ОСЕВОЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И КОРПУС ОСЕВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
AXIAL GAS TURBINE ENGINE AND ITS HOUSING

Предпосылки создания изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к корпусу осевого газотурбинного двигателя. Более конкретно, изобретение относится к смежным оболочкам в корпусе осевого газотурбинного двигателя. Более конкретно, изобретение относится к крепежным скобам между оболочками в корпусе осевого газотурбинного двигателя. Изобретение относится к соосности двух оболочек газотурбинного двигателя, фиксируемых радиальными фланцами. Изобретение также относится к осевому газотурбинному двигателю.
Известный уровень техники
[0002] Газотурбинные двигатели обычно включают в себя множество кольцевых каналов, через которые проходит поток воздуха для того, чтобы генерировать движущую силу. Воздушный поток проходит через вентилятор, компрессор, камеру сгорания и турбину. Внутри или между этими элементами корпус помогает направлять поток, удерживая его внутри самого газотурбинного двигателя.
[0003] Корпус состоит из кольцевых стенок, отражающих изменения в сечении потока. Для этого он содержит оболочки, имеющие обычно трубчатую форму и расположенные вдоль оси вращения двигателя. У оболочек есть функциональные поверхности, контактирующие с потоком. Они могут образовывать внутренние и/или внешние поверхности, которые физически определяют поток. Оболочки могут быть цилиндрами или частями цилиндров. В местах соединения они приблизительно образуют цилиндр или основу конуса нужной длины.
[0004] Функциональные поверхности оболочек должны максимально близко соответствовать теоретической геометрии воздушного потока, в частности его непрерывности. Это приводит к требованию соосности оболочек относительно основной оси, без которой в потоке могут возникать скачки или разрывы. Эти дефекты приводят к снижению эффективности газотурбинного двигателя. Могут иметь место неконтролируемые режимы работы
[0005] Патент EP123645 A1 описывает сборку двух смежных оболочек с фланцами, соединенными осевыми винтами для их фиксации. У одной из оболочек есть охватывающая цилиндрическая поверхность, внутри которой расположена охватываемая цилиндрическая поверхность другой оболочки таким образом, чтобы сформировался узел с отверстием вала. Охватываемая и охватывающая цилиндрические поверхности расположены на основаниях фланцев. Этот тип сборки позволяет оптимизировать положение и ориентацию оболочек относительно друг друга. Однако наличие винтов требует свободной установочной поверхности. Эта поверхность может быть больше, чем собственный размер винтов, для улучшения распределения механических напряжений. Суперпозиция цилиндрической опорной поверхности и установочной поверхности для винтов означает, что радиус внешнего фланца должен быть увеличен. Радиус между фланцем и цилиндрической опорной поверхностью еще больше увеличивает внешний радиус фланца. Размер фланца является громоздким и увеличивает вес оболочки. Такой радиальный фланец может быть трудно применить в передней части разделителя с заданным аэродинамическим качеством. Присутствие оборудования в передней части разделителя может сделать сборку невозможной.
[0006] Патент EP2077183 В1 описывает соединение между двумя оболочками газотурбинного двигателя, позиционированными по отношению друг к другу при помощи их фланцев. Эти фланцы расположены на осевых концах оболочек. Радиальные концы фланцев имеют охватываемые и охватывающие поверхности. Такое решение позволяет осуществить оптимальное позиционирование и в то же время избежать всех ограничений, налагаемых установочными поверхностями для винтов. Однако для этого требуется цилиндрический блок в верхней части одного из фланцев, и, следовательно, увеличение радиуса последнего.
Сущность изобретения
Техническая задача
[0007] Целью настоящего изобретения является решение по меньшей мере одной из проблем, представленных в Известном уровне техники. Целью настоящего изобретения является уменьшение радиуса крепежных фланцев двух оболочек корпуса осевого газотурбинного двигателя. Целью настоящего изобретения также является упрощение сборки двух оболочек корпуса осевого газотурбинного двигателя.
Техническое решение
[0008] Предложен корпус осевого газотурбинного двигателя, способный направлять кольцевой поток в указанном газотурбинном двигателе, при этом корпус, содержит первую оболочку и вторую оболочку, которые предусмотрены смежными и соосными, причем первая оболочка содержит фланец и поверхность, по существу, цилиндрической формы, а вторая содержит фланец и центрирующие средства, разработанные для сопряжения с центрирующей поверхностью, причем фланец первой оболочки содержит вырезы, распределенные по его окружности, и центрирующие средства, проходящие в осевом направлении от фланца второй оболочки через указанные вырезы к центрирующей поверхности, на которой два фланца находятся в контакте.
