УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ НАПРАВЛЯЮЩЕГО СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ, НАПРАВЛЯЮЩИЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ
DEVICE TO VARY TURBINE NOZZLE GUIDE VANES CRITICAL SECTION, TURBINE NOZZLE GUIDE VANES

Область техники
Настоящее изобретение относится к области направляющих сопловых аппаратов турбин. В частности, его объектом является устройство, позволяющее изменять критическое сечение направляющего соплового аппарата турбины.
Предшествующий уровень техники
Чтобы повысить тягу в газотурбинном двигателе, как известно, используют изменение сечения канала прохождения газов на уровне наименьшего сечения, называемого критическим сечением направляющего соплового аппарата турбины высокого давления или турбины низкого давления. Задачей изменения критического сечения направляющего соплового аппарата является изменение напора газового потока, проходящего через направляющий сопловой аппарат, в зависимости от различных фаз работы газотурбинного двигателя. В частности, необходимо иметь возможность увеличивать критическое сечение направляющего соплового аппарата в режиме малого газа работы газотурбинного двигателя или уменьшать его в остальных режимах для повышения границы помпажа или для снижения удельного потребления топлива в газотурбинном двигателе. В известных устройствах изменение критического сечения осуществляют при помощи шарнирных систем. Так, известны системы, содержащие створки, установленные на стенках газовоздушного тракта между неподвижными лопатками (или лопастями) направляющего соплового аппарата на уровне его критического сечения. Эти створки, установленные шарнирно при помощи поворотных шкворней, тяг и кольца управления, могут выдвигаться в газовоздушном тракте, уменьшая его сечение. Известны также системы с шарнирными лопастями, в которых все или часть лопастей может поворачиваться в газовоздушном тракте, уменьшая его сечение. Такие системы также требуют наличия поворотных шкворней и других деталей шарнирных соединений.
Недостатком всех этих известных устройств, раскрытых в FR 2708311 А (принадлежит заявителю), US 5301500 A, US 5931636 А, является то, что они основаны на применении шарнирного соединения малоразмерных деталей. Учитывая очень высокую температуру в области, окружающей направляющие сопловые аппараты, шарнирные соединения подвержены заклиниваниям, подгоранию и ускоренному износу. Кроме того, монтаж и обслуживание этих устройств являются очень сложными и дорогостоящими.
Сущность изобретения
Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков путем создания устройства изменения критического сечения направляющего соплового аппарата, для которого требуется небольшое количество деталей, сборка которого является простой и которое надежно работает в горячей окружающей среде направляющего соплового аппарата.
В этой связи объектом настоящего изобретения является устройство изменения критического сечения направляющего соплового аппарата турбины, при этом направляющий сопловой аппарат содержит множество неподвижных лопаток, установленных в радиальном направлении между наружной и внутренней площадками, отстоящими друг от друга, ограничивая тракт прохождения газообразных продуктов сгорания в турбине, при этом лопатки отстоят друг от друга, ограничивая критическое сечение, являющееся минимальным сечением потока, при этом устройство отличается тем, что содержит кольцевой элемент с коэффициентом расширения, меньшим коэффициента расширения площадок направляющего соплового аппарата, при этом упомянутый кольцевой элемент закреплен на наружной площадке и может занимать два положения: первое положение, соответствующее отсутствию расширения площадок, в котором он обеспечивает непрерывность профиля газовоздушного тракта, и второе положение, соответствующее наличию расширения площадок, в котором он выступает в газовоздушном тракте, уменьшая его сечение.
Наличие кольцевого элемента с меньшим коэффициентом расширения по сравнению с площадками направляющего соплового аппарата позволяет использовать разность температуры площадок направляющего соплового аппарата между фазами малого газа работы газотурбинного двигателя и другими фазами его работы, при которых площадки расширяются. Таким образом, предложенное устройство содержит небольшое количество деталей и не содержит никаких шарнирных соединений, что обеспечивает преимущество при сборке, обслуживании и повышает его надежность.
Предпочтительно, чтобы кольцевой элемент удерживался в осевом направлении в кольцевой выточке наружной площадки направляющего соплового аппарата в отсутствие расширения площадок направляющего соплового аппарата и был выполнен с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно этого направляющего аппарата при расширении площадок.
Предпочтительно также, чтобы кольцевой элемент содержал, по меньшей мере, один радиальный шип, заходящий в вырез наружной площадки и позволяющий избежать смещения центра кольцевого элемента относительно наружной площадки. В этом случае устройство предпочтительно содержит, по меньшей мере, один узел осевого удержания шипа кольцевого элемента на наружной площадке.
Целесообразно, чтобы кольцевой элемент на уровне входной части имел поперечное сечение, уменьшающееся от выхода к входу. В этом случае при расширении площадок направляющего соплового аппарата удается избежать слишком резкого выдвижения кольцевого элемента в газовоздушный тракт, что могло бы привести к снижению эффективности работы направляющего соплового аппарата.
Кольцевой элемент можно выполнять из композитного материала. В альтернативном варианте он может быть выполнен из керамического материала.
