СТУПИЦА ВЫПУСКНОГО КОРПУСА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВЫПУСКНОЙ КОРПУС ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
EXHAUST HOUSING HUB FOR TURBOMACHINE, EXHAUST HOUSING OF TURBOMACHINE AND TURBOMACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к общей области газотурбинных двигателей и, в частности, касается выпускных корпусов газотурбинных двигателей.
Уровень техники
Газотурбинный двигатель имеет главное направление, проходящее вдоль продольной оси, как правило, содержит от входа к выходу в направлении прохождения газового потока вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления, содержащую, в частности, выпускной корпус. Выпускной корпус позволяет ограничить поток текучей среды первого контура (или поток газов), проходящий через газотурбинный двигатель и обеспечивает при помощи подшипниковых опор концентричность между ротором и статором газотурбинного двигателя, а также крепление задней части двигателя на гондоле. Таким образом, выпускной корпус является одной из основных деталей конструкции двигателя, на которую действуют сильные термические напряжения и через которую проходят экстремальные вибрационные нагрузки.
Как известно, этот выпускной корпус содержит:
- ступицу, центрованную по оси газотурбинного двигателя,
- наружную обечайку, коаксиальную со ступицей, и
- набор стоек или спиц, соединяющих ступицу и наружную обечайку.
Как правило, ступица содержит конструктивный фланец (самой разной формы), соединенный на уровне внутренней части с подшипниковой опорой (или с подшипниковыми опорами), выполненной с возможностью центровки ротора по оси газотурбинного двигателя, а на уровне наружной части - с выходным конусом (или выпускным конусом, или “Plug” на английском языке) через наружный крепежный фланец. Кроме того, над этим конструктивным фланцем находится лист, ограничивающий газовый тракт в нижней части и имеющий отверстия для прохождения стоек.
Обычно эти ступицы имеют форму, которая практически не подвергается деформациям (в том числе так называемая форма в виде Y или Н), и этот тип архитектуры характеризуется сильными напряжениями во всем корпусе, например, на уровне пересечения между передними кромками стоек и конструктивным(и) фланцем(ами). Кроме того, во время работы газотурбинного двигателя выпускной корпус подвергается воздействию очень высоких температур и очень больших переходных температурных градиентов. В частности, это относится к ступице между ее нижней частью, то есть на уровне фланцев крепления подшипниковых опор, и ее верхней частью, то есть на уровне листа тракта. Наконец, ступица должна обладать способностью выдерживать усилия разрыва и моменты, возникающие при потере лопатки.
Поэтому необходимо, чтобы ступица была достаточно жесткой. Вместе с тем, она должна обладать механическим свойством достаточной внутренней деформации (или, если она связана с тангенциальными стойками, допускать свободное вращение вокруг оси корпуса), чтобы обеспечивать общий срок службы выпускного корпуса.
С учетом жесткости ступицы напряжения, связанные с большими переходными температурными градиентами (разностями средних и/или локальных температур), оказываются смещенными к наружной обечайке и, в частности, действуют на уровне передних и задних кромок стоек. Однако если уменьшить жесткость ступицы выпускного корпуса, чтобы распределить деформации и ограничить напряжения, действующие на ее различные детали, она оказывается еще в большей степени чувствительной к окружающей ее среде в газотурбинном двигателе, в частности, при вибрациях и экстремальных нагрузках. Поэтому необходимо сохранять минимальную жесткость, чтобы ступица оставалась устойчивой и прочной даже в случае изменения механических и вибрационных напряжений газотурбинного двигателя (изменение термических полей, предельных нагрузок и т.д.).
Следовательно, необходимо иметь ступицу, которая одновременно может компенсировать тепловые расширения и равномерно распределить радиальные деформации на 360° на уровне пересечения стенки внутреннего тракта и передней кромки стоек, но не препятствовать при этом деформациям остальной части выпускного корпуса, чтобы предупредить его преждевременный износ.
Предложенные до настоящего времени решения нельзя применять для любого типа газотурбинного двигателя, так как часто требуют добавления деталей, которые одновременно приводят к существенному повышению стоимости и к увеличению массы, являются слишком сложными в реализации или слишком объемными.
Например, чтобы компенсировать относительные расширения различных частей корпуса, было предложено выполнять стойки тангенциально, а не радиально, между ступицей и наружной обечайкой. Таким образом, во время относительных расширений деталей по причине температурных градиентов в выпускном корпусе ступица вращается относительно наружной обечайки, что позволяет избежать продавливания стоек и риска пробивания наружной обечайки при различных относительных деформациях между двумя или несколькими смежными деталями. Однако в некоторых выпускных корпусах расстояние между ступицей и наружной обечайкой является очень коротким, что ограничивает возможность использования таких тангенциальных стоек. Следовательно, это решение подходит не для всех типов газотурбинных двигателей.
Было также предложено выполнять лист тракта и конструктивный фланец из двух отдельных деталей, чтобы обеспечить их относительное движение при тепловом расширении деталей во время работы и уменьшить таким образом напряжения, действующие на них и на уровне их пересечения со стойками. Однако раздельное выполнение листа тракта и ступицы предполагает применение дополнительных средств крепления, таких как крепежные фланцы и гайки, что приводит к увеличению габаритного размера ступицы и, следовательно, общей массы, а также к повышению стоимости корпуса. Кроме того, при таком варианте выполнения могут возникать большие утечки потока в промежуточных зазорах. Поэтому для некоторых выпускных корпусов остается необходимость выполнения конструктивного фланца и листа тракта моноблочно, то есть в виде единой детали.
В документе JP 09 324699 была также предложена ступица корпуса газотурбинного двигателя, содержащая внутреннюю стенку тракта, от которой отходят лопатки, и соединительную стенку изогнутой формы, выполненную с возможностью соединения внутренней стенки тракта с внутренним крепежным фланцем. Однако изогнутая форма, предложенная в этом документе, образует препятствие для потока, которое может привести к локальным аэродинамическим возмущениям. Кроме того, вогнутость центральной части соединительной стенки образует полость, которая может создавать паразитные температурные градиенты, отрицательно сказывающиеся на этих температурных уровнях.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в создании ступицы, а также корпуса, в частности, выпускного корпуса, которые можно адаптировать для большего числа газотурбинных двигателей, которые позволяют увеличить срок службы корпуса и одновременно могут выдерживать экстремальные вибрационные нагрузки (в том числе, например, нагрузки в результате потери лопатки), то есть нагрузки со стороны промежуточных узлов корпуса (таких как подшипниковые опоры, выпускной конус, а также все детали, смежные с выпускным корпусом), а также очень большие температурные градиенты, которые могут возникать при работе в этом типе корпуса, и которые отвечают требованиям габаритного размера, массы и гибкости, оставаясь при этом простыми и недорогими в изготовлении.
В связи с этим объектом изобретения является ступица выпускного корпуса газотурбинного двигателя, содержащая внутренний крепежный фланец, выполненный с возможностью крепления на подшипниковой опоре, кольцевую соединительную стенку и кольцевую внутреннюю стенку тракта, при этом соединительная стенка соединяет внутреннюю стенку тракта с внутренним крепежным фланцем, в которой радиальное сечение соединительной стенки является криволинейным, при этом ступица дополнительно содержит ряд ребер жесткости, проходящих радиально между соединительной стенкой и внутренней стенкой тракта.
При этом ступица обладает достаточной гибкостью, чтобы выдерживать очень большие температурные градиенты в выпускном корпусе и, в целом, позволяет выпускному корпусу «дышать», чтобы не слишком влиять на расширение наружной обечайки. Кроме того, ребра, которые образуют локально оптимизированные усиления, позволяют выдерживать напряжения в случае экстремальных усилий и моментов, возникающих на границах ступицы при возможной потере лопатки вентилятора. Наконец, выполненная таким образом ступица имеет размеры, адаптированные к динамическим воздействиям, которым подергается выпускной корпус, с соблюдением требований массы, и ее можно изготовить в ходе одного этапа литья без применения других операций механического крепления и сварки.
Ступица имеет также следующие предпочтительные, но неограничивающие отличительные признаки:
- соединительная стенка, внутренняя стенка тракта и внутренний крепежный фланец выполнены моноблочно,
- кривизна радиального сечения соединительной стенки не имеет точки перегиба,
- соединительная стенка имеет вогнутость, ориентированную в сторону входа корпуса,
- радиальное сечение соединительной стенки содержит, от внутреннего крепежного фланца к внутренней стенке тракта, первый по существу прямой участок, проходящий радиально в направлении выхода ступицы, и второй участок изогнутой формы, вогнутость которого ориентирована в сторону входа ступицы,
- передний конец (относительно направления газового потока в выпускном корпусе) соединительной стенки, находящийся на уровне соединения между соединительной стенкой и внутренней стенкой тракта, имеет касательную, по существу параллельную внутренней стенке тракта,
- ступица дополнительно содержит утолщение на пересечении между внутренней стенкой тракта и соединительной стенкой,
- ступица дополнительно содержит первые участки стоек, проходящие от внутренней стенки тракта и выполненные с ней за одно целое, а также выполненные с возможностью крепления на вторых ответных участках стоек корпуса,
- утолщение находится напротив передней кромки первых участков стоек, и
- ступица дополнительно содержит кольцевое ребро, выполненное радиально от внутренней стенки тракта сзади ряда ребер жесткости.
Вторым объектом изобретения является выпускной корпус для газотурбинного двигателя, имеющий продольную ось и содержащий
- описанную выше ступицу, центрованную по продольной оси,
- наружную обечайку, коаксиальную со ступицей, и
- набор стоек, соединяющих внутреннюю стенку тракта ступицы с наружной обечайкой.
Третьим объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий такой корпус.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан выпускной корпус газотурбинного двигателя в соответствии с изобретением, частичный вид в разрезе;
на фиг. 2 показан пример осуществления ступицы 2 в соответствии с изобретением, вид в перспективе;
на фиг. 3 показан пример выпускного корпуса, изображенного на фиг. 1, частичный вид в перспективе;
на фиг. 4 показан детальный вид устройства, изображенного на фиг. 1.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание изобретения относится к его применению для выпускного корпуса газотурбинного двигателя. Однако такое применение не является ограничивающим, поскольку изобретение можно применять для любого кольцевого корпуса, который подвергается действию температурных градиентов и должен выдерживать большие нагрузки.
Выпускной корпус 1 газотурбинного двигателя в соответствии с изобретением имеет продольную ось Х и содержит:
- ступицу 2, центрованную по оси Х выпускного корпуса 1,
- наружную обечайку 3, коаксиальную со ступицей 2, и
- набор стоек 4, соединяющих ступицу 2 и наружную обечайку 3.
Ступица 2 имеет общую кольцевую форму и выполнена с возможностью соединения во внутренней части с подшипниковыми опорами 5 через внутренний крепежный фланец 24 и на выходе на уровне наружной части с выпускным конусом через наружный крепежный фланец 26.
Ступица 2 содержит кольцевую внутреннюю стенку 20 тракта, расположенную напротив наружной обечайки 3 и ограничивающую внутренний тракт потока газов, в котором расположена направленная радиально внутрь кольцевая соединительная стенка 22. Как показано на фиг. 1, пересечение между соединительной стенкой 22 и внутренней стенкой 20 тракта может находиться напротив передней кромки ПК стоек 4 выпускного корпуса 1 и содержит утолщение, выполненное для равномерного распределения в этой зоне радиальных перемещений на 360° и для ограничения появления чрезмерных напряжений.
Внутренний крепежный фланец 24 выполнен за одно целое с соединительной стенкой 22 и проходит от ее свободного конца 23, тогда как наружный крепежный фланец 26 выполнен за одно целое с внутренней стенкой 20 тракта и проходит от ее свободного конца 21.
Радиальное сечение (то есть сечение в плоскости, нормальной к продольной оси Х) соединительной стенки 22 является криволинейным и имеет форму лиры или запятой, что позволяет ступице 2 быть достаточно гибкой для сопровождения расширения стоек 4 и наружной обечайки 3 и в то же время достаточно жесткой в термическом и механическом плане на уровне пересечения между внутренней стенкой 20 тракта и передней кромкой стоек 4, чтобы равномерно распределять радиальные деформации на 360° во внутренней стенке 20 тракта. Вогнутость радиального сечения соединительной стенки 22 ориентирована в сторону входа и не имеет точки перегиба, чтобы иметь возможность деформироваться (открываясь или закрываясь) и компенсировать порождаемые температурными градиентами относительные расширения ступицы 2 относительно наружной обечайки в выпускном корпусе 1. Действительно, соединительная стенка 22 может деформироваться изгибом под действием различных деформаций, благодаря своей форме, которая делает ее более гибкой.
Например, как показано на фиг. 4, радиальное сечение соединительной стенки 22 может содержать от внутреннего крепежного фланца 24 к внутренней стенке 20 тракта:
- первый по существу прямой участок 22а, проходящий в направлении наружного крепежного фланца 26. Этот первый участок имеет, таким образом, радиальное сечение, в основном наклоненное в направлении выхода (по потоку газов в выпускном корпусе) под углом α, составляющим от 20° до 60°, предпочтительно равным примерно 40°. В данном случае угол α измеряют между осью Ха, вдоль которой проходит первый участок 22а соединительной стенки 22, и осью Y, по существу перпендикулярной к оси выпускного корпуса, проходящей через переднюю кромку ПК стойки 4;
- второй участок 22b изогнутой формы, вогнутость которого направлена в сторону входа ступицы 2. Например, радиальное сечение второго участка 22b может иметь радиус R2, составляющий от 15 мм до 30 мм и предпочтительно от 15 мм до 20 мм, например, равный 18,5 мм; и
- третий участок 22с изогнутой формы, вогнутость которого ориентирована в сторону входа ступицы и передний конец которого находится на уровне соединения между соединительной стенкой 22 и внутренней стенкой 20 тракта. На уровне этого входного конца третий участок 22с имеет касательную, по существу параллельную внутренней стенке 20 тракта, чтобы получить плавное соединение, не возмущающее поток в выпускном корпусе. Таким образом, третий участок 22с и внутренняя стенка 20 тракта имеют точку касания. Например, радиальное сечение третьего участка имеет радиус R1, составляющий от 5 мм до 20 мм и предпочтительно от 10 мм до 15 мм, например, равный 12 мм.
Второй участок 22b и третий участок 22с образуют вместе вогнутую часть соединительной стенки 22.
Первый участок 22а, с одной стороны, и второй участок 22b и третий участок 22с, с другой стороны, имеют по существу одинаковую криволинейную длину. Кроме того, пересечение между соединительной стенкой 22 и внутренней стенкой 20 тракта в соответствии с изобретением в основном находится прямо над свободным концом 23 соединительной стенки 22, то есть в одной радиальной плоскости, проходящей через ось Х корпуса 1.
Соединительная стенка 22 является относительно тонкой. Например, толщина соединительной стенки может быть примерно равной толщине внутренней стенки тракта, то есть составлять от 1 мм до 3 мм.
Во время различных воздействий на ступицу 2 она может деформироваться на уровне соединительной стенки 22, которая открывается и прогибается (при этом ее кривизна становится больше, чем в состоянии покоя) или удлиняется и стремится отодвинуть внутреннюю стенку 20 тракта от внутреннего крепежного фланца 24, что позволяет избежать повреждения остальной части ступицы 2 или выпускного корпуса 1.
Внутренняя стенка 20 тракта может быть выполнена за одно целое с соединительной стенкой 22, то есть в виде единой детали, чтобы устранить риски утечек и уменьшить габаритный размер и общую массу ступицы 2. Кроме того, она является достаточно тонкой, чтобы оптимизировать общую массу ступицы 2, если не считать уровня передней кромки ПК, где, как будет показано ниже, внутренняя стенка 20 тракта может иметь кольцевое утолщение 29, чтобы равномерно распределять радиальные деформации на 360°.
Предпочтительно внутренняя стенка 20 тракта и соединительная стенка 22 изготовлены посредством литья из обычного материала для ступицы 2, то есть из материала, способного выдерживать при длительной эксплуатации сверхвысокие температуры, действующие на ступицу 2 (порядка 650°С-700°С), и в то же время противостоять олиго-циклической и вибрационной усталости и иметь хорошую прочность под нагрузкой. Например, стенки 20 и 22 можно выполнить из сплава никеля и хрома.
Стойки 4 выпускного корпуса 1 расположены между внутренней стенкой 20 тракта ступицы и наружной обечайкой 3. Для облегчения изготовления стойки 4 предпочтительно выполняют из двух частей, при этом первая часть 42, образующая ножку стоек 4, проходит радиально от внутренней стенки 20 тракта, а вторая часть 44, образующая тело стоек 4, проходит радиально от наружной обечайки 3.
Предпочтительно ножки 42 выполнены за одно целое с внутренней стенкой 20 тракта ступицы 2, тогда как тела 44 могут быть выполнены за одно целое с обечайкой 3, например, посредством литья. При этом обе части 42, 44 стоек располагают друг против друга для их крепления друг с другом, например, при помощи сварного шва вдоль плоскости 43 сварки, чтобы соединить ступицу 2 и наружную обечайку 3.
Согласно варианту осуществления, ножки 42 выполнены по высоте, меньшей или равной четверти общей высоты стоек 4. При этом отделение от пресс-формы ступицы 2, образованной частью внутреннего 24 и наружного 26 крепежных фланцев, соединительных стенок 22, внутренних стенок 20 тракта и ножек 42, можно производить легче, чем если бы плоскость 43 сварки была удалена дальше от внутренней стенки 20 тракта. Однако ножки имеют не равную нулю высоту, чтобы с учетом плоскости 43 сварки не пересекаться с радиусом сопряжения стоек 4 с внутренней стенкой 20 тракта.
Чтобы повысить стойкость при нагрузке, в частности, при экстремальных нагрузках (потеря лопатки или опор и т.д.), внутренняя стенка 20 тракта ступицы 2 может дополнительно содержать ребра 28. Предпочтительно ребра 28 расположены между внутренней стенкой 20 тракта и соединительной стенкой 22 напротив стоек 4 выпускного корпуса 1. Эту позволяет повысить стойкость ступицы 2 к деформациям, возникающим по причине термических напряжений и экстремальных нагрузок.
Например, ступица 2 может содержать два ребра 28 напротив каждой стойки 4 выпускного корпуса 1.
Ребра 28 могут быть выполнены за одно целое с внутренней стенкой 20 тракта и с соединительной стенкой 22. Как показано на фиг. 2 и 3, каждое ребро жесткости может содержать два радиальных ребра 28а, 28b, расположенных в продолжении стенки спинки и стенки корытца соответственно и проходящих параллельно оси Х от соединительной стенки 20 к выходному концу 21 внутренней стенки 20 тракта до уровня задней кромки ЗК стоек 4. Таким образом, радиальные ребра 28а, 28b ребер жесткости сначала имеют форму, сходящуюся от входа к выходу в направлении потока газов, затем соединяются и могут таким образом лучше выдерживать нагрузку со стороны стоек 4 и подшипниковых опор ступицы 2.
Кроме того, высота ребер жесткости 28 (в радиальном направлении относительно оси Х) может меняться между их входным концом на уровне соединительной стенки 22 и их выходным концом напротив задней кромки ЗК стоек 4. В данном случае высота ребер жесткости 28 является максимальной на уровне соединительной стенки 22, затем уменьшается в направлении к выходу до места схождения ребер 28а и 28b, где она стабилизируется до выходного конца ребер жесткости 28, как показано на фиг. 2 и 3, чтобы оптимизировать общую массу ступицы 2 и одновременно обеспечивать ее стойкость к нагрузкам при помощи ребер жесткости 28.
Кроме того, ступица 2 может дополнительно содержать элемент жесткости 28с, позволяющий равномерно распределить радиальные деформации на 360° на выходе внутренней стенки 20 тракта вблизи задних кромок ЗК стоек 4 и поддерживать ребра под нагрузками, которые проходят через эти ребра. В частности, элемент жесткости 28с может представлять собой кольцевое ребро, коаксиальное со ступицей 2, проходящее радиально от внутренней стенки 20 тракта на уровне выходного конца ребер жесткости 28, то есть на уровне задней кромки ЗК стоек 4. В данном случае элемент жесткости 28с проходит по высоте, равной высоте выходного конца ребер 28а, 28b ребра 28.
Наконец, ступица 2 может дополнительно содержать кольцевое утолщение 29 на уровне пересечения между ее соединительной стенкой 22 и ее внутренней стенкой 20 тракта напротив передней кромки ПК стоек 4. Это утолщение 29, показанное на фиг. 1 и 3, позволяет равномерно распределить радиальные деформации на 360° внутренней стенки 20 тракта, несмотря на термические напряжения или нагрузки, действующие на впускной корпус 1. Кроме того, это утолщение 29 позволяет дополнительно локально усилить ступицу 2 и улучшить ее сопротивление воздействиям в случае экстремальных усилий и моментов, возникающих на границах ступицы 2 при возможной потере лопатки вентилятора.
Предпочтительно утолщение 29 является локальным и не проходит по всей внутренней стенке 20 тракта и остается тонким, чтобы уменьшить общую массу ступицы 2. Например, утолщение может иметь радиальное сечение толщиной от 4 мм до 8 мм, как правило, равной 5 мм. Как показано на фигурах, утолщение 29 может быть расположено на уровне соединения между соединительной стенкой 22 и внутренней стенкой 20 тракта и в основном проходит вдоль третьего участка 22с соединительной стенки 22.