[0009] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вырезы на фланце первой оболочки имеют волнообразную форму или являются отверстиями.
[0010] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения вырезы в осевой проекции пересекают центрирующую поверхность.
[0011] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения центрирующая поверхность образует утолщенный слой на первой оболочке.
[0012] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения радиус R2 центрирующей поверхности меньше радиуса R3 радиальной оконечности фланца на первой оболочке.
[0013] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения первая оболочка содержит кольцевой буртик, прилегающий к фланцу первой оболочки, центрирующую поверхность, находящуюся на верхней части кольцевого буртика, или центрирующую поверхность, образующую кольцевую канавку в первой оболочке.
[0014] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения центрирующая поверхность находится на расстоянии менее 30 мм от указанного фланца первой оболочки, предпочтительно - менее 20 мм, более предпочтительно - менее 5 мм или, возможно, центрирующая поверхность и фланец первой оболочки являются смежными.
[0015] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения вырезы имеют замкнутый контур во фланце или открытый контур на свободном крае фланца.
[0016] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения центрирующие средства в радиальном направлении находятся на некотором расстоянии от профиля вырезов фланца первой оболочки.
[0017] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения центрирующая поверхность и центрирующие средства изготовлены путем токарной обработки.
[0018] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения поперечное сечение центрирующих средств, как правило, изогнуто и вырезы вдоль окружности шире, чем центрирующие средства.
[0019] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения центрирующие средства включают в себя контактную поверхность, разработанную так, чтобы она контактировала с центрирующей поверхностью.
[0020] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая контактная поверхность расположена под углом больше, чем 5°, предпочтительно - более чем 15°, еще более предпочтительно - более чем 30° к окружности фланца первой оболочки.
[0021] Эта особенность повышает прочность, придаваемую каждой контактной поверхности. Таким образом, радиальные размеры центрирующих средств могут быть уменьшены, так же как и толщины оболочек. В конечном счете, могут быть уменьшены размеры фланцев. Указанный угол измеряют в плоскости фланца относительно центральной оси оболочек.
[0022] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения оболочки скреплены друг с другом при помощи крепежных средств на фланцах первой и второй оболочек, между вырезами на фланце первой оболочки.
[0023] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения фланцы первой и второй оболочек имеют равные наружные радиусы R3.
[0024] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения в целом центрирующие средства физически охватывают более 10% окружности второй оболочки, предпочтительно - более 30%, еще более предпочтительно - более 50%.
[0025] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения корпус является корпусом статора турбины или компрессора.
[0026] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения компрессор является компрессором низкого давления.
[0027] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения оболочки изготовлены из металла или композитного материала.
[0028] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая из первой и второй оболочек выполнена как единое целое.
[0029] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения оболочки имеют, по существу, одинаковый диаметр и одинаковую толщину.
[0030] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения оболочки являются поверхностями вращения с изогнутым профилем.
[0031] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения основания вырезов на центрирующих средствах в радиальном направлении утоплены относительно центрирующей поверхности.
[0032] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения вторая оболочка находится в плоском контакте с радиальным фланцем.
[0033] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения радиус R2 центрирующей поверхности ближе к среднему радиусу R1 первой оболочки, чем радиус R3 оконечностей фланцев.
[0034] Средний радиус - это средняя толщина трубки, образуемой первой оболочкой.
[0035] Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения центрирующие средства, по существу, непрерывны от второй оболочки до центрирующей поверхности.
[0036] Предложен также осевой газотурбинный двигатель, содержащий турбовентилятор, по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере одну турбину, в котором течение потоков определено корпусами, причем по меньшей мере один из корпусов находится в соответствии с настоящим изобретением.
Заявленные преимущества
[0037] Настоящее изобретение позволяет уменьшить радиус фланца. Использовано несплошное центрирование, позволяющее полезно использовать пространство между винтами. Это пространство позволяет регулировать положение двух оболочек относительно друг друга при одновременном снижении радиального размера блока. Благодаря этому уменьшению радиуса, возможно получить существенную экономию веса.
[0038] В производстве оболочек использована стандартная оснастка. Меры, необходимые для обеспечения соосности, остаются неизменными. Изобретение позволяет сочетать токарные и фрезерные операции для создания форм, для которых геометрические допуски являются оптимальными. Процессы обработки просты и требуют малого числа операций. Затраты являются умеренными.
