ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛОСТИ СТУПИЦЫ ВЫПУСКНОГО КАРТЕРА В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ
SEALING OF HUB CAVITY OF OUTLET CASING IN GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к выпускному картеру в газотурбинном двигателе, таком как авиационный турбореактивный двигатель, и, в частности, к герметизации полости ступицы в выпускном картере.
Выпускной картер газотурбинного двигателя установлен на выходе турбины и, как правило, содержит две коаксиальные цилиндрические стенки, радиально внутреннюю и радиально наружную, которые соединены радиальными стойками, при этом внутренняя стенка охвачена цилиндрическим кожухом, предназначенным для направления потока отработавших газов, поступающих из турбины.
Цилиндрический кожух крепят его задним концом на внутренней стенке выпускного картера, и он содержит на своем переднем конце радиальную кольцевую часть, свободно простирающуюся в сторону оси газотурбинного двигателя таким образом, что внутренняя стенка выпускного картера и цилиндрический кожух ограничивают полость, обычно называемую полостью ступицы. Эта полость выполнена открытой на уровне внутреннего конца радиальной внутренней части цилиндрического кожуха.
Вследствие этого происходит циркуляция воздуха, поступающего от входа, в полости ступицы, воздух входит в полость через ее передний конец, при этом он отбирается между компрессорами высокого давления и низкого давления газотурбинного двигателя, что отрицательно сказывается на расходе топлива этого газотурбинного двигателя.
Циркуляция воздуха в полости ступицы способствует охлаждению внутренней стенки выпускного картера и радиально внутренних концов радиальных стоек этого картера, тогда как радиально наружные части этих стоек подвергаются действию относительно высоких температур от потока отработавших газов. Это приводит к появлению в этих радиальных стойках большого перепада температур, который отрицательно сказывается на их сроке службы.
Кроме того, с учетом наличия свободной радиальной части цилиндрический кожух подвергается режимам вибрации, по существу соответствующим частотам ротора или роторов газотурбинного двигателя и, следовательно, может входить в резонанс с ротором или роторами, что вызывает сильные вибрации, которые сказываются на сроке службы цилиндрического кожуха.
Настоящее изобретение предлагает простое, экономичное и эффективное решение этих проблем, устраняя тем самым недостатки известных технических решений.
В этой связи объектом изобретения является выпускной картер газотурбинного двигателя, содержащий две коаксиальные цилиндрические стенки, соответственно радиально внутреннюю и радиально наружную, соединенные радиальными стойками, и цилиндрический кожух, неподвижно соединенный с задним концом радиально внутренней стенки и ограничивающий полость ступицы вместе с радиально внутренней стенкой, и пространство прохождения отработавших газов вместе с радиально наружной стенкой, при этом на своем переднем конце цилиндрический кожух содержит радиальную кольцевую часть, направленную в сторону оси газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что радиальная кольцевая часть кожуха содержит на своем внутреннем конце кольцевой бортик, взаимодействующий за счет, по существу, герметичного радиального скольжения с внутренней цилиндрической стенкой выпускного картера.
Кольцевой бортик радиальной части цилиндрического кожуха препятствует циркуляции воздуха в полости ступицы. Это позволяет свести к минимуму перепад температур в радиальных стойках выпускного картера и увеличить, таким образом, срок их службы, и уменьшает отбор воздуха на компрессорах газотурбинного двигателя.
Этот принцип радиально скользящего соединения обеспечивает хорошую герметичность полости ступицы и позволяет избегать механических напряжений в цилиндрическом кожухе по причине тепловых расширений, которые могут возникать при рабочих температурах газотурбинного двигателя.
Кроме того, осевое крепление переднего конца цилиндрического кожуха позволяет повысить частоты вибрационных режимов кожуха и избежать, таким образом, явлений резонанса, например, с ротором газотурбинного двигателя, которые отрицательно влияют на его износоустойчивость.
Согласно другому отличительному признаку изобретения внутренняя стенка выпускного картера содержит два кольцевых фланца, соответственно передний и задний, выполненные радиально наружу и расположенные против друг друга таким образом, что образуют кольцевой паз, предназначенный для захождения в него с осевым зазором кольцевого бортика цилиндрического кожуха для, по существу, герметичного соединения цилиндрического кожуха с радиально внутренней стенкой и обеспечивающий радиальное перемещение кольцевого бортика кожуха.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения оба фланца внутренней стенки выпускного картера имеют радиальный размер, превышающий допустимую максимальную амплитуду радиального перемещения кольцевого бортика цилиндрического кожуха, происходящего в результате теплового расширения этого кожуха.
Таким образом, кольцевой бортик цилиндрического кожуха не может выйти из кольцевого паза, образованного двумя фланцами внутренней стенки выпускного картера, под действием тепловых расширений, по крайней мере, пока радиальное перемещение кольцевого бортика не превысит максимального значения, соответствующего заранее определенной максимальной температуре, которую цилиндрический кожух не может превысить при нормальной работе газотурбинного двигателя.
Предпочтительно кольцевой бортик цилиндрического кожуха по существу доходит до дна кольцевого паза внутренней стенки выпускного картера при неработающем двигателе.
Это позволяет максимально увеличить амплитуду допустимых тепловых расширений для цилиндрического кожуха.
Согласно другому отличительному признаку изобретения при неработающем газотурбинном двигателе цилиндрический кожух находится в состоянии предварительного упругого напряжения, прижимая переднюю сторону кольцевого бортика своей радиальной кольцевой части к переднему кольцевому фланцу внутренней стенки выпускного картера, обеспечивая герметичность полости ступицы.
В варианте при неработающем газотурбинном двигателе цилиндрический кожух находится в состоянии предварительного упругого напряжения, прижимая заднюю сторону кольцевого бортика своей радиальной кольцевой части к заднему кольцевому фланцу внутренней стенки выпускного картера, обеспечивая герметичность полости ступицы.
Во время работы явления теплового расширения стремятся переместить кольцевой бортик в сторону входа таким образом, что его передняя сторона оказывается прижатой к переднему кольцевому фланцу внутренней стенки выпускного картера, сохраняя, таким образом, герметичность полости.
Предпочтительно на своем радиально наружном конце кольцевой бортик радиальной внутренней части цилиндрического кожуха содержит цилиндрический воротник, направленный в сторону входа и образующий радиальный упор, опирающийся на передний кольцевой фланец внутренней стенки выпускного картера.
В другом варианте выполнения изобретения радиальная кольцевая часть цилиндрического кожуха содержит отверстия, предназначенные для пропускания холодного воздушного потока.
Этот вариант выполнения предпочтителен для случая, когда полость ступицы должна вентилироваться. Размер отверстий можно выбирать в зависимости от необходимого уровня вентиляции, что позволяет контролировать расход вентиляционного воздуха.
Объектом настоящего изобретения является также цилиндрический кожух для газотурбинного двигателя описанного выше типа, содержащий на одном из своих концов кольцевой фланец, а на другом из своих концов - радиальную кольцевую часть, направленную внутрь, отличающийся тем, что радиальная кольцевая часть содержит на своем радиально внутреннем конце радиальный кольцевой бортик, выполненный вместе с цилиндрическим воротником.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, оборудованный описанным выше выпускным картером.
Настоящее изобретение, его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в перспективе выпускного картера газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - схематичный вид в перспективе цилиндрического кожуха в соответствии с настоящим изобретением, которым оборудован выпускной катер, показанный на фиг.1;
фиг.3 - частичный схематичный вид в осевом разрезе газотурбинного двигателя, содержащего выпускной картер, показанный на фиг.1;
фиг.3а - увеличенный вид детали IIIa фиг.3.
На фиг.1 показан выпускной картер 10 газотурбинного двигателя, содержащий две коаксиальные цилиндрические стенки, соответственно радиально внутреннюю 12 и радиально наружную 14, соединенные конструктивными радиальными стойками 16.
Вокруг радиально внутренней стенки 12 выпускного картера 10 установлен цилиндрический кожух 18.
Этот кожух 18, показанный отдельно на фиг.2, содержит цилиндрическую стенку 20, в которой выполнены вырезы 22, открытые в сторону выхода, для прохождения радиальных стоек 16 выпускного картера 10.
На своем заднем конце цилиндрический кожух 18 содержит радиальный кольцевой фланец 24 крепления на выпускном картере 10, а на своем переднем кольце содержит радиальную кольцевую часть 26, направленную радиально внутрь.
Как будет подробное пояснено ниже, согласно изобретению кожух 18 содержит кольцевой бортик 28, выполненный на радиально внутреннем конце его радиальной кольцевой части 26.
Кожух 18 и радиально наружная стенка 14 выпускного картера ограничивают кольцевое пространство прохождения отработавших газов внутри газотурбинного двигателя, частично показанного на фиг.3.
На фиг.3 показан выпускной картер 10, установленный на выходе турбины 30 низкого давления, содержащей диски 32 с установленными на них лопатками 34 и, как известно, приводящей во вращение вал, соединенный с компрессором (не показан) на входе.
Выпускной картер 10 содержит заднюю радиальную стенку 36, которая направлена радиально наружу от заднего конца внутренней стенки 12 картера и на которой закреплен радиальный кольцевой фланец 24 цилиндрического кожуха.
Узел, образованный внутренней стенкой 12 и задней радиальной стенкой 36 выпускного картера 10, а также цилиндрическим кожухом 18, ограничивает тороидальную полость 38, известную под названием полости ступицы.
В газотурбинных двигателях из предшествующего уровня техники радиальная кольцевая часть цилиндрического кожуха является свободной на своем радиально внутреннем конце и образует, таким образом, кольцевое отверстие в полости ступицы между свободным концом этой радиальной кольцевой части и передним концом внутренней стенки выпускного картера.
