УЗЕЛ ИЗ ДИСКА ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ОПОРНОЙ ЦАПФЫ ОПОРНОГО ПОДШИПНИКА, КОНТУР ОХЛАЖДЕНИЯ ДИСКА ТУРБИНЫ ТАКОГО УЗЛА
ASSEMBLY OF GAS TURBINE ENGINE DISC AND SUPPORTING JOURNAL OF SUPPORTING BEARING; COOLING CIRCUIT OF TURBINE DISC OF SUCH ASSEMBLY

Настоящее изобретение относится к области двухвальных газотурбинных двигателей и, в частности, касается охлаждения диска турбины высокого давления двухвального газотурбинного двигателя.
Двухвальный турбореактивный двигатель с входным вентилятором содержит, например, вал низкого давления, называемый валом НД, и вал высокого давления, называемый валом ВД.
Условно в настоящей заявке термины «входной по потоку» и «выходной по потоку» следует рассматривать относительно направления прохождения воздуха в турбореактивном двигателе. Таким образом, двухвальный турбореактивный двигатель с входным вентилятором классически содержит, от входа к выходу, вентилятор, ступень компрессора НД, ступень компрессора ВД, камеру сгорания, ступень турбины ВД и ступень турбины НД.
Вал НД направляется во вращении в опорных подшипниках, установленных на неподвижной конструкции двигателя, тогда как вал ВД направляется опорными подшипниками, установленными на валу НД, при этом оба вала являются концентричными.
Во время работы турбореактивного двигателя смесь воздуха и топлива сгорает в камере сгорания двигателя, создавая тягу, необходимую для перемещения летательного аппарата, на котором установлен турбореактивный двигатель. После сгорания газовый поток с очень высокой температурой циркулирует в турбине ВД турбореактивного двигателя.
Элементы турбины, в частности диск турбины вала ВД, в дальнейшем называемый диском турбины ВД, подвергаются действию сверхвысоких температур. Чтобы защитить диск турбины ВД, в двигателе выполнены контуры охлаждения, в которых воздух, отбираемый на входе турбины ВД, циркулирует от входа к выходу турбореактивного двигателя внутри относительно диска турбины ВД и снаружи относительно вала НД. Контур охлаждения диска турбины ВД называют контуром охлаждения отверстия диска турбины, более известным под своим английским названием “Circuit Bore Cooling”.
После охлаждения диска турбины ВД охлаждающий воздух проходит через множество вентиляционных отверстий, выполненных в цапфе, неподвижно соединенной с диском ВД и установленной на выходе этого диска, в дальнейшем называемой цапфой ВД.
Пример сборки диска ВД на цапфе приведен в заявке на патент EP 1584784, принадлежащей заявителю. Кроме всего прочего, цапфа ВД содержит втулку для установки опорного подшипника 17, обеспечивающего направление вала ВД на валу НД, как показано на фиг.1.
Как показано на фиг.1, цапфа ВД 10 закреплена своим входным концом на диске 20 турбины ВД, при этом диск 20 турбины ВД содержит радиальный кольцевой крепежный фланец 25, входящий в контакт с радиальной кольцевой частью 15 цапфы ВД 10. Крепежный фланец 25 диска 20 турбины ВД крепят на цапфе ВД 10 при помощи продольных болтов 2.
Сквозные вентиляционные отверстия 11 цапфы ВД 10, обеспечивающие удаление потока охлаждающего воздуха, выполнены на выходе части цапфы ВД 10, закрепленной болтами на диске 20 турбины ВД. Классически сквозные вентиляционные отверстия 11 выполняют в усеченной конусной части 12 цапфы ВД 10, расходящейся в сторону входа, которая во время работы подвергается значительным механическим напряжениям. Другой вариант циркуляции воздуха приведен в заявке на патент EP 1091089.
Сквозные вентиляционные отверстия 11 выполняют механической обработкой под углом в усеченной конусной части 12 цапфы ВД 10. Иначе говоря, вентиляционные отверстия 11 не являются перпендикулярными к поверхности усеченной конусной части 12 цапфы ВД 10. Эти наклонные отверстия 11 очень трудно обрабатывать механически по причине затрудненного доступа к усеченной конусной части 12 цапфы ВД 10 для инструментов механической обработки. Кроме того, после механической обработки сквозные вентиляционные отверстия 11 содержат острые кромки с концентрацией усталостных напряжений, которые могут ослабить цапфу ВД 10 во время ее работы.
