УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЦАПФОЙ ЛОПАТКИ С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ, СТАТОР, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ, КОМПРЕССОР, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ СТАТОР, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ КОМПРЕССОР
DEVICE TO CONTROL PIN OF VANE WITH VARIABLE PITCH ANGLE, STATOR INCORPORATING SUCH CONTROL DEVICE, COMPRESSOR INCORPORATING SUCH STATOR, AND GAS TURBINE ENGINE COMPRISING SUCH COMPRESSOR

Предлагаемое изобретение касается систем управления лопатками с переменным углом установки, в частности устройства управления цапфой лопатки с переменным углом установки, используемой в компрессоре газотурбинного двигателя.
Классический вариант газотурбинного двигателя воздушного судна содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. Роль турбины заключается в обеспечении вращения компрессора за счет отбора части энергии раскаленных газов, выходящих из камеры сгорания и превращения этой части энергии в механическую энергию.
Аксиальный компрессор состоит из вращающейся части ротора, неподвижной части - статора, и рубашки, причем картер и статор жестко связаны один с другим. Ротор включает в себя барабан, состоящий из собранных вместе дисков, к которым прикреплены установленные рядами вдоль окружности подвижные лопатки. Статор состоит в свою очередь из нескольких лопаток, закрепленных на картере или на установленных вдоль окружности кольцах. Каждый ряд неподвижных лопаток статора, называемых выпрямляющими, представляет собой в свою очередь так называемое выпрямляющее устройство. Ряд подвижных лопаток и ряд неподвижных лопаток образуют в совокупности ступень компрессора.
В целях обеспечения оптимальной величины производительности турбомашины и поддержания у нее при различных режимах ее работы оптимальной величины запаса прочности при помпаже, в компрессоре может быть установлен один или несколько рядов выпрямляющих лопаток с переменным углом установки, то есть таких лопаток, в которых угол атаки может меняться в зависимости от условий полета воздушного судна.
Устройства известных конструкций, применяемые для управления цапфами лопаток с переменным углом установки, часто содержат кольцо управления, окружающее картер газотурбинного двигателя и большое число рычагов или небольших шатунов. У каждого такого рычага имеются, с одной стороны, первый конец, жестко соединенный с цапфой лопатки, ось вращения которой ориентирована в радиальном направлении относительно оси вращения газотурбинного двигателя, а с другой стороны, - второй конец, соединенный с кольцом управления. Синхронное изменение углового положения лопаток обеспечивается за счет вращения кольца управления вокруг оси газотурбинного двигателя. Указанная система показана на фиг.1, приведенной в американском патенте US 5024580.
Цапфа лопатки располагается в расточном отверстии, которое обычно просверливается в картере и ориентированно радиально относительно оси газотурбинного двигателя. Под действием движений кольца управления, рычага и цапфы, происходящих вследствие изменения угла установки лопатки, происходит разрушение наружных поверхностей перечисленных деталей в зонах их контактирования, причем указанные разрушения будут еще более усиливаться в результате вибраций самого газотурбинного двигателя. Наиболее значительный износ происходит в местах контакта цапфы с расточным отверстием, в котором она размещена, что объясняется действием на указанные зоны контакта раслющивающих давлений, причем воздействие этих давлений оказывает отрицательное влияние как на механическую прочность, так и на срок службы рассматриваемых деталей. Кроме того, частичная или полная потеря точности установки угла поворота лопаток отрицательно сказывается на качестве работы газотурбинного двигателя и в частности, приводит к снижению его производительности.
Для уменьшения износа в местах контакта цапфы с расточным отверстием, в которое она размещается, принято устанавливать между указанными деталями одну или несколько цилиндрических втулок, играющих роль подшипника скольжения и обеспечивающих эффект сухой смазки. Примеры применения подобных цилиндрических втулок приведены на различных фигурах, представленных в патенте EP 1500791. В качестве конструкционных материалов, используемых для изготовления этих цилиндрических втулок, применяют те из них, которые относятся обычно к двум группам, а именно к группам органических и неорганических веществ. Как правило, в тех случаях, когда это позволяют температурные условия эксплуатации, то есть в случаях, когда имеют место температуры, не превышающие приблизительно 300°С, применяются главным образом материалы органического происхождения. Выше этих температур предпочитают применять материалы неорганического происхождения.
