УЗЕЛ СТАТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ РЕМОНТА ТАКОГО УЗЛА, А ТАКЖЕ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ УЗЕЛ СТАТОРА
UNIT OF STATOR OF GAS-TURBINE MOTOR AND PROCEDURE FOR REPAIR OF THIS UNIT; ALSO MOTOR COMPRISING THIS UNIT OF STATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к узлу статора газотурбинного двигателя, содержащему внутренний и внешний кольцевые опорные элементы и множество распределенных по окружности радиальных связей (распорок), расположенных между опорными элементами для передачи действующих на конструкцию усилий. Изобретение также относится к способу ремонта такого узла статора газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Из US 4132069 А (ближайший аналог изобретения) известен узел статора газотурбинного двигателя, содержащий несколько кольцевых опорных элементов, включающих в себя по меньшей мере внутренний и внешний кольцевые опорные элементы, и множество распределенных по окружности радиальных связей, расположенных между кольцевыми опорными элементами для передачи действующих на конструкцию усилий.
Предлагаемый в изобретении узел газотурбинного двигателя может использоваться в стационарных газотурбинных установках, но его применение наиболее целесообразно в авиационных реактивных двигателях. К реактивным двигателям относятся различные типы двигателей, на вход которых поступает воздух со сравнительно малой скоростью, этот воздух нагревается в процессе горения и выбрасывается наружу с гораздо более высокой скоростью. Понятие "реактивный двигатель" включает в себя, например, турбореактивные и турбовентиляторные двигатели. Хотя изобретение рассматривается ниже на примере турбовентиляторного двигателя, оно, безусловно, может использоваться и в других типах двигателей.
Авиационный газотурбинный двигатель турбовентиляторного типа обычно содержит передний вентилятор, подпорный компрессор, элементы внутреннего контура двигателя и расположенную сзади силовую турбину низкого давления. Во внутренний контур двигателя входят компрессор высокого давления, камера сгорания и турбина высокого давления, расположенные друг за другом. Компрессор высокого давления и турбина высокого давления в составе внутреннего контура двигателя связаны валом компрессора высокого давления. Компрессор высокого давления, турбина высокого давления и соединяющий их вал в сущности образуют ротор высокого давления. Компрессор высокого давления приводится во вращение, сжимая воздух, поступающий во внутренний контур двигателя, до сравнительно высокого давления. Затем этот сжатый воздух смешивается с топливом в камере сгорания и воспламеняется с образованием потока газов, обладающего большой энергией. Этот поток газов движется назад и проходит через турбину высокого давления, вращая ее и вал компрессора высокого давления, который (вал), в свою очередь, вращает компрессор высокого давления.
Поток газов на выходе турбины высокого давления расширяется, проходя через вторую турбину, или турбину низкого давления. Турбина низкого давления приводит во вращение вентилятор и подпорный компрессор через вал компрессора низкого давления, и все перечисленные элементы образуют ротор низкого давления. Вал компрессора низкого давления проходит через ротор высокого давления. Большая часть развиваемой двигателем тяги создается вентилятором. Для крепления опор, в которых вращаются роторы, используются корпуса. Обычные турбовентиляторные двигатели имеют корпус вентилятора, корпус средней части двигателя и задний корпус турбины.
Двигатель устанавливается на самолет передним узлом крепления корпуса вентилятора, расположенным на корпусе вентилятора спереди, и задним узлом крепления корпуса турбины, расположенным на корпусе турбины сзади.
Конструктивная прочность газотурбинного двигателя зависит от небольшого числа узлов конструкции двигателя, также известных как узлы статора или корпуса. Эти узлы образуют, таким образом, скелет двигателя. Во время работы двигателя узлы статора испытывают высокие нагрузки. Эти узлы обычно включают в себя корпуса опор для валов двигателя, проточную часть, выполненную в виде кольцевого канала, и радиальные связи (распорки), соединяющие внутреннюю и внешнюю части двигателя между собой. Таким образом, воздух движется по проточной части назад через проходы между соседними связями. Предлагаемый в изобретении узел газотурбинного двигателя образует как раз такую структуру.
Авиационные двигатели должны обладать как можно меньшим весом. Для того чтобы строить двигатели с минимально возможным весом, невращающиеся силовые элементы конструкции двигателя должны обладать как можно большей жесткостью. Одним из путей достижения этой цели является применение композиционных материалов, поскольку такие материалы имеют высокую удельную жесткость и прочность.
