КОЛЬЦЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ КОРПУСА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D25/04 F01D25/24 F01D9/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к газотурбинным двигателя, в частности, к корпусам газотурбинных двигателей.

Уровень техники

Под газотурбинным двигателем в настоящем контексте следует понимать любую машину, в которой может происходить передача энергии между потоком текучей среды и по меньшей мере одной лопаточной решеткой, например, такой как компрессор, насос, турбина или комбинация по меньшей мере двух из указанных элементов. В дальнейшем тексте описания термины «вход» и «выход» определяются относительно направления нормального прохождения текучей среды через газотурбинный двигатель.

Такой газотурбинный двигатель может содержать несколько ступеней, при этом каждая ступень обычно содержит две лопаточные решетки, а именно подвижную лопаточную решетку и спрямляющую лопаточную решетку. Каждая лопаточная решетка содержит множество лопаток, смещенных относительно друг друга в боковом направлении. Как правило, эти лопатки расположены радиально вокруг центральной оси А. Таким образом, лопаточная решетка образует ротор, когда речь идет о подвижной лопаточной решетке, или статор, когда речь идет о спрямляющей лопаточной решетке. Проксимальный конец каждой лопатки относительно центральной оси А обычно называют ножкой лопатки, тогда как дистальный конец обычно называют головкой лопатки. Между ножкой и головкой лопатка образована набором аэродинамических профилей, по существу перпендикулярных к радиальной оси Y. В этом контексте под выражением «по существу перпендикулярные» следует понимать, что плоскость каждого профиля может иметь угол, близкий к 90°, например, от 60° до 120°, относительно радиальной оси Y.

Обычно в газотурбинном двигателе такой ротор окружен корпусом. Во время работы газотурбинного двигателя аэроупругая неустойчивость может привести к появлению вращающихся деформационных волн в кольцевом элементе корпуса и даже, как следствие, трещин в материале. Чтобы снизить эту чувствительность конструкций корпуса к аэроупругой неустойчивости, было, в частности, предложено сделать этот кольцевой элемент корпуса по существу не осесимметричным, чтобы помешать объединению собственных локальных мод вибрации в одну вращающуюся волну. Однако такое решение приводит к значительному усложнению проектирования и изготовления элементов корпуса. Для демпфирования вибраций лопаток или лопастей ротора известны также демпферы, установленные под площадками лопаток, заходя между смежными площадками лопаток. Во время вращения ротора центробежные силы стремятся прижать каждый демпфер к нижним поверхностям двух смежных лопаток, и трение между демпфером и этими двумя поверхностями способствует рассеянию вибраций двух смежных лопаток. Демпферы этого типа раскрыты, например, в документе FR 2923557 В1. Однако, поскольку работа демпферов этого типа зависит от центробежных сил, их нельзя применять для стационарных деталей, таких как статор или корпус.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение этих недостатков. В частности, в настоящей заявке предложен кольцевой элемент корпуса газотурбинного двигателя, в котором вращающиеся волны можно просто и эффективно рассеивать, не усложняя и не удорожая при этом его изготовление.

По меньшей мере в одном варианте осуществления эта задача решается за счет того, что этот кольцевой элемент, который содержит внутреннюю сторону, ограничивающую проточный тракт для рабочей текучей среды газотурбинного двигателя, и наружную сторону, имеющую по меньшей мере одну окружную поверхность, дополнительно содержит демпфер, содержащий множество прилегающих друг к другу упругих витков, плотно стянутых вокруг указанной окружной поверхности наружной стороны таким образом, чтобы создавать давление на указанную окружную поверхность и между смежными витками. В частности, демпфер может содержать удлиненный элемент, намотанный вокруг указанной окружной поверхности наружной стороны, образуя указанное множество прилегающих друг к другу упругих витков.

Благодаря этим признакам, вращающиеся волны деформации в кольцевом элементе приведут к трению между указанной окружной поверхностью его наружной стороны и витками, а также между смежными витками, и это трение обеспечивает рассеяние энергии этих вращающихся волн.

В частности, указанная окружная поверхность является цилиндрической поверхностью, что облегчает изготовление поверхности, а также позволяет демпферу занимать положение опоры вокруг этой поверхности. Вместе с тем, можно предусмотреть и другие альтернативные варианты, например, поверхность в виде усеченного конуса.

Кроме того, указанная окружная поверхность может находиться, в частности, на дне кольцевого паза, окружающего указанную наружную сторону, что облегчает удержание на месте демпфера.

Чтобы обеспечить необходимую упругость, указанные витки могут представлять собой металлическую проволоку, например, из Inconel®, из нержавеющей стали или из латуни, хотя можно предусмотреть и другие материалы и, в частности, композиционные материалы. Для облегчения изготовления витков по меньшей мере один виток указанного демпфера может иметь по существу круглое сечение. Однако в альтернативном варианте и для увеличения поверхностей трения поперечное сечение по меньшей мере одного витка указанного демпфера может иметь по меньшей мере одну по существу плоскую фаску.

Кроме того, указанный демпфер может дополнительно содержать натяжное устройство для создания и поддержания определенной силы стягивания между двумя концами указанного демпфера с целью обеспечения точной калибровки трения.

