Статор компрессора осевой турбомашины и компрессор осевой турбомашины - RU2561794C2

Чертежи

Описание

Предпосылки создания изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к осевой турбомашине. Точнее, настоящее изобретение относится к статору осевой турбомашины, содержащему сегментный внутренний корпус. Настоящее изобретение также относится к процессу сборки статора. Настоящее изобретение также относится к осевому компрессору.

Известный уровень техники

[0002] Для того, чтобы направлять кольцевой поток, осевая турбомашина оснащена соосными корпусами, определяющими внутреннюю и наружную части потока. В статоре, внутренние корпуса по существу соединены с концами лопаток статора. Они образуют цилиндрические стенки, содержащие отверстия, в которые установлены концы лопаток статора для их фиксации.

[0003] Отверстия имеют больший диаметр с тем, чтобы облегчить установку концов лопаток, при этом зазоры необходимо впоследствии уплотнять.

[0004] Для обеспечения уплотнения между ступенями компрессора слой истираемого материала расположен на каждой внутренней поверхности внутренних корпусов. Предполагается, что эти слои расположены заподлицо с концами радиальных ребер, выполненных на роторе. Сечение внутренних корпусов может иметь U-образную форму, содержащую внутренний кольцевой паз для удерживания слоя истираемого материала.

[0005] В патенте ЕР 2196629 А1 раскрыто внутреннее кольцо статора турбомашины, содержащего лопатки. Корпус имеет U-образное поперечное сечение, в котором углубление удерживает слой истираемого материала. Внутренний корпус содержит множество сегментов корпуса, соединенных торцом к торцу. Их границы содержат поверхности, предназначенные для сочетания с аэродинамическими поверхностями лопаток. Эти сегменты содержат выступы на одной стороне и углубления на другой стороне. Выступы на одном сегменте могут сопрягаться с углублениями соседнего сегмента так, что они могут входить во взаимное сцепление.

[0006] Благодаря относительной гибкости истираемого материала и конфигурации выступов, сегменты по существу являются подвижными относительно друг друга. Тем не менее, при эксплуатации подобный корпус подвергается частотным возбуждениям. Как следствие этого, во внутреннем корпусе могут появляться вибрации разрушительного характера. Кроме того, выступы и углубления имеют большую радиальную толщину, воздействующую на толщину сегментов. Данная потребность в увеличенном количестве материала увеличивает вес корпуса и, следовательно, влияет на его ответные вибрации.

Краткое изложение сущности изобретении

Техническая проблема

[0007] Цель настоящего изобретения заключается в решении по меньшей мере одной из проблем, присутствующих в известном уровне техники. В частности, цель настоящего изобретения заключается в улучшении вибрационных характеристик статора с сегментным внутренним корпусом. Цель настоящего изобретения также заключается в улучшении конструкции статоров, в частности применительно к соединениям между лопатками и внутренним корпусом.

Техническое решение

[0008] Настоящее изобретение относится к статору компрессора осевой турбомашины, содержащему кольцевой ряд лопаток, проходящих в радиальном направлении, внутренний корпус, сквозь который проходят внутренние концы лопаток, при этом указанный кольцевой корпус состоит из сегментов, расположенных торцом к торцу, при этом он дополнительно содержит по меньшей мере одну полосу, проходящую вдоль длины окружности вдоль внутренней поверхности корпуса и сопряженную со средствами сцепления на внутренних концах лопаток для их фиксации, при этом указанная одна или несколько полос проходят непрерывно вдоль по меньшей мере двух соседних кольцевых сегментов.

[0009] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения одна или несколько полос расположены на расстоянии от внутренней поверхности корпуса, при этом указанная поверхность предпочтительно покрыта слоем истираемого материала, заключающего в себе одну или несколько полос.

[0010] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения одна или несколько полос проходят по существу параллельно внутренней оболочке.

[0011] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения внутренний корпус содержит кольцевой паз, открытый внутрь, в котором находится слой истираемого материала.

[0012] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения слой истираемого материала является непрерывным на соединениях между сегментами.

[0013] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения, внутренний корпус изготовлен из металла или композитного материала.

