КОМПРЕССОР ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ И ОСЕВАЯ ТУРБОМАШИНА
COMPRESSOR OF AXIAL TURBINE MACHINE AND AXIAL TURBINE MACHINE

Область техники
[0001] Изобретение относится к области уплотнения, допускающего вращение, в компрессоре осевой турбомашины. Более конкретно, изобретение относится к щеточному уплотнителю осевой турбомашины. Еще конкретнее, изобретение относится к щеточному уплотнителю между внутренней втулкой и ротором компрессора осевой турбомашины. Изобретение также относится к осевой турбомашине.
Уровень техники
[0002] Для повышения производительности турбинного двигателя необходимо уменьшить утечки и рециркуляцию рабочей текучей среды. Для этого необходимо снабдить турбинный двигатель кольцевыми уплотнителями между ротором и статором. Турбомашина может содержать несколько компрессоров, включая компрессор низкого давления. Для обеспечения уплотнения в таком компрессоре можно использовать кольцевой щеточный уплотнитель.
[0003] Данный тип уплотнителя может способствовать обеспечению уплотнения между внутренней втулкой спрямляющего аппарата и ротором компрессора. Щеточные уплотнители содержат множество щетинок, которые могут быть ориентированы в осевом направлении. Преимущественно щетинки являются гибкими, поскольку это обеспечивает радиальные и осевые перемещения ротора относительно статора, в то же время сохраняя уплотнение, при этом не разрушая щеточный уплотнитель.
[0004] В опубликованном патентном документе DE 102005042272 A1 описан компрессор авиационного турбинного двигателя, содержащего ротор и статор. Последний содержит спрямляющий аппарат, снабженный кольцевым рядом лопастей, поддерживающих внутреннюю втулку. Ротор содержит два кольцевых ряда лопастей, расположенных спереди и сзади внутренней втулки. Ротор содержит две кольцевые платформы, от которых лопасти ротора проходят в радиальном направлении. Турбомашина содержит кольцевые щеточные уплотнители, обеспечивающие уплотнение между внутренней втулкой спрямляющего аппарата и платформами лопастей. Эти уплотнители расположены спереди и сзади внутренней втулки и предотвращают циркуляцию потока между внутренней втулкой и ротором. Однако разности давлений стремятся прижать задний уплотнитель к платформе ротора, что приводит к быстрому износу.
[0005] Кроме того, наличие заднего уплотнителя требует предоставления нескольких ступеней на внутренней поверхности огибающей поверхности текучей среды. Эти передние и задние ступени разбивают поток, что ухудшает производительность компрессора. Благодаря данной конфигурации появляется осевой зазор между рядом лопастей статора и рядом лопастей ротора, размещенных сзади по потоку.
Сущность изобретения
Техническая проблема
[0006] Целью изобретения является решение по меньшей мере одной из технических проблем, известных из уровня техники. Более конкретно, целью изобретения является повышение срока службы щеточного уплотнителя, расположенного на внутренней втулке. Целью изобретения также является повышение компактности компрессора при помощи прикрепленного щеточного уплотнителя, щетинки которого проходят в осевом направлении.
Техническое решение
[0007] Изобретение направлено на компрессор осевой турбомашины, содержащий: статор, имеющий кольцевой ряд лопастей статора, проходящих в радиальном направлении, кольцевую внутреннюю втулку, расположенную на внутренних концах лопастей статора, кольцевой щеточный уплотнитель, размещенный на внутренней втулке; ротор, имеющий кольцевую уплотнительную поверхность, размещенную на задней стороне ряда лопастей статора и взаимодействующую со щеточным уплотнителем для обеспечения уплотнения между внутренней втулкой и ротором, при этом стоит отметить, что кольцевая поверхность окружает щеточный уплотнитель.
[0008] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения щеточный уплотнитель содержит щетинки, проходящие в целом в осевом направлении и которые в целом направлены по касательной к кольцевой поверхности или в целом расположены на одной линии с ней, при этом щетинки предпочтительно в целом плотно прилегают к внутренней огибающей поверхности потока, проходящего через компрессор. Некоторые щетинки могут быть в целом направлены по касательной к кольцевой поверхности или в целом быть расположены на одной линии с ней, тем самым последняя может иметь прямой или изогнутый профиль вращения.
[0009] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения кольцевая поверхность в целом имеет форму цилиндра, или в целом имеет форму усеченного конуса, или кольцевая поверхность имеет изогнутый профиль вращения, который плотно прилегает к внешней поверхности щеточного уплотнителя.
[0010] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения щеточный уплотнитель размещен в осевом направлении на заднем крае внутренней втулки, при этом щеточный уплотнитель предпочтительно проходит в осевом направлении от края внутренней втулки.
