ВОЗДУШЫЙ СТАРТЕР ДЛЯ ТУРБОДВИГАТЕЛЯ
AIR STARTER FOR TURBINE ENGINE

Область техники
Это изобретение относится к воздушному стартеру для турбодвигателя, конкретно для турбодвигателя для летательного аппарата.
Турбодвигатели для летательных аппаратов обычно оборудованы воздушными стартерами, содержащими (от передней к задней части) воздухозаборный канал, турбину и средство передачи мощности, соединяемое с этими двигателями, например, при помощи коробки приводов агрегатов (КПА) этих двигателей.
При подаче сжатого воздуха турбина стартера вращает средство передачи мощности, которое, в свою очередь, вращает ротор турбодвигателя для его запуска.
Воздушные стартеры авиационных двигателей обычно предназначены для запуска двигателей на земле, а также для повторного запуска их в полете в случае остановки двигателя.
Вследствие этого надежность воздушных стартеров представляет собой исключительную важность для безопасности летательного аппарата и для получения сертификатов, необходимых для использования этих стартеров.
Предшествующий уровень техники
Воздушные стартеры известного типа содержат передний корпус, окружающий турбину и прикрепленный к воздухозаборной трубе, и задний корпус, окружающий средство передачи мощности этих стартеров.
Задний конец переднего корпуса этих стартеров в осевом направлении отделен от переднего конца их заднего корпуса, образуя кольцевую выпускную зону тракта потока выходящих газов, через которую проходит воздушный поток от турбины этих стартеров.
Два корпуса обычно жестко соединены кронштейнами, проходящими через тракт потока выходящих газов.
Кроме того, задний конец переднего корпуса и передний конец заднего корпуса обычно соединены цилиндрической решеткой, ограничивающей риск попадания внешних налетающих предметов в тракт потока выходящих газов при остановке и риск выброса осколков за пределы тракта потока выходящих газов, если инцидент происходит во время работы.
Взрыв турбины в стартере - очень редкое явление, которое теоретически происходит после разноса ротора турбины или разрушения вала этой турбины.
В случае такого инцидента внутрь турбины на высокой скорости могут быть вброшены осколки, производящие удары на передний корпус, окружающий турбину.
В результате вращения турбины эти осколки могут передавать касательные усилия переднему корпусу в дополнение к радиальным усилиям, что может создавать момент, передаваемый переднему корпусу, а также осколки могут повредить кронштейны, соединяющие передний корпус с задним корпусом, и выпускную решетку, если она прикреплена к концам этих корпусов, что приведет к отделению корпусов стартера.
Известное решение, предотвращающее риск отделения корпусов стартера, состоит в соединении заднего конца переднего корпуса и переднего конца заднего корпуса конструктивными элементами, выполненными из материала, способного сопротивляться напряжениям, создаваемым взрывом турбины, эти конструктивные элементы расположены ближе к выпускной решетке от тракта потока выходящих газов.
Однако стартер такого типа имеет недостатки. Упомянутые конструктивные элементы должны быть изготовлены из относительно тяжелого и/или дорого материала. Кроме того, в случае взрыва турбины эти конструктивные элементы могут передавать момент, производимый ударами осколков на передний корпус стартера, к заднему корпусу этого стартера, который может разрушить средство крепления заднего корпуса к турбодвигателю.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения - предложить простое, экономичное и эффективное решение этих проблем, во избежание упомянутых выше недостатков.
В частности, его целью является уменьшение риска отделения переднего и заднего корпусов воздушного стартера, особенно в случае взрыва турбины этого стартера.
Другой целью настоящего изобретения является ограничение усилий, передаваемых заднему корпусу, сопровождающих подобный взрыв турбины.
Чтобы добиться этого, изобретение предлагает воздушный стартер для турбодвигателя, включающий в себя турбину, окруженную передним корпусом стартера, средство передачи мощности турбины, окруженное задним корпусом стартера, средство жесткого соединения переднего корпуса с задним корпусом, тракт потока выходящих газов, предназначенный для переноса воздушного потока от турбины, открытый между задним концом переднего корпуса и передним концом заднего корпуса и через который проходит упомянутое средство жесткого соединения, и выпускную решетку тракта потока выходящих газов, проходящую вокруг вала турбины, передний и задний концы которой содержат средство удерживания в осевом направлении соответственно переднего и заднего корпусов к решетке, причем это средство удерживания в осевом направлении предназначено, по меньшей мере, для предотвращения относительного отделения переднего корпуса от заднего корпуса, при этом, по меньшей мере, упомянутое средство удерживания в осевом направлении одного из корпусов к выпускной решетке позволяет относительное вращение упомянутой выпускной решетки и упомянутого корпуса.