Для повышения эффективности применения указанных цилиндрических втулок, авторы патентов предлагают большое количество технических решений, касающихся усовершенствований, как самого конструкционного материала, так и его покрытия, в частности, подобные решения были описаны в патентах EP 1584827, US 20050232757 и US 20060029494. Тем не менее все эти решения способны обеспечить рассматриваемым втулкам всего лишь ограниченный срок службы. А это приводит к необходимости прибегать к регулярным заменам этих цилиндрических втулок и выполнять, таким образом, трудоемкие операции по демонтажу турбомашины. Воздушные же компании, работающие в области воздухоплавания, ставят перед авиаконструкторами задачу обеспечения для воздушного судна 40000 часов полета без перерывов на демонтаж газотурбинного двигателя. Такие сроки службы оборудования на практике трудно достижимы и требуют в случае их реализации проведения сложного и дорогостоящего переоборудования всего авиалайнера.
В патентах GB 825547, FR 1325261 и US 3471126 описаны также варианты использования для направления цапфы лопатки единого самоустанавливающегося подшипника скольжения. Однако применение единой цапфы лопатки не позволяет оптимизировать в достаточной степени срок службы этого узла и уменьшить его механический износ.
Основной задачей предлагаемого изобретения является, таким образом, разработка устройства управления цапфой лопатки с переменным углом установки, обладающего улучшенным сроком службы и позволяющего снизить нагрузки, испытываемые указанными выше контактными зонами.
Другой задачей предлагаемого изобретения является снижение утечек в местах контакта цапфы с расточным отверстием. Указанные утечки снижают общую производительность газотурбинного двигателя и могут даже привести к повреждению устройств регулирования, расположенных снаружи компрессора.
Для решения поставленной задачи предложено устройство управления цапфы лопатки с переменным углом установки, содержащее рычаг управления и цапфу, содержащую один нижний конец и один верхний конец, причем указанный верхний конец присоединен к указанному рычагу управления. Согласно предлагаемому изобретению, указанное устройство включает в себя два самоустанавливающихся подшипника скольжения, из которых первый самоустанавливающийся подшипник скольжения установлен в нижнем конце цапфы лопатки, а второй самоустанавливающийся подшипник скольжения установлен в верхнем конце цапфы лопатки.
Предлагаемое изобретение касается также статора, содержащего картер с осью вращения (Y), содержащий в свою очередь по меньшей мере одно расточное отверстие, выполненное вдоль радиальной оси (X) и ориентированное перпендикулярно по отношению к оси вращения (Y). Согласно предлагаемому изобретению, указанный статор дополнительно содержит по меньшей мере одно устройство управления цапфой лопатки, и по меньшей мере одну лопатку, ориентированную вдоль радиальной оси (X), проходящей внутри картера, причем указанная лопатка жестко скреплена с указанной цапфой посредством нижнего конца самой цапфы, а самоустанавливающиеся подшипники скольжения расположены внутри расточного отверстия.
Предлагаемое изобретение касается также компрессора, содержащего указанный статор, и газотурбинного двигателя, содержащего указанный выше компрессор.
К преимуществу рассматриваемого изобретения следует отнести то, что заявленное устройство, позволяет значительно снизить нагрузки, испытываемые контактными зонами. А это позволяет в свою очередь рассмотреть возможность применения более широкой гаммы конструкционных материалов, обладающих необходимой износостойкостью.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры, которые приведены в приложении лишь в качестве примеров, не носящих какого-либо ограничительного характера, в числе которых:
фиг.1 изображает устройство управления цапфой лопатки с переменным углом установки согласно предлагаемому изобретению;
фиг.2 - самоустанавливающийся подшипник скольжения;
фиг.3 - разрез по линии II-II узла, показанного на фиг.1, демонстрирующий соединение самоустанавливающегося подшипника скольжения с цапфой для разных вариантов исполнения этого соединения, а именно: 3A, 3B, 3C, 3D и 3E;
фиг.4 - деталь узла согласно одному из вариантов устройства управления цапфой лопатки с переменным углом установки согласно предлагаемому изобретению; и
фиг.5 - газотурбинный двигатель.
Фиг.1 изображает устройство управления углом установки лопатки 1 вдоль оси (X) ориентированной в радиальном направлении относительно оси вращения (Y) картера газотурбинного двигателя. Цапфа 3 располагается в продолжение лопатки 1 и ориентирована вдоль той же оси (X). Лопатка 1 и цапфа 3 могут быть отделены друг от друга посредством пластины 11, представляющей собой часть ту аэродинамического канала, которая проходит поблизости от рассматриваемого узла через раззенкованную полость 51, предусмотренную в картере 5.
Цапфа 3, содержащая нижний конец 31 и верхний конец 32, располагается внутри расточного отверстия 4, содержащего нижний конец 41 и верхний конец 42, причем указанное расточное отверстие обычно выполняется в теле картера 5. С этой целью расточное отверстие 4 может содержать на каждом из своих концов 41 и 42 раззенкованную полость 44, то есть гнездо циллиндрической формы, предназначенное для установки в нем каждого из самоустанавливающихся подшипников скольжения 7. Фиксация самоустанавливающегося подшипника скольжения 7 внутри расточного отверстия 4 может быть выполнена методом запрессовки, сварки, пайки или любым другим эквивалентным перечисленным методам способом. Предпочтительно же выполнять фиксацию самоустанавливающегося подшипника скольжения 7 перед монтажом лопаток 1.
В технической литературе, посвященной газотурбинным двигателям, принято использовать при упоминании деталей в форме тел вращения, такие термины, как «верхний» и «нижний» вместо, соответственно «внешний» и «внутренний».
Цапфа 3 содержит, на своем втором конце 32, шпильку с резьбой 33 предназначенную для работы в паре с гайкой 34 и шайбу 35 для жесткого соединения указанной гайки с первым концом 21 рычага управления 2. Второй конец 22 рычага управления 2 соединен с кольцом управления (которое не представлено на рассматриваемой фигуре). Вторая шайба 6 может быть также расположена между рычагом управления 2 и вторым верхним концом 42 расточного отверстия 4. Могут быть применены помимо перечисленных и другие способы соединения цапфы 3 с рычагом управления 2, не противоречащие, однако, принципу предлагаемого изобретения. Вращение цапфы 3 вокруг оси (X) позволяет изменять и угол установки лопатки 1.
В соответствии с предлагаемым изобретением, устройство включает в себя два самоустанавливающихся подшипника скольжения 7, причем первый самоустанавливающийся подшипник скольжения 7 установлен в нижнем конце 31 цапфы 3, а второй самоустанавливающийся подшипник скольжения 7 установлен в верхнем конце 32 цапфы 3.
i
e
i
e
e
i
i
Самоустанавливающийся подшипник скольжения 7 представлен более подробно на фиг.2. Этот подшипник содержит внутреннее кольцо 71 со сферической цилиндрической внутренней поверхностью 71 и наружной сферической поверхностью 71, и наружное кольцо 72, содержащее внутреннюю сферическую поверхность 72 и наружную цилиндрическую поверхность 72. Кольца 71 и 72 образуют своими контактными сферическими поверхностями 71 и 72 , шаровое соединение, называемое также сферическим соединением, то есть соединением, которое позволяет соединяемым элементам совершать три вращательных движения вдоль трех различных осей вращения. Цапфа 3 проходит через самоустанавливающийся подшипник скольжения 7 и находится в контакте с цилиндрической внутренней поверхностью 71 внутреннего кольца 71. Самоустанавливающийся подшипник скольжения 7 служит направляющим элементом для цапфы 3 при ее вращении вокруг оси (X). Самоустанавливающийся подшипник скольжения 7 может быть изготовлен из конструкционного материала органического происхождения, такого, например, каким является полиамид; но он может также быть изготовлен и из металла или керамики.
E
При необходимости внутреннее кольцо 71 самоустанавливающегося подшипника скольжения 7 и цапфа 3 могут быть заблокированы друг относительно друга и в этом состоянии уже не вращаться. Указанная блокировка относительного вращения указанных элементов может быть обеспечена самыми различными способами. На разрезе, выполненном по линии II-II, показанном на фиг.1, представлены несколько примеров 3A, 3B, 3C, 3D и 3, на которых продемонстрированы варианты возможные соединения самоустанавливающегося подшипника скольжения 7 с цапфой лопатки.
Согласно первой серии примеров, показанных на фиг.3A, 3B и 3C, блокировка вращения внутреннего кольца самоустанавливающегося подшипника скольжения относительно цапфы обеспечивается благодаря тому, что цапфа 3 содержит на своей наружной поверхности по меньшей мере одну плоскую часть 36, причем внутренняя форма внутреннего кольца 71 является для этой плоской части ответной частью.
Согласно второй серии примеров, показанных на фиг.3B и 3E, блокировка вращения внутреннего кольца самоустанавливающегося подшипника скольжения относительно цапфы обеспечивается благодаря тому, что цапфа 3 имеет форму шипа 37, а также благодаря тому, что внутренняя форма внутреннего кольца 71 имеет форму паза 37.
Согласно третьему примеру, показанному на фиг.3D, рассматриваемая блокировка вращения обеспечивается благодаря тому, что цапфа 3 и внутренняя поверхность внутреннего кольца 71 самоустанавливающегося подшипника скольжения 7 имеют сечения квадратной формы, причем эти сечения дополняют друг друга.
i
С целью ограничения вибраций, которые могут возникать в зоне между цапфой 3 и внутренней поверхностью 71 внутреннего кольца 71 подшипника поворотной цапфы 7, между указанными двумя деталями может быть установлено специальное амортизационное средство 73, изготовленное, например, из пленочного полимерного материала, такого, например, каким является силиконовый эластомер типа RTV (Room Température Vulcanizing), то есть эластомера, способного полимеризоваться в холодном состоянии. Наличие такого средства позволяет также избежать износа поверхности цапфы 3.