Чтобы устранить эти недостатки, заявитель предлагает узел из диска турбины газотурбинного двигателя и опорной цапфы опорного подшипника, при этом диск турбины содержит радиальный кольцевой крепежный фланец, неподвижно соединенный с радиальной кольцевой частью цапфы при помощи болтов, при этом болты проходят через крепежные отверстия выполненные в радиальном кольцевом крепежном фланце диска турбины и в радиальной кольцевой части цапфы, отличающийся тем, что радиальная кольцевая часть цапфы содержит отверстия для циркуляции воздуха, при этом отверстия выполнены между крепежными отверстиями цапфы.
Отверстия циркуляции потока охлаждающего воздуха выполнены на радиальной кольцевой части между крепежными отверстиями цапфы. Это позволяет распределить механические усилия на упомянутой радиальной кольцевой части цапфы между крепежными отверстиями и отверстиями охлаждения, при этом уровень механического напряжения между крепежными отверстиями и охлаждающими отверстиями остается низким.
Крепежный фланец является легко доступным, что облегчает механическую обработку отверстий удаления, которые можно выполнять одновременно с крепежными отверстиями.
Кроме того, усеченная конусная часть цапфы больше не выполняет функции удаления охлаждающего воздуха, что позволяет добавить на этой части материал для увеличения массы вблизи оси вращения цапфы (которая является также осью двигателя) и за счет этого снизить усталостные напряжения, появляющиеся в результате вращения цапфы.
Предпочтительно, чтобы радиальный кольцевой крепежный фланец диска турбины был выполнен в виде зубчатой радиальной кольцевой полосы, содержащей зубья, разделенные впадинами, при этом крепежные отверстия турбины выполняют в зубьях упомянутой зубчатой полосы.
Предпочтительно также, чтобы радиальный кольцевой крепежный фланец был выполнен зубчатым для уменьшения массы турбины с одновременным обеспечением крепления турбины на цапфе.
Предпочтительно также, чтобы впадины радиального кольцевого крепежного фланца были выполнены таким образом, чтобы во время крепления турбины на цапфе они совмещались с отверстиями циркуляции воздуха, выполненными на радиальной кольцевой части цапфы.
Таким образом, воздушный поток последовательно циркулирует между зубьями крепежного фланца турбины и в отверстиях циркуляции воздуха цапфы.
Предпочтительно, чтобы циркуляционные отверстия и крепежные отверстия были расположены в окружном направлении на радиальной кольцевой части цапфы. Механические напряжения оказываются равномерно распределенными по контуру цапфы без образования ослабленных зон.
Предпочтительно также, чтобы цапфа содержала усеченную конусную часть на выходе своей радиальной кольцевой части, содержащую утолщенный внутренний радиальный участок вблизи оси вращения, обеспечивающий механическую прочность диска, за счет чего достигают оптимизации масс. Усеченная конусная часть цапфы выполняет роль механического усиления и позволяет ограничить влияние центробежных усилий на цапфу.
Предпочтительно также, чтобы с цапфой и диском турбины при помощи болтов соединялся уплотнительный диск, установленный на выходе цапфы, при этом уплотнительный диск должен содержать циркуляционные отверстия, совмещенные с циркуляционными отверстиями цапфы.
Предпочтительно также, чтобы уплотнительный диск обеспечивал герметичность и одновременно прохождение воздуха для охлаждения диска турбины.
Предпочтительно также, чтобы проходное сечение циркуляционных отверстий уплотнительного диска определялось таким образом, чтобы калибровать напор циркуляции воздушного потока.
Уплотнительный диск является механической деталью, легко поддающейся механической обработке.
За счет адаптации проходного сечения циркуляционных отверстия уплотнительного диска можно легко калибровать напор циркуляции воздушного потока.
Объектом изобретения является также контур охлаждения диска турбины в газотурбинном двигателе, содержащий канал удаления на выходе диска турбины, проходящий через упомянутые отверстия описанного выше узла.
Предпочтительно, чтобы контур охлаждения содержал входной канал, проходящий через центральное отверстие диска турбины на входе отверстий упомянутого узла.
Предпочтительно также, чтобы контур охлаждения в двухвальном двигателе содержал турбину высокого давления и турбину низкого давления, при этом турбина упомянутого узла является турбиной высокого давления. Контур содержит выходной канал, выполненный на выходе отверстия упомянутого узла и предназначенный для частичного охлаждения турбины низкого давления.
Настоящее изобретение будет более очевидно из прилагаемых чертежей, на которых:
Фиг.1 изображает вид в осевом разрезе турбореактивного двигателя, содержащего контур охлаждения диска турбины турбореактивного двигателя из предшествующего уровня техники.
Фиг.2 - вид в осевом разрезе турбореактивного двигателя, содержащего контур охлаждения диска турбины турбореактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - вид в изометрии диска турбины и цапфы турбореактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, при этом диск и цапфа показаны частично.
Фиг.4 - вид диска турбины и части цапфы, показанных на фиг.3.
Фиг.5 - схематичный вид в поперечном разрезе крепления диска турбины на цапфе, показанной на фиг.4, если смотреть от входа к выходу.
Фиг.6 - частичный вид в изометрии диска турбины, цапфы и лабиринтной прокладки согласно второму варианту выполнения изобретения.
Двухвальный турбореактивный двигатель с входным вентилятором содержит, например, вал низкого давления, называемый валом НД, и вал высокого давления, называемый валом ВД.
Условно в настоящем изобретении термины «внутренний» и «наружный» определены в радиальном направлении относительно оси двигателя. Так, цилиндр, расположенный вдоль оси двигателя, содержит внутреннюю поверхность, обращенную к оси двигателя, и наружную поверхность, противоположную его внутренней
поверхности.
Показанная на фиг.2 и 3 ступень турбины ВД содержит диск 200 турбины ВД, неподвижно соединенный с цапфой ВД 100 и установленный на входе этой цапфы.
Диск 200 турбины ВД
Диск 200 турбины ВД представляет собой лопаточное колесо, лопатки которого выполнены радиально и снаружи относительно оси двигателя. Диск 200 турбины ВД содержит центральное отверстие 201, через которое проходит вал НД. Толщина диска 200 турбины ВД не является однородной, поскольку диск 200 содержит окружное утолщение вблизи своего центрального отверстия 201. Иначе говоря, диск 200 турбины ВД содержит в центре осевое утолщение для механического усиления, чтобы увеличить массу диска 200 вблизи оси двигателя и уменьшить, таким образом, механические напряжения во время работы.
Показанный на фиг.3 диск 200 турбины ВД содержит входной радиальный кольцевой крепежный фланец 240, закрепленный болтами на барабане, соединенном с фланцем 241 с установленными на нем уплотнительными пластинками и обеспечивающем направление воздуха для охлаждения лопаток турбины, при этом барабан закреплен болтами на компрессоре ВД двигателя. Барабан позволяет передавать на компрессор ВД энергию от сгорания в двигателе, воспринимаемую диском 200 турбины.
Диск 200 турбины ВД содержит выходной радиальный кольцевой крепежный фланец 250, предназначенный для удержания цапфы ВД 100, установленной на выходе. Выходной фланец 250 выполнен в виде зубчатой радиальной кольцевой полосы 250, содержащей зубья 251, разделенные впадинами 252, как показано на фиг.4 и 5. В дальнейшем впадина определена как пространство между двумя последовательными зубьями 251 зубчатой полосы 250.
Как показано на фиг.5, зубья 251 выходной крепежной полосы 250 (показана в заштрихованном виде) выполнены радиально в направлении оси двигателя и к центральному отверстию 201 диска 200 турбины. В каждом из зубьев 251 выходного крепежного фланца 250 путем механической обработки выполнено крепежное отверстие 220 для крепления выходного фланца 250 диска 200 турбины ВД на цапфе ВД 100. Крепление цапфы ВД 100 на диске 200 турбины ВД будет подробнее описано ниже.
Цапфа ВД 100
Показанная на фиг.2 и 3 цапфа ВД 100 выполнена в виде круглой детали, по существу расширяющейся в сторону входа и расположенной вдоль оси двигателя. Цапфа ВД 100 содержит, от входа к выходу, радиальную кольцевую крепежную часть 150, выполненную с возможностью крепления на фланце 250 диска 200 турбины ВД, усеченную конусную часть 102 и продольную цилиндрическую часть 103.
Продольная цилиндрическая часть 103 цапфы ВД 100, расположенная ближе всего к выходу цапфы 100, содержит на своем выходном конце наружную резьбу, предназначенную для установки на ней наружной втулки, на которой между валами устанавливают опорный подшипник, и этот опорный подшипник (не показан) обеспечивает установку вала ВД турбореактивного двигателя на валу НД.
Как показано на фиг.3, усеченная конусная часть 102 цапфы ВД 100 содержит окружной радиальный выступающий участок 105 механического усиления, направленный к оси двигателя и предназначенный для усиления массы цапфы ВД 100. Выступающий участок 105 выполнен вблизи оси двигателя, чтобы уменьшить механические напряжения во время работы, в частности, напряжения, возникающие в результате действия центробежных сил. Усеченная конусная часть 102 цапфы ВД 100 содержит радиальные уплотнительные пластинки 104, образующие лабиринтную прокладку, направленные радиально наружу двигателя и предназначенные для обеспечения герметичности между цапфой ВД 100 и механической деталью, установленной снаружи на цапфе ВД 100.
Кроме того, усеченная конусная часть 102 цапфы ВД 100 содержит внутренний усеченный конусный фланец 107, неподвижно соединенный с уплотнительным кожухом 4 00 вала НД двигателя. Уплотнительный кожух 400 выполнен в виде цилиндра, проходящего в осевом направлении снаружи относительно вала НД двигателя и внутри относительно диска 200 турбины. Уплотнительный кожух 400 предохраняет вал НД от воздействия чрезмерных температур. Внутри относительно диска 200 турбины ВД и снаружи относительно уплотнительного кожуха 400 выполнен кольцевой канал циркуляции воздуха для охлаждения диска турбины. Циркуляция охлаждающего воздуха в канале показана стрелками на фиг.2 и 3.
Радиальная кольцевая крепежная часть 150 цапфы 100 содержит крепежные отверстия 120, чередующиеся с отверстиями 110 циркуляции воздушного потока охлаждения диска турбины, называемыми в дальнейшем вентиляционными отверстиями 110, при этом отверстия 120 и отверстия 110 расположены в окружном направлении на радиальной кольцевой крепежной части 150, В этом примере отверстия 120 и отверстия 110 равномерно распределены по окружности. Крепежные отверстия 120 и вентиляционные отверстия 110 цапфы 100 выполнены таким образом, чтобы совмещаться соответственно с крепежными отверстиями 220 и впадинами 252 диска 200 турбины ВД.
Предпочтительно, чтобы отверстия 120 и отверстия 110 цапфы 100 позволяли уменьшить тангенциальные напряжения в этой зоне цапфы ВД 100 за счет шагового эффекта.
В данном случае крепежные отверстия 120 и вентиляционные отверстия 110 являются круглыми и имеют в данном примере одинаковое проходное сечение. Очевидно, что отверстия 120 и отверстия 110 могут иметь разные формы (вытянутые, прямоугольные и т.д.) и разные сечения.
Кроме того, радиальная кольцевая крепежная часть 150 содержит радиальные уплотнительные пластинки, выполненные на ее наружном радиальном конце, аналогичные пластинкам, выполненным на усеченной конусной части 102 цапфы 100.
Для крепления цапфы ВД 100 на диске 200 турбины ВД устанавливают поверхностный контакт между обращенной к выходу стороной выходного крепежного фланца 250 диска 200 турбины ВД и обращенной к входу стороной радиальной кольцевой части 150 цапфы ВД 100. После этого крепежные отверстия 120 цапфы 100 совмещают с крепежными отверстиями 220 диска 200 турбины ВД. За счет совмещения крепежных отверстий 120, 220 вентиляционные отверстия 110 цапфы ВД 100 совпадают с впадинами 252 крепежного фланца 250 диска 200 турбины ВД. Иначе говоря, вентиляционные отверстия 110 цапфы ВД 100 совмещают с проемами, образованными между зубьями 251 крепежного фланца 250 диска 200 турбины ВД.
Чтобы удерживать диск 200 турбины ВД неподвижно соединенным с цапфой ВД 100, винт 21 болта 200 последовательно вводят в крепежное отверстие 120 цапфы 100, затем в совмещенное с ним крепежное отверстие 220 диска 200 турбины. После этого на конце упомянутого винта 21 завинчивают гайку 22 болта 20 для надежности крепления. Этот этап крепления болтами повторяют для каждого крепежного отверстия 120 цапфы 100, после чего диск 200 турбины оказывается неподвижно закрепленным на цапфе ВД 100.
После крепления охлаждающий воздух может циркулировать между болтами 20 крепления цапфы ВД 100. Радиальная кольцевая часть 150 цапфы 100 обеспечивает крепление диска 200 турбины, а также удаление воздушного потока охлаждения диска 200 турбины.
После описания конструкции средств в соответствии с настоящим изобретением следует описание их работы и применения.
Как показано на фиг.2 и 3, во время работы турбореактивного двигателя смесь воздуха и топлива сгорает в камере сгорания двигателя, создавая тягу, необходимую для перемещения летательного аппарата, на котором установлен турбореактивный двигатель. После сгорания газовый поток очень высокой температуры циркулирует в турбине ВД турбореактивного двигателя. Диск 200 турбины ВД подвергается воздействию очень высоких температур.
Чтобы предохранить диск 200 турбины ВД, на входе диска 200 турбины на уровне компрессора ВД отбирают воздушный поток, который циркулирует от входа к выходу в турбореактивном двигателе внутри относительно диска 200 турбины ВД и снаружи относительно уплотнительного кожуха 400. Во время циркуляции охлаждающего воздуха в центральном отверстии 201 диска 200 турбины ВД кольцевой охлаждающий воздушный поток отбирает калории на диске 200 турбины, охлаждая его и образуя оболочку охлаждающего воздуха вокруг уплотнительного кожуха 400, защищая, таким образом, механические детали, установленные внутри этого кожуха.
После охлаждения диска 200 турбины ВД охлаждающий воздух удаляют через каналы циркуляции воздуха, которые находятся между болтами 20, соединяющими цапфу ВД 100 с диском 200 турбины ВД, как показано на фиг.2 и 3. На выходе отверстий циркуляции воздуха охлаждающий воздух охлаждает турбину НД двухвального двигателя. Иначе говоря, охлаждающий воздух последовательно циркулирует между зубьями 251 выходного крепежного фланца 250 диска 200 турбины ВД и через вентиляционные отверстия 110, выполненные в цапфе ВД 100.
Лабиринтный уплотнительный диск 300
Согласно другому отличительному признаку изобретения, лабиринтный уплотнительный диск 300 устанавливают вместе с диском 200 турбины ВД и цапфой ВД 100, при этом уплотнительный диск 300 устанавливают на выходе цапфы ВД 100.
Как показано на фиг.6, лабиринтный уплотнительный диск 300 представляет собой радиальный кольцевой венец, содержащий на своем наружном радиальном конце, то есть на конце, наиболее удаленном от оси двигателя, радиальные уплотнительные пластинки 304 образующие лабиринтную уплотнительную прокладку, и содержащий на своем внутреннем конце, то есть наиболее близком к оси двигателя, радиальную кольцевую крепежную полосу 350.
Радиальная кольцевая крепежная полоса 350 уплотнительного диска 300 содержит крепежные отверстия 320, чередующиеся с вентиляционными отверстиями 310, при этом отверстия 320 и отверстия 310 расположены в окружном направлении на радиальной кольцевой крепежной полосе 350. Крепежные отверстия 320 и вентиляционные отверстия 310 уплотнительного диска 300 выполнены таким образом, что соответствуют их аналогам, выполненным на цапфе ВД 100.
Для крепления уплотнительного диска 300 устанавливают поверхностный контакт между обращенной к выходу стороной выходного крепежного фланца 250 диска 200 турбины ВД и обращенной к входу стороной радиальной кольцевой части 150 цапфы ВД 100. Затем устанавливают поверхностный контакт между обращенной к входу стороной крепежной полосы 350 уплотнительного диска 300 и обращенной к выходу стороной радиальной кольцевой части 150 цапфы ВД 100.
После этого совмещают крепежные отверстия 120, 220, 320 диска 200 турбины ВД, цапфы ВД 100 и уплотнительного диска 300. За счет совмещения крепежных отверстий 120, 220, 320, вентиляционные отверстия 110, 310 цапфы ВД 100 и уплотнительного диска 300 совмещаются с впадинами 252 крепежного фланца 250 диска 200 турбины ВД.
Затем при помощи болтов соединяют диск 200 турбины, цапфу 100 и уплотнительный диск 300 через совмещенные крепежные отверстия. После крепления между крепежными болтами 20 остаются каналы циркуляции воздуха.
Проходное сечение вентиляционных отверстий 310 уплотнительного диска 300 предусматривают таким, чтобы можно было калибровать напор циркуляции охлаждающего воздуха в центральном отверстии 201 диска 200 турбины. В этом примере диаметр круглых вентиляционных отверстий 310 уплотнительного диска 300 меньше диаметра круглых вентиляционных отверстий 110 цапфы ВД 100, что приводит к снижению напора охлаждающего воздуха в центральном отверстии 201.