[0011] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения щеточный уплотнитель встроен в радиальном направлении в толщу внутренней втулки, при этом предпочтительно радиальная толщина профиля вращения щеточного уплотнителя меньше, чем средняя радиальная толщина внутренней втулки.
[0012] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения ротор содержит кольцевой ряд лопастей ротора, размещенных сзади лопастей статора по потоку, и кольцевую платформу, размещенную в радиальном направлении на внутреннем конце лопастей ротора, при этом платформа содержит кольцевую трубчатую гильзу, внутренняя поверхность которой образует кольцевую поверхность.
[0013] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения кольцевая поверхность размещена в осевом направлении на расстоянии от лопастей статора, при этом предпочтительно лопасти ротора, по меньшей мере частично, в осевом направлении перекрывают щеточный уплотнитель.
[0014] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения ротор содержит по меньший мере одну радиальную кольцевую канавку для радиального удерживания лопастей ротора и которая открыта в радиальном направлении наружу, при этом лопасти ротора содержат удерживающие ножки, вставленные в радиальную канавку для обеспечения радиального удерживания лопастей ротора, при этом кольцевая поверхность разнесена в радиальном направлении от радиальной канавки.
[0015] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения лопасти ротора содержат проходящие в радиальном направлении упоры, расположенные напротив щеточного уплотнителя.
[0016] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения ротор содержит открытую в осевом направлении кольцевую канавку, образующую кольцевую поверхность, и при этом щеточный уплотнитель проходит в осевом направлении.
[0017] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения щеточный уплотнитель проходит в осевом направлении по большей части осевой канавки и/или щеточный уплотнитель в радиальном направлении занимает большую часть осевой канавки.
[0018] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения щеточный уплотнитель содержит переднюю часть, вставленную во внутреннюю втулку, и свободную часть, которая выступает относительно внутренней втулки, при этом большая часть свободной части щеточного уплотнителя проходит в осевую канавку.
[0019] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения статор содержит два щеточных уплотнителя, расположенных спереди и сзади внутренней втулки, при этом указанная внутренняя втулка содержит кольцевую часть, поддерживающую два кольцевых щеточных уплотнителя, при этом указанная часть предпочтительно выполнена из того же материала и цельно с ней.
[0020] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения внутренняя втулка содержит композитный материал, при этом композитный материал предпочтительно образует большую часть объема внутренней втулки.
[0021] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения ротор содержит барабан с профилем вращения, при этом большая часть внутренней втулки плотно прилегает к наружной поверхности барабана и/или большая часть профиля вращения внутренней поверхности внутренней втулки по существу параллельна внешней поверхности барабана.
[0022] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения профиль вращения кольцевой поверхности наклонен более чем на 1°, более предпочтительно наклонен более чем на 10° относительно оси вращения компрессора.
[0023] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения кольцевая поверхность расположена внутри лопастей ротора в осевом направлении.
[0024] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения щетинки проходят в целом в осевом направлении.
[0025] Изобретение также направлено на осевую турбомашину, содержащую компрессор, а именно компрессор низкого давления, характеризующийся тем, что компрессор выполнен в соответствии с изобретением.
Преимущества изобретения
[0026] Изобретение предотвращает прижимание щеточного уплотнителя к кольцевой поверхности ротора посредством разности давлений между потоком спереди и потоком сзади спрямляющего аппарата. Таким образом, щеточный уплотнитель будет менее подвержен износу во время работы компрессора. Благодаря этому, щеточный уплотнитель сохраняется, а срок его службы продлевается.
[0027] Форма осевой канавки, в которой размещен щеточный уплотнитель, может образовывать преграду для потока возможной утечки. Данная форма имеет перегородки, которые замедляют возможную утечку, и повышает производительность компрессора.
[0028] Щеточный уплотнитель также обеспечивает повышение компактности компрессора. Может быть уменьшена толщина внутренней втулки. Аналогичным образом может быть уменьшена глубина радиальной канавки, вмещающей внутреннюю втулку, что способствует уменьшению веса ротора. Близость в радиальном направлении между платформой лопастей ротора и соединениями между кольцевыми платформами способствует надежности ротора и обеспечивает уменьшение толщины.
Краткое описание чертежей
[0029] На фиг. 1 показана осевая турбомашина согласно изобретению.
[0030] Фиг. 2 представляет собой изображение компрессора турбомашины согласно первому варианту осуществления изобретения.
[0031] На фиг. 3 изображена часть компрессора согласно первому варианту осуществления изобретения.
