УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО И НАРУЖНОГО КОРПУСОВ ТУРБОМАШИНЫ
DEVICE FOR CONNECTION OF INTERNAL AND EXTERNAL HOUSINGS OF TURBOMACHINE

Изобретение относится к области турбо и авиадвигателестроения, к устройствам для соединения элементов турбомашин, а именно, к устройствам соединения наружных и внутренних корпусов турбомашины.
Известно устройство соединения наружных и внутренних корпусов турбомашины, содержащее тяги, смещенные друг относительно друга в окружном направлении относительно оси турбомашины и шарнирно закрепленные на наружном и внутреннем корпусах турбомашины посредством кронштейнов (Патент №2561353).
Недостатками известного устройства является значительные количество и масса элементов устройства, частичная компенсация относительных перемещений внутреннего и наружных корпусов в работе, то есть значительные напряжения в тягах и повышенный износ в шарнирных соединениях, большее затенение проточной части в местах соединения корпусов, то есть большее сопротивление потоку и большие потери.
Техническим результатом, достигаемом при использовании заявленного изобретения, является устранение недостатков известного устройства, то есть конструктивное снижение напряженности в тягах в каждом месте соединения, сокращение количества элементов устройства при сохранении или увеличении надежности соединения, что приводит к снижению массы, уменьшению потерь потока в проточной части и повышению надежности узла и турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для соединения внутреннего и наружного корпусов турбомашины содержит механизмы соединения корпусов, каждый из которых включает кронштейны с проушинами, жестко закрепленные на наружном корпусе, кронштейны, жестко закрепленные на внутреннем корпусе, тяги, одним концом шарнирно закрепленные в проушинах кронштейнов наружного корпуса, при этом каждый кронштейн внутреннего корпуса снабжен осью, а устройство содержит по меньшей мере 3 механизма соединения корпусов, каждый из которых дополнительно снабжен коромыслом, шарнирно закрепленным на оси кронштейна внутреннего корпуса и с парой тяг равной длины, причем коромысло выполнено таким образом, что центр шарнирного крепления коромысла на оси кронштейна внутреннего корпуса равноудален от центров шарнирного крепления соответствующей пары тяг в проушинах кронштейнов наружного корпуса. Кроме того, каждый механизм соединения корпусов включает 2 кронштейна с круглыми основаниями, выполненные с возможностью жесткого крепления на наружном корпусе и 1 кронштейн в виде изогнутой пластины, выполненный с возможностью жесткого крепления на внутреннем корпусе. Кроме того, механизм соединения корпусов выполнен таким образом, что коромысло выполнено прямолинейным и симметричным, при этом тяги закреплены с разных сторон от плоскости симметрии коромысла (схема 1). Кроме того, механизм соединения корпусов выполнен таким образом, что коромысло выполнено изогнутым и симметричным, при этом тяги закреплены в проушинах кронштейнов таким образом, чтобы обеспечить их перекрещивание, а кронштейны и коромысло выполнены таким образом, чтобы тяги не пересекались в движении, при этом центры оси и проушин кронштейнов образуют равнобедренный треугольник с вершиной в центре шарнирного закрепления коромысла, а угол в вершине является острым, при этом центры шарнирного крепления тяг на коромысле расположены между осью коромысла и проушинами кронштейнов наружного корпуса в окружном направлении относительно оси турбомашины (схема 2). Кроме того, в частном случае реализации, устройство включает 3 механизма соединения корпусов, два из которых выполнены по схеме 1, а один механизм выполнен по схеме 2. Кроме того, в частном случае реализации, устройство включает 3 механизма соединения корпусов, два из которых выполнены по схеме 2, а один механизм выполнен по схеме 1. Кроме того, при количестве соединений больше трех, механизмы могут быть выполнены в разных сочетаниях схем 1 и 2, в том числе и только по схеме 1 или только по схеме 2.
