КОНСТРУКТИВНЫЙ КАРКАС ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE STRUCTURAL CARCASS AND GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к конструктивному каркасу газотурбинного двигателя, в частности, такому как каркас вентилятора или промежуточный каркас, а также относится к газотурбинному двигателю, содержащему каркас такого типа.
В газотурбинном двигателе, таком как авиационный турбореактивный двигатель, конструктивные каркасы располагают вдоль оси двигателя, чтобы повысить жесткость газотурбинного двигателя, избегать деформаций газотурбинного двигателя и обеспечивать оптимальную передачу тяговых усилий на самолет, на котором закреплен газотурбинный двигатель. Такими конструктивными каркасами являются, например, промежуточный каркас и выпускной каркас. Промежуточный каркас расположен между компрессорами низкого и высокого давления, а выпускной каркас установлен на выходе секции турбины, находящейся за камерой сгорания.
Как правило, каркас такого типа выполняют из, по меньшей мере, двух коаксиальных обечаек, внутренней и наружной, при этом внутренняя обечайка ограничивает изнутри контур первичного воздушного потока, проходящего внутри турбореактивного двигателя, а наружная стенка ограничивает снаружи контур вторичного воздушного потока, огибающего турбореактивный двигатель. Внутренняя и наружная обечайки соединены стойками, проходящими в радиальном направлении в первичном и вторичном воздушных потоках. Между внутренней и наружной обечайками устанавливают промежуточную обечайку, через которую проходят стойки и которая ограничивает снаружи контур первичного потока.
Как правило, эти каркасы выполняют в виде единой литой детали. Как известно, в виде единой детали выполняют также внутреннюю обечайку, промежуточную обечайку и радиальные стойки. Затем моноблочную наружную обечайку крепят сваркой на радиальных стойках.
Вместе с тем, выполнение конструктивного каркаса этого типа является тем сложнее и тем дороже, чем больше диаметр каркаса. Кроме того, на выходе литейного процесса на наружной обечайке на уровне ее соединений со стойками необходимо производить длительные и сложные операции механической обработки, чтобы выполнить в них трубчатые выступы для прокладки вспомогательных систем в радиальных стойках. Наконец, полученный каркас образует неразборную моноблочную деталь, что усложняет операции обслуживания газотурбинного двигателя.
В заявке на патент GB 802508 описан несущий элемент 20 турбомашины, выполненный в виде жесткой структуры, в виде колеса с лопатками 19, сформированными из металлических листов и простирающимися от кольца ступицы до наружного кольца. Внешнее кольцо сформировано из различных металлических листов 21а, 21b, 21с, соответствующих секторам кольца, и которые, будучи собраны вместе, формируют распорные коробчатые элементы 21, простирающиеся по окружности и чередующиеся в окружном направлении между радиально наружными концами 19а лопаток 19, приваренные точечной сваркой и придающие жесткость всей конструкции. Данный документ выбран в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.
Задачей настоящего изобретения является простое, эффективное и экономичное решение проблем известного уровня техники.
В этой связи согласно изобретению предлагается конструктивный каркас для газотурбинного двигателя, такой как промежуточный каркас или выпускной каркас, образованный элементами, содержащими, по меньшей мере, две коаксиальные обечайки, внутреннюю и наружную, и радиальные стойки, соединяющие обечайки, характеризующийся тем, что, по меньшей мере, одну из обечаек выполняют в виде множества участков цилиндра, окружные концы которых содержат радиальные фланцы, закрепляемые болтами на соответствующих радиальных фланцах радиальных стоек.
Согласно изобретению, по меньшей мере, одну из обечаек конструктивного каркаса выполняют из множества частей, что позволяет уменьшить размер деталей, облегчает их выполнение путем литья и обеспечивает более высокое металлургическое качество получаемых деталей. За счет соединения при помощи болтов конструктивный каркас является разборным, что упрощает операции обслуживания и снижает расходы, так как позволяет заменять только поврежденную часть.
Согласно другому отличительному признаку изобретения конструктивный каркас содержит также промежуточную обечайку, которая расположена между внутренней и наружной обечайками и через которую проходят радиальные стойки, при этом промежуточную обечайку можно выполнить из нескольких элементов, скрепленных болтовым соединением.