[0032] Фиг. 4 представляет собой изображение компрессора турбомашины согласно второму варианту осуществления изобретения.
Описание вариантов осуществления
[0033] В последующем описании термины «внутренний» или «расположенный внутри» и «внешний» или «наружный» относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины.
[0034] На фиг. 1 схематически показана осевая турбомашина. В данном случае это двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первый уровень сжатия, обозначенный как компрессор 4 низкого давления, второй уровень сжатия, обозначенный как компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и один или несколько уровней турбин 10. По меньшей мере один компрессор содержит статор и ротор 12. Роторы могут быть соединены.
[0035] При работе механическая энергия, передаваемая на турбину 10 посредством центрального вала на ротор 12, приводит в движение два компрессора 4 и 6. Средства, которые повышают передаточное отношение, могут повысить скорость вращения, передаваемую на компрессоры. Альтернативно, каждая из различных ступеней турбины может быть соединена с соответствующей ступенью компрессора посредством соосных валов. Эти ступени компрессора содержат несколько рядов лопастей ротора, соответствующих рядам лопастей статора. Вращение ротора вокруг его оси 14 вращения создает поток воздуха и постепенно сжимает последний до вхождения в камеру 10 сгорания.
[0036] Всасывающий вентилятор 16 соединен с вентиляторным ротором 12 и создает поток воздуха, который разделяется на основной поток 18, проходящий через вышеуказанные различные ступени турбомашины, и вспомогательный поток 20, проходящий через кольцевую трубу (показанную частично) вдоль машины, который затем объединяется с главным потоком на выходе турбины. Основной поток 18 и вспомогательный поток 20 являются кольцевыми; они направляются по каналам в корпусе турбомашины. С этой целью корпус содержит цилиндрические стенки или втулки, которые могут быть внутренними или внешними.
[0037] Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе осевого компрессора турбомашины 2, показанной на фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Можно увидеть часть вентилятора 16 и разделительного выступа 22, который разделяет основной поток 18 и вспомогательный поток 20.
[0038] Ротор 12 может содержать по существу полый барабан 24. В общих чертах показана форма вращения с профилем вращения относительно оси 14. Барабан 24 может образовывать цельный узел, факультативно выполненный из одного материала. Он может быть выполнен из такого металла, как титан. Барабан 24 может проходить в осевом направлении над большей частью компрессора 4. Профиль вращения барабана 24 может быть изогнут. Согласно направлению потока он может формировать увеличение радиуса, за которым следует уменьшение радиуса.
[0039] Ротор 12 содержит по меньшей мере один, предпочтительно несколько рядов лопастей 26 ротора, в данном случае - три. Ротор 12 может содержать по меньшей мере одну, предпочтительно несколько кольцевых платформ 28, каждая из которых соответствует ряду лопастей 26 ротора. Кольцевые платформы 28 могут быть крепежными кронштейнами, от которых в радиальном направлении проходят лопасти 26 ротора. Кольцевые платформы 28 содержат внешние поверхности 30, направляющие кольцевой основной поток 18. Лопасти 26 ротора могут быть приварены к барабану 24 для образования цельного узла.
[0040] Статор 11 содержит по меньшей мере один спрямляющий аппарат, предпочтительно несколько спрямляющих аппаратов, в данном случае - четыре, каждый из которых содержит ряд лопастей 32 статора. Спрямляющие аппараты соответствуют вентилятору 16 или ряду лопастей 26 ротора для выпрямления потока воздуха для преобразования динамического давления потока.
[0041] Лопасти 32 статора проходят по существу в радиальном направлении от наружного корпуса 34 статора 11. Наружный корпус 34 может быть выполнен из композитного материала. Лопасти 32 статора могут быть приварены к наружному корпусу 34 или прикреплены при помощи оси. Лопасти 32 статора расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и имеют одинаковую угловую ориентацию в потоке. Предпочтительно лопасти одного ряда являются идентичными. Факультативно расстояние между лопастями может локально изменяться, а также их угловая ориентация. Некоторые лопасти могут отличаться от остальных из своего ряда лопастей.
[0042] Статор 11 содержит по меньшей мере одну внутреннюю втулку 36, соответствующую кольцевому ряду лопастей статора, предпочтительно несколько внутренних втулок 36, каждая из которых соответствует кольцевому ряду лопастей статора. Внутренние втулки 36 в целом имеют форму вращения с профилем вращения относительно оси 14. Каждый профиль вращения может иметь U-образную форму, открытую вовнутрь. Большая часть в осевом направлении профиля вращения по меньшей мере одной внутренней втулки 36 по существу параллельна внешней поверхности барабана, что повышает компактность.
