УСТРОЙСТВО УДЕРЖАНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ТРУБЫ ДЛЯ КАРТЕРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE FOR RETENTION OF COOLING PIPE FOR CRANKCASE OF GAS TURBINE ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение в целом относится к технической области газотурбинных двигателей и, в частности, к области охлаждения различных элементов газотурбинного двигателя, в частности, картеров турбины низкого давления газотурбинного двигателя.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству удержания системы воздушного охлаждения картера турбины низкого давления газотурбинного двигателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для обеспечения охлаждения некоторых картеров и, в частности, картера турбины низкого давления, предусмотрено устройство охлаждения, в котором используют набор охлаждающих труб, называемых также рампами охлаждения, в которых выполнены отверстия и которые расположены снаружи картера, чаще всего окружая упомянутый картер, так что воздух, засасываемый на входе газотурбинного двигателя относительно направления потока газов в газотурбинном двигателе, направляется к наружной стороне картера. Кроме того, система охлаждения состоит из двух камер, расположенных с двух сторон от картера и питающих охлаждающие трубы, так что каждая камера питает воздухом охлаждающие трубы, окружающие картер примерно на четверти его окружности.
Известны системы охлаждения типа LPTCC (Low Pressure Turbine Clearance Control на английском языке или контроль зазоров для турбины низкого давления). Системой LPTCC управляет система FADEC (английское сокращение от Full Authority Digital Engine Control или электронно-цифровая система управления двигателем с полной ответственностью); в этом случае говорят об активном контроле, и систему обозначают сокращением LPTАCC. Если ею не управляет FADEC, то говорят о пассивном контроле для системы LPTCC. Ее основной функцией является регулирование зазора между деталями турбины низкого давления с изменением охлаждения и расхода воздуха, отбираемого из вторичного потока для охлаждения картера турбины низкого давления.
Охлаждающие трубы систем LPTCC или LPTАCC удерживаются в положении вокруг картера питающими камерами и крепежными листами, неподвижно соединенными с картером. Как правило, крепежные листы представляют собой плоские листы, под которыми закреплены крепежные хомуты, называемые также душевыми хомутами. Крепежные хомуты охватывают охлаждающие трубы и обеспечивают их позиционирование вокруг картера.
На фиг. 1а представлен первый вид в перспективе системы 1 охлаждения для картера турбины низкого давления газотурбинного двигателя согласно известному техническому решению. На фиг. 1а показаны картер 2 газотурбинного двигателя, система 1 охлаждения картера 2, содержащая множество охлаждающих труб 3, камера 4 питания, питающая воздухом множество охлаждающих труб, множество крепежных листов 5 для удержания в положении охлаждающих труб 3 вокруг картера 2.
На фиг. 1b представлен второй вид в перспективе известной системы 1 охлаждения для картера газотурбинного двигателя. В частности, на фиг. 1b показан крепежный лист, под которым закреплено множество хомутов 6, при этом каждый хомут 6 охватывает охлаждающую трубу 3.
Между крепежными хомутами или охлаждающими трубами и наружным кожухом картера оставлен определенный зазор (в радиальном направлении турбины), в частности, чтобы избегать любого контакта деталей (крепежных хомутов, охлаждающих туб, картера), который мог бы привести к повреждениям.
Однако зазор между охлаждающими трубами и наружным кожухом картера должен быть как можно меньшим, чтобы охлаждающие трубы располагались как можно ближе к кожуху картера и чтобы оптимизировать его охлаждение.
На практике технологические и технические условия, в частности, такие как допуски деталей, вибрационные явления во время работы, расширения деталей во время работы, заставляют отдалять охлаждающие трубы, чтобы избегать любого контакта между крепежными хомутами (или охлаждающими трубами), который мог бы привести к повреждению входящих в контакт деталей и, в частности, наружного кожуха картера.
