крепления к приемному корпусу и для прохождения через них болтов и аналогичных деталей.

Предпочтительно, фланец 23 расположен между расположенными выше по потоку 17 и ниже по потоку 18 поперечными сторонами стенки кольца и, в частности, между передней кромкой 15 и задней кромкой 16 лопаток, находясь, в проекции, по существу на уровне их самой большой толщины.

Такое осуществление с центральным фланцем 23 обеспечивает результаты, подобные предшествующему осуществлению с двумя выступающими краями зацепления 19, 20. Статическое напряжение, образованное различными усилиями, находится на уровне центрального фланца 23 кольца и толстых частей лопаток и отделено, таким образом, от максимального динамического напряжения, которое создается в задней части 22 (освобожденное, таким образом, от статического напряжения) стенки 10 кольца 8. Как следствие, допустимое максимальное динамическое напряжение может быть увеличено без нанесения вреда целостности направляющего аппарата 3, допуская при этом более высокие уровни вибрации, оказываемые на двигатель.

Кроме того, передний 19 и задний 20 выступающие края, а также фланец 23 могут быть осуществлены, непрерывно или с прерываниями, по периферии боковой стенки 11 упомянутого внешнего кольца 8.

Разделенный на сектора направляющий аппарат компрессора турбомашины содержит скрепленные сектора, образующие внешнее и внутреннее концентрические кольца, между которыми размещены лопатки. Внешнее кольцо снаружи снабжено средством крепления с внешним корпусом и содержит боковую стенку, проходящую между передней и задней сторонами внешнего кольца. Средство крепления смещено в осевом направлении относительно задней стороны внешнего кольца и содержит, относительно направления потока, проходящего через лопатки, либо передний и задний угловые периферические выступающие края зацепления, либо кольцевой фланец. Передний угловой периферический выступающий край зацепления расположен на уровне передней стороны внешнего кольца упомянутых секторов, а задний угловой периферический выступающий край зацепления смещен от задней стороны внешнего кольца. Задний угловой периферический выступающий край зацепления и конец заднего углового края зацепления расположены посередине лопаток между их передними и задними кромками. Передний и задний угловые периферические края зацепления выполнены с возможностью заходить в пазы удерживания внешнего корпуса. Кольцевой фланец предусмотрен по периферии внешнего кольца и расположен над лопатками между их передними и задними кромками. Кольцевой фланец расположен посередине от передних и задних кромок лопаток в самом толстом районе лопатки, расположенном в центре лопатки. Кольцевой фланец содержит множество отверстий, принимающих крепежные болты для его крепления к внешнему корпусу. Изобретение позволяет повысить усталостную прочность направляющего аппарата компрессора турбомашины. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Разделенный на сектора направляющий аппарат (3) компрессора для турбомашины, содержащий скрепленные сектора (5), образующие два концентрических кольца - внешнее (8) и внутреннее (10), причем внешнее и внутреннее концентрические кольца имеют, каждое, переднюю и заднюю поперечные стороны (17, 18), между внешним и внутренним кольцами размещены лопатки (12), причем каждая лопатка (12) содержит переднюю кромку (15) и заднюю кромку (16), находящиеся близко соответственно с передней и задней поперечными сторонами (17, 18) внешнего и внутреннего колец, и внешнее кольцо (8) снаружи снабжено средством крепления (7) с внешним корпусом (6) приема упомянутых секторов,

отличающийся тем, что внешнее кольцо (8) содержит боковую стенку (9), проходящую между передней стороной (17) и задней стороной (18), упомянутое средство крепления (7) смещено в осевом направлении относительно задней поперечной стороны (18) внешнего кольца (8) и предназначено для восприятия статических усилий между корпусом и направляющим аппаратом, причем упомянутое средство крепления (7) с внешним корпусом содержит, относительно направления потока, проходящего через лопатки,

либо передний угловой периферический выступающий край (19) зацепления, расположенный на уровне передней поперечной стороны (17) внешнего кольца упомянутых секторов, и задний угловой периферический выступающий край (20) зацепления, смещенный от задней поперечной стороны (18) внешнего кольца, причем задний угловой периферический выступающий край (20) зацепления и конец заднего углового края (20) зацепления расположены, по существу, посередине лопаток между их передними (15) и задними (16) кромками, причем передний и задний угловые периферические края (19, 20) зацепления выполнены с возможностью заходить в пазы удерживания (21) внешнего корпуса (6),

либо кольцевой фланец (23), предусмотренный по периферии внешнего кольца (8) и расположенный над лопатками (12) между их (12) передними и задними кромками, причем упомянутый кольцевой фланец (23) расположен, по существу, посередине от передних (15) и задних (16) кромок лопаток и в самом толстом районе лопатки, расположенном, по существу, в центре лопатки, и кольцевой фланец (23) содержит множество отверстий (24) крепления, принимающих крепежные болты, проходящие через отверстия (24) крепления для его крепления к внешнему корпусу.

2. Направляющий аппарат по п. 1, в котором задний периферический выступающий край (20) зацепления расположен, по существу, в самом толстом районе лопатки, расположенном, по существу, в центре лопатки.

3. Направляющий аппарат по п. 1, в котором упомянутый задний периферический выступающий край (20) или упомянутый кольцевой фланец (23) проходит непрерывно или с прерываниями на совокупности секторов (5).

4. Направляющий аппарат по п. 1, в котором стенка внешнего кольца (8) жестко соединена с вершиной (13) лопатки.