СТУПЕНЬ ТУРБИНЫ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА
TURBINE STAGE OF TURBINE ENGINE AND TURBOMACHINE

Изобретение относится к ступени турбины для турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель.
Как правило, ступень турбины этого типа содержит неподвижный сопловой направляющий аппарат и смонтированное на выходе соплового направляющего аппарата, внутри кольцевого картера, колесо турбины. Сопловой направляющий аппарат содержит две коаксиальные, простирающиеся одна внутри другой платформы, соединенные друг с другом по существу радиальными лопатками. Наружная платформа содержит две кольцевые лапки, соответственно верхнюю и нижнюю по потоку, которые простираются радиально наружу и которые на своей наружной периферии содержат средства подвешивания на картере. Сопловой направляющий аппарат удерживается радиально на крюках картера. Нижняя кольцевая лапка соплового направляющего аппарата радиально опирается наружу на цилиндрический рельс картера и аксиально, вниз по потоку, на разрезное кольцо, помещенное в кольцевой выточке рельса, радиально выходящей внутрь.
Колесо образовано диском ротора, несущим на своей периферии лопатки. Оно смонтировано с возможностью вращения внутри разделенного на секторы кольца внутри картера. Каждый кольцевой сектор содержит на своем, верхнем по потоку, конце окружной орган С-образного сечения, который насажен на рельс картера и радиально удерживает разрезное кольцо в вышеназванной выточке рельса.
С-образный орган насаживают на рельс картера осевым перемещением, снизу вверх по потоку, с последующим опрокидыванием кольцевого сектора. С этой целью кольцевой сектор помещают вначале таким образом, что его верхний по потоку конец располагают радиально наружу относительно его нижнего конца. Затем кольцевой сектор смещают вверх по потоку, С-образный орган насаживают на рельс картера на заданное осевое расстояние и нижний конец кольцевого сектора опрокидывают радиально наружу, завершая тем самым установку С-образного органа на рельсе.
В способе согласно уровню техники, верхняя по потоку, окружная сторона радиально внутренней стенки С-образного органа каждого кольцевого сектора отделена осевым зазором относительно нижней кольцевой лапки соплового направляющего аппарата, поскольку этот зазор необходим для осуществления вышеуказанной монтажной операции путем опрокидывания кольцевого сектора. Вследствие этого осевого зазора радиально внутренняя стенка С-образного органа радиально простирается внутрь небольшого участка осевого габарита разрезного кольца, что в принципе достаточно для того, чтобы удерживать разрезное кольцо радиально в выточке. В частном варианте осуществления, указанный зазор составляет порядка 1,9 мм +/-0,25.
С другой стороны, вследствие допусков при изготовлении и тепловых дифференциальных расширений взаимодействующих деталей верхний конец радиально внутренней стенки С-образного органа, удерживающего разрезное кольцо, может иметь недостаточный, или вовсе нулевой, осевой размер при наиболее неблагоприятных условиях. В этом случае, возможен риск отделения разрезного кольца из выточки, что привело бы к неприемлемой потере осевой блокировки на выходе соплового направляющего аппарата.
Задачей изобретения является разработка простого, эффективного и экономного решения этой проблемы, существующей в этой области.
Для решения задачи предлагается ступень турбины для турбомашины, содержащая неподвижный сопловой направляющий аппарат и смонтированное на выходе соплового направляющего аппарата, внутри кольцевого картера, колесо турбины, при этом сопловой направляющий аппарат подвешен на картере и на выходе аксиально удерживается опиранием на разрезное кольцо, установленное в кольцевой выточке рельса картера, а колесо установлено внутри разделенного на секторы кольца, расположенного внутри картера, при этом кольцевые секторы содержит, каждый из них, на своем верхнем по потоку конце окружной орган С-образного сечения, который насажен на рельс картера и радиально удерживает разрезное кольцо в вышеназванной выточке, отличающаяся тем, что радиально внутренняя стенка С-образного органа каждого кольцевого сектора простирается внутрь разрезного кольца по всему осевому габариту последнего и ее верхний по потоку концевой участок входит по меньшей мере в одну выемку соплового направляющего аппарата, при этом окружной край радиально внутренней стенки С-образного органа каждого кольцевого сектора содержит по меньшей мере один вырез, который взаимодействует с ответными средствами соплового направляющего аппарата, чтобы воспрепятствовать вращению кольцевого сектора, расположенного напротив соплового направляющего аппарата.
