КОЛЬЦО ТУРБИНЫ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
TURBINE RING FOR TURBOMACHINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к кольцу турбины для газотурбинного двигателя, в частности для вертолета.
Такое кольцо может применяться в газотурбинном двигателе любого типа, для уменьшения колебательного поведения, которое может возникать внутри такого кольца.
Предшествующий уровень техники
В известном вертолетном газотурбинном двигателе кольцо турбины высокого давления по существу содержит круг секторов, прикрепленных к опоре кольца. Как показано на фиг. 2, секторы для этой цели снабжены крюками, выполненными с возможностью взаимодействия с крюками опоры.
В контакте с потоком воздуха секторы кольца подвергаются напряжениям от аэродинамического потока, и эти напряжения вызываются, в частности, аэродинамическим следом от предыдущей и последующей ступени, что может привести к колебательному поведению. В частности, в рабочем диапазоне двигателя эти секторы могут войти в резонанс, который может привести к появлению трещин из-за колебательной усталости, или к преждевременному износу.
В настоящее время один способ улучшения управления таким колебательным поведением состоит в изменении конкретной формы секторов. Тем не менее, проектирование конкретных форм является сложной задачей, учитывая возникающие механические и аэродинамические напряжения.
Другим известным решением, которое легче в реализации, является уменьшение зазоров при сборке колец. Тем не менее, радиальный зажим между секторами и опорой приводит к дополнительным механическим напряжениям на крепежном крюке и, в результате, он могут подвергаться сильной пластической деформации и, возможно, также растрескиванию. Дополнительно, такая операция усложняет процедуру монтажа колец, что приводит к увеличению издержек на производство и техническое обслуживание.
Задачей изобретения является разработка кольца турбины и газотурбинного двигателя, в которых устранены, по меньшей мере до некоторой степени, недостатки, присущие вышеописанным известным конфигурациям.
Краткое описание изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается кольцо турбины, содержащее по существу цилиндрическую опору и один или более сектор, образующий окружность, сконфигурированную для определения сегмента воздушного канала, при этом каждый сектор прикреплен к опоре крепежным устройством, в котором крепежное устройство содержит участок крюка, принадлежащий к опоре и выступающий в сторону сектора, и участок крюка, принадлежащий к сектору и выступающий в сторону опоры, при этом участки крюка опоры и секторы выполнены с возможностью взаимодействовать для крепления сектора к опоре; кольцо далее содержит демпфирующее устройство, расположенное внутри крепежного устройства и напряженное радиально между участком сектора и участком опоры для демпфирования относительных перемещений между сектором и опорой; демпфирующее устройство контактирует поочередно в направлении окружности с внутренней поверхностью опоры и с внешней поверхностью участка крюка сектора.
Применение такого демпфирующего устройства, которое сохраняет, по меньшей мере, одну зону давления на этом участке сектора и по меньшей мере одну зону давления на участке опоры, ограничивает и, следовательно, уменьшает относительные движения между сектором и опорой. Дополнительно, они демпфируются радиально за счет трения сектора и/или опоры о демпфирующее устройство. Это трение рассеивает энергию секторов так, что она больше не накапливается, тем самым снижая риск резонанса секторов в рабочем диапазоне и, следовательно, сильно уменьшает повреждения из-за колебательной усталости.
Дополнительно, поскольку демпфирующее устройство упруго ограничивает относительные движения между сектором и опорой, можно поддерживать радиальный зазор между сектором и опорой, который достаточен для ограничения механических напряжений, относящихся к типу олигоциклической усталости, действующих на сектор и опору, тем самым увеличивая срок из службы.
Демпфирующее устройство также дает возможность освободить сектор от его вторичной задачи ограничения колебаний. В таких обстоятельствах его форму можно выбирать более свободно: поэтому его форму можно упростить, что ведет к снижению издержек, или ее можно оптимизировать более эффективно относительно других функций сектора.
Кроме того, демпфирующее устройство облегчает установку сектора на опоре, действуя как направляющая в радиальном направлении, которая по существу соответствует зазору, который необходимо оставить между сектором и опорой: таким образом, сектор можно прижать к демпфирующему устройству для его точного позиционирования. Это повышает точность и повторяемость позиционирования, давая возможность лучше управлять зазором на концах лопаток и уменьшая несоответствия при обработке.