Каждая радиальная стойка может также содержать внутреннюю часть, соединяющую внутреннюю и промежуточную обечайки, и наружную часть, соединяющую промежуточную и наружную обечайки.
В варианте выполнения изобретения внутреннюю и промежуточную обечайки и внутреннюю часть радиальных стоек выполняют в виде единой детали.
Согласно другому отличительному признаку изобретения радиально внутренний конец наружной части каждой стойки содержит основание, закрепленное при помощи болтов на соответствующем основании наружного конца внутренней части радиальной стойки.
Радиально наружный конец наружной части каждой стойки может содержать подошву, проходящую в окружном направлении и содержащую трубчатый выступ для прокладки вспомогательных систем, сообщающийся с внутренним объемом наружной части стойки.
Таким образом, наружный выступ для прокладки вспомогательных систем интегрирован в стойку, что упрощает выполнение по сравнению с выступом, интегрированным в моноблочную наружную обечайку из предшествующего уровня техники.
Окружные края каждой подошвы могут содержать радиальный фланец, закрепляемый болтами на соответствующем радиальном фланце участка цилиндра наружной обечайки.
Внутреннюю и наружную обечайки и радиальные стойки можно выполнять из разных материалов, что было невозможно в литых моноблочных конструктивных каркасах. Использование разных материалов позволяет компенсировать утяжеление, связанное с применением болтов, а также с выполнением оснований на внутренней и наружной частях радиальных стоек.
Внутреннюю и наружную обечайки и радиальные стойки можно также выполнять с применением разных технологий, таких как литье, ковка и порошковая металлургия. Как вариант, эти элементы можно выполнять из композитного материала.
Этот тип конструктивного каркаса наиболее предпочтителен для каркасов, диаметр которых превышает 110 сантиметров.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, содержащий описанный выше каркас.
Изобретение касается также элементов конструктивного каркаса для газотурбинного двигателя, содержащих коаксиальные обечайки и радиальные стойки, соединяющие эти обечайки, а также части, предназначенные для скрепления вместе болтовым соединением.
Настоящее изобретение и его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе двухконтурного газотурбинного двигателя;
фиг.2 - схематичный вид в перспективе спереди промежуточного конструктивного каркаса в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - схематичный увеличенный вид в перспективе зоны III, выделенной на фиг.2;
фиг.4 - схематичный вид в поперечном разрезе выпускного конструктивного каркаса в соответствии с настоящим изобретением;      фиг.5 - схематичный частичный вид в поперечном разрезе варианта выполнения выпускного конструктивного каркаса.
На фиг.1 показан двухконтурный газотурбинный двигатель 10, содержащий гондолу 12 цилиндрической формы, которая охватывает турбореактивный двигатель 14 и колесо 16 вентилятора, установленное на входе турбореактивного двигателя 14, который в основном содержит, от входа к выходу, компрессор 18 низкого давления, промежуточный каркас 20, компрессор 22 высокого давления, камеру 24 сгорания, турбину 26 и выпускной каркас 28.
Во время работы колесо 16 вентилятора, вращаемое турбиной 26, всасывает воздушный поток, который делится на первичный воздушный поток (стрелки А), проходящий через турбореактивный двигатель 14, и на вторичный воздушный поток (стрелки В), проходящий в канале 30 вентилятора внутри гондолы 12 в сторону выхода вокруг турбореактивного двигателя 14.
Канал 30 вентилятора образован двумя по существу цилиндрическими коаксиальными стенками, соответственно внутренней 32 и наружной 34 стенками.
Промежуточный каркас 20 и выпускной каркас 28 являются конструктивными каркасами и позволяют повысить жесткость газотурбинного двигателя для ограничения его деформаций во время работы. Промежуточный 20 и выпускной 28 каркасы содержат, каждый, две коаксиальные обечайки, внутреннюю 36, 38 и наружную 40, 42, расположенные одна внутри другой и соединенные радиальными стойками 44, 46. Выходной конец наружной обечайки 40 промежуточного каркаса 20 соединен с наружной стенкой 34 канала 30 вентилятора, которая, в свою очередь, соединена с входным концом наружной обечайки 42 выпускного каркаса 28.