В настоящее время трудно найти разумный компромисс радиального позиционирования охлаждающих труб, позволяющий избегать износа деталей и в то же время обеспечивающий максимальную эффективность системы охлаждения. Действительно, трудно обеспечивать и контролировать оптимальный зазор, так как картер и охлаждающие трубы являются деталями большого диаметра, и различные промежуточные детали, участвующие в удержании труб, предопределяют все большее число допусков, которые приводят к увеличению допустимого минимального зазора.
Были, в частности, предложены различные решения, лучше отвечающие некоторым условиям, в частности, на газотурбинных двигателях небольшого размера. Такие решения описаны, в частности, в документах FRR1258238, FR1351676 и FR1454790.
В документе FR1454790 описано, например, решение, позволяющее лучше контролировать позиционирование охлаждающей трубы за счет уменьшения числа промежуточных деталей для крепления охлаждающих труб. Такое решение позволяет, в частности, минимизировать число допусков, связанных с каждой промежуточной деталью, и, следовательно, лучше контролировать позиционирование охлаждающих труб.
Однако в некоторых ситуациях и в некоторых конфигурациях газотурбинного двигателя известные решения не являются вполне удовлетворительными, и требования эффективности охлаждения заставляют уменьшать зазоры. В этих ситуациях могут появляться контакты между крепежными хомутами или охлаждающими трубами и кожухом картера.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретением предусмотрено решение вышеупомянутых проблем и предложено устройство удержания, обеспечивающее тонкую и точную регулировку положения охлаждающих труб во время монтажа вокруг картера, чтобы контролировать зазор между охлаждающими трубами и кожухом картера, в частности, в зависимости от реальных размерных требований к соединяемым деталям и от характеристик двигателя, определенных во время испытаний.
В связи с вышеизложенным, объектом изобретения является устройство удержания по меньшей мере одной охлаждающей трубы системы охлаждения картера газотурбинного двигателя, при этом картер расположен вокруг осевого направления газотурбинного двигателя, при этом устройство удержания содержит крепежный лист, выполненный с возможностью соединения с картером, и элемент удержания охлаждающей трубы, при этом упомянутое устройство удержания отличается тем, что содержит средство регулирования, выполненное с возможностью регулирования относительного положения упомянутого элемента удержания по отношению к упомянутому крепежному листу и с возможностью демпфирования относительного движения между элементом удержания и крепежным листом.
Кроме признаков, упомянутых в предыдущем абзаце, заявленное устройство удержания может иметь один или несколько следующих дополнительных признаков, рассматриваемых отдельно или во всех возможных технических комбинациях:
- упомянутый крепежный лист содержит отверстие, и упомянутое средство регулирования содержит элемент, неподвижно соединенный с упомянутым элементом удержания, при этом упомянутый элемент выполнен с возможностью поступательного движения через упомянутое отверстие;
- упомянутый элемент является цилиндрическим элементом, имеющим резьбовой участок;
- упомянутое средство регулирования содержит завинчивающийся элемент, взаимодействующий с упомянутым резьбовым участком упомянутого элемента для регулирования относительного положения упомянутого элемента удержания по отношению к упомянутому крепежному листу;
- завинчивающийся элемент является самоконтрящейся гайкой;
- упомянутое средство регулирования содержит упругий возвратный элемент для демпфирования относительного движения между элементом удержания и крепежным листом;
- упомянутый элемент удержания выполнен с возможностью вхождения в тесный контакт с радиально наружной частью упомянутой по меньшей мере одной охлаждающей трубы;
- упомянутый элемент удержания выполнен с возможностью вхождения в тесный контакт с двумя охлаждающими трубами;
- упомянутое отверстие имеет форму, обеспечивающую перемещение упомянутого элемента удержания в плоскости, ортогональной к оси отверстия упомянутого крепежного листа;
- упомянутое отверстие имеет вытянутую форму.
Объектами настоящего изобретения являются также система охлаждения картера газотурбинного двигателя, содержащая охлаждающую трубу; заявленное устройство удержания по меньшей мере одной охлаждающей трубы, при этом упомянутая охлаждающая труба неподвижно соединена с упомянутым устройством удержания посредством пайки.
