УЗЕЛ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ ЛОПАТОЧНЫЙ ВЕНЕЦ ЧАСТИ И СИСТЕМУ СТОПОРЕНИЯ ЭТИХ ЧАСТЕЙ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ УЗЕЛ, И СПОСОБ УСТАНОВКИ ТАКОГО УЗЛА
TURBOMACHINE ASSEMBLY, COMPRISING VANE SUPPORTING PARTS AND SYSTEM FOR LOCKING SAID PARTS, TURBOMACHINE COMPRISING SAID ASSEMBLY, AND METHOD OF INSTALLING SAID ASSEMBLY

Область техники
Изобретение относится к узлу, обеспечивающему блокировку относительного поступательного перемещения двух частей газотурбинного двигателя, поддерживающих лопаточный венец, например, полки неподвижного лопаточного венца и кольца, поддерживающего лопаточный венец, или кольца подвижного лопаточного венца и кольцевого корпуса.
Изобретение, в частности, относится к блокировке полки лопаточного венца для распределения потока газотурбинного двигателя и поддерживающего кольца указанного лопаточного венца для распределения.
Предшествующий уровень техники
Пример газотурбинного двигателя показан на фиг. 5.
Газотурбинный двигатель 1 обычно включает в себя гондолу, которая, строго говоря, образует проход для забора заданного потока воздуха к двигателю. В общем, газотурбинный двигатель содержит одну или несколько частей 3 для сжатия воздуха, поступающего в двигатель (в общем, часть низкого давления и часть высокого давления). Сжатый воздух поступает в камеру 5 сгорания и смешивается с топливом перед сжиганием.
Горячие продукты сгорания после камеры сгорания расширяются в различных ступенях турбины. Первое расширение осуществляется в ступени 6 высокого давления непосредственно после камеры сгорания, куда продукты сгорания поступают при наиболее высокой температуре. Продукты сгорания снова расширяются, когда они направляются через так называемые ступени 7 турбины низкого давления.
Турбина высокого давления 6 или низкого давления 7 обычно включает в себя одну или несколько ступеней, каждая из которых состоит из ряда неподвижных лопаток турбины, так называемого направляющего аппарата, за которым следует ряд подвижных лопаток турбины, которые образуют ротор. Направляющие аппараты скрепляют вместе кольцом. Направляющий аппарат 2 отклоняет газовый поток, полученный в камере сгорания, к подвижным лопаткам турбины под необходимым углом и с необходимой скоростью для приведения во вращение этих подвижных лопаток и ротора турбины.
Каждый направляющий аппарат разделен на части, т.е. образован несколькими частями направляющего аппарата, расположенными в окружном направлении вокруг продольной оси X-X газотурбинного двигателя. Каждая часть направляющего аппарата содержит множество лопаток, проходящих радиально относительно оси X-X газотурбинного двигателя для соединения радиально внутреннего кольцевого элемента (или внутренней полки) и радиально наружного кольцевого элемента (или наружной полки), которые совместно образуют кольцевой канал, обращенный к подвижным лопаткам турбины.
На наружной полке направляющего аппарата установлено кольцо для поддержания направляющего аппарата, которое является осесимметричной частью вокруг оси газотурбинного двигателя. Кольцо и направляющий аппарат должны быть прикреплены друг к другу. В этом отношении должны быть обеспечены средства для блокировки относительного поступательного перемещения в осевом или радиальном направлении (относительно оси газотурбинного двигателя).
Стопоры, устанавливаемые схожим образом в корпусную часть газотурбинного двигателя, проходящую вокруг кольца подвижного лопаточного венца, известны из документа FR 2887920.
Стопоры имеют форму корончатых частей, имеющих U-образное поперечное сечение, чтобы в них можно было размещать нижний по потоку конец кольца и части направляющего аппарата, при этом каждый стопор установлен на кольцо и корпус плотно, т.е. без зазора, для прикрепления стопоров друг к другу.
Однако это решение не является взаимозаменяемым в отношении блокировки полки направляющего аппарата (т.е. неподвижного лопаточного венца) и кольца для поддержания этого направляющего аппарата из-за слишком больших механических и тепловых напряжений в этих частях, что соответственно возникает из-за воздействия сил воздушного потока на направляющий аппарат и теплового расширения указанных частей.
Фактически, в случае затягивания стопора на указанных частях отсутствие зазора между стопором с одной стороны и направляющим аппаратом и кольцом с другой стороны означает, что напряжения в указанных частях будут вызывать воздействие значительных усилий на стопор и, как следствие, деформацию и быстрое разрушение стопора.