Такая конфигурация, в которой демпфирующее устройство поочередно в направлении окружности контактирует с внутренней поверхностью опоры и с внешней поверхностью участка крюка сектора, позволяет придать демпфирующему устройству простую форму, поскольку нет никакой необходимости обеспечивать непрерывный и одновременный контакт с внутренней поверхностью опоры и с внешней поверхностью участка крюка сектора.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство также выполнено с возможностью прижимать часто сектора к части опоры. В таких обстоятельствах относительные движения сектора и опоры можно также демпфировать трением между сектором и опорой.
В некоторых вариантах опора также крепится с помощью второго крепежного устройства, аналогичного первому крепежному устройству. Она также снабжена вторым демпфирующим устройством, которое аналогично первому демпфирующему устройству.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство содержит гибкую полосу. Эта гибкая полоса предпочтительно является элементом, изготовленным из листового металла. Такой гибкий листовой металл недорог, ему легко можно придавать нужную форму, и он имеет жесткость, подходящую для такого демпфирования.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство радиально нагружено между участком сектора и участком опоры, по всей его длине. В таких обстоятельствах напряжения, прилагаемые к сектору и к опоре, распределяются по всей длине сектора и, кроме того, демпфирование осуществляется равномерно по всему сектору.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство является по существу гладким по всей его длине, а участки локализованных углублений распределены по его длине. Они могут быть образованы, в частности, сферическими выступами, например штампованными.
В других вариантах устройство содержит элемент, изготовленный из волнистого листового металла.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство расположено между внешней поверхностью участка крюка сектора и внутренней поверхностью опоры. Такая конфигурация облегчает сборку и, кроме того, в такой конфигурации два участка крюка прижимаются друг к другу, тем самым усиливая крепление сектора и улучшая его демпфирование.
В других вариантах демпфирующее устройство расположено между внутренней поверхностью участка крюка опоры и внешней поверхностью сектора.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство, по меньшей мере, частично вставлено в канавку, сформированную на участке сектора. С помощью такой канавки можно установить демпфирующее устройство на секторе до установки сектора на опору, что облегчает процедуру сборки. Дополнительно, это позволяет уменьшить радиальный зазор между сектором и опорой.
В других вариантах демпфирующее устройство вставлено, по меньшей мере, частично в канавку, сформированную на участке опоры.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство демпфирующее устройство охватывает, по меньшей мере, дистальную часть участка крюка опоры. Демпфирующее устройство, таким образом, легко вставляется на место и остается в положении даже при отсутствии сектора.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство сконфигурировано так, чтобы поддерживать постоянно, во-первых, по меньшей мере, одну зону давления на внешней поверхности участка крюка опоры и зону давления на его внутренней поверхности, и, во-вторых, по меньшей мере одну зону давления на внутренней поверхности участка крюка сектора и/или зону давления на внешней поверхности сектора. Демпфирующее устройство, таким образом, защелкнуто вокруг конца крюка, что обеспечивает его установку в положение и удержание в этом положении.
В других вариантах демпфирующее устройство охватывает, по меньшей мере, дистальную часть участка крюка сектора.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство является единой деталью, проходящей непрерывно по всей окружности кольца, образованного сектором (секторами). Тем не менее, она может прерываться зазором, расположенным в азимутальной плоскости устройства.
В других вариантах демпфирующее устройство разделено на множество секций, которые следуют одна за другой по всей периферии окружности, образованной сектором (секторами).
В некоторых вариантах секция демпфирующего устройства соединена с каждым сектором.
В других вариантах каждая секция демпфирующего устройства соединена с множеством секторов.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство также выполнено с возможностью создания уплотнения между опорой и сектором. Например, оно может быть выполнено в форме оплетенной прокладки.
В некоторых вариантах демпфирующее устройство закреплено либо на секторе, либо на опоре. Это крепление предпочтительно осуществляется сваркой.
