ВТУЛКА ШАРНИРА ДЛЯ ЛОПАТКИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ ТУРБОМАШИНЫ, КОЛЬЦО ТУРБОМАШИНЫ, СОДЕРЖАЩЕЕ ТАКИЕ ВТУЛКИ, А ТАКЖЕ КОМПРЕССОР ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩИЕ ТАКОЕ КОЛЬЦО
SLEEVE OF HINGE FOR BLADE WITH ADJUSTABLE SETTING ANGLE OF TURBOMACHINE, TURBOMACHINE RING CONTAINING SUCH SLEEVES, AS WELL AS COMPRESSOR OF TURBOMACHINE AND TURBOMACHINE CONTAINING SUCH RING

Настоящее изобретение относится, в основном, к области лопаток с регулируемым углом установки для турбомашин, в частности к втулкам для направляющих поворотных шарниров таких лопаток.
Компрессор высокого давления турбомашины, имеющей газовую турбину, обычно содержит множество кольцевых ступеней лопаток с ориентацией по углу, которые могут регулироваться для изменения характеристик потока газа в зависимости от рабочей скорости турбомашины. Такие лопатки называют лопатками с регулируемым углом установки.
Каждая лопатка с регулируемым углом установки в данной ступени имеет соответствующий управляющий поворотный шарнир у ее конца и направляющий поворотный шарнир у ее хвостовика. Управляющий поворотный шарнир проходит сквозь статор корпуса турбомашины и взаимодействует с управляющим элементом. Посредством воздействия на управляющий элемент можно изменять ориентацию лопаток в соответствующей ступени. Направляющий поворотный шарнир каждой лопатки может двигаться во втулке, установленной в соответствующей выемке во внутреннем кольце турбомашины, которое отцентрировано по продольной оси машины. Пример втулки для направляющих поворотных шарниров лопаток с регулируемым углом установки для турбомашин, в частности, раскрыт в публикации US 2005/0008477 А1.
Когда лопатки собраны на внутреннем кольце, важно обеспечивать хорошее центрирование направляющих поворотных шарниров лопатки. Такое центрирование достигают посредством обеспечения того, что втулка и выемка во внутреннем кольце, в котором установлены втулки, точно концентричны. Качество центрирования лопаток также должно поддерживаться независимо от условий, в которых работает турбомашина.
К сожалению, известные установочные средства для втулок во внутреннем кольце не включают в себя какого-либо определенного устройства для обеспечения поддержания качества центрирования. Таким образом, центрирование направляющего поворотного шарнира лопатки приводит к меньшей эффективности работы, в частности, когда втулки поворотных шарниров и внутреннее кольцо выполнены из материалов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения.
Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является устранение таких недостатков посредством создания втулки, обеспечивающей постоянное качественное центрирование направляющих шарниров лопаток независимо от условий, в которых работает турбомашина, и независимо от материалов, используемых для изготовления втулки и внутреннего кольца, в котором установлена втулка.
Для решения указанной задачи согласно изобретению создана втулка шарнира для лопатки с регулируемым углом установки турбомашины, устанавливаемая в выемку в кольце турбомашины, причем форма выемки по существу соответствует форме втулки, и втулка содержит по существу трубчатый корпус вокруг продольной оси, характеризующаяся тем, что трубчатый корпус втулки имеет расположенный на одном его конце первый конический кольцевой выступ и расположенный на противоположном конце второй конический кольцевой выступ, при этом конические поверхности, образованные первым и вторым кольцевыми выступами, обращены друг к другу, причем конические кольцевые выступы выступают по радиусу наружу из трубчатого корпуса относительно его продольной оси.
Таким образом, центрирование направляющего поворотного шарнира лопатки обеспечивается двухконусным соединением между втулкой и выемкой в кольце, в которой установлена втулка. Благодаря такому соединению любое смещающее перемещение вследствие увеличения диаметра кольца относительно втулки компенсируется смещением за счет расширения кольца по высоте. Кроме того, положение контакта между коническими поверхностями, образованными кольцевыми выступами, остается постоянным независимо от расширения втулки и кольца. Другими словами, концы втулки, имеющие конические кольцевые выступы, выполняют функцию восстановления, которое эквивалентно смещению. Таким образом, качество, с которым отцентрированы направляющие шарниры лопаток, остается постоянным.