Чтобы избежать недостатков, связанных с такой конфигурацией, и как было упомянуто со ссылками на фиг.2, цилиндрический кожух 18 в соответствии с настоящим изобретением содержит кольцевой бортик 28, выполненный на внутреннем конце радиальной кольцевой части 26 кожуха и заходящий, как показано на фиг.3, в кольцевой паз 40 (фиг.3а), открытый наружу и образованный двумя радиальными фланцами, соответственно передним 42 и задним 44, расположенными напротив друг друга и неподвижно соединенными с внутренней стенкой 12 выпускного картера 10, по существу герметично закрывая полость 38 ступицы и препятствуя, таким образом, циркуляции холодного воздуха в этой полости.
Задний фланец 44 выполнен, например, на радиально наружном конце обечайки 46, направленном радиально наружу от переднего конца внутренней стенки 12 выпускного картера 10.
Передний фланец 42 может быть выполнен, например, в продолжение радиального фланца 48 крепления внутреннего картера 50, обычно называемого маслосборным картером, на выпускном картере 10, при этом внутренний картер 50 расположен в осевом направлении между валом турбины и дисками 32 ротора этой турбины на входе выпускного картера 10.
Кроме того, кольцевой бортик 28 цилиндрического кожуха 18 содержит на своем радиально наружном конце цилиндрический воротник 52, направленный в сторону входа и образующий радиальный упор, опирающийся на передний кольцевой фланец 42 внутренней стенки 12 выпускного картера 10.
Как показано на фиг.3а, осевой размер кольцевого паза 40 слегка превышает толщину кольцевого бортика 28 цилиндрического кожуха 18 таким образом, чтобы этот бортик заходил с осевым зазором, например, порядка 1 мм в паз 40, что обеспечивает радиальное перемещение скольжением кольцевого бортика 28 в пазу 40.
Эта возможность радиального перемещения бортика 28 внутри паза 40 позволяет избежать появления механических напряжений в цилиндрическом кожухе 18 по причине явления теплого расширения при повышении температуры на уровне выпускного картера 10 во время работы газотурбинного двигателя.
Кроме того, цилиндрический кожух 18 выполнен таким образом, чтобы при окружающей температуре, когда газотурбинный двигатель не работает, кольцевой бортик 18 доходил, по существу, до дна кольцевого паза 40.
Это позволяет увеличить до максимума допустимое радиальное перемещение наружу кольцевого бортика 28, то есть радиальное перемещение, сверх которого бортик 28 выходит из кольцевого паза 40 под действием теплового расширения цилиндрического кожуха 18.
Радиальные фланцы 42 и 44 выпускного картера имеют радиальные размеры, превышающие значение радиального перемещения кольцевого бортика 28, считающееся допустимым максимумом в условиях нормальной работы газотурбинного двигателя, чтобы избежать любой возможности выхода бортика 28 за пределы паза 40.
Кроме того, при неработающем газотурбинном двигателе цилиндрический кожух 18 находится в состоянии предварительного напряжения в осевом направлении, прижимая переднюю сторону 54 кольцевого бортика 28 к задней стороне 56 переднего фланца 42 внутренней стенки 12 выпускного картера 10, максимально обеспечивая герметичность соединения между цилиндрическим кожухом 18 и внутренней стенкой 12 картера.
Во время работы тепловое расширение цилиндрического кожуха стремится еще больше увеличить давление, оказываемое бортиком 28 на передний фланец 42 картера, поэтому герметичность полости 38 ступицы обеспечивается постоянно.
В варианте цилиндрический кожух 18 может находиться в состоянии предварительного осевого напряжения для прижатия задней стороны 58 кольцевого бортика 28 к передней стороне 60 заднего фланца 44 внутренней стенки 12 выпускного картера 10. В этом случае, если давление воздуха в полости 38 ступицы становится выше давления воздуха на входе выпускного картера или если тепловое расширение цилиндрического кожуха 18 заставляет его кольцевой бортик 28 перемещаться в сторону входа, последний быстро оказывается прижатым к переднему фланцу 42 выпускного картера, поэтому герметичность полости 38 ступицы сохраняется.
За счет крепления своего переднего конца цилиндрический кожух 18 имеет собственные режимы вибрации с более высокими частотами, чем в известных технических решениях.
Это значительно снижает возможность резонанса между этим кожухом 18 и ротором газотурбинного двигателя, и за счет этого повышается срок службы кожуха 18.
Кроме того, как было указано выше, герметичность полости 38 ступицы позволяет повысить срок службы радиальных стоек 16 выпускного картера.
Вместе с тем, может возникнуть необходимость в определенной степени вентиляции полости 38 ступицы, и в этом случае предпочтительно выполнять отверстия определенного диаметра для впуска воздуха в радиальную кольцевую часть 26 кожуха 18.