Настоящее изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, одно кольцо по любому из вышеописанных вариантов. Это кольцо установлено в сочлененной турбине или в свободной турбине.
В некоторых вариантах газотурбинный двигатель является самолетным турбореактивным двигателем.
Вышеописанные и другие признаки и преимущества будут более понятны из нижеследующего подробного описания вариантов предлагаемого кольца и газотурбинного двигателя со ссылками на приложенные чертежи.
Приложенные чертежи являются схематическими и направлены, прежде всего, на иллюстрацию принципов настоящего изобретения.
На разных чертежах одинаковые элементы (или части элементов) обозначены одними и теми же позициями. Кроме того, элементы (или части элементов) относящиеся к разным вариантам, но выполняющие аналогичные функции обозначены на чертежах теми же позициями, но увеличенными на 100, 200 и т.д.
Фиг. 1 изображает общий вид примера вертолетного турбовального газотурбинного двигателя.
Фиг. 2 - вид в изометрии с вырезом первого примера кольца турбины.
Фиг. 3 - осевое сечение кольца по фиг. 2.
Фиг. 4 - вариант кольца по фиг. 2.
Фиг. 5 - вид в изометрии с вырезом другого варианта кольца по фиг. 2.
Фиг. 6А - вариант демпфирующего устройства.
Фиг. 6В - радиальное сечение кольца по фиг. 2 с демпфирующим устройством по фиг. 6А.
Фиг. 7А - другой вариант демпфирующего устройства.
Фиг. 7В - радиальное сечение кольца по фиг. 2 с демпфирующим устройством по фиг. 7А.
Фиг. 8А - осевое сечение второго варианта кольца.
Фиг. 8В и 8С - осевые сечения вариантов кольца по фиг. 8А.
Фиг. 9 - осевое сечение третьего варианта кольца.
Подробное описание вариантов
Для получения более конкретного представления о настоящем изобретении далее следует подробное описание вариантов кольца турбины со ссылками на приложенные чертежи. Следует помнить, что изобретение не ограничивается этими вариантами.
На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель 10, более конкретно вертолетный турбовальный газотурбинный двигатель. Как обычно, турбовальный двигатель 10 содержит компрессор 11, газогенератор 12, и сочлененную и свободную турбины 13 и 14, также именуемые турбиной высокого давления и турбиной низкого давления, которые приводятся во вращение потоком газообразных продуктов сгорания, выходящих из камеры 12 сгорания. Свободная турбина 14 имеет рабочее колесо 14а турбины, которое прикреплено к одному из концов вала 15. Другой конец вала 15 имеет первичное зубчатое колесо 16, которое находится в зацеплении с промежуточным зубчатым колесом 17. Промежуточное зубчатое колесо 17 находится в зацеплении с выходным зубчатым колесом 18. Промежуточное зубчатое колесо 17 и выходное зубчатое колесо 18 являются зубчатыми колесами, образующими части редуктора газотурбинного двигателя 10. Выходное зубчатое колесо 19 соединено с выходным валом 19 для соединения с главным редуктором вертолета (не показан). Сочлененная турбина 13 имеет рабочее колесо 13a, которое соединено с компрессором 11 через приводной вал 20. Сочлененная турбина 13 также вставлена в кольцо 30 турбины, которое определяет воздушный канал и которое обращено к лопаткам рабочего колеса 13a турбины.
На фиг. 2 показан первый вариант такого кольца 30 турбины. Оно состоит из по существу цилиндрической кольцевой опоры 31, образующей интегральную часть кожуха турбины 13, и окружность из секторов 32 кольца, прикрепленных к опоре 31 так, чтобы определять воздушный канал через турбину 13.
Как лучше показано на фиг. 3, каждый сектор 32 кольца прикреплен к опоре 31 кольца с помощью крепежных устройств 33a и 33b: в каждом крепежном устройстве 33a и 33b крюк 34 сектора 32 выступает в сторону опоры 31 для взаимодействия с крюком 35 опоры 32, выступающим в сторону сектора 32 кольца. Каждый из этих крюков 34 сектора 32, таким образом, имеет радиальный участок 34аи тангенциальный участок 34b, которые совместно проходят непрерывно вдоль всего сектора 32. Каждый крюк 35 опоры 31 также имеет радиальный участок 35a и тангенциальный участок 35b, которые совместно проходят по окружности непрерывно вдоль всей периферии опоры 31.
