УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕНТРИРОВАНИЯ ДЕТАЛИ ВНУТРИ ПОЛОГО ВАЛА И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DEVICE FOR ALIGNING PART INSIDE HOLLOW SHAFT AND GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к устройству для центрирования детали внутри вала, в частности, в газотурбинном двигателе, таком как авиационный турбореактивный двигатель.
В двухконтурных турбореактивных двигателях вал турбины низкого давления является полым и может содержать трубу, часто называемую «центральный вентиляционный канал», предназначенную для обдува необработанным воздухом подшипников ротора низкого давления, обеспечивающего удаление воздуха с маслом к выходу турбореактивного двигателя.
Обычно эта труба расположена по всей длине вала ротора, и ее концы вращаются вместе с ротором.
Учитывая ее значительную длину и относительно тонкую стенку, труба обычно удерживается одним или несколькими центрирующими кольцами, содержащими средства опоры на внутреннюю стенку вала.
Однако вал компрессора низкого давления имеет обычно переменный внутренний диаметр и содержит буртики или сужения, предназначенные для улучшения динамической характеристики турбореактивного двигателя. Для установки внутрь вала на расстоянии от его концов центрирующие кольца должны, таким образом, иметь возможность переходить через буртики или сужения внутренней поверхности вала.
Для этого известные центрирующие кольца обычно монтируются с натягом с помощью винтовых систем и расширителей, которые могут привести к ошибкам позиционирования колец и повреждению внутренней поверхности вала.
Кроме того, монтаж таких колец требует использования относительно дорогого специального инструмента.
Кроме того, известные центрирующие кольца оказываются весьма громоздкими для их использования в малогабаритных турбореактивных двигателях, имеющих обычно диаметр вентилятора, меньший сорока дюймов, то есть, примерно, один метр.
В документе DE 10210954-A1 описана турбина, содержащая постоянно вращающийся цилиндрический корпус, внутри которого установлен диск, движущийся одновременно с вращающимся валом. Корпус закреплен спицами из материала с памятью формы, по которым последовательно пропускают электрический ток для их нагрева и укорочения, что заставляет вращаться диск внутри корпуса и приводить во вращение вал, вращающийся вместе с диском.
Задачей изобретения является, в частности, простое, экономичное и эффективное решение упомянутых проблем, позволяющее исключить недостатки известных технических решений.
Объектом изобретения является, в частности, устройство для центрирования детали, такой как труба, внутри вала, установка которой на место не требует специального инструмента и не вызывает повреждений вала, что позволяет использовать его в турбореактивных двигателях малого размера.
Для этого предлагается устройство для центрирования детали внутри полого вала, в особенности для газотурбинного двигателя, содержащее деформируемые средства, размещаемые между деталью и полым валом и содержащие элементы опоры на внутреннюю поверхность вала, при этом эти элементы опоры выполнены с возможностью отвода от внутренней поверхности вала для их перемещения внутри вала, отличающееся тем, что деформируемые средства выполнены, по крайней мере, частично из материала с памятью формы, способного деформироваться для того, чтобы прижимать элементы опоры к внутренней поверхности вала или отводить их, когда материал подвергается воздействию заранее заданной температуры.
Устройство по изобретению может переходить при простом изменении температуры из положения сжатия элементов опоры, в котором оно имеет уменьшенные размеры вокруг детали, размещенной внутри вала, в положение раскрытия элементов опоры, обеспечивающее центрирование детали относительно внутренней стенки вала.
t
t
t
В первом варианте осуществления изобретения деформируемые средства, предпочтительно, соответствуют положению опоры на вал при температуре T перехода материала с памятью формы, затем сжимаются под механическим напряжением при температуре, меньшей температуры перехода T, для того чтобы затем иметь возможность вследствие эффекта памяти формы прижимать элементы опоры к валу в результате деформации элемента с памятью формы, когда последний нагрет до температуры, превышающей температуру перехода T.
Благодаря малым габаритным радиальным размерам, получаемым при сжатии, устройство по изобретению может быть легко введено внутрь вала и переведено через возможные сужения и буртики его внутренней стенки.
