КОЛЬЦО УПРАВЛЕНИЯ СТУПЕНИ ЛОПАТОК С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ УГЛОМ УСТАНОВКИ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
CONTROL RING OF STAGE OF BLADES WITH VARIABLE ANGLE OF INSTALLATION FOR GAS TURBINE ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к кольцу управления ступени лопаток с изменяющимся углом установки для газотурбинного двигателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные решения описаны, в частности, в документах ЕР-А2-1 696 134, ЕР-А1-1 820 942, FR-А1-2 882 577 и ЕР-А1-0 375 593.
Variable Stator Vanes
Ступень этого типа содержит кольцевой ряд лопаток статора с изменяющимся углом установки (называемых также VSV - сокращение от ), которые установлены на наружном кольцевом картере, как правило, компрессора газотурбинного двигателя. Каждая лопатка содержит перо, которые соединено на своем радиально наружном конце при помощи площадки, имеющей по существу круглый контур, с радиальным цилиндрическим поворотным шкворнем, который образует ось вращения лопатки и направляется во вращении в соответствующем проеме наружного картера. Радиально внутренний конец пера каждой лопатки обычно содержит второй цилиндрический поворотный шкворень, проходящий вдоль оси вращения лопатки и направляемый во вращении в проеме внутреннего картера компрессора.
Радиально наружный конец наружного поворотного шкворня каждой лопатки соединен тягой с кольцом управления, перемещаемым во вращении вокруг наружного картера при помощи приводных средств с домкратом или аналогичных средств. Вращение кольца управления передается тягами на наружные поворотные шкворни лопаток и заставляет их поворачиваться вокруг своих осей.
Установка угла поворота лопаток статора в газотурбинном двигателе предназначена для адаптации геометрии компрессора к его рабочей точке и, в частности, для оптимизации КПД и запаса помпажа этого газотурбинного двигателя и для снижения расхода топлива в различных конфигурациях полета.
Каждая из лопаток выполнена с возможностью перемещения поворотом вокруг ее оси между первым положением «открывания» или «полного открывания», в котором каждая лопатка расположена по существу параллельно продольной оси газотурбинного двигателя, и вторым положением «закрывания» или «квази-закрывания», в котором лопатки наклонены относительно оси газотурбинного двигателя и уменьшают, таким образом, сечение для прохождения воздуха через ступень лопаток.
Кольцо управления необходимо центровать и направлять во вращении вокруг его оси вращения. В известных решениях наружный картер содержит дорожки, с которыми внутренняя периферия кольца может взаимодействовать трением. Картер содержит органы, такие как пластины, для опоры и направления на дорожках. Пластины служат, с одной стороны, для обеспечения концентричности кольца вокруг картера за счет регулировки зазоров пластины/картер и, с другой стороны, для ограничения деформации кольца по причине аэродинамических усилий, действующих на лопатки с изменяющимся углом установки и влияющих на кинематику во время работы.
Действительно, необходимо иметь радиальные зазоры в холодном состоянии между пластинами и дорожками картера, чтобы допускать тепловые расширения картера и обеспечивать хорошую кинематику регулировки во всех конфигурациях двигателя. Однако было отмечено, в частности, в случае приводных средств с одним домкратом, что в зависимости от диапазонов открывания и закрывания лопаток с изменяющимся углом установки зазоры в холодном состоянии приводят к смещению кольца управления относительно картера, что отрицательно сказывается на точности регулировки. Это смещение приводит к неравномерному выбиранию зазоров в холодном состоянии в зависимости от угла установки.
Пластины закреплены на корпусе кольца при помощи крепежных средств. Уже было предложено крепить пластины при помощи регулировочных винтов, при этом каждый регулировочный винт проходит через радиальное проем корпуса кольца и содержит первый радиально внутренний резьбовой конец, завинчиваемый в резьбовой проем пластины, и второй радиально наружный резьбовой конец, который завинчивают в кольцо и на который навинчивают гайку, опирающуюся на корпус кольца. Второй резьбовой конец имеет резьбу со стандартным шагом, тогда как первый резьбовой конец имеет малый метрический шаг, который обеспечивает тонкую регулировку зазора под пластиной. Поскольку это резьбовое соединение не заблокировано, существует зазор между пластиной и регулировочным винтом.
