НЕПОДВИЖНЫЙ БЛОК ЛОПАТОК ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ИМЕЮЩИЙ СНИЖЕННЫЙ ВЕС, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДИН ТАКОЙ НЕПОДВИЖНЫЙ БЛОК ЛОПАТОК
FIXED UNIT OF BLADES FOR GAS TURBINE ENGINE OF REDUCED WEIGHT AND GAS TURBINE ENGINE CONTAINING AT LEAST ONE SUCH FIXED UNIT OF BLADES

Область техники и уровень техники
Настоящее изобретение относится к неподвижному блоку лопаток для газотурбинного двигателя, например блоку направляющего аппарата турбины высокого давления или низкого давления, в частности для турбореактивного двигателя воздушного судна, и газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, один такой неподвижный блок лопаток.
Турбореактивный двигатель воздушного судна обычно содержит компрессор высокого давления, компрессор низкого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления.
Компрессор предназначен для повышения давления атмосферного воздуха; камера сгорания смешивает воздух, сжатый компрессором, с топливом и сжигает эту смесь; и турбина, помещенная в выпускаемый поток, приводится в движение этим газовым потоком высокого давления. Турбина, в частности, служит для приведения в движения компрессоров.
Компрессоры содержат лопатки ротора и неподвижные направляющие лопатки, направляющие поток между ступенями сжатия.
На выходе камеры сгорания обеспечен неподвижный блок направляющего аппарата высокого давления, предназначенный для корректировки горячего газового потока, покидающего камеру сгорания, перед тем как он соприкоснется с турбиной высокого давления. Этот блок направляющего аппарата высокого давления содержит кольцо, закрепленное на корпусе, называемом внутренний корпус, и лопатки, проходящие радиально наружу. Внутренний корпус обеспечивает соединение между компрессором и турбиной.
Блок направляющего аппарата выполнен из нескольких секторов, каждый из которых закреплен на внутреннем корпусе.
Каждый сектор обычно содержит платформу, из которой радиально наружу проходят лопатки, и крепежная пластина для прикрепления к корпусу проходит радиально внутрь. Пластина содержит два отверстия, выровненные с двумя отверстиями внутреннего корпуса, обеспеченного на стороне турбины высокого давления, причем в эти выровненные отверстия вставляются штифты, и ниже по потоку от штифтов добавлен фланец, чтобы удерживать их в осевом направлении.
Такой тип турбореактивного двигателя раскрыт, например, в публикации FR 2907499.
Этот тип крепления является приемлемым, хотя вес блока является значительным, причем фиксация штифтов в осевом направлении достигается дополнительным кольцевым фланцем.
Следовательно, одной задачей настоящего изобретения является создание неподвижного блока лопаток для газотурбинного двигателя, вес которого снижен.
Краткое описание изобретения
Указанная выше задача решается посредством создания неподвижного блока лопаток газотурбинного двигателя, содержащего, по меньшей мере, два угловых сектора, снабженных лопатками, и платформу, причем лопатки проходят радиально наружу из платформы, и корпус, на котором закреплены угловые секторы, при этом удержание угловых секторов в осевом направлении достигается посредством использования штифтов, проходящих через пластину, выступающую из платформы радиально внутрь, и кольца, помещенного в канавку корпуса и образующего осевой ограничитель для штифтов, чтобы удерживать их в положении радиального удерживания угловых секторов.
Другими словами, фланец предшествующего уровня техники заменен обычным упругим кольцом, чей вес мал, по сравнению с весом фланца. Более того, его установка и содержание на месте очень просты. Кольцо также легко удалять в случае его установки на угловом секторе.
В частном случае внутреннего корпуса-блока направляющего аппарата в сборе, штифты для крепления блока направляющего аппарата на внутреннем корпусе помещены на стороне камеры сгорания, так же как кольцо штифтов осевого удержания. Доступное пространство, неиспользованное до сих пор, на стороне камеры сгорания, затем используется, чтобы выполнить сборку, что позволяет расположить турбину высокого давления как можно ближе к блоку направляющего аппарата.
Настоящее изобретение затем главным образом описывает неподвижный блок лопаток газотурбинного двигателя с продольной осью, содержащий корпус и, по меньшей мере, два угловых сектора, снабженных лопатками, причем угловые секторы закреплены на корпусе, и каждый угловой сектор содержит платформу, из которой, по меньшей мере, одна лопатка выступает радиально наружу, и крепежную пластину для крепления углового сектора на корпусе, при этом крепежная пластина выступает из платформы радиально внутрь, причем корпус содержит первую кольцевую канавку с продольной осью, принимающую крепежные пластины, при этом неподвижный блок лопаток содержит штифты радиального удержания для удерживания угловых секторов, вставленные в отверстия, выполненные в корпусе и крепежных пластинах, причем отверстия имеют оси, параллельные продольной оси, при этом корпус также содержит вторую кольцевую канавку с продольной осью, принимающую кольцо осевого удержания штифтов радиального удержания.