Как только устройство установлено на место, его элементы опоры на вал для центрирования детали требуют только нагрева без осуществления какого-либо необходимого механического контакта с устройством.
t
Температура перехода T материала с памятью формы предпочтительно превышает 100°С.
Такая температура перехода позволяет минимизировать риски несвоевременного расширения устройства.
t
t
t
В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения деформируемые средства предпочтительно подвергаются термомеханическим циклам, в которых они шаг за шагом приближаются к положению расширения до температуры, превышающей T, для того чтобы в последующем обеспечить упор элементов опоры в полый вал за счет деформации материала с памятью формы, когда последний нагрет до температуры, превышающей температуру перехода T, и сжать элементы опоры за счет деформации материала с памятью формы, когда последний охлажден до температуры, меньшей температуры перехода T.
Этот второй вариант осуществления основывается на использовании двойного эффекта памяти формы, требующего фазы тренировки, включающей термомеханические циклы, и осуществляющего одновременно сжатие и расширение элементов простым изменением температуры для того, чтобы облегчить и сделать более точным не только монтаж, но и демонтаж устройства, например, при операциях обслуживания.
t
Температура перехода T предпочтительно составляет от -90°С до -50°С.
Такая температура перехода ниже обычных температур эксплуатации самолета и позволяет, таким образом, исключить несвоевременные сжатия устройства при использовании подходящих средств охлаждения, например, таких как жидкий азот.
Деталью может являться труба, такая как вентиляционный воздуховод, иногда называемая «центральный вентиляционный канал», предназначенный для обдува необработанным воздухом подшипников суппорта и направления вала.
В первом варианте осуществления деформируемые средства содержат стержни из материала с памятью формы, радиально внутренние концы которых закреплены на внешней поверхности трубы, а радиально внешние концы несут площадки для опоры на внутреннюю поверхность вала, при этом радиально внешний конец каждого стержня выполнен с возможностью радиального изгиба вниз за счет деформации материала с памятью формы для отвода от внутренней поверхности вала соответствующей площадки опоры.
Конструкция этого устройства имеет меньший вес и позволяет использовать стержни из материала с памятью формы, которые относительно распространены на рынке.
Предпочтительно, каждая площадка опоры имеет форму кольцевого сектора, повторяющего форму внутренней поверхности вала в раскрытом положении, при этом комплекс площадок опоры в сжатом положении образует практически непрерывное кольцо, окружающее трубу.
Такая конфигурация позволяет оптимизировать возможности центрирования устройства при уменьшении его радиального габаритного размера.
Во втором варианте осуществления деформируемые средства содержат кольцо из материала с памятью формы, установленное вокруг трубы и способное принять овальную или многоугольную форму за счет деформации материала с памятью формы таким образом, чтобы одна часть его внутренней поверхности опиралась на внешнюю поверхность трубы, а другая часть внешней поверхности опиралась на внутреннюю поверхность вала для центрирования трубы.
Кольцо играет одновременно роль деформируемого средства и элемента опоры, поэтому устройство имеет особенно повышенную износостойкость.
В третьем варианте осуществления деформируемые средства содержат кольцо, установленное вокруг трубы, и включают пластинки из материала с памятью формы, распределенные вокруг кольца, при этом каждая пластинка размещена между внешней поверхностью кольца и площадкой опоры и выполнена с возможностью изгибаться и принимать форму арки за счет деформации материала с памятью формы таким образом, чтобы края пластинки опирались на внешнюю поверхность кольца, а средняя часть пластинки радиально выдвигала площадку опоры в сторону внутренней поверхности вала для центрирования трубы.
Такая конфигурация позволяет ограничить количество используемого материала с памятью формы и требует только простых геометрических деформаций, что значительно облегчает фазу предварительной тренировки материала с памятью формы.
Предпочтительно, кольцо содержит на внешней поверхности выемки, в которых размещаются пластинки из материала с памятью формы и площадки опоры, при этом последние имеют, предпочтительно, радиально внешнюю поверхность, которая располагается на одном уровне с внешней поверхностью кольца в положении сжатия.