Во время работы это присутствие зазора приводит под действием окружающих вибраций к относительному перемещению между деталями, что является причиной разрушения резьбового соединения. Следовательно, функция пластины не обеспечивается. Кроме того, этот износ имеет прямое влияние на угол установки лопаток во время работы и, следовательно, на работу двигателя (помпаж в случае большого числа изношенных пластин на одной ступени).
Настоящим изобретением предложено простое эффективное и экономичное решение по меньшей мере части вышеупомянутых проблем.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретением предложено кольцо управления ступени лопаток с изменяющимся углом установки для газотурбинного двигателя, содержащее кольцевой корпус, располагаемый вокруг картера, средства, выполненные с возможностью соединения с поворотными шкворнями упомянутых лопаток, и средства, которые выполнены с возможностью взаимодействия с картером для центровки и направления упомянутого корпуса и которые содержат по меньшей мере один орган опоры на упомянутый картер, закрепленный на корпусе при помощи крепежных средств, отличающееся тем, что упомянутые крепежные средства содержат по меньшей мере одну втулку, которая содержит:
- осевое отверстие для прохождения упомянутого органа опоры или опорного элемента упомянутого органа,
- сквозную щель, выходящую в упомянутое отверстие и выполненную с возможностью обеспечения по существу радиальной деформации втулки, и
- наружную резьбу для завинчивания втулки в соответствующую резьбу проема упомянутого корпуса, при этом упомянутая втулка выполнена таким образом, что во время своего завинчивания взаимодействует с упомянутым корпусом, деформируясь по существу в радиальном направлении от первого положения, в котором упомянутый орган опоры или опорный элемент можно установить и перемещать в упомянутом отверстии, до второго положения, в котором упомянутая втулка оказывается напряженной в радиальном направлении и плотно посаженной на упомянутый орган опоры или опорный элемент, которая, таким образом, оказывается заблокированной относительно втулки.
Таким образом, понятно, что крепление опорного органа или его опорного элемента относительно картера происходит за счет завинчивания. В ослабленном или отвинченном положении втулка является свободной без напряжения, и ее внутреннее отверстие имеет внутренний диаметр, позволяющий установить и перемещать орган опоры или опорный элемент и, в частности, точно позиционировать ее относительно картера. В завинченном или затянутом положении втулка подвергается радиальному напряжению, и ее внутреннее отверстие имеет меньший диаметр. Таким образом, втулка оказывается плотно посаженной на орган или опору, стопоря ее относительно картера в точном положении. Эта технология позволяет ограничить риск разрушения кольца за счет ограничения прямой передачи в нем крутящего момента.
Заявленное кольцо может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в комбинации:
- упомянутый орган или опора содержит цилиндрический стержень, заходящий в упомянутое отверстие в осевом направлении,
- упомянутый орган содержит по меньшей мере одну пластину для опоры на картер,
- упомянутая пластина неподвижно соединена с упомянутым стержнем и, например, выполнена в виде единой детали с упомянутым стержнем,
- между пластиной и корпусом установлены упруго деформирующиеся средства для прижатия упомянутой пластины к упомянутому картеру,
- упомянутые упруго деформирующиеся средства содержат по меньшей мере одну пружину сжатия, например, спиралевидную пружину, установленную вокруг упомянутого стержня,
- упомянутая втулка содержит по меньшей мере одну по существу усеченную конусную часть, выполненную с возможностью взаимодействия с усеченной конусной частью упомянутого проема для установки втулки в упомянутом корпусе,
- упомянутая втулка содержит цилиндрическую часть, содержащую упомянутую наружную резьбу, и
- упомянутый корпус содержит средства, выполненные с возможностью соединения с приводными средствами с целью приведения во вращение упомянутого корпуса вокруг картера газотурбинного двигателя.
Объектом настоящего изобретения является также ступень лопаток с изменяющимся углом установки для газотурбинного двигателя, содержащая кольцевой ряд лопаток с изменяющимся углом установки, каждая из которых содержит перо и цилиндрический поворотный шкворень на своем радиально наружном конце, при этом ступень дополнительно содержит кольцевой картер, содержащий проемы для установки поворотных шкворней лопаток, отличающаяся тем, что упомянутые поворотные шкворни соединены рычагами с описанным выше кольцом.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одно вышеупомянутое кольцо или по меньшей мере одну вышеупомянутую ступень.
ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - частичный схематичный вид в осевом разрезе ступеней лопаток с изменяющимся углом установки для газотурбинного двигателя.