На фиг.4 показан один из вариантов предлагаемого изобретения, в котором цапфа 3 снабжена концом, имеющим сечение увеличивающегося по длине указанного конца диаметра 39, что позволяет правильно установить цапфу 3 относительно самоустанавливающегося подшипника скольжения 7 и картера 5.
Между пластиной 11 лопатки 1 и самоустанавливающимся подшипником скольжения 7 должен быть предусмотрен достаточный зазор для того, чтобы работа устройства не оказалась заблокированной в результате взаимодействия пластины 11 с раззенкованной полостью 51 картера или взаимодействия пластины 11 с наружным кольцом 72 самоустанавливающегося подшипника скольжения 7.
Как показали расчеты, замена шарнирного соединения, обеспечивающего возможность только одного вращательного движения, шаровым соединением, обеспечивающим возможность трех вращательных движений, позволяет снизить нагрузки, испытываемые контактными зонами. Указанные расчеты выполнялись исходя из предположения, что участвующие в контакте элементы были изготовлены из идентичных конструкционных материалов с коэффициентом Пуассона равным 0,3 и модулем Юнга, равным 200000 MПа.
При расчете случая установки вокруг цапфы лопатки цилиндрической втулки и образования, таким образом, контактной пары “внутренний цилиндр/наружный цилиндр”, использовались следующие значения размеров: диаметр внутреннего цилиндра выбирался равным 15,72 мм и диаметр наружного цилиндра - равным 15,612 мм, что обеспечивало зазор в 0,108 мм.
Контакт осуществлялся на участке длины, находящемся в диапазоне от 1 до 4 мм (в зависимости от степени соосности контактирующих элементов), с отклонением от лопатки вертикали, то есть ее наклоном относительно ее оси (X) под влиянием воздействующей на нее аэродинамической силы. Как было выявлено расчетным путем, в условиях действия экстремальных нагрузок, например, в моменты взлета воздушного судна, оборудованного подобным устройством, контактное давление изменялось в пределах от 84 до 167 МПа, в зависимости от степени соосности контактирующих элементов.
Как было также выявлено расчетным путем, при несколько измененной расточке отверстия и замене цилиндрической втулки самоустанавливающимся подшипником скольжения, содержащим внутреннее кольцо, с внутренним диаметром, равным 7,94 мм и наружным диаметром, равным 14,27 мм, и наружное кольцо с наружным диаметром, равным 19,05 мм, и с зазором между двух колец, равным 0,018 мм, контактное давление в тех же условиях эксплуатации кинематической пары будет равным уже 40 МПа. Следовательно, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить контактное давление, по меньшей мере, в 2 раза более низкое и даже в 4 раза более низкое, при самых неблагоприятных условиях эксплуатации, отмеченных в ходе испытаний.
В устройстве управления лопаткой с переменным углом установки, использующем самоустанавливающийся подшипник скольжения 7 согласно предлагаемому изобретению, размер утечек значительно меньше, чем в устройстве управления лопаткой с переменным углом установки, в котором используется обычная цилиндрическая втулка. Указанное обстоятельство объясняется тем, что зазор, существующий между внутренним кольцом 71 и наружным кольцом 72 самоустанавливающегося подшипника скольжения 7 очень мал. Предлагаемое изобретение позволяет, таким образом, также снизить утечки в местах контакта цапфы с расточным отверстием. Производительность газотурбинного двигателя, таким образом, повышается.
Другим объектом предлагаемого изобретения является статор, содержащий картер 5 с осью вращения (Y), содержащий в свою очередь по меньшей мере одно расточное отверстие 4, выполненное вдоль радиальной оси (X), ориентированной перпендикулярно по отношению к указанной оси (Y) по меньшей мере одно устройство управления цапфой лопатки с переменным углом установки и по меньшей мере одну лопатку 1 ориентированную вдоль радиальной оси (X), установленную внутри картера 5, причем указанная лопатка 1 жестко скреплена с указанной цапфой 3 посредством нижнего конца 32 самой цапфы 3, а самоустанавливающиеся подшипники скольжения 7 расположены внутри расточного отверстия 4.
Предлагаемое изобретение касается также компрессора 91, содержащего указанный выше статор, а также газотурбинного двигателя 9, содержащего указанный выше компрессор 91, в том виде, в котором они представлены на фиг.5.