Такая конфигурация обеспечивает минимальный радиальный габаритный размер.
Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, такому как турбореактивный двигатель самолета, отличающегося тем, что он содержит, по меньшей мере, одно устройство для центрирования описанного выше типа.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 схематично изображает вид в аксиальном разрезе газотурбинного двигателя известного типа;
- фиг.1а изображает в увеличенном масштабе деталь 1а по фиг.1;
фиг.2 и 3 схематично изображают частичные виды в поперечном разрезе в более крупном масштабе вала компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего устройство для центрирования по первому варианту осуществления изобретения соответственно в положении сжатия и раскрытия;
- фиг.4 и 5 являются соответственно видами, подобными видам по фиг.2 и 3 устройства для центрирования по второму варианту осуществления изобретения;
- фиг.6 и 7 являются соответственно видами, подобными видам по фиг.2 и 3 устройства для центрирования по третьему варианту осуществления изобретения.
Фиг.1 изображает двухконтурный турбореактивный двигатель 10 самолета известного типа, содержащий, в основном, расположенные со входа на выход вентилятор 12, компрессор 14 низкого давления, компрессор 16 высокого давления, камеру сгорания 18, размещенную в кольцевом пространстве, турбину 20 высокого давления, турбину 22 низкого давления и выхлопной картер 24.
При работе, как известно, ротор турбины 22 низкого давления приводит во вращение вокруг оси 25 турбореактивного двигателя вал 26, установленный в сторону выхода на двух подшипниках 28 и 30, и окруженный на входе валом 32, установленным на двух подшипниках 34 и 36 и связанным с вентилятором 12 и компрессором 14 низкого давления, при этом вал 26 турбины 22 низкого давления вращается одновременно с валом 32 вентилятора 12 и компрессора 14 низкого давления для привода последних во вращение.
Вал 26 турбины низкого давления проходит от компрессора 14 низкого давления к турбине 22 низкого давления и продолжен к выходу полой трубкой 38, выходной конец которой установлен в выхлопном картере 24.
Кроме того, вал 26 турбины низкого давления является полым и имеет внутреннюю поверхность 40, профилированную для оптимизации динамических характеристик турбореактивного двигателя.
Турбореактивный двигатель 10 содержит трубу 42, иногда называемую «центральным вентиляционным каналом», который размещен внутри вала 26 турбины низкого давления для обдува необработанным воздухом входных 34, 36 и выходных 28, 30 подшипников.
Эта труба 42 вращается одновременно с валом 26 турбины низкого давления своим входным концом и с полой трубкой 38 вала 26 своим выходным концом.
Из-за ее длины и малой жесткости и в связи с малой толщиной ее стенки труба 42 имеет опасность изгиба внутри вала 26 турбины низкого давления, способного вызвать дисбаланс, ухудшающий рабочие характеристики турбореактивного двигателя 10.
Для исключения опасности изгиба труба 42 содержит устройство 48 для центрирования известного типа, расположенное в средней зоне трубы 42 практически на равном расстоянии от концов трубы 42 и предназначенное для центрирования трубы 42 внутри вала 26.
Как изображено на фиг.1а, устройство 48 для центрирования содержит кольцо 50, установленное вокруг внешнего кольцевого выступа 52 стенки трубы 42, при этом кольцо 50 имеет внешнюю резьбу 54 на выходном конце 56 и внешнюю стенку 58 в форме усеченного конуса, сечение которой уменьшается к выходу от ее входного конца 60.
Разрезное эластичное кольцо 62 с внутренней стенкой в форме усеченного конуса установлено вокруг стенки 58 в форме усеченного конуса кольца 50 и аксиально удерживается гайкой 64 с внутренней резьбой, совпадающей с резьбой 54 кольца.