[0014] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения полоса или по меньшей мере одна из полос имеет плоское сечение, при этом сечение предпочтительно является сплошным.

[0015] Согласно одному альтернативному варианту осуществления изобретения полоса или по меньшей мере одна из полос имеет круглое сечение, возможно, полоса или по меньшей мере одна из полос представляет собой проволоку или кабель.

[0016] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения полоса или каждая из полос проходит вдоль по меньшей мере четверги, предпочтительно трети, более предпочтительно половины, каждого из двух соседних кольцевых сегментов.

[0017] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения одна или несколько полос образуют разомкнутое кольцо.

[0018] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения средства для сцепления с внутренними концами лопаток содержат отверстия и/или крючки, сопряженные с одной или несколькими полосами.

[0019] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения средства сцепления удалены от краев корпуса, расположенных выше и ниже по потоку, при этом средства сцепления предпочтительно расположены по существу по центру корпуса в осевом направлении.

[0020] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения части средств сцепления, сопряженные с одной или несколькими полосами, имеют длину в осевом направлении, превышающую 100%, предпочтительно 200%, ширины одной или нескольких полос, с тем, чтобы позволить некоторые изменения позиционирования средств сцепления вдоль указанного направления.

[0021] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения одна или несколько полос имеют профиль, соответствующий профилю корпуса.

[0022] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения профиль одной или нескольких полос между двумя соседними лопатками соответствует профилю корпуса.

[0023] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения корпус содержит по меньшей мере четыре кольцевых сегмента, при этом полоса или одна из полос проходит по меньшей мере вдоль четверти внутреннего корпуса, предпочтительно по меньшей мере вдоль половины внутреннего корпуса, более предпочтительно вдоль всей длины внутреннего корпуса.

[0024] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения полоса изготовлена из металлического материала, предпочтительно титана, стали или алюминия.

[0025] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения, средства для сцепления с внутренними концами лопаток содержат крючки, в которых шейка ориентирована в осевом направлении.

[0026] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения в шейке крючков расположен выступ, предназначенный для у держания одной или нескольких полос в осевом направлении.

[0027] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения крючки могут представлять собой выемки, выполненные в поперечном направлении на внутренних концах лопаток.

[0028] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения статор содержит граничные уплотнения в местах соединения отверстий и концов лопаток, буртики которых проходят в радиальном направлении внутрь от внутренней поверхности внутреннего корпуса, при этом одна или несколько полос находятся на расстоянии от уплотнений.

[0029] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения ширина сечения одной или нескольких полос превышает 10% ширины сечения внутреннего корпуса, предпочтительно превышает 20%, даже более предпочтительно превышает 30%.

[0030] Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения статор содержит несколько полос, концы которых перекрывают друг друга в радиальном направлении, и эти концы могут быть сварены в местах перекрывания. В качестве альтернативы статор может содержать несколько полос, концы которых находятся на расстоянии друг от друга.

[0031] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения материал одной или нескольких полос по существу не подвержен пластическим деформациям.

[0032] Настоящее изобретение также относится к компрессору, в том числе к компрессору осевой турбомашины, содержащему по меньшей мере один статор, оснащенный лопатками, при этом статор или по меньшей мере один из статоров выполнен согласно настоящему изобретению, при этом компрессор предпочтительно представляет собой компрессор низкого давления.

Заявленное преимущество

[0033] Настоящее изобретение может существенно модифицировать частотную характеристику внутреннего корпуса путем изменения жесткости в местах соединения двух сегментов, Полоса остается гибкой и не образует какого-либо элемента жесткости, полностью блокирующего места соединения сегментов. Вариант сохранения определенной гибкости является достаточным для сдерживания вибраций внутреннего корпуса, носящих разрушительный характер.

[0034] Полоса по существу является тонкой. Она остается легкой, что не изменяет массу или инерцию корпуса путем воздействия на его частотную характеристику при частотном возбуждении. Настоящее изобретение воздействует на низкочастотные вибрации, являющиеся наиболее разрушительными. Выбор тонкой и леткой полосы является целесообразным, поскольку она служит дополнением к истираемому слою, чью потенциальную вязкоупругость можно использовать для амортизации высокочастотных вибраций.

