Ступень турбомашины, компрессор, турбина, турбомашина, содержащие такую ступень, и замок для такой ступени

Ступень турбомашины, компрессор, турбина, турбомашина, содержащие такую ступень, и замок для такой ступени

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к ступени турбины или компрессора, в частности в турбомашине, такой, например, как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащей лопаточный диск, вращающийся внутри цилиндрического кольца или кольца в виде усеченного конуса, сформированного при помощи секторов кольца, соединенных между собой встык по окружности на корпусе компрессора или турбины.

Каждый сектор кольца содержит на одном из своих концов окружной выступ, который стягивается в радиальном направлении на кольцевом рельсе корпуса посредством упругого замка с, по существу, C-образным сечением и который надевается в осевом направлении на рельс корпуса и на окружной выступ сектора кольца.

Этот замок образован двумя параллельными и ориентированными в окружном направлении стенками, соответственно внутренней и наружной, которые проходят одна внутри другой и которые связаны между собой при помощи стенки, по существу, радиальной. Внутренняя и наружная стенки замка содержат средства радиальной опоры на окружной выступ сектора кольца и на рельс корпуса соответственно. Этот замок надевается с некоторым предварительным механическим напряжением в радиальном направлении на выступ сектора и на рельс корпуса. В состоянии покоя турбомашины внутренняя и наружная стенки замка опираются в радиальном направлении на выступ сектора кольца и на рельс корпуса, по существу, на всей ширине этого замка или на всей его протяженности в угловом направлении.

В процессе функционирования, появляется относительно большой градиент температуры в радиальном направлении в каждом секторе кольца, что приводит к "разгибанию" этого сектора кольца. Это явление выражается, в частности, в увеличении радиуса кривизны сектора кольца, что приводит к уменьшению поверхностей радиальной опоры между стенками замка и выступом сектора, а также рельсом корпуса. Было установлено, что зоны опоры между этими деталями оказывались в основном локализованными между концевыми частями наружной стенки замка и рельсом корпуса, и между средней частью внутренней стенки замка и сектором кольца. При этом усилия, передаваемые сектором кольца и рельсом корпуса, проходят через эти опорные зоны, которые не являются оптимизированными и которые, таким образом, формируют зоны концентрации механических напряжений, что может привести к уменьшению срока службы замка.

Документ US-A-2006/0216146 описывает внешнее разделенное на сектора кольцо для ротора турбомашины, которое закреплено на корпусе посредством уплотнительного элемента в виде дуги кольца.

Документ EP-A2-0907053 описывает устройство крепления венца разделения двух концентрических очагов сгорания в камере сгорания турбомашины.

Техническая задача данного изобретения состоит, в частности, в том, чтобы предложить простое, эффективное и экономичное решение упомянутой выше проблемы.

Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается ступень турбины или компрессора, в частности турбомашины, содержащая по меньшей мере один лопаточный диск, окруженный разделенным на сектора кольцом, закрепленным на корпусе и содержащим окружной выступ, стянутый в радиальном направлении на кольцевом рельсе корпуса при помощи замков с, по существу, C-образным сечением, которые надеваются в осевом направлении на этот рельс корпуса и на выступ кольца, причем каждый замок содержит две параллельные окружной ориентации, соответственно внутреннюю и наружную, связанные между собой при помощи радиальной стенки, причем эти внутренняя и наружная стенки замка содержат средства радиальной опоры соответственно на выступ кольца и на рельс корпуса, отличающаяся тем, что эти средства опоры проходят только на некоторой части ширины или угловой протяженности упомянутого замка.

В соответствии с предлагаемым изобретением упомянутые средства радиальной опоры замка сформированы при помощи выбранных частей внутренней и наружной стенок замка, причем эти части оптимизированы таким образом, чтобы оставаться в контакте с корпусом или сектором кольца при любом режиме функционирования турбомашины. Эти части четко ограничены и выполнены таким образом, чтобы выдерживать усилия, передаваемые рельсом корпуса и выступом сектора кольца в процессе функционирования, что позволяет повысить срок службы замка.

В соответствии с другим признаком изобретения внутренняя и наружная стенки замка содержат, каждая, по меньшей мере одну часть большего размера в осевом направлении, и по меньшей мере одну часть меньшего размера в осевом направлении, причем одна или каждая часть большего размера содержит упомянутые средства радиальной опоры.

Внутренняя и наружная стенки замка конфигурируются таким образом, чтобы надежным образом разъединять работающие части (большего осевого размера) замка, которые содержат средства радиальной опоры, и неработающие части (меньшего осевого размера) этого замка. Части меньшего осевого размера стенок замка сформированы, например, вырезами в этих стенках. Эти вырезы сформированы, например, путем удаления материала из внутренней и наружной стенок замка в тех местах этих стенок, где отсутствует передача усилий и зоны концентрации напряжений. Таким образом, материал в стенках замка распределяется более благоприятным образом, чем в существующем уровне техники, что позволяет, в частности, примерно на 20% снизить массу замков одной ступени компрессора или турбины. В то же время, это локализованное удаление материала позволяет локально модифицировать жесткость замка и адаптировать его к деформациям сектора кольца в процессе функционирования.

Внутренняя стенка и/или наружная стенка замка содержит, например, среднюю часть меньшего осевого размера и концевые части большего осевого размера.

Когда внутренняя и наружная стенки замка содержат, каждая, среднюю часть меньшего осевого размера, а концевые части большего осевого размера, передача усилий между секторами кольца и замком, а также между рельсом корпуса и замком локализуется в концевых частях внутренней и наружной стенок замка. Таким образом, средняя часть внутренней стенки замка не находится в контакте с выступом сектора кольца, который при этом оказывается свободным в своем перемещении в радиальном направлении. Таким образом, замок в этом случае имеет более продолжительный срок службы.

В качестве варианта реализации, или в качестве дополнительного признака, внутренняя стенка и/или наружная стенка замка содержит среднюю часть большего осевого размера и окружные концевые части меньшего осевого размера.

В том случае, когда внутренняя стенка замка содержит среднюю часть большего осевого размера, а концевые части меньшего осевого размера, средняя часть этой стенки выполняется таким образом, чтобы выдерживать значительные усилия, передаваемые выступом сектора кольца, и чтобы ограничивать разгибание этого сектора. При этом наблюдаются небольшие изменения радиальных зазоров между вершинами лопаток диска и секторами кольца, что улучшает характеристики турбомашины.

Одна или каждая часть большего осевого размера каждой стенки замка может иметь ширину или угловую протяженность, которая составляет примерно половину, предпочтительным образом треть, и, например, четверть этой ширины или этой угловой протяженности замка.

Предлагаемое изобретение также относится к компрессору или к турбине турбомашины, отличающимся(щейся) тем, что он или она содержит по меньшей мере одну ступень компрессора или турбины, такую как описано в предшествующем изложении.

Предлагаемое изобретение также относится к турбомашине, например, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающейся тем, что она содержит по меньшей мере одну ступень турбины или компрессора, такую как описано в предшествующем изложении.

И наконец, предлагаемое изобретение относится к замку для ступени турбины или компрессора описанного в предшествующем изложении типа, содержащему две параллельные стенки окружной ориентации, соответственно внутреннюю и наружную, которые связаны друг с другом на одной из своих окружных кромок при помощи третьей, по существу, радиальной стенки таким образом, чтобы этот замок имел в поперечном сечении по существу C-образную форму, отличающемуся тем, что внутренняя и наружная стенки содержат, каждая, на уровне другой из их окружных кромок, по меньшей мере один вырез, который проходит в окружном направлении на некоторой части, например, на по меньшей мере четверти ширины или угловой протяженности замка, причем не вырезанные части этих стенок содержат средства радиальной опоры.

Другие признаки и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания не являющихся ограничительными примеров его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, среди которых:

Фиг.1 представляет собой частичный схематический половинный вид в осевом разрезе ступени турбины в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.2 представляет собой схематический вид в перспективе замка ступени, показанной на фиг.1;

Фиг.3 представляет собой частичный весьма схематический вид в направлении против потока передней стороны сектора кольца, показанного на фиг.1;

Фиг.4 представляет собой схематический вид в перспективе замка в соответствии с предлагаемым изобретением;

Фиг. с 5 по 7 представляют собой схематические виды в перспективе вариантов реализации предлагаемого изобретения.

Прежде всего будут даваться ссылки на фиг.1, на которой представлена ступень 10 турбины турбомашины типа авиационного турбореактивного или турбовинтового двигателя, причем эта ступень 10 содержит направляющий аппарат 12, сформированный кольцевым рядом неподвижных лопаток 14, закрепленных на корпусе 16 турбины, и лопаточный диск 18, установленный перед направляющим аппаратом 12 и вращающийся внутри разделенного на сектора кольца 20, образованного множеством секторов 22, которые соединены в окружном направлении встык на корпусе 16 турбины.

Направляющий аппарат 12 содержит две круговых стенки, наружную 24 и внутреннюю (на данной фигуре не показана) соответственно, которые ограничивают между собой кольцевой тракт течения потока газов в турбине и между которыми проходят в радиальном направлении лопатки 14. Средства крепления направляющего аппарата содержат по меньшей мере одну переднюю по потоку радиальную лапку 26, связанную в своей наружной периферийной части с цилиндрическим выступом 28, ориентированным в направлении против потока и предназначенным для вставления в кольцевую канавку 30 корпуса 16, ориентированную в направлении по потоку.

Каждый сектор 22 кольца содержит на своих, переднем по потоку и заднем по потоку, концах окружные выступы 32, 34 соединения на корпусе 16 турбины. Передние по потоку окружные выступы 32 секторов кольца ориентированы в направлении против потока и вставляются в цилиндрический выступ 36, ориентированный к выходу корпуса 16 по потоку. Задние по потоку окружные выступы 34 секторов ориентированы в направлении по потоку и стянуты в радиальном направлении на цилиндрическом рельсе 38 корпуса посредством замков 40 с, по существу, C-образным сечением, раскрытая часть которого ориентирована в осевом направлении против потока, причем эти замки надеваются по оси с задней по потоку стороны, путем их упругой деформации, на рельс 38 корпуса и на задние по потоку окружные выступы 34 секторов кольца. Эти задние по потоку выступы 34 секторов кольца и рельс 38 корпуса имеют, по существу, один и тот же радиус кривизны в состоянии покоя турбомашины.

Каждый замок 40, который более подробно можно видеть на фиг.2, содержит две параллельные окружные стенки 42 и 44, а именно, наружную в радиальном направлении и внутреннюю в радиальном направлении соответственно, которые связаны между собой на их задних по потоку концах при помощи радиальной стенки 46 и которые надеваются соответственно на наружную часть рельса 38 корпуса и на внутреннюю часть задних по потоку выступов 34 секторов кольца.

Радиальная стенка 46 замка 40 вставляется в осевом направлении между задними по потоку концами рельса 38 и выступами 34, с одной стороны, и радиальной стенкой 26 направляющего аппарата 12, расположенного сзади по потоку, с другой стороны, для того, чтобы не допустить возможности перемещения замка 40 в осевом направлении по потоку и выведения этого замка из зацепления с рельсом 38 корпуса и выступами 34 секторов кольца.

Наружная 42 и внутренняя 44 стенки замка содержат, со стороны, противоположной радиальной стенке 46, средства опоры на рельс 38 корпуса и на выступ 34 сектора соответственно. При этом наружная стенка 42 содержит внутреннюю поверхность 48 опоры на рельс 38 корпуса, а внутренняя стенка 44 содержит наружную поверхность 50 опоры на выступ 34 сектора кольца, причем эти поверхности проходят по всей ширине L на всем угловом протяжении замка 40.

Замок 40 надевается на рельс 38 корпуса и на окружной выступ 34 сектора кольца с некоторым предварительным механическим напряжением в радиальном направлении. Для этого расстояние в радиальном направлении между окружными стенками 42, 44 замка, в не установленном состоянии, (что соответствует радиальному размеру раскрытия замка), меньше, например, примерно на несколько десятых долей миллиметра, чем сумма толщины в радиальном направлении рельса 38 корпуса и заднего по потоку выступа 34 сектора. Таким образом, в процессе надевания замка в осевом направлении на рельс 38 и задний по потоку выступ 34 сектора этот замок 40 подвергается упругой деформации в радиальном направлении в результате разведения его окружных стенок 42, 44. В монтажном положении замка и в состоянии покоя турбомашины вся площадь поверхностей 48, 50 опирается на рельс 38 корпуса и на выступ 34 сектора соответственно.

В процессе функционирования, сектор 22 кольца подвергается воздействию значительного градиента температуры в радиальном направлении, что выражается в "разгибании" этого сектора кольца, радиус кривизны которого при этом становится более значительным, чем в состоянии отсутствия напряжения, причем его радиус кривизны становится более значительным, чем радиус кривизны рельса 38 корпуса. На фиг.3 сплошной линией представлена форма и расположение заднего по потоку выступа 34 сектора кольца в свободном состоянии, то есть без напряжения, и пунктирной линией - в "разогнутом" положении. Такое "разгибание" сектора кольца вызывает радиальное перемещение J внутрь окружного выступа 34 сектора кольца, причем это перемещение J изменяется вдоль окружного размера сектора и имеет максимальную величину на уровне средней части этого сектора, что влечет за собой модификацию зон радиальной опоры между замком 40 и рельсом 38 и выступом 34. При этом внутренняя стенка 44 замка опирается на выступ 34 сектора кольца в зоне 52, располагающейся на уровне средней части этой стенки, и наружная стенка 42 замка опирается на рельс 38 корпуса в зонах 54, располагающихся на уровне концевых частей этой стенки 42. При этом усилия, передаваемые сектором кольца и рельсом корпуса, проходят только через некоторую часть опорных поверхностей 48, 50 стенок замка, что влечет за собой значительную концентрацию механических напряжений на соответствующих частях замка, которые не приспособлены для восприятия таких напряжений, и выражается в сокращении срока службы этого замка.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить, по меньшей мере частично, упомянутые выше недостатки посредством замка, средства опоры которого локализованы в предварительно определенных частях его внутренней и наружной стенок, причем эти части проектируются таким образом, чтобы постоянно оставаться в контакте с выступом сектора кольца и с рельсом корпуса.

В примере реализации, представленном на фиг.4, стенки 142, 144 замка содержат, со стороны, противоположной радиальной стенке 146, вырезы 158, которые проходят в окружном направлении на некоторой части ширины L замка и которые ограничивают части 160 большего размера в осевом направлении, и части 162 меньшего размера в осевом направлении.

Наружная стенка 142 замка 140 содержит, по существу, посередине вырез 158, который образует среднюю часть 162 меньшего осевого размера, и который отделяет одну от другой две концевые части 160 большего осевого размера.

Внутренняя стенка 144 замка содержит вырез 158 на каждом из своих концов таким образом, чтобы сформировать две концевые части 162 меньшего осевого размера, отделенные одна от другой при помощи средней части 160 большего осевого размера.

Части 160 большего осевого размера содержат средства опоры на рельс 38 корпуса и на выступ 34 сектора кольца. Средняя часть 160 внутренней стенки 144 содержит наружную опорную поверхность 150, которая проходит по всему размеру этой части в окружном направлении и которая предназначена для того, чтобы находиться в контакте со средней частью выступа 34 сектора кольца. Каждая концевая часть 160 наружной стенки 142 содержит внутреннюю опорную поверхность 148, которая проходит по всей окружной протяженности этой части и которая предназначена для того, чтобы находиться в контакте с соответствующей частью рельса 38 корпуса.

В представленном здесь примере реализации вырезы 158 проходят вдоль свободных окружных кромок стенок 142, 144 замка и имеют относительно небольшую глубину в осевом направлении, которая определяется, например, таким образом, чтобы устранить соответствующие части опорных поверхностей замка 40 из предшествующего уровня техники.

Средняя часть 160 внутренней стенки 144 замка проходит, например, на протяженности d1 в окружном направлении, которая составляет примерно треть ширины L этого замка. Концевые части 160 наружной стенки 142 замка проходят, каждая, на протяженности d2 в окружном направлении, которая составляет примерно четверть ширины L этого замка.

В представленной здесь специфической конфигурации средств опоры замков 140 ступени опорные поверхности 150 внутренних стенок 144 замков располагаются в шахматном порядке с опорными поверхностями 148 наружных стенок 142 этих замков. При этом обеспечивается сохранение материала на уровне зон 52, 54 стенок замка 40 из предшествующего уровня техники, что обеспечивает постоянный контакт средств опоры на рельсе корпуса и выступе сектора кольца в процессе функционирования турбомашины. При этом упомянутые части могут быть спроектированы таким образом, чтобы надежно противостоять усилиям, передаваемым выступом и рельсом. Вырезы в данном случае главным образом выполняют функцию снижения веса замка. Эти вырезы позволяют также сделать замок более податливым на изгиб таким образом, чтобы этот замок имел возможность лучше следовать перемещениям сектора кольца при функционировании.

В варианте реализации, представленном на фиг.5, внутренняя стенка 244 замка выполнена идентичной внутренней стенке замка 140, показанного на фиг.4.

При этом наружная стенка 242 замка содержит вырез 258 на каждой из своих концевых частей таким образом, чтобы сформировать две концевые части меньшего осевого размера, отделенные одна от другой при помощи средней части стенки 242 большего осевого размера.

Средняя часть 260 внутренней стенки 244 содержит наружную поверхность 250 опоры на среднюю часть выступа 34 сектора кольца, и средняя часть 260 наружной стенки 242 содержит внутреннюю поверхность 250 опоры на соответствующую часть рельса 38 корпуса.

Вырезы 258 внутренней стенки 244 замка выполнены по существу идентичными вырезам наружной стенки 242. Средние части 260 внутренней и наружной стенок замка имеют, каждая, размер d1, d2' в окружном направлении, который составляет примерно треть ширины L замка.

В конфигурации, представленной на фиг.5, средства опоры замков 140 ступени выполнены таким образом, чтобы опорные поверхности 250 внутренних стенок замков были выровнены в радиальном направлении на одной линии с опорными поверхностями 250 наружных стенок замков и размещались на уровне средних частей этих замков. Средние части каждого замка, которые надеваются с некоторым предварительным радиальным напряжением на рельс корпуса и на выступ сектора кольца, препятствуют разгибанию секторов колец при функционировании и противодействуют, таким образом, радиальному перемещению в направлении внутрь средней части этого сектора кольца. Таким образом, средние части замка в данном случае сформированы и, в частности, усилены по сравнению с предшествующим уровнем техники так, чтобы выдерживать напряжения, передаваемые сектором кольца при функционировании.

В соответствии с еще одним вариантом реализации, представленным на фиг.6, наружная стенка 342 замка 340 выполнена идентичной наружной стенке 148 замка 140, показанного на фиг.4.

Внутренняя стенка 344 этого замка содержит, по существу, посередине вырез 358, который формирует среднюю часть меньшего осевого размера и который отделяет друг от друга две концевые части большего осевого размера.

Части 360 большего осевого размера содержат поверхности 348, 350 опоры на рельс 38 корпуса и на выступ 34 сектора кольца соответственно.

Концевые части 360 стенок 342, 344 замка имеют, каждая, размер d1', d2 в окружном направлении, который составляет примерно четверть ширины L замка.

В этой конфигурации средства опоры и средства стягивания в радиальном направлении локализованы на концевых частях сектора кольца и на соответствующих частях рельса корпуса. Таким образом, средняя часть сектора кольца не находится в контакте с замком и имеет возможность свободно перемещаться в радиальном направлении в процессе функционирования турбомашины без передачи напряжений на замок 340, который, таким образом, имеет более продолжительный срок службы.

Как и в способе реализации, представленном на фиг.5, опорные поверхности 350 внутренней стенки замка также выровнены на одной линии в радиальном направлении с опорными поверхностями 348 наружной стенки. При этом количество опорных поверхностей 348, 350 замка, показанного на фиг.6, равно четырем против двух опорных поверхностей для замка, показанного на фиг.5.

В соответствии с вариантом реализации, показанным на фиг.7, наружная стенка 442 замка 440 выполнена идентичной наружной стенке 242 замка 240, показанного на фиг.5, и его внутренняя стенка 444 выполнена идентичной внутренней стенке 344 замка 340, показанного на фиг.6.

Этот замок 440 по существу обладает теми же свойствами, что и замок 340, показанный на фиг.6. Стенки этого замка 440 имеют формы, по существу обратные или противоположные формам стенок замка 140, показанного на фиг.4.

Ширина L замков 140, 240, 340, 440 является по существу идентичной ширине замка 40 из предшествующего уровня техники.

1. Ступень турбомашины, в частности, ступень турбины или компрессора, содержащая по меньшей мере один лопаточный диск (18), окруженный разделенным на секторы кольцом (20), закрепленным на корпусе (16) и содержащим окружной выступ (34), прижимаемый в радиальном направлении на кольцевом рельсе (38) корпуса при помощи замков (140) с, по существу, C-образным сечением, которые надеваются в осевом направлении на упомянутый рельс корпуса и на упомянутый выступ кольца, причем каждый замок содержит две параллельные стенки (144, 142) окружной ориентации, соответственно внутреннюю и наружную, связанные между собой на одной из их окружных кромок при помощи третьей по существу радиальной стенки (146), причем эти внутренняя и наружная стенки замка содержат средства (150, 148) радиальной опоры соответственно на выступ кольца и на рельс корпуса, отличающаяся тем, что эти средства опоры проходят только на части ширины или угловой протяженности замка, причем внутренняя и наружная стенки замка содержат каждая на уровне другой из их окружных кромок по меньшей мере один вырез (158), который проходит в окружном направлении на по меньшей мере четверти ширины или угловой протяженности замка, причем невырезанные части (160) этих стенок содержат средства (148, 150) радиальной опоры.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя и наружная стенки (142, 144) замка содержат каждая по меньшей мере одну часть (160) большего размера в осевом направлении и по меньшей мере одну часть (162) меньшего размера в осевом направлении, причем одна или каждая часть большего размера содержит упомянутые средства (148, 150) радиальной опоры.

3. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что внутренняя стенка замка содержит среднюю часть меньшего осевого размера и концевые части большего осевого размера или среднюю часть (160) большего осевого размера и концевые части (162) меньшего осевого размера.

4. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что наружная стенка замка содержит среднюю часть большего осевого размера и концевые части меньшего осевого размера или среднюю часть (162) меньшего осевого размера и концевые части (160) большего осевого размера.

5. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что одна или каждая часть (160) большего осевого размера каждой стенки замка имеет ширину или угловую протяженность, которая составляет примерно половину ширины или угловой протяженности замка (140).

6. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что одна или каждая часть (160) большего осевого размера каждой стенки замка имеет ширину или угловую протяженность, которая составляет примерно треть ширины или угловой протяженности замка (140).

7. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что одна или каждая часть (160) большего осевого размера каждой стенки замка имеет ширину или угловую протяженность, которая составляет примерно четверть ширины или угловой протяженности замка (140).

8. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что части (162) меньшего осевого размера стенок замка сформированы вырезами (158) в этих стенках.

9. Компрессор турбомашины, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну ступень в соответствии с п.1.

10. Турбина турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, одну ступень в соответствии с п.1.

11. Турбомашина, такая, например, как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну ступень в соответствии с п.1.

12. Замок (140) для ступени турбомашины в соответствии с п.1, содержащий две параллельные стенки (144, 142) окружной ориентации, соответственно внутреннюю и наружную, связанные между собой на одной из их окружных кромок при помощи третьей по существу радиальной стенки (146) таким образом, чтобы этот замок имел поперечное сечение по существу C-образной формы, отличающийся тем, что внутренняя и наружная стенки содержат каждая на уровне другой из их окружных кромок по меньшей мере один вырез (158), который проходит в окружном направлении на по меньшей мере четверти ширины или угловой протяженности замка, причем невырезанные части (160) этих стенок содержат средства (148, 150) радиальной опоры.