Каждый штифт может содержать первую радиальную юбку, ограничивающую в осевом направлении переднюю часть и хвостовую часть, причем хвостовая часть проходит через отверстия корпуса и крепежной пластины, при этом первая юбка упирается одной поверхностью в кольцевое ребро, отделяющее первую и вторую канавки, и другой поверхностью - в кольцо, которое упирается радиально наружным краем в участок периферии передней части каждого штифта, ориентированный радиально внутрь.
Предпочтительно, штифты содержат вторую радиальную юбку на одном свободном конце передней части, причем вторая юбка ограничивает, вместе с первой юбкой, пространство шириной, по существу равной ширине второй кольцевой канавке, и принимает участок радиально наружного края кольца.
Каждая из первой и второй юбок штифтов может содержать плоский участок и средство угловой фиксации штифтов. Средство угловой фиксации штифтов, например, образовано корпусом, снабженным плоским участком с формой, соответствующей форме первой юбки, граничащей с отверстием кольцевого отделяющего ребра, так что плоские участки юбок ориентированы радиально наружу.
Кольцо может являться разрезным и преимущественно содержит два конца, перекрывающихся таким образом, что кольцо образует замкнутый контур.
Например, концы кольца тоньше и соединены участком большей толщины, причем концы перекрываются, и каждый из концов снабжен, по меньшей мере, одним отверстием для введения инструмента для сведения и разведения концов.
В одном альтернативном варианте выполнения, поверхность первой канавки, противоположная отделяющему ребру, содержит глухие отверстия, каждое из которых принимает свободный конец хвостовой части штифта.
В другом альтернативном варианте выполнения, поверхность первой канавки, противоположная отделяющему ребру, содержит сквозные отверстия, каждое из которых принимает свободный конец хвостовой части штифта.
В другом альтернативном варианте выполнения, свободные концы хвостовых частей штифтов упираются в поверхность первой канавки, противоположную отделяющему ребру.
Каждая крепежная пластина угловых секторов может содержать два отверстия, расположенных на дуге окружности с центром на продольной оси, причем одно имеет круглое сечение, а второе имеет продолговатое сечение, при этом больший размер по существу выровнен с дугой окружности.
Корпус, например, является внутренним корпусом, и угловые секторы образуют блок направляющего аппарата турбины высокого давления, причем кольцо расположено на стороне камеры сгорания относительной первой канавки.
Настоящее изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, один неподвижный блок лопаток согласно настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет лучше понято после прочтения подробного описания изобретения, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1А - вид в продольном сечении участка турбореактивного двигателя согласно изобретению в части камеры сгорания и турбины высокого давления;
Фиг.1B - вид спереди углового сектора блока направляющего аппарата турбореактивного двигателя с фиг.1А;
Фиг.2 - увеличенный вид с фиг.1 крепления блока направляющего аппарата высокого давления на внутреннем корпусе;
Фиг.3А-3С - подробные виды с фиг.1 согласно трем альтернативным вариантам выполнения;
Фиг.4 - вид в перспективе кольца, образующего осевой ограничитель для штифтов радиального удержания;
Фиг.5 - увеличенный вид в сечении другого варианта выполнения крепления углового сектора на внутренний корпус;
Фиг.6 - продольный вид в сечении альтернативного варианта с фиг.5; и
Фиг.7 - вид спереди со стороны камеры сгорания соединения между корпусом и угловыми секторами согласно альтернативному варианту с фиг.6.
Подробное описание изобретения
Далее будет более подробно описан блок направляющего аппарата для турбины высокого давления, хотя изобретение не ограничивается блоком направляющего аппарата и может быть применено к любому неподвижному блоку лопаток для газотурбинного двигателя.
Будем считать, в целях описания, что направление слева направо на фиг.1 соответствует направлению протекания газового потока, причем лево обозначено как верхний по потоку конец, право обозначено как нижний по потоку конец.
Для простоты, используются одинаковые ссылочные позиции для обозначения элементов, имеющих одинаковые функции и по существу одинаковую структуру в различных описанных вариантах выполнения.