Согласно конкретному отличительному признаку изобретения, угол наклона конической поверхности, образованной первым кольцевым выступом, по существу идентичен углу наклона конической поверхности, образованной вторым кольцевым выступом. Кроме того, угол наклона конических поверхностей, образованных кольцевыми выступами, находится в диапазоне от 30° до 60° и, предпочтительно, составляет 45°. В этих условиях средний диаметр конических кольцевых выступов по существу равен продольному расстоянию между ними.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, втулка дополнительно содержит средства для предотвращения ее вращения в выемке в кольце.
Такие средства для предотвращения вращения могут иметь форму, по меньшей мере, одного выступа на трубчатом корпусе втулки между кольцевыми выступами, причем выступ образует по существу плоскую поверхность для взаимодействия с соответствующей ей поверхностью выемки в кольце, в которую установлена втулка.
Как вариант, конические кольцевые выступы могут иметь, по меньшей мере, одно по существу продольное внешнее удлинение для взаимодействия с элементом для предотвращения поворота втулки в выемке в кольце.
Согласно другому варианту, один из конических кольцевых выступов может содержать пластину для предотвращения вращения, имеющую, по меньшей мере, одну поверхность для установления по существу плоского контакта с соответствующей поверхностью пластины для предотвращения вращения соседнего втулки.
Трубчатый корпус и один из конических кольцевых выступов втулки могут представлять собой две отдельные части для обеспечения возможности установки втулки в выемку.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, втулка может быть выполнена из материала, имеющего коэффициент теплового расширения, который отличается от коэффициента теплового расширения кольца, в котором устанавливают втулку.
Согласно настоящему изобретению также создано кольцо турбомашины, содержащее множество выемок, каждая из которых предназначена для размещения направляющего шарнира лопатки с регулируемым углом установки, и множество описанных выше втулок.
Кроме того, согласно настоящему изобретению также созданы компрессор турбомашины и турбомашина, содержащие, по меньшей мере, одно описанное выше кольцо.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятными после прочтения нижеследующего описания, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют неограничивающий вариант осуществления изобретения и на которых:
Фиг.1 - вид в сечении втулки согласно изобретению в месте ее эксплуатации;
Фиг.2 - вид в перспективе с разнесением деталей втулки с Фиг.1;
Фиг.3А и 3В - частичные виды втулок, представляющих собой примеры вариантов осуществления изобретения;
Фиг.4 - вид в перспективе втулки согласно изобретению, имеющей средства для предотвращения ее вращения; и
Фиг.5-8 - виды в перспективе части кольца, снабженного втулками согласно другим вариантам осуществления изобретения.
Как показано на Фиг.1, лопатки 2 с регулируемым углом установки компрессора высокого давления турбомашины распределены на кольцевых ступенях, отцентрированных на продольной оси Х-Х турбомашины, и они расположены между ступенями подвижных лопаток (не показаны), которые закреплены на роторе турбомашины.
Каждая лопатка 2 с регулируемым углом установки кольцевой ступени проходит вдоль главной оси Y-Y, которая проходит в радиальном направлении относительно продольной оси Х-Х турбомашины. Лопатка 2 имеет аэродинамический профиль 4, заканчивающийся у внешнего по радиусу конца (или головки лопатки) в управляющем шарнире 6 (или верхнем шарнире) и у внутреннего по радиусу конца (хвостовика лопатки) в направляющем шарнире 8 (или нижнем шарнире).
Управляющий шарнир 6 лопатки 2 с регулируемым углом установки, отцентрированный на его главной оси Y-Y, проходит сквозь кольцевой корпус 10 статора турбомашины и взаимодействует с управляющим элементом для изменения угла установки лопаток. Более точно, управляющий шарнир 6 каждой лопатки 2 выступает по радиусу наружу из корпуса 10 статора и заканчивается головкой 12, к которой прикреплен один конец управляющей штанги 14, при этом другой конец штанги взаимодействует с управляющим кольцом 16, которое отцентрировано на продольной оси Х-Х турбомашины.
Штанги 14 и управляющее кольцо 16 образуют элемент для регулирования угла установки лопаток. Поворот управляющего кольца 16 вокруг продольной оси Х-Х турбомашины служит для поворота управляющих штанг 14 и, таким образом, одновременного изменения угла установки всех лопаток 2 с регулируемым углом установки в данной ступени компрессора высокого давления.
Направляющий шарнир 8 лопатки 2 с регулируемым углом установки, отцентрированный на его главной оси Y-Y, выполнен с возможностью вращения внутри полой втулки 18.