[0039] Наружный диаметр радиального фланца, расположенного в передней части разделителя, может быть уменьшен. Эта особенность означает, что нет необходимости в каких-либо ограничениях при проектировании передней части разделителя. В случае необходимости он может быть сделан более тонким, например, чтобы лучше соответствовать желаемой геометрии потока.
[0040] Не требуется использования прокладок для достижения компактности и точности. Эта особенность означает, что имеется малое количество механических сопряжений. Уменьшено влияние механического люфта и соответствующие метрологические затраты остаются низкими.
Краткое описание графических материалов.
[0041] На Фиг. 1 показан газотурбинный двигатель в соответствии с настоящим изобретением.
[0042] На Фиг. 2 показано схематическое изображение компрессора газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.
[0043] На Фиг. 3 показано соединение двух оболочек корпуса в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0044] На Фиг. 4 представлено сечение в плоскости 4-4 соединения двух оболочек корпуса в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0045] На Фиг. 5 показано соединение двух оболочек корпуса в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления
[0046] В следующем описании термины внутренний и внешний относятся к положению по отношению к оси вращения осевого газотурбинного двигателя.
[0047] На фиг. 1 показан осевой газотурбинный двигатель. В данном случае - это двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую компрессионную ступень, так называемый компрессор 6 низкого давления, вторую компрессионную ступень, так называемый компрессор 8 высокого давления, камеру 10 сгорания и одну или более ступеней турбины 12. В процессе работы механическая энергия турбины 12, передаваемая через центральный вал ротору 14, приводит в движение два компрессора 6 и 8. Редукционные механизмы могут увеличивать скорость вращения, передаваемую компрессорам. В другом варианте осуществления каждая из различных ступеней турбины может быть соединена со ступенями компрессора посредством соосных валов. Эти последние содержат нескольких рядов лопаток ротора, действующих совместно с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг его оси 16 вращения генерирует воздушный поток и постепенно сжимает его вплоть до входа в камеру 12 сгорания.
[0048] Приточный вентилятор, обычно именуемый "турбовентилятор" 18, соединен с ротором 14 и генерирует воздушный поток, который разделен на первичный поток 20, проходящий через различные вышеупомянутые ступени газотурбинного двигателя, и вторичный поток 22, проходящий через кольцевой канал (показан частично) по длине двигателя, а затем вновь присоединяющийся к основному потоку на выходе турбины. Первичный поток 20 и вторичный поток 22 являются кольцевыми потоками и направлены через корпус газотурбинного двигателя. Для этой цели корпус имеет цилиндрические стенки или оболочки, который могут быть внутренними или внешними. Эти оболочки могут быть установлены в турбовентиляторе 18, в компрессорах (6, 8), между компрессорами, в турбине 12 либо между турбинами.
[0049] На фиг. 2 представлен вид в разрезе компрессора 6 низкого давления осевой турбомашины 2 такой, как изображенная на фиг. 1. Показана как часть турбовентилятора 18, так и передняя часть разделителя 24 потока воздуха на первичный 20 и вторичный 22 потоки. Ротор 14 содержит несколько рядов рабочих лопаток 26, например три, и несколько рядов лопаток 28 статора, например четыре. Каждый ряд лопаток 28 статора действует совместно с рядом лопаток 26 ротора для выравнивания воздушного потока так, чтобы превратить скорость потока в давление. Каждая пара рядов лопаток ротора и действующих совместно с ними лопаток статора образует ступень компрессора 6.
[0050] Корпус содержит кольцевые поверхности, которые ограничивают внутреннюю и внешнюю области первичного потока 20. Корпус ограничивает внешнюю часть первичного потока по всей длине компрессора 6 низкого давления, а также внутреннюю и внешнюю часть между компрессорами (6, 8).
[0051] Корпус содержит несколько оболочек (32, 34, 36, 38, 40). Корпус может содержать, например, первую внешнюю или входную оболочку 32, которая находится спереди и которая, например, контактирует с передней частью разделителя 24. Она может быть соединена с первым рядом лопаток статора. Корпус может содержать вторую внешнюю или центральную оболочку 34. Она может быть соединена с лопатками 28 статора второй и третьей ступеней компрессора 6. Корпус может включать в себя третью внешнюю или выходную оболочку 36. Она может быть в контакте с лопатками последней ступени компрессора. Она может быть соединена с внешней соединительной оболочкой 38, направляющей вместе с внутренней оболочкой 40 первичный поток 20 в компрессор.
[0052] В другом варианте осуществления настоящего изобретения вторая оболочка может быть образована множеством осевых секций оболочки. Этот вариант может быть предпочтительным в тех случаях, когда компрессор имеет более четырех рядов лопаток статора. В другом варианте осуществления первая оболочка и третья оболочка могут быть соединены более чем с одним рядом лопаток статора каждая.