Общеизвестно, что относительные перемещения (радиальные, окружные и осевые) внутреннего и наружного корпусов в месте соединения ограничиваются частично, чтобы сохранять частичную связь друг с другом для исключения излишней напряженности из-за стесненности в перемещениях корпусов, вызванных эксплуатационными нагрузками, такими как неравномерный нагрев конструкции, инерционными и газодинамическими нагрузками и т.д. Это может привести к возникновению дефектов в процессе эксплуатации турбомашины. Обычно обеспечивают относительную свободу в радиальном и осевом направлениях, как вносящих наибольший вклад в относительные перемещения внутреннего и наружного корпусов, и совместность или частичную совместность перемещений в окружном направлении, обеспечивающего удержание одного корпуса относительно другого при действии крутящего момента и поперечных сил, относительно оси турбомашины. Введение ограничений между корпусами также необходимо, так как излишняя подвижность одного корпуса относительно другого может привести к повышенному износу или поломке других элементов конструкции, установленных между данными корпусами, таких как компенсаторы относительных перемещений. Устройство соединения внутреннего и наружного корпусов при этом должно обеспечивать компромиссное решение.
В известном устройстве обеспечивается частичная развязка суммы радиальных и осевых перемещений, так как вектор перемещений одного центра шарнирного соединения тяги с кронштейном относительно другого центра шарнира последней должен перемещаться по окружности с радиусом, равным длине тяги. А в работе данная траектория стремится быть другой, что и вызывает дополнительную напряженность в тяге и дополнительные усилия в шарнирных соединениях, вызывающие повышенный износ. При этом усилия от относительных вынужденных перемещений корпусов в местах соединений полностью передаются через каждую тягу, что снижает надежность соединения.
Снабжение каждого кронштейна внутреннего корпуса осью позволяет установить на ней свободно вращающееся относительно нее коромысло, благодаря которому возможна передача усилия между наружным и внутренним корпусами двумя равными потоками через тяги, что позволяет сократить количество мест соединений и снижает нагрузку на тяги и их шарнирные соединения, что приводит к снижению массы устройства, уменьшению потерь потока в проточной части и повышению надежности узла и турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом.
Реализация заявленного устройства в виде по меньшей мере трех механизмов позволяет по минимуму затенять проточную часть в месте установки устройства и обеспечивать связь между внутренним и наружным корпусами требуемым образом, за счет меньшего количества тяг и кронштейнов, чем в известном устройстве. Каждый из трех механизмов обеспечивает большую связь в окружном направлении и меньшую в осевом и радиальном направлениях, то есть обеспечивает совместность частичного удержания крутящего момента и поперечных сил между корпусами турбомашины. При этом два механизма устанавливаются в горизонтальной плоскости, проходящей через ось турбомашины для частичного удержания больших поперечных сил, действующих в вертикальном направлении. А один механизм устанавливается в вертикальной плоскости, чтобы частично удерживать меньшие поперечные силы, действующие в горизонтальном направлении. Каждый механизм реализован таким образом, чтобы обеспечить связь наружного и внутреннего корпусов двумя потоками в каждом месте соединения, что приводит к снижению массы и уменьшению потерь потока в проточной части турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом. Чем больше количество установленных механизмов, тем большую связь между корпусами они реализуют, но при этом и увеличиваются потери потока из-за большего затенения проточной части.
Дополнительное снабжение каждого механизма коромыслом, шарнирно закрепленным на оси кронштейна внутреннего корпуса и с парой тяг равной длины, причем коромысло выполнено таким образом, что центр шарнирного крепления коромысла на оси кронштейна внутреннего корпуса равноудален от центров шарнирного крепления пары тяг в проушинах кронштейнов наружного корпуса, позволяет в месте соединения корпусов передавать усилие с одного корпуса на другой двумя равными потоками посредством двух тяг. Это возможно за счет того, что коромысло способно проворачиваться относительно оси кронштейна своего крепления и, тем самым, распределять передаваемое усилие равномерно между двумя тягами. То есть в заявленном изобретении тяги и их шарнирные соединения менее нагружены, чем в известном изобретении, что приводит к повышению надежности узла и турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом.