Авиационные двигатели для обеспечения безопасности их эксплуатации должны быть способны работать в различных режимах нагрузки и в различных ситуациях. Одной из проблем при эксплуатации газотурбинных двигателей является попадание в двигатель посторонних предметов. Такими предметами могут быть твердые частицы, птицы или град, которые при всасывании в проточный тракт через входное устройство двигателя ударяются о связь статора (расположенную перед вентилятором или за ним). Если такая связь не участвует в передаче нагрузок во время работы двигателя, ее механическое повреждение может быть допустимым, но если связь выполнена с расчетом на передачу таких нагрузок во время работы двигателя, она либо должна обладать запасом прочности, достаточным для надежной работы в условиях эксплуатационных нагрузок при наличии механического повреждения, либо должна быть отремонтирована или заменена.
В зависимости от геометрической сложности элементов конструкции и опасности распространения повреждения проведение локального ремонта является затруднительным.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу изобретения положена задача разработки конструкции узла статора газотурбинного двигателя, содержащего внутренний кольцевой опорный элемент, внешний кольцевой опорный элемент и множество распределенных по окружности радиальных связей, расположенных между указанными опорными элементами, которая создала бы предпосылки для ее легкого ремонта в случае ее повреждения во время эксплуатации.
Эта задача решается в конструкции узла статора газотурбинного двигателя, который (узел статора) содержит несколько кольцевых опорных элементов, включающих в себя по меньшей мере внутренний и внешний кольцевые опорные элементы, и множество распределенных по окружности радиальных связей, расположенных между кольцевыми опорными элементами для передачи действующих на конструкцию усилий. Решение задачи достигается за счет того, что каждая из указанных связей (распорок) содержит силовую сердцевину, жестко соединенную с двумя опорными элементами с образованием единого каркаса вместе с указанными опорными элементами, ударопрочную оболочку, окружающую сердцевину и рассчитанную на то, чтобы выдерживать удар одной, меньшей, энергии без получения повреждений, и энергопоглощающий материал, расположенный между сердцевиной и оболочкой и рассчитанный на то, чтобы в случае повреждения оболочки ударом другой, большей, энергии поглощать большую часть этой энергии удара.
Таким образом, каркас образует единую передающую усилия конструкцию. В случае столкновения со связью постороннего предмета ударопрочная оболочка рассчитана на то, чтобы выдерживать удар небольшой энергии, не получая повреждений. В случае удара большей энергии оболочка получит серьезное повреждение, а энергопоглощающий материал поглотит большую часть энергии удара. Таким образом обеспечивается защита силовой сердцевины даже при ударах с большой энергией. Это позволяет поддерживать целостность каркаса в процессе эксплуатации.
Оболочка и энергопоглощающий материал крепятся к силовому каркасу съемным образом. Таким образом, когда наступает время ремонта, оболочку и энергопоглощающий материал снимают с каркаса, оставляя каркас однородным, т.е. в виде цельной конструкции. Оболочку предпочтительно снимать механически, а энергопоглощающий материал можно снимать механическими или химическими методами.
Затем на сердцевины связей бывшего в эксплуатации единого каркаса наносят/накладывают новую ударопрочную оболочку и новый энергопоглощающий материал.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения энергопоглощающий материал образует сплошную структуру вокруг сердцевины. Таким образом, энергопоглощающий материал полностью окружает в поперечном сечении сердцевину радиальной связи, образуя между оболочкой и сердцевиной промежуток по всему периметру сечения сердцевины. Иначе говоря, сердцевина полностью заделывается в энергопоглощающий материал.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения энергопоглощающий материал включает в себя полимерный композиционный материал. Это создает предпосылки для получения легкой, жесткой и прочной конструкции.
Еще одной задачей изобретения является разработка способа ремонта узла статора газотурбинного двигателя, характеризующегося экономической эффективностью и/или невысокими затратами времени при его осуществлении.
Эта задача решается за счет того, что после эксплуатации узла статора с каждой входящей в единый каркас сердцевины снимают отработавшую ударопрочную оболочку и отработавший энергопоглощающий материал соответствующей связи и на эти сердцевины наносят новую ударопрочную оболочку и новый энергопоглощающий материал.