На фиг.1А показан подробный вид турбореактивного двигателя согласно настоящему изобретению с осью Х вращения. Этот турбореактивный двигатель, в частности, содержит камеру 2 сгорания, снабженную выше по потоку впускным отверстием 4 для подачи воздуха из компрессора (не показано) и выпускным отверстием 6 для продуктов сгорания. Турбореактивный двигатель также содержит блок 8 направляющего аппарата высокого давления, расположенный выше по потоку выпускного отверстия 6, турбину 10 высокого давления ниже по потоку блока 8 направляющего аппарата, причем турбина 10 приводит в движение компрессор.
Камера сгорания 3 образована радиально наружным кожухом 14, закрепленным на наружном корпусе, и радиально внутренним кожухом 16, закрепленным на внутреннем корпусе 18, обозначенном «внутренний корпус».
Блок 8 направляющего аппарата закреплен на внутреннем корпусе 18. Как подробно показано на фиг.2, блок 8 направляющего аппарата содержит лопатки 12, проходящие между радиально наружным кольцом 9 и радиально внутренним кольцом 11. Лопатки 12 расположены ниже по потоку выпускного отверстия 6 на пути потока продуктов сгорания и предназначены для корректировки газового потока, покидающего камеру сгорания 2, перед его взаимодействием с турбиной 10 высокого давления.
Блок 8 направляющего аппарата образован, по меньшей мере, двумя угловыми секторами 8.1, закрепленными по отдельности на внутреннем корпусе 18. Например, блок 8 направляющего аппарата содержит 16 угловых секторов 8.1, каждый из которых снабжен двумя лопатками.
Лопатки 12 проходят радиально наружу из платформы 20, образующей участок внутреннего венца 11 блока 8 направляющего аппарата. Крепежная пластина 22 для крепления платформы 20 к внутреннему корпусу 18 выступает радиально внутрь из платформы 20, на противоположной стороне платформы 20, несущей лопатки 12.
Когда все угловые секторы 8.1 закреплены на внутреннем корпусе, платформы, расположенные торец к торцу, образуют сплошное кольцо.
На фиг.2 показан внутренний корпус 18, содержащий, на его переднем по ходу конце 18.1, первую кольцевую канавку 24 с осью X, открывающуюся радиально наружу, и вторую кольцевую канавку 26 с осью X, открывающуюся радиально наружу. Первая канавка 24 расположена между второй канавкой 26 и турбиной 10 высокого давления. Первая канавка 24 ограничена первым кольцевым ребром 25 и вторым кольцевым ребром 27, а вторая канавка 26 ограничена вторым кольцевым ребром 27 и третьим кольцевым ребром 29, причем второе кольцевое ребро 27 отделяет первую канаку 24 и вторую канавку 26.
Первая канавка 24 принимает крепежную пластину 22 угловых секторов блока 8 направляющего аппарата высокого давления.
Согласно настоящему изобретению, штифты 30 для удерживания в радиальном направлении угловых секторов 8.1 введены в отверстия крепежных пластин 22 и внутреннего корпуса 18, причем штифты 30 закрепляют угловые секторы на внутреннем корпусе 18. Кольцо 28 обеспечено во второй канавке 26, образуя осевой ограничитель для штифтов 30 радиального удержания.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, штифты 30 радиального удержания помещены во внутренний корпус 18 и в крепежные пластины 22 на стороне камеры 2 сгорания, так же как удерживающее кольцо 28. Расстояние между блоком 8 направляющего аппарата и турбиной 10 может быть уменьшено на сколько это возможно, в то же время, соблюдая зазор, чтобы избежать механического взаимодействия между турбиной 10 и блоком 8 направляющего аппарата.
Как показано на фиг.1B, каждая крепежная пластина 22 содержит два сквозных отверстия 32, 34, расположенных на дуге круглого участка с центром на оси X. Одно из отверстий 32 имеет круглое сечение диаметром, по существу равным диаметру штифтов 30 радиального удержания, чтобы обеспечить их размещение в отверстии 32, и другое отверстие 34 имеет продолговатое сечение, в котором больший диаметр ориентирован вдоль дуги окружности с центром на оси X, причем меньший диаметр по существу равен диаметру штифтов 30 радиального удержания. Применение круглого отверстия и продолговатого отверстия обеспечивает сборку даже в случае колебания размеров.
Второе кольцевое ребро 27 также содержит пары отверстий 36, причем столько пар отверстий 36, сколько угловых секторов блока направляющего аппарата необходимо закрепить на внутреннем корпусе 18.
Радиальное положение и относительное расположение каждой пары отверстий 36 таково, что отверстия 36 выровнены с отверстиями 32, 34 углового сектора 8.1, когда последний находится на месте. В показанном примере, платформа 20 опирается на радиально наружный конец первого кольцевого ребра 25.