Предпочтительно заявленная система охлаждения картера газотурбинного двигателя содержит множество охлаждающих труб, множество устройств удержания, при этом каждое устройство удержания упомянутого множества обеспечивает удержание и одновременное регулирование положения двух смежных охлаждающих труб по отношению к картеру.
Объектом изобретения является также картер турбины низкого давления газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит заявленную систему охлаждения, расположенную радиально снаружи по отношению к картеру.
Изобретение и различные варианты его применения будут более понятны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые фигуры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фигуры представлены в качестве примера и не ограничивают изобретение.
Фиг. 1а - первый вид в перспективе известной системы охлаждения для картера газотурбинного двигателя.
Фиг. 1b - второй вид в перспективе системы охлаждения для картера газотурбинного двигателя, показанной на фиг. 1а.
Фиг. 2 - частичный вид в разрезе примера выполнения заявленной системы воздушного охлаждения, установленной вокруг картера турбины.
Один и тот же элемент, показанный на разных фигурах, имеет одинаковое обозначение, если только не указано иное.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1а и 1b уже были описаны выше в качестве известного технического решения.
На фиг. 2 представлен частичный вид в разрезе примера выполнения заявленной системы 100 воздушного охлаждения, установленной вокруг картера 10 турбины газотурбинного двигателя. В примере выполнения, представленном на фиг. 2, картер (кожух) 10 является картером турбины низкого давления.
Заявленная система 100 охлаждения содержит:
- множество охлаждающих труб 120 (на фиг. 2 показаны только две смежные трубы), установленных вокруг картера 10;
- устройство 101 удержания охлаждающих труб 120 для позиционирования и удержания охлаждающих труб 120 вокруг картера 10.
В представленном примере система 100 охлаждения представляет собой устройство охлаждения LPTАCC (Low Pressure Turbine Active Clearance Control на английском языке или активный контроль зазоров для турбины низкого давления). Вместе с двумя известными камерами питания, не показанными на фиг. 2, охлаждающие трубы 120 и устройство 101 удержания образуют систему 100 охлаждения картера 10 турбины низкого давления. Такую систему можно также применять для устройства охлаждения LPTCC, не выходя за рамки изобретения.
Как известно, обе охлаждающие трубы 120 имеют не показанные на фиг. 2 небольшие отверстия. Во время работы камеры питания питают воздухом, относительно холодным по сравнению с картером 10 (кожухом), охлаждающие трубы 120, которые направляют поступающий воздух через небольшие отверстия (не показанные на фигуре) к наружной стороне 11 картера 10. Как правило, обе камеры питания расположены диаметрально противоположно на картере 10. Таким образом, каждая зона охлаждающих труб 120 получает питание воздухом через камеру питания, расположенную по меньшей мере на четверти окружности картера 10, что позволяет получать достаточный воздушный поток через небольшие отверстия охлаждающих труб 120 в любой рассматриваемой зоне охлаждающих труб 120.
Устройство 101 охлаждения содержит также крепежный лист 104, имеющий главную часть 105, первый конец 106 и второй конец (не показан). Крепежный лист 104 закреплен на картере 10 при помощи промежуточных пластин 107, неподвижно соединенных с концами упомянутого крепежного листа 104. Крепежный лист 104 соединен с промежуточными пластинами 107, например, при помощи заклепок или болтов.
Картер (кожух) 10 имеет корпус 13 и боковые бортики 14 (на фиг. 2 показан только один бортик). Каждая промежуточная пластина 105 неподвижно соединена с картером на уровне боковых бортиков 14 картера 10, например, при помощи заклепок или болтов.