[0035] Настоящее изобретение использует наличие лопаток для улучшения скрепляющих воздействии одной или нескольких полос и, одновременно, собственных скрепляющих свойств лопаток. Таким образом, конструкция в сборе является более жесткой и предотвращает низкочастотные вибрации. Таким образом, настоящее изобретение облегчает сборку статора.

Краткое описание графических материалов

[0036] На фиг. 1 показана осевая турбомашина согласно изобретению.

[0037] На фиг. 2 показан вид в разрезе компрессора турбомашины по фиг. 1 согласно изобретению.

[0038] На фиг. 3 показаны два кольцевых сегмента статора компрессора по фиг. 1, при этом статор выполнен согласно изобретению.

[0039] На фиг. 4 показан вид в разрезе корпуса статора, изображенного на фиг. 3.

Описание вариантов осуществления

[0040] В следующем описании термины "внутренний" и "наружный" или "внешний" относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины.

[0041] На фиг. 1 показана осевая турбомашина. В данном случае она представляет собой двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую ступень сжатия, так называемый компрессор 4 низкого давления, вторую ступень сжатия, так называемый компрессор 6 высокою давления, камеру сгорания 8 и одну или несколько ступеней 10 турбины. При эксплуатации, механическая энергия турбины 10 передается по центральному валу к ротору 12 и приводит в действие два компрессора 4 и 6. Редукторные механизмы могут увеличивать скорость вращения, передаваемую компрессорам. Кроме этого, разные ступени турбины могут быть соединены со ступенями компрессора посредством соосных валов. Компрессоры содержат несколько рядов лопаток ротора, соответствующих рядам лопаток статора. Таким образом, вращение ротора генерирует поток воздуха и постепенно сжимает его по направлению к впускному отверстию камеры 10 сгорания.

[0042] Впускной вентилятор, часто называемый "турбовентилятор" 16, соединен с ротором 12 и генерирует воздушный поток, который делится на внутренний контур 18, проходящий сквозь различные ступени турбомашины, упомянутые выше, и наружный контур 20, проходящий сквозь кольцевой канал (изображен частично) вдоль длины машины, и затем обратно соединяется в основной поток в выпускном отверстии турбины. Внутренний контур 18 и наружный контур 20 представляют собой кольцевые контуры и направлены сквозь кожух турбомашины. Для этого кожух имеет цилиндрические стенки или корпусы, которые могут быть внутренними или наружными.

[0043] На фиг 2 показан вид в сечении компрессора 4 низкого давления осевой турбомашины 2. такой как изображена на фиг. 1. Видна часть турбовентилятора 18, а также разделительная кромка 22 между внутренним 18 и наружным 20 потоками воздуха. Ротор 12 содержит несколько рядов лопаток 24 ротора, например три ряда.

[0044] Компрессор 4 низкого давления содержит несколько статоров, например, четыре статора, каждый из которых содержит ряд лопаток 26 статора. Статоры соответствуют вентилятору 16 или ряду лопаток ротора для выпрямления воздушного потока с тем, чтобы преобразовывать скоростной напор потока в давление.

[0045] Статор лопатки 26 проходит по существу в радиальном направлении от наружного кожуха и может быть зафиксирован штифтом. Они могут быть расположены на равном расстоянии друг от друга и направлены под одинаковым углом к потоку. Преимущественно, эти лопатки являются идентичными. Необязательно, расстояние между лопатками, а также их угол относительно потока могут изменяться в определенном месте. Некоторые лопатки в ряду могут отличаться от остальных.

[0046] Каждый статор содержит внутренний корпус 28 для направления внутреннего контура 18. Каждый корпус 28 сдержит кольцевой ряд отверстий. Они равномерно распределены по длине окружности внутренних корпусов и внутренние концы лопаток проходят сквозь них для фиксации корпуса. Внутренние корпусы 28 имеют U-образное поперечное сечение, в котором полая часть направлена внутрь. Внутренние корпусы 28 могут быть изготовлены из металла, например, титанового сплава или из композитного материала.

[0047] Каждый статор содержит кольцевой слой истираемого материала 30, размещенный в полостях внутренних корпусов 28. Истираемые слои 30 могут иметь по существу постоянную толщину с тем, чтобы образовывать ленту. Эти истираемые слои 30 предназначены для сопряжения путем истирания с манжетными уплотнениями или кольцевыми ребрами с тем, чтобы обеспечивать уплотнение. Слои истираемого материала действуют в качестве наполнителя и могут быть структурными.

[0048] На фиг. 3 показана часть статора компрессора по фиг. 2. Внутренний корпус 28 по существу выполнен из множества кольцевых сегментов 32. Он разделен па кольцевые секторы или кольцевые сегменты, предпочтительно равной длины. Кольцевые сегменты 32 являются дугообразными. Каждый из них содержит множество отверстий 34, в которые установлены внутренние концы лопаток 26 статора. Например, каждый кольцевой сегмент 32 может быть соединен с четырьмя лопатками 26. Тем не менее, он может быть соединен с большим или меньшим количеством лопаток. Кольцевые сегменты имеют U-образное сечение внутреннего корпуса 28, при этом их полая внутренняя часть вмещает кольцевой слой истираемого материала (не изображен).

[0049] Между кольцевыми сегментами 32 имеются зазоры. Они могут быть расположены вблизи друг друга или на некотором расстоянии друг от друга. Тем не менее, они представляют собой одно целое, благодаря слою истираемого материала. Данный стой образует физическую границу 36 между соседними кольцевыми сегментами. Необязательно, конец лопатки может проходить через границу между кольцевыми сегментами 32.

[0050] Кольцевые сегменты 32 являются по существу жесткими относительно слоя истираемого материала, так что в случае деформации или вибрации внутреннего корпуса 28, любая деформация концентрируется в части слоя истираемого материала, расположенной на границе 36 между кольцевыми сегментами 32.

[0051] В зависимости от условий эксплуатации вибрации могут усиливаться до такой степени, что статор может подвергаться критическим вибрациям, которые могут стать разрушительными. Для регулирования воздействия данных критических вибраций статор оснащен полосами 38, проходящими через границу 36 между кольцевыми сегментами 32. Они расположены в толще слоя истираемого материала 30.

[0052] Предпочтительно, одна или несколько одних и тех же полос проходят через несколько кольцевых сегментов. Необязательно, статор содержит одну полосу, проходящую вдоль всей длины его окружности.

[0053] Одна или несколько полос 38 содержат металлический материал. Сплав титана или алюминия может быть выбран для снижения веса. Для снижения затрат может быть использована какая-либо марка стали. Одна или несколько полос 38 могут представлять собой одну или несколько экструдированных полос, например, с прямоугольным поперечным сечением. Толщина подобной одной или нескольких полос может составлять менее 0.50 мм. и ширина может составлять от 2.00 мм до 10.00 мм. Одна или несколько полос также могут быть круглыми и могут содержать металлическую проволоку или кабель.

[0054] Полосы являются твердыми. При изготовлении они являются прямыми. Для установки в статор их изгибают таким образом, чтобы соответствовать кривизне внутреннего корпуса. Материалы, из которых они изготовлены, и их сечения придают им достаточную гибкость для эластичной деформации во время их сгибания в ходе сборки.

[0055] Внутренние копим лопаток 26 содержат средства 40 сцепления. Средства сцепления могут содержать отверстия и/или крючки 40. Они сцеплены с помощью крючков с одной или несколькими полосами 38 и также позволяют удерживать лопатки 26 в радиальном направлении относительно корпуса 28, и необязательно также фиксируют одну или несколько полос в осевом направлении. Крючки могут представлять собой поперечные выемки, выполненные на стороне лопатки, расположенной выше или ниже относительно направления потока, при этом выемка имеет по существу постоянную ширину.

[0056] На фиг. 4 показано поперечное сечение корпуса 28 статора по фиг. 3. Крючок 40 ограничивает полость 42, удлиненную в осевом направлении и способную вмещать полосу 38. Крючок 40 содержит шейку 42, расположенную в осевом направлении в полости для установки полосы в поперечном направлении относительно ее длины или вдоль оси статора. Выступ шейки 42 может образовывать сужение последней.

[0057] Форма шейки 42 обычно отрегулирована в соответствии с сечением полосы, так что ее форма подобна форме сечения полосы. Тем не менее, размер шейки больше размера сечения полосы. Данная особенность позволяет ей приспосабливаться к изменениям расположения лопаток, и в частности их крючков 40. Максимальное изменение осевого расположения крючка 40 может превышать 3.00 мм относительно номинального положения. Максимальное изменение радиального расположения крючка 40 может превышать 2.00 мм относительно номинального положения.

[0058] Один из крючков 40 может не соприкасаться с полосой. Один из крючков 40 может соприкасаться с полосой по существу в осевом или радиальном направлении.

[0059] Одна или несколько полос 38 расположены в глубине слоя истираемого материала 30. Одна или несколько полос расположены в середине истираемого слоя, благодаря чему слой со всех сторон охватывает одну или несколько полос. Одна или несколько полос образуют сердцевину в слое истираемого материала и изменяют его свойства. Таким образом, одна или несколько полос могут изменять эластичность физического соединения, образованного слоем истираемого материала 30.

[0060] Масса одной или нескольких полос является незначительной по сравнению с суммарной массой корпуса и истираемого слоя. Данная масса составляет менее 5% суммарной массы корпуса и истираемого слоя, предпочтительно менее 1%. Таким образом, добавление одной или нескольких полос несущественно изменяет массу всей конструкции и не создает новых критических частот. Ели масса была увеличена, могут возникать новые критические частоты, ниже уже существующих. Эти новые частоты и их гармонические колебания увеличивают риск повреждения

[0061] Силиконовое уплотнение 44 образовано в месте соединения лопаток 26 и отверстий. Оно улучшает уплотнение и временно прижимает кольцевой сегмент 32 к лопаткам 26 в ходе сборки. Оно формирует буртик, образованный перед установкой одной или нескольких полос 38. Преимущественно, внутренняя сторона силиконового уплотнения 44 находится на расстоянии от одной или нескольких полос 38. Данный отличительный признак улучшает внедрение одной или нескольких полос в истираемый материал.

[0062] Конфигурация в целом является особенно предпочтительной, поскольку она обеспечивает легкую сборку статора. Подобный способ сборки основан на следующих этапах:

a) собирают или используют предварительно собранную кольцевую группу лопаток, пригнанных к внешнему носителю, при этом внутренний корпус пригнан к внутренним копнам лопаток;

b) устанавливают полосу во внутренние концы лопаток, при этом полоса расположена на осевой стороне шеек крючков. Каждый конец полосы соприкасается с внутренним концом лопатки, и ее центральная часть находится на некотором расстоянии от лопаток;

c) сгибают середину полосы 38, так что она начинает соприкасаться с внутренними концами лопаток по всей своей длине. Таким образом, полоса изогнута, располагаясь параллельно линии шеек крючков;

d) посредством скользящего движения в осевом направлении устанавливают полосу в крючки и затем отпускают ее;

e) вводят слой истираемого материала во внутренний корпус:

(0063] Следует отметить, что этапы b), с) и d) могут быть выполнены в течение нескольких секунд для полосы, соприкасающейся с дюжиной лопаток. Время установки сокращено, что снижает стоимость труда.

Реферат

Статор компрессора осевой турбомашины содержит кольцевую группу лопаток, проходящих в радиальном направлении, внутренний корпус, сквозь который проходят внутренние концы лопаток, и по меньшей мере одну полосу. Внутренний корпус содержит кольцевые сегменты, расположенные торцом к торцу. Полоса проходит вдоль длины окружности вдоль внутренней поверхности корпуса и сопряжена со средствами сцепления на внутренних концах лопаток для их фиксации. Полоса проходит непрерывно вдоль по меньшей мере двух соседних кольцевых сегментов и расположена на расстоянии от внутренней поверхности корпуса. Внутренняя поверхность корпуса покрыта слоем истираемого материала, заключающего в себе указанную полосу. Другое изобретение группы относится к компрессору низкого давления осевой турбомашины, содержащему указанный выше статор, оснащенный лопатками. Группа изобретений позволяет повысить жесткость конструкции статора компрессора осевой турбомашины и предотвратить его низкочастотные вибрации. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула