Гибкая заслонка сопла с переменным сечением газотурбинного двигателя и сопло газотурбинного двигателя - RU2341673C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к области сопел с переменным сечением и, более конкретно, касается сопла, образованного кольцом заслонок.

Уровень техники

Известны различные сопла с переменным сечением для газотурбинного двигателя, основанные на использовании заслонок, изменяющих свое положение под действием соответствующих средств управления (см., например, патентные заявки США № 20020073691, F02K 001/06, 20.06.2002 и № 20020158146, F02K 001/06, 31.10.2002). В качестве наиболее близкого аналога настоящего изобретения может быть выбрано сопло с переменным сечением для газотурбинного двигателя по патенту США №4128208, В64С 15/08, 5.12.1978. Известное сопло образовано кольцом заслонок, включая управляемые заслонки, которые приводятся в движение средствами управления (силовыми гидроцилиндрами) для изменения профиля потока турбореактивного двигателя.

Схожий известный вариант осуществления сопла 10 с переменным сечением для газотурбинного двигателя изображен на фиг.7. Данное сопло также образовано кольцом заслонок и содержит управляемые заслонки 12, 14 и ведомые заслонки 16.

Управляемые заслонки приводятся в движение непосредственно средствами управления с целью изменения профиля первичного потока турбореактивного двигателя (т.е. выходного сечения или характерных сечений в зависимости от того, идет ли речь о простом сужающемся сопле или о сужающемся/расширяющемся сопле). В рассматриваемой конфигурации эти средства управления содержат управляющий силовой цилиндр 18, соединенный с более или менее сложной кинематической системой, приводящей в движение коромысла 20, вилки 22 шарнирного соединения или, например, систему из кольца, эксцентриков и роликов.

Ведомые заслонки, расположенные радиально с внутренней стороны от управляемых заслонок, упираются в управляемые заслонки, расположенные по обе стороны от их продольных краев, и обеспечивают таким образом непрерывность (герметичность) основного канала (вследствие чего эти ведомые заслонки также называют уплотняющими заслонками) в процессе работы сопла при любом сечении отверстия.

В зависимости от конкретного выполнения средств управления и, в частности, их кинематики в процессе работы проявляются более или менее явно выраженные деформации, порождающие значительную разницу отклонения различных управляемых заслонок, т.е. углов, которые каждая из этих управляемых заслонок образует по отношению к оси двигателя.

Вследствие этого ведомые заслонки подвергаются значительным напряжениям (изгиба и кручения), т.к. их продольные (параллельные оси сопла) края должны следовать линиям, не лежащим в одной плоскости. Однако поскольку эти ведомые заслонки не могут деформироваться в достаточной степени, чтобы сохранить контакт со смежными управляющими заслонками, будучи, как показано на фиг.7, короткими и монолитными, на уровне каждой из этих ведомых заслонок возникает явление провисания. Это провисание порождает утечку 26 первичного потока в поперечном направлении, что приводит к ухудшению аэродинамических характеристик газотурбинного двигателя (см. фиг.8).

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в предложении конструкции ведомой заслонки, обладающей достаточной гибкостью для компенсации расхождений между управляемыми заслонками. Целью изобретения также является создание гибкой ведомой заслонки, способной выдержать значительные уровни температурной нагрузки и давления.

Для решения поставленной задачи предлагается гибкая ведомая заслонка для сопла с переменным сечением газотурбинного двигателя, расположенная между двумя соседними управляемыми заслонками, к которым она прикреплена средствами крепления. Ведомая заслонка по изобретению характеризуется тем, что содержит независимые поперечные ячейки, установленные одна рядом с другой на поддерживающем листе. При этом ячейки соприкасаются выступающими наружу продольными бортиками и крепятся к поддерживающему листу поперечными бортиками, вставленными в продольные бортики поддерживающего листа.

Данная конструкция позволяет практически полностью исключить появление течей между заслонками и напряжения, связанные с деформацией. Срок службы заслонок продлевается, а стоимость их изготовления уменьшается.

Продольные бортики поддерживающего листа, в которые вставлены поперечные бортики ячеек, ограничивают зону соприкосновения с соседними управляемыми заслонками и содержат крепежные выемки (вырезы) для удержания поперечных ячеек, причем в каждый вырез входят концы выступающих наружу продольных бортиков двух соседних ячеек.

В оптимальном варианте одна из указанных поперечных ячеек дополнительно содержит поперечную фиксирующую планку, предназначенную для удержания ведомой заслонки в состоянии покоя. Эта фиксирующая планка образует поперечную конечную пластину короткой стойки, выступающей в радиальном направлении от продольного бортика указанной поперечной ячейки.

Данная поперечная ячейка предпочтительно является крайней ячейкой ведомой заслонки, а поддерживающий лист изготовлен из металлической пластины из относительно гибкого материала, устойчивого к высоким температурам.

Изобретение также охватывает сопло с переменным сечением для газотурбинного двигателя, содержащее гибкие ведомые заслонки, подобные вышеописанным.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:

- фиг.1 изображает в перспективе гибкую ведомую заслонку по изобретению;

- фиг.2 изображает в перспективе гибкую ведомую заслонку по фиг.1, упирающуюся в управляемую заслонку сопла с переменным сечением;

- фиг.3 изображает в разобранном виде гибкую ведомую заслонку по фиг.1;

- фиг.3А изображает часть гибкой ведомой заслонки по фиг.1;

- фиг.4, 5 и 6 иллюстрируют деформации в процессе работы гибкой ведомой заслонки по фиг.1;

- фиг.7 изображает в перспективе часть известного сопла с переменным сечением;

- на фиг.8 представлена схема, иллюстрирующая течи, образующиеся между заслонками известного сопла по фиг.7.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена в перспективе конструкция ведомой заслонки по настоящему изобретению. Эта гибкая, т.е. способная к деформации, заслонка содержит независимые ячейки 30, расположенные одна рядом с другой на поддерживающем листе 32, который также обеспечивает герметичность канала течения горячего газа. Ведомая заслонка прикреплена к двум управляемым заслонкам при помощи двух фиксирующих планок, из которых одна, задняя планка 34, расположена, в сущности, в районе теоретической оси крепления ведомой заслонки и предназначена для фиксации положения заслонки в сопле, а другая, передняя планка 36, расположена, в сущности, в районе свободного края заслонки, противоположного теоретической оси ее крепления, и предназначена для фиксации положения заслонки в состоянии покоя (при выключенном двигателе).

Каждая из ячеек 30 имеет прямоугольную форму и содержит два выступающих наружу продольных (большей длины) бортика 30А, служащих элементами жесткости ячейки, и два загнутых внутрь поперечных (меньшей длины) бортика 30В, предназначенных для соединения с уплотняющим листом.

Число ячеек и их жесткость зависят от требуемых характеристик сопла и, в частности, подбираются в зависимости от давления и температуры, воздействующих на заслонку, ее размеров, используемых материалов, степени устраняемого провисания и имеющегося вертикального пространства с тем, чтобы края продольных бортиков ячеек не мешали управляемым заслонкам.

В оптимальном варианте крайняя (т.е. расположенная ближе всего к свободному краю ведомой заслонки) ячейка 38 содержит переднюю фиксирующую планку 36 ведомой заслонки. Для этого крайний продольный бортик 38А этой ячейки продолжен короткой вертикальной стойкой 38В, выступающей в радиальном направлении к внешней стороне сопла и оканчивающейся выгнутой поперечной пластиной 38С, образующей фиксирующую планку. Длина этой фиксирующей планки превосходит ширину ведомой заслонки, так что два ее конца 38D могут контактировать с двумя управляемыми заслонками, окружающими данную ведомую заслонку.

Уплотняющий лист образован металлической прямоугольной пластиной из относительно гибкого материала, способного выдерживать высокие температуры (свыше 1000°С). Размеры пластины соответствуют перекрываемому свободному пространству между двумя управляемыми заслонками. Точнее, представленная ведомая заслонка обладает шириной, превосходящей ширину этого свободного пространства, что создает на каждом из ее продольных краев зону перекрытия, соответствующую зоне соприкосновения ведомой заслонки с управляемой заслонкой.

Продольные бортики 32А уплотняющего листа загнуты (завернуты) таким образом, чтобы в них можно было вставить загнутые внутрь бортики 30В ячеек 30. Бортики 32А снабжены равномерно распределенными вырезами 32В, в каждый из которых входят концы продольных бортиков 30А двух соседних ячеек, что обеспечивает их удерживания рядом одна с другой. Продольные бортики 30А двух смежных ячеек, обеспечивающие жесткость этих ячеек, также могут свободно скользить один относительно другого.

Такая конструкция заслонки позволяет полностью разделить ее функции. Действительно, с одной стороны, ячейки образуют структуру заслонки и обеспечивают ее механическую прочность и сопротивляемость воздействию давления. При скручивании заслонки ячейки сдвигаются одна относительно другой и подвергаются крайне незначительной деформации. Таким образом, в результате смещений заслонки ячейки не подвергаются практически никакому напряжению. С другой стороны, лист обеспечивает герметичность в местах соприкосновения ячеек и улучшает геометрию канала двигателя. Он также позволяет удерживать ячейки вместе, не играя при этом никакой структурной роли.

Размещение ведомой заслонки относительно двух окружающих ее управляемых заслонок обеспечивается задней фиксирующей планкой 34, крепление которой к уплотняющему листу 32 осуществляется, например, при помощи, по меньшей мере, одного винта 40. В приведенном примере, не накладывающем никаких ограничений, эта фиксирующая планка прикреплена к металлической стойке в виде мостика 42, припаянного одним концом к уплотняющему листу и упирающегося другим концом в продольный бортик 44А первой ячейки 44 ведомой заслонки в виде зажима. Разумеется, может быть использовано и любое другое разборное средство, обеспечивающее быстрое закрепление заслонки в сопле.

На фиг.2 изображено соединение ведомой заслонки с одной из двух смежных с нею управляемых заслонок. Оно осуществлено с одной стороны при помощи задней фиксирующей планки 34 в форме дуги, каждый из концов 34А которой содержит цилиндрический выступ и удерживается между двумя зажимами 46. Эти зажимы расположены на внешнем продольном бортике управляемой заслонки и ограничивают поперечные (вдоль оси сопла) перемещения ведомой заслонки, в то же время допуская ее перемещения по двум другим степеням свободы (т.е. ее вращение и продольное смещение). С другой стороны соединение осуществлено при помощи передней фиксирующей планки 36, каждый из концов 36А которой упирается в указанный внешний продольный бортик управляемой заслонки. В такой конфигурации ячейки поддерживают целостность уплотняющего листа, и заслонка может выдерживать значительные нагрузки.

На фиг.3 и 3А проиллюстрированы различные этапы установки ведомой заслонки. Ячейки изготовлены индивидуально из отрезков листа, загнутых для образования выступающих наружу и загнутых внутрь бортиков ячеек, причем в крайней ячейке предусмотрена передняя фиксирующая планка 36. Уплотняющий лист, в свою очередь, изготовлен из отрезка листа, продольные края которого снабжены вырезами и частично загнуты для размещения и установки различных ячеек, образующих заслонку. После последовательной установки этих ячеек на лист, при которой концы продольных бортиков различных ячеек входят в вырезы, продольные бортики листа окончательно загибают, чтобы обеспечить полную фиксацию этих ячеек, как показано на фиг.3А. После этого собранный элемент может быть установлен между двумя управляемыми заслонками, причем его крепление к этим двум заслонкам обеспечивается закреплением задней фиксирующей планки.

Работа гибкой ведомой заслонки по изобретению описывается ниже со ссылками на фиг.4-6, на которых изображены деформации, испытываемые такой заслонкой (для облегчения понимания на этих чертежах не представлены фиксирующие планки). Действительно, под давлением горячих газов, истекающих из сопла, ведомая заслонка подвергается деформации, т.к. смежные с ней управляемые заслонки оказывают на нее разное давление. С одной стороны ведомая заслонка соприкасается с одной из управляемых заслонок по прямой линии 50, в то время как с другой стороны ячейки смещаются одна относительно другой для обеспечения соприкосновения с другой смещенной управляемой заслонкой 52. Ячейки, принимающие благодаря своей жесткости усилие этого давления, поддерживаются уплотняющим листом. Поскольку этот лист гибок, он следует движениям подвижных частей и искривляется, максимально облегая ячейки заслонки и обеспечивая гладкость профиля аэродинамического канала. Таким образом, прогиб, который должна приобрести гибкая заслонка, образуется совокупностью малых относительных смещений подвижных элементов (ячеек) и не приводит к возникновению напряжений, вызванных деформацией. Следовательно, срок службы заслонки увеличивается.

Таким образом, гибкая ведомая заслонка по изобретению использует относительные смещения ячеек, чтобы избежать возникновения напряжения в элементах заслонки. Плотное расположение ячеек позволяет им свободно двигаться одна относительно другой, не теряя соприкосновения. Уплотняющий лист зафиксирован только по продольным краям. Под действием повышенного давления каждая ячейка упирается в соседние заслонки, а испытывающий слабые нагрузки лист облегает ячейки.

Такая конструкция отвечает взаимно противоречивым требованиям инертности (благодаря ячейкам) и гибкости (благодаря уплотняющему листу) и позволяет разделить функции сопротивления давлению и обеспечения герметичности. Таким образом, удается достичь оптимального компромисса между относительным смещением ячеек (не вызывающим механического напряжения) и уровнем механического напряжения, порожденного вынужденными смещениями (в результате деформации заслонки). Поэтому применение данной конструкции особенно рекомендуется как в соплах с переменным сечением, содержащим короткую сужающуюся часть, так и в соплах, имеющих расширяющуюся часть.

Реферат

Гибкая ведомая заслонка сопла турбомашины с переменным сечением, расположенная между двумя соседними управляемыми заслонками, к которым она прикреплена средствами крепления, содержит независимые поперечные ячейки, установленные рядом друг с другом на поддерживающем листе. Ячейки соприкасаются выступающими наружу продольными бортиками и крепятся к поддерживающему листу поперечными бортиками, вставленными в продольные бортики поддерживающего листа. Другое изобретение группы направлено на сопло турбомашины с переменным сечением, которое содержит несколько гибких ведомых заслонок, выполненных, как это указано выше. Изобретения позволяют увеличить срок службы заслонок, уменьшить стоимость их изготовления, а также снизить появление течей между заслонками и напряжения, связанные с их деформациями. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула