МОДУЛЬ ТУРБОМАШИНЫ, СНАБЖЕННЫЙ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ
TURBOMACHINE MODULE EQUIPPED WITH RADIAL GAP IMPROVEMENT DEVICE

Настоящее изобретение относится к модулю турбомашины, содержащему устройство для улучшения радиальных зазоров. Изобретение применимо к турбомашинам, а более конкретно, к турбореактивным двигателям летательных аппаратов и турбовинтовым двигателям летательных аппаратов.
Турбомашина обычно состоит из набора трех модулей: модуля компрессора, модуля камеры и модуля турбины. Модуль компрессора нагнетает воздушный поток, проходящий через компрессор со стороны впуска к стороне выпуска турбомашины. Модуль турбины расширяет нагнетенный воздушный поток, проходящий через турбину со стороны впуска к стороне выпуска турбомашины, и передает мощность, извлеченную расширением газов, на компрессор. Модуль компрессора и модуль турбины состоят из ротора, внутреннего корпуса и внешнего корпуса, окружающего внутренний корпус. Ротор содержит, по меньшей мере, один диск с множеством лопаток, распределенных по окружности. Кожухи обращены к лопаткам и собраны для образования внутреннего корпуса компрессора. Внутренний корпус присоединен к неподвижному внешнему кожуху, образующему внешний корпус посредством одного или более амортизирующих колец.
Венец подвижной лопатки диска ротора отделен от кожуха, обращенного к внутреннему корпусу, радиальным зазором. Радиальный зазор должен поддерживаться как можно меньшим для улучшения эксплуатационных показателей турбомашины. Однако во время работы и, в частности, во время перехода между разными режимами работы турбомашины радиальный зазор меняется вследствие разностей в тепловом расширении, во-первых, между ротором и внутренним корпусом, а во-вторых, между внутренним и внешним корпусами, и особенно вследствие разности в степенях расширения амортизирующих колец относительно внутреннего и внешнего корпусов. Массы амортизирующих колец являются гораздо меньшими, чем внутреннего и внешнего корпусов, для избежания увеличения массы турбомашины. Поэтому тепловая инерция этих амортизирующих колец гораздо меньше, чем инерция корпусов, и это может вызывать изменения в отношении положения внутреннего корпуса и увеличение или уменьшение радиальных зазоров между подвижными лопатками и внутренним корпусом. Результат колебания этих радиальных зазоров снижает коэффициент полезного действия турбомашины, и оно вызывает износ венцов лопаток и поверхности кожухов.
Устройства для улучшения радиальных зазоров турбомашины известны из уровня техники, в частности, из патентов США 5330321, 6035929 и Великобритании 2388407. Однако все эти устройства являются активными устройствами регулирования зазора, каковое означает, что они не могут работать, если не отводится часть воздушного потока, входящего в турбомашину. Однако отведение воздуха снижает коэффициент полезного действия турбомашины, так как оно снижает количество воздуха на выходе компрессора. Более того, эти устройства требуют конкретных компоновок в отношении турбомашины добавлением частей большого объема и/или добавлением частей, которые трудны для промышленного изготовления.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить вышеописанные недостатки и создать модуль турбомашины, снабженный устройством для улучшения радиальных зазоров, которое является легким для реализации, не требует никакой крупной структурной модификации, не делает необходимым отведение воздушного потока или добавление каких-нибудь сложных частей, чтобы обеспечивать возможность местного воздействия, ограниченного радиальными зазорами, и локально снижать нежелательные эффекты, обусловленные чрезмерно быстрым расширением амортизирующего кольца относительно лопаток диска ротора, согласованием времен реакции и амплитуд смещения внутреннего корпуса относительно ротора.
