УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ РАЗНОСНОЙ СКОРОСТИ ТУРБИНЫ В ТУРБОМАШИНЕ И ТУРБОМАШИНА
TURBINE RUNAWAY SPEED LIMITER AND TURBOMACHINE

Изобретение касается устройства ограничения разносной скорости в турбомашине, в такой какая применяется в турбореактивном двигателе самолета, с тем, чтобы избежать разрыва вала турбины, явления, достаточно редко встречающегося, но которое, когда возникает, приводит к очень серьезным, практически катастрофическим, последствиям.
При разрыве этого вала ротор турбины оказывается отсоединенным от воздуходувки, которая в нормальном режиме работы турбины ограничивает скорость его вращения, при этом подвижные лопатки турбины продолжают вращаться под действием газов, выходящих из камеры сгорания турбомашины. Турбина переходит в этом случае в режим, характеризующийся возникновением так называемой «разносной скорости», что приводит к воздействию на ротор центробежных сил чрезмерной величины, способных вызвать его разрыв и, как следствие, пробой наружного кожуха турбины, а также кабины самолета, оборудованного этой турбомашиной. Ограничение разносной скорости является, таким образом, важным условием, выполнение которого должно в обязательном порядке обеспечиваться в конструкции турбомашин.
В известных устройствах ограничения разносной скорости используется, как правило, смещение ротора турбины в направлении ее выходной части, возникающее вследствие разрыва вала турбины и давления газов на лопатки ротора (см., например, СН 369938 или ЕР 1640564 А).
Уже известны устройства механического торможения ротора турбины, включающие в себя установленные на роторе средства, опирающиеся на соответствующие средства статора для торможения ротора в случае его смещения в сторону выходной части турбины после разрыва вала турбины.
Известно также предложение применять на статоре направляющие лопатки съемной или откидывающейся конструкции (см., например, FR 1486102), чтобы ротор, в случае его смещения в сторону выходной части турбины в результате разрыва вала турбины, имел возможность опереться на эти лопатки, опрокинуть их в зону перемещения подвижных лопаток и тем самым разрушить их, замедлив таким образом вращение турбины. Подобное решение рассматриваемой проблемы является, однако, относительно сложным и достаточно дорогим.
К недостатку известных устройств рассматриваемого назначения следует отнести их относительно медленное срабатывание, что, безусловно, сказывается на эффективности их использования. Указанное обстоятельство особенно неблагоприятно сказывается на работе двигателей малой мощности, в которых более низкая инерционность ротора турбины обуславливает опасность более быстрого перехода в режим действия разносной скорости.
Впрочем, применение устройств, в которых предусмотрено наличие непосредственного контакта между деталями, может оказаться неэффективным в случае отскока ротора от неподвижной детали или в случае биения этого ротора.
Устройства торможения, принцип действия которых основан на использовании силы трения между отдельными деталями, входящими в их состав, имеют труднопредсказуемую эффективность ввиду того, что последняя зависит от влияния большого числа непредсказуемых параметров, таких как температура или взаимные усилия, действующие между деталями.
Наиболее близким известным решением является устройство, раскрытое в FR 1486102. Однако оно имеет недостаток, заключающийся в том, что в результате их применения увеличивается общая масса турбины и изменяется аэродинамический профиль ее компонентов, причем все это в ущерб рабочим параметрам самого двигателя.
Задачей настоящего изобретения является создание простого, экономичного и эффективного решения перечисленных проблем путем создания устройства, которое позволило бы устранить недостатки, присущие известным конструкциям, и позволяющего выполнить, причем самым удовлетворительным образом, требования по обеспечению надежности и быстродействия устройства ограничения разносной скорости турбины, установленной в турбомашине.
Согласно изобретению предлагается использовать устройство ограничения разносной скорости турбины, установленной в турбомашине, возникающей в случае разрыва вала указанной турбины, содержащее средства среза подвижных лопаток, по меньшей мере одной ступени турбины, характеризующееся тем, что указанные средства среза подвижных лопаток содержат средства вброса штифта в зону перемещения подвижных лопаток, причем указанные средства вброса закреплены на картере турбины или турбомашины и управляются посредством средств выявления момента появления разносной скорости вращения турбины или момента обнаружения разрыва вала указанной турбины.
Подвижные лопатки, отсекаемые штифтом, оказываются уничтоженными в результате столкновения со штифтом, а их фрагменты попадают на другие лопатки ротора, а также на лопатки статора турбины и также вызывают их разрушение. Ротор, который уже более не приводится во вращение лопатками, избегает, таким образом, опасности разрушения под действием разносной скорости.
Основным преимуществом описанного устройства является то, что оно не зависит от смещения ротора назад и может быть приведено в действие, не ожидая того момента, когда указанное смещение ротора назад произойдет, что гарантирует максимально возможную скорость срабатывания рассматриваемого устройства, причем быстродействие этого устройства уже не будет более зависеть от времени срабатывания указанного средства вброса штифта. Кроме того, на работу указанного устройства не повлияет, как это имеет место в ряде известных устройств, отскок турбины или биение ротора.