Согласно изобретению, С-образный орган выполнен таким образом, что его радиально внутренняя стенка аксиально простирается по всему осевому размеру разрезного кольца и, таким образом, обеспечивает радиальное удержание разрезного кольца, независимо от допусков при изготовлении и тепловых дифференциальных расширений деталей. Чтобы обеспечить монтаж этого С-образного органа, в частности, путем опрокидывания, как описано выше, сопловой направляющий аппарат содержит выемку, в которую должна заходить верхняя по потоку концевая часть радиально внутренней стенки указанного органа.
Верхняя по потоку, концевая часть радиально внутренней стенки С-образного органа каждого кольцевого сектора может быть отделена осевым зазором от дна или от радиальной стенки указанной выемки соплового направляющего аппарата, чтобы обеспечить этот монтаж. Этот зазор может быть той же величины, что и описанный выше, то есть примерно, порядка 2 мм.
Верхняя по потоку, концевая часть радиально внутренней стенки С-образного органа каждого кольцевого сектора также может быть отделена небольшим или нулевым радиальным зазором от наружной цилиндрической стенки выемки, причем эта стенка простирается вокруг этой концевой части, которая образует средства радиального удержания соплового направляющего аппарата. Следовательно, крюк картера, согласно предыдущему уровню техники, который отвечал за это радиальное удержание, может быть исключен, что позволяет упростить сопловой направляющий аппарат и уменьшить массу картера примерно на 3 кг, в частном варианте осуществления изобретения.
Блокировка вращения кольца сопловым направляющим аппаратом позволяет избежать установки специального штифта, блокирующего вращение кольца на картере, что потребовало бы увеличить толщину и диаметр картера для обеспечения хорошей механической прочности этого штифта и увеличило бы массу картера.
Антиротационное решение согласно изобретению позволяет, таким образом, снизить радиальные габариты ступени турбины.
Согласно другому аспекту изобретения, взаимно дополняющие средства соплового направляющего аппарата содержат локальные утолщения соплового направляющего аппарата.
Согласно другому признаку изобретения, радиально внутренняя стенка С-образного органа каждого кольцевого сектора имеет осевой габарит, который превышает габарит радиально наружной стенки этого органа.
Сопловой направляющий аппарат может содержать на своем, нижнем по потоку, конце радиально наружную кольцевую лапку, имеющую цилиндрическую наружную поверхность радиальной опоры на рельс картера и радиальную, нижнюю по потоку, поверхность опоры на разрезное кольцо, причем упомянутая выемка или выемки выходят ниже по потоку по меньшей мере частично на эту радиальную, нижнюю по потоку поверхность.
Сопловой направляющий аппарат может быть разделен на секторы и образован из нескольких стыкующихся концами окружных секторов. Вышеупомянутые выемки могут быть ориентированы по окружности, при этом их окружные концы выходят на окружные концы секторов соплового направляющего аппарата или закрыты боковыми перемычками секторов соплового направляющего аппарата.
Боковые края, напротив секторов кольцевой лапки, секторов соплового направляющего аппарата содержат предпочтительно прямолинейные прорези для укладки герметизирующих прокладок, которые простираются радиально наружу, вплоть до рельса картера и/или разрезного кольца, причем прорези простираются в плоскости, расположенной вышеуказанных выемок, или простираются по меньшей мере частично в упомянутых боковых перемычках секторов соплового направляющего аппарата. Прокладки позволяют снизить утечки газа между секторами.
Изобретение относится, наконец, к турбомашине, такой как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, отличающейся тем, что она содержит по меньшей мере одну ступень турбины, такую как описана выше.
Изобретение в дальнейшем поясняется описанием неограничительного варианта его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает схематичный половинчатый вид в осевом разрезе ступени турбины турбомашины согласно уровню техники;
Фиг. 2 - вид в увеличенном масштабе части изображения с Фиг. 1;
Фиг. 3 - схематичный половинчатый вид в осевом разрезе ступени турбины турбомашины согласно изобретению;
Фиг. 4 - вид в увеличенном масштабе части изображения с Фиг. 3, представляющий этап монтажа опрокидыванием кольцевого сектора;
Фиг. 5 - схематичный вид в изометрии наружной платформы сектора соплового направляющего аппарата согласно изобретению;
Фиг. 6 - схематичный вид в изометрии кольцевого сектора согласно изобретению;
Фиг. 7 - схематичный вид в изометрии наружных платформ и кольцевых секторов типа тех, которые показаны на Фиг. 5 и 6, в монтажном положении;
Фиг. 8 - вид, соответствующий Фиг. 3 и представляющий вариант осуществления ступени турбины, согласно изобретению;
Фиг. 9 - схематичный частичный вид в изометрии ступени с Фиг. 8;
Фиг. 10 - схематичный вид в изометрии наружной платформы сектора соплового направляющего аппарата согласно изобретению;
Фиг. 11 - схематичный вид в изометрии кольцевого сектора согласно изобретению;
Фиг. 12 - схематичный вид в изометрии наружных платформ и кольцевых секторов типа тех, которые показаны на Фиг. 10 и 11, в монтажном положении.
