Крышка компрессора газотурбинного двигателя, содержащая осевой упор
Центробежный компрессор газотурбинного двигателя содержит крышку (100), корпус (30) и рабочее колесо (20). Крышка (100) включает в себя передний по потоку конец (40a) и задний по потоку конец (100b). Корпус (30) имеет передний по потоку край (32) и задний по потоку край (34). Рабочее колесо (20) с лопатками установлено с возможностью вращения в корпусе. Крышка выполнена с возможностью закрытия лопаток (28) рабочего колеса с образованием внешней поверхности канала (38) для потока газа, продолжающегося между передним по потоку и задним по потоку краями корпуса. Крышка прикреплена к переднему по потоку краю корпуса посредством ее переднего по потоку конца, а ее задний по потоку конец (100b) остается свободным. Крышка дополнительно содержит упор (102) для ограничения осевого перемещения ее заднего по потоку конца (100b) относительно заднего по потоку края (34) корпуса при работе компрессора. Предложенное техническое решение позволяет избежать контакта крышки с лопатками рабочего колеса во время работы в условиях ухудшения характеристик компрессора. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к области газовых турбин, в частности к газовым турбинам, устанавливаемым в турбомашинах, и, в качестве неограничивающего примера, но, не ограничиваясь только этим, в газотурбинных двигателях вертолета или в турбореактивных двигателях для летательных аппаратов.
Настоящее изобретение относится более конкретно к ступени сжатия таких газовых турбин, которые составляют основную силовую установку летательного аппарата.
Кроме того, более конкретно, настоящее изобретение относится к центробежному компрессору газотурбинного двигателя, содержащему:
крышку, включающую в себя передний по потоку конец и задний по потоку конец;
корпус, имеющий передний по потоку край и задний по потоку край; и
рабочее колесо с лопатками, выполненное с возможностью вращения в корпусе;
при этом крышка выполнена с возможностью закрытия лопаток рабочего колеса с образованием внешней поверхности канала для потока газа, продолжающегося между передним по потоку и задним по потоку краями корпуса, прикреплена к переднему по потоку краю корпуса посредством ее переднего по потоку конца, а ее задний по потоку конец остается свободным.
Обычно компрессор (см. патент США 4,687,412, F04D 29/42, 18.08.1978) размещают между впуском для внешнего воздуха и камерой сгорания, и его задача заключается в сжатии внешнего воздуха, входящего в газовую турбину, и перемещении сжатого воздуха в камеру сгорания для смешивания с топливом.
Кроме того, известно, что рабочее колесо содержит множество лопаток, продолжающихся по существу радиально от ступицы рабочего колеса, прикрепленной к вращающемуся валу газовой турбины.
Таким образом, газовый поток сначала входит в корпус компрессора через передний по потоку впуск и затем проходит по каналу для потока газа, образованному между внешней поверхностью, образованной крышкой, и внутренней поверхностью, образованной поверхностью ступицы рабочего колеса, будучи при этом сжатым и приводимым во вращение вокруг оси рабочего колеса прежде, чем быть выпущенным через задний по потоку выпуск компрессора, при этом подразумевается, что термин «передний по потоку» и «задний по потоку» применяется относительно направления потока газа в канале для потока газа через компрессор.
Обычно, поток сжатого газа, выходящего из рабочего колеса, далее входит в диффузор прежде, чем войти в камеру сгорания.
Таким образом, понятно, что крышка образует внешнюю поверхность канала для потока газа посредством внутренней поверхности канала, образованного поверхностью ступицы рабочего колеса, от которой продолжаются лопатки.
Для того чтобы управлять термомеханическими характеристиками крышки, ее задний по потоку конец обычно остается свободным, т.е. он не прикреплен к заднему по потоку краю корпуса.
Эта конфигурация предназначена для того, чтобы избежать неподвижно закрепленной крышки, что обеспечивает возможность контроля повреждения на всем протяжении зазоров между рабочим колесом и крышкой.
