ЛОПАТОЧНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ СЕКТОР СТАТОРА ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
TURBOMACHINE STATOR BLADE CIRCULAR SECTOR AND AIRCRAFT TURBOMACHINE

Изобретение в целом относится к турбомашине летательного аппарата, предпочтительно турбореактивного или турбовинтового типа.
Более конкретно, изобретение относится к статору компрессора или турбины такой турбомашины, а более точно к лопаточному кольцевому сектору, содержащему множество лопаток статора и две поддерживающих лопатки концентрических обечайки, предназначенных для радиального ограничения соответственно внутри и снаружи основного потока, проходящего через турбомашину. Такое лопаточное кольцо обычно изготавливается с использованием нескольких распложенных встык секторов, большей частью используется в компрессоре или турбине в качестве направляющего аппарата или сопла.
Турбомашины обычно содержат компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления. Компрессоры и турбины содержат несколько рядов подвижных лопаток, разнесенных по окружности, причем эти ряды разделяются рядами неподвижных лопаток, также разнесенных по окружности. В современных турбомашинах к направляющим устройствам и соплам прикладываются значительные динамические нагрузки. Технологический прогресс приводит к уменьшению количества ступеней для обеспечения эквивалентной или более лучшей производительности, что влечет в результате большую нагрузку на каждую ступень. Более того, изменения в производственных технологиях приводят к уменьшению в количестве частей, что уменьшает демпфирующее влияние соединений между частями. Это отчасти является случаем, в котором применяется технология припаивания изнашивающегося картриджа, что устраняет значительный источник рассеивания вибрации.
Документ FR-A-2902843 раскрывает средство для решения этой задачи вибрации за счет того, что сектор наружной обечайки разбивается на элементарные сектора, находящиеся на фиксированном расстоянии друг от друга вдоль тангенциального направления за счет использования щелей или радиальных разрезов в наклонном или другом направлении, причем каждый элементарный сектор поддерживает одну лопатку кольцевого лопаточного сектора. Более того, между элементарными секторами вставляются демпфирующие вставки в форме пластин. Рабочий принцип основан на представлении нелинейной жесткости в динамических свойствах конструкции. Такая нелинейность вызвана наличием порогового уровня вибрации системы. Подобная вибрационная активность вызывает относительное движение между элементарными секторами лопаток и демпфирующими вставками. Это относительное движение вызывает последующую потерю или возникновение адгезии демпфирующих вставок и, следовательно, непрерывное изменение локальной жесткости системы. Следовательно, режим(ы), вызывающий вибрационную активность, подавляется за счет постоянного изменения ассоциированных собственных частот. Резонанс в системе не может возникнуть из-за постоянного изменения состояния динамической системы. Это снижает амплитуду вибрации в системе.
Но даже несмотря на то, что это решение является удовлетворительным с точки зрения вибрации, оно может быть улучшено. Более того, в таком решении, раскрытом в документе FR-А-2902843, демпфирующие вставки удерживаются в контакте с фрикционными поверхностями элементарных секторов по причине перепада давления между аэродинамическим трактом и внешней частью компрессора, прикладывая на эти вставки силу радиально внутрь. Недостаток состоит в том, что этот перепад давления не может быть достаточным, чтобы удовлетворительно прижимать вставки в контакт с фрикционными поверхностями. В этом случае результат представляет, прежде всего, уменьшение производительности демпфирования вибраций, но также возможна потеря герметичности воздушного тракта.
Другой недостаток этого решения состоит в том, что одна из лопаток лопаточного кольцевого сектора будет перегружена. Аэродинамические силы, прикладываемые к лопаткам, включают в себя тангенциальную составляющую, которой не может быть оказано сопротивление на секторе наружной обечайки, из-за его сегментации на тангенциально разнесенные элементарные сектора. Таким образом, тангенциальные компоненты объединяются и проходят через сектор внутренней обечайки лопаточного кольцевого сектора до лопатки, расположенной примыкающей к стопору антивращения, установленному на кольцевом секторе. Следовательно, эта лопатка очень сильно нагружается из-за неспособности сектора наружной обечайки передавать статические силы вдоль тангенциального направления.
Следовательно, задачей этого изобретения является, по меньшей мере, отчасти превзойти недостатки, упомянутые выше, которые возникают в вариантах осуществления согласно предыдущему уровню техники.
Первой задачей изобретения для достижения этого является сборка, образующая сектор наружной обечайки для лопаточного кольцевого сектора, который будет использован на статоре компрессора или турбины турбомашины летательного аппарата, причем упомянутый сектор наружной обечайки, во-первых, содержит множество элементарных секторов на расстоянии друг от друга вдоль тангенциального направления упомянутой сборки, а во-вторых, демпфирующие вибрацию клинья, причем каждый из них вставляется между двумя элементарными секторами, связанными с ним, размещенными непосредственно последовательно вдоль упомянутого тангенциального направления.
Согласно изобретению профиль каждого демпфирующего вибрацию клина является приблизительно таким же, как профиль элементарных секторов.
Из-за такого специфического профиля клиньев фрикционная поверхность контакта между клиньями и элементарными секторами является большой, что приводит в результате к улучшению демпфирующего влияния.
Более того, то обстоятельство, что клинья приводятся в контакт с фрикционными поверхностями элементарных секторов, может привести к идеальному уплотнению между этими элементами, вне зависимости от разницы давлений между аэродинамическим трактом потока и внешней частью компрессора или турбины. Это уплотнение получается за счет конструкции, с клиньями, прикладывающими силы на фрикционные поверхности элементарных секторов приблизительно вдоль тангенциального направления. Заметим, что это уплотнение дополнительно усиливается во время функционирования, поскольку силы, приводящие фрикционные поверхности и клинья в контакт друг с другом, усиливаются за счет применения тангенциальной составляющей аэродинамических сил, прикладываемых на лопатки статора элементарных секторов.
Принимая во внимание тангенциальную составляющую аэродинамических сил, прикладываемых на лопатки, заметим, что одно из существенных преимуществ этого изобретения состоит в том, что эта составляющая может проходить через сборку, образующую сектор наружной обечайки, так как сектор наружной обечайки является очень жестким вдоль тангенциального направления из-за специфического расположения демпфирующих вибрации клиньев, несмотря на то, что он разделен на сектора вдоль этого направления. Результат состоит в том, что лопатки не перегружаются, следовательно, они нагружены приблизительно равномерно.
В заключение заметим, что при применении приблизительно такого же профиля, как у элементарных секторов, между элементарными секторами на удалении друг от друга, полностью воссоздается внешнее радиальное ограничение основного кольцевого потока, называемого воздушным трактом.
Предпочтительно, упомянутый клин находится в контакте с двумя параллельными плоскими фрикционными поверхностями, обращенными друг к другу вдоль упомянутого тангенциального направления, и предусмотренными на упомянутых двух элементарных секторах, связанных с упомянутым клином, при этом упомянутый клин имеет две дополняющие плоские фрикционные поверхности, параллельные друг другу и взаимодействующие с двумя соответствующими фрикционными поверхностями элементарных секторов. Плоскость контакта между фрикционными поверхностями и дополняющими фрикционными поверхностями дает удовлетворительное демпфирование вибраций трением. Кроме того, две фрикционные поверхности можно изготовить одновременно во время одной операции механической обработки, например, за счет одной операции резки для того, чтобы получить прямые щели, другим словами, щели в заданной плоскости, внутри которых будут впоследствии размещаться соответствующие клинья. Это позволяет гораздо проще изготавливать сборку согласно изобретению, что приводит к значительной экономии затрат и времени.
Предпочтительно, упомянутый клин обеспечивается крючками для того, чтобы удерживаться на месте на статоре компрессора или турбины, следовательно, эти крючки имеют такой же профиль, как у крючков, зафиксированных на элементарных секторах.
Предпочтительно, элементарные сектора отделяются друг от друга радиальными щелями, полностью заполненными упомянутыми демпфирующими вибрацию клиньями.
Предпочтительно, упомянутые демпфирующие вибрацию клинья проходят приблизительно вдоль осевого или наклонного направления упомянутой сборки.
Другая задача этого изобретения относится к лопаточному кольцевому сектору, предназначенному для установки на статоре компрессора или турбины турбомашины летательного аппарата, содержащей сборку, образующую сектор наружной оболочки, подобный тому, который описан выше, сектор внутренней обечайки и множество лопаток в тангенциальном удалении друг от друга, которые вставлены между сборкой, образующей сектор наружной обечайки, и сектором внутренней обечайки. В этом случае каждый элементарный сектор будет нести одну лопатку статора или, возможно, несколько лопаток, не выходя из объема изобретения.
Лопаточное кольцо может образовывать направляющий аппарат компрессора или сопло турбины.
Более того, кольцевой сектор предпочтительно проходит по угловому диапазону между 5 до 60°, но также может составлять 360°, образуя целое лопаточное кольцо.
Другая цель изобретения является турбомашиной летательного аппарата, содержащей статор компрессора или турбины, оборудованный, по меньшей мере, одним лопаточным кольцевым сектором подобно тому, который описан выше.
Другие преимущества и характеристики изобретения станут очевидными из подробного неограничивающего описания, приведенного ниже.
Это описание будет выполнено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 показан схематичный вид в разрезе турбомашины, которая будет оснащена одним или несколькими лопаточными кольцевыми секторами согласно этому изобретению;
на фиг. 2 показан вид в разрезе, представляющий часть компрессора высокого давления турбомашины, показанной на фиг. 1, причем он включает в себя лопаточный кольцевой сектор согласно этому изобретению;
- на фиг. 3 показан вид в перспективе лопаточного кольцевого сектора, показанного на предыдущем чертеже, причем сектор имеет форму предпочтительного варианта осуществления этого изобретения;
- на фиг. 4 показана аксиальная проекция части лопаточного кольцевого сектора, показанного на предыдущем чертеже;
- на фиг. 5 показана боковая проекция, вдоль линии V-V фиг. 4, клиньев и элементарных секторов лопаточного кольцевого сектора, показанного на предыдущих чертежах; и
на фиг. 6а-6с показаны виды, схематично отображающие различные этапы в процессе изготовления лопаточного кольцевого сектора, показанного на предыдущих чертежах.
На фиг. 1 показан турбореактивный двигатель 100 летательного аппарата, к которому применимо изобретение. Он содержит в порядке от направления входа к направлению выхода компрессор 2 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, кольцевую камеру 6 сгорания, турбину 8 высокого давления и турбину 10 низкого давления.
На фиг. 2 показана часть компрессора 4 высокого давления. Как известно, компрессор содержит ряды 14 лопаток статора и ряды 16 лопаток ротора, чередующихся в осевом направлении, параллельном оси 12 компрессора. Лопатки 18 статора, распределенные по окружности / тангенциально вокруг оси 12, включены в часть статора, называемую лопаточным кольцом 20, предпочтительно разбитую на секторы вдоль направления 22 по окружности. Таким образом, в последующем мы будем делать ссылку к лопаточному кольцевому сектору 20, причем понятно, что этот сектор 20 предпочтительно проходит в угловом диапазоне между 5 и 60°, но может составлять 360° с тем, чтобы образовывать полное лопаточное кольцо.
Следовательно, сектор 20, образующий часть или все сопло турбины или направляющий аппарат компрессора, содержит сектор 24 внутренней обечайки, образующий внутреннюю поверхность, радиально ограничивающую основной кольцевой поток 26, проходящий через турбомашину, причем этот сектор 24 обечайки поддерживает неподвижные основания лопаток 18 статора. Кроме этих лопаток 18 сектор 20 также содержит сборку, образующую сектор 28 наружной обечайки, образующий внешнюю поверхность, радиально ограничивающую основной кольцевой поток и поддерживающую неподвижные верхние части лопаток 18.
В связи с этим заметим, что сектор 20 также содержит известные дополнительные элементы, устанавливаемые на сектор 24 обечайки, например радиальное внутреннее изнашиваемое покрытие 29, образующее кольцевую уплотнительную дорожку, контактирующую с уплотнительным устройством 31, поддерживаемым роторной ступенью 16, поддерживающей вращающиеся лопатки и размешенную на расположенной ниже по потоку стороне рассматриваемого сектора 20. Вращающееся уплотнительное устройство 31 является известным типом лабиринтного или манжетного уплотнительного устройства.
На фиг. 3 показан лопаточный кольцевой сектор 20. В описанном предпочтительном варианте осуществления все сопло турбины или весь направляющий аппарат компрессора получают за счет стыкового размещения множества этих секторов 20, соответственно каждый из них образует угловой или окружной участок этого лопаточного кольца. Угловые сектора 20 (только один из которых можно увидеть на фиг. 3) предпочтительно не содержат каких-либо прямых жестких механических связей, соединяющих их друг с другом, причем их примыкающие концы просто размещаются так, чтобы быть обращенными друг к другу с зазором или без.
Более точно, со ссылкой на фиг. 3 и 4, на чертежах показано, что внутренний кольцевой сектор 24 выполнен как цельная часть и не является сегментированным. С другой стороны сборка 28, образующая сектор 28 наружной обечайки, сегментируется в элементарные сектора 30 на расстоянии друг от друга вдоль тангенциального направления 22, за счет прямых радиальных или слегка скошенных щелей 32, таким образом, создавая зазоры между непосредственно последовательными секторами 30. Каждая щель 32 выполнена вдоль срединной прямой линии между двумя непосредственно последовательными лопатками 18 таким образом, что каждый элементарный сектор 30 поддерживает одиночную неподвижную лопатку 18 статора. Один из двух элементарных секторов 30, размещенных на концах сектора 20, поддерживает стопор 33 вращения, выступающий радиально наружу, который будет взаимодействовать с другой частью статора компрессора известным образом.
Сборка 28 также содержит демпфирующий вибрацию клин 34, размещающийся между непосредственно последовательными элементарными секторами 30.