Фиг. 2 - частичный схематичный вид в поперечном разрезе известного кольца управления лопаток с изменяющимся углом установки газотурбинного двигателя.
Фиг. 4а и 4b - схематичные виды в разрезе по линии IV-IV на фиг. 3 с показом соответственно двух положений втулки крепежных средств в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 схематично в осевом разрезе показана часть компрессора 10 высокого давления газотурбинного двигателя, в частности, авиационного газотурбинного двигателя, с несколькими ступенями, при этом каждая ступень содержит кольцевой ряд подвижных лопаток 12, установленных на роторе (не показан) газотурбинного двигателя, и кольцевой ряд неподвижных лопаток 14, образующих направляющий аппарат и установленных на картере 16 статора газотурбинного двигателя, при этом угловую ориентацию лопаток 14 можно регулировать для оптимизации газового потока в компрессоре 10.
Каждая лопатка 14 содержит перо 18 и радиально наружный цилиндрический поворотный шкворень 20, соединенные диском или «площадкой» 22, расположенной перпендикулярно к оси 24 лопатки 24 в соответствующем гнезде 26 картера 16. Радиально внутренняя поверхность 28 диска совмещена с внутренней стенкой 30 картера, чтобы не мешать прохождению газового потока.
Цилиндрический поворотный шкворень 20 каждой лопатки 14 расположен внутри радиального цилиндрического колодца 32 картера 16, и его радиально наружный конец соединен тягой 34 с кольцом 36 управления, которое окружает картер 16 и связано с приводными средствами (не показаны), позволяющими поворачивать его в одном или другом направлении вокруг продольной оси картера 16 для приведения во вращение лопаток 14 кольцевого ряда вокруг их осей 24.
Лопатки 14 выполнены с возможностью перемещения вращением вокруг своих осей 24 между положением закрывания или квази-закрывания и положением открывания или полного открывания.
В положении закрывания перья 18 лопаток наклонены относительно продольной оси газотурбинного двигателя и образуют между собой минимальное сечение для прохождения воздуха в канале. Лопатки 14 приходят в это положение, когда газотурбинный двигатель работает на малых оборотах, при этом воздушный поток, проходящий в компрессоре, имеет минимальное значение расхода.
В положении открывания перья 18 лопаток расположены по существу параллельно оси газотурбинного двигателя, и сечение для прохождения воздуха между перьями является максимальным. Лопатки 14 приходят в это положение, когда газотурбинный двигатель работает на высоких оборотах, при этом воздушный поток, проходящий в компрессоре, имеет максимальное значение расхода.
В известных решениях картер 16 содержит на своей наружной периферии выступающие дорожки 38 для центровки и направления колец 36, в данном случае схематично показанные пунктирной линией. Каждое кольцо 36 окружает свою направляющую дорожку или направляющие дорожки 38. Буквой J обозначены радиальные зазоры, предусмотренные в холодном состоянии между кольцом 36 и его дорожкой или его дорожками 38. Эти зазоры J должны быть достаточно большими, чтобы допускать тепловые расширения картера 16, но не позволяют точно регулировать угловые положения лопаток 14.
Как более наглядно показано на фиг. 2, эти зазоры J регулируют при помощи направляющих пластин 40, которые закреплены на корпусе кольца 36 и выполнены с возможностью взаимодействия за счет опоры и скольжения с дорожками 38 для обеспечения концентричности кольца вокруг картера и ограничения деформации кольца по причине аэродинамических усилий, действующих на лопатки 14 во время работы.
В известном решении, показанном на фиг. 2, каждая пластина 40 установлена в опорном элементе 42, содержащем прямоугольный колодец, вставленный в радиальный проем корпуса кольца 36. Опорный элемент 42 закреплен на корпусе кольца при помощи регулировочного винта 44, который расположен по существу радиально в проеме корпуса кольца и который содержит первый радиально внутренний резьбовой конец 46, завинченный в резьбовой проем колодца опорного элемента 42, и второй радиально наружный резьбовой конец 48, который завинчивают в кольцо и на котором завинчена гайка 50, опирающаяся на корпус кольца 36. Второй резьбовой конец имеет резьбу со стандартным шагом, тогда как первый резьбовой конец имеет резьбу с малым метрическим шагом, который позволяет точно регулировать зазор J под пластиной. Поскольку это резьбовое соединение не заблокировано, между пластиной и регулировочным винтом остается зазор, который создает проблему, как было указано выше.
