МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
MULTI-STAGE COMPRESSOR FOR TURBOMACHINE

Изобретение относится к многоступенчатому компрессору для турбомашины, в частности к компрессору высокого давления, и изобретение также относится к авиационному турбореактивному или турбовинтовому двигателю, оснащенному таким компрессором.
Компрессор высокого давления авиационного турбореактивного или турбовинтового двигателя содержит множество ступеней сжатия, каждая из которых содержит кольцевой ряд подвижных лопаток ротора, которые вращаются внутри неподвижного корпуса, причем лопатки установлены на валу турбомашины вместе с кольцевым рядом лопаток статора для спрямления воздушного потока, причем эти лопатки установлены в корпусе их наружными по радиусу концами.
Очень важно, чтобы радиальные зазоры между подвижными лопатками и корпусом были оптимальными для повышения эффективности компрессора и турбомашины и для исключения трения между концами подвижных лопаток и корпусом, которое приводит к износу упомянутых концов и постоянному снижению эффективности турбомашины на всех рабочих скоростях.
Оптимизация радиальных зазоров является очень сложной проблемой, так как эти зазоры зависят от различных параметров, например от рабочей температуры, которая меняется от одной ступени сжатия к другой, от скорости вращения компрессора и от скоростей вибрации в радиальном направлении статора и ротора, причем эти скорости различны, и также изменяются от одной ступени сжатия к другой из-за различных масс и размеров, в радиальном направлении подвижных лопаток в различных ступенях.
Для достижения частичного решения этой проблемы уже предлагалось использовать корпус с двойной стенкой, содержащий неподвижную наружную стенку и внутреннюю стенку, которую можно перемещать в радиальном направлении и которая соединена с наружной стенкой средствами для крепления подвешивания, являющимися гибкими или деформируемыми и называемыми "шпильками".
Расчетным путем можно определить скорости радиальной вибрации корпуса и ротора при различных скоростях работы, а затем определить формы, массы и жесткости «шпилек», чтобы вибрация внутренней стенки корпуса была как можно лучше приспособлена к вибрации ротора. Путем инжектирования воздуха в корпус можно также обдувать шпильки, чтобы модифицировать их тепловое расширение и, таким образом, регулировать радиальные зазоры между внутренней стенкой корпуса и концами подвижных лопаток различных ступеней сжатия.
Тем не менее, в известных решениях ступени сжатия прикреплены одна к другой, по меньшей мере, в виде групп из двух ступеней, посредством внутренней стенки корпуса, что ограничивает возможности регулирования радиальных зазоров, так как эти зазоры регулируют в такой же степени и в ступенях сжатия, соединенных между собой, даже если колебания величин этих зазоров отличаются в одной ступени от другой ступени.
В частности, целью настоящего изобретения является решение этой проблемы простым, эффективным и недорогим путем.
Согласно изобретению создан многоступенчатый компрессор для турбомашины, в частности компрессор высокого давления, в котором можно регулировать радиальные зазоры в различных ступенях или, по меньшей мере, в некоторых из различных ступеней, независимо от других ступеней.
С этой целью согласно изобретению создан многоступенчатый компрессор для турбомашины, содержащий кольцевые ряды подвижных лопаток, вращающихся внутри корпуса с двойной стенкой, и кольцевые ряды спрямляющих лопаток статора, установленных на внутренней стенке корпуса с двойной стенкой, в котором внутренняя стенка корпуса содержит множество бандажей, выставленных по существу торец к торцу и прикрепленных независимо один от другого на наружной стенке корпуса, причем каждый из одних бандажей окружает кольцевой ряд подвижных лопаток, а каждый из других бандажей несет кольцевой ряд спрямляющих лопаток статора.
В компрессоре согласно изобретению все или, по меньшей мере, некоторые из различных ступеней сжатия таким образом отделены одна от другой, чтобы можно было регулировать радиальные зазоры этих ступеней независимо в каждой ступени, принимая во внимание различия между ступенями по их массам, радиальным размерам и рабочим температурам. Это приводит к повышению эффективности компрессора и удобства использования турбомашины.
Благодаря этому в компрессоре согласно изобретению можно каждый кольцевой ряд подвижных лопаток, который окружен бандажом, прикрепленным к наружной стенке корпуса, выполнить таким образом, чтобы он был независим от других бандажей, окружающих другие кольцевые ряды подвижных лопаток.
Можно также взаимно соединить два бандажа внутренней стенки корпуса, которыми окружены два последовательных кольцевых ряда подвижных лопаток, обеспечивая возможность того, чтобы подвижные лопатки имели одинаковые размеры в обоих кольцевых рядах.
При таких условиях вибрация лопаток в обеих ступенях сжатия не изменяется из-за различий по массе и радиальным размерам подвижных лопаток, и поэтому приемлема для двух одинаковых ступеней сжатия, которые надлежит прикрепить друг к другу.
Согласно отличительной особенности изобретения бандажи прикрепляют к наружной стенке корпуса с помощью средств, которые являются гибкими или деформируемыми.
Согласно другой отличительной особенности изобретения первый бандаж, окружающий кольцевой ряд подвижных лопаток, примыкает ко второму бандажу, несущему кольцевой ряд спрямляющих лопаток статора, причем торец в осевом направлении упомянутого второго бандажа соединяют с первым бандажом с помощью средств, которыми обеспечивают уплотнение, препятствующее утечке потока газа, проходящего через компрессор.
Этим обеспечивают непрерывность потока газа, проходящего через компрессор.
Согласно другой отличительной особенности изобретения второй торец в осевом направлении второго бандажа соединяют с третьим бандажом, окружающим другой ряд подвижных лопаток с помощью средств, которыми обеспечивают уплотнение, препятствующее утечке потока газа, проходящего через компрессор.
Этим обеспечивают непрерывность потока газа, проходящего через компрессор, посредством предотвращения утечки газа в пространство между двумя стенками корпуса, при этом, тем не менее, обеспечивая возможность независимого прикрепления первого и третьего бандажей таким образом, чтобы можно было производить независимо регулировку радиальных зазоров в этих двух ступенях сжатия.
Второй торец в осевом направлении второго бандажа можно затем соединить с наружной стенкой корпуса с помощью средств для крепления третьего бандажа.
В возможном варианте осуществления второй торец в осевом направлении второго бандажа отстоит по оси от третьего бандажа, окружающего другой кольцевой ряд подвижных лопаток, и присоединен с помощью его собственных средств для крепления к наружной стенке корпуса.
При таких условиях кольцевой зазор, которым отделен в осевом направлении второй бандаж от третьего бандажа, представляет собой проход, через который обеспечивается проникновение воздуха в полость, выполненную в корпусе между средствами для крепления второго бандажа и средствами для крепления третьего бандажа, в которой имеются открывающиеся наружу средства для отвода воздуха, установленные на наружной стенке корпуса, причем эти средства для отвода воздуха соединены с другим оборудованием турбомашины.
Этим обеспечивают условия, при которых воздух, выходящий из компрессора через упомянутый кольцевой зазор в осевом направлении, не накапливается между двумя стенками корпуса, где он создавал бы мертвую зону с неконтролируемой температурой и оказывал бы вредное воздействие на точность регулирования радиальных зазоров в смежных ступенях сжатия.
В общем, изобретение позволяет выполнять регулирование форм вибрации в радиальных направлениях бандажей, окружающих кольцевые ряды подвижных лопаток, в компрессоре независимо друг от друга, т.е. независимо одной ступени от другой, таким образом, чтобы можно было оптимизировать радиальные зазоры между упомянутыми бандажами и кольцевыми рядами подвижных лопаток, вращающихся внутри бандажей.
На практике предпринимаются усилия по обеспечению того, чтобы эти радиальные зазоры были по возможности меньшего размера при нормальных рабочих скоростях, например, соответствующих крейсерской скорости, тогда как другие рабочие скорости характеризуются радиальными зазорами большей величины, которые тем не менее остаются приемлемыми.
Согласно изобретению также создан турбореактивный самолет или турбовинтовой двигатель, содержащий указанный выше компрессор высокого давления.
Изобретение можно более полно понять и представить другие его отличительные особенности, детали и преимущества при ознакомлении с последующим описанием, выполненным со ссылками на примеры и на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - очень схематичное осевое сечение части компрессора высокого давления турбомашины согласно предшествующему уровню техники;
фиг.2 - очень схематичное осевое сечение части компрессора высокого давления согласно изобретению;
фиг.3 - другое схематичное осевое сечение части компрессора согласно изобретению.
Компрессор 10 на Фиг.1, представляющий собой аналог настоящего изобретения, содержит некоторое количество ступеней сжатия, из которых показано только три, причем каждая ступень содержит кольцевой ряд подвижных лопаток 12, внутренние по радиусу концы которых прикреплены к диску, установленному на валу турбомашины, и кольцевой ряд спрямляющих лопаток 14 статора, расположенных ниже по потоку от кольцевого ряда подвижных лопаток 12, наружные по радиусу концы которых прикреплены к внутренней по радиусу стенке 16 цилиндрического корпуса 18 с двойной стенкой.
Внутренняя цилиндрическая стенка 16 корпуса 18 прикреплена или подвешена к наружной цилиндрической стенке 20 упомянутого корпуса с помощью гибких или деформируемых средств 22, иногда называемых, в данной области техники, "шпильками", причем известно, как изменять их формы, массы и жесткости, чтобы внутренняя стенка 16 корпуса испытывала радиальную вибрацию, как можно более близкую к радиальной вибрации ротора, несущего кольцевые ряды подвижных лопаток 12.
В этом аналоге внутренняя цилиндрическая стенка 16 корпуса выполнена из бандажей 24 на общей оси, причем бандажи выставлены торец к торцу и надежно соединены друг с другом посредством кольцевых фланцев 26, выступающих наружу по радиусу, и прикреплены друг к другу соответствующими средствами, например болтами.
Подобно внутренней стенке 16 наружная стенка 20 корпуса 18 может быть выполнена из бандажей, установленных торец к торцу и надежно прикрепленных друг к другу посредством кольцевых фланцев 28, выступающих наружу, болтами или подобными средствами.
С помощью шпилек 22 для подвески, которыми соединена наружная стенка 20 корпуса с кольцевыми фланцами 26 бандажей 24 внутренней стенки 16, обеспечивают регулирование радиального зазора J между бандажами 24 и наружными по радиусу концами подвижных лопаток 12, причем эта регулировка одинакова для всех трех ступеней сжатия, показанных на чертеже, даже если эти радиальные зазоры колеблются различным образом в различных ступенях при различных рабочих скоростях турбомашины.
В компрессоре согласно изобретению и в варианте осуществления, представленном на Фиг.2, эти радиальные зазоры можно регулировать независимо в одной ступени сжатия от другой, так как бандажи, представляющие собой внутреннюю стенку корпуса и окружающие кольцевые ряды подвижных лопаток, прикреплены независимо один от другого к наружной стенке корпуса, причем это условие относится либо ко всем ступеням сжатия компрессора, либо, по меньшей мере, к большинству из них.
На Фиг.2, на которой схематически показаны две ступени сжатия компрессора согласно изобретению, внутренняя стенка корпуса 18 выполнена в виде последовательности соответствующих пар бандажей 30, 32, причем каждый бандаж подвешен к наружной стенке 20 корпуса независимо от других посредством соответствующих шпилек 34, 36, и каждым бандажом 30 окружен кольцевой ряд подвижных лопаток 12, а каждый бандаж 32 несет кольцевой ряд спрямляющих лопаток 14 статора.
В каждой ступени сжатия бандаж 30 соединен с бандажом 32, расположенным ниже по потоку от него, средствами 38, с помощью которых обеспечивают уплотнение по кольцу между этими двумя бандажами по отношению к потоку газа, проходящему через компрессор, таким образом обеспечивая непрерывность упомянутого потока газа, проходящего через компрессор, и исключая проникновение воздуха в пространство между внутренней и наружной стенками корпуса 18.
Применение независимого крепления различных бандажей 30, 32 внутренней стенки корпуса позволяет производить регулировку независимо один от другого радиальных зазоров J1 и J2 между наружными по радиусу концами подвижных лопаток 12 и бандажами 30 в каждой ступени сжатия. Обычно порядок величин этих радиальных зазоров составляет одну десятую миллиметра, тогда как количество ступеней сжатия в компрессоре высокого давления может составлять от приблизительно 5 до приблизительно 10, в зависимости от двигателя.
На Фиг.3, на которой конструкция показана более подробно, чем на Фиг.2, показан бандаж 32 внутренней стенки корпуса 18, несущий кольцевой ряд спрямляющих лопаток 14 статора ступени сжатия El, соединенный с наружной стенкой корпуса средствами 36 для крепления, тогда как взаимодействующий с ним, расположенный около его торца, находящегося ниже по потоку, бандаж 30 следующей ступени сжатия E2 с торцом, расположенным выше по потоку, соединены посредством уплотнения 40 кольцевой формы, которое проложено, например, в канавке, расположенной в торце выше по потоку бандажа 30 ступени Е2, и которое прижато к торцу, расположенному ниже по потоку, бандажа 32 ступени El, или к радиальной кольцевой поверхности средства 36 для крепления упомянутого бандажа 32.
Бандаж 30 ступени сжатия E2, которым окружен кольцевой ряд подвижных лопаток 12 упомянутой ступени, соединен около его торца ниже по потоку с бандажом 32, несущим кольцевой ряд спрямляющих лопаток 14 статора упомянутой ступени, торец которого ниже по потоку соединен с помощью средства 36 для подвески с наружной стенкой корпуса 18.
Бандаж 32 ступени сжатия E2 отделен от бандажа 30 следующей ступени сжатия E3 кольцевым зазором 42 в осевом направлении, образующим проход для газа между внутренним пространством компрессора и полостью 44, выполненной в корпусе 18 между его внутренней и наружной стенками, а также между средством 36 для крепления бандажа 32 предыдущей ступени E2 и средством 34 для крепления бандажа 30 ступени E3.
В наружной стенке корпуса 18 имеется один или более отводов 46 воздуха, открытых в направлении упомянутой полости 44, для подачи воздуха к оборудованию турбомашины.
Торец ниже по потоку бандажа 30 ступени сжатия E3 компрессора соединен с обеспечением уплотнения с торцом выше по потоку бандажа 32, несущего спрямляющие лопатки 14 статора упомянутой ступени сжатия. Торец ниже по потоку этого бандажа 32 соединен с обеспечением уплотнения, например, посредством взаимного сопряжения с торцом выше по потоку бандажа 30 следующей ступени сжатия E4, который соединен его средством 34 для крепления с наружной стенкой корпуса 18. Бандаж 32 ступени сжатия E3, таким образом, удерживают с помощью бандажа 30 упомянутой ступени сжатия и бандажа 30 следующей ступени сжатия E4.
Другой отвод 46 для воздуха может быть выполнен в наружной стенке корпуса 18 таким образом, чтобы он был открыт относительно полости 48, выполненной между внутренней и наружной стенками корпуса ниже по потоку от средства 34 для подвески бандажа 30 ступени E4.
Видно, что радиальные зазоры ступени сжатия E2 можно регулировать независимо от радиальных зазоров ступени сжатия El и следующих ступеней сжатия E3 и E4, тогда как радиальные зазоры ступеней сжатия E3 и E4 можно регулировать способом, который не является независимым, причем подвижные лопатки 12 этих двух ступеней имеют одинаковые радиальные размеры, а бандажи 30 ступеней E3 и E4 скреплены друг с другом с помощью бандажей 32 ступени E3.