РАЗДЕЛЕННЫЙ НА СЕКТОРА НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ, ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА
GUIDE APPARATUS DIVIDED INTO SECTORS FOR TURBOMACHINE, LOW-PRESSURE TURBINE AND TURBOMACHINE

Настоящее изобретение касается разделенного на сектора направляющего аппарата для турбомашины, такой как авиационный турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель.
Турбомашина содержит турбинные ступени, каждая из которых содержит роторное колесо с лопатками и направляющий аппарат, при этом каждый направляющий аппарат разделен на сектора, то есть образован из множества направляющих секторов, расположенных по окружности бок о бок.
Каждый направляющий сектор содержит две кольцевые коаксиальные платформы, проходящие одна в другой и связанные между собой, по существу, радиальными лопатками. Наружная платформа содержит средства крепления на внешнем корпусе турбины. Внутренняя платформа жестко соединена с, по существу, радиальной кольцевой перегородкой, несущей элементы из истираемого материала, размещенные радиально внутри внутренней платформы направляющего аппарата. Элементы из истираемого материала взаимодействуют с кольцевыми пластинками, размещенными на роторе турбины для образования герметичного уплотнения лабиринтного типа.
В случае значительного износа элементов из истираемого материала их необходимо заменить новыми при осуществлении операции технического обслуживания. В существующем уровне техники эти элементы закреплены пайкой на кольцевой перегородке внутренней платформы направляющего аппарата. Замена элементов из истираемого материала требует полного демонтажа секторов направляющего аппарата, обработки каждого сектора направляющего аппарата для удаления изношенных элементов из истираемого материала и припайки новых элементов из истираемого материала к кольцевой перегородке. Затем необходимо нанести антиокислительное покрытие на каждый сектор направляющего аппарата. Эта операция замены элементов из истираемого материала направляющего аппарата является длительной и дорогостоящей.
Кроме того, секторы направляющего аппарата отделены один от другого небольшим зазором в окружном направлении для обеспечения термического расширения их платформ при работе. Кроме того, при работе они подвержены вибрациям и относительно значительным динамическим нагрузкам, которые могут вызвать нежелательные смещения и деформации этих секторов.
Было уже предложено делать жестким направляющий аппарат с помощью средств аксиальной поддержки, образованной на секторах внутренней платформы направляющего аппарата, при этом средства поддержки сектора платформы предназначены для взаимодействия с соответствующими средствами, образованными на соседних секторах внутренней платформы для ограничения деформаций направляющего аппарата при работе.
В существующем уровне техники эти средства поддержки содержат очень твердый материал под названием «стеллит», который крепится способом лазерной сварки («наплавка стеллитом») - длительным, дорогостоящим, трудным в осуществлении и который может разрушить секторы направляющего аппарата. Кроме того, эту технологию нельзя реализовать в определенных направляющих аппаратах, платформы которых имеют очень сложные формы (называемые платформами 3D).
Задачей настоящего изобретения является простое, эффективное и экономичное решение проблем известного уровня техники путем упрощения замены элементов из истираемого материала направляющего аппарата и исключения наплавки стеллитом секторов направляющего аппарата.
Для этого в изобретении предлагается разделенный на сектора направляющий аппарат для турбомашины, образованный из секторов, содержащих две кольцевые коаксиальные платформы, соответственно внутреннюю и внешнюю, связанные между собой, по существу, радиальными лопатками, при этом внутренняя платформа жестко соединена с кольцевой, по существу, радиальной перегородкой, несущей элементы из истираемого материала, отличающийся тем, что элементы из истираемого материала закреплены на разделенной на сектора кольцевой опоре, которая содержит кольцевой паз, радиально открывающийся наружу, в который введена и удерживается в радиальном направлении внутренняя периферия кольцевой перегородки, причем каждый сектор опоры содержит на одном из своих окружных концов отверстие для введения и монтажа на кольцевой перегородке одного или нескольких секторов направляющего аппарата, при этом монтаж осуществляют путем перемещения в окружном направлении сектора опоры на этой перегородке, а на другом из своих окружных концов - средства, образующие упор в окружном направлении и взаимодействующие с кольцевой перегородкой сектора или одного из секторов направляющего аппарата для обеспечения удержания кольцевой перегородки в сторону окружного направления относительно сектора опоры.