Вначале обратимся к Фиг. 1, на которой представлена турбина низкого давления 10 турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой авиационный двигатель, причем эта турбина содержит несколько ступеней, включающих, каждая из них, сопловой направляющий аппарат 12, подвешенный на картере 14 турбины, и смонтированное ниже соплового направляющего аппарата 12 лопаточное колесо 16, вращающееся в кольце 18, подвешенном на картере 14.
Сопловой направляющий аппарат 12 содержит две коаксиальные платформы, соответственно внутреннюю и наружную 20, соединенные между собой по существу радиальными лопатками. Наружная платформа 20 содержит две кольцевые лапки, соответственно верхнюю 22 и нижнюю 24 по потоку, которые радиально простираются наружу и содержат средства подвешивания на картере.
Лапки 22, 24 соплового направляющего аппарата 12 содержат на своей наружной периферии, выше по потоку, цилиндрические закраины для подвешивания на цилиндрических рельсах 26 картера. Цилиндрическая закраина нижней лапки 24 содержит по меньшей мере один радиальный вырез, в который заходит радиальный штифт 28, расположенный на картере 14 и предусмотренный для блокировки вращения соплового направляющего аппарата относительно картера.
Нижняя лапка 24 соплового направляющего аппарата 12 содержит цилиндрическую радиально наружную поверхность 30 радиальной опоры на другой рельс 32 картера и радиальную поверхность, на выходе по потоку, для осевого опирания на разрезное кольцо 36, установленное в кольцевой выточке 38 этого рельса, причем эта выточка 38 радиально обращена внутрь (Фиг. 2). Это разрезное кольцо 36 обеспечивает осевое удержание соплового направляющего аппарата 12 вниз по потоку.
Кольцо 18 разделено на секторы и образует несколько секторов, которые расположены встык концами по окружности картера 14 турбины.
Каждый кольцевой сектор 18 содержит цилиндрическую или усеченную конусную стенку 40 и блок 42 абразивно-изнашиваемого материала, нанесенного пайкой и/или сваркой на радиально внутренней поверхности стенки 40, причем этот блок 42 выполнен по типу сотового наполнителя и предусмотрен для износа трением на кольцевых наружных омываемых элементах (lechettes) лопаток колеса 16, чтобы минимизировать радиальные зазоры между колесом и кольцевыми секторами 18.
Каждый кольцевой сектор 18 содержит на своем, верхнем по потоку, конце окружной С-образный орган 44 с отверстием, обращенным вверх по потоку, который аксиально насажен ниже по потоку на рельс картера 32 и разрезное кольцо 36 (Фиг. 2).
Орган 44 каждого кольцевого сектора 18 содержит две цилиндрические стенки 46 и 48, которые простираются вниз по потоку, соответственно радиально наружные и радиально внутренние, и своими концами соединяются на выходе друг с другом на радиальной стенке 50. Стенка 46 органа радиально прилегает к цилиндрической, радиально наружной поверхности рельса 32, а его радиально внутренняя стенка 48 радиально простирается внутрь части разрезного кольца 36, как это представлено на Фиг. 2.
Согласно уровню техники, внутренняя стенка 48 каждого С-образного органа 44 имеет осевой размер меньше, чем его наружная стенка 46, а окружная сторона на входе этой внутренней стенки отделена от опорной поверхности 34 соплового направляющего аппарата 12 достаточно большим осевым зазором J, что делает возможным монтаж кольцевых секторов 18 путем опрокидывания, как описано в предыдущем изложении. Вследствие этого, верхняя концевая часть внутренней стенки 48 каждого органа 44 простирается на небольшой осевой размер L лишь разрезного кольца 36, который может быть недостаточным, чтобы удержать ее в выточке 38, в частности, при наиболее неблагоприятных условиях, когда это расстояние L уменьшено вследствие допусков при изготовлении деталей и тепловых дифференциальных расширений взаимодействующих деталей.