Монтаж этого эластичного кольца 62 обеспечивается путем скольжения вокруг кольца 50 выходным концом 56 последнего без гайки 64, затем гайку 64 навинчивают на внешнюю резьбу 54 кольца для того, чтобы продвинуть кольцо 62 к входной части вокруг стенки 58 в форме усеченного конуса кольца и вызвать, таким образом, расширение кольца 62.
Кольцо 62 имеет, например, периферийную поверхность с практически квадратным сечением, выполненную со скругленными углами, кривизна которых соответствует внутренней стенке 40 вала 26 турбины низкого давления таким образом, что расширение кольца 62 вызывает усиление упора углов кольца во внутреннюю поверхность вала 26, что обеспечивает центрирование трубы 42 относительно вала 26.
Установка кольца 62 должна быть осуществлена после позиционирования трубы 42 внутри вала 26 турбины низкого давления для обеспечения прохода трубы 42 в зоны вала с меньшим внутренним диаметром, чем внутренний диаметр в средней зоне, предназначенной для установки устройства 48 для центрирования.
В связи с этим установка кольца 62 является сложной и требует использования специфических инструментов, позволяющих разместить на месте кольцо 62 и завинтить гайку 64 внутри вала 26 на расстоянии от концов последнего.
Кроме того, описанное выше устройство 48 для центрирования оказывается слишком громоздким для использования в двигателях малых размеров, таких как двигатели, имеющие вентилятор с диаметром, меньшим сорока дюймов, то есть, примерно, равным одному метру.
Для исключения этих недостатков изобретение предлагает устройство для центрирования, способное перейти от сжатого состояния для установки трубы 42 внутри вала 26 турбины низкого давления к раскрытому состоянию для центрирования трубы 42 относительно вала 26 без использования особого монтажного инструмента, при этом устройство имеет, кроме того, уменьшенные габариты, делающие возможным их установку в двигатели малого размера.
Для этого предложенное устройство для центрирования содержит деформируемые средства, использующие способность некоторых материалов, часто называемых материалами с памятью формы, изменять форму под действием изменения температуры.
В первом варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.2 и 3, деформируемые средства являются стержнями 66, выполненными из материала с памятью формы, способного реализовать простой эффект памяти формы, такого, например, как сплав никеля и титана, иногда называемого нитинолом.
Каждый стержень 66 является практически радиальным или наклоненным относительно радиуса и имеет радиально внутренний конец, закрепленный во внешней поверхности трубы 42, например, сваркой или пайкой, и радиально внешний конец, несущий площадку опоры 68, образованную кольцевым сектором из обычного материала, такого как сталь, и предназначенным для упора во внутреннюю поверхность 40 вала 26, при этом площадка 68 закреплена на стержне 66 также сваркой, пайкой или подобным образом.
В сжатом состоянии, представленном на фиг.2, радиально внешние концы стержня 66 искривлены внутрь таким образом, что площадки 68 расположены встык на небольшом расстоянии от трубы 42 и образуют практически непрерывное кольцо.
В раскрытом состоянии, изображенном на фиг.3, стержни 66 выпрямлены таким образом, что площадки опоры 68 отходят от трубы 42 и прижимаются к внутренней стенке 40 вала 26 турбины низкого давления для обеспечения центрирования трубы 42 относительно вала 26.
Распрямление стержней 66 из их сжатого состояния осуществляется благодаря простому эффекту памяти формы.
t
t
Стержни 66 предварительно находятся в раскрытом состоянии под действием температуры, превышающей температуру перехода T материала памяти формы, в связи с тем, что последний находится в аустенитной фазе. Затем устройство 66, 68 для центрирования механически сжимается под воздействием площадок опоры 68 радиально внутрь, и все это под действием температуры, меньшей упомянутой температуры перехода T, в связи с тем, что материал с памятью формы находится теперь в мартенситной фазе.