Изобретение позволяет решить эту проблему, благодаря новым средствам крепления направляющего органа или пластины на корпусе кольца.
На фиг. 3, 4а и 4b представлен вариант выполнения изобретения, при этом элементы, описанные выше, имеют такие же обозначения.
В данном случае кольцо 36 управления содержит кольцевой корпус, который может быть разделен на сектора и может состоять по меньшей мере из двух секторов, расположенных и соединенных друг с другом встык в окружном направлении.
Как и в известном решении, показанном на фиг. 1 и 2, корпус кольца 36 содержит радиальные проемы, в которых установлены цилиндрические штифты, выполненные на тягах. Как правило, каждый штифт центрован и направляется во вращении в проеме при помощи по меньшей мере одного опоры с втулкой, установленной в проеме.
Как было указано выше, корпус кольца 36 дополнительно содержит средства соединения с приводом, которые могут содержать, например, вилку с осью, с которой шарнирно соединен конец штока поршня привода, если последний является, например, домкратом.
Кольцо 36 содержит также органы, такие как пластины 40 опоры на картер и, в частности, на дорожки картера. В представленном примере каждая пластина 40 соединена с цилиндрическим стержнем 52 и выполнена в виде единой детали с этим стержнем 52. В варианте, пластина 40 может быть установлена на опорном элементе, аналогичном элементу, показанному на фиг. 2. В этом случае опорный элемент неподвижно соединен с цилиндрическим стержнем 52 и может быть, например, выполнен заодно с этим стержнем.
Цилиндрический стержень 52 является по существу гладким на всей своей продольной протяженности. Он соединен с пластиной 40 своим радиально внутренним концом и содержит наружную резьбу 54 на своем радиально наружном конце. Стержень 52 заходит в по существу радиальный проем 56 корпуса кольца 36, предпочтительно радиально изнутри кольца.
На наружной резьбе 54 стержня 52 завинчивают гайку 57 для предупреждения его отсоединения от корпуса кольца, что будет более подробно описано ниже.
В представленном примере проем 56 кольца в основном содержит три последовательных осевых участка 56а, 56b, 56с. Проем 56 содержит первый радиально наружный участок 56а, который имеет по существу цилиндрическую форму и содержит внутреннюю резьбу 58. Этот участок 56а выходит своим радиально наружным концом на наружную периферию корпуса кольца. Проем 56 содержит второй радиально внутренний участок 56b, который является по существу цилиндрическим и имеет диаметр, меньший диаметра первого участка 56а. Этот участок 56b выходит своим радиально внутренним участком на внутреннюю периферию корпуса кольца. Наконец, проем 56 содержит третий промежуточный участок 56с, который является по существу усеченным конусом и расположен между участками 56а, 56b. Диаметр этого участка уменьшается в радиальном направлении изнутри наружу. Радиально наружный конец большего диаметра участка 56 соединен с радиально внутренним концом участка 56а и имеет по существу такой же диаметр, как и участок 56а. Радиально внутренний конец участка 56с имеет диаметр, меньший диаметра участка 56а, и соединен с ним через кольцевой заплечик 60, ориентированный радиально внутрь. Участки 56а, 56b, 56с являются по существу коаксиальными.
Как показано на фиг. 3, между корпусом кольца 36 и пластиной 40 установлено упруго деформирующееся средство, такое как пружина 62 сжатия, в данном случае спиралевидная пружина, чтобы прижимать ее к картеру и обеспечивать ее центровку относительно этого картера. В данном случае пружина 62 установлена вокруг стержня 56 коаксиально с ним и содержит радиально внутренний конец, опирающийся на радиально наружную сторону пластины 40, и радиально наружный конец, опирающийся на вышеупомянутый заплечик 60. В данном случае пружина 62 по меньшей мере частично заходит в участок 56b проема.
Как показано также на чертежах, стержень 52 имеет длину или продольный размер, превышающий радиальный размер или толщину корпуса кольца. Эта длина может быть измерена между пластиной 40 и резьбой 54 и соответствует длине гладкой цилиндрической части стержня. Таким образом, стержень может перемещаться в радиальном направлении относительно корпуса картера и может быть заблокирован в направлении внутрь за счет опоры гайки 56 на корпус картера и в направлении наружу за счет опоры пластины на этот корпус (в данном случае пластина 40 имеет поперечный размер, превышающий поперечный размер проем).
Согласно изобретению, средства крепления пластины 40 или ее опорного элемента содержат втулку 64, показанную на фиг. 3, 4а и 4b.