Когда повреждение происходит в средстве жесткого соединения переднего и заднего корпусов, например, в результате взрыва турбины стартера, средство удерживания в осевом направлении корпусов к решетке сохраняет целостность стартера и в то же время предотвращает передачу на задний корпус вращательных усилий, проходящих в передний корпус, проходя на решетку и, таким образом, вызывая повреждение этой решетки или разрушение средства крепления стартера к турбодвигателю.
Такие вращательные усилия можно, по меньшей мере, частично рассеять, позволяя вращение переднего корпуса относительно заднего корпуса, что возможно благодаря использованию средства удерживания в осевом направлении по изобретению.
Стартер по изобретению может в большей степени удовлетворять сертификационным требованиям и в то же время быть легче и надежнее стартеров известного типа.
Средство удерживания в осевом направлении упомянутого корпуса к решетке предпочтительно содержит удерживающее устройство, которое соединено с соответствующим концом решетки и проходит вдоль осевого направления, обращенное к стопорному элементу указанного корпуса.
Удерживающее устройство решетки будет удерживаться контактом со стопорным элементом корпуса, когда средство жесткого соединения переднего корпуса с задним корпусом разрушится, так, что будет удерживать в осевом направлении решетку к корпусу.
Предпочтительно, упомянутый корпус содержит на своих концах, обращенных к тракту потока выходящих газов, кольцевую стенку, проходящую радиально наружу, при этом эта кольцевая стенка, по возможности, образует фланец для крепления упомянутого средства жесткого соединения двух корпусов.
В первом варианте осуществления изобретения упомянутая кольцевая стенка упомянутого корпуса образует упомянутый стопорный элемент этого корпуса.
Выпускная решетка предпочтительно содержит две приблизительно кольцевые концевые части, между которыми расположена средняя часть, в которой образованы отверстия для прохода воздушного потока от турбины.
Механическая прочность концевых частей решетки достаточно высока, так что они могут удерживать корпуса к решетке в осевом направлении.
Предпочтительно, по меньшей мере, одна из концевых частей решетки искривлена радиально внутрь стартера и образует упомянутое удерживающее устройство.
Эта концевая часть решетки удерживает упомянутый корпус с решеткой в осевом направлении контактом с упомянутым стопорным элементом упомянутого корпуса.
Во втором варианте осуществления изобретения стартер содержит кольцевую часть, включающую в себя радиальный фланец, закрепленный на упомянутой кольцевой стенке упомянутого корпуса, и стенку, проходящую радиально внутрь стартера и расположенную на осевом расстоянии от упомянутой кольцевой стенки упомянутого корпуса так, что образует упомянутый стопорный элемент этого корпуса.
Предпочтительно, сечение этой кольцевой части имеет U-образную форму с отверстием, обращенным внутрь стартера.
Упомянутая выше кольцевая часть, таким образом, разграничивает кольцевую канавку, открытую внутрь стартера, в которую можно установить кольцевую концевую стенку упомянутого корпуса и упомянутого удерживающего устройства.
В случае необходимости эта канавка также может содержать радиальный фланец средства жесткого соединения.
Во втором варианте осуществления изобретения решетка содержит две приблизительно кольцевые концевые части, между которыми расположена средняя часть, в которой образованы отверстия для прохода воздушного потока от турбины, при этом, по меньшей мере, одна из упомянутых концевых частей решетки искривлена радиально наружу стартера и образует упомянутое удерживающее устройство.
Данная концевая часть решетки может удерживать в осевом направлении упомянутый корпус к решетке контактом с упомянутой стенкой кольцевой части, образующей стопорный элемент упомянутого корпуса.
В общем, другая концевая часть решетки предпочтительно прикреплена к другому корпусу.