Устройство 66, 68 для центрирования можно теперь смонтировать на трубу 42 вне вала 26, а затем установить на место внутрь вала 26.
t
Таким образом, для центрирования трубы 42 достаточно довести стержни 66 устройства для центрирования до температуры, превышающей температуру перехода T в аустенитной фазе материала этих стержней, например, путем пропускания горячего воздуха внутри вала 26 для того, чтобы этот материал перешел в аустенитную фазу и вызвал деформацию стержней 66 благодаря простому эффекту памяти формы до такого состояния, чтобы они приняли первоначальную форму в аустенитной фазе, соответствующую состоянию раскрытия устройства 66, 68 для центрирования.
t
Предпочтительно, чтобы материал с памятью формы, выбранный для изготовления стержней 66, имел достаточно высокую температуру T, например, превышающую 100°С, для исключения рисков несвоевременного раскрытия устройства для центрирования.
Описанное выше устройство является достаточно компактным в положении сжатия для преодоления зон вала с уменьшенным диаметром без риска повреждения внутренней стенки вала.
Данное устройство может быть без риска использовано в двигателях малого диаметра.
Фиг.4 и 5 изображают второй вариант осуществления изобретения, в котором деформируемые устройства для центрирования содержат кольцо 70, выполненное из материала с памятью формы, имеющего двойной эффект памяти формы, например, типа CuAlNi, CuZnAl, CuAlBe, NiTi, а также NiTiNb для обеспечения одновременно раскрытия и сжатия устройства путем его нагрева или охлаждения.
t
t
Для осуществления двойного эффекта памяти формы кольцо 70 проходит предварительно фазу тренировки, содержащую серию термомеханических циклов, в которых оно попеременно переходит из кольцевой геометрии под воздействием температуры, меньшей температуры перехода T материала с памятью формы в аустенитной фазе, так чтобы переход этого материала, в таком случае, осуществлялся в мартенситную фазу с овальной геометрией путем удлинения кольца в плоскости 72, содержащей ось 25 вала 26 под воздействием температуры, превышающей температуру перехода T материала с памятью формы, чтобы этот материал в этом случае оказался в аустенитной фазе.
Далее кольцо 70 может монтироваться на трубу 42.
Фиг. 4 изображает устройство в сжатом состоянии, когда кольцо 70 имеет кольцевую геометрию с уменьшенными радиальными габаритами для охвата трубы 42 таким образом, чтобы обеспечить проход трубы 42 через сужение внутренней стенки вала 26 без опасности для последней.
t
Материал с памятью формы, из которого сделано кольцо 70, имеет отрицательную температуру перехода T, составляющую, примерно, от -90°С до -50°С, для исключения риска несвоевременного сужения устройства, обеспечивая фазовый переход в промышленных условиях.
t
Введение устройства в сжатом состоянии, представленном на фиг.4, может быть начато путем охлаждения последнего ниже температуры перехода T, например, погружением устройства в жидкий азот, который может быть легко введен в вал 26.
Фиг.5 изображает устройство в раскрытом состоянии, при этом кольцо 70 имеет овальную форму такую, что две зоны 74, 76 его внутренней поверхности, размещенные в области плоскости 72 удлинения кольца, прижимаются к внутренней поверхности 40 вала 26, в то время как две зоны 78, 80 его внутренней поверхности, которые размещены в плоскости 82, включающей ось вала 25 и перпендикулярной плоскости 72 удлинения кольца, продолжают быть прижатыми к внешней поверхности трубы 42.
Такая конфигурация также обеспечивает центрирование трубы 42 относительно вала 26.
t
Введение устройства в такой конфигурации может быть начато путем возврата устройства к температуре, превышающей температуру перехода T материала с памятью формы, например, простым возвратом к температуре окружающей среды.
Таким образом, устройство остается раскрытым при рабочих температурах турбореактивного двигателя без риска нежелательного сжатия.
Преимущества использования двойного эффекта материала с памятью формы заключается в возможности начала сжатия устройства для центрирования, когда оно установлено внутри вала 26, например, при техническом обслуживании, путем простого охлаждения устройства.
Как вариант, кольцо 70 может иметь в раскрытом состоянии многоугольную форму со скругленными вершинами или любую геометрию эквивалентной природы, позволяющую осуществить упор определенных внешних частей кольца 70 во внутреннюю поверхность 40 вала 26 при удержании трубы 42 в состоянии упора в определенные внутренние части кольца 70.