[0053] Оболочки прикреплены друг к другу в местах соединений (42, 44, 46) радиальными фланцами. В осевые отверстия могут быть помещены фиксирующие средства, такие как винты. По меньшей мере на одном из осевых концов оболочки образованы радиальные фланцы. В предпочтительном варианте осуществления, вторая оболочка закреплена посредством двух радиальных фланцев: входным фланцем и выходным фланцем. Некоторые из оболочек соединены со структурными частями газотурбинного двигателя 2 при помощи своих радиальных фланцев. В предпочтительном варианте осуществления осевой блок оболочек существенно закреплен на структурных частях газотурбинного двигателя при помощи радиальных фланцев на концах блока.
[0054] Оболочки содержат цилиндрический корпус, образованный цилиндрической стенкой. Оболочки обычно являются аксиально симметричными, с профилями вращения вокруг осей вращения. В предпочтительном варианте осуществления их оси вращения совпадают с осью 16 вращения. Их профили могут быть дугообразными или содержать углы. Толщина стенки составляет меньше 5,00 мм, предпочтительно - менее 3,00 мм, еще более предпочтительно - менее 1,50 мм. Оболочки предпочтительно выполнены из титана.
[0055] Каждая оболочка может содержать угловые участки внешней оболочки, каждый из которых образует часть периметра внешней оболочки. Эти угловые участки соединены в осевом направлении, например, посредством осевых резьбовых фланцев.
[0056] Оболочки могут быть использованы для фиксации лопаток 28 статора. Они могут быть зафиксированы путем сварки или свинчивания. Оболочки образуют стенки, предназначенные для направления потока в газотурбинном двигателе. Они, предпочтительно, герметичны. В соединении они образуют непрерывную герметичную поверхность для достижения высокой степени сжатия. Локально, могут быть предусмотрены отверстия для отвода воздуха в поток или для его инжекции. Оболочки могут иметь кольцевые канавки для сбора пластов истираемого материала.
[0057] На фиг. 3 представлен стык между двумя соседними оболочками, такой как стык 42 между первой оболочкой 32 и второй оболочкой 34. Первая оболочка 32 имеет радиальный фланец, называемый первым фланцем 48. В предпочтительном варианте осуществления вторая оболочка имеет второй радиальный фланец 50. Каждый из радиальных фланцев имеет плоскую опорную поверхность, перпендикулярную оси 16 вращения газотурбинного двигателя 2. Опорные поверхности обеспечивают возможность реализации плоского соединения. Эти опорные поверхности использованы для выравнивания двух оболочек относительно друг друга и, в частности, для обеспечения параллельности их осей вращения. Радиальные фланцы (48, 50) являются продолжением тела оболочек и находятся в постоянном контакте для того, чтобы обеспечить герметичность соединения между ними.
[0058] Чтобы обеспечить позиционирование оболочек (32, 34) в плоскости их фланцев (48, 50), вторая оболочка 34 имеет радиальные центрирующие средства 52, взаимодействующие с дополнительными центрирующими средствами. Дополнительные центрирующие средства могут содержать центрирующую поверхность 54 или контрольную поверхность. Центрирующая поверхность 54, как правило, имеет цилиндрическую форму и соосна с первой оболочкой. Центрирующие средства содержат контактные поверхности 56, находящиеся в контакте с центрирующей поверхностью 54.
[0059] Центрирующие средства 52 находятся в контакте с центрирующей поверхностью 54 по меньшей мере в трех не лежащих на одной линии точках. В предпочтительном варианте осуществления центрирующие средства 52 находятся в контакте с центрирующей поверхностью 54 по меньшей мере на двух разных поверхностях, предпочтительно - распределены по окружности центрирующей поверхности.
[0060] Центрирующая поверхность 54 сформирована путем токарной обработки таким образом, чтобы обеспечить оптимальную цилиндричность и адекватную перпендикулярность к плоскости первого фланца 48. Первый фланец 48 имеет вырезы 58 на полную глубину материала. Вырезы 58, которые могут быть прямосторонними или волнообразными, проходят радиально в первый фланец 48. Для того чтобы уменьшить внешний радиус R3 фланцев оболочек, центрирующие средства 52 смещены ближе к оси 16 и проходят через вырезы. Центрирующая поверхность 54 расположена в основании первого фланца 48, напротив второй оболочки по отношению к первому фланцу 48.
[0061] Для обеспечения того, что контактные поверхности 56 находятся, по существу, в контакте с опорной поверхностью, имеющей определенную форму, в частности с центрирующей поверхностью 54, которая сформирована путем токарной обработки, основания 62 полостей вырезов 58 углублены в радиальном направлении относительно центрирующей поверхности 54. Дугообразный туннель ограничен дном 62 вырезов 58 и центрирующими средствами 52.
[0062] На фиг. 4 представлен вид в разрезе первой оболочки и второй оболочки в сечении вдоль 4-4 по фиг. 3. Это сечение проходит через сопряжение между центрирующими средствами 52 и центрирующей поверхностью 54.
[0063] Центрирующие средства 52 выполнены с разрывами для того, чтобы вписаться в вырезы 58 между остаточными частями первого фланца 48. Их поперечные сечения соответствуют изогнутым сегментам.
[0064] Центрирующие средства 52 содержат вторичные контактные поверхности 56, которые изготовлены путем токарной обработки. Этот вариант осуществления изобретения может быть выгодным с точки зрения формы в виду тех же преимуществ, что и центрирующая поверхность 54. Контрольная и контактная поверхности (54, 56) являются взаимодополняющими. Предпочтительно, чтобы контактные поверхности были расположены на угловых частях трубки. Когда контактная и центрирующая поверхности подогнаны, они позволяют добиться точного позиционирования и соосности оболочек. Соосность составляет меньше 0,10 мм, предпочтительно - менее 0,05 мм, еще более предпочтительно - менее 0,02 мм. Такая подгонка получает преимущество точности сопряжения между валом и отверстием.
[0065] Фиксирующие средства расположены в остальных частях первого фланца 48. Они проходят через крепежные отверстия 60, проходя через оба фланца. Необходимое свободное пространство вокруг крепежных средств не конфликтует с центрирующими средствами 52, поскольку они сдвинуты в касательном направлении. Таким образом, радиальная толщина центрирующих средств может быть увеличена независимо от конфигурации центрирующих средств. Такая увеличенная толщина может упрочить соединение между двумя оболочками (32, 34).
[0066] Настоящее изобретение особенно подходит для внешнего соединения между двумя оболочками компрессора 6 низкого давления. Механическая прочность фланцев, изготовленных таким образом, совместима как с давлением первичного потока, так и с тепловой нагрузкой, вибрацией и ударами, которым может быть подвергнут компрессор низкого давления.
[0067] На фиг. 5 показан стык между двумя оболочками в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 5 сохранена та же нумерация, что и на предыдущих фигурах для одинаковых или подобных элементов, но номера увеличены на 100.
[0068] Оболочки (132, 134) могут быть расположены в турбовентиляторе 18 и определять вторичный поток. Оболочки могут являться внутренними оболочками, определяющими внешнюю сторону вторичного потока. Они имеют радиальные фланцы, проходящие внутрь в направлении оси 16 вращения газотурбинного двигателя. Фланцы расположены на стыке между двумя оболочками (132, 134).
[0069] Первая оболочка 132 имеет первый радиальный фланец 148, который имеет вырез 158 на всю глубину материала. Этот вырез может быть отверстием, контур которого включен в контур первого радиального фланца 148. Внутренняя непрерывность материала является преимуществом для придания жесткости первому фланцу и, следовательно, соединению между оболочками. Свободный конец первого фланца, по существу, описывает окружность.
[0070] Первая оболочка также имеет центрирующую поверхность 154, ориентированную в радиальном направлении первого радиального фланца 148. Эта поверхность находится в толщине первой оболочки 132. Она имеет, как правило, цилиндрическую форму. Она образует уменьшение толщины первой оболочки 132. Нижняя часть выреза 162 приподнята относительно центрирующей поверхности 154. В этой точке первая оболочка 132 еще тоньше, чем на центрирующей поверхности 154.
[0071] Вторая оболочка 134 имеет второй радиальный фланец 150, на котором расположены центрирующие средства 152. Они имеют контактные поверхности 156, соответствующие центрирующей поверхности 154. Центрирующие средства 152 проходят через вырезы до центрирующей поверхности 154. На первом радиальном фланце 148 центрирующие средства 152 имеют толщину меньшую, чем толщина отверстия так, чтобы быть, по существу, в радиальном контакте с центрирующей поверхностью 154.
[0072] Специалист в данной области может легко обратить ориентацию технических особенностей, ориентированных внутрь или наружу. Технические особенности вырезанных фигурных отверстий могут быть применены как к направленному радиально наружу фланцу, так и к центрирующей поверхности, расположенной в теле оболочки.