[0043] Внутренние втулки 36 могут содержать композитный материал. По меньшей мере одна, предпочтительно каждая внутренняя втулка 36 содержит по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 80% по объему композитного материала. Внутренние втулки 36 могут быть изготовлены посредством литья пластмасс под давлением. Пластмасса может быть пластмассой с волоконным наполнителем и/или может содержать предварительную заготовку для формования.
[0044] Внутренняя втулка может содержать металл, например титан. Он может быть выполнен посредством механической обработки, ковки и/или изгибания.
[0045] Статор 11 содержит по меньшей мере один, предпочтительно несколько кольцевых щеточных уплотнителей (38, 40), которые взаимодействуют с ротором для обеспечения уплотнения между потоком спереди и потоком сзади соответствующего спрямляющего аппарата. По меньшей мере один или каждый из щеточных уплотнителей (38, 40) может быть сконфигурирован для предотвращения рециркуляции текучей среды от потока спереди к потоку сзади, который проходит между внутренней втулкой 36 и барабаном 24. Статор может содержать щеточные уплотнители (38, 40), которые расположены спереди и сзади каждой внутренней втулки 36 и которые взаимодействуют с ротором 12 для обеспечения уплотнения. По меньшей мере одна внутренняя втулка 36 содержит кольцевую часть, которая поддерживает передний щеточный уплотнитель 38 и задний щеточный уплотнитель 40. Указанная часть предпочтительно соединена с лопастями 26 статора и факультативно целиком выполнена из того же материала. Часть может быть выполнена из композитных материалов.
[0046] По меньшей мере один, предпочтительно каждый щеточный уплотнитель (38, 40) вставлен в толщу соответствующей внутренней втулки 36 для закрепления. Факультативно радиальная толщина профиля вращения одного, предпочтительно каждого щеточного уплотнителя меньше, чем средняя радиальная толщина профиля вращения соответствующей внутренней втулки. Щеточные уплотнители (38, 40) могут быть вставлены в толщу кольцевых круглых фланцев внутренних втулок.
[0047] Согласно одному альтернативному варианту изобретения ротор содержит щеточные уплотнители, например, размещенные на кольцевых платформах ротора и которые взаимодействуют со статором, факультативно с внутренними втулками, для обеспечения уплотнения между каждым спрямляющим аппаратом и ротором.
[0048] На фиг. 3 изображена часть компрессора согласно первому варианту осуществления изобретения.
[0049] По меньшей мере один, предпочтительно каждый щеточный уплотнитель (38, 40) содержит часть, вставленную во внутреннюю втулку, и свободную часть. Вставленная часть может быть передней частью; свободная часть может быть задней частью. Каждая свободная часть выступает в основном в осевом направлении относительно внутренней втулки. Каждая вставленная часть щеточного уплотнителя прикреплена к соответствующей внутренней втулке 36.
[0050] По меньшей мере один, предпочтительно каждый щеточный уплотнитель (38, 40) содержит щетинки, которые проходят в основном в осевом направлении. Щетинки расположены на переднем и заднем краях внутренней втулки 36. Щетинки по существу являются гибкими и имеют заданную жесткость. Они имеют возможность упругой деформации во время установки компрессора. Щетинки могут быть выполнены из полимера и иметь диаметр меньше чем 2 мм, предпочтительно меньше чем 0,10 мм.
[0051] Кольцевая платформа содержит трубчатую гильзу 41, внутренняя поверхность которой образует кольцевую уплотнительную поверхность 42, которая взаимодействует с задним щеточным уплотнителем 40 для обеспечения уплотнения. Кольцевая поверхность 42 окружает соответствующий задний щеточный уплотнитель 40. Предпочтительно ротор содержит кольцевые поверхности 42, которые соответствуют каждому щеточному уплотнителю. Предпочтительно кольцевые поверхности 42 имеют в целом цилиндрическую форму, а возможно - по существу форму конуса или усеченного конуса. Каждая кольцевая поверхность 42 может быть по существу направлена по касательной к внешней поверхности соответствующего щеточного уплотнителя. Возможно, некоторые щетинки могут быть расположены на одной линии с кольцевой поверхностью. Каждая внешняя поверхность щеточного уплотнителя и/или каждая кольцевая поверхность может в целом сочетаться с внутренним контуром кольцевого потока, проходящего через компрессор.
[0052] Ротор может содержать по меньшей мере одну, предпочтительно несколько осевых кольцевых канавок 44, которые открыты в осевом направлении, например в направлении внутренней втулки 36, размещенной напротив. Каждая осевая канавка 44 образует одну из кольцевых поверхностей 42, факультативно внутреннюю поверхность, которая взаимодействует с задним щеточным уплотнителем 40. Каждый задний щеточный уплотнитель 40 может соответствовать осевой канавке 44 и наоборот.