Это позволяет избежать осевых смещений решетки относительно корпусов во время нормальной работы, даже если удерживающее устройство решетки не находится в контакте со стопорным элементом соответствующего корпуса, а проходит на определенном осевом расстоянии от этого стопорного элемента.
Это позволяет увеличить технологические допуски решетки так, чтобы снизить стоимость изготовления решетки.
Две концевые части решетки предпочтительно соединены друг с другом кронштейнами, между которыми образованы упомянутые отверстия.
Решетка предпочтительно образована, по меньшей мере, из двух секторов, образующих участок цилиндра, установленных по окружности встык для облегчения монтажа решетки на стартер.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет лучше понятно, а остальные его подробности, преимущества и особенности станут понятны после чтения последующего описания, приведенного как не ограничивающий пример, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
на Фиг.1 схематически показан вид сбоку воздушного стартера по первому варианту осуществления изобретения;
на Фиг.2 схематически показано осевое сечение части воздушного стартера на Фиг.1;
на Фиг.3 схематически показан осевой разрез части воздушного стартера по второму варианту осуществления изобретения.
На этих фигурах одинаковые ссылочные позиции используют для обозначения идентичных или подобных элементов.
Подробное изложение предпочитаемых вариантов осуществления
На Фиг.1 показан воздушный стартер, соответствующий первому варианту осуществления изобретения, предназначенный для установки на турбореактивный двигатель летательного аппарата.
Этот стартер содержит воздухозаборный канал 10, приблизительно цилиндрический передний корпус 12, окружающий приводную турбину, приблизительно цилиндрический задний корпус 14, окружающий средство передачи мощности, и средство 16 крепления стартера к турбореактивному двигателю летательного аппарата (не показан) и соединения с коробкой приводов агрегатов этого турбореактивного двигателя летательного аппарата.
Воздухозаборный канал 10 соединен с источником воздуха высокого давления, находящимся на борту или на земле.
Средство 16 крепления и соединения предназначено для крепления друг с другом средства передачи мощности и ротора турбореактивного двигателя при вращении и для крепления стартера к турбореактивному двигателю.
Во время работы поток воздуха высокого давления, подаваемый на турбину, вращает колесо с лопатками этой турбины, в свою очередь, это колесо с лопатками вращает средство передачи мощности, соединенное с ротором турбореактивного двигателя при помощи средства 16 соединения хорошо известным способом.
Обращенные друг к другу концы переднего корпуса 12 и заднего корпуса 14 отделены друг от друга в осевом направлении для образования кольцевой выпускной зоны 18, через которую может выходить воздух из турбины.
Как показано на Фиг.2, колесо 20 с лопатками турбины окружено кожухом 22 турбины, расположенным вплотную к концам лопаток 24, опирающихся на колесо 20 с лопатками, чтобы направить поток воздуха высокого давления, проходящего в турбине.
Сам кожух 22 окружен стопорным кольцом 26, поглощающим всю или часть ударной энергии от любого осколка, вылетающего наружу из турбины, когда эта турбина взрывается, известным способом.
Стартер содержит две соосных кольцевых оболочки 28 и 30, разграничивающие соответственно внутренний и внешний тракт 32 потока для воздушного потока от турбины, обычно называемый трактом потока выходящих газов.
Упомянутые кольцевые оболочки 28 и 30 на своих задних концах содержат радиальные кольцевые фланцы 34 и 36 соответственно. Упомянутые радиальные кольцевые фланцы 34 и 36 прикреплены болтами к радиальным кольцевым фланцам 38 и 40, образованным на переднем конце заднего корпуса 14 и заднем конце переднего корпуса 12 соответственно, так что тракт 32 потока выходящих газов открывается в кольцевую выпускную зону 18, образованную между этими концами корпусов 12 и 14.
Поперечное сечение кольцевых оболочек 28 и 30 расширяется от переднего к заднему концу, и эти оболочки искривлены так, что отклоняют воздушный поток радиально наружу от впускного отверстия тракта 32 потока выходящих газов к его выпускному отверстию.
Кольцевые оболочки 28 и 30 соединены друг с другом радиальными кронштейнами 42, выполненными из алюминия и проходящими через тракт 32 потока выходящих газов. В примере, показанном на Фиг. 1 и Фиг.2, эти кронштейны 42 изготовлены как единое целое с кольцевыми оболочками 28 и 30.