Несложным образом кольцевая перегородка внутренней платформы попадает в средства зацепления, предусмотренные на опоре элементов из истираемого материала, которая может скользить по этой перегородке. В противовес известному уровню техники опора элементов из истираемого материала установлена съемно на перегородке, что облегчает замену изношенных элементов из истираемого материала. Действительно, достаточно демонтировать кольцевую опору от перегородки и осуществить операции обработки и упомянутой припайки непосредственно на этой опоре либо просто заменить эту опору, несущую изношенные элементы из истираемого материала, на новую опору, несущую новые элементы из истираемого материала. Установка опоры на перегородку является, кроме того, относительно простой и быстрой.
Изобретение позволяет также упростить изготовление каждого сектора направляющего аппарата, который получают литьем, так как опору элементов из истираемого материала изготавливают теперь независимо от секторов.
Когда кольцевая опора простирается на несколько секторов направляющего аппарата, она позволяет, кроме того, жестко установить секторы направляющего аппарата таким образом, чтобы ограничить их вибрации и их паразитные перемещения при работе, не мешая их расширению по окружности. Таким образом, больше нет необходимости использовать твердый материал путем наплавки стеллита на средства аксиальной поддержки секторов направляющего аппарата, что позволяет обеспечить экономичность этой длительной и дорогостоящей операции и исключить риск разрушения секторов в процессе этой сложной операции.
Кольцевая опора разделена на сектора, и каждый сектор опоры содержит окружной конец, отверстие для введения и монтажа на перегородках секторов направляющего аппарата, при этом монтаж выполняют перемещением сектора опоры в окружном направлении на секторах направляющего аппарата путем скольжения по окружности. Каждый сектор опоры содержит на своем другом окружном конце средства, образующие упор в окружном направлении и взаимодействующие с перегородкой соседнего сектора направляющего аппарата для обеспечения удержания в сторону окружного направления секторов направляющего аппарата относительно сектора опоры.
В соответствии с другой характеристикой изобретения опора выполнена в форме рельса и изготовлена из листового материала, что позволяет, в частности, значительно облегчить направляющий аппарат по сравнению с известным уровнем техники.
Опора может иметь в сечении U-образную или С-образную форму, отверстие которой ориентировано радиально наружу, причем эта опора содержит две кольцевых, по существу, радиальных полки, соответственно входную и выходную, связанные между собой по внутренним перифериям внутренней цилиндрической стенкой опоры элементов из материала из истираемого материала. Элементы из материала из истираемого материала могут быть закреплены на опоре пайкой или любым другим подходящим способом.
Кольцевые дефлекторы из листового материала могут быть, кроме того, закреплены, например, пайкой на полках опоры. Эти кольцевые дефлекторы предназначены для взаимодействия с соответствующими элементами роторных колес, размещенными на входе и на выходе направляющего аппарата для ограничения прохода воздуха в радиальном направлении между направляющим аппаратом и этими роторными колесами.
Каждая полка опоры может быть согнута по внешней периферии для образования внешней, по существу, цилиндрической стенки, аксиально простирающейся к противолежащей полке, при этом внешние стенки определяют между собой кольцевой паз для прохода кольцевой перегородки сектора направляющего аппарата.
Каждая внешняя стенка опоры может быть согнута со стороны кольцевой перегородки для образования кольцевой реборды, простирающейся, по существу, радиально внутрь, при этом обе кольцевые реборды, по существу, параллельны между собой и кольцевой перегородке опоры.
В монтажном положении перегородка сжата между внешними стенками или между кольцевыми ребордами опоры и радиально сжата между внешними стенками или кольцевыми ребордами опоры с одной стороны и внутренней стенкой опоры с другой стороны, что позволяет, в частности, ограничить вибрации опоры при работе.
Перегородка, предпочтительно, содержит по внутренней периферии окружные выступы, образующие упор в радиальном направлении, причем эти выступы размещены между полками опоры и взаимодействуют с внешними стенками или кольцевыми ребордами опоры для обеспечения ее радиального удержания на перегородке.
Количество секторов опоры может быть меньше числа секторов направляющего аппарата. Каждый сектор опоры может простираться в окружном направлении на угловое расстояние, соответствующее нескольким секторам направляющего аппарата. Каждый сектор опоры позволяет, в этом случае, связать несколько секторов направляющего аппарата и обеспечить их жесткость.