Объектами изобретения являются также газотурбинный двигатель, в частности стационарный ГТД, и авиационный двигатель, содержащие предлагаемый в изобретении узел статора.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения и дополнительные преимущества изобретения раскрыты в приведенном ниже подробном описании и формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется ниже на примере вариантов его осуществления, представленных на чертежах, на которых показано:
на фиг.1 - схематический вид авиационного двигателя в продольном разрезе,
на фиг.2 - узел статора газотурбинного двигателя, используемого в показанном на фиг.1 авиационном двигателе, в аксонометрической проекции,
на фиг.3 - радиальная связь узла газотурбинного двигателя, показанного на фиг.2, в разрезе, и
на фиг.4 - местный вид в разрезе радиальной связи, показанной на фиг.3.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Ниже изобретение рассматривается на примере авиационного турбовентиляторного двигателя 1, изображенного на фиг.1, где также показана продольная ось 2 двигателя. Двигатель 1 содержит внешний корпус 3, или обтекатель, внутренний корпус 4 и промежуточный корпус 5, который концентричен первым двум корпусам и делит просвет между ними на проточный канал 6 первого контура двигателя, предназначенный для сжатия воздуха, и проточный канал 7 второго контура двигателя, по которому воздух направляется в обход камеры сгорания и турбины. Таким образом, каждый из проточных каналов 6, 7 имеет кольцевое поперечное сечение, перпендикулярное продольной оси 2 двигателя.
Двигатель 1 содержит вентилятор 8, всасывающий атмосферный воздух 9, подпорный компрессор или компрессор низкого давления (КНД) 10 и компрессор высокого давления (КВД) 11, расположенный в проточном канале 6 первого контура, камеру сгорания 12, в которой топливо смешивается с воздухом, сжимаемым компрессором 11 высокого давления, и сгорает с образованием горячих газов, поток которых движется по проточной части через турбину 13 высокого давления (ТВД) и турбину 14 низкого давления (ТНД), после прохождения которой газообразные продукты сгорания выбрасываются из двигателя.
Турбина высокого давления 13 связана валом с компрессором 11 высокого давления с образованием ротора высокого давления. Турбина 14 низкого давления связана валом с компрессором 10 низкого давления с образованием ротора низкого давления. Компрессор 11 высокого давления, камера сгорания 12 и турбина 13 высокого давления, вместе взятые, именуются внутренним контуром двигателя. Вал ротора низкого давления установлен с возможностью вращения, по меньшей мере по части его длины, внутри ротора высокого давления соосно с ним.
Между компрессором 10 низкого давления и компрессором 11 высокого давления 11 в осевом направлении двигателя 1 расположена несущая конструкция 15 двигателя, в дальнейшем называемая узлом статора. Узел статора, выполняющий функцию несущей конструкции, известен также как корпус или рама. На определенных стадиях нормального рабочего цикла двигателя узел 15 статора воспринимает высокие нагрузки.
На фиг.2 силовой узел 15 статора представлен в аксонометрической проекции. Узел 15 статора содержит промежуточный, или разделительный, элемент 16, который ограничивает внутренний и внешний кольцевые каналы 17, 18. Внутренний канал 17 составляет часть внутреннего проточного канала 6 первого контура авиационного двигателя, а внешний канал 18 составляет часть проточного канала 7 второго контура, по которому движется поток воздуха, направляемого в обход камеры сгорания и турбины.
Кольцевой промежуточный элемент 16 удерживается между внутренним кольцевым опорным элементом 19 и внешним кольцевым опорным элементом 20 множеством распределенных по окружности внутренних и внешних радиальных связей 21, 22, или статорных лопаток. Внутренний и внешний кольцевые опорные элементы 19, 20 и кольцевой промежуточный элемент 16 расположены соосно.
Противоположные концы внутренних связей 21 жестко соединены с внутренним кольцевым элементом 19 и промежуточным элементом 16 для передачи усилий между этими элементами. Противоположные концы внешних связей 22 жестко соединены с промежуточным элементом 16 и внешним кольцевым элементом 20 для передачи усилий между этими элементами.
Воздух проходит через проходы между соседними связями 21, 22. Каждая из внешних связей 22 имеет по своей длине в поперечном сечении аэродинамический профиль, как это показано на фиг.3, благодаря чему поток воздуха, движущийся назад через проходы между соседними связями обычным образом, выпрямляется в осевом направлении перед тем, как войти в секции двигателя, находящиеся за узлом статора по потоку.
На фиг.3 одна из силовых связей 22 показана в разрезе. Связь 22 содержит силовую сердцевину 24, ударопрочную оболочку 25, окружающую сердцевину и энергопоглощающий материал 26, расположенный между сердцевиной 24 и оболочкой 25. Для повышения ударопрочности и эрозионной стойкости связь выполнена с металлической частью 28 на передней кромке 27, например, с накладкой или покрытием. В другом варианте эта часть 28 может быть выполнена из неметаллического материала.
Силовая сердцевина 24 связи образована продолговатым стержнем (бруском), вытянутым в продольном направлении связи 22. Сердцевина 24 имеет в поперечном сечении продолговатую форму, вытянутую по длине продолговатой формы поперечного сечения соответствующей связи, т.е. размер формы поперечного сечения в направлении от передней кромки 27 связи 22 до ее задней кромки 29 значительно превышает размер в направлении, проходящем поперек связи. Сердцевина выполнена по существу прямоугольной в поперечном сечении формы.
Сердцевина 24 жестко крепится к внешнему кольцевому опорному элементу 20 и промежуточному элементу 16, образуя с этими элементами единый каркас. Иначе говоря, каркас имеет цельную конструкцию. Таким образом, между сердцевиной 24 и соответствующим опорным элементом имеется механически жесткое (неподвижное) соединение.
Энергопоглощающий материал 26 образует структуру, заполняющую собой пространство между сердцевиной 24 и оболочкой 25. В частности, энергопоглощающий материал 26 образует сплошную структуру вокруг сердцевины 24 и находится в контакте с сердцевиной 24 и оболочкой 25 в радиальном направлении связи 21. Указанный материал 26 в предпочтительном варианте осуществления изобретения образован вспененным полимерным материалом. Энергопоглощающий материал 26 должен иметь высокие тепловые свойства и малый удельный вес. Таким легким материалом может быть ячеистая пена. В качестве конкретного примера такого легкого материала можно называть вспененный полиметакриламид.
Ударопрочная оболочка 25 образует замкнутую структуру, окружающую сердцевину 24 и энергопоглощающий материал 26. Оболочка 25 включает в себя полимерный композиционный материал. Оболочка 25 из полимерного композиционного материала имеет волокнистую структуру с множеством волокон 27, внедренных в материал 28 полимерной матрицы, как показано на фиг.4. Волокнистая структура 27 пронизывает материал 28 матрицы в продольном направлении связи 22. Матрица в предпочтительном варианте осуществления изобретения образована отверждаемым полимером, в частности термоотверждающимся материалом, например, представляя собой матрицу на основе эпоксидной смолы. Вышеупомянутые волокна 27 в предпочтительном варианте осуществления изобретения образованы углеродным волокном или же стекловолокном.
Вместо рассмотренного выше варианта или в дополнение к нему внутренние связи 21, распределенные в окружном направлении, выполнены, как показано на фиг.3 и описано выше.
Объектом изобретения является также способ ремонта предлагаемого в изобретении узла 15 статора газотурбинного двигателя. После эксплуатации узла 15 статора с каждой входящей в единый каркас сердцевины 24 снимают отработавшую ударопрочную оболочку 25 и отработавший энергопоглощающий материал 26 и на эти сердцевины наносят новую ударопрочную оболочку и новый энергопоглощающий материал.
Согласно первому примеру осуществления предлагаемого в изобретении способа ремонта новый энергопоглощающий материал формируют в виде по меньшей мере полужесткой незамкнутой (несплошной) окружающей связь структуры. В этой структуре имеется отверстие для размещения сердцевины связи, и новый энергопоглощающий материал перемещают относительно сердцевины таким образом, чтобы ввести сердцевину в это отверстие. Энергопоглощающая структура может иметь на своем заднем краю щель, в которую можно провести сердцевину, если отжать образующие щель части структуры в стороны друг от друга. После установки вокруг сердцевины нового полужесткого незамкнутого энергопоглощающего материала вокруг энергопоглощающего материала накладывают оболочку.
Согласно второму примеру осуществления предлагаемого в изобретении способа ремонта новую оболочку формируют в виде по меньшей мере полужесткой незамкнутой окружающей связь структуры. Сердцевину связи располагают в полужесткой структуре и фиксируют в заданном положении относительно нее. Новый энергопоглощающий материал в виде пены вводят внутрь жесткой структуры, заполняя им пространство сердцевиной и жесткой структурой.