Изобретение позволяет разрешить эту проблему благодаря удлинению внутренней стенки С-образного органа каждого кольцевого сектора, так что верхняя концевая часть этой внутренней стенки располагается в соответствующей выемке соплового направляющего аппарата, что позволяет осуществить монтаж кольцевых секторов.
Рассмотрим теперь Фиг. 3-7, на которых представлена первая форма осуществления изобретения.
Сопловой направляющий аппарат 112, который представлен на Фиг. 3-7, отличается от описанного прежде, в частности, в том, что его, нижняя по потоку, кольцевая лапка 124 содержит выемки вышеупомянутого типа, которые в предложенном примере образованы окружными выточками 160, 162 на наружной периферии лапки 124 и аксиально выходят вниз по потоку (Фиг. 3, 4 и 5). Радиально наружные части этих выточек 160, 162 выходят на радиальную поверхность 134 нижней лапки 124, которая предусмотрена с опорой на разрезное кольцо 136, расположенное на рельсе 132 картера 114.
Сопловой направляющий аппарат 112 разделен на секторы и содержит несколько секторов, расположенных встык концами по окружности. На Фиг. 5 показана лишь часть сектора соплового направляющего аппарата (показаны лишь наружная платформа 120 и ее кольцевые лапки 122, 124).
Каждый сектор соплового направляющего аппарата 112 содержит кольцевую выточку 160, которая простирается по большей половине окружного размера сектора, и кольцевую выточку 162 меньшего размера. Эти выточки 160, 162 расположены на одной окружности и отделены одна от другой осевым утолщением 164 нижней лапки 124.
Каждая выточка 160, 162 имеет один окружной конец, закрытый упомянутым утолщением 164, и другой окружной конец каждой выточки закрыт перемычкой материала 166 нижней лапки 124, причем эта перемычка простирается аксиально вниз по потоку.
Как видно на Фиг. 3-5, боковые края напротив секторов соплового направляющего аппарата 112 содержат прямолинейные прорези для укладки герметизирующих прокладок (не показаны). Каждый боковой край содержит прямолинейную прорезь 170, которая простирается вдоль продольного края наружной платформы 124, прямолинейную прорезь 172, которая простирается вдоль бокового края сектора верхней лапки 122, и прямолинейную прорезь 174, которая простирается радиально вдоль бокового края сектора нижней лапки 124. Каждая прорезь 174 образована частично в указанной перемычке 166 и простирается непосредственно вплоть до наружной цилиндрической поверхности 130 нижней лапки.
Показанные на Фиг. 3-7 кольцевые секторы 118 отличаются от тех, которые описаны выше, в частности, в том, что радиально внутренние стенки 148 их С-образных органов 144 имеют больший осевой размер, чем их радиально наружные стенки 146. Как это видно на Фиг. 1, радиально внутренняя стенка 148 С-образного органа 144 каждого кольцевого сектора 118 простирается по всему осевому размеру разрезного кольца 136 и дальше за это разрезное кольцо в направлении вверх по потоку в упомянутые выточки 160, 162 соплового направляющего аппарата.
На Фиг. 6 показан кольцевой сектор 118. Внутренняя стенка 148 органа 144 содержит два радиальных выреза 180, 182 в представленном примере, причем эти вырезы предусмотрены для взаимодействия с ответными средствами соплового направляющего аппарата с целью блокировки движения сектора, расположенного напротив соплового направляющего аппарата, как это более детально описано в дальнейшем.
Вырезы 180, 182 имеют по существу U-образную форму и ограничены двумя боковыми параллельными краями, соединенными своими нижними концами по краю окружности. В представленном примере, каждый боковой край выреза соединен с окружным краем этого выреза посредством отверстия 184 круглого сечения, призванного снизить концентрации взаимодействующих в этой зоне напряжений.
Вырез 180 во внутренней стенке 148 органа 144 каждого кольцевого сектора 118 расположен по существу в середине этой стенки и предусмотрен для приема локального утолщения 164 нижней лапки 124 соплового направляющего аппарата.
Как видно на Фиг. 7, кольцевые секторы 118 смещены в окружном направлении относительно секторов соплового направляющего аппарата 112, так что продольные края платформ 120 секторов соплового направляющего аппарата аксиально не совпадают с краями кольцевых секторов 118. Это гарантирует, таким образом, лучшую герметичность сборки.