В третьем варианте осуществления, представленном на фиг. 6 и 7, деформируемые средства содержат площадки 84 из материала с памятью формы, имеющего двойной эффект памяти формы, которые размещены между кольцом 86 и площадками опоры 88.
Кольцо 86, которое, например, выполнено из обычного материала, такого как сталь, содержит полые части или выемки 90, образованные на его внешней поверхности и равномерно распределенные вокруг оси 25 кольца, причем этих выемок 90 может быть, например, четыре.
t
t
Каждая выемка 90 имеет, например, форму усеченного конуса с плоским дном и предназначена для размещения площадки опоры 88 практически совпадающей формы, выполненной, например, из материала, аналогичного материалу кольца 86, и пластинки 84 из материала с памятью формы, расположенной между площадкой опоры 88 и дном выемки 90 и выполненной таким образом, чтобы выдвигать площадку опоры 88 радиально наружу, когда пластинка подвергается воздействию температуры, превышающей температуру T материала с памятью формы, и убирать площадку 88 радиально внутрь выемки 90, когда она подвергается воздействию температуры, меньшей температуры перехода T.
t
t
Для осуществления двойного эффекта памяти формы пластинки 84 подвергаются предварительной тренировке, включающей серию термомеханических циклов, в которой каждая пластинка 84 попеременно имеет плоскую геометрию при температуре, меньшей температуры перехода T материала с памятью формы в аустенитной фазе, таким образом, чтобы этот материал оказался в мартенситной фазе, и арочную геометрию при температуре, превышающей температуру перехода T таким образом, чтобы этот материал оказался в аустенитной фазе.
Пластинки 84 затем могут быть установлены между площадками опоры 88 и дном выемок 90 кольца 86 так, чтобы две противоположные грани 92 каждой пластинки 84 были жестко соединены с дном соответствующей выемки 90 пайкой, сваркой или подобным образом и чтобы средние зоны 94 радиально внешней поверхности каждой пластинки 84 были жестко соединены с радиально внутренней поверхностью 96, соответствующей площадке опоры 88, также пайкой, сваркой или подобным образом.
Фиг.6 изображает устройство в сжатом состоянии, при этом пластинки 84 находятся в плоском положении таким образом, что площадки опоры 88 не контактируют с внутренней поверхностью вала 26 и радиальный габаритный размер устройства уменьшен до минимума. В частности, в представленном примере радиально внутренняя поверхность 98 каждой площадки опоры находится на одном уровне с внешней поверхностью 100 кольца 86.
t
Используемый материал с памятью формы, как и в предыдущем примере, имеет отрицательную температуру перехода T, находящуюся, примерно, между -90°С и -50°С, для исключения риска несвоевременного сжатия устройства, при этом переход устройства в состояние сжатия, представленного на фиг.6, может осуществляться путем погружения устройства в жидкий азот или аналогичным образом.
Фиг.7 изображает устройство в состоянии раскрытия, при этом пластинки 84 находятся в арочном положении таким образом, что каждая радиально внешняя поверхность 98 каждой площадки опоры 88 прижата к внутренней поверхности 40 вала 26 для центрирования трубы 42.
Переход устройства в это положение может, как и в предыдущем примере, обеспечиваться возвратом к окружающей температуре.
Три описанных выше варианта осуществления представлены в качестве неограничивающего примера изобретения как с точки зрения его геометрии, так и использования простого или двойного эффектов памяти формы.
В частности, двойной эффект памяти формы типа, описанного во втором и третьем вариантах осуществления, может быть скомбинирован с геометрией первого варианта осуществления, чтобы использовать описанные выше преимущества реверсивности, например, для облегчения операции технического обслуживания. Конечно, это требовало бы этапа тренировки стержней, аналогичного этапу, описанному выше.
Изобретение применимо для центрирования любой детали в трубе или полом валу и, преимущественно, но не исключительно, для центрирования «центральной вентиляционной трубы» в полом валу турбины газотурбинного двигателя.