Однако это решение не является совершенным: могут появляться некоторые пониженные эксплуатационные качества компрессора, такие как, например, пульсация или другие неустойчивые явления, и могут приводить к резким изменениям давления внутри рабочего колеса компрессора.
Поскольку задний по потоку конец крышки является свободным, понятно, что она может немного деформироваться в результате изменений давления внутри компрессора и что такая деформация может приводить к тому, что крышка приходит в контакт с лопатками рабочего колеса. Когда давление внутри компрессора падает ниже действующего на внешней стороне крышки, крышка имеет тенденцию к деформации так, что входит в контакт с лопатками рабочего колеса. Эта деформация также может быть обусловлена вибрацией.
Естественно, это является очень неблагоприятным как для крышки, так и для рабочего колеса, если крышка входит в контакт с лопатками рабочего колеса, поскольку такой контакт может серьезно повредить компрессор.
Такое явление также может возникать, когда газовая турбина функционирует в экстремальных условиях.
Одним решением данной проблемы является увеличение зазора, который существует между крышкой и лопатками рабочего колеса. Однако такое решение имеет недостаток из-за снижения эффективности компрессора и, следовательно, ухудшения рабочих характеристик газовой турбины.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание крышки, которая позволяет избежать контакта с лопатками рабочего колеса во время работы в условиях ухудшения характеристик компрессора.
Настоящее изобретение решает данную задачу посредством того, что крышка дополнительно включает в себя упор для ограничения осевого перемещения ее заднего по потоку конца относительно заднего по потоку края корпуса при работе компрессора.
Предпочтительно упор расположен на заднем по потоку конце крышки.
В соответствии с настоящим изобретением посредством упора ограничивается осевое перемещение заднего по потоку конца крышки.
Задний по потоку конец крышки и задний по потоку край корпуса расположены так, что, когда задний по потоку конец крышки вплотную прилегает к заднему по потоку краю корпуса, еще остается зазор между лопатками рабочего колеса и крышкой, тем самым предпочтительно исключается контакт.
Предпочтительно крышка установлена так, чтобы оставлять регулируемую величину осевого зазора между задним по потоку концом крышки и задним по потоку краем корпуса.
Предпочтительно преимущественно кольцевой упор образует радиальное удлинение, продолжающееся от заднего по потоку конца крышки. Это удлинение, таким образом, продолжается ортогонально относительно оси рабочего колеса, когда крышка установлена в рабочем положении. В одном варианте, упор образован множеством радиальных выступов.
Таким образом, упор радиально закрывает периферийный участок края корпуса.
Предпочтительно задний по потоку конец крышки также содержит осевое удлинение, образующее кольцеобразный выступ, предназначенный для расположения почти заподлицо с задним по потоку краем корпуса, когда крышка установлена в рабочем положении.
Преимущество этого осевого удлинения заключается в обеспечении лучшего управления для перемещения воздуха по потоку дальше от рабочего колеса.
Таким образом, обеспечивается регулируемая малая величина радиального зазора между задним по потоку концом крышки и внутренним концом заднего по потоку края корпуса для того, чтобы ограничивать резкие изменения формы воздушного канала, где такие изменения являются вредными для эффективности компрессора.
Наконец, в настоящем изобретении также предлагается газовая турбина, в частности, для вертолета, которая включает в себя один или более компрессоров в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение станет более ясным для понимания, и его преимущества будут более очевидными при прочтении приведенного ниже описания варианта осуществления, изложенного в качестве неограничивающего примера. Данное описание ссылается на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1А представляет собой вид в разрезе вертолетного газотурбинного двигателя, включающего в себя компрессор, снабженный крышкой предшествующего уровня техники;
фиг.1В представляет собой подробный вид крышки согласно фиг.1А; и
фиг.2 иллюстрирует задний по потоку конец крышки в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.1А представляет собой общий вид в разрезе вертолетного газотурбинного двигателя 10, который является хорошо известным.
В этом примере газотурбинный двигатель 10 образован газовой турбиной, которая содержит компрессор 12, также называемый ступенью компрессора, впуск 14 для внешнего воздуха в компрессор 12 и камеру 16 сгорания, в которой смешивается топливо и воздух, сжатый компрессором 12.
Газотурбинный двигатель 10 также содержит турбину 18, присоединенную к рабочему колесу 20 с лопатками компрессора 12 посредством вала 22, при этом турбина 18 приводится в движение потоком выхлопного газа, выходящего из камеры 16 сгорания, и предназначена для приведения рабочего колеса 20 во вращение.
Наконец, газотурбинный двигатель 10 также содержит свободную турбину 24, которая приводится во вращение потоком газа, выходящего из турбины 18, при этом свободная турбина предназначена для приведения несущих винтов вертолета (не показаны) во вращение.
Рабочее колесо 20 с лопатками, которое относится к центробежному типу рабочего колеса, является по существу хорошо известным. Оно содержит ступицу 26, от которой радиально продолжается множество лопаток 28, которые могут иметь формы, которые являются криволинейными, при этом их радиальные концы размещены в геометрической огибающей поверхности, которая имеет форму гиперболоида вращения. Рабочее колесо 20 также имеет ось вращения А, и термин «осевой» используется по отношению к указанной оси.
Кроме того, компрессор 12 содержит корпус 30, который предпочтительно образует составную часть корпуса газотурбинного двигателя 10.
Корпус 30 является структурой, которая удерживает вместе элементы компрессора; поэтому рабочее колесо 20 выполнено с возможностью вращения в корпусе 30.
Корпус 30 имеет передний по потоку край 32 и задний по потоку край 34, при этом подразумевается, что термины «передний по потоку» и «задний по потоку» рассматриваются относительно направления движения газового потока внутри компрессора 20. Направление потока показано стрелками F на разных чертежах.
Из фиг.1В понятно, что газовый поток F входит в рабочее колесо 20 с лопатками в осевом направлении через передний по потоку впуск 33 и выходит из него радиально через выпуск 35 вблизи заднего по потоку края 34 корпуса 30 прежде, чем войти в диффузор 36. В этом примере задний по потоку край 34 корпуса 30 образован передним по потоку краем диффузора 36.
Понятно, что газовый поток проходит между лопатками 28 рабочего колеса 20 в канале 38 для потока газа, продолжающемся от переднего по потоку края 32 к заднему по потоку краю 34 корпуса 30.
Также видно, что канал 38 образован между поверхностью 26а, образованной ступицей 26, при этом лопатки 28 продолжаются от ступицы, и крышкой 40, образующей внешнюю поверхность канала 38.
Другим словами, крышка 40 закрывает лопатки 28 рабочего колеса 20 так, чтобы они продолжались между передним по потоку краем 32 корпуса и задним по потоку краем 34 корпуса 30, при этом по существу вписываясь в форму геометрической огибающей поверхности. Другими словами, зазор между каждой из лопаток 28 и крышкой 40 является малым.
Более конкретно, крышка 40 имеет передний по потоку конец 40а и задний по потоку конец 40b, причем передний по потоку конец 40а прикреплен к переднему по потоку краю 32 корпуса посредством крепежного элемента 42, при этом задний по потоку конец 40b является свободным.
Другими словами, задний по потоку конец 40b крышки 40 не прикреплен к заднему по потоку краю 34 корпуса 30.
В отличие от этого видно, что задний по потоку край 34 корпуса 30 непрерывно продолжает задний по потоку конец 40b крышки 40.
Поскольку крышка 40 прикреплена к корпусу только посредством переднего по потоку края 32, понятно, что она может деформироваться в основном на ее заднем по потоку конце 40b, который является свободным.