Для достижения этого изобретение предлагает модуль турбомашины, снабженный устройством для улучшения радиальных зазоров, содержащим внешний корпус, внутренний корпус, через который проходит основной поток турбомашины, и, по меньшей мере, одно амортизирующее кольцо, соединяющее указанные корпуса, при этом модуль также содержит кольцевую полость на стороне выпуска амортизирующего кольца с каналом, выполненным в нем, через который отводится воздушный поток из основного потока. Согласно изобретению устройство для улучшения радиальных зазоров содержит устройство регулирования тепловой инерции для амортизирующего кольца, установленное на амортизирующем кольце, ниже по потоку от него, причем устройство регулирования тепловой инерции содержит, по меньшей мере, одно покрытие теплоизоляции и, по меньшей мере, частично ограничивает кольцевую полость на ее стороне выпуска.
Предпочтительно, особенно благодаря слою теплоизоляции, изобретение может увеличивать время, необходимое, чтобы изменилась температура амортизирующего кольца, а потому, согласовывая степень расширения амортизирующего кольца, чтобы соответствовала степеням расширения внутреннего корпуса и внешнего корпуса.
Предпочтительно, покрытие теплоизоляции контактирует с внутренней поверхностью кольцевого рычага внутри амортизирующего кольца.
Предпочтительно, устройство регулирования тепловой инерции дополнительно содержит дефлектор, установленный на кольцевом рычаге внутри амортизирующего кольца, и полость, расположенную между дефлектором и внутренним рычагом, при этом слой теплоизоляции расположен в полости.
В качестве альтернативы слой теплоизоляции является тепловым покрытием, нанесенным на внутреннюю поверхность внутреннего рычага амортизирующего кольца.
Изобретение также относится к применению модуля турбомашины, описанного выше, в компрессоре турбомашины или турбине турбомашины.
В заключение другой целью изобретения является турбомашина, содержащая, по меньшей мере, один модуль, подобный описанному выше.
Изобретение станет более понятным, а его преимущества станут более очевидными после прочтения подробного описания, приведенного ниже в качестве неограничивающего примера, и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет осевой разрез примера турбомашины согласно уровню техники,
фиг.2 представляет осевой разрез примера компрессора турбомашины согласно уровню техники,
фиг.3a, 3b, 3c представляют осевые разрезы по первому варианту осуществления изобретения,
фиг.4, 5, 6 представляют осевые разрезы трех вариантов по первому варианту осуществления изобретения,
фиг.7 представляет осевой разрез второго варианта осуществления изобретения.
Фиг.1 иллюстрирует пример турбомашины, интегрированной в гондолу 201 двигателя, окружающую турбомашину. Турбомашина от стороны впуска к стороне выпуска содержит:
воздухозаборник 208, вентилятор 202, содержащий множество лопастей, установленных на первом диске ротора, компрессор 203 низкого давления, содержащий, по меньшей мере, один ротор с лопатками и статор, компрессор 204 высокого давления, содержащий, по меньшей мере, один ротор с лопатками и статор, камеру 205 сгорания, турбину 206 высокого давления, содержащую, по меньшей мере, один ротор с лопатками и статор, турбину 207 низкого давления, содержащую, по меньшей мере, один ротор с лопатками и статор.
Осевая линия 200 является осевой линией вращения турбомашины.
В показанной примерной турбомашине наружный воздух проходит через воздухозаборник 208 и через лопасти вентилятора 202. На выпуске из лопастей вентилятора воздушный поток делится на два потока. Первый поток, называемый основным потоком Fp, направляется к впуску компрессора 203 низкого давления, а второй поток, называемый вспомогательным потоком Fs, направляется к задней части турбомашины. Компрессор 203 низкого давления нагнетает основной воздушный поток Fp первый раз, а затем направляет его в компрессор 204 высокого давления. Компрессор высокого давления нагнетает основной поток Fp второй раз перед вдуванием его в камеру 205 сгорания. Часть основного потока Fp, проходящего через компрессор высокого давления, отводится на потребности в воздухе турбомашины, но также на потребности в сжатом воздухе летательного аппарата.