Кроме того, кольцевой элемент корпуса может содержать множество спрямляющих лопаток, неподвижно соединенных с указанной внутренней стороной, что позволяет интегрировать статор в этот кольцевой элемент.

Объектами изобретения являются также газотурбинный двигатель, содержащий такой кольцевой элемент корпуса, а также способ демпфирования вращающейся волны деформации такого кольцевого элемента корпуса газотурбинного двигателя, в котором указанную вращающуюся волну демпфируют по меньшей мере за счет трения между указанной окружной поверхностью и витками указанного демпфера, а также между смежными витками.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления, представленных в качестве неограничивающих примеров. Описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 схематично показан турбореактивный двигатель, вид в продольном разрезе;

на фиг. 2 показана часть статора турбины турбореактивного двигателя, изображенного на фиг. 1, вид в перспективе;

на фиг. 3 схематично показана вращающаяся волна деформации статора, изображенного на фиг. 2;

на фиг. 5А показаны витки демпфера статора, изображенного на фиг. 2, согласно первому варианту осуществления, вид в поперечном разрезе;

на фиг. 5В показаны витки демпфера статора, изображенного на фиг. 2, согласно второму варианту выполнения, вид в поперечном разрезе.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан иллюстративный пример газотурбинного двигателя, в частности, осевого двухконтурного турбореактивного двигателя 1. Турбореактивный двигатель 1 содержит вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру 5 сгорания, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления. Вентилятор 2 и компрессор 3 низкого давления соединены с турбиной 7 низкого давления через первый трансмиссионный вал 9, тогда как компрессор 4 высокого давления и турбина 6 высокого давления соединены вторым трансмиссионным валом 10. Во время работы воздушный поток, сжимаемый компрессорами 3 и 4 низкого и высокого давления, поддерживает горение в камере 5 сгорания, при этом расширение газообразных продуктов сгорания приводит во вращение турбины 6, 7 высокого и низкого давления. Через валы 9 и 10 турбины 6, 7 приводят во вращение вентилятор 2 и компрессоры 3, 4. Воздух, нагнетаемый вентилятором 2, и газообразные продукты сгорания, выходящие из турбореактивного двигателя 1 через реактивное сопло (не показано) на выходе турбин 6, 7, создают реактивную тягу, действующую на турбореактивный двигатель и через него на летательный аппарат, такой как самолет (не показан).

Каждый компрессор 3, 4 и каждая турбина 6, 7 турбореактивного двигателя 1 содержит несколько ступеней, при этом каждая ступень образована неподвижной лопаточной решеткой или статором и вращающейся лопаточной решеткой или ротором. На фиг. 2 показан статор 11 осевой турбины, которая может быть любой из турбин 6, 7 турбореактивного двигателя 1. Этот статор 11 имеет форму диска и содержит множество спрямляющих лопаток 12, расположенных радиально вокруг оси А вращения соответствующего ротора (не показан), которая по существу является параллельной общему направлению прохождения потока рабочей текучей среды через турбореактивный двигатель 1. В вершине спрямляющих лопаток 12 статор 11 содержит также кольцевой козырек, соединяющий лопатки 12. Этот кольцевой козырек, продолженный в осевом направлении в сторону входа и/или выхода таким образом, что окружает также по меньшей мере один смежный ротор (не показан), образует таким образом кольцевой элемент 13 корпуса. Этот кольцевой элемент 13 имеет внутреннюю сторону 14, ограничивающую проточный тракт для рабочей среды газотурбинного двигателя, наружную сторону 15 и входной и выходной края 16, 17, образующие соединение с другими смежными элементами корпуса.

Во время работы поток рабочей текучей среды и прохождение головок лопаток ротора вблизи внутренней стороны могут вызвать локальные аэроупругие вибрации, приводящие к появлению вращающейся волны деформации вокруг кольцевого элемента 13. Пример такой вращающейся волны представлен на фиг. 3, где для большей ясности радиальная деформация показана в преувеличенном виде.

Такая вращающаяся волна может стать источником усталости материала кольцевого элемента 13, что может привести к появлению трещин в этой детали. Чтобы рассеивать энергию этой вращающейся волны и предохранить таким образом кольцевой элемент 13, его можно оснастить демпфером 18, содержащим удлиненный элемент, состоящий из множества прилегающих друг к другу упругих витков 18а-18с, стянутых вокруг окружной поверхности 15а наружной стороны 15, чтобы создать давление на указанную окружную поверхность 15а и между смежными витками. В представленном варианте осуществления эта окружная поверхность 15а является цилиндрической. Витки 18а-18с можно выполнить, в частности, из металлической проволоки, например, из Inconel®, из нержавеющей стали или из латуни, поверхность которой можно обработать, чтобы адаптировать коэффициент трения и/или избегать коррозии по причине контакта с поверхностью 15а. Вместе с тем, можно предусмотреть и другие упругие материалы.