В этом первом варианте крюки 34 сектора 32 снабжены соответствующими ребрами 41, выступающими из внешней поверхности 34e крюка 34, по меньшей мере, частично в одну линию с радиальным участком 34a крюка 34. Это ребро 41 служит для создания радиального зазора между внешней поверхностью 34e крюка 34 и внутренней поверхностью 31i опоры 31 так, чтобы можно было установить на место демпфирующее устройство 50.
Демпфирующее устройство 50 является гибкой полосой, предпочтительно, изготовленной из листового металла, имеющей по существу V-образную форму в этой плоскости осевого сечения. Эта форма сечения по существу постоянна на всей длине демпфирующего устройства 50. Демпфирующее устройство 50, таким образом, напряжено между внешней поверхностью 34e крюка 34 сектора 32 и внутренней поверхностью 31i опоры 31 так, чтобы, во-первых, прилагать давление к крюку 34 своей центральной зоной, и, во-вторых, прилагать давление к опоре 31 своими двумя концами.
Жесткость этого демпфирующего устройства 50 можно регулировать, регулируя толщину, длину, и, в более общем виде, форму демпфирующего устройства. В частности, в этом примере, демпфирующее устройство изготовлено из листового металла толщиной прибл. 0,2 мм. Его материал можно выбирать как функцию требуемой жесткости. Конкретно, металлический лист может быть изготовлен из сплава Inconel 718.
Как показано на фиг. 2, в этом примере демпфирующее устройство каждого крепежного устройства 33a, 33b является единой деталью, проходящей непрерывно вдоль всей опоры 31 кольца за исключением зазора, расположенного в азимутальной плоскости демпфирующего устройства 50, чтобы его облегчить его установку на место в турбине 13. Тем не менее, в других примерах демпфирующее устройство может быть непрерывным вдоль всей опоры кольца и не иметь зазора.
Возможны разные модификации этого первого варианта. Например, в варианте по фиг. 4, во внешней поверхности 34e крюка 34 сектора 32 сформирована канавка 42. Такая канавка 42 служит для приема демпфирующего устройства 52. Глубина канавки 42, тем не менее, меньше чем высота демпфирующего устройства 52, поэтому демпфирующее устройство 52 выступает за внешнюю поверхность 34e крюка 34: демпфирующее устройство 52, таким образом, напряжено между опорой 31 и крюком 34 сектора 32.
Дополнительно, на фиг. 4 показано, что по существу можно установить демпфирующее устройство 52 в перевернутом положении, относительно демпфирующего устройства 50 на фиг. 3: в таких обстоятельствах демпфирующее устройство 52 прилагает давление к внутренней поверхности 31i опор 31 своей центральной зоной, и прилагает давление к крюку 34 сектора 32 своими двумя концами.
На фиг. 5 показана другая версия первого варианта кольца 30. В этой версии демпфирующее устройство 54 не является единой деталью, а состоит из секторов. Более конкретно, линии раздела устройства 54 спроектированы так, чтобы совпадать с линиями раздела секторов 32, чтобы секция 45 демпфирующего устройства была связана с каждым сектором 32. Тем не менее, демпфирующее устройство 54 можно делить и другими способами.
На фиг. 6А и 6В показана другая версия первого варианта кольца 30 турбины. В отличие от варианта по фиг. 3, демпфирующее устройство 56 не является фигурным по всей длине. В этом варианте демпфирующее устройство 56 является гибкой полосой, предпочтительно изготовленной из листового металла, и являющейся гладкой по всей своей длине, за исключением углублений 57, сформированных равномерно в ее гладкой поверхности. Как показано на фиг. 6В, демпфирующее устройство 56 сконфигурировано так, чтобы его внешняя поверхность прижималась к внутренней поверхности 31i опоры 31 кольца, а внутренние концы углублений 57 прижимались к внешней поверхности 34e крюка 33 сектора 32 кольца, чтобы демпфирующее устройство 56 поочередно в направлении окружности контактировало с внутренней поверхностью 31i опоры 31 и с внешней поверхностью 33e крюка 33 сектора 32 кольца.