Втулка 64 содержит:
- осевое отверстие 66 для прохождения стержня 52,
- сквозную щель 68, выходящую в отверстие 66 и выполненную с возможностью обеспечения по существу радиальной деформации втулки, и
- наружную резьбу 70 для завинчивания втулки в резьбу 58 участка 56а проем 56.
Отверстие 66 имеет общую цилиндрическую форму. Оно имеет диаметр D, превышающий диаметр d сечения стержня 52 (фиг. 4а), когда втулка находится в свободном состоянии без напряжения. Отверстие 66 проходит по всему продольному размеру втулки 64 и выходит на продольные концы втулки.
Щель 68 имеет удлиненную прямолинейную форму и проходит вдоль продольной оси втулки 64. Она выполнена по всей продольной протяженности втулки и по всей ее радиальной толщине между отверстием 66 и наружной периферической поверхностью втулки.
Щель 68 выполнена между двумя находящимися друг против друга продольными краями 72 втулки. Эти края 72 отделены друг от друга расстоянием L, соответствующим ширине щели 68.
В представленном примере втулка 64 содержит два смежных участка 64а, 64b, а именно верхний или радиально наружный участок 64а и нижний или радиально внутренний участок 64b. Верхний участок 64а имеет общую цилиндрическую форму и содержит наружную резьбу 70. Нижний участок 64b имеет общую форму усеченного конуса, диаметр которого уменьшается в радиальном направлении снаружи внутрь и который по существу соответствует по форме участку 56с проема 56 корпуса кольца 36.
Как показано на фиг. 4а и 4b, втулка 64 выполнена с возможностью деформироваться в радиальном направлении и, в частности, может быть напряжена в радиальном направлении. Она деформируется от положения в свободном состоянии без напряжения, показанного на фиг. 4а, до напряженного положения, показанного на фиг. 4b, в котором края 72 приближаются друг к другу, и отверстие 66 принимает диаметр, соответствующий диаметру d стержня 52. В этом последнем положении втулка 64 плотно посажена в радиальном направлении на стержень 52 и блокирует его радиально относительно корпуса кольца. Таким образом, пластина 40 оказывается заблокированной относительно корпуса кольца.
Согласно изобретению, деформация втулки 64 происходит при ее завинчивании в проеме 56 корпуса картера, что будет подробнее описано ниже.
Втулку 64 вставляют снаружи в проем 56 корпуса кольца и участок 64а втулки частично завинчивают в резьбу 58 проема 56. При этом втулка оказывается в положении, показанном на фиг.4а, то есть в свободном состоянии без напряжения. Как было указано выше, стержень 52 вставляют радиально изнутри в проем 56 корпуса кольца, а также в отверстие 66 втулки 64, пока его резьба 54 не окажется радиально снаружи втулки 64, чтобы на нее можно было навинтить гайку 57. Предварительно вокруг стержня 52 между пластиной 40 и заплечиком 60 корпуса кольца устанавливают пружину 62. После этого кольцо 36 можно установить вокруг картера газотурбинного двигателя, чтобы точно регулировать вышеупомянутые зазоры J. Эти зазоры заданы временными прокладками, которые вставляют между пластинами 40 и дорожками картера. Установка этих прокладок приводит к сжатию пружины 62, которая прижимает пластину к прокладке и обеспечивает, таким образом, точное соответствие зазора J толщине используемой прокладки. После этого втулку 64 можно завинтить дальше и затянуть в проеме 56, чтобы ее участок 64b опирался на периферическую стенку участка 56с проема, что выражается в радиальном сужении втулки 64 и позволяет ей перейти в положение, показанное на фиг. 4b. При этом втулка 64 оказывается плотно посаженной на стержень 52. Стержень 52 и пластина 40 оказываются заблокированными за счет трения в этом положении, и прокладку можно извлечь.
Втулка 64 выполнена, например, из металлического или композиционного материала.
Изобретение можно также применять для пластин под мостиками соединения секторов корпуса кольца, предпочтительно таким образом, чтобы верхняя часть втулки не выступала над верхней поверхностью кольца управления.
Применение этого изобретения позволяет устранить износ пластин, применяемых в настоящее время, и обеспечивают нормальную работу двигателя.
Процедура регулировки зазоров под пластинами в данном случае упрощена, так как больше нет необходимости регулировать зазоры путем завинчивания или отвинчивания пластины.