Каждая втулка 18 установлена в выемку 20, образованную во внутреннем кольце 22 компрессора высокого давления турбомашины, которое отцентрировано на продольной оси Х-Х турбомашины, при этом втулка и выемка имеют по существу сопрягаемые формы.
Кроме того, вокруг каждого направляющего шарнира 8 лопаток 2 может быть плотно посажена дополнительная втулка (не показана на чертежах), образующая манжету. Такая дополнительная втулка, например, по существу цилиндрической формы находится между направляющим шарниром лопатки и втулкой. Он служит для предотвращения преждевременного износа втулки.
Как показано на Фиг.2, втулка 18 имеет по существу трубчатый корпус 24 с продольной осью Z-Z для размещения направляющего шарнира 8 лопатки.
Согласно изобретению, трубчатый корпус 24 втулки 18 снабжен расположенным на одном конце первым коническим кольцевым выступом (или фланцем) 26 и расположенным на противоположном конце вторым коническим кольцевым выступом 28, при этом соответствующие конические поверхности, образованные первым и вторым кольцевыми выступами, обращены друг к другу.
d
h
Таким образом, конические кольцевые выступы 26, 28 выступают по радиусу наружу из трубчатого корпуса 24 относительно его продольной оси Z-Z. Конические кольцевые выступы 26, 28 имеют по существу одинаковые средние диаметры , и средняя продольная высота между ними обозначена как .
Как описано выше, выемка 20, в которой установлен втулка 18, имеет форму, по существу сопрягающуюся с формой втулки, то есть она имеет центральное отверстие для прохождения трубчатого корпуса 24 втулки и две конические поверхности, в которые упираются конические кольцевые выступы втулки.
Втулка 18 согласно изобретению и внутреннее кольцо 22, в которое устанавливают втулку, могут быть изготовлены из материалов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Например, втулка может быть изготовлена из стали, а внутреннее кольцо - из алюминия.
Для обеспечения установки втулки 18 в ее выемку в кольце трубчатый корпус 24 втулки и один из конических кольцевых выступов могут быть выполнены в форме двух отдельных частей, как показано на Фиг.1 и 2 (на этих чертежах отдельным коническим кольцевым выступом является второй конический кольцевой выступ 28). В этом случае, когда трубчатый корпус 24 втулки установлен в выемку, кольцевой выступ устанавливают на место вокруг трубчатого корпуса и затем прикрепляют к нему надлежащим средством (посредством обжатия, сварки, привинчивания и т.д.).
Углы наклона конических поверхностей, образованных, соответственно, первым коническим кольцевым выступом 26 и вторым коническим кольцевым выступом 28, по существу идентичны. Этот угол наклона, измеренный относительно плоскости, проходящей поперек трубчатого корпуса втулки (то есть относительно плоскости, перпендикулярной его продольной оси), предпочтительно, находится в диапазоне от 30° до 60° и, предпочтительно, составляет 45°.
На Фиг.3А и 3В проиллюстрированы основания подбора величины угла наклона конических поверхностей, образованных кольцевыми выступами втулки.
В примере, показанном на Фиг.3А, средний диаметр d1 кольцевых выступов 26 и 28 втулки 18 подобран так, что он по существу идентичен продольному расстоянию h1 между ними.
На основе такого выбора, для обеспечения того, что любое смещающее движение вследствие расширения δd1 диаметра кольца 22 относительно втулки 18 компенсируется смещением вследствие увеличения δh1 высоты кольца, необходимо, чтобы угол θ1 наклона конических поверхностей, образованных кольцевыми выступами 26 и 28, составлял 45°.
В примере, показанном на Фиг.3В, средний диаметр d2 кольцевых выступов 26 и 28 втулки 18 подобран так, что он больше продольного расстояния h2 между ними.
Следовательно, для обеспечения того, что любое смещающее движение вследствие расширения δd2 диаметра кольца 22 относительно втулки 18 компенсируется смещающим движением вследствие увеличения δh2 высоты кольца, необходимо, чтобы угол θ2 наклона конических поверхностей, образованных кольцевыми выступами 26 и 28, составлял менее 45°.
d
h
Таким образом, величина, подобранная для угла наклона конических поверхностей, образованных кольцевыми выступами втулки, зависит от отношения между диаметром  кольцевых выступов втулки и продольным расстоянием  между ними.
Согласно преимущественным отличительным признакам изобретения, втулка 18 дополнительно содержит средства для предотвращения его поворота в выемке 20 кольца 22, в которую установлена втулка. Такие средства предотвращения поворота втулки в выемке могут быть выполнены различными способами.
Таким образом, в варианте выполнения таких средств, показанном на Фиг.4, трубчатый корпус 24 втулки 18 включает в себя расположенный между коническими кольцевыми выступами 26, 28 выступ 30, который образует, по меньшей мере, одну по существу плоскую поверхность 31 для взаимодействия с соответствующей поверхностью выемки в кольце, в которую устанавливают втулку.
Более точно, трубчатый корпус 24 втулки 18 имеет четыре плоские и прямоугольные поверхности 31, выступающие по радиусу наружу из трубчатого корпуса относительно его продольной оси Z-Z. Эти прямоугольные поверхности 31 взаимодействуют с соответствующими им прямоугольными поверхностями, образованными в выемке кольца.
В варианте выполнения средств для предотвращения вращения, показанном на Фиг.5 и 6, один из конических кольцевых выступов (в этом случае второй кольцевой выступ 28) имеет, по меньшей мере, одно внешнее удлинение 32, выступающее вдоль продольной оси Z-Z каждой втулки. Это внешнее удлинение предназначено для взаимодействия с элементом 34, 34′ для предотвращения поворота втулки 18 в выемке 20 в кольце 22.
Точнее, внешнее удлинение 32 каждого конического кольцевого выступа втулок снабжено канавкой или прорезью, которая проходит по касательной относительно продольной оси турбомашины. На втулках 18 в образованных в них прорезях установлен обруч 34, 34′ с по существу прямоугольным прямым сечением. Обруч 34, 34′ предотвращает вращение втулок в их выемках.
Для обеспечения установки на втулках обруч 34, 34′ для предотвращения вращения имеет разрез. Таким образом, в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.5, обруч 34 для предотвращения вращения имеет разрыв 38 между двумя свободными концами. Этот вариант осуществления изобретения, в таком случае, требует наличия удлинения 40 для предотвращения вращения обруча 34, чтобы разрыв 38 не совмещался с одной из втулок 18 с риском отсоединения обруча.
Как вариант (см. Фиг.6), обруч 34′ для предотвращения вращения может быть снабжен расположенными на его двух свободных концах удлинениями 42 прямого сечения, которое меньше сечения обруча, расположенными так, что они перекрывают друг друга, когда обруч установлен на втулках 18. Таким образом, когда он установлен, обруч 34' для предотвращения вращения не имеет разомкнутого разрыва. В результате нет необходимости в использовании удлинения для предотвращения вращения обруча. Кроме того, отсутствие разомкнутого разрыва повышает механическую прочность обруча для предотвращения вращения.
На Фиг.7 и 8 показаны другие варианты выполнения средств для предотвращения вращения втулок в их выемках в кольце.
В этих вариантах вращение втулок 18 в их выемках в кольце 22 предотвращается взаимным вхождением в зацепление между втулками, а не индивидуально для каждой втулки.
Для этого один из конических кольцевых выступов 26, 28 втулки 18 содержит пластину 44, 46 для предотвращения вращения, имеющую, по меньшей мере, одну поверхность 48, 50 для установления по существу плоского контакта с соответствующей поверхностью 48, 50 пластины 44, 46 для предотвращения вращения соседней втулки. Пластина 44, 46 для предотвращения вращения может быть выполнена за одно целое с коническим кольцевым выступом 26, 28 втулки.
Показанная на Фиг.7 пластина 44 для предотвращения вращения имеет по существу прямоугольную форму. Подобным образом, в варианте, показанном на Фиг.8, пластина 46 для предотвращения вращения также имеет по существу прямоугольную форму, но она также имеет язычок 46а, который вставляется в соответствующий ему вырез 46b в пластине 46 соседней втулки. Наличие язычка, который вставляется в вырез, служит для увеличения площадей контакта плоских поверхностей 50, что, таким образом, усиливает эффект предотвращения вращения.
По сравнению с вариантом выполнения средств для предотвращения вращения для втулок, описанных со ссылками на Фиг.4, использование пластин обеспечивает преимущество, заключающееся в устранении явления стука, когда кольцо, в котором установлены втулки, выполнено из легкого материала (например, алюминия). Благодаря наличию пластин для предотвращения вращения втулки не упираются в кольцо (силы упора прилагаются между пластинами соседних втулок).
Естественно, можно рассматривать другие формы при изготовлении пластин для предотвращения вращения. В частности, пластины могут иметь формы, приспособленные для уменьшения их веса.