Следовательно, существует необходимость в системе, имеющей увеличенный срок эксплуатации и обеспечивающей блокировку кольца направляющего аппарата с наружной полкой направляющего аппарата.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение упомянутой выше проблемы.
В частности, задачей изобретения является создание узла, позволяющего надежно удерживать вместе части для поддержания лопаток газотурбинного двигателя и имеющего длительный срок эксплуатации.
Другой задачей изобретения является создание легко монтируемого узла.
В этом отношении объектом изобретения является узел, содержащий:
- две части, поддерживающие лопаточный венец газотурбинного двигателя, которые осесимметричны и концентрично расположены одна внутри другой вокруг оси газотурбинного двигателя, и
- систему стопорения частей для предотвращения их относительного поступательного перемещения в осевом и радиальном направлениях относительно указанной оси, при этом система стопорения содержит разрезной обод, имеющий U-образное поперечное сечение, приспособленный для приема конца обеих частей,
причем обод и одна из частей выполнены с возможностью взаимодействия посредством зацепления обода на указанной части,
а система стопорения дополнительно содержит элемент для предотвращения вращения обода относительно части, с которой он входит в зацепление.
Преимущественно, но дополнительно, изобретение имеет по меньшей мере одну из следующих особенностей:
– внутренняя часть является полкой неподвижного лопаточного венца или кольцом лопаточного венца, а наружная часть – кольцом, поддерживающим неподвижный лопаточный венец, или кольцевым корпусом, соответственно;
– U-образный в сечении обод содержит два плеча, соединенных между собой поперечиной, и каждое плечо обращено к одной из частей, когда в ободе размещен конец указанных частей, при этом одно из плеч и часть, обращенная к указанному плечу, имеют зацепляющиеся зубцы, выполненные с возможностью такого взаимодействия, что обеспечивается взаимодействие посредством зацепления обода на указанной части;
– наружная часть и плечо, обращенное к указанной части, имеют зацепляющиеся зубцы;
– элемент для предотвращения вращения содержит:
- крюк, расположенный в прорези обода и предназначенный для приема конца обеих частей, при этом крюк содержит на плече, проходящем вдоль одной из указанных частей, сквозное отверстие, образующее гнездо, и
- штифт для прикрепления крюка, пересекающий часть, вдоль которой проходит плечо крюка, при этом указанный штифт размещен в отверстии крюка;
– крюк дополнительно включает в себя сквозной паз, примыкающий к отверстию и открытый на одной стороне крюка для обеспечения возможности вставления штифта в отверстие через паз;
– паз имеет края, сближающиеся в направлении отверстия для предотвращения выхода штифта после его вставления в отверстие;
– крюк дополнительно включает в себя выемку, примыкающую к отверстию, обеспечивающую упругую деформацию крюка после вставления штифта в отверстие;
– выемка имеет ширину меньше ширины штифта;
– плечо крюка проходит вдоль наружной части, а штифт пересекает указанную часть.
Объектом изобретения также является газотурбинный двигатель, содержащий такой узел.
Объектом изобретения также является способ установки такого узла, включающий в себя этапы, на которых:
- концентрично устанавливают обе осесимметричные части одну внутри другой,
- перемещают разрезной обод и зацепляют его на одной из частей, и
- позиционируют элемент для предотвращения вращения обода относительно части.
Преимущественно, но дополнительно, во время осуществления этого способа установки этап позиционирования элемента для предотвращения вращения содержит:
- позиционирование штифта, предотвращающего вращение, через одну из частей, и
- позиционирование крюка в прорези обода для приема конца обеих частей и перемещение крюка к указанным частям для последующего вставления штифта в паз и затем в отверстие крюка.
Другие особенности, задачи и преимущества изобретения станут более понятыми из последующего подробного описания на неограничительных примерах со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1a и 1b показан узел согласно варианту осуществления, где соответственно показаны зацепляющийся зубец и элемент для предотвращения вращения обода, виды в поперечном разрезе;
на фиг. 1c – узел согласно другому варианту осуществления с зацепляющимся зубцом, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 1d – узел согласно другому варианту осуществления с зацепляющимся зубцом, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 2a – часть кольца, поддерживающего лопаточный венец, которое может быть частью узла, показанного на фиг. 1a и 1b, вид в перспективе;
на фиг. 2b – часть обода для стопорения указанных частей, вид спереди;
на фиг. 3a – 3c – узел согласно варианту осуществления изобретения, различные виды в перспективе;
на фиг. 3d – крюк, используемый для предотвращения вращения обода;
на фиг. 4 – блок-схема основных этапов способа установки узла согласно изобретению;
на фиг. 5 – газотурбинный двигатель, описанный выше, в котором может использоваться узел согласно изобретению, вид в разрезе.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 3а показан узел 100, который содержит две части для поддержания лопаточного венца газотурбинного двигателя, при этом обе части являются осесимметричными и концентрично расположены одна внутри другой вокруг оси X-X на фиг. 5.