В камере 205 сгорания основной поток Fp нагревается до очень большой температуры. На выходе из камеры 205 сгорания горячий воздушный поток вдувается в турбину 206 высокого давления, а затем в турбину 207 низкого давления, которые преобразуют расширение горячих газов в механическую энергию. Мощность, извлекаемая турбиной 206 высокого давления, приводит в действие компрессор 204 высокого давления через первый осевой вал. Турбина 207 низкого давления вращает компрессор 203 низкого давления и лопасти вентилятора 202 через второй осевой вал, концентричный первому валу.
Фиг.2 представляет осевой разрез примера компрессора согласно уровню техники. Компрессор содержит узел ротора или ротор 3, содержащий множество дисков, каждый с множеством лопаток 11, распределенных по окружности и на периферии каждого диска.
Компрессор также содержит неподвижный узел или статор 2, содержащий множество неподвижных направляющих лопастей 20. Каждая направляющая лопасть состоит из множества неподвижных лопастей 20, прикрепленных на нижнем конце к кольцевому внутреннему кожуху 13, а на верхнем конце к кольцевому внешнему кожуху 24. Внешние кожухи 24 присоединены друг к другу кольцами 23, содержащими теплоизоляционное и истираемое покрытие. Ряд внешних кожухов 24 в разных направляющих лопастях и истираемых кольцах 23 образует внутренний корпус 21 компрессора.
Статор 2 также содержит внешний корпус 22, состоящий из ряда внешних кольцевых кожухов 26.
Венцы лопаток 11 ротора 3 расположены на расстоянии от истираемого кольца 23, обращенного к ним через радиальные зазоры 12.
Внутренний корпус 21, через который проходит основной поток Fp, который он радиально ограничивает снаружи, присоединен к внешнему корпусу 22, по меньшей мере, одним амортизирующим кольцом 5. В этом примере амортизирующее кольцо 5 состоит из кольцевой шейки с двумя концами, а именно верхним концом 88 и нижним концом 89, кольцевого внешнего рычага 51, кольцевого внутреннего рычага 52 и цилиндрической распорной стойки 53. Внутренний рычаг 52 и внешний рычаг 51 присоединены друг к другу для образования V- или U-образного профиля, у которого вершина является обращенной к стороне выпуска компрессора. В этом отношении следует отметить, что термин «выпускной» (находящийся ниже по потоку) должен рассматриваться относительно основного направления потока газа через турбомашину. Цилиндрическая распорная стойка 53, содержащая внутреннюю поверхность 55 и внешнюю поверхность 56, расположена вдоль продолжения двух, внутреннего и внешнего, рычагов, прикрепленных к разветвлению внутреннего и внешнего рычагов. Внешний рычаг 51 амортизирующего кольца 5 присоединен к внешнему корпусу первым кольцевым фланцем 58. Внутренний рычаг 52 амортизирующего кольца 5 присоединен к внешним кожухам 24 внутреннего корпуса вторым кольцевым фланцем 59.
В примере, показанном на фиг.2, фланцы 58 и 59 прикреплены к верхнему концу 88 и нижнему концу 89 амортизирующего кольца. Фланец 59 также прикреплен к одному из колец 23, которое обеспечивает амортизирующему кольцу 5 возможность присоединения к другим кожухам во внутреннем корпусе 21.
Предусмотрен диффузор 9 на стороне выпуска внутреннего корпуса 21, который предназначен для направления основного потока Fp, выведенного из компрессора, в камеру сгорания. Диффузор 9 является неподвижной кольцевой деталью, состоящей из множества лопаток 94, присоединенных друг к другу внутренним кожухом 93 диффузора и внешним кожухом 92 диффузора. Диффузор 9 присоединен к внешнему корпусу 22 через кольцевой рычаг 91. Внутренний корпус 21 расположен на расстоянии от внешнего кожуха 92 диффузора на осевой зазор, называемый каналом 42. Этот зазор 42 обеспечивает возможность прохождения воздушного потока 4, отведенного из основного потока Fp через полость 41, расположенную между компрессором и диффузором. Более того, пространство между внутренним рычагом 52 амортизирующего кольца и рычагом 91 диффузора 9 образует кольцевую полость 43, через которую проходит воздушный поток 4.
Воздушный поток 4 является воздухом, отводимым на различные нужды, такие как предотвращение обледенения крыльев летательного аппарата или охлаждение некоторых деталей турбомашины. Воздушный поток 4 отводится в полости 41, а затем раскрывается в полость 43 и входит в контакт с внутренней поверхностью внутреннего рычага амортизирующего кольца 5 и нагревает его либо охлаждает его. Этот поток затем раскрывается в кольцевую полость 44, расположенную между внешним рычагом 51 амортизирующего кольца 5 и внешним корпусом 22.
Фиг.3a представляет подробный вид первого варианта осуществления изобретения. Согласно этому первому варианту осуществления изобретения амортизирующее кольцо 5 снабжено устройством для регулирования его тепловой инерции, предпочтительно расположенным в контакте с и на стороне выпуска внутренней поверхности 57 его внутреннего рычага, будучи обращенным к внешнему кожуху 92 и кольцевому рычагу 91 диффузора 9. Устройство регулирования тепловой инерции содержит слой теплоизоляции 8 в контакте с внутренним рычагом 52 амортизирующего кольца 5 и расположено на стороне выпуска этого рычага. Устройство регулирования тепловой энергии также содержит кольцевой дефлектор 6, содержащий входной конец 64 и выходной конец 65, присоединенные к нижнему концу 89 амортизирующего кольца 5 и к распорной стойке 53 амортизирующего кольца 5 соответственно.
2
Кольцевой дефлектор 6, расположенный на стороне выпуска внутреннего рычага 52, таким образом, закрывает внутреннюю поверхность 57 этого рычага, оставляя пространство для образования кольцевой полости 7 между ними. Полость 7 заполнена, по меньшей мере, одним теплоизоляционным материалом 8, например, таким как воздух, стекловолокно, кремнеземный волокнистый фетр или любой другой материал, известный по своим теплоизоляционным свойствам, для образования указанного слоя теплоизоляции. Дефлектор 6 удерживает изоляционный материал на месте. Дефлектор 6 выполнен с одним отверстием 63, которое обеспечивает заполнение полости 7 горячим воздухом, выводимым из воздушного потока 4, и выравнивание давления между полостями 7 и 43. Предпочтительно, поверхность сечения полости 7 в плоскости сечения, проходящей через осевую линию турбомашины, по меньшей мере, в пять раз больше, чем эквивалентная площадь поверхности отверстия 63. В полости 7 давление воздуха колеблется от 1 до 25 бар в зависимости от температуры окружающего воздуха в компрессоре. Внутреннее давление в полости 7 необходимо регулировать для того, чтобы предотвращать деформацию частей, соседних полости 7. Предусмотрено одно отверстие 63. Второе отверстие в дефлекторе 6 создавало бы циркуляцию воздуха между двумя отверстиями и мешало бы воздуху, находящемуся в полости 7, действовать в качестве теплоизоляции. Например, для кольцевого дефлектора 6 между 0,3 мм и 2 мм толщиной площадь поверхности сечения отверстия 63 составляет от 1 до 200 мм.
Дефлектор 6 предпочтительно установлен на внутреннем рычаге 52, так как он является частью амортизирующего кольца 5, в большой степени подверженного воздушному потоку 4 и наиболее сильно подверженного изменениям температуры.
Предпочтительно, нижний конец 89 амортизирующего кольца 5 содержит осевой фланец 54, а входной конец 66 дефлектора 6 содержит осевой фланец 64 с таким же диаметром, как осевой фланец 54 амортизирующего кольца 5. Два фланца 54 и 64 соединяются вместе, например, с использованием последовательности операций сварки, такой как дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа, или любого другого средства получения прочного соединения между элементами.