Вырез 182 во внутренней стенке 148 органа 144 каждого кольцевого сектора 118 предусмотрен для приема перемычек материала 166 напротив двух прилежащих секторов соплового направляющего аппарата 112, как это видно на Фиг. 7.
Как хорошо видно на Фиг. 6, вырезы 180, 182 определяют между ними, ниже по потоку, три различных концевых участка 184, 186, 188 внутренней стенки 148 С-образного органа, при этом один из них заходит частично в выточку 160 сектора соплового направляющего аппарата 112, другой 186 заходит в выточку 162 этого сектора и последний 188 заходит частично в выточку 160 прилежащего сектора соплового направляющего аппарата (Фиг. 7).
На Фиг. 4 показан этап монтажа кольцевого сектора 118 на картере 114. Кольцевой сектор 118 расположен по диагонали, так что его верхний по потоку конец расположен радиально снаружи относительно его нижнего конца. Кольцевой сектор перемещается с низа по потоку в сторону рельса 132 картера до тех пор, пока этот рельс не оказывается между стенками 146, 148 С-образного органа 144 сектора. Внутренняя стенка 148 органа заходит при этом в упомянутые прежде выточки 160, 162 нижней лапки 124 соплового направляющего аппарата 112, как это показано на Фиг. 4. Нижний конец кольцевого сектора 118 радиально опрокидывается затем наружу, при этом нижний конец прилегает к рельсу картера (стрелка 190). Опрокидывание осуществляется поворотом кольцевого сектора 118 вокруг точки, находящейся по существу в С.
В монтажном положении, показанном на Фиг. 3, верхний по потоку, окружной край внутренней стенки 148 органа 44 каждого кольцевого сектора 118 отделен достаточным осевым зазором J’ от дна или радиальных стенок 159 выточек 160, 162, чтобы обеспечить этот монтаж путем опрокидывания. При опрокидывании этот зазор J’ уменьшается, как видно на Фиг. 4. Кроме того, концевые по потоку части внутренней стенки 148 каждого органа 144 простираются внутрь и параллельно наружной цилиндрической стенке 161 каждой выточки 160, 162, и отделены от этой стенки 161 незначительным, или нулевым, радиальным зазором Н. Эти концевые части образуют, следовательно, средства радиального удержания, нижнего по потоку, конца секторов соплового направляющего аппарата.
Дальше обратимся к Фиг. 8-12, представляющим вариант осуществления изобретения, в котором сектора соплового направляющего аппарата 212 отличаются от описанных прежде 112, главным образом, тем, что выточки 260, 262 для приема внутренних стенок 246 С-образных органов 244 кольцевых секторов 218 имеют один из окружных концов, который не закрыт и, следовательно, выходит в окружном направлении на уровне одного из боковых краев сектора соплового направляющего аппарата.
Выточка 260, наибольшего окружного размера сектора соплового направляющего аппарата 212, имеет окружной конец, закрытый упомянутым локальным утолщением 264, и окружной конец, который выходит на один из боковых краев сектора. Выточка 262, наименьшего окружного размера сектора соплового направляющего аппарата 212, имеет один окружной конец, закрытый упомянутым локальным утолщением 264, и один окружной конец, который выходит на другой из боковых краев сектора.
Прямолинейные прорези 270, образованные в боковых краях секторов нижней лапки 224 секторов соплового направляющего аппарата 212, простираются здесь по существу радиально в плоскости, расположенной выше выточек 260, 262. Радиально внутренние концы этих прорезей 270 расположены в непосредственной близости от наружной цилиндрической поверхности 230 лапки 224.
Кольцевые секторы 218 отличаются от описанных прежде 118, главным образом, тем, что радиально внутренние стенки 248 их С-образных органов содержат, каждая из них, один вырез 280, который аналогичен вышеописанному вырезу 180, причем этот вырез 280 предусмотрен для приема упомянутого утолщения 264 сектора соплового направляющего аппарата.
Как видно на Фиг. 11, вырез 280 разграничивает, ниже по потоку, два различных концевых участка 284, 286 внутренней стенки 248 органа, один из которых 284 заходит частично в выточку 260 сектора соплового направляющего аппарата 212, а второй 286 заходит в выточку 262 этого сектора, а также частично - в выточку 260 прилежащего сектора соплового направляющего аппарата (Фиг. 12).
Кольцевые секторы 218 монтируют аналогичным образом, описанным выше со ссылкой на Фиг. 4.