Изобретение касается также турбины низкого давления турбомашины, содержащей, по меньшей мере, один разделенный на сектора направляющий аппарат описанного типа, а также турбомашины, такой, как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащий, по меньшей мере, один направляющий аппарат описанного выше типа.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает схематичный вид в аксиальном разрезе половины турбины низкого давления турбомашины,
- фиг.2 схематично изображает частичный вид в аксонометрии сектора направляющего аппарата из известного уровня техники,
- фиг.3 схематично изображает в аксонометрии средства аксиальной поддержки между двумя соседними секторами направляющего аппарата из известного уровня техники,
- фиг.4 схематично изображает в аксонометрии частичный вид разделенного на сектора направляющего аппарата по изобретению,
- фиг.5 изображает в увеличенном масштабе части фиг.4 и представляет окружной конец сектора опоры по изобретению,
- фиг.6 схематично изображает в аксонометрии другой окружной конец сектора опоры по фиг.4.
Обратимся вначале к фиг.1, которая изображает турбину 10 низкого давления турбомашины, содержащую четыре ступени, каждая из которых содержит направляющий аппарат 12, размещенный на внешнем корпусе 16 турбины, и лопаточное колесо 18, размещенное на выходе направляющего аппарата 12.
Колеса 18 содержат диски 20, коаксиально соединенные между собой кольцевыми фланцами 22, несущими, по существу, радиальные лопатки 24. Эти колеса 18 связаны с валом турбины (не изображенном на чертеже) посредством приводного конического хвостовика 26, закрепленного на кольцевых фланцах 22 дисков.
Кольцевые пластины 28 аксиального удержания лопаток 24 на дисках 20 установлены между дисками и содержат каждый внутреннюю радиальную стенку 29, аксиально сжатую между кольцевыми фланцами 22 двух соседних дисков.
Направляющие аппараты 12 содержат каждый две коаксиальные кольцевые платформы 30, 32, соответственно внутреннюю и внешнюю, которые ограничивают между собой кольцевой тракт протекания газов в турбине и между которыми размещены, по существу, радиальные неподвижные лопатки. Внешние платформы 32 направляющих аппаратов прикреплены с помощью соответствующих средств к внешнему корпусу 16 турбины.
Внутренняя платформа 30 каждого направляющего аппарата жестко соединена с кольцевой перегородкой 38, несущей кольцевые элементы 36 из материала из истираемого материала, причем эти элементы 36 размещены радиально внутри внутренней платформы 30 направляющего аппарата. В представленном примере кольцевая перегородка 38 является, по существу, радиальной, и ее внешняя периферия связана с внутренней поверхностью внутренней платформы 30 направляющего аппарата. Элементы 36 из истираемого материала закреплены на внутренней периферии кольцевой перегородки 38.
Элементы 36 из истираемого материала размещены радиально снаружи и напротив внешних кольцевых пластинок 42, которые установлены на фланцах 28. Пластинки 42 предназначены для взаимодействия посредством трения с элементами 36 таким образом, чтобы образовать лабиринтные уплотнения и ограничить проход воздуха в аксиальном направлении через эти уплотнения.
Направляющие аппараты 12 турбины разделены на сектора, и каждый из них образован несколькими секторами, размещенными по окружности встык вокруг продольной оси турбины.
На фиг.2 изображена часть сектора направляющего аппарата 12 из известного уровня техники, предшествующего настоящему изобретению. Этот сектор направляющего аппарата 12 содержит сектор внутренней платформы 30 и сектор внешней платформы (не изображенной на чертеже), связанные между собой семью лопатками 14. Сектор внутренней платформы 30 жестко соединен с сектором перегородки 38, несущей элементы 36 из истираемого материала. Сектор платформы 30 и сектор перегородки 38 выполнены в виде единой литой детали.
В существующем уровне техники элементы 36 из истираемого материала закреплены пайкой на внутренней периферии сектора перегородки 38. Кольцевые дефлекторы 42 из листового материала закреплены, кроме того, посредством пайки на внутренней периферии сектора перегородки 38 на входе и на выходе элементов 36 из истираемого материала. Эти дефлекторы 42 взаимодействуют благодаря лабиринтному эффекту с соответствующими средствами лопаточных колес 18, размещенными на входе и на выходе направляющего аппарата для ограничения прохода газа в радиальном направлении между направляющим аппаратом и лопаточными колесами.