В соответствии с предпочитаемым способом реализации предлагаемого изобретения указанные выше средства вброса включают в себя капсулу с взрывчатым веществом, помещенную внутрь цилиндра, обеспечивающего возможность направления штифта в определенном направлении при взрыве указанной капсулы.
Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что пластинки вещества, способного вызывать в результате детонации образование газов, например, такого вещества, каким является кислый натрий, помещаются внутрь цилиндра в непосредственной близи от капсулы, содержащей взрывчатое вещество.
Таким образом, именно взрывная волна, возникающая вследствие взрыва капсулы, а, в случае необходимости и газы, выделяемые указанными выше пластинками, выталкивают штифт в зону движения лопаток для их разрушения. Использование пластинок кислого натрия, который уже применяется в области автомобилестроения в конструкциях подушек безопасности, позволяет обеспечить оптимальную скорость срабатывания.
Согласно одному из вариантов предлагаемого изобретения можно применять подачу газа под давлением, отбираемого от двигателя или из специально предусмотренного для этой цели резервуара, содержащего газ под давлением.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации предлагаемого изобретения указанный выше цилиндр установлен снаружи картера и расположен в одном ряду с отверстием, предусмотренным в корпусе картера и выходящим в зону перемещения подвижных лопаток, причем указанный цилиндр имеет один открытый торец, которым он прикреплен к картеру, и другой закрытый торец, и содержит капсулу с взрывчатым веществом.
Штифт, когда он находится в состоянии покоя, располагается полностью внутри цилиндра и находится в нем вплоть до момента предварительного обнаружения начала перехода турбины в режим действия разносной скорости или вплоть до момента обнаружения разрыва вала турбины низкого давления, причем указанный штифт имеет цилиндрический корпус, один торец которого скользит вдоль направляющей поверхности того торца цилиндра, который прикреплен к картеру, а другой торец цилиндрического корпуса штифта снабжен головкой, диаметр которой превышает диаметр цилиндрического корпуса, а также диаметр открытого торца цилиндра, причем указанное превышение подбирается таким образом, чтобы образовался соответствующий орган удержания штифта внутри цилиндра.
Таким образом, в состоянии покоя, штифт ни в коей мере не воздействует на поток газов в турбине и не оказывает отрицательного влияния на рабочие параметры двигателя.
В случае перехода турбины в режим действия разносной скорости или при разрыве вала турбины низкого давления взрывная волна и давление образовавшихся газов воздействуют на головку штифта и резко толкают указанный штифт в направлении расположения открытого торца цилиндра, причем штифт продолжает скользить вдоль направляющей поверхности указанного торца вплоть до того момента, пока его головка не упрется в реборду отверстия цилиндра и он не остановится в своем движении внутри цилиндра.
Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что указанное выше отверстие картера перекрыто заслонкой, выполненной из материала, который, с одной стороны, отличается стойкостью к воздействию рабочих температур, действующих в турбомашине, а с другой стороны, способен быть разорванным указанным штифтом при выявлении начала перехода турбины в режим действия разносной скорости, причем штифт предпочтительно снабжен острием, способным пробить заслонку, а острие выполнено на том торце цилиндрического корпуса, который расположен на стороне, противоположной месту нахождения головки.
Благодаря наличию указанной заслонки штифт блокируется внутри цилиндра в положении покоя, и только взрыв и высвобождение газов, происходящие при обнаружении начала перехода турбины в режим действия разносной скорости или разрыв вала турбины низкого давления, способны, в результате воздействия взрывной волны на штифт, заставить последний пробить заслонку и выйти за пределы цилиндра. Кроме того, указанная заслонка препятствует проникновению газов, циркулирующих внутри турбины, внутрь цилиндра, содержащего штифт и капсулу с взрывчатым веществом.
Цилиндр содержит, что является преимуществом рассматриваемого изобретения, боковую реборду для закрепления на картере, а также средства электрического соединения взрывчатого вещества со средствами выявления момента появления разносной скорости вращения турбины или момента разрыва вала турбины.
Настоящее изобретение касается также турбомашины, подобной той, которая устанавливается на турбореактивном двигателе самолета и которая оборудована устройством ограничения разносной скорости, которое описано выше.
Другие характеристики или преимущества настоящего изобретения станут более понятны из нижеследующего описания, приведенного лишь в качестве примера, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых
фиг.1 изображает частичный схематический осевой разрез половины детали турбины низкого давления турбореактивного двигателя, оборудованного устройством согласно изобретению;
фиг.2 - вид части устройства ограничения разносной скорости турбины, находящегося в положении покоя согласно изобретению;
фиг.3 - устройство ограничения разносной скорости турбины, находящееся в активном положении, согласно изобретению.
На фиг.1 представлен ротор турбины низкого давления, содержащий четыре диска 12, 14, 16, 18, установленные соосно относительно друг друга посредством кольцевых фланцев 20 и несущие на себе лопатки 22, ножки которых вставлены своими внутренними, если смотреть в радиальном направлении, концами внутрь пазов внешней периферии дисков 12, 14, 16, 18. Ротор соединен с валом турбины 24 посредством приводного конуса 26, установленного посредством кольцевого фланца 28 между кольцевыми фланцами 20 дисков 14 и 16.
Между ступенями подвижных лопаток 22 расположены ступени неподвижных лопаток 30, наружные, если смотреть в радиальном направлении, концы которых закреплены посредством соответствующих средств на картере 32 турбины низкого давления.
Устройство 40 ограничения скорости турбины согласно изобретению установлено на наружной поверхности выхлопного картера 34, с которым соединен картер турбины 32. Установленное таким образом устройство 40 работает совместно с последней ступенью турбины, но оно в то же время может работать совместно и с любой другой ступенью.
Турбина дополнительно оборудована средствами 36 выявления момента появления разносной скорости вращения ротора или момента разрыва вала 24 турбины.
Как показано на фиг.2, устройство 40 ограничения разносной скорости содержит штифт 42, который изготовлен из очень твердого металла, помещен внутрь цилиндра 44 и имеет на своем торце, обращенном в сторону картера 34, боковую реборду 46, прикрепленную посредством одного или нескольких винтов 48 к пластине 50, расположенной на наружной поверхности картера 34, причем цилиндр 44 открыт со стороны своего торца, прикрепленного к картеру, и закрыт со стороны своего другого торца.
Штифт 42 имеет цилиндрический корпус 52, содержащий соответственно на своих двух торцах острие 56 и головку 54, причем головка имеет диаметр, превышающий по величине диаметр цилиндрического корпуса 52, причем превышение таково, что позволяет образовывать за счет применения головки специальный орган удержания штифта внутри цилиндра. Головка 54 располагается вблизи от закрытого торца цилиндра 44, тогда как острие 56 расположено напротив открытого торца цилиндра.
Взрывчатое вещество 38 и, возможно, пластинки кислого натрия или другого вещества 20, способного образовывать газ, помещены внутрь цилиндра, в свободное пространство 58, расположенное между головкой 54 штифта и закрытым торцом цилиндра.
Цилиндр 44 расположен в одном ряду с отверстием 60 картера 34, которое выходит в зону перемещения лопаток 22 последней ступени ротора турбины. Указанное отверстие 60 имеет диаметр, величина которого несколько превышает диаметр цилиндрического корпуса 52 и в то же время меньше диаметра головки 54.
В положении покоя (фиг.2) штифт 42 полностью находится внутри цилиндра 44, что же касается отверстия 60, то оно перекрыто заслонкой, изготовленной из материала типа пластмассы или мастики, характеризующегося стойкостью к воздействию температур, имеющих место при работе турбомашины и способного быть пробитым острием 56 штифта 42 в результате резкого выброса штифта вперед.
Средства 64 электрического соединения закреплены на боковой опоре 62, соединенной с цилиндром 44 и с боковой ребордой 46, предназначенной для крепления цилиндра к картеру, что позволяет обеспечить управление взрывчатым веществом посредством средств 36 выявления момента появления разносной скорости вращения турбины или момента разрыва вала 24 указанной турбины.
Описанное выше устройство работает следующим образом. Когда обнаруживается начало перехода турбины в режим действия разносной скорости вращения ротора турбины (вследствие разрыва вала турбины 24) или когда просто обнаруживается разрыв вала турбины 24, средства 36 выявления выдают в адрес средств 64 соединения сигнал на выполнение взрыва взрывчатого вещества 38, что приводит к мгновенному высвобождению азота пластинками кислого натрия. Указанный сигнал может также приводить к открытию клапана, через который начинается подача газа под давлением из резервуара-хранилища или от двигателя.
В результате сильного воздействия газов на головку 54 штифт пробивает своим острием 56 заслонку, перекрывающую отверстие 60, и проникает внутрь турбины, двигаясь через отверстие 60 вплоть до того момента, пока головка 54 не упрется в борт отверстия 60 (фиг.3).
Часть штифта 42 оказывается в этом случае на пути перемещения подвижных лопаток 22, причем в результате перемещения штифта происходит срез лопаток в результате их столкновения с указанным штифтом.
Разрушение подвижных лопаток полностью исключает возможность перехода турбины в режим действия разносной скорости вращения ротора турбины.
Время срабатывания устройства согласно изобретению чрезвычайно мало и составляет около 40 миллисекунд (10 мс на обнаружение момента появления разносной скорости и 30 мс на осуществление взрыва взрывчатого вещества и выброс штифта в зону перемещения подвижных лопаток), тогда как время срабатывания известных устройств, применяемых в турбомашинах старого поколения, превышает 100 мс.