Более точно, каждый демпфирующий вибрацию клин 34 размещается между двумя плоскими параллельными фрикционными поверхностями 38, обращенными друг к другу вдоль тангенциального направления 22 и предусмотренными на соответствующих обращенных друг к другу тангенциальных концах двух элементарных секторов, связанных с клином. Подобным образом каждый клин 34 имеет две дополняющие плоские фрикционные поверхности 40, параллельные друг другу, а также параллельные и в контакте с двумя соответствующими плоскими фрикционными поверхностями 38, с которыми они взаимодействуют.
Следовательно, каждый клин 34 сдавлен между двумя непосредственно последовательными элементарными секторами 30, имеющими форму, соответствующую форме фрикционных поверхностей 38.
Контакт между двумя фрикционными поверхностями 38, 40 каждой пары предпочтительно происходит, как только клин 34 помещается в положение между двумя связанными с ним элементарными секторами 30. Клинья 34, таким образом, своими дополняющими плоскими фрикционными поверхностями 40 прикладывают силы, ориентированные приблизительно вдоль тангенциального направления, находясь в контакте с фрикционными поверхностями 38 элементарных секторов. Эти силы преимущественно нарастают во время функционирования при дополнительном применении тангенциальной составляющей аэродинамических сил, прикладываемых на лопатки статора элементарных секторов.
Как схематично показано на фиг. 5, один из специфичных признаков этого изобретения состоит в том, что профиль клиньев 34 является приблизительно таким же, как профиль элементарных секторов, причем этот такой же профиль соответствует профилю сектора наружной обечайки. В этом раскрытии профиль ссылается к общей форме элемента, если смотреть вдоль тангенциального направления 22, несмотря на вид в разрезе, показанный на фиг. 5.
Таким образом, нижняя поверхность 46 каждого клина 34, так же как у элементарных секторов 30, действует в качестве внешнего радиального ограничения воздушного тракта. Следовательно, общая кольцеобразная поверхность ограничения воздушного тракта, состоящая из последовательности этих поверхностей 46, образованных на клиньях 34 и секторах 30, является приблизительно непрерывной с аэродинамической точки зрения, поскольку между последовательными поверхностями не существует перепада.
Каждый клин 34 и каждый сектор 30 также содержит крючки для того, чтобы удерживаться на месте на другой части статора компрессора, а более точно фиксирующий крючок 48 выступает вперед, а фиксирующий крючок 50 выступает назад. Как показано на фиг. 2, крючки 48, 50 размещаются в соответствующих круговых щелях 52, 54, предусмотренных в другой части статора компрессора, для фиксации сектора 20 на этой другой части статора.
Эти клинья 34, полностью заполняющие щели 32, выполняют функцию демпфирования вибраций за счет трения в контакте с фрикционными поверхностями 38 на основе физического принципа, описанного выше для клиньев, раскрытых в документе FR-A-2902843. Они также выполняют функцию уплотнения и функцию, которая позволяет прикладываемой к лопаткам статора тангенциальной составляющей аэродинамических сил проходить по ним. В более общем смысле в этом отношении каждый клин 34 способен передавать тангенциальные силы между двумя элементарными секторами 30, между которыми он вставлен.
Тип материалов, использующихся для элементарных секторов 30 и клиньев 34, является приблизительно одинаковым, предпочтительно, является металлом и выбирается таким образом, чтобы предпочтительно изнашивались клинья, чем элементарные сектора 30.
Также заметим, что отношение между протяженностью каждого клина и протяженностью каждого элементарного сектора вдоль тангенциального направления, которые также соответствуют толщине, находится между 0,5 и 1.
На фиг. 6а-6с схематично показана последовательность операций по производству лопаточного кольцевого сектора 20. Сначала, как показано на фиг. 6а, изготавливается цельная сборка 100 за счет литья или механической обработки, образующей сектор 24 внутренней обечайки, сектор 28 наружной обечайки и лопатки 18 статора. Следующим этапом является изготовление прямых радиальных щелей 32 на секторе 28 наружной обечайки с тем, чтобы получить элементарные сектора 30, как схематично показано на фиг. 6b, за счет простой и экономичной механической обработки. Например, эти щели 32 могут быть изготовлены за счет резки сектора 28.
И наконец, на фиг. 6с показан финальный этап, который состоит из помещения демпфирующих вибрацию клиньев 34 в местоположение в щели 32, образуя фрикционные поверхности, за счет простого скользящего перемещения клиньев в их соответствующие полости.
Заметим, что является предпочтительным, чтобы зазор для скользящей посадки был точным, чтобы относительно просто вставить каждый клин в связанную с ним щель и в то же время удерживать клин в его щели лишь за счет силы сдавливания между двумя фрикционными поверхностями 38.
Очевидно, специалисты в данной области техники выполнят различные модификации к изобретению, как описано выше с использованием лишь неограничивающих примеров.