Замена элементов 36 из истираемого материала является в этом случае операцией длительной и дорогостоящей, как это было показано выше.
Продольные края 44, 44' сектора внутренней платформы 30 каждого сектора направляющего аппарата 12 имеют формы, дополняющие соответствующие продольные края секторов внутренних платформ соседних секторов направляющего аппарата так, чтобы продольные края вставлялись по окружности в пазы одни в другие при монтаже направляющего аппарата (фиг.3).
В существующем уровне техники продольные края 44, 44' секторов внутренней платформы 30 выполнены Z-образной формы для точного описания аксиальных средств 46 поддержки между секторами направляющего аппарата 12. Аксиальная опора поддержки сектора внутренней платформы 30 на сектор соседней внутренней платформы позволяет ограничить паразитные перемещения и вибрации секторов направляющего аппарата 12 при работе турбины.
Средства 46 поддержки содержат твердый материал, называемый «стеллитом», нанесенный длительным дорогостоящим способом и весьма трудно осуществимым, что также было ранее описано.
Кроме того, продольные края 44, 44' сектора платформы 30 и радиальные края сектора 38 перегородки содержат прямолинейные прорези 48 для посадочных мест пластинок, обеспечивающих герметичность между секторами направляющего аппарата. Эти прорези 48 получают в процессе операции относительно длительной и сложной обработки, при этом радиальная прорезь, образованная на каждом радиальном крае сектора 38 перегородки, простирается до радиально внутреннего конца до непосредственной близости к элементам 36 из истираемого материала.
Изобретение позволяет решить, по меньшей мере частично, упомянутые выше проблемы благодаря кольцевой опоре 140, которая съемно закреплена на кольцевой перегородке 138 направляющего аппарата и которая несет элементы 136 из истираемого материала.
В примере воплощения, представленном на фиг.4-6, кольцевая опора 140 выполнена по форме рельса и разделена на сектора, при этом секторы опоры 140 расположены встык. Секторы опоры 140 выполнены из листового материала, например, листовой штамповкой.
В соответствии с характеристикой изобретения количество секторов опоры 140 меньше числа секторов направляющего аппарата 112. В качестве примера число секторов направляющего аппарата 112 составляет восемнадцать, а число секторов опоры равно шести, так что каждый сектор опоры 140 простирается в угловом направлении, соответствующем трем секторам направляющего аппарата, следующим один за другим. В этом случае каждый сектор опоры связывает три следующих один за другим сектора направляющего аппарата, окружные концы которых могут быть лишены стеллита.
Как вариант, каждый сектор опоры может упрочнять два или четыре следующих один за другим сектора направляющего аппарата и даже больше.
Продольные края 144, 144' секторов внутренней платформы каждого направляющего аппарата могут быть выполнены Z-образной формы, как в известном уровне техники, для сохранения аксиальных опорных поверхностей или иметь прямой разрез для исключения этих аксиальных опорных поверхностей.
Кольцевая опора 140 по изобретению содержит кольцевой паз 150, открывающийся радиально наружу, в который введена и удерживается в радиальном направлении внутренняя периферия радиальной перегородки 138. Опора 140 устанавливается и демонтируется от внутренней периферии перегородки 138 простым и быстрым образом, как будет далее детально описано, что позволяет облегчить замену изношенных элементов 136 из истираемого материала.
В представленном примере опора 140 имеет в сечении U- или С-образную форму, отверстие которой открывается радиально наружу. Опора 140 содержит, по существу, две радиальных кольцевых полки 152, соответственно входную и выходную. Эти полки 152, по существу, параллельны между собой и связаны по своим внутренним перифериям внутренней кольцевой, по существу, цилиндрической стенкой 151. Элементы 136 из истираемого материала закреплены, например, пайкой, на внутренней поверхности этой внутренней цилиндрической стенки 151, а на полках 152 также пайкой закреплены кольцевые дефлекторы 142 из листового материала.
Каждая полка 152 согнута по внешней периферии таким образом, чтобы образовать внешнюю, по существу, цилиндрическую кольцевую стенку 154, проходящую аксиально к другой полке. Эти внешние цилиндрические стенки 154 сами согнуты на аксиальных концах со стороны отверстия паза 150 для образования кольцевых реборд 156, простирающихся, по существу, радиально внутрь в паз 150 опоры. Внутренняя периферия каждой кольцевой реборды 156 находится на радиальном расстоянии от внутренней стенки 151, при этом радиальный размер реборд 156 равен, например, по существу, половине размера полок 152.
