УГЛОВОЙ СЕКТОР СТАТОРА ДЛЯ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СТАТОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ТАКОЙ СЕКТОР
ANGULAR SECTOR OF A STATOR FOR A TURBINE ENGINE COMPRESSOR, A TURBINE ENGINE STATOR AND A TURBINE ENGINE INCLUDING SUCH A SECTOR

Уровень техники
Настоящее изобретение относится в целом к области статоров для компрессора газотурбинного двигателя, такого как турбовинтовой двигатель или турбореактивный двигатель самолета.
Компрессор газотурбинного двигателя состоит из множества ступеней сжатия, каждая из которых содержит как кольцевой ряд подвижных лопаток, установленных на валу двигателя, так и статор, установленный на внешнем кольцевом кожухе двигателя.
Статор компрессора может быть составлен кольцом, или он может быть разбит на секторы (то есть составлен из множества угловых секторов, соединенных вдоль окружности вплотную вокруг продольной оси компрессора). В настоящей заявке термин "угловой сектор статора" (или более кратко "сектор статора") используется для обозначения любого углового сектора статора и представления угла, который меньше или равен 360°.
Каждый сектор статора имеет внешний бандаж и внутренний бандаж, которые расположены соосно один в другом, совместно с одной (или больше) лопаток, проходящих радиально между бандажами и соединенных с ними ее (их) радиальными концами.
Например, каждый угловой сектор статора установлен во внешнем кольцевом кожухе двигателя посредством соответствующих установочных лапок, расположенных на каждом осевом конце внешнего бандажа упомянутого сектора для зацепления с соответствующими кольцеобразными пазами в кожухе.
В ходе работы такой сектор статора подвергается высоким уровням механического напряжения, то есть статическим нагрузкам и вибрационным нагрузкам.
В статорах предшествующего уровня техники, в которых передние кромки и задние кромки лопаток соединены с частями внешнего бандажа, которые очень толсты и очень жестки, эти механические напряжения, по существу, принимаются зонами передней кромки и задней кромки, соединенными с внешним бандажом сектора статора. Так как эти соединительные зоны являются тонкими и не очень прочными, существует риск повреждения или даже разрушения передних кромок и задних кромок.
Документ EP 1811131 предлагает понизить напряжение на передних кромках и задних кромках лопаток секторов статора посредством снижения жесткости соединений лопаток статора, чтобы оптимизировать передачу сил от лопаток внешнему бандажу. С этой целью передние кромки и/или задние кромки лопаток соединяют с зонами внешнего бандажа, которые менее жесткие, чем зоны внешнего бандажа, которые соединены, в частности, с установочными лапками. Однако это предложение не обеспечивает удовлетворительное демпфирование передних кромок и задних кромок лопаток в зонах соединения, где они соединены с внешним бандажом, с целью эффективного предотвращения разрушения лопаток в результате вибрации.
Задача и сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает угловой сектор статора, который эффективно ограничивает механические напряжения, которым подвергается каждая лопатка сектора статора в ходе работы, в частности, в ее передних кромках и/или задних кромках.
Эта задача решается посредством углового сектора статора для компрессора газотурбинного двигателя, причем сектор проходит вокруг оси радиальной симметрии и содержит внешний бандаж и внутренний бандаж, расположенные соосно один внутри другого; и, по меньшей мере, одну лопатку, проходящую радиально между упомянутыми бандажами и соединенную с ними ее радиальными концами; при этом внешний бандаж имеет установочные средства на каждом из его осевых концов для установки углового сектора статора в кожухе двигателя; сектор отличается тем, что внешний бандаж включает в себя, по меньшей мере, на одном осевом конце полость, открытую к упомянутому осевому концу, причем упомянутая полость проходит между радиально-внутренним языком внешнего бандажа, с которым соединен радиально-внешний конец лопатки, и радиально-внешним языком внешнего бандажа, несущим установочные средства для установки углового сектора статора в кожухе двигателя; и тем, что, по меньшей мере, одна образующая опору вставка вставлена, по меньшей мере, частично в упомянутую полость, причем упомянутая образующая опору вставка предназначена для ограничения радиальных перемещений радиально-внутреннего языка контактом и таким образом для модифицирования колебательного поведения упомянутого радиально-внутреннего языка.
В настоящей заявке, и если не указано иначе, термины "передний" и "задний" заданы относительно нормального направления потока газа (от переднего конца к заднему) через двигатель. Кроме того, ось двигателя является осью радиальной симметрии двигателя. Осевое направление соответствует направлению, вдоль которого проходит ось двигателя, и радиальное направление является направлением, перпендикулярным упомянутой оси. Аналогично, "осевая" плоскость является плоскостью, содержащей ось двигателя, и "радиальная" плоскость является плоскостью, перпендикулярной упомянутой оси. Если не указано иначе, прилагательные и наречия "осевой", "радиальный", "вдоль оси" и "радиально" используются относительно упомянутых выше осевого и радиального направлений. Наконец, если не указано иначе, прилагательные "внутренний" и "внешний" используются относительно радиального направления таким образом, что внутренняя часть или поверхность (то есть радиально-внутренняя часть или поверхность) вставки находится ближе к оси двигателя, чем внешняя поверхность или часть этой вставки (то есть радиально-внешняя поверхность или часть).
Согласно настоящему изобретению, образующая опору вставка (называемая ниже "опорной вставкой") составляет жесткую распорную деталь, помещенную между радиально-внутренним и радиально-внешним языками внешнего бандажа.
В первом режиме работы опорная вставка прижата радиально к радиально-внутреннему языку и/или радиально-внешнему языку. Другими словами, в состоянии покоя существует небольшое предварительное напряжение между опорной вставкой и радиально-внутренним языком и/или опорной вставкой и радиально-внешним языком. Однако максимальное зажатие оптимизировано таким образом, чтобы допускать легкую установку и извлечение опорной вставки.
В другом режиме работы согласно изобретению жесткая вставка находится в слабом контакте с радиально-внутренним языком и/или радиально-внешним языком внешнего бандажа.
В другом режиме работы в состоянии покоя существует небольшой зазор между опорной вставкой и радиально-внутренним языком и/или между опорной вставкой и радиально-внешним языком. Однако максимальный зазор оптимизирован для обеспечения достаточной эффективности системы для предотвращения биения и риска износа, который мог бы вызывать зазор. Следует заметить, что зазор служит для снижения жесткости соединения между лопатками и кожухом двигателя.
При всех обстоятельствах зацепление между опорной вставкой и радиально-внутренним языком и/или радиально-внешним языком должно быть достаточно слабым, чтобы допускать микродвижение радиально-внутреннего языка в ходе работы, то есть при наличии вибрации в статоре. Узел, сформированный внешним бандажом и опорной вставкой, является таким образом узлом, который не является абсолютно жестким (то есть он не является жестким). Другими словами, радиально-внутренний язык должен быть способен совершать возвратно-поступательное движение для последовательной потери контакта и восстановления контакта между опорной вставкой и внешним бандажом. Таким образом, в ходе работы, когда статор подвергается вибрации, радиально-внутренний язык отделяется (то есть движется радиально от радиально-внешнего языка), таким образом модифицируя зацепление между внешним бандажом и опорной вставкой и затем возвращается к его начальному положению и так далее. Соударения между опорной вставкой и внешним бандажом служат для модифицирования частоты режима вибрации и таким образом исключает вхождение в резонанс.
В соответствии с настоящим изобретением, опорная вставка, таким образом, приспособлена для ограничения перемещения радиально-внутреннего языка внешнего бандажа и таким образом лопатки в радиальном направлении, удерживая вибрации на уровнях ниже максимальных допустимых значений. Положения настоящего изобретения таким образом приводят к получению лопаток, эффективнее выдерживающих механические напряжения, которым они подвергаются, и снижению риска разрушения лопаток в результате вибрационной усталости.
Образующая опору вставка может легко извлекаться и/или заменяться таким образом, что износ внешнего бандажа можно легко контролировать, и его несущая поверхность (поверхности) может быть легко восстановлена.
В варианте осуществления изобретения внешний бандаж включает в себя переднюю полость, открытую к переднему концу внешнего бандажа, и заднюю полость, открытую к заднему концу внешнего бандажа, и по меньшей мере одну образующую опору вставку, вставленную по меньшей мере в одну из упомянутых полостей. В варианте осуществления изобретения по меньшей мере одну образующую опору вставку вставляют в каждую из передней и задней полостей внешнего бандажа.
В варианте осуществления изобретения внешний бандаж выполнен как единая часть. Другими словами, радиально-внутренний язык, радиально-внешний язык и средняя часть, которая объединяет их, составляют единый элемент. Например, внешний бандаж может быть получен посредством простого литья. В другом варианте осуществления изобретения его можно изготовлять посредством механической обработки.
В другом варианте осуществления изобретения весь сектор статора может быть выполнен как единая часть. Другими словами, блок, составленный внешним бандажом, внутренним бандажом и лопаткой (лопатками), составляет цельную конструкцию, которую легче производить и которая прочнее, чем комплект собранных нескольких деталей.
В другом варианте осуществления изобретения по меньшей мере один из радиальных концов опорной вставки взаимодействует сопрягающимися формами с внешним бандажом таким образом, что упомянутая вставка удерживается в нужном положении в осевом направлении.
Например, образующая опору вставка может быть частью кольца, которое представляет продолговатую форму в осевой плоскости с радиально-внутренним и радиально-внешним концами, взаимодействующими, соответственно, с частями кольцеобразного паза, сформированными в радиально-внутреннем языке и в радиально-внешнем языке.
В варианте осуществления изобретения опорную вставку прикрепляют к внешнему бандажу паяным соединением.
В варианте осуществления изобретения опорная вставка представляет собой кольцевую часть, один из радиальных концов которой взаимодействует с частью кольцеобразного паза соответствующей формы, выполненного во внешнем бандаже, и другой его радиальный конец соединен с внешним бандажом посредством паяного соединения.
В другом варианте осуществления изобретения опорной вставкой является кольцевая часть, имеющая основание в форме части цилиндра, обращенной к радиально-внутреннему языку, и среднюю часть, проходящую радиально за пределы упомянутого основания к радиально-внешнему языку внешнего бандажа. Основание, формирующее цилиндрическую часть, может включать, по меньшей мере, одно углубление в его радиально-внутренней поверхности. Такое углубление дает уменьшение веса и обеспечивает лучшее позиционирование контактов между опорной вставкой и радиально-внутренним языком внешнего бандажа.
Изобретение также обеспечивает получение статора газотурбинного двигателя, образованного из одного или более угловых секторов статора, как указано выше. Изобретение также обеспечивает получение газотурбинного двигателя, включающего в себя по меньшей мере один такой статор.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества изобретения будут понятны при ознакомлении со следующим описанием вариантов осуществления изобретения, данным для не вносящей ограничений иллюстрации. В описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - частичный вид продольного сечения компрессора газотурбинного двигателя, включающего в себя по меньшей мере один угловой сектор статора в первом варианте осуществления изобретения; и
Фиг.2-4 - частичные виды осевого сечения угловых секторов статора в других вариантах осуществления изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Компрессор 10, показанный схематически и частично на Фиг.1, содержит множество ступеней сжатия, из которых показаны только две, причем каждая ступень содержит кольцевой ряд подвижных лопаток 12, установленных на диске 14, удерживаемом валом ротора (не показан) газотурбинного двигателя, и стационарный статор 18, удерживаемый внешним кожухом 20 двигателя и составленный одним или несколькими угловыми секторами статора, расположенными вдоль окружности вплотную. Ось радиальной симметрии компрессора показана условным обозначением А на Фиг.1.
Сектор 18 статора типа, показанного на Фиг.1, имеет внутренний и внешний бандажи 22 и 24, например, формирующие части цилиндров, проходящих один внутри другого и соединенных друг с другом одной или более радиальных лопаток 26. Каждая из этих лопаток 26 имеет вогнутую поверхность или поверхность стороны повышенного давления и выпуклую поверхность или поверхность стороны пониженного давления, при этом упомянутые поверхности соединены друг с другом их передними и задними по ходу потока концами для формирования передней кромки 28 и задней кромки 30 для воздуха, который проходит через компрессор 10.
Внутренний бандаж 22 несет истираемое покрытие 32 на его внутренней поверхности для взаимодействия с радиальными щетками 34, удерживаемыми валом ротора (не показан), для предотвращения потенциального обратного потока газа под внутренним бандажом 22.
В примере, показанном на Фиг.1, внешний бандаж 24 сектора 18 статора выполнен как единый элемент и имеет радиально-внутренний язык 36, с которым соединены внешние радиальные концы лопаток 26, и радиально-внешний язык 38, который коаксиален вокруг упомянутого радиально-внутреннего языка 36, при этом языки соединены друг с другом средней частью 40.
Также в показанном примере средняя часть 40 расположена на переднем конце внешнего бандажа 24 таким образом, что передние концы радиально-внутреннего и радиально-внешнего языков 36 и 38 прикреплены непосредственно к ней. Таким образом образована полость 42, которая открыта к заднему концу внешнего бандажа 36, сформированная радиально-внутренним и радиально-внешним языками 36 и 38 (которые формируют стенки полости) и средней частью 40 (которая составляет торцевую стенку полости).
На каждом из его осевых концов внешний бандаж 24 имеет средство для установки сектора 18 статора на кожух 20 двигателя. На Фиг.1 эти установочные средства содержат переднюю установочную лапку 44 в форме части цилиндра, проходящую вперед от средней части 40, и заднюю установочную лапку 46 в форме части цилиндра, сформированной в конце радиально-внешнего языка. Каждая из этих установочных лапок 44 и 46 проходит в осевом направлении и приспособлена для взаимодействия с соответствующим пазом 52, 54 в кожухе 20.
Согласно изобретению, полость 42 внешнего бандажа 24 предназначена для приема образующей опору вставки (называемой ниже "опорной вставкой").
В примере, показанном на Фиг.1, опорная вставка представляет собой кольцевую часть 607, проходящую вдоль окружности только по части или по всему угловому сектору статора. Как можно видеть на Фиг.1 в осевой плоскости, кольцевая часть 607 имеет продолговатую форму.
Например, ее устанавливают на угловой сектор статора посредством касательного скольжения между двумя частями 96 и 98 кольцеобразных пазов, сформированными так, что они обращены друг к другу в радиальной плоскости, соответственно, в радиально-внутреннем языке и в радиально-внешнем языке внешнего бандажа.
В осевой плоскости каждая часть кольцеобразного паза представляет профиль, который соответствует профилю одного из радиальных концов кольцевой части 607. Установка таким образом обеспечивает то, что кольцевая часть 607 удерживается вдоль оси в положении в пределах полости 42. Предпочтительно, части 96 и 98 кольцеобразных пазов могут иметь покрытие для защиты от износа из-за трения и соударений с опорной вставкой 607, например, из смазочного материала, лака или даже осажденного карбида.
Опорная вставка 607 является жесткой вставкой. В описанном примере она находится в легком контакте с радиально-внутренним языком 36 и радиально-внешним языком 38. В других вариантах осуществления изобретения может существовать небольшой зазор между опорной вставкой и радиально-внутренним языком и/или между опорной вставкой и радиально-внешним языком. В другом варианте осуществления изобретения опорная вставка может быть немного зажата в радиальном направлении между радиально-внутренним языком и радиально-внешним языком.
Поскольку взаимодействие между опорной вставкой и радиально-внутренним языком не полностью жесткое, язык может отделяться радиально в случае колебательных напряжений. Его микродвижения вызывают последовательные потерю и восстановление контакта с опорной вставкой, таким образом вызывая модифицирование частоты режима колебаний и исключая вхождение в резонанс.
Чем больше величина перемещений радиально-внутреннего языка, тем больше улучшается эффект затухания. Кроме того, зазор (образованный при изготовлении или возникающий при возможном износе) между внешним бандажом и опорной вставкой легче заполняется, когда перемещения радиально-внутреннего языка значительны.
Следует заметить, что радиальные перемещения радиально-внутреннего языка 36 облегчены малой толщиной языка и/или наличием пазов (не показаны) во внешнем бандаже между различными лопатками сектора статора. Эти пазы облегчают наклон радиально-внутреннего языка, предотвращая восприятие изгибных движений.
Опорная вставка 607, которая имеет форму жесткой распорной детали между радиально-внутренним и радиально-внешним языками, таким образом, служит для противостояния вибрационному режиму движения лопатки 26. Это обеспечивает способность демпфирования, которое ограничивает максимальные движения лопаток в радиальном направлении и таким образом механические напряжения, которым они подвергаются в ходе работы.
На Фиг.2 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором опорная вставка представляет собой кольцевую часть 608, по существу идентичную описанной со ссылками на Фиг.1, но имеющую радиально-внешний конец с плоской поверхностью 100, приспособленной для упора во внутреннюю поверхность радиально-внешнего языка 38 и для прикрепления к ней паяным соединением (представленным слоем твердой пайки 104). Радиально-внутренний конец удерживается в части 96 кольцеобразного паза соответствующей формы, сформированной в радиально-внутреннем языке 36.
Как можно видеть на Фиг.2, уступ 102, сформированный в радиально-внешнем языке, позволяет точно позиционировать вдоль оси кольцевую часть 608 перед этапом твердой пайки, при этом радиально-внешний конец кольцевой части 608 упирается в уступ 102.
Кольцевая часть удерживается в положении в полости 42 внешнего бандажа 24 в этом примере паяным соединением. Такое соединение позволяет исключать использование касательного или осевого удерживающего стопора для удерживания опорной вставки в нужном положении. Операция твердой пайки может быть выполнена одновременно с операцией твердой пайки, обычно выполняемой с истираемым покрытием 32 внутреннего бандажа 22. Кроме того, во время выполнения операции твердой пайки опорную вставку прижимают к языку внешнего бандажа 24, с которым она должна взаимодействовать. Контактное давление может регулироваться, в частности, посредством создания напряжения опорной вставки во время твердой пайки. Это допускает менее строгие производственные допуски. Наконец, внешний бандаж усиливается жестким паяным соединением, таким образом, позволяя передавать некоторые из сил, поступающих от лопаток 26, к кожуху, когда это происходит при работе, которая является и нормальной и необычной (колебания и т.д.), или также только в случае работы, которая является необычной.
Иначе, работа опорной вставки 608 идентична описанной со ссылками на вставку 607, показанную на Фиг.1.
На Фиг.3 показан третий вариант осуществления изобретения, в котором опорная вставка представляет собой кольцевую часть 609, представляющую собой Т-образное осевое сечение, составленное поверхностью в форме части цилиндра 106, обращенной к внешней поверхности радиально-внутреннего языка 36, и средней частью 108, проходящей радиально наружу приблизительно от основания 106, формирующего часть цилиндра, до радиально-внешнего языка 38. В описанном примере радиально-внешний конец средней части 108 соединен с радиально-внешним языком 38 посредством твердой пайки.
Как в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.2, уступ 102, сформированный в радиально-внешнем языке 38, позволяет располагать кольцевую часть 609 вдоль оси перед этапом твердой пайки.
В примере, показанном на Фиг.3, на внутренней поверхности основания 106 выполнено углубление 110 для улучшения позиционирования контактов между опорной вставкой 609 и внешним бандажом 24. В остальном работа опорной вставки 609 идентична описанной со ссылками на вставку 607, показанную на Фиг.1.
В варианте, показанном на Фиг.4, внутренняя поверхность основания 106, формирующего часть цилиндра, может не иметь какого-либо углубления. Эта конфигурация особенно предпочтительна, когда с целью оптимизации веса сформированы отверстия в радиально-внешнем языке 38 внешнего бандажа 24, причем эти отверстия открыты в глухую полость двигателя (то есть зону двигателя, через которую газ не проходит). Конфигурация опорной вставки 609, как показано на Фиг.4, улучшает уплотнение в направлении глухой полости и также на свободной стороне внешнего бандажа, таким образом позволяя исключать явления рециркуляции.
Во всех примерах, показанных и описанных выше, задние кромки 30 лопаток 26 прикреплены к периферическому концу радиально-внутреннего языка 36 (в этом примере его заднему концу, который отнесен от более жесткой средней части). Задние кромки 30 таким образом прикреплены к части внешнего бандажа 24, которая не является такой же жесткой, как часть, к которой прикреплены передние кромки 28 лопаток. Эта конфигурация особенно предпочтительна, когда задние кромки 30 лопаток 26 в ходе работы подвергаются радиальным перемещениям, которые больше чем те, которым подвергаются передние кромки 28.
Напротив, также можно предусматривать внешний бандаж 24, имеющий среднюю часть на его заднем конце, и полость открытую к его переднему концу. При таких обстоятельствах передние кромки 28 лопаток 26 могут быть прикреплены к части внешнего бандажа 24 (периферическому концу радиально-внутреннего языка 36), которая менее жесткая, чем часть, с которой соединены задние кромки 30 лопаток 26 (то есть концу радиально-внутреннего языка, который соединен со средней частью 40). Эта конфигурация особенно предпочтительна, когда передние кромки 28 лопаток 26 в ходе работы подвергаются радиальным перемещениям, которые больше, чем те, которым подвергаются задние кромки 30.
Также можно предусматривать расположение средней части 40 на расстоянии от осевых концов внешнего бандажа 24 и, предпочтительно, по существу в центре упомянутого бандажа 24 при измерении вдоль его осевого направления.
При таких обстоятельствах внешний бандаж 24 имеет две полости, то есть переднюю полость, открытую к переднему концу внешнего бандажа, и заднюю полость, открытую к его заднему концу. Каждый радиальный язык внешнего бандажа таким образом составлен из двух частей языка, то есть передней части и задней части, причем упомянутые части соединены друг с другом через среднюю часть. Передняя полость образована частью переднего радиально-внутреннего языка, частью переднего радиально-внешнего бандажа и средней частью. Подобным образом, задняя полость образована частью заднего радиально-внутреннего языка, частью заднего радиально-внешнего языка и средней частью.
Можно предусматривать, что одна или более формирующих демпфер вставок расположены только в одной из этих двух полостей. Также можно предусматривать наличие, по меньшей мере, одной демпфирующей вставки, вставленной в каждую из полостей внешнего бандажа.
Эта конфигурация особенно предпочтительна, когда и передние кромки 28, и задние кромки 30 лопаток 26 подвергаются воздействию вибрационной активности высоких уровней таким образом, что полностью отдельные вибрационные режимы могутвходить в резонанс отдельно на передних кромках и задних кромках 28 и 30.
Следует заметить, что установка образующей опору вставки в полость внешнего бандажа облегчается, когда высота и глубина полости большие.
В показанных вариантах осуществления изобретения переднее и заднее установочные средства 44 и 46 для установки сектора 18 статора на кожухе 20 двигателя таким образом,взаимно смещены в радиальном направлении. В частности, на Фиг.1 можно видеть, что соединение между задней установочной лапкой 46 (то есть установочной лапкой, которую несет радиально-внешний язык 38 и которая расположена вблизи полости 42) и соответствующим пазом 54 в кожухе повышено.
Это расположение позволяет увеличивать высоту (в радиальном направлении) внешнего бандажа и таким образом полости 42.
Когда полость выполнена посредством механической обработки, это расположение также позволяет увеличить глубину полости 42. В связи с ограничениями, связанными с механической обработкой (ограничениями, связанными, в частности, с используемым конкретным набором инструментов), высота полости 42 определяет ее глубину. Чем больше высота полости 42, тем большей также можно сделать глубину полости и тем больше радиальные перемещения, которые могут быть подвержены воздействию демпфера.