Под частью для поддержания лопаточного венца газотурбинного двигателя понимается:
- в случае неподвижного лопаточного венца, например, лопаточного венца для распределения потока: наружная полка лопаточного венца, соединяющая вместе лопатки лопаточного венца, или поддерживающее кольцо лопаточного венца, которое расположено вокруг указанной полки, или помимо этого кольцевой корпус лопаточного венца, расположенный вокруг указанного кольца;
- в случае подвижного лопаточного венца, например, лопаточного венца компрессора: кольцо, окружающее лопаточный венец, или кольцевой корпус, который расположен вокруг указанного кольца.
Следовательно, узел 100 содержит две части, поддерживающие лопаточный венец, радиально внутреннюю часть 10 и радиально наружную часть 20, расположенную вокруг первой части.
Согласно предпочтительному варианту осуществления внутренняя часть 10 является полкой неподвижного лопаточного венца газотурбинного двигателя, подобного лопаточному аппарату для распределения потока (также именуемому направляющим аппаратом), и наружная часть 20 является поддерживающим кольцом неподвижного лопаточного венца.
Согласно альтернативному варианту осуществления внутренняя часть 10 является кольцом подвижного лопаточного венца, а наружная часть 20 является кольцевым корпусом.
Согласно другому альтернативному варианту осуществления внутренняя часть 10 является поддерживающим кольцом неподвижного лопаточного венца, а наружная часть является кольцевым корпусом.
На фиг. 1a и 1b узел 100 показан применительно к первому случаю. Внутренняя часть 10 является полкой лопаточного венца, одна лопатка A которого показана на этих фигурах. Полка 10 содержит спойлер 11, расположенный выше по потоку, и спойлер 12, расположенный ниже по потоку по отношению к воздушному потоку, показанному на фигурах стрелкой F. Спойлер 11, расположенный выше по потоку, и спойлер 12, расположенный ниже по потоку, образуют, соответственно, концы полки, расположенные выше по потоку и ниже по потоку.
Кольцо 20 для поддержания лопаточного венца содержит на его конце, расположенном выше по потоку, U-образный крюк 21, предназначенный для приема спойлера 11 полки, расположенного выше по потоку, и на его конце, расположенном ниже по потоку, имеет край 22, проходящий к оси и создающий возможность удерживания спойлера платформы, расположенного ниже по потоку, в осевом направлении к части, расположенной ниже по потоку.
Край 22 имеет углубление 23, обеспечивающее поворот угла спойлера 12, расположенного ниже по потоку, в этом углублении во время позиционирования кольца 20 на полке. Таким образом, поддерживающее кольцо поворачивается вокруг полки (ось поворота расположена в спойлере, расположенном ниже по потоку) и будет принимать спойлер, расположенный выше по потоку, в крюке 21. После установки кольца в требуемое положение на полке 10 между крюком 21 и спойлером 11, расположенным выше по потоку, образуется осевой зазор.
Кроме того, как видно на фигурах, на крае 22 спойлер 12, расположенный ниже по потоку, не удерживается в радиальном направлении.
В случае, когда внутренняя часть 10 является кольцом неподвижного лопаточного венца, а наружная часть 20 является кольцевым корпусом, со ссылкой на фиг. 1c, кольцевой корпус 20 включает в себя окружные края 22, расположенные ниже по потоку и обращенные к окружным краям 12 кольца 10 лопаточного венца, расположенным ниже по потоку.
Выступ 13 на указанном крае создает возможность предотвращения смещения корпуса к части, расположенной выше по потоку, относительно кольца 10 лопаточного венца. Однако в направлении, противоположном направлению ниже потоку, и в радиальном направлении относительные перемещения корпуса 20 и кольца 10 лопаточного венца не блокируются.
По этой причине узел 100 содержит систему 30 для стопорения указанных частей с целью предотвращения их осевого и радиального относительного поступательного движения (относительно оси газотурбинного двигателя).
Как наиболее наглядно показано на фиг. 2b и 3a – 3c, эта система 30 включает в себя обод 40, имеющий U-образное сечение, который содержит два параллельных плеча 41, 42, соединенных вместе на одном конце поперечиной 43.
Длина поперечины 43 определяет расстояние между плечами, которое должно быть достаточным для размещения одного конца обеих частей 10, 20. В случае, когда указанные части соответственно являются полкой лопаточного венца и поддерживающим кольцом, в ободе размещаются, как показано на фиг. 1a и 1b, спойлер 12 полки, расположенный ниже по потоку, и край 22 кольца, так чтобы внутреннее плечо 41 обода было обращено к внутренней стороне спойлера 12, расположенного ниже по потоку, а наружное плечо 42 было обращено к наружной стороне кольца.
На фиг. 1c, в случае, когда кольцо 10 лопаточного венца окружено кольцевым корпусом 20, в ободе размещаются окружные края 12, 22 обеих частей, расположенные ниже по потоку, внутреннее плечо 41 обращено к внутренней стороне края 12 кольца, расположенного ниже по потоку, а наружное плечо 42 обращено к наружной стороне края 22 корпуса, расположенного ниже по потоку.
Кроме того, обод 40 выполнен таким образом, чтобы его можно было устанавливать посредством зацепления с одной из указанных частей.
Преимущественно, обод 40 и одна из указанных частей, предпочтительно наружная часть 20, выполнены таким образом, чтобы они могли быть соединены вместе посредством зацепления. В этом отношении они содержат взаимодействующие зацепляющиеся зубцы 44, 24, т.е. зацепляющиеся зубцы каждой части имеют равную длину и распределены с постоянными угловыми интервалами, а угловые интервалы между двумя зацепляющимися зубцами 24, 44 одной части 24, 44 соответствуют или превышают длину зацепляющегося зубца 44, 24 другой части.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, как показано на фиг. 1a, 1c, 2b и 3a, зацепляющиеся зубцы 44 являются выступами наружного плеча 42 обода, которые выступают внутрь, т.е. в направлении оси вращения обода.
С другой стороны, наружная часть 20 содержит на наружной поверхности зацепляющиеся зубцы 24, проходящие радиально в направлении, противоположном оси вращения этой части.
Обод может быть установлен посредством зацепления на частях 10, 20 за счет размещения конца обеих частей, что создает возможность прекращения поступательного движения в радиальном направлении обеих частей 10, 20 относительно друг друга (поскольку внутренняя часть 10 удерживается ободом вплотную к наружной части) и относительного поступательного движения в осевом направлении, поскольку зацепляющиеся зубцы 44 и поперечина 43 обода препятствуют любому осевому перемещению наружной части 20.
Кроме того, установка посредством зацепления обода на указанных частях обеспечивает возможность предусмотреть зазоры между ободом и частями 10, 20, что позволяет указанным частям значительно расширяться из-за ограничений по нагреву без уменьшения срока эксплуатации.
Кроме того, отсутствие затяжки означает, что обод не должен подвергаться воздействию значительных механических напряжений. Это позволят уменьшить размеры обода и, следовательно, массу обода, что ведет к снижению массы узла газотурбинного двигателя, в котором установлены части 10, 20.
Согласно альтернативному варианту осуществления, как показано на фиг. 1d, внутренняя часть 10 может содержать защепляющиеся зубцы, расположенные на ее радиально внутренней поверхности и проходящие радиально. Обод 40 содержит зацепляющиеся зубцы 44 на внутреннем плече 41, при этом зубцы выступают наружу.
Обод 40 выполнен разрезным, т.е. он проходит по кольцевому сектору менее 360°, но преимущественно более 350°. Прорезь 45 обода 40 также создает возможность расширения указанных частей в случае ограничений по нагреву без повреждения обода или указанных частей.
Система 30 для стопорения указанных частей также содержит элемент 50 для предотвращения вращения обода относительно обеих частей 10, 20. Этот элемент для предотвращения вращения преимущественно расположен в прорези 45 обода 40.
Как показано на фиг. 1b и 3a – 3c, элемент 50 для остановки вращения содержит крюк 51, который предназначен для приема конца обеих частей 10, 20. В случае, когда указанные части являются полкой 10 неподвижного лопаточного венца и поддерживающим кольцом 20, концы, как и ранее, являются концом спойлера 12, расположенного ниже по потоку, и краем 22.
В случае, когда указанные части являются кольцом 10 подвижного лопаточного венца и кольцевым корпусом, концы являются окружными краями 12, 22, расположенными ниже по потоку.