Кронштейны 42 создают жесткое соединение между передним корпусом 12 и задним корпусом 14, обеспечивая, таким образом, целостность стартера во время нормальной работы.
Кроме того, тракт 32 потока выходящих газов защищен приблизительно цилиндрической выпускной решеткой 44, проходящей вокруг вала 45 турбины от заднего конца переднего корпуса 12 до переднего конца заднего корпуса 14.
Эта решетка предназначена предотвращать проникновение внешних летящих предметов в тракт потока выходящих газов при остановке и ограничивать риск выброса каких-либо осколков за пределы стартера во время работы, в особенности если турбина взорвется.
Выпускная решетка 44 содержит среднюю часть 46 с отверстиями в ней, соединяющую две приблизительно кольцевые части (переднюю и заднюю части соответственно) друг с другом.
Выпускная решетка 44 выполнена из материала с хорошей механической прочностью и хорошей устойчивостью к высокой температуре, например, такого как «Hastelloy X» (зарегистрированный товарный знак). Эта решетка образована из двух участков цилиндрической формы, установленных по окружности встык для облегчения монтажа решетки на стартере.
Передняя концевая часть выпускной решетки 44 искривлена радиально внутрь стартера и образует радиальный фланец 48 для крепления решетки 44 с соответствующими радиальными фланцами 36 и 40 кольцевой оболочки 30 и передним корпусом 12. Чтобы достичь этого, фланец 40 переднего корпуса 12 и фланец 48 решетки 44 прикрепляют соответственно в контакте с передней и задней поверхностями фланца 36 болтами 50, распределенными равномерно вокруг оси стартера.
Задняя концевая часть решетки 44 также искривлена радиально внутрь стартера, и эта задняя концевая часть расположена позади заднего конца радиального фланца 38 заднего корпуса 14, на коротком осевом расстоянии от этого фланца без крепления к нему. Эта задняя концевая часть образует радиальную стенку 52, образующую удерживающее устройство, удерживающее в осевом направлении решетку 44 к заднему корпусу 14, как более подробно описано далее. Внутренний радиальный конец радиальной стенки 52 искривлен в направлении заднего конца стартера и образует выступ 53, повышающий механическую прочность этой радиальной стенки 52.
В средней части 46 выпускной решетки 44 вырезаны овальные отверстия 54, эти отверстия отделены друг от друга кронштейнами 56 решетки 44, соединяющие друг с другом концевые части решетки 44.
Выпускная решетка 44 удерживает корпуса и стартер закрепленными друг с другом, в случае взрыва турбины этого стартера.
Во время такого инцидента осколки из колеса 20 с лопатками могут выбрасываться радиально и стать причиной резких ударов в кожух 22 турбины и удерживающее кольцо 26 и, таким образом, прикладывать вращательные усилия к переднему корпусу 12 в том же направлении, что и направление 58 [1] вращения колеса 20 с лопатками (Фиг.1).
Эти вращательные усилия могут быть достаточно высокими и могут разрушить кронштейны 42, создающие жесткое соединение переднего корпуса 12 и заднего корпуса 14. Затем передний корпус 12 стартера, к которому приложены осевые усилия в переднем направлении, обусловленные тягой газов турбины, передвигается вперед до тех пор, пока радиальная стенка 52 заднего конца решетки 44 не придет в контакт с радиальным фланцем 38 переднего конца заднего корпуса 14 и, таким образом, удержит этот задний корпус 14 к решетке 44 в осевом направлении.
Осевое удерживание заднего корпуса 14 к выпускной решетке 44 через радиальную стенку 52 решетки оставляет переднему корпусу 12 и решетке 44 свободу для вращения относительно заднего корпуса 14. Таким образом, вращательные усилия в переднем корпусе 12 могут быть рассеяны без разрушения кронштейнов 56 решетки 44 и без передачи на задний корпус 14 и средство 16 крепления и соединения стартера.
В описанном выше примере радиальная стенка 52, обеспечивающая осевое удерживание для выпускной решетки 44, проходит на осевом расстоянии от радиального фланца 38 заднего корпуса во время нормальной работы и не находится в контакте с фланцем 38, за исключением того случая, когда передний корпус 12 перемещается вперед, после взрыва турбины стартера. Поскольку передняя концевая часть решетки 44 прикреплена к переднему корпусу и, таким образом, предотвращает осевое перемещение решетки относительно корпусов при нормальной работе, не требуется, чтобы радиальная стенка 52 постоянно находилась в контакте с радиальным фланцем 38 заднего корпуса. Вследствие этого технологические допуски решетки 44 можно увеличить, а стоимость изготовления этой решетки снизить.
Как вариант, если потребуется, радиальная стенка 52 может постоянно находиться в контакте с фланцем 38.
Кроме того, вместо радиального крепежного фланца 48 решетка 44 может содержать вторую радиальную стенку, обеспечивающую осевое удерживание, образованную на переднем конце решетки и проходящую вперед от фланца 40 переднего корпуса 12. Однако чтобы предотвратить осевые перемещения решетки 44 во время нормальной работы, в этом случае, предпочтительно, чтобы две радиальные стенки, удерживающие данную решетку, постоянно находились в контакте с соответствующими фланцами 40 и 38 корпусов 12 и 14 соответственно.
В другом варианте выпускная решетка 44 может содержать два кольцевых ребра вместо радиальной стенки на своих концах, образованных на радиально внутренних кольцевых поверхностях передней и задней частей решетки 44 соответственно, причем эти ребра находятся в зацеплении с двумя канавками взаимодополняющей формы, образованными на заднем конце переднего корпуса 12 и на переднем конце заднего корпуса 14 соответственно, удерживая в осевом направлении эти корпусы к решетке 44 способом, подобным описанному выше.
На Фиг.3 показан воздушный стартер по второму варианту осуществления изобретения.
Этот стартер содержит выпускную решетку 60 для тракта 32 потока выходящих газов, подобную выпускной решетке 44 стартера, описанного выше, но существенно отличающуюся от решетки 44 тем, что задняя концевая часть решетки 60 искривлена радиально наружу стартера так, что образует радиальную стенку 62, проходящую вперед от радиального фланца 38 заднего корпуса 14 этого стартера.
Этот стартер содержит U-образную кольцевую часть 64, открытую в радиальном направлении внутрь стартера и закрепленную на фланце 34 кольцевой оболочки 28, разграничивающей внутреннюю часть тракта 32 потока выходящих газов, и на фланце 38 переднего конца заднего корпуса 14.
Кольцевая часть 64 имеет заднюю радиальную стенку 66, прикрепленную к фланцу 38 заднего корпуса 14 болтами (не показаны на Фиг.3) или подобным средством, и переднюю радиальную стенку 68, проходящую на осевом расстоянии от фланца 34 оболочки 28 так, что образует радиальную кольцевую канавку 70.
Радиальная стенка 62 заднего конца выпускной решетки 60 проходит свободно в кольцевую канавку 70 кольцевой части 64 так, что эта стенка 62 образует устройство, удерживающее в осевом направлении выпускную решетку 60 с передней радиальной стенкой 68 кольцевой части 64, и, вследствие этого, с задним корпусом 14, прикрепленном к этой кольцевой части 64.
Например, кольцевая часть 64 образована из двух кольцевых секторов, установленных по окружности встык.
Передняя концевая часть решетки 60 также искривлена наружу и образует радиальный фланец 48 для крепления этой решетки 60 к соответствующим радиальным фланцам кольцевой оболочки 30 и переднего корпуса 12 способом, подобным описанному выше относительно первого варианта осуществления изобретения.
Форма средней части с отверстиями 46 решетки 44 или решетки 60 может отличаться от описанной выше, не выходя за пределы изобретения. Например, эта средняя часть может быть образована из стержней или кронштейнов, переплетенных или расположенных как сетка. Решетка может также быть выполнена более чем из одной детали и состоять из элементов, прикрепленных друг к другу, например двух кольцевых концевых конструкций и стержней, концы которых прикреплены к этим кольцевым конструкциям.
В целом, изобретение может сохранить целостность воздушного стартера при взрыве его турбины и, таким образом, выполнить соответствующие сертификационные требования, одновременно снижая его вес и увеличивая его надежность.