Промежуточный 20 и выпускной 28 каркасы содержат, каждый, промежуточную обечайку 48, 50, которая расположена между внутренней 36, 38 и наружной 40, 42 обечайками и через которую проходят радиальные стойки 44, 46. Внутренние части радиальных стоек промежуточного 20 и выпускного 28 каркасов находятся в первичном воздушном потоке (стрелки А), тогда как наружные части находятся во вторичном воздушном потоке (стрелки В).
Внутренние обечайки 36, 38 и промежуточные обечайки 48, 50 промежуточного 20 и выпускного 28 каркасов ограничивают соответственно изнутри и снаружи контур первичного воздушного потока (стрелки А). Наружные обечайки 40, 42 конструктивных каркасов 20, 28 ограничивают снаружи контур вторичного воздушного потока (стрелки В).
Согласно известной технологии конструктивный каркас обычно выполняют в виде единой литой детали, что оказывается тем сложнее и дороже, чем больше его диаметр.
Изобретение позволяет устранить этот недостаток и упомянутые выше недостатки за счет того, что, по меньшей мере, один из элементов конструктивного каркаса, то есть одну из внутренних 36, 38, промежуточных 48, 50 и наружных 40, 42 обечаек и радиальные стойки выполняют из нескольких частей, соединяемых вместе при помощи болтов.
На фиг.2 и 3 показан промежуточный конструктивный каркас 52 из нескольких частей. Радиальные стойки выполнены из двух частей и содержат внутреннюю часть 54, наружный конец которой проходит через промежуточную обечайку 58 и соединен с наружной частью 56. Внутренняя часть 54 каждой стойки соединяет внутреннюю обечайку 60 и промежуточную обечайку 58, тогда как ее наружная часть 56 соединяет промежуточную обечайку 58 и наружную обечайку 62.
На своем внутреннем конце наружная часть 56 каждой радиальной стойки содержит окружное основание 64, радиально закрепленное болтами на окружном основании 66 наружного конца внутренней части 54 стойки. На своем наружном конце каждая наружная часть 56 содержит подошву 68, окружные концы которой содержат радиальные фланцы 70.
Наружная обечайка 62 состоит из нескольких участков 72 цилиндра с U-образным сечением, обращенным наружу газотурбинного двигателя. Эти цилиндрические участки 72 на своих окружных концах содержат радиальные фланцы 74 (см. фиг.3).
Радиальный фланец 74 окружного конца участка 72 цилиндра крепят болтами на радиальном фланце 70 подошвы 68 наружной части 56 радиальной стойки, при этом другой окружной конец участка 72 цилиндра крепят болтами на окружном конце подошвы 68 наружной части 56 смежной стойки. Узел, образованный участками 72 цилиндра, закрепленными на подошвах 68, образует наружную обечайку 62.
Каждая подошва 68 содержит трубчатый выступ 76, содержащий отверстия 78, сообщающиеся с внутренним объемом наружной части 56 радиальной стойки и позволяющие прокладывать масляные трубопроводы или электрические кабели.
Промежуточная обечайка 58 содержит на своих входном и выходном концах стенки 80, 82, выполненные радиально наружу. На этих радиальных стенках 80, 82 между наружными концами внутренних частей 54 последовательных радиальных стоек установлены цилиндрические панели обтекателя (не показаны), образуя изнутри внутреннюю стенку канала 30 вентилятора.
Внутренняя обечайка 60, внутренние части 54 радиальных стоек, а также промежуточная обечайка 58 и радиальные стенки 80, 82 выполнены в виде единой детали.
