КОРПУС С ГРАНЯМИ ДЛЯ КОМПРЕССОРА ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ
HOUSING WITH EDGES FOR AXIAL TURBINE MACHINE COMPRESSOR

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к наружному корпусу осевой турбомашины. В частности, настоящее изобретение относится к корпусу турбомашины, содержащему круглую стенку с непрерывной кривизной. Настоящее изобретение также относится к турбомашине с корпусом.
Уровень техники
[0002] Обычно компрессор осевой турбомашины также содержит наружный корпус, к которому прикрепляются ряды лопаток. Они могут закрепляться в канавках или посредством установочных болтов, проходящих сквозь стенку корпуса. Такое решение является особенно предпочтительным, если стенка является в сущности тонкой, при измерении до нескольких миллиметров. Кроме того, каждая лопатка имеет крепежную платформу с одной поверхностью в соприкосновении с внутренней поверхностью стенки корпуса.
[0003] Для обеспечения механической прочности лопатки и платформы могут быть выполнены из металла, например, из сплава стали или титана. Стенка выполнена из композиционного материала, чтобы сделать корпус более легким. Для оптимального снижения массы композиционный материал может содержать полимерную смолу в сочетании с элементом жесткости, содержащим углеродные волокна.
[0004] В документе ЕР 2402615 А1 раскрывается осевой компрессор с наружным корпусом, выполненным из композиционного материала. Его стенка содержит три кольцевых ряда лопаток, которые прижаты к ней своими платформами. Механическое соединение обеспечивается посредством крепежных элементов. Такая идея изобретения предназначена оптимизировать жесткость и сделать статор более легким. Тем не менее во время монтажа в области взаимодействия стенки с платформой концентрируются напряжения, что может привести к повреждению, обусловленному разницей в твердости. В документе предлагается добавить элементы соединения для поглощения ударных нагрузок в области взаимодействия стенки с платформами при всасывании. Тем не менее эластичность элементов соединения снижает жесткость, а их добавление увеличивает массу. Такое решение усложняет монтаж.
[0005] Эта идея изобретения оптимизирует прочность корпуса из композиционного материала. Тем не менее его жесткость остается низкой и может стать недостаточной в случае наружных корпусов компрессоров, поскольку такие корпусы испытывают высокие напряжения. В случае потери лопасти вентилятора турбомашина подвергается вибрации высокой амплитуды, и тогда корпус испытывает высокие напряжения. Механическую прочность корпуса также значительно снижают термические напряжения и влажность.
Сущность изобретения
Техническая задача
[0006] Целью настоящего изобретения является решение по меньшей мере одной из проблем, свойственных предшествующему уровню техники. В частности, настоящее изобретение предназначено для снижения концентрации напряжений между стенкой корпуса турбомашины и платформами лопаток. Изобретение также предназначено для упрощения конструкции стенки корпуса, на которой размещаются лопатки, снабженные крепежными платформами.
Техническое решение
[0007] Настоящее изобретение относится к корпусу осевой турбомашины, в частности компрессору, при этом корпус содержит круглую стенку с внутренней поверхностью, обладающей непрерывной кривизной по окружности стенки, характеризующемуся тем, что стенка содержит плоские грани, предназначенные для размещения на них платформ лопаток статора и выполненные вровень с внутренней криволинейной поверхностью стенки.
[0008] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения грани расположены по меньшей мере в одном кольцевом ряду, предпочтительно в нескольких кольцевых рядах, распределенных в осевом направлении вдоль стенки, и/или грани из разных рядов выровнены в осевом направлении.
[0009] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения грани и внутренняя поверхность в местах их примыкания выполнены в осевом направлении и/или по окружности с непрерывной поверхностью, при этом грани выполнены под углом относительно касательных внутренней криволинейной поверхности в местах примыкания указанных граней.
[0010] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения грани распределены под углом по окружности внутренней поверхности.