[0053] По меньшей мере один, предпочтительно каждый задний щеточный уплотнитель 40 может проходить в осевом направлении по большей части соответствующей осевой канавки 44, факультативно по меньшей мере один из задних щеточных уплотнителей 40 проходит в осевом направлении через всю соответствующую осевую канавку 44. По меньшей мере один, предпочтительно каждый профиль вращения заднего щеточного уплотнителя 40 может в радиальном направлении занимать большую часть профиля вращения соответствующей осевой канавки. Толщина профиля вращения по меньшей мере одного, предпочтительно каждого заднего щеточного уплотнителя 40 может быть больше, чем большая часть высоты в радиальном направлении профиля вращения соответствующей канавки.
[0054] Задний щеточный уплотнитель 40 может быть сконфигурирован так, что, когда компрессор остановлен, он оказывает давление Р1 на соответствующую кольцевую поверхность 42, а когда компрессор работает в установленном или номинальном режиме, задний щеточный уплотнитель 40 оказывает на кольцевую поверхность 42 давление Р2, которое ниже, чем давление Р1. Разность давлений между Р1 и Р2 обусловлена повышением давления на выходе лопастей 32 статора во время работы компрессора. Режим может предусматривать больше чем 2000 оборотов в минуту, предпочтительно больше чем 4000 оборотов в минуту, более предпочтительно больше чем 8000 оборотов в минуту, факультативно больше чем 15000 оборотов в минуту. Давление Р2 может принимать нулевое значение, когда скорость компрессора достигает его номинальной скорости. Щетинки заднего щеточного уплотнителя 40 могут быть предварительно подвергнуты напряжению и оказывать воздействие на кольцевую поверхность, когда они установлены в компрессоре, когда последний находится в неподвижном состоянии. При работе разность давлений обеспечивает отталкивание щетинок, размещенных снаружи и касающихся кольцевой поверхности 42.
[0055] На фиг. 4 изображен компрессор 104 согласно второму варианту осуществления изобретения. На фиг. 4 используется нумерация предыдущих фигур для одинаковых или аналогичных элементов, однако нумерация была увеличена на 100. Особые числа использованы для особых позиций в данном варианте осуществления.
[0056] Ротор 112 может содержать барабан 124, выполненный как одна деталь, с по меньшей мере одной, предпочтительно с несколькими кольцевыми радиальными канавками 146, которые открыты в радиальном направлении и наружу. Каждая радиальная канавка 146 может соответствовать кольцевому ряду лопастей 126 ротора. Радиальные канавки 146 содержат наклоненные стенки, которые выступают наружу.
[0057] Лопасти 126 ротора могут содержать платформы 128 и удерживающие ножки 148, например, имеющие форму ласточкина хвоста и вставленные в радиальные канавки 146. Канавки и ножки могут быть сконфигурированы для обеспечения внутреннего радиального удерживания лопастей 126 ротора. Удерживающие ножки проходят в радиальном направлении от своих соответствующих платформ 128 по направлению к дну радиальной канавки 146, которая вмещает указанные ножки. Сборка платформ лопастей может образовывать кольцевую поверхность 142, которая взаимодействует со щеточным уплотнителем (138, 140). Каждый профиль вращения щеточного уплотнителя расположен в радиальном направлении на расстоянии от ближайшей кольцевой канавки.
[0058] Осевые канавки 144 ограничены платформами 128 и барабаном 124. Лопасти 126 ротора могут содержать упоры 150, предназначенные для ограничения, возможно, для предотвращения, их отклонения от входного потока к выходному потоку. Упоры 150 проходят в радиальном направлении от своих соответствующих платформ 128 и взаимодействуют с барабаном 124, например, на любой из сторон канавок 146 в осевом направлении и/или в радиальном направлении. Упоры 150 могут проходить в радиальном направлении на уровне щеточных уплотнителей. По меньшей мере один упор может проходить в радиальном направлении в большую часть соответствующей осевой канавки 144.
[0059] По меньшей мере одна, предпочтительно каждая внутренняя втулка 136 может иметь в целом фиксированную толщину, в которой вмещаются щеточные уплотнители 136. Внутренняя поверхность каждой внутренней втулки 136 может плотно прилегать к наружной поверхности барабана 124.
[0060] Следует отметить, что каждое из описаний двух конкретных вариантов осуществления может применяться для другого варианта осуществления или любого другого варианта осуществления в соответствии с формулой изобретения.