Согласно третьему примеру осуществления предлагаемого в изобретении способа ремонта оболочка может быть образована двумя частями. Вокруг сердцевины располагают первую часть, сравнительно жесткую, но упругую, имеющую вид незамкнутой структуры. Эта первая часть может иметь на своем заднем краю щель, в которую можно провести сердцевину, если отжать образующие щель ветви структуры в стороны друг от друга. Затем поверх первой части располагают вторую часть с образованием жесткой замкнутой структуры. Вторая часть оболочки может быть наложена на первую в виде ленты или пленки. После этого в структуру оболочки вводят или впрыскивают новый энергопоглощающий материал в виде пены, заполняя им пространство между сердцевиной и структурой оболочки. Затем полученную составную конструкцию подвергают отверждению.
Согласно альтернативному примеру осуществления предлагаемого в изобретении способа вокруг отработавшей сердцевины без покрытия располагают приспособление для литья, внутренняя форма которого по существу соответствует внутренней форме оболочки, и в пространство, образованное сердцевиной связи и приспособлением для литья, заливают энергопоглощающий материал. Затем приспособление для литья удаляют, после чего вокруг энергопоглощающего материала располагают оболочку и приклеивают ее к энергопоглощающему материалу, прикладывая к ней давление и/или подводя к ней тепло.
Возможности осуществления изобретения далеко не исчерпываются рассмотренными выше вариантами; напротив, в рамках объема формулы изобретения его осуществление возможно с разного рода изменениями и усовершенствованиями.
Вышеупомянутый энергопоглощающий материал 26 может быть образован другим нетекучим легким материалом, например пробковой древесиной.
В альтернативном варианте осуществления изобретения рассмотренным выше образом выполнены не все связи, имеющиеся во внутренней и/или внешней рядах (решетках) распределенных по окружности связей. Одна или несколько связей одного ряда может иметь иную конструкцию, например может быть полой, вмещая в себя элементы тех или систем двигателя, такие как средства подачи или отвода масла и/или воздуха, приборное или электрическое оборудование, такие как электрические и металлические кабели для передачи информации об измеряемых давлении и/или температуре и т.д. Связи могут иметь в поперечном сечении форму симметричного аэродинамического профиля, чтобы оказывать на поток газа как можно меньшее влияние.
Таким образом, в узле, содержащем ряд распределенных по окружности связей разной конструкции, наличие связей предлагаемой в изобретении конструкции обеспечивает несущие качества узла, тогда как другие связи, имеющие иную конструкцию, могут выполнять лишь аэродинамическую функцию. По меньшей мере некоторые из таких аэродинамических связей могут быть сплошными.
Показанная на чертежах сердцевина связи представляет собой сплошной стержень или брусок по существу прямоугольного поперечного сечения. В другом варианте выполнения такой стержень может иметь другую форму поперечного сечения, например эллиптическую или форму аэродинамического профиля. В еще одном варианте стержень может быть полым.
Возможен также вариант осуществления изобретения без промежуточного элемента, расположенного между внутренним и внешним кольцевыми элементами. В этом варианте между внутренним и внешним кольцевыми элементами расположен только один ряд распределенных по окружности радиальных связей. При этом противоположные концы связей жестко соединены с внутренним и внешним кольцевыми элементами.
В еще одном альтернативном варианте осуществления изобретения узел статора, показанный на фиг.2, содержит две отдельных секции. Первая секция включает в себя внутренний кольцевой элемент, внутреннюю часть кольцевого промежуточного элемента и внутренний ряд распределенных по окружности связей. Вторая секция включает в себя внешнюю часть кольцевого промежуточного элемента, внешний кольцевой элемент, а также внешний ряд распределенных по окружности связей. В этом варианте осуществления изобретения первая секция содержит первый каркас, включающий в себя сердцевины внутренних связей, а вторая секция содержит второй каркас, включающий в себя сердцевины внешних связей. Вторая секция присоединена к первой снаружи в радиальном направлении с образованием узла статора.
В еще одном альтернативном исполнении рассмотренного выше варианта конструкции узла статора из двух отдельных секций только одна выполнена с использованием связей предлагаемой в изобретении конструкции, показанной на фиг.3 и описанной выше. Другая секция содержит связи обычной конструкции.
Безусловно, описанный выше узел статора газотурбинного двигателя может применяться и в других местах конструкции двигателя, например в секции турбин, между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления. Еще одним вариантом размещения такого узла в двигателе является входное устройство перед вентилятором.
Конструкция композиционной оболочки может отличаться от показанной на чертежах. Иным может быть, например, расположение волокон. Например, множество волокон может быть расположено несколькими слоями.