Эти реборды 156, по существу, параллельны между собой и перегородке 138. Они определяют в данном случае отверстие паза 150 опоры 140. Аксиальное расстояние между сторонами напротив кольцевых реборд 156 меньше толщины перегородки 138, так что в монтажном положении перегородка удерживается аксиально зажатой между ребордами 156 опоры 140.
Перегородка 138 направляющего аппарата 112 в представленном примере имеет сечение в виде перевернутого Т и содержит по своей внутренней периферии окружные выступы 158, предназначенные для размещения в пазу 150 опоры и взаимодействия упором с кольцевыми ребордами 156 и внутренней стенкой 151 опоры для обеспечения неподвижности в радиальном и аксиальном направлениях опоры 140 на перегородке 138.
Ширина выступов 158 в аксиальном направлении определяется таким образом, чтобы периферийные внутренние края кольцевых реборд 156 радиально опирались внутрь на внешние кольцевые поверхности этих выступов. Толщина выступов 158 в радиальном направлении выполнена такой, чтобы эти выступы были вставлены с радиальным защемлением между внешней поверхностью внутренней стенки 151 и внутренними периферийными краями реборд 156.
Выступы 158 могут простираться по углу, равному или меньшему угла сектора направляющего аппарата. Сектор направляющего аппарата 112 может содержать с каждой стороны сектора перегородки 138 множество выступов 158 на расстоянии одно от другого по окружности.
Каждый сектор опоры 140 содержит открытый окружной конец (фиг.5) для введения и монтажа на заданном количестве секторов направляющего аппарата (три в представленном примере) и противолежащий окружной конец (фиг.6), который является закрытым для удержания сектора опоры в сторону окружного направления на секторах направляющего аппарата.
В примере, представленном на фиг.6, окружной конец сектора опоры был закрыт путем крепления, например, пайкой или сваркой, пластины 160 на этом окружном конце. Эта пластина 160 образует средство удержания на секторах направляющего аппарата 112 в окружном направлении. Пластина 160 опирается по окружности в одном направлении на сектор перегородки 138 сектора направляющего аппарата 112, соседнего с этой пластиной (фиг.6). Эта пластина 160 блокируется по окружности в противоположном направлении посредством опоры на сектор перегородки 138 другого сектора направляющего аппарата, на котором установлен сектор соседней опоры.
На фиг.4-6 можно видеть, что прорези 148, выполненные в радиальных краях сектора перегородки 138, являются более короткими, чем прорези из известного уровня техники, и, следовательно, их быстрее выполнить.
Кольцевая опора 140 закреплена на секторах направляющего аппарата 112 следующим образом. Три сектора направляющего аппарата 112 размещены встык. Сектор опоры 140 расположен сбоку одного из секторов направляющего аппарата таким образом, что его открытый окружной конец был выровнен в окружном направлении с выступами 158 сектора перегородки 138 этого сектора направляющего аппарата. Сектор опоры 140, таким образом, перемещается в окружном направлении относительно секторов направляющего аппарата 112 так, чтобы выступы 158 секторов направляющего аппарата вдвигались в паз 150 сектора опоры, проникая между внутренними периферийными краями кольцевых реборд 156 сектора опоры и внутренней цилиндрической стенкой 151 сектора опоры, и так, чтобы секторы перегородки 138 вставлялись между кольцевыми ребордами 156 сектора опоры. Это производится легким аксиальным удалением кольцевых реборд 156 одна от другой. Сектор опоры 140 перемещается окружным скольжением по секторам перегородки 138 до тех пор, пока его пластина 160 не упрется в один из секторов направляющего аппарата 112. Эти операции повторяются для каждого сектора опоры (в количестве шести в описанном примере), затем все секторы направляющего аппарата, на которых закреплены секторы опор, размещаются плашмя встык так, чтобы образовать направляющий аппарат. Затем используют соответствующий инструмент для захвата сборки направляющего аппарата и его установки непосредственно на корпусе турбины. Упомянутые операции выполняются в обратном порядке для демонтажа направляющего аппарата, и для замены опоры 140 или одного сектора опоры по изобретению.