[0011] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка рядом с гранями имеет постоянную толщину и/или наружная поверхность стенки рядом с гранями содержит наружные ровные участки.
[0012] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая грань содержит по меньшей мере одно крепежное отверстие, подходящее для прикрепления лопатки статора, и потенциально лишь одно отверстие на грань; при этом отверстия расположены по меньшей мере в одном кольцевом ряду.
[0013] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения внутренняя поверхность проходит перед и после каждой грани и/или внутренняя поверхность проходит по окружности стенки между гранями.
[0014] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая или по меньшей мере одна грань выполнена в форме диска, и некоторые диски могут быть усеченными в поперечном направлении.
[0015] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения грани по меньшей мере в одном ряду являются смежными по отдельности или вдоль линий соединения.
[0016] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения внутренняя поверхность содержит коническую часть, и/или часть сферической поверхности, и/или часть шаровидной поверхности.
[0017] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка является стенкой из композиционного материала с органической матрицей и волокнистым элементом жесткости, содержащим штабель прядей волокон, при этом пряди волокон являются параллельными граням рядом с гранями и криволинейными, находясь на расстоянии от граней.
[0018] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения корпус содержит по меньшей мере один кольцевой ряд лопаток статора, при этом каждая лопатка статора содержит крепежную платформу с плоской опорной поверхностью, прижатой к грани, при этом платформы лопаток в определенном ряду находятся в соприкосновении друг с другом в поперечном направлении; при этом каждая лопатка также содержит перо, проходящее в радиальном направлении внутрь от платформы.
[0019] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая платформа лопатки содержит по меньшей мере одну более тонкую зону и одну более толстую зону, при этом каждая опорная поверхность платформы образована в более толстой зоне и расположена в пределах соответствующей грани, при этом каждая опорная поверхность предпочтительно является круглой.
[0020] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая крепежная платформа лопатки содержит установочный болт, проходящий сквозь соответствующую грань.
[0021] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения внутренняя поверхность является непрерывной и/или гладкой в направлении вдоль окружности стенки.
[0022] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения внутренняя поверхность продолжает грань в осевом направлении и/или по окружности, возможно по прямой линии.
[0023] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения ограничениями граней являются линии, образованные во внутренней поверхности.
[0024] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения грани отделены друг от друга внутренней поверхностью.
[0025] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения грани продолжаются внутренней поверхностью, предпочтительно по прямой линии.
[0026] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения грани и внутренняя поверхность стенки образуют непрерывную поверхность.
[0027] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения диски по меньшей мере одного кольцевого ряда граней являются усеченными по направлению к другим граням в ряду.
[0028] Настоящее изобретение также относится к компрессору осевой турбомашины, содержащему корпус, характеризуемому тем, что корпус является таким, как заявленный в настоящем изобретении.
[0029] Настоящее изобретение также относится к осевой турбомашине, содержащей корпус, которая характеризуется тем, что корпус является таким, как заявленный в настоящем изобретении, и тем, что турбомашина содержит компрессор, при этом корпус является корпусом компрессора и образован двумя кольцевыми половинами корпуса, каждая из которых содержит осевые фланцы для монтажа половин корпуса друг с другом.
[0030] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения турбомашина содержит компрессор, как заявленный в настоящем изобретении.
Преимущества
[0031] Изобретение делает возможным снижение концентрации напряжений между стенкой корпуса и платформами лопатки. Это преимущество достигается за счет плоской формы граней, которые являются совместимыми с плоскими поверхностями платформ. Эти поверхности являются недорогими в изготовлении, поскольку платформы можно просто подвергнуть механической обработке путем фрезерования.
[0032] Более того, такой способ крепления повышает точность ориентации лопаток, поскольку они опираются на плоские поверхности, которые сформированы точно. Точность ориентации лопатки не зависит от положения лопатки относительно грани потенциально до тех пор, пока опорная поверхность платформы лопатки остается расположенной в пределах грани, и/или до тех пор, пока установочный болт остается в зацеплении в соответствующем крепежном отверстии.
[0033] Соприкосновение между плоскими поверхностями облегчает регулирование ориентации хорды лопаток или угла лопаток, поскольку уровень концентрации напряжений и, следовательно, истирания снижается, если лопатка поворачивается на соответствующей ей грани.
Краткое описание графических материалов
[0034] На фиг. 1 показана осевая турбомашина согласно настоящему изобретению.
[0035] На фиг. 2 схематически показан компрессор турбомашины согласно настоящему изобретению.
[0036] На фиг. 3 показан вид по оси корпуса компрессора турбомашины согласно настоящему изобретению.
[0037] На фиг. 4 показана лопатка статора с платформой в соприкосновении с гранью корпуса согласно настоящему изобретению.
[0038] На фиг. 5 показан корпус с кольцевым рядом лопаток, платформы которых находятся в соприкосновении друг с другом в поперечном направлении, при этом ряд показан радиально наружу согласно настоящему изобретению.
[0039] На фиг. 6 показана часть стенки корпуса, к которой прикрепляется лопатка согласно настоящему изобретению.
Описание вариантов осуществления
[0040] В приведенном ниже описании термины "внутренний" и "наружный" относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины. Осевое направление проходит вдоль оси вращения, а радиальное направление является перпендикулярным к осевому направлению. Поперечное направление проходит вокруг окружности и может быть перпендикулярным к оси.
[0041] На фиг. 1 представлено упрощенное изображение осевой турбомашины. В этом случае это - двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую ступень сжатия, называемую компрессором 4 низкого давления, вторую ступень сжатия, называемую компрессором 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней 10 турбины. Во время работы механическая энергия турбины 10, передаваемая посредством центрального вала на ротор 12, приводит в действие два компрессора 4 и 6.
[0042] Компрессоры содержат несколько рядов лопаток ротора, связанных с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг своей оси 14 вращения обеспечивает создание потока воздуха и его постепенное сжатие до его входа в камеру 10 сгорания.
[0043] С ротором 12 соединен приточный вентилятор 16, создающий поток воздуха, разделяемый на первичный поток 18, проходящий через различные указанные выше ступени турбомашины, и вторичный поток 20, который проходит через кольцевой канал (показан частично) вдоль машины перед объединением с первичным потоком на выходе из турбины. Первичный и вторичный потоки 18, 20 являются кольцевыми потоками; они направляются посредством цилиндрических секций или кожухов, которые могут быть внутренними или наружными.
[0044] На фиг. 2 показано поперечное сечение компрессора осевой турбомашины, такой как показана на фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Показаны часть вентилятора 16 и разделяющий конец 22 для первичного потока 18 и вторичного потока 20. Ротор 12 может содержать несколько рядов лопаток 24 ротора, в данном случае три.
[0045] Компрессор 4 низкого давления может содержать по меньшей мере один направляющий аппарат, предпочтительно несколько направляющих аппаратов, в данном случае четыре, каждый из которых содержит кольцевой ряд лопаток 26 статора. Каждый направляющий аппарат связан с вентилятором 16 или с рядом лопаток 24 ротора для направления потока воздуха от него, чтобы преобразовывать скорость потока в давление.
[0046] Компрессор содержит по меньшей мере один корпус 28. Корпус 28 может быть в целом круглой или трубчатой формы. Он может быть наружным корпусом компрессора и может быть изготовленным из композиционных материалов, что способствует уменьшению его массы и в то же время оптимизации его жесткости. Корпус 28 может содержать крепежные фланцы 30, например, кольцевые крепежные фланцы 30, для крепления разделяющего конца 22 и/или для крепления к промежуточному корпусу вентилятора турбомашины. Корпус в таком случае служит для механической связи разделяющего конца 22 и промежуточного корпуса вентилятора. Корпус также применяется для центрирования разделяющего конца 22 относительно промежуточного корпуса, например, посредством его кольцевых фланцев. Кольцевые фланцы 30 могут быть выполнены из композиционного материала и содержать крепежные отверстия (не показаны) для обеспечения возможности крепления посредством болтов или крепежных болтов. Фланцы 30 могут иметь центрирующие элементы поверхности, такие как центрирующие отверстия.
[0047] Корпус 28 может иметь в целом круглую или полукруглую стенку 32, осевые кромки которой могут быть ограничены посредством фланцев 30. Стенка 32 может иметь профиль вращения вокруг оси 14 вращения. Стенка 32 может быть выполнена из композиционного материала, с матрицей и элементом жесткости. Стенка 32 может быть овальной формы, с изменяющимся радиусом вдоль оси 14.
[0048] Лопатки 26 статора проходят по существу радиально от стенки 32, в кольцевых зонах посадки лопаток. Эти зоны могут содержать крепежные средства, такие как кольцевые канавки или крепежные отверстия. Лопатки 26 могут быть закреплены в них по отдельности или образовывать лопаточные сегменты, прикрепляемые к стенке 32. Стенка образует механическую связь между несколькими лопатками в разных рядах и/или в одном ряду лопаток.
[0049] По меньшей мере одна или каждая лопатка 26 статора может содержать крепежную платформу 34, потенциально снабженную установочными болтами 36, такими как резьбовые стержни или любые другие эквивалентные средства. Во время работы лопатки 26 статора испытывают напряжения, вызываемые потоком. Эти напряжения может выдерживать только стенка 32, в дополнение к фактическому весу каждой лопатки. Эта компоновка подразумевает то, что стенка 32 может испытывать действие напряжений циклами, при этом указанные напряжения являются изменяющимися, поскольку во время работы турбомашины поток изменяется. Неравномерность напряжений приводит к сложным и комплексным типам деформации. Между платформами 34 лопаток стенка может содержать кольцевые слои истираемого материала 38, чтобы образовывать барьер между первичным потоком 18 и стенкой 32.
[0050] Корпус 28 или по меньшей мере его стенка 32 может быть выполнен из композиционного материала. Композиционный материал может быть получен с применением предварительно пропитанного волокнистого элемента жесткости, отвержденного путем обработки в автоклаве или впрыскивания. Впрыскивание может предусматривать пропитывание волокнистого элемента жесткости полимером, который может быть органическим, таким как эпоксидная смола. Пропитка может предусматривать применение способа литьевого прессования полимера (RTM).
[0051] Волокнистый элемент жесткости может быть тканой заготовкой, потенциально сплетенной трехмерной, или содержать штабель или рулон разных волокнистых листов или волокнистых прядей, которые могут проходить вдоль стенки и по меньшей мере по одному или нескольким фланцам. Пряди могут содержать углеродные волокна, и/или графитовые волокна, и/или стекловолокна для предотвращения контактной коррозии, и/или волокна кевлар, и/или волокна из углерода и титана. В случае применения вышеупомянутых материалов толщина корпуса турбомашины может составлять 3-5 мм для диаметра, величина которого превышает 1 метр.
[0052] Корпус может быть образован из полусфер или половин корпуса, разделенных вдоль осевой плоскости. Полусферы корпуса соединяются посредством осевых фланцев.
[0053] На фиг. 3 показана полусфера корпуса осевой турбины, например, наружного корпуса компрессора, который может быть низкого давления. Корпус показан в осевом направлении от стороны впуска. Идею настоящего изобретения можно применять в любом корпусе турбомашины, таком как корпус вентилятора или корпус турбины.
[0054] Стенка 32 выполнена с внутренней криволинейной поверхностью 40. Внутренняя поверхность 40 может иметь непрерывную кривизну по окружности круглой стенки и/или в осевом направлении. Внутренняя поверхность 40 может быть круглой относительно оси 14 вращения турбомашины и потенциально ориентированной по направлению к указанной оси. Стенка 32 или по меньшей мере внутренняя поверхность 40 может быть кольцевой и в целом потенциально трубчатой. По окружности кривая внутренней поверхности 40 может быть ровной, а при необходимости - постоянной. Кривая может изменяться в осевом направлении, например, она может быть более изогнутой в направлении к стороне выпуска. Внутренняя поверхность 40 может быть частью конической поверхности, частью шаровидной или при необходимости сферической поверхности или сочетанием каждой из этих поверхностей.
[0055] Осевая длина стенки 32 может быть больше, чем минимальный радиус внутренней поверхности стенки, и ее осевая длина может быть равной или превышать минимальный радиус внутренней поверхности стенки 32. Осевая длина измеряется вдоль оси 14 вращения.
[0056] Стенка 32 содержит по меньшей мере одну грань 42, предпочтительно несколько граней 42, потенциально расположенных в кольцевом ряду по окружности стенки 32. Каждая грань 42 выполнена с плоской поверхностью. Грани 42 в ряду могут быть распределены под углом. Стенка 32 может содержать несколько кольцевых рядов граней 42, при этом ряды могут быть распределены вдоль осевой длины стенки 32. По меньшей мере одна или каждая грань 42 выполнена вровень с внутренней поверхностью 40 стенки. "Выполненная вровень" означает, что грань находится на одном уровне с внутренней поверхностью, и/или продолжает, и/или касается ее.
[0057] Грани 42 могут иметь разные формы, а грани в одном ряду могут быть одинаковой формы. Каждый ряд может содержать грани разной формы. Грани 42 могут быть выполнены дискообразными, овальными. Средние диаметры граней 42 могут изменяться постепенно; они могут увеличиваться по направлению к краю стенки 32, имеющей минимальный диаметр.
[0058] Грани 42 в определенном ряду могут быть отделенными друг от друга. Они, следовательно, могут быть разделены частями внутренней поверхности, обладающими непрерывной кривизной. Каждая грань 42 в определенном ряду может быть окружена внутренней поверхностью 40. Грани 42 в определенном ряду могут быть направленными по касательной друг к другу; они могут находиться в соприкосновении в точках соприкосновения. В качестве альтернативы грани в определенном ряду могут быть усеченными в поперечном направлении. Эти грани могут быть смежными вдоль линий 44 соединения, которые могут образовывать усеченные области. Эти смежные грани могут образовывать непрерывную кольцевую поверхность, которая рассекает и/или делит внутреннюю поверхность 40 стенки 32 в осевом направлении. Внутренняя поверхность 40 может продолжаться перед и/или после соответствующего ряда граней 42.
[0059] Одна или каждая грань 42 может содержать крепежные средства, такие как крепежное отверстие 46, которые могут взаимодействовать с установочным болтом для лопатки. Предпочтительно, каждое крепежное отверстие 46 выполнено в центре соответствующей грани. Крепежные отверстия 46 могут быть расположены в один или несколько кольцевых рядов. Они могут быть распределены в осевом направлении вдоль стенки 32.
[0060] По меньшей мере один или каждый осевой фланец 48 может быть выполнен за одно целое со стенкой 32, наряду с по меньшей мере одним или каждым кольцевым фланцем 30. В качестве альтернативы к стенке может быть прикреплен по меньшей мере один тип фланца или каждый фланец. Например, стенка может быть выполнена из композиционного материала, а фланцы могут быть выполнены из металла и прикрепляться к стенке.
[0061] На фиг. 4 показана лопатка турбомашины, например, лопатка 26 статора направляющего аппарата компрессора низкого давления. Лопатка может быть также лопаткой турбины.
[0062] Лопатка 26 содержит тело 50 или перо, образующее поверхность определенной формы, спроектированную проходить в первичный поток. Ее форма делает возможным изменение потока. Головка лопатки на противоположном конце от платформы 34 может содержать приспособления, делающие возможным прикрепление к внутреннему кожуху.
[0063] Платформа 34 может быть в целом плоской формы. Она может содержать по меньшей мере одну или две более тонких зоны 52 и потенциально также более толстую зону 54. Более толстая зона 54 может быть окружена более тонкой зоной 52 или расположена между двумя более тонкими зонами 52. Установочный болт 36 может проходить в противоположном направлении относительно пера 50 лопатки. Платформа или каждая платформа 34 имеет опорную поверхность 56, предназначенную для создания опоры на грани, чтобы расположить и ориентировать лопатку, и опорная поверхность 56 может быть образована в более толстой зоне 54.
[0064] На фиг. 5 показана модель платформы лопатки снаружи. Перо 50 лопатки, которое расположено на другой стороне платформы 34, показано посредством пунктирной линии. Модели платформы могут изменяться от одного ряда лопаток к другому.
[0065] Платформа 34 может быть в целом четырехугольной формы, такой как прямоугольник, трапеция или параллелограмм. Профиль платформы 34 содержит две взаимно противоположные боковые кромки 58, которые могут находиться в соприкосновении с соседними боковыми кромками 58 других лопаток в определенном ряду. Боковые кромки 58 могут быть изогнутыми или согнутыми для ограничения ее вращения при затягивании ее креплений. Форма платформы 34 может иметь вид перевернутой буквы "Z".
[0066] Платформа 34 выполнена из металла, предпочтительно из титана. Она также может быть выполнена из композиционного материала с органической матрицей. Она может быть выполнена за одно целое с телом лопатки 26. Для обеспечения точной формы ее профиль подвергается механической обработке и потенциально шлифуется для соблюдения жестких допусков.
[0067] Более толстая зона 54 может быть дискообразной, при этом установочный болт 36 потенциально размещается в центре диска и/или прямоугольника. Диск может быть усеченным в поперечном направлении, например, с двух сторон.
[0068] На фиг. 6 показана лопатка 26 статора, прикрепленная к стенке 32.
[0069] Стенка 32 может иметь в целом постоянную толщину, например, быть вровень с по меньшей мере одной или каждой гранью 42. Ее наружная поверхность 60 может быть криволинейной вровень с каждой гранью 42, предпочтительно с кривой, которая является ровной непрерывно, и/или по окружности, и/или в осевом направлении там, где она проходит через каждую грань 42. В качестве альтернативы рядом с по меньшей мере одной гранью 42, предпочтительно рядом с каждой гранью, наружная поверхность 60 стенки 42 может содержать ровный участок 62. Один или каждый ровный участок 62 может быть параллельным соответствующей грани. Ровный участок 62 образует ровную поверхность, которая может быть гладкой. Он может создавать нарушение кривизны наружной поверхности 60. Ровный участок обеспечивает ровную поверхность для средств 64 фиксации установочного болта 36.
[0070] Платформа или каждая платформа 34 может находиться в соприкосновении с внутренней поверхностью 40 стенки 32 исключительно своей опорной поверхностью 56, в более толстой зоне 54. Более тонкая зона или каждая более тонкая зона может быть физически отделена от стенки. Истираемый материал 38 может вставляться между более тонкими зонами и стенкой, а истираемый материал 38 может заканчиваться у кромок более толстой зоны или каждой более толстой зоны.
[0071] Грань или каждая грань 42 создает нарушение во внутренней поверхности 40. Профиль по меньшей мере одной или каждой грани 42 может образовывать линию разрыва в кривизне внутренней поверхности. Вокруг каждой грани 42 касательные внутренней поверхности могут проходить под углом относительно грани 42. Грани 42 могут образовывать на внутренней поверхности 40 ровные части, при этом ровные части обращены внутрь. Стенка характеризуется непрерывностью материала между гранями и внутренней поверхностью и потенциально геометрической несплошностью.