На фиг.4 схематично показан выпускной конструктивный каркас 81, в котором внутренняя обечайка 60, промежуточная обечайка 58, а также внутренние части 54 радиальных стоек выполнены в виде единой детали. Наружная обечайка 83 тоже выполнена в виде единой детали. Аналогично промежуточному конструктивному каркасу 52, показанному на фиг.2 и 3, внутренний конец наружной части 84 каждой радиальной стойки содержит основание 64, закрепленное болтами на основании 66 наружного конца внутренней части 54 стойки. Наружный конец наружной части 84 каждой стойки тоже содержит подошву 86, радиально закрепленную болтами на наружной обечайке 83. Как и на фиг.2 и 3, на подошве 86 выполнены выступы для прокладки вспомогательных систем, проходящие через наружную обечайку 83, что упрощает выполнение и обеспечивает отличную герметичность по отношению к маслу, циркулирующему в отверстиях выступов.
На фиг.5 показан другой вариант выполнения выпускного конструктивного каркаса 87. Показанные на этом чертеже внутренняя, промежуточная и наружная обечайки выполнены в виде нескольких участков 88, 90, 92 цилиндра, окружные концы которых содержат радиальные фланцы 94, 96, 98. Каждая радиальная стойка 100 выполнена в виде единой детали и содержит внутреннюю 102 и наружную 104 подошвы на своих внутреннем и наружном концах соответственно, а также промежуточную подошву 106, расположенную примерно на одной трети длины стойки 100, начиная от внутреннего конца стойки 100. На своих окружных концах внутренняя 102, промежуточная 106 и наружная 104 подошвы содержат радиальные фланцы 108, 110, 112 крепления на радиальных фланцах 94, 96, 98 участков 88, 90, 92 цилиндра внутренней, промежуточной и наружной обечаек.
Конструктивные каркасы, показанные на чертежах, могут иметь внутреннюю, промежуточную и наружную обечайки, а также радиальные стойки, выполненные из разных материалов, что позволяет компенсировать увеличение массы вследствие добавления болтовых креплений. Различные части внутренней, промежуточной, наружной обечаек и радиальных стоек тоже можно выполнять из разных материалов.
Составные элементы конструктивного каркаса, а также разные части этих составных элементов можно выполнять при помощи разных технологий, таких как литье, ковка и порошковая металлургия, или можно выполнять из композитного материала.
Изобретение представляет особый интерес для газотурбинных двигателей, конструктивные каркасы которых имеют диаметр, превышающий примерно 110 сантиметров.
Изобретение позволяет также выполнять литьем только детали небольших размеров, такие как участки цилиндра или радиальные стойки из одной или двух частей. Изобретение позволяет также упростить демонтаж конструктивного каркаса во время операции обслуживания, благодаря соединению различных деталей между собой при помощи болтового крепления.
Выступы 76 для прокладки вспомогательных систем интегрированы в подошвы 68, 86 наружных частей 56, 84 радиальных стоек, а не в наружную обечайку, как в известных технических решениях, что упрощает их изготовление и позволяет отказаться от длительной и сложной фазы механической обработки.
Не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть и другие варианты выполнения конструктивных каркасов. В частности, можно комбинировать варианты выполнения, показанные на фиг.2 и 5, для получения конструктивного каркаса, содержащего внутреннюю, промежуточную и наружную обечайки, которые выполняют в виде нескольких участков 88, 90, 92 цилиндра и радиальные стойки которых содержат две части, внутреннюю 54 и наружную 56.
Внутреннюю и промежуточную обечайки и внутренние части радиальных стоек можно выполнять в виде единой детали, закрепленной на наружных частях радиальных стоек, выполненных в виде единой детали с наружной обечайкой.
В другом варианте изобретения промежуточную обечайку можно выполнить в виде единой детали с моноблочными радиальными стойками, при этом внутреннюю и наружную обечайку крепят болтами на внутреннем и наружном концах радиальных стоек.
Еще в одном варианте изобретения промежуточную и наружную обечайки можно выполнить в виде единой детали с радиальными стойками, и этот узел крепят болтами на моноблочной внутренней обечайке.
Изобретение не ограничивается показанными на чертежах вариантами выполнения с промежуточной обечайкой. Конструктивный каркас может содержать только две обечайки, внутреннюю и наружную, соединенные радиальными стойками, например, как в некоторых выпускных каркасах. В этом случае наружную обечайку соединяют непосредственно с каркасом турбины, и она ограничивает снаружи контур первичного воздушного потока.