Объектом настоящего изобретения является также направляющий сопловой аппарат, содержащий определенное выше устройство изменения критического сечения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие пример выполнения не ограничительного характера, в числе которых:
фиг.1 изображает частичный вид в продольном разрезе газотурбинного двигателя, где показано местоположение устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - частичный вид в перспективе и в разобранном состоянии направляющего соплового аппарата, оборудованного устройством в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - вид в плане направляющего соплового аппарата, показанного на фиг.2.
Фиг.4А и 4В - вид устройства в соответствии с настоящим изобретением в двух рабочих положениях.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
Как показано на фиг.1, направляющий сопловой аппарат 10 высокого давления установлен на выходе камеры 12 сгорания газотурбинного двигателя и на входе турбины 14 высокого давления газотурбинного двигателя.
Само собой разумеется, что настоящее изобретение может применяться и для направляющего соплового аппарата низкого давления такого газотурбинного двигателя.
Направляющий сопловой аппарат 10 высокого давления состоит из множества неподвижных лопаток (или лопастей) 16, установленных в радиальном направлении между кольцевыми наружной 18 и внутренней 20 площадками.
Площадки 18, 20 отстоят друг от друга в радиальном направлении и расположены концентрично вокруг оси газотурбинного двигателя (не показана). Под наружной площадкой следует понимать площадку, наиболее удаленную от оси газотурбинного двигателя.
Обычно площадки выполняют из металла. Они могут быть выполнены в виде единого кольца или в виде множества состыкованных друг с другом сегментов кольца и ограничивают между собой кольцевой тракт 22 для прохождения газов, выходящих из камеры 12 сгорания.
Лопатки 16 направляющего соплового аппарата закреплены на площадках 18, 20 и установлены между ними в радиальном направлении. Они также расположены в осевом направлении от входа к выходу и ограничены своими передней кромкой 16а и задней кромкой 16b.
Кроме того, лопатки 16 отстоят друг от друга в окружном направлении, ограничивая минимальное критическое сечение потока. Таким образом, критическое сечение направляющего соплового аппарата является частью газовоздушного тракта, имеющей наименьшее сечение. Как показано на фиг.3, это сечение определяется кратчайшим расстоянием d, соединяющим заднюю кромку 16b лопатки 16 и спинку смежной лопатки.
Согласно изобретению определенный таким образом направляющий сопловой аппарат оборудован устройством изменения его критического сечения, содержащим, в частности, кольцевой элемент 24, обладающий коэффициентом расширения, меньшим, чем коэффициент расширения площадок 18, 20 направляющего соплового аппарата.
Например, кольцевой элемент 24 можно выполнять из композитного материала или из керамики. Свойством, присущим этим материалам, является практически нулевой коэффициент расширения, то есть в любом случае меньший, чем коэффициент расширения металла, из которого изготовлены площадки 18, 20 направляющего соплового аппарата.
Разумеется, для выполнения кольцевого элемента устройства изменения критического сечения в соответствии с настоящим изобретением можно использовать любой другой материал, имеющий коэффициент расширения, меньший, чем у площадок направляющего соплового аппарата.
Кольцевой элемент 24 выполняют в виде единого кольца, закрепленного на наружной площадке 18 направляющего соплового аппарата. Его выполняют таким образом, чтобы он мог занимать два положения: первое положение, соответствующее отсутствию расширения площадок, в котором он обеспечивает непрерывность профиля газовоздушного тракта 22, и второе положение, соответствующее наличию расширения площадок 18, 20, в котором он выступает внутрь газовоздушного тракта, уменьшая его сечение.
Кольцевой элемент 24 устанавливают в кольцевой выточке 26, выполненной в наружной площадке 18 направляющего соплового аппарата на уровне ее выходной части. Кольцевая выточка 26 наружной площадки 18 имеет глубину (радиальную высоту), практически идентичную толщине кольцевого элемента 24, за счет чего в отсутствие расширения площадок 18, 20 он обеспечивает непрерывность профиля газовоздушного тракта 22.
Как показано на фиг.3, кольцевой элемент 24 расположен тангенциально по всей окружности наружной площадки 18 направляющего соплового аппарата и в осевом направлении - практически по всей длине критического сечения направляющего соплового аппарата. Для этого он содержит вырезы, охватывающие по контуру лопатки 16, оставляя, тем не менее, небольшое пространство между элементом и лопатками (на фиг.3 не показано) с учетом возможного расширения лопаток.
На фиг.2 показано, что кольцевой элемент 24 дополнительно содержит один или несколько шипов 28, выступающих наружу в осевом направлении. Этот шип или шипы 28 (предпочтительно три равноудаленных шипа, выполненных по окружности кольцевого элемента) предназначены для установки в таком же количестве вырезов 30, выполненных в выходном крае наружной площадки 18 направляющего соплового аппарата.
С каждым шипом 28 кольцевого элемента взаимодействует узел 32 его осевого удержания на наружной площадке 18 направляющего соплового аппарата. Этот узел 32 удержания может быть выполнен в виде пластины 34 с крепежными штифтами 36 (например, в количестве двух на каждую пластину), заходящими в отверстия 38, выполненные в наружной площадке 18. Удерживаемая штифтами 36 пластина 34 обеспечивает осевое стопорение кольцевого элемента 24 на наружной площадке 18.
Из всего вышесказанного вытекает способ монтажа кольцевого элемента 24 на наружной площадке 18 направляющего соплового аппарата. После сборки всех сегментов площадок направляющего соплового аппарата кольцевой элемент 24 устанавливают в кольцевой выточке 26 наружной площадки 18, при этом шипы 28 заходят в выполненные для этой цели вырезы 30. В результате кольцевой элемент 24 оказывается застопоренным в осевом направлении при помощи пластины 34, удерживаемой штифтами 36. Шипы 28 выполняют также функцию предупреждения смещения центра кольцевого элемента по отношению к оси газотурбинного двигателя.
Благодаря такой конструкции кольцевой элемент 24 удерживается в осевом направлении, однако относительное перемещение между кольцевым элементом и наружной площадкой 18 возможно в радиальном направлении. Это относительное радиальное перемещение между указанными деталями происходит при наличии расширения площадок 18, 20 направляющего соплового аппарата в зависимости от рабочего режима, описанного со ссылками на фиг.4А и 4В.
На фиг.4А показан направляющий сопловой аппарат при отсутствии расширения его площадок 18, 20. Это состояние соответствует, например, работе газотурбинного двигателя в режиме малого газа.
На фиг.4А показан этот же направляющий сопловой аппарат при наличии расширения его площадок. Это состояние соответствует режимам работы газотурбинного двигателя, отличным от режима малого газа (например, при максимальном числе оборотов).
В положении, соответствующем режиму малого газа работы газотурбинного двигателя (фиг.4А), температура газообразных продуктов сгорания, проходящих через газовоздушный тракт 22 (примерно порядка 750 K), не является достаточно высокой, чтобы вызвать расширение наружной 18 и внутренней 20 площадок направляющего соплового аппарата. В этом случае кольцевой элемент 24 остается внутри кольцевой выточки 26 наружной площадки 18. Частично он воспроизводит газовоздушный тракт 22 и, следовательно, не мешает газовому потоку, циркулирующему в этом тракте. Высота тракта 22 на уровне критического сечения направляющего соплового аппарата на чертеже обозначена Н0.
В положении, соответствующем другим режимам работы газотурбинного двигателя (фиг.4В), наружная 18 и внутренняя 20 площадки направляющего соплового аппарата, выполненные из металла, проявляют тенденцию к расширению под действием высокой температуры газообразных продуктов сгорания, циркулирующих в газовоздушном тракте 22 (температура порядка 1400 K). Явление расширения площадок, хорошо известное в области направляющих сопловых аппаратов газотурбинных двигателей, на фиг.4В обозначено стрелками.
Однако поскольку кольцевой элемент 24 имеет коэффициент расширения, меньший коэффициента расширения площадок, то он расширяется незначительно или не расширяется совсем (в любом случае, меньше, чем площадки). В связи с тем что существует возможность относительного осевого перемещения между наружной площадкой 18 и кольцевым элементом 24, последний выдвигается в газовоздушный тракт 22, приводя, таким образом, к уменьшению критического сечения направляющего соплового аппарата. В этом положении высота тракта 22 изменяется на уровне критического сечения направляющего соплового аппарата и обозначена на чертеже размером H1, меньшим размера Н0.
Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения кольцевой элемент 24 на уровне входной части имеет поперечное сечение, уменьшающееся от выхода к входу. Этот признак, в частности, показанный на фиг.4А и 4В, позволяет избежать слишком резкого выдвижения в газовоздушный тракт во время расширения площадок направляющего соплового аппарата, что могло бы отрицательно сказаться на эффективности работы направляющего соплового аппарата.
Таким образом, в настоящем изобретении выгодно используется известное явление расширения направляющего соплового аппарата между различными фазами работы газотурбинного двигателя для изменения критического сечения направляющего соплового аппарата. Уменьшение критического сечения во время рабочих фаз газотурбинного двигателя, отличных от режима малого газа, может, например, составлять примерно 4%, при этом данное значение зависит от типа турбины, на которой установлено устройство изменения критического сечения.
Настоящее изобретение имеет много преимуществ. Оно отличается очень простой и надежной работой, так как основано только на явлении расширения направляющего соплового аппарата. Кроме того, устройство изменения критического сечения содержит совсем небольшое число деталей и не использует никаких шарнирных соединений, что облегчает его сборку и обслуживание, а также снижает его себестоимость.
Описанный выше вариант выполнения может быть дополнен другими вариантами. В частности, можно предусмотреть управление изменением критического сечения в зависимости от различных рабочих фаз газотурбинного двигателя, отличных от режима малого газа. Для этого можно, например, регулировать напор воздуха, поступающего для охлаждения наружной площадки направляющего силового аппарата, чтобы уменьшить ее расширение и ограничить, таким образом, относительное перемещение между этой площадкой и кольцевым элементом устройства.