Выпускной конец 67 дефлектора 6 состоит из кольцевого выступа 65, который просто опирается на внутреннюю поверхность 55 распорной стойки 53. Дефлектор 6, таким образом, приводится в контакт с распорной стойкой 53. Размеры и толщина дефлектора выбираются из условия, чтобы контакт между двумя частями являлся воздухонепроницаемым благодаря эффекту подпружинивания, например, посредством изготовления кольцевого выступа 65 с диаметром, большим, чем диаметр внутренней поверхности 55 распорной стойки 53.
Слой 8 теплоизоляции, заключенный в полости 7, может повышать тепловую инерцию амортизирующего кольца 5. Слой теплоизоляции 8 изолирует амортизирующее кольцо 5 от воздушного потока 4 и задерживает рост температуры амортизирующего кольца 5. Однако это устройство никоим образом не предназначено для полной изоляции амортизирующего кольца 5. Устройство согласно изобретению регулирует тепловую инерцию амортизирующего кольца 5, регулируя объем полости 7 и сечение отверстия 63. Объем полости 7 может регулироваться приведением дефлектора 6 к или отведением от амортизирующего кольца 5. По мере того, как объем полости 7 возрастает, также возрастает тепловая инерция амортизирующего кольца 5. А по мере того, как увеличивается сечение отверстия 63, тепловая инерция амортизирующего кольца 5 уменьшается.
Этот первый вариант осуществления изобретения также обладает другим преимуществом. Фланцы 54 и 64 образуют цилиндр с длиной L, параллельный внешнему кожуху 92 диффузора 9 и осевой линии 200 турбомашины. Этот цилиндр с длиной L расположен на расстоянии от внешнего кожуха 92 диффузора на радиальное расстояние R и, таким образом, образует осевой замедлитель C скорости тяги. Воздушный поток 4, прежде всего, сужается до радиального потока, в то время как он проходит через зазор 42. Воздушный поток 4 затем сужается до потока через первое сужение, образованное осевым замедлителем C скорости тяги между цилиндрическими фланцами 54 и 64 и кожухом 92, перед поступлением в полость 43 между дефлектором 6 и кольцевым рычагом 91 диффузора 9. Воздушный поток 4 затем проходит между распорной стойкой 53 и кольцевым рычагом 91 диффузора 9, который образует второе сужение, перед раскрытием в полость 44. Последовательность двух сужений, сопровождаемых двумя полостями, в таком случае снижает скорость воздуха в контакте с внешним корпусом и уменьшает теплообмен между корпусами и воздушными потоками 4. Однако полости 43 и 44 должны иметь сечение, большее, чем замедлители скорости тяги, для того чтобы ограничивать потери давления, когда воздушный поток 4 останавливается. Длина L предпочтительно составляет от 0,5 до 5 расстояний R по радиусу. На фиг.3a поверхности 55 и 56 распорной стойки 53 являются цилиндрическими, причем ось цилиндра является осью 200 турбомашины.
В качестве альтернативы, для того чтобы гарантировать герметичность между кольцевым выступом 65 и распорной стойкой 53, внутренняя поверхность 55 распорной стойки 53 может быть отклонена на угол α от осевой линии 200 двигателя, как показано на фиг.3b и 3c. Внутренняя поверхность 55 распорной стойки 53, в таком случае, является конической, наименьший диаметр которой ориентирован к стороне впуска турбомашины. Предпочтительно, угол α составляет от 5° до 15°.
Фиг.3c показывает, каким образом введение угла между внутренней поверхностью 55 распорной стойки 53 и осевой линией 200 двигателя может улучшать герметичность между кольцевым выступом 65 и распорной стойкой 53. Цилиндрический фланец 64 дефлектора 6 и цилиндрический фланец 54 амортизирующего кольца, например, соединяются посредством дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Цилиндрический фланец 64, в таком случае, дает усадку на величину A вследствие сварки. Дефлектор 6 и кольцевой выступ 65, в таком случае, также смещаются на расстояние A, кольцевой выступ 64 перемещается в 65b. Кольцевой выступ 65, в таком случае, прикладывает силу F, которая зависит от угла α и смещения A, к внутренней поверхности 55. Сваривание соединения между цилиндрическими фланцами 64 и 54 и наклон внутренней поверхности 55 обеспечивают герметичность контакта между кольцевым выступом 65 и распорной стойкой 53.
Фиг.4 показывает первую разновидность первого варианта осуществления устройства регулирования тепловой инерции согласно изобретению.
Дефлектор 6 находится в контакте с распорной стойкой 53, так, чтобы контакт был герметичным. Контакт между кольцевым выступом 65 и распорной стойкой 53 поддерживается удерживающим зажимом 101. Удерживающий зажим 101 является упругим кольцевым металлическим участком с имеющим постоянную форму омега (Ω) участком. Два выступа 103 удерживающего зажима 101 смыкаются естественным образом посредством упругости, следовательно, зажим сохраняет постоянный контакт между дефлектором 6 и внутренней поверхностью 55 распорки 53.
Фиг.5 показывает вторую разновидность первого варианта осуществления устройства регулирования тепловой инерции согласно изобретению.
Согласно этому варианту выпускной конец дефлектора 6 изогнут к стороне впуска компрессора, и он продолжается кольцевым выступом 65, опирающимся на внешнюю поверхность 56 распорной стойки 53. Тепловые расширения амортизирующего кольца 5 и дефлектора 6 стремятся уплотнить дефлектор 6 в контакте с внутренней поверхностью амортизирующего кольца 5 и поддержать его в контакте с внешней поверхностью 56 распорной стойки 53.
Фиг.6 показывает третью разновидность первого варианта осуществления устройства регулирования тепловой инерции согласно изобретению. Кольцевой выступ 65 дефлектора 6 изогнут по направлению вовнутрь полости 7 для образования U-образного профиля, который опирается на внутреннюю поверхность 57 внутреннего рычага 52. Размеры и толщина дефлектора выбираются так, чтобы контакт между двумя частями был воздухонепроницаемым в результате эффекта подпружинивания.
Фиг.7 показывает второй вариант осуществления устройства регулирования тепловой инерции согласно изобретению. Слой теплоизоляции 90 нанесен на внутреннюю поверхность 57 внутреннего рычага 52 амортизирующего кольца 5. Этот слой изоляции содержит цилиндрический впускной торец 71, параллельный оси компрессора и параллельный внешней оболочке 92 диффузора 9. Слой теплоизоляции может состоять из полиуретановой пены, состоящей из алюминия и кремнезема, подобной используемой в качестве истираемого материала для создания герметичности между подвижными лопатками 10 и неподвижными кожухами 23, обращенными к ним. Слой теплоизоляции предпочтительно наносится плазменным напылением, а затем механически обрабатывается для придания требуемой формы с использованием последовательностей операций, известных специалистам в данной области техники. Предпочтительно, слой изоляции наносится равномерным и постоянным слоем с толщиной от 0,5 до 4 мм.
Устройство для улучшения радиальных зазоров согласно разным вариантам осуществления изобретения может легко адаптироваться к существующим турбомашинам, в частности, благодаря разным клеящим растворам дефлектора на амортизирующем кольце по первому варианту осуществления изобретения и благодаря второму варианту осуществления.
Это устройство также может значительно снижать скорость тангенциального воздушного потока, отводимого из непосредственного окружения амортизирующего кольца.
Разные возможности для реализации устройства согласно изобретению являются такими, что оно может применяться к любой части турбомашины, в которой есть подобная техническая задача. Например, такое устройство для улучшения радиальных зазоров может размещаться в модуле турбины высокого или низкого давления, содержащем внешний корпус и внутренний корпус, соединенные через часть с небольшой массой в контакте с воздушным потоком.