Внешний корпус компрессора осевой турбомашины с уплотнением - RU2710458C2

Чертежи

Описание

Область техники

Изобретение относится к внешнему корпусу осевой турбомашины с уплотнительным устройством. Конкретнее, изобретение относится к внешнему корпусу осевой турбомашины, оснащенному уплотнительным устройством около ряда лопаток ротора. Изобретение также относится к осевой турбомашине. Изобретение также относится к способу управления уплотнительным устройством осевой турбомашины.

Уровень техники

Ввиду повышения производительности турбомашину снабжают уплотнительным устройством около рядов его лопаток. Эти устройства позволяют приспосабливать зазор между внутренней поверхностью корпуса и внешними концами лопаток ротора, расположенных внутри внутреннего корпуса. Таким образом, в условиях эксплуатации зазор можно уменьшать с тем, чтобы ограничивать динамические утечки между поверхностью и лопатками.

Такое устройство может содержать внешний корпус, играющий роль опоры для внешнего бандажа, соединенного ним посредством деформируемых элементов. В случае изменения в условиях полета, лопатки ротора могут входить в контакт с бандажом и перемещать его в радиальном направлении. Это перемещение допускается, благодаря деформируемым элементам, амплитуда сжатия которых позволяет регулировать положение бандажа.

Европейский патент №2495399 A1 раскрывает внешний корпус осевой турбомашины, содержащий кольцевую стенку, в которой сформирована внутренняя кольцевая канавка. Эта кольцевая канавка вмещает упругие элементы, соединяющие сегментированный внешний бандаж с нижней частью канавки и, таким образом, с кольцевой стенкой. Когда ротор турбомашины становится смещенным относительно оси его вращения, лопатки ротора входят в контакт с бандажом и подталкивают его. Поэтому такое уплотнительное устройство может приспосабливаться к различным условиям полета и повышает безотказность в работе. Однако преимущество в производительности, предлагаемое таким устройством, остается ограниченным, как и количество конфигураций, к которым оно может приспосабливаться.

Краткое описание изобретения

Техническая задача

Целью данного изобретения является решение, по меньшей мере, одной из проблем, поставленных известным уровнем техники. Конкретнее, целью данного изобретения является повышение производительности осевой турбомашины, оснащенной уплотнительным устройством. Другой целью изобретения является увеличение количества конфигураций, к которым способно адаптироваться уплотнительное устройство.

Техническое решение

Одним из объектов изобретения является внешний корпус осевой турбомашины, в особенности, компрессора осевой турбомашины, причем этот корпус содержит: круглую стенку, содержащую внутреннюю кольцевую канавку; внешний уплотнительный бандаж, по меньшей мере, частично расположенный в этой канавке и предназначенный для обеспечения уплотнения между указанным внешним корпусом и кольцевым рядом лопаток ротора турбомашины; соединительные элементы, соединяющие внешний бандаж со стенкой; и отличается тем, что указанные соединительные элементы представляют собой пьезоэлектрические приводы, сконфигурированные для перемещения и/или деформирования бандажа с тем, чтобы изменять зазор между бандажом и лопатками ротора.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанные пьезоэлектрические приводы представляют собой моноблок, и они расположены таким образом, чтобы деформироваться в радиальном направлении так, чтобы перемещать и/или деформировать в радиальном направлении указанный бандаж.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный корпус содержит по меньшей мере одно электрическое соединение, соединенное с указанными пьезоэлектрическими приводами и проходящее через стенку; предпочтительно, это электрическое соединение проходит радиально через стенку, проходящую в осевом направлении в области кольцевой канавки.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения по меньшей мере одно или каждое электрическое соединение содержит электрический провод, при этом указанная стенка содержит уплотнения вокруг каждого электрического соединения.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный корпус содержит круговые уплотнения выше и ниже по потоку относительно внешнего бандажа, и они действуют совместно с указанной стенкой.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный корпус содержит модуль измерения зазора, сконфигурированный для измерения зазора между внешним бандажом и лопатками ротора, причем этот модуль расположен в осевом направлении в области кольцевой канавки; возможно, этот модуль расположен в указанной канавке.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный корпус содержит источник питания, сконфигурированный для питания каждого пьезоэлектрического привода по отдельности.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная канавка содержит кольцевую поверхность выше по потоку и кольцевую поверхность ниже по потоку, от которых, главным образом, в радиальном направлении проходят профили вращения, при этом указанные пьезоэлектрические приводы расположены в осевом направлении между указанными радиальными кольцевыми поверхностями; предпочтительно, каждый указанный пьезоэлектрический привод расположен на некотором расстоянии от каждой из указанных радиальных кольцевых поверхностей.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная стенка содержит электроизоляционный слой, возможно, находящийся в контакте с указанными пьезоэлектрическими приводами.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная стенка содержит кольцевые части, продолжающие кольцевую канавку в осевом направлении вверх и вниз по потоку, при этом указанная канавка и указанные кольцевые части выполнены заодно.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная стенка содержит внутреннюю общую поверхность с профилем вращения вокруг оси вращения турбомашины, а указанный бандаж содержит внутреннюю кольцевую поверхность, причем эта внутренняя кольцевая поверхность бандажа способна перемещаться между положением радиально внутри указанной внутренней общей поверхности стенки и положением радиально снаружи этой внутренней общей поверхности стенки.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный корпус содержит модуль определения для определения высотной координаты, при этом указанные пьезоэлектрические приводы сконфигурированы для приведения в движение в соответствии с высотной координатой, определяемой модулем определения.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанные пьезоэлектрические приводы упорядочены в кольцевые ряды и/или осевые линии так, чтобы они образовывали сетку.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный бандаж является сегментированным, причем этот бандаж, возможно, изготовлен из металла и образует полосу; или указанный бандаж выполнен как единое целое и содержит кольцевую поверхность.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанные корпус представляет собой композитный корпус с органической матрицей, при этом корпус, возможно, сформирован из двух полуоболочек.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный бандаж содержит опору и круговой или полуокружный слой истираемого материала.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, осевая длина указанных лопаток ротора больше осевой длины указанной канавки.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный бандаж расположен в указанной кольцевой канавке в осевом и/или радиальном направлении.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный бандаж окружает указанный кольцевой ряд лопаток ротора.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная кольцевая канавка является более длинной в осевом направлении, чем глубокой в радиальном направлении.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная стенка имеет толщину, являющуюся постоянной по всей длине указанных осевых частей и кольцевой канавки.

Еще одним предметом изобретения является турбомашина, содержащая внешний корпус, окружающий по меньшей мере один кольцевой ряд лопаток ротора и отличающийся тем, что этот корпус находится в соответствии с изобретением, и, предпочтительно этот корпус представляет собой корпус компрессора, возможно, корпус компрессора низкого давления.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная турбомашина содержит датчик вибраций, обнаруживающий радиальные вибрации лопаток ротора, при этом указанные пьезоэлектрические приводы сконфигурированы таким образом, чтобы они перемещали и/или деформировали указанный внешний бандаж в радиальном направлении в соответствии с радиальными вибрациями указанных лопаток, измеряемыми указанными датчиками вибраций.

Изобретение также относится к способу управления устройством для уплотнения внешнего корпуса осевой турбомашины, причем это устройство содержит подвижный наружный бандаж, определяющий радиальный зазор вокруг кольцевого ряда лопаток турбомашины, и способ отличается тем, что способ включает: (а) этап определения высотной координаты турбомашины, за которым следует (d) этап регулировки зазора в соответствии с этой высотной координатой.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный зазор уменьшается, когда указанная высотная координата увеличивается, и/или указанный зазор увеличивается, когда указанная высотная координата уменьшается.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный зазор равен зазору J1, когда указанная высотная координата превышает пороговую высотную координату A2, и/или указанный зазор больше или равен зазору J2, когда указанная высотная координата меньше или равна пороговой высотной координате А2.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный способ дополнительно включает: этап (с) измерения зазора между указанным внешним бандажом и лопатками ротора, и в ходе этапа (d) регулировки зазора указанный зазор первоначально регулируется в соответствии с зазором, измеряемым в ходе этапа (с) измерения зазора.

В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный способ дополнительно включает: этап (b) измерения амплитуды радиальных вибраций лопаток ротора, и в ходе этапа (d) регулировки зазора указанный зазор подобным образом регулируется в соответствии с радиальными вибрациями лопаток, измеренными в ходе этапа (b) измерения амплитуды радиальных вибраций.

Высотную координату измеряют относительно уровня моря.

Предусмотренные преимущества

Изобретение делает возможным как можно более точное управление зазором между бандажом и внешними в радиальном направлении концами лопаток. Использование пьезоэлектрических приводов предполагает высокую скорость отклика и большой выигрыш в точности определения положения. Таким образом, положение бандажа регулируется как можно более точно, тогда как, в то же время, он быстро перемещается, что делает возможным эффективное управления зазором между бандажом и лопатками.

Форма канавки позволяет добавлять радиальные усиливающие фланцы, делающие возможным придание корпусу большей жесткости, например, для противодействия овализирующим деформациям. Указанная канавка также образует пространство, защищающее пьезоэлектрические приводы.

Указанные способ повышает надежность, поскольку использование высотной координаты означает, что становится возможным предупреждение условий работы турбомашины, когда она представляет собой турбореактивный или турбовинтовой двигатель летательного аппарата. Безопасный зазор увеличивается в зависимости от риска вероятного подвергания воздействию случайных возмущений.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 изображена осевая турбомашина в соответствии с изобретением.

Ни фиг. 2 изображен эскиз компрессора турбомашины в соответствии с изобретением.

На фиг. 3 проиллюстрировано уплотнительное устройство для корпуса турбомашины в соответствии с изобретением.

На Фиг. 4 проиллюстрирована схема способа регулировки зазора между лопатками ротора и внешним бандажом корпуса турбомашины в соответствии с изобретением.

Описание вариантов осуществления

В нижеследующем описании термины «внутренняя часть», или «внутренний», и «внешняя часть», или «внешний», относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины.

Фиг. 1 представляет собой упрощенное изображение осевой турбомашины. В данном конкретном случае, она представляет собой двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первый уровень сжатия, именуемый компрессором 4 низкого давления, второй уровень сжатия, именуемый компрессором 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и один или несколько ярусов 10 турбины. В процессе работы механическая энергия турбины 10, передаваемая посредством центрального вала на ротор 12, вращает два компрессора 4 и 6. Последние содержат несколько рядов лопаток ротора, связанных с лопатками статора. Вращение ротора вокруг его оси 14 вращения, таким образом, генерирует поток воздуха и постепенно сжимает этот поток до тех пор, пока он не поступает в камеру 8 сгорания.

Впускная воздуходувка, обычно именуемая вентилятором 16, связана с ротором 12 и генерирует поток воздуха, разделяемый на поток 18 внутреннего контура, проходящий через различные вышеупомянутые уровни турбомашины, и поток наружного контура, или поток 20 в обводном канале, проходящий по кольцевому трубопроводу (изображенному частично) вдоль машины до тех пор, пока он не воссоединится с потоком внутреннего контура, покидающим турбину. Поток наружного контура может быть ускорен для генерирования реактивной тяги. Поток 18 внутреннего контура и поток 20 наружного контура, или поток по обводному каналу, представляют собой кольцевые потоки, и они направляются корпусом турбомашины. Для осуществления этого корпус содержит цилиндрические стенки, или бандажи, которые могут быть внутренними или внешними.

Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном разрезе компрессора осевой турбомашины, такой как турбомашина по фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Здесь видна часть вентилятора 16 и кромки 22, отделяющей поток 18 внутреннего контура от потока 20 наружного контура, или потока по обводному каналу. Ротор 12 содержит несколько рядов лопаток 24 ротора, в данном случае три ряда лопаток.

Компрессор 4 низкого давления содержит несколько наборов направляющих лопаток, в данном случае четыре набора, каждый из которых содержит ряд лопаток 26 статора. Эти наборы направляющих лопаток связаны с вентилятором 16 или с рядом лопаток ротора с целью спрямления воздушного потока с тем, чтобы преобразовывать скорость потока в давление.

Компрессор содержит внешний корпус 28 с круговой, или кольцевой, стенкой 30, играющей роль механического соединения, соединяющего делительную кромку с промежуточным корпусом турбомашины. В дополнение к этому, корпус 28 может содержать фиксирующие средства, такие, как кольцевые фиксирующие фланцы 32. Стенка 30 также играет роль опоры для установки лопаток 26 статора, проходящих, по существу, радиально от стенки 30. Стенка 30 может содержать кольцевые заплечики, образующие концевые упоры, лишающие полки лопаток 26 статора подвижности в осевом направлении. Стенка 30 может быть, в целом, трубчатой и, возможно, может иметь арочный профиль вращения.

Стенка 30 может быть изготовлена из композиционного материала, например, из органической смолы и углеродного волокна и/или, возможно, слоя стекловолокна. Этот композиционный материал улучшает удельную прочность. Присутствие стекловолокна оказывает действие создания изоляционного слоя. Стенка 30 может иметь толщину, являющуюся, в целом, постоянной, для сохранения ее легкости, ее компактности и для упрощения создания соответствующей волокнистой предварительной заготовки.

Для того чтобы оптимизировать производительность, корпус 28 оснащают по меньшей мере одним уплотнительным устройством 34, связанным с кольцевым рядом лопаток 24 ротора. Каждое уплотнительное устройство 34 содержит внешний бандаж 36, способный перемещаться в радиальном направлении так, чтобы он следовал радиальным перемещениям внешних концов лопаток 24 ротора. Для повышения компактности устройство 34 встроено в толщину стенки 30.

На фиг. 3 изображен эскиз уплотнительного устройства 34 в соответствии с изобретением. Изображены часть стенки 30 корпуса 28, один из концов лопатки 24 ротора и ось 14 вращения.

Стенка 30 содержит кольцевую канавку 38, открытую внутрь в радиальном направлении, при этом ее профиль открыт в направлении лопатки 24. Канавка 38 содержит кольцевую поверхность 40 выше по потоку и кольцевую поверхность 42 ниже по потоку, причем обе эти поверхности проходят, главным образом, радиально. Эти радиальные поверхности (40; 42) могут быть, в целом, параллельными. Канавка 38 также содержит кольцевую соединительную часть 44, разделяющую радиальные поверхности (40; 42) в осевом направлении. Стенка содержит кольцевые боковые части 45, продолжающие кольцевую канавку в осевом направлении выше и ниже по потоку и, таким образом, проходящие по периферии канавки. Канавка и боковые части 45 могут быть выполнены заодно так, чтобы образовывать герметичный и однородный блок материала.

Уплотнительное устройство 34 размещено в кольцевой канавке 38. Его внешний бандаж 36 имеет поверхность, обращенную к внешним концам лопаток 24. Бандаж 36 может быть расположен по кругу в канавке 38 и может быть сегментированным или выполненным как цельный. В последнем случае бандаж может деформироваться так, чтобы его диаметр и его периферия были модифицируемыми. Внешний бандаж 36 может скользить вдоль, предпочтительно, перед радиальными поверхностями (40; 42) так, чтобы поддерживать уплотнение лопатки сверху вниз по потоку. Таким образом, бандаж может разграничивать внутреннее кольцевое пространство канавки 38 и ограничивать нагрев. Корпус может содержать кольцевые уплотнения, расположенные выше и ниже по потоку относительно указанного бандажа с целью уплотнения со стенкой, при этом для уплотнений возможно нахождение на фиксированных границах раздела.

Уплотнительное устройство 34 содержит соединительные элементы 46, соединяющие внешний бандаж 36, или, возможно, каждый сегмент бандажа, со стенкой. Они регулируют положение бандажа 36 относительно стенки 30. Элементы 46 по меньшей мере частично, предпочтительно, полностью, размещены в кольцевой канавке 38.

Соединительные элементы 46 представляют собой пьезоэлектрические приводы 46. Пьезоэлектрические приводы 46 хорошо известны специалистам в данной области техники, они могут деформироваться под действием поля от источника электроэнергии. Каждый из них может иметь одну лицевую поверхность, закрепленную на стенке 30 в нижней части канавки 38, образованной кольцевой соединительной частью 44, и одну лицевую поверхность, закрепленную на внешнем бандаже 36. Они расположены таким образом, что они способны деформироваться в радиальном направлении, что означает, что они становятся толще или тоньше в радиальном направлении так, чтобы перемещать или деформировать внешний бандаж 36 в радиальном направлении. Таким образом, бандаж 36 может втягиваться в канавку 38 радиально в направлении наружной части и/или раскрываться наружу из канавки 38 в направлении внутренней части. Положение покоя, например, занимаемое тогда, когда питание не подается, можно выбрать так, чтобы свести к минимуму зазор, посредством чего повышается общая производительность турбомашины. Приводы 46 могут быть выполнены как привод с многослойной конструкцией.

Поскольку бандаж 36 термически защищает пьезоэлектрические приводы 46, последние сохраняют свои рабочие характеристики. В регулирование температуры пьезоэлектрических приводов 46 также может вносить вклад стенка 30 около канавки 38. Стенка 30 может образовывать герметичный барьер, защищающий пьезоэлектрические приводы 46 от химической коррозии, присущей турбомашине.

Корпус может содержать модуль 48 определения для определения высотной координаты и/или модуль 50 измерения зазора — для измерения зазора между внешним бандажом 36 и внешними концами лопаток 24 ротора. Информацию, то есть сигналы, подаваемые модулем 48 определения высотной координаты и/или модулем 50 измерения зазора, используют для регулировки кольцевого радиального зазора между лопаткой и бандажом. Модуль 48 определения высотной координаты может быть общим с таковым для турбомашины; он может представлять собой модуль летательного аппарата, на котором установлена эта турбомашина. Модуль 50 измерения зазора для измерения зазора между бандажом 36 и лопатками 24, выполняющий измерения непрерывно в различных точках периферии бандажа, измеряет зазор между лопатками и бандажом.

Корпус может содержать источник 51 питания и электрические соединения 52, такие, как электрические провода и/или электрические вилки, для питания каждого из пьезоэлектрических приводов 46. Каждый провод может быть изолирован изоляционным покрытием. Электрические соединители 52 проходят через стенку 30 и входят в канавку 38. Они соединены с каждым пьезоэлектрическим приводом