Устройство для ограничения превышения числа оборотов турбины в турбомашине

Устройство для ограничения превышения числа оборотов турбины в турбомашине, где турбина содержит ротор, выполненный из дисков с подвижными лопатками, неподвижные лопатки и средства разрушения лопаток дисков ротора в случае повреждения вала турбины. Средства разрушения неподвижны и переносятся неподвижными лопатками, размещенными между расположенным выше по потоку диском ротора и следующим диском этого ротора. Средства разрушения предназначены для подрезания лопаток расположенного выше по потоку диска ротора при смещении ротора ниже по потоку, происходящего в результате повреждения вала турбины. Изобретение позволяет повысить эффективность и надежность устройства, а также обеспечить простоту его конструкции и эксплуатации. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройству для ограничения превышения числа оборотов турбины в турбомашине, такой как турбореактивный двигатель, в случае повреждения вала турбины.

Повреждение вала турбины турбомашины, к счастью, очень нечасто встречающееся на практике, может произойти из-за неудовлетворительной подгонки или плохой защиты вала от окисления.

Во время повреждения этого вала, который соединяет ротор турбины с вентилятором турбомашины, подвижные лопатки турбины все еще приводятся во вращение газами, выходящими из камеры сгорания турбомашины, хотя и отсоединяются от вентилятора, который ограничивает их скорость вращения. В этом случае турбина теряет управление и уходит в «превышение числа оборотов», которое подвергает подвижные лопатки чрезмерным нагрузкам, способным привести к отрыву ротора с риском пробивания внешнего корпуса турбины и пробивания фюзеляжа летательного аппарата, оснащенного этой турбомашиной. Поэтому ограничение превышения числа оборотов является главным ограничением, которое должно соблюдаться в турбомашинах.

Известные устройства для ограничения превышения числа оборотов обычно используют смещение ротора турбины ниже по потоку, которое происходит в результате повреждения вала турбины и давления газов на лопатки ротора.

Уже предложены устройства для механического торможения ротора турбины, включающие в себя средства, установленные на роторе, и предназначенные для упора в соответствующие средства статора таким образом, чтобы тормозить ротор, вслед за его смещением ниже по потоку после повреждения вала турбины.

Недостатком этих устройств является то, что они относительно медленны, что работает против их эффективности.

Также было предложено подгонять направляющие лопатки статора, съемным или поворотным образом, так что ротор, во время его смещения ниже по потоку после повреждения вала турбины, опирается на эти лопатки и заставляет их поворачиваться подобно подвижным лопаткам, чтобы повредить их и, таким образом, уменьшить вращение турбины. Это известное решение является, тем не менее, сложным и дорогостоящим. Также необходимо обеспечить средство, предотвращающее поворот этих направляющих лопаток по причинам, отличным от повреждения вала турбины.

Более того, известные устройства обычно имеют в качестве недостатка увеличение общей массы турбины и изменение аэродинамического профиля его деталей.

Отдельной задачей изобретения является обеспечить простое, экономически выгодное и эффективное решение этих проблем и избежать недостатков предшествующего уровня техники.

Другой задачей изобретения является удовлетворить, достаточным образом, требования по надежности и быстроте устройства для ограничения превышения числа оборотов турбины в турбомашине.

С этой целью создано устройство для ограничения превышения числа оборотов турбины в турбомашине, причем турбина содержит ротор, выполненный из дисков, установленных на валу турбины и несущих подвижные лопатки, неподвижные лопатки, расположенные между дисками ротора, и средства разрушения лопаток дисков ротора в случае повреждения вала турбины, в котором эти средства разрушения неподвижны и переносятся неподвижными лопатками, размещенными между расположенным выше по потоку диском ротора и следующим диском этого ротора, и предназначены для подрезания лопаток расположенного выше по потоку диска ротора при смещении ротора ниже по потоку, происходящего в результате повреждения вала турбины.

Разрушенные лопатки отбрасываются на другие лопатки ротора и на лопатки статора турбины и вызывают их разрушение, которое предотвращает уход ротора в превышение числа оборотов, причем разрушенные лопатки больше не снабжают его механической энергией.

Устройство согласно изобретению, образованное неподвижными лопатками турбины, не изменяет поток газов в турбине и не снижает производительность турбомашины.

Средства разрушения устройства согласно изобретению зафиксированы, и поэтому гораздо легче производятся и вводятся в эксплуатацию, чем согласно предшествующему уровню техники.

Предпочтительно, средства разрушения переносятся или образованы расположенным выше по потоку периферийным венцом неподвижных лопаток. При этом средства разрушения могут содержать множество зубьев пилы, распределенных по периферии упомянутого венца.

Стойка подвижной лопатки обычно является наиболее хрупкой частью лопатки. Поэтому устройство согласно изобретению использует преимущество относительной хрупкости этой части лопатки, чтобы разрушить ее как можно быстрее в случае повреждения вала турбины. Предпочтительно, средства разрушения предназначены для подрезания стоек подвижных лопаток, примыкающих к хвостовикам лопаток. Средства разрушения могут проходить в направлении вверх по потоку и иметь осевой размер, равный, по меньшей мере, части осевого размера стоек подвижных лопаток, которые должны быть подрезаны, и достаточный для того, чтобы неразрезанная или неразрушенная часть подвижных лопаток подверглась нагрузке, по меньшей мере, равной ее предельной прочности на разрыв.

Средства разрушения, предпочтительно, выполняются за одно целое с одним или несколькими кольцевыми секторами неподвижных лопаток. Они могут быть выполнены в тоже время, что и неподвижные лопатки, что значительно снижает стоимость устройства согласно изобретению по сравнению с устройством предыдущего уровня техники.

Средства разрушения, предпочтительно, выполнены из материала с твердостью, большей, чем твердость подвижных лопаток, которые должны быть разрушены. Они также могут быть покрыты, по меньшей мере, частично абразивным материалом, который позволяет истирать части подвижных лопаток, которые должны быть разрушены, быстрее и эффективнее.

Предпочтительно, средства разрушения выполнены механической обработкой или литьем.

При этом турбина может представлять собой турбину низкого давления турбореактивного двигателя.

Устройство согласно изобретению особенно, но не исключительно предназначено для ограничения превышения числа оборотов турбины низкого давления в турбореактивном двигателе.

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения станут очевидными при прочтении следующего описания, данного в качестве неограничивающего примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - частичный схематичный вид осевого сечения турбины низкого давления турбореактивного двигателя, оснащенного устройством согласно изобретению;

фиг.2 - частичный схематичный вид осевого сечения турбины, показанной на фиг.1, в которой вал турбины сломан;

Фиг.3 - увеличенный схематичный вид части фиг.1, показывающий устройство для ограничения превышения числа оборотов турбины согласно изобретению;

Фиг.4 - вид сечения по линии IV-IV с фиг.3;

Фиг.5 - вид сечения по линии V-V с фиг.3;

Фиг.6 - схематичный вид осевого сечения устройства согласно изобретению, показывающий начало подрезания подвижных лопаток расположенного выше по потоку от диска;

Фиг.7 - вид, соответствующий фиг.6, показывающий разрушение подвижных лопаток расположенного выше по потоку диска.

Сначала будет сделана ссылка на фиг.1, которая является схематичным видом половины турбины низкого давления турбореактивного двигателя в плоскости, проходящей через ось 10 вращения ротора турбины.

Ротор турбины низкого давления содержит четыре диска 12, 14, 16, 18, собранных в осевом направлении относительно друг друга кольцевыми фланцами 20 и несущих отдельные лопатки 22, которые установлены хвостовиками лопаток, например, соединением типа ласточкина хвоста или подобным, на их внутреннем по радиусу конце на внешнюю периферию дисков 12, 14, 16, 18. Ротор присоединен к валу 24 турбины с помощью приводного конуса 26, закрепленного посредством кольцевого фланца 28 между кольцевыми фланцами 20 дисков 14 и 16 ротора турбины низкого давления.

Между подвижными лопатками 22 находятся неподвижные лопатки 30, которые установлены подходящими средствами на их внешнем по радиусу конце на корпус 31 турбины низкого давления. Неподвижные лопатки 30 соединены друг с другом у их внутренних по радиусу концов кольцевыми секторами 32, помещенными непрерывной цепью.

Расположенные выше или ниже по потоку периферийные выступы или венцы 34 выполнены выступающими в осевом направлении от кольцевых секторов 32. Эти венцы 34 взаимодействуют с другими периферийными выступами или венцами 36, расположенными выше и ниже по потоку от лопаток 22 дисков 12, 14, 16, 18 ротора, чтобы ограничить проход продуктов горения, выходящих из камеры сгорания вверх по потоку турбины, в радиальном направлении снаружи внутрь, и наоборот холодного воздуха в радиальном направлении изнутри наружу.

Устройство для ограничения превышения числа оборотов турбины низкого давления согласно изобретению переносится или образуется расположенным выше по потоку венцом 34 первых лопаток или расположенными выше по потоку неподвижными лопатками 30, на который часть хвостовиков лопаток 22 расположенного выше по потоку диска 12 предназначена опираться при смещении ротора ниже по потоку, происходящего в результате повреждения, обозначенного позицией 38, вала 24 турбины и давления, оказываемого продуктами сгорания на лопатки 22 дисков 12, 14, 16, 18 ротора (см. фиг.2).

Осевой зазор 40 (см. фиг.1) между верхним по потоку венцом 34 первых неподвижных лопаток 30 и упомянутой частью хвостовиков лопаток 22 первого диска 12 меньше, чем осевой зазор между другими дисками 14, 16, 18 ротора и другими неподвижными лопатками 30, так чтобы контакт или столкновение между ротором и статором происходило, прежде всего, между этим венцом 34 и упомянутой частью хвостовиков 22 лопаток во время смещения ротора турбины ниже по потоку, если происходит повреждение вала 24.

Как лучше видно из фиг. 3 и 4, части лопаток, содержащиеся между пластинами лопаток и хвостовиками лопаток, содержат радиальные ребра или стойки 42 на расположенной ниже по потоку стороне, которые обычно имеют толщину несколько миллиметров и находятся в радиальном направлении на уровне верхнего периферийного венца 34 первых неподвижных лопаток. Этот венец 34 образует средства разрушения стоек 42 первых подвижных лопаток 22 в случае повреждения вала 24, и он может быть при необходимости укреплен для этой цели. Его осевая длина, выступающая в направлении выше по потоку, должна позволять подрезать достаточную часть стойки 42, чтобы нагрузка на оставшуюся часть стойки 42, была, по меньшей мере, равной или большей, чем предельная прочность на разрыв материала лопаток 22, чтобы обеспечить разрушение этих лопаток.

Венец 34, полученный литьем, может быть завышенного размера по толщине, чтобы иметь достаточную прочность, и он может быть механически обработан для улучшения его способности подрезать стойки 42. В частности, возможно нанести на этот венец 34 покрытие твердого и/или абразивного материала (имеющего твердость, равную или большую, чем твердость материала подвижных лопаток 22) и он может быть выполнен в форме зубьев пилы, литьем или механической обработкой, как показано на фиг.5.

На этом чертеже неподвижные лопатки 30 содержат периферийное соединение нескольких кольцевых секторов 32, верхние венцы 34 которых выполнены с множеством зубьев 44 пилы, чья форма и ориентация определены направлением вращения 46 подвижных лопаток 22 относительно неподвижных лопаток 30. В примере показано, что каждый зуб 44 пилы содержит кромку 48, по существу параллельную оси 10 турбины и примыкающую к режущей кромке 50, которая проходит в периферийном направлении и которая соединяется с основанием следующего зуба наклонной кромкой 52.

Устройство согласно изобретению функционирует следующим образом. Стойки 42 лопаток 22 расположенного выше по потоку диска 12 приходят в соприкосновение с расположенным выше по потоку венцом 34 первых неподвижных лопаток 30 от начала смещения в направлении ниже по потоку ротора турбины, следующего за повреждением вала 24 турбины. Так как ротор продолжает вращаться вокруг оси 10, средства разрушения, расположенные на или образованные венцом 34, подрезают часть стоек 42, как показано на фиг.6. Лопатки 22 затем становятся достаточно хрупкими, чтобы сломаться (см. фиг.7) под воздействием давления продуктов сгорания и центробежной силы. Кусочки лопаток 22 расположенного выше по потоку диска 12 отбрасываются на неподвижные лопатки 30 статора и разрушают их также как неподвижные и подвижные лопатки других ступеней турбины.

Разрушение ротора турбины происходит очень быстро, обычно за период времени порядка одной десятой секунды после повреждения вала. Это разрушение устраняет любой риск превышения числа оборотов турбины и поэтому взрыва турбины и пробивания корпуса турбины и фюзеляжа летательного аппарата.

1. Устройство для ограничения превышения числа оборотов турбины в турбомашине, причем турбина содержит ротор, выполненный из дисков, установленных на валу турбины и несущих подвижные лопатки, неподвижные лопатки, расположенные между дисками ротора, и средства разрушения лопаток дисков ротора в случае повреждения вала турбины, в котором эти средства разрушения неподвижны и переносятся неподвижными лопатками, размещенными между расположенным выше по потоку диском ротора и следующим диском этого ротора, и предназначены для подрезания лопаток расположенного выше по потоку диска ротора при смещении ротора ниже по потоку, происходящего в результате повреждения вала турбины.

2. Устройство по п.1, в котором средства разрушения переносятся или образованы расположенным выше по потоку периферийным венцом неподвижных лопаток.

3. Устройство по п.2, в котором средства разрушения содержат множество зубьев пилы, распределенных по периферии упомянутого венца.

4. Устройство по п.1, в котором средства разрушения предназначены для подрезания стоек подвижных лопаток, примыкающих к хвостовикам лопаток.

5. Устройство по п.4, в котором средства разрушения проходят в направлении вверх по потоку и имеют осевой размер, равный, по меньшей мере, части осевого размера стоек подвижных лопаток, которые должны быть подрезаны, и достаточный для того, чтобы неразрезанная или неразрушенная часть подвижных лопаток подверглась нагрузке, по меньшей мере, равной ее предельной прочности на разрыв.

6. Устройство по п.1, в котором средства разрушения выполнены из материала с твердостью большей, чем твердость подвижных лопаток, которые должны быть разрушены.

7. Устройство по п.1, в котором средства разрушения покрыты, по меньшей мере, частично абразивным материалом.

8. Устройство по п.1, в котором средства разрушения выполнены механической обработкой или литьем.

9. Устройство по п.1, в котором турбина является турбиной низкого давления турбореактивного двигателя.