Чтобы натянуть витки 18а-18с и поддерживать это натяжение, два противоположных конца этого демпфера 18 можно соединить натяжным устройством (не показано). Для облегчения скрепления этого демпфера на этих концах 18d, 18е их можно загнуть наружу, как показано на фиг. 4. Это натяжное устройство можно выполнить, например, в виде расчалки или винтового натяжного устройства.

На фиг. 5А показано поперечное сечение витков 18а, 18b, 18с демпфера 18 согласно первому варианту осуществления. В этом варианте осуществления каждый из витков 18а, 18b, 18 с имеет круглое поперечное сечение. При натягивании витков 18а-18с каждый из них затягивается вокруг цилиндрической поверхности 15а. Это давление в точках контакта витков 18а-18с с поверхностью 15а приводит к трению во время продвижения вращающихся волн радиальной деформации кольцевого элемента 13, что способствует рассеянию энергии этих волн и, следовательно, их демпфированию. Этот эффект усиливается за счет трения между витками 18а-18с по причине контакта между смежными витками.

В альтернативном варианте осуществления, представленном на фиг. 5В, поперечное сечение каждого из витков 18а-18 с не является по существу круглым, а имеет плоские фаски напротив поверхности 15а и смежных витков. Это позволяет максимально увеличить поверхности контакта каждого витка с поверхностью 15 а, а также со смежными витками. Можно также предусмотреть уплощение только внутренней стороны каждого витка, чтобы увеличить только поверхность контакта с поверхностью 15а, или только боковых сторон, чтобы увеличить только поверхность, вступающую в контакт со смежными витками.

Этот второй вариант осуществления отличается также тем, что витки 18а-18с расположены в неглубоком кольцевом пазу, окружающем наружную сторону 15 кольцевого элемента 13. Поверхность 15а, входящая в контакт с витками 18а-18с, образует дно этого паза. Этот паз облегчает позиционирование и удержание в положении демпфера 18 вокруг поверхности 15а.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры осуществления, разумеется, в них можно вносить различные изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения, определенные формулой изобретения. Например, хотя в обоих представленных вариантах осуществления поверхность наружной стороны кольцевого элемента корпуса является цилиндрической поверхностью, можно предусмотреть другие формы окружных поверхностей, в частности, в виде усеченного конуса. Кроме того, индивидуальные отличительные признаки различных упомянутых вариантов осуществления можно объединить в дополнительные варианты осуществления. В частности, кольцевой паз из второго варианта осуществления можно сочетать с витками круглого сечения, как в первом варианте осуществления. Следовательно, описание и чертежи можно рассматривать как иллюстративные, но неограничивающие.

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, к кольцевому элементу (13) корпуса газотурбинного двигателя. Внутренняя сторона (14) ограничивает проточный тракт для рабочей текучей среды газотурбинного двигателя. Содержит наружную сторону (15) и демпфер (18). Демпфер (18) содержит множество прилегающих друг к другу упругих витков (18а, 18b, 18с), стянутых вокруг окружной поверхности (15а) наружной стороны (15) так, чтобы создавать давление на указанную окружную поверхность (15а) и между смежными витками. Техническим результатом является обеспечение демпфирования акустической и вибрационной нагрузки. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя, содержащий по меньшей мере внутреннюю сторону (14), ограничивающую проточный тракт для рабочей текучей среды газотурбинного двигателя, наружную сторону (15) и демпфер (18), отличающийся тем, что демпфер (18) содержит множество прилегающих друг к другу упругих витков (18а, 18b, 18с), стянутых вокруг окружной поверхности (15а) наружной стороны (15) так, чтобы создавать давление на указанную окружную поверхность (15а) и между смежными витками.

2. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя по п. 1, в котором указанная окружная поверхность (15а) является цилиндрической поверхностью.

3. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя по п. 1, в котором указанная окружная поверхность (15а) находится на дне кольцевого паза, окружающего указанную наружную сторону (15).

4. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя по п. 1, в котором по меньшей мере один виток (18а, 18b, 18с) указанного демпфера (18) имеет по существу круглое поперечное сечение.

5. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя по п. 1, в котором поперечное сечение по меньшей мере одного витка (18а, 18b, 18с) указанного демпфера (18) имеет по меньшей мере одну по существу плоскую фаску.

6. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя по п. 1, в котором указанный демпфер (18) дополнительно содержит натяжное устройство для создания и поддержания определенной силы стягивания между двумя концами указанного демпфера (18).

7. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя по п. 1, в котором по меньшей мере один виток (18а, 18b, 18с) указанного демпфера (18) выполнен из металлической проволоки.

8. Кольцевой элемент (13) корпуса газотурбинного двигателя по п. 1, который дополнительно содержит множество спрямляющих лопаток (12), неподвижно соединенных с указанной внутренней стороной (14).

9. Газотурбинный двигатель, содержащий кольцевой элемент (13) корпуса по любому из пп. 1-8.

10. Способ демпфирования вращающейся волны деформации кольцевого элемента (13) корпуса газотурбинного двигателя по любому из пп. 1-8, в котором указанную вращающуюся волну демпфируют по меньшей мере посредством трения между указанной окружной поверхностью (15а) и указанными витками (18а, 18b, 18с).