На фиг. 7А и 7В показана последняя версия первого варианта кольца 30 турбины. В этом варианте демпфирующее устройство 58 является волнистым листом с волнами, позволяющими демпфирующему устройству 58 поочередно в направлении окружности контактировать с внутренней поверхностью 31i опоры 31 и с внешней поверхностью 34e крюка 33 сектора 32 кольца.
На фиг. 8А показан второй вариант кольца 130 турбины. В этом втором варианте демпфирующее устройство 160 является гибкой полосой, предпочтительно изготовленной из листового металла, имеющей по существу U-образную форму в плоскости этого осевого сечения, и находящейся в зацеплении с дистальным участком крюка 135 опоры 131, т.е. на конце тангенциального участка 135b крюка 135. Демпфирующее устройство 160, таким образом, имеет плоский участок 161, прижатый к дистальной поверхности крюка 135, от которого отходят две ветви демпфирующего устройства 160. На первом участке 162 эти две ветви сходятся друг к другу так, чтобы зажать дистальную часть крюка 135, после чего на втором участке 163 эти две ветви расходятся друг от друга, чтобы прижаться, во-первых, к внутренней поверхности 134i тангенциального участка 134b крюка 134, и, во-вторых, к внешней поверхности 132e сектора 1342 кольца. В этом примере две ветви демпфирующего устройства 160 симметричны.
На фиг. 8В показана версия второго варианта кольца 130 турбины. В этом варианте для получения другой жесткости, внутренняя ветвь демпфирующего устройства 160 выполнена более длинной, чем внешняя ветвь. Поэтому второй участок 163 внутренней ветви прижат к внешней поверхности 132e сектора 132 дальше по потоку, чем в варианте по фиг. 8А.
На фиг. 8С показана другая версия второго варианта кольца 130 турбины. В этом варианте внутренняя ветвь демпфирующего устройства имеет скошенный первый участок 162, который прижат к дистальной поверхности 135i крюка 135, но не имеет второго участка, прижимающегося к внешней поверхности 132e сектора 132 кольца.
На фиг. 9 показан третий вариант кольца 230 турбины. В этом третьем варианте демпфирующее устройство 260 является гибкой полосой, предпочтительно изготовленной из листового металла, и имеет по существу L-образную форму в этой плоскости осевого сечения, находясь в зацеплении вокруг дистальной части крюка 234 сектора 232 кольца. Демпфирующее устройство 260 имеет плоский участок 261, прижатый к радиальному участку 235a крюка 235 опоры 231 кольца, от которого отходит по существу тангенциальная ветвь. На первом участке 262 эта ветвь проходит в направлении внутрь, чтобы прижаться к внутренней поверхности 234e крюка 234 сектора 232, а затем, на втором участке 263, эта ветвь проходит в направлении наружу так, чтобы прижаться к внутренней поверхности 231i опоры 231. Наконец, эта ветвь отогнута радиально внутрь, чтобы прижиматься под прямым углом к внешней поверхности 234i крюка 234. Участок 234 крюка сектора 232, таким образом, прижат к участку 235 крюка опоры 231.
Варианты, описанные в настоящем документе, приведены как не ограничивающие иллюстрации, и специалисты в данной области, в свете приведенного описания, легко смогут модифицировать эти варианты или создать другие, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.
В частности, все описанные варианты относятся к сочлененной турбине газотурбинного двигателя, однако, идеи настоящего изобретения применимы и свободной турбине. Аналогично, идеи настоящего изобретения могут быть перенесены непосредственно в область турбореактивных двигателей самолетов.
Кроме того, различные признаки этих вариантов можно использовать самостоятельно или в комбинации один с другим. В комбинациях эти признаки могут комбинироваться, как описано выше или другими способами, и настоящее изобретение не ограничено конкретными комбинациями, описанными в настоящем описании. В частности, если не указано иное, признак, описанный со ссылкой на любой вариант, может применяться аналогичным образом в любом другом варианте.