Крюк 51, в частности, содержит плечо 52, проходящее вдоль одной из частей 10, 20, преимущественно вдоль наружной части 20. Плечо 52 содержит сквозное отверстие 53, образующее гнездо для штифта 59, проходящего через отверстие (не показано), выполненное в той части, вдоль которой проходит плечо.
Отверстие 53 преимущественно имеет такую же форму, как и сечение штифта 59, т.е. преимущественно круглую форму.
Когда обод 40 установлен на указанные части посредством зацепления, он расположен так, чтобы зацепляющиеся зубцы 24, 44 были обращены друг к другу, а обод выполнял функцию ограничения движения в радиальном и осевом направлении.
В этом положении крюк 51 установлен в прорези 45 для приема в нем указанных частей, а штифт 59 вставлен в сквозное отверстие 53 крюка, обеспечивая поддержание постоянного углового положения крюка в ободе 40. В результате крюк 51 занимает место в прорези 45 обода, который не может поворачиваться вокруг частей 10, 20 до тех пор, пока зацепляющиеся зубья больше не будут обращены друг к другу, после чего обод 40 может быть снят.
Как наиболее наглядно показано на фиг. 3a и фиг. 3d, крюк 51также включает в себя сквозной паз 54, примыкающий к отверстию 53, который открыт в направлении одной из сторон крюка. Таким образом, штифт может быть вставлен в указанное отверстие посредством его перемещения со скольжением в пазу до тех пор, пока он не окажется в отверстии 53.
Паз предпочтительно имеет края, которые сближаются в направлении отверстия, при этом само отверстие имеет диаметр, превышающий расстояние между краями паза на его конце, примыкающем к отверстию, поэтому штифт после вставления в отверстие посредством его перемещения по пазу больше не сможет выходить из отверстия.
В этом случае имеет место незначительная деформация крюка на краях паза 54 во время прохождения штифта 59 по пазу.
Крюк 51 преимущественно включает в себя выемку 55, предпочтительно сквозную выемку, примыкающую к отверстию, и эта выемка 55 предпочтительно расположена противоположно пазу относительно отверстия, позволяя крюку 51 упруго деформироваться после вставления штифта 59 в отверстие 53.
Эта выемка 55 преимущественно имеет меньшую ширину по сравнению с диаметром отверстия 53 во избежание смещения штифта из отверстия 53 в выемку 55 после его вставления в отверстие 53.
Основные этапы способа 1000 для установки узла 100, описанного выше, будут раскрыты далее со ссылкой на фиг. 4.
Во время первого этапа 1100 обе части опоры 10, 20 лопаточного венца концентрично размещают одну внутри другой. Указанные части совмещают вместе способом, известным специалистам в этой области, для получения конструкций, соответственно показанных на фиг. 1a, 1b в одном случае и на фиг. 1c в другом случае.
Затем на этапе 1200 устанавливают обод 40 посредством зацепления на указанных частях. С этой целью обод 40 перемещают на этапе 1210 посредством смещения зацепляющихся зубцов 44 обода относительно зацепляющихся зубцов 24 одной из указанных частей и зацепления обода 40 с указанными частями, так чтобы концы указанных частей были размещены между плечами 41, 42 обода.
Далее на этапе 1220 обод 40 поворачивают относительно частей 10, 20, так чтобы зацепляющиеся зубцы 44 обода были обращены к зацепляющимся зубцам 24 указанной части, например, наружная часть 20 и обод образуют упор в осевом направлении поступательного перемещения указанной части.
И, наконец, на этапе 1300 устанавливают элемент 50 для предотвращения вращения обода относительно указанных частей.
С этой целью крюк 51 предпочтительно имеет паз 54, примыкающий к отверстию 53. Штифт 59, препятствующий вращению, вставляют на этапе 1310 через одну из указанных частей, и крюк 51 на этапе 1320 устанавливают в прорезь, так чтобы в нем можно было разместить указанные части, а штифт 59 был помещен в паз. Крюк 51 постепенно перемещают, так чтобы штифт 59 перемещался в пазу до тех пор, пока он не окажется в отверстии 53.
Штифт 59 преимущественно блокируется в отверстии сближающимися краями паза.
Таким образом, предложен узел, обеспечивающий блокировку поступательного перемещения в осевом и радиальном направлениях двух частей, поддерживающих лопаточный венец газотурбинного двигателя, при этом указанный узел имеет длительный срок эксплуатации и не требует сложного монтажа.