Отверстия 32, 34, 36 имеют ось, по существу параллельную продольной оси X.
Предпочтительно, верхний по потоку конец отверстий 36 выполнен с фаской, чтобы облегчить размещение штифтов 30.
Каждый штифт 30 радиального удержания проходит через отверстия 36 второго кольцевого ребра 27 и отверстие 32 или 34 крепежной пластины 22.
Каждый штифт 30 радиального удержания содержит, по меньшей мере, один осевой ограничитель, образованный, в показанном примере, юбкой 37, выступающей радиально и упирающейся в верхнюю по потоку поверхность второго кольцевого ребра 27.
Юбка 37 ограничивает в осевом направлении, в штифте 30 радиального удержания, хвостовую часть 30.1, проходящую через отверстия 36 и 32 или 34, и переднюю часть 30.2, расположенную на стороне камеры 2 сгорания.
Фиг.3А-3C иллюстрируют различные формы первого ребра 25.
На фиг.3А первое ребро 25 содержит плоскую верхнюю по потоку поверхность, причем свободный конец хвостовой части 30.1 штифта 30 упирается в эту плоскость. Этот вариант выполнения очень прост и не повреждает уплотнение между двумя зонами с обеих сторон внутреннего корпуса 18, которые находятся под различными давлениями.
На фиг.3B первое ребро 25 содержит множество пар сквозных отверстий 38, принимающих свободный конец хвостовой части 30.1 каждого штифта 30, причем количество пар отверстий 38 равно количеству угловых секторов блока направляющего аппарата, которое необходимо прикрепить. Этот вариант выполнения легок в изготовлении и обеспечивает хорошую жесткость соединения между угловым сектором и внутренним корпусом.
Фиг.3С изображает другой альтернативный вариант выполнения, в котором первое ребро 25 содержит множество пар глухих отверстий 40, принимающих свободный конец хвостовых частей 30.1 штифтов 30 радиального удержания, причем количество пар отверстий 40 равно количеству угловых секторов блока направляющего аппарата, которое необходимо прикрепить. Следовательно, свободный конец каждой хвостовой части 30.1 упирается в нижнюю часть отверстия 40.
Этот альтернативный вариант выполнения позволяет как не повреждать уплотнения, так и обеспечить хорошую жесткость соединения между угловым сектором и внутренним корпусом.
В изображенном примере, верхняя по потоку поверхность второго ребра 27 содержит углубление 42 для принятия юбки 37, так чтобы юбка не выступала из задней по ходу поверхности второго ребра 27, предотвращая изменение размещения кольца 28 осевого удержания.
Кольцо 28 осевого удержания помещено во вторую канавку, упираясь в верхнюю по потоку поверхность юбок 37, и образует осевой ограничитель для штифтов 30 радиального удержания.
Кольцо 28 осевого удержания имеет толщину, равную по существу ширине второй кольцевой канавки 27.
Кольцо 28 осевого удержания является пружинного типа, причем оно разрезано, и оба его конца 28.1, 28.2 могут быть разведены или сведены вместе, чтобы обеспечить установку кольца 28 во вторую канавку 26 и установку штифтов 30 радиального удержания, соответственно. Фиг.4 изображает кольцо осевого удержания в его разрезной зоне, причем концы 28.1, 28.2 имеют ступенчатую форму и, по меньшей мере, частично перекрываются в сборочном положении, чтобы образовать сплошной круглый ограничитель. Более того, перекрытие достаточно для предотвращения открытия кольца 28, удерживающего в осевом направлении, во время работы, что, если открытие имело место напротив штифта 30 радиального удержания, будет мешать выполнению кольцом 28 его назначения.
Более того, такое перекрытие концов 28.1, 28.2 обеспечивает содержание кольца 28 осевого удержания в его корпусе, без риска его выпадения из второй кольцевой канавки 26 вследствие потери упругости.
Каждый конец 28.1, 28.2 снабжен отверстием для введения размещающего инструмента кольца.
Монтаж блока 8 направляющего аппарата высокого давления на внутреннем корпусе 18 не нуждается в подробном описании.
Концы 28.1, 28.2 кольца 28 осевого удержания разнесены, чтобы обеспечить его размещение во второй канавке 26.
Угловые секторы 8.1 затем помещаются на внутренний корпус 18, а именно, их пластина 22 вставляется в первую канавку 24, рабочий зазор обеспечивается между верхней и нижней по потоку поверхностями каждой пластины 22 и верхней по потоку поверхностью первого ребра 25, и нижней по потоку поверхностью второго ребра 27 соответственно, чтобы компенсировать колебания размера вследствие расширения внутреннего корпуса и блока направляющего аппарата, в то же время, уменьшая перемещения угловых секторов.