Далее будет продолжено описание крышки 100 центробежного компрессора 200 в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на фиг.2, которая иллюстрирует элемент газотурбинного двигателя согласно настоящему изобретению, при этом другие составные части газотурбинного двигателя 10 являются идентичными составным частям, описанным выше, и имеют одни и те же ссылочные позиции.
Как видно из фиг.2, по сравнению с предшествующим уровнем техники задний по потоку конец 100b крышки 100 согласно настоящему изобретению дополнительно включает в себя упор 102, образующий радиальное удлинение, которое продолжается ортогонально относительно оси А рабочего колеса 20.
Этот упор 102, который предпочтительно является кольцевым, служит для ограничения осевого перемещения заднего по потоку конца 100b крышки 100.
Для этого упор 102 имеет контактную поверхность 103, выполненную с возможностью плотного прилегания к заднему по потоку краю 34 корпуса 30, если задний по потоку конец 100b крышки 100 изгибается к лопаткам 28 рабочего колеса, тем самым предохраняя крышку 100 от любого дальнейшего деформирования и, таким образом, предпочтительно избегая какой-либо контакт крышки 100 и лопаток 28 рабочего колеса 20.
При нормальной работе предусматривается осевой зазор Ja между контактной поверхностью 103 и задним по потоку краем 34 корпуса 30.
Как видеть на фиг.2, задний по потоку конец 100b крышки 100 также включает в себя осевое утолщение 104, которое продолжается в противоположном направлении относительно контактной поверхности 103. Это осевое утолщение имеет кольцеобразную форму и служит для усиления механической прочности упора 102, который подвергается механическому напряжению, когда он контактирует с задним по потоку краем 34 корпуса 30.
Кроме того, задний по потоку конец 100b также включает в себя осевое удлинение 106 в форме кольцеобразного выступа, который выполнен так, чтобы находиться по существу заподлицо с задним по потоку краем 34 корпуса 30. Более конкретно, обеспечивается небольшой радиальный зазор Jr между этим кольцеобразным выступом 106 и задним по потоку краем 34 для того, чтобы предотвратить возмущение потока газа в зазоре, который существует между задним по потоку концом 100b крышки 100 и задним по потоку краем 34 корпуса 30.
Предпочтительно кольцеобразный выступ 106 расположен так, чтобы иметь радиальную высоту, которая является больше, чем высота задней кромки лопаток.
Предпочтительно внутренняя поверхность крышки 100 около рабочего колеса покрывается абразивным материалом, по существу известным, для того, чтобы избежать повреждение крышки и лопаток в случае, если они входят в контакт.
1. Центробежный компрессор газотурбинного двигателя, содержащий:
крышку, включающую в себя передний по потоку конец (40a) и задний по потоку конец (100b);
корпус (30), имеющий передний по потоку край (32) и задний по потоку край (34); и
рабочее колесо (20) с лопатками, установленное с возможностью вращения в корпусе;
при этом крышка выполнена с возможностью закрытия лопаток (28) рабочего колеса с образованием внешней поверхности канала (38) для потока газа, продолжающегося между передним по потоку и задним по потоку краями корпуса, прикреплена к переднему по потоку краю (32) корпуса посредством ее переднего по потоку конца, а ее задний по потоку конец (100b) остается свободным, отличающийся тем, что крышка дополнительно содержит упор (102) для ограничения осевого перемещения ее заднего по потоку конца (100b) относительно заднего по потоку края (34) корпуса при работе компрессора.
2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что упор (102) образует радиальное удлинение, продолжающееся от заднего по потоку конца крышки.
3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что упор (102) выполнен кольцеобразным.
4. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что упор (102) образован множеством радиальных выступов.
5. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что задний по потоку конец (100b) крышки дополнительно содержит осевое удлинение (106), образующее кольцеобразный выступ.
6. Газотурбинный двигатель, включающий в себя центробежный компрессор (200) по п.1.