Главная часть 106 крепежного листа 104 имеет наружную сторону 118, внутреннюю сторону 119 и по меньшей мере одно сквозное отверстие 108. Главная часть 105 крепежного листа 104 может содержать один участок или несколько участков, например, с уступами, как указано в документе FR1258238. Каждый участок в основном является плоским и расположен на всей ширине главной части 104, следуя, таким образом, общей форме картера 10, благодаря различным участками и углам, которые они образуют между собой и/или с каждым из двух концов.
Устройство 101 удержания содержит средство регулирования, позволяющее регулировать относительное положение охлаждающих труб 120 по отношению к крепежному листу 104 и демпфировать относительные движения между охлаждающими трубами 120 и крепежным листом 104. Средство регулирования содержит элемент 150, проходящий через упомянутое по меньшей мере одно отверстие 108. Например, элемент 150 имеет цилиндрическую форму. Элемент 150 является подвижным и может поступательно перемещаться через упомянутое отверстие 108 и, в частности, в направлении, поперечном к плоскости, образованной отверстием 108 или участком, на котором выполнено отверстие 108. Относительное положение элемента 150 по отношению к крепежному листу 108 можно регулировать при помощи описанного ниже завинчивающегося элемента 183.
Элемент 150 цилиндрической формы имеет первый конец 151 и второй конец 152. Второй конец 152 неподвижно соединен с элементом 160 удержания, обеспечивающим крепление по меньшей мере одной охлаждающей трубы 120. Элемент 160 удержания представляет собой, например, профилированную пластину удержания.
В примере выполнения, представленном на фиг. 2, пластина 160 удержания выполнена, например, посредством деформации и имеет в основном плоскую центральную часть 161 и два конца 162, 163 в виде полуколец, предназначенных для охватывания и по меньшей мере частичного перекрывания кольцевой формы двух смежных охлаждающих труб 120. Охлаждающие трубы 120 соединены с пластиной 160 удержания, например, посредством пайки. Пластина 160 удержания предпочтительно позволяет соединять охлаждающие трубы на уровне радиально наружной части охлаждающих труб, то есть со стороны крепежного листа 104, что позволяет избежать присутствия дополнительной детали или элемента между охлаждающей трубой 120 и картером 10 и позволяет еще больше приблизить охлаждающие трубы 120 к картеру 10 для оптимизации его охлаждения.
Предпочтительно пластина 160 удержания по меньшей мере частично перекрывает контур охлаждающих труб и только радиально наружную часть охлаждающих труб 120, в частности, контур охлаждающих труб напротив крепежного листа 104.
Предпочтительно показанная пластина 160 удержания позволяет соединить две охлаждающие трубы 120 при помощи всего одной пластины 160 удержания. В этом варианте выполнения удержание и позиционирование двух смежных в окружном направлении охлаждающих труб осуществляют, выполняя только отверстие 108 в крепежном листе 108. Таким образом, для данного газотурбинного двигателя при данном числе охлаждающих труб крепежный лист 108 в соответствии с изобретением будет иметь меньше отверстий 108 и меньше зон крепления, чем крепежный лист в известных решениях. Вместе с тем, можно также выполнить элемент удержания, позволяющий индивидуально соединить охлаждающую трубу, чтобы повысить точность регулирования радиального положения охлаждающих труб 120 относительно картера 10.
Согласно примеру выполнения, представленному на фиг. 2, второй конец 152 цилиндрического элемента 150 содержит цилиндрическую чашку 153, ось вращения которой ориентирована по продольной оси цилиндрического элемента 150. Цилиндрическая чашка 153 соединена с цилиндрическим элементом 150, например, посредством пайки.
В частности, цилиндрическая чашка 153 образует опорный элемент и позволяет получить достаточную поверхность контакта для крепления пайкой элемента 160 удержания.
С другой стороны, цилиндрическая чашка 153 образует опорный элемент для возвратной пружины 170. В примере выполнения, представленном на фиг. 2, возвратная пружина 170 является пружиной сжатия, установленной под крепежным листом и, в частности, между цилиндрической чашкой 153 второго конца 152 цилиндрического элемента 150 и внутренней стороной 119 крепежного листа 104. Между возвратной пружиной 170 и внутренней стороной 119 крепежного листа 104 установлена первая шайба 181. Таким образом, возвратная пружина 170 опирается непосредственно на первую шайбу 181, а не на крепежный лист 104, что позволяет, в частности, избегать явлений износа.
Возвратная пружина 170 является упругим элементом, участвующим в регулировании положения цилиндрического элемента 150 и, следовательно, элемента 160 удержания охлаждающих труб 120 и позволяющим демпфировать относительные движения между охлаждающими трубами 120 и крепежным листом 104, при этом относительные движения появляются, в частности, в результате дифференциальных расширений между различными элементами системы охлаждения и картером 10. Возвратная пружина 170 позволяет также демпфировать вибрации газотурбинного двигателя, что позволяет избежать поломки системы охлаждения во время работы.
На уровне наружной стороны 118 крепежного листа 104 завинчивающийся элемент 183, такой как гайка, взаимодействует с резьбовым участком цилиндрического элемента 150, выполненным, например, на уровне первого конца 151 элемента 150. Завинчивающийся элемент 183 имеет средство стопорения, позволяющее избегать любого его вращения под действием вибраций. Например, завинчивающийся элемент 183 является самоконтрящейся гайкой.
Возвратная пружина 170 и гайка 183, взаимодействующая с резьбовым участком элемента 150, образуют средство регулирования устройства 101 удержания, позволяющее изменять положение элемента 160 удержания и охлаждающих труб по отношению к крепежному листу 104 и по отношению к картеру 10.
Предпочтительно между гайкой 183 и наружной стороной 118 крепежного листа 104 установлена вторая шайба 182, при этом основание гайки 183 входит в контакт с второй шайбой 182, а не напрямую с крепежным листом 104, что позволяет, в частности, избегать явлений износа.
Упомянутое по меньшей мере одно отверстие 108, выполненное в крепежном листе 104, предпочтительно является отверстием вытянутой формы, что обеспечивает перемещения цилиндрического элемента 150 и элемента 160 удержания в плоскости, ортогональной к оси отверстия 108, чтобы компенсировать дифференциальные расширения охлаждающих труб 120 относительно картера 10 во время работы.
Таким образом, благодаря заявленному устройству удержания, можно точно изменять относительное положение элемента 160 удержания и, следовательно, охлаждающих труб 120 по отношению к картеру 10 посредством простого вращения гайки 183. В случае, когда резьба, выполненная на первом конце 151 цилиндрического элемента, имеет виток с правым шагом, то завинчивание гайки 183 приводит к удалению охлаждающих труб 120 от картера 10 и к увеличению зазора J между охлаждающими трубами 120 и картером 10. Отвинчивание гайки 183, наоборот, приводит к сближению охлаждающих труб 120 и картера 10, при этом зазор J между охлаждающими трубами 120 и картером 10 уменьшается. Возвратная пружина 170 обеспечивает постоянное толкающее усилие, действующее на элемент 160 удержания, поэтому гайка 183 постоянно опирается на шайбу 182, обеспечивая, в частности, хорошее позиционирование охлаждающих труб 120.
Таким образом, заявленное устройство 101 удержания позволяет производить точное, простое и эффективное регулирование, контролируя зазор J между картером 10 и каждой охлаждающей трубой 120 или группой из нескольких охлаждающих труб 120 (например, из двух охлаждающих труб, как показано на фиг. 2), поэтому можно отказаться от крепежного хомута, полностью окружающего охлаждающую трубу. Таким образом, заявленное устройство удержания позволяет гарантировать контролируемое позиционирование охлаждающих труб 120 относительно картера 10 индивидуально (то есть для каждой трубы) или в группе (для группы из нескольких охлаждающих труб). Благодаря изобретению, позиционирование охлаждающих труб 120 является контролируемым, что позволяет улучшить охлаждение картера и минимизировать риски контакта между охлаждающими трубами 120 и картером 10 и, следовательно, износ картера 10.