Кроме того каждый механизм соединения корпусов включает 2 кронштейна с круглыми основаниями, выполненные с возможностью жесткого крепления на наружном корпусе и 1 кронштейн в виде изогнутой пластины, выполненный с возможностью жесткого крепления на внутреннем корпусе. Такая конфигурация механизма позволяет оптимальным образом разместиться между наружным и внутренним корпусами с учетом их конфигураций, обеспечив передачу усилия от связи одного корпуса с другим практически в одной плоскости, что исключает или минимизирует изгибающие напряжения в коромысле, что повышает надежность узла и турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом.
Кроме того механизм соединения корпусов выполнен таким образом, что коромысло выполнено прямолинейным и симметричным, при этом тяги закреплены с разных сторон от плоскости симметрии коромысла. Такая конфигурация механизма позволяет оптимальным образом разместиться между корпусами, обеспечив передачу усилия одного корпуса на другой практически в одной плоскости, что исключает или минимизирует изгибающие напряжения в коромысле, что повышает надежность узла и турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом.
Кроме того механизм соединения корпусов выполнен таким образом, что коромысло выполнено изогнутым и симметричным, при этом тяги закреплены в проушинах кронштейнов таким образом, чтобы обеспечить их перекрещивание, а кронштейны и коромысло выполнено таким образом, чтобы тяги не пересекались в движении, при этом центры оси и проушин кронштейнов образуют равнобедренный треугольник с вершиной в центре шарнирного закрепления коромысла, а угол в вершине является острым, при этом центры шарнирного крепления тяг на коромысле расположены между осью коромысла и проушинами кронштейнов наружного корпуса в окружном направлении относительно оси турбомашины. Такая конфигурация механизма позволяет минимизировать габаритные размеры последнего, что сокращает затенение проточной части в области соединения внутреннего и наружного корпусов, так как передняя часть механизма загораживает заднюю, если рассматривать механизм по потоку между наружным и внутреннем корпусами турбомашины, что приводит к уменьшению потерь потока в проточной части турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом.
Кроме того устройство содержит 3 механизма соединения корпусов, при этом 2 из них выполнены по схеме 1, а 1 выполнен по схеме 2 или 2 из них выполнены по схеме 2, а 1 выполнен по схеме 1, что позволяет обеспечить более рациональное сочетание затенения проточной части и обеспечения требуемой связи между наружным и внутренним корпусами при минимальном количестве механизмов в зависимости от мест их установки и сочетания эксплуатационных нагрузок, а именно, направления действия максимальной поперечной нагрузки, чтобы она передавалась двумя механизмами, а направление действия меньшей поперечной силы, чтобы удерживалось одним механизмом. Такой принцип расположения и типы механизмов более равномерно распределят воспринимаемую ими нагрузку, что уменьшает потери потока в проточной части и повышает надежность узла и турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между внутренним и наружным корпусом.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема реализации заявленного устройства соединения внутреннего и наружного корпусов с тремя механизмами, два из которых выполнены по схеме 2, а один по схеме 1. На фиг. 2 и 3 представлена геометрическая модель механизма, выполненного по схеме 1. На фиг. 4 и 5 представлена геометрическая модель механизма, выполненного по схеме 2.
В частном случае реализации (фиг. 1) устройство для соединения внутреннего и наружного корпусов турбомашины выполнено в виде трех механизмов, соединяющих наружный корпус 1 и внутренний корпус 2. При этом два механизма выполнены по схеме 2 (фиг. 4 и 5) и одного механизма, выполненного по схеме 1 (фиг. 2 и 3). Каждый из механизмов содержит по два одинаковых фланцевых кронштейна 3 с круглым основанием для крепления к наружному корпусу 1 и с проушинами 4. А также один кронштейн 5 с осью 6, на которой шарнирно фиксируется коромысло 7 (фиг. 4). В частном случае реализации коромысло 7 имеет возможность перемещаться вдоль оси 6. При этом коромысло 7 соединено с проушинами 4 посредством двух тяг 8 равной длины, установленных на сферических шарнирах. В частности каждый кронштейн 3 соединен с наружным корпусом 1 посредством болтового соединения через круговой фланец. Это позволяет передавать нагрузку в соединении наружный корпус 1 - кронштейн 3 от проушины 4 более равномерно распределено по кругу, что снижает напряжения в деталях данного соединения. Также для компенсации геометрических отклонений при изготовлении деталей реализуют зазоры между болтами и отверстиями под крепеж в кронштейнах 3, вплоть до овализации отверстий (фиг. 3), что обеспечивает удобство и возможность соединения кронштейнов 3 с наружным корпусом 1 при сборке механизма. Кронштейн 5 выполнен в виде изогнутой пластины с жестко закрепленной на ней осью 6, например, при помощи сварки, и крепится к внутреннему корпусу 2 посредством двух болтовых соединений, выполненных в разных плоскостях (фиг. 3). Конструкция кронштейна 5 и способ его крепления к внутреннему корпусу обусловлены, как правило, сложной конфигурацией внутреннего корпуса 2.
Разница между двумя схемами реализации механизмов заключается в расположении тяг 8 относительно коромысла 7, что обуславливает и конфигурацию последнего. В схеме 1 (фиг. 2 и 3) коромысло 7 расположено с тягами 8 практически в одной плоскости, а сам механизм имеет больший линейный габарит. При этом все элементы такого механизма полностью, без затенения, обтекаются потоком наружного контура турбомашины, что приводит к большим его потерям. Но такое расположение тяг 8 относительно коромысла 7 не вызывает дополнительного изгиба последнего из его плоскости. Поэтому такие механизмы предпочтительно устанавливать в места на корпусах, где передается меньшая поперечная нагрузка, то есть в направлений меньшей линейной эксплуатационной перегрузки. Это позволяет воспринимать меньшую нагрузку меньшим числом механизмов. В представленном частном случае реализации одним.
В схеме 2 реализации механизма (фиг. 4 и 5) тяги 8 перекрещиваются друг с другом. Это позволяет затенить часть элементов механизма другими его элементами, что сокращает потери набегающего на них потока в наружном контуре турбомашины. Но, за счет действия нагрузки с тяг 8 не в плоскости коромысла 7, это приводит к возникновению дополнительных напряжений в последнем. Поэтому в данном случае для снижения этих напряжений устанавливают два механизма, что качественно позволяет воспринимать большую поперечную нагрузку, чем один механизм, выполненный по схеме 1.
Из вышесказанного следует, что количество механизмов в устройстве, места их установки на наружном корпусе 1 и внутреннем корпусе 2 и схема их реализации зависят от конкретных условий эксплуатации турбомашины, а именно, нагрузок на каждый из механизмов, что является компромиссным выбором и определяется при проектировании заявленного устройства.
В процессе сборки на кронштейн 5 с осью 6 устанавливают коромысло 7. После соединяют тягами 8 коромысло 7 с проушинами 4 кронштейнов 3. Устанавливают кронштейн 5 на внутренний корпус 2. Далее устанавливают кронштейны 3 на наружный корпус 1. При этом наличие зазоров между отверстиями и болтами позволяет смещать кронштейны 3 относительно наружного корпуса 1 в их пределах, что обеспечивает удобство сборки, а в некоторых случаях и саму сборку, заявленного устройства, нивелируя отклонения геометрических размеров при производства деталей.
В работе из-за разницы относительных перемещений наружного корпуса 1 и внутреннего корпуса 2 элементы каждого из механизмов заявленного устройства подвергаются воздействию усилия, возникающего в результате ограничений, вызванных наличием механизмов в местах соединения наружного 1 и внутреннего 2 корпусов. При этом данные усилия возникают из-за большего ограничения относительных перемещений в окружном направлении наружного корпуса 1 и внутреннего корпуса 2 и меньшего ограничения относительных перемещений в осевом и радиальном направлениях. При этом каждое усилие делится поровну между двумя тягами 8 из-за возможности коромысла 7 проворачиваться относительно оси 6.
Реализация передачи усилий двумя равными потоками в каждом месте ограничения относительных перемещений наружного 1 и внутреннего 2 корпусов, большего в окружном направлении и меньших в осевом и радиальном направлениях, за счет реализации оригинальной конструкции заявленного устройства позволяет снизить массу, уменьшить потери потока в проточной части и повысить надежности узла и турбомашины в целом при обеспечении требуемой взаимосвязи между наружным 1 и внутренним 2 корпусами турбомашины.