Крепежные пластины 22 вставлены в первую канавку 24, чтобы выровнять отверстия 32, 34 крепежных пластин 22 с отверстиями 36 второго ребра 27.
Штифты 30 радиального удержания затем вводятся по направлению, параллельному продольной оси X, для некоторых в выровненные отверстия 32, 36 и для других в выровненные отверстия 34, 36, до тех пор, пока их юбка 37 не упрется в верхнюю по потоку поверхность второго ребра 27. С этой целью, кольцо 28 осевого удержания затянуто и протолкнуто в нижнюю часть второй канавки. Когда все штифты 30 радиального удержания на месте, кольцо 28 осевого удержания освобождается. Вследствие своей упругости, кольцо 28 упирается своим радиально наружным краем в передние части 30.2 штифтов и образует радиальный ограничитель для юбок 37. Опора кольца 28 на передние части 30.2 в радиальном направлении обеспечивает поперечную фиксацию кольца 28, удерживающего в осевом направлении.
Риск покидания штифтом 30 радиального удержания своих отверстий 32, 36 или 34, 36 очень мал, поскольку для этого, с одной стороны, необходима потеря кольцом своей упругости и его падение на дно канавки, и, с другой стороны, осевое перемещение штифта 30.
Фиг.5 изображает второй вариант выполнения монтажа блока направляющего аппарата на внутреннем корпусе согласно настоящему изобретению.
В этом втором примере, штифты 30 радиального удержания содержат вторую юбку 44, расположенную на свободном конце передних частей 30.2 штифтов 30 радиального удержания. Вторая юбка 44 ограничивает, вместе с первой юбкой 37, канавку, принимающую кольцо 28, удерживающее в осевом направлении.
Таким образом, кольцо 28 осевого удержания принято своим радиально внутренним краем во вторую канавку 26 и своим радиально наружным краем - между юбками 37, 44. Юбки 37, 44 имеют одинаковый диаметр в показанном примере. Однако, могут быть обеспечены юбки различных диаметров.
Таким образом, даже в случае очень сильных вибраций, кольцо 28 осевого удержания не сможет выпасть.
Монтаж этого второго варианта выполнения очень похож на монтаж первого варианта выполнения. Однако, в этом случае угловое положение кольца 28 осевого удержания является таким, что два отверстия концов 28.1 кольца 28 осевого удержания расположены между двумя штифтами 30 радиального удержания, чтобы сделать их доступными для затягивающего инструмента.
Фиг.6 изображает альтернативу второго варианта выполнения, в которой блок направляющего аппарата содержит уплотнительные профили 46, опирающиеся на корпус камеры 2 сгорания. Когда угловые секторы 8.1 блока направляющего аппарата на месте, уплотнительные профили 46 расположены выше по потоку в осевом направлении отверстий 36 второго ребра 27 и препятствуют размещению штифтов 30. В действительности, их радиально внутренние концы задевают периферию штифтов 30 радиального удержания, располагаемую радиально наружу, во время введения штифтов.
С этой целью, предусмотрено выполнение плоских секций 37' и 44' на первой юбке 37 и второй юбке 44 штифтов 30 радиального удержания, причем эти плоские секции 37', 44' ориентированы радиально наружу и обеспечивают введение штифтов без соприкосновения с профилями 46.
Также предусмотрена фиксация штифтов от вращения, чтобы предотвратить ориентацию плоских секторов 37', 44' радиально внутрь, причем юбки 37 и 44 тогда больше не образуют канавку для принятия радиально наружного края кольца 28.
Угловая фиксация штифтов 30 достигается образованием плоской секции 48 в корпусе, граничащей с верхней по потоку поверхностью отверстий 36 радиально наружу, причем эта плоская секция 48 имеет форму, соответствующую форме плоской секции 37' юбки 37. Тогда, взаимодействие двух плоских секций 37', 48 предотвращает вращение штифтов 30.
Фиг.7 изображает вид верхней по потоку поверхности блока 8 направляющего аппарата высокого давления и внутренний корпус 18 со штифтами 30, удерживающими в радиальном направлении, снабженными секциями 44'.
В этом варианте выполнения, третье ребро 29 содержит углубления 50, расположенные под углом между двумя отверстиями 36, причем эти углубления обеспечивают снижение массы внутреннего корпуса и, следовательно, газотурбинного двигателя.
Настоящее изобретение применимо ко всем неподвижным блокам лопаток для газотурбинных двигателей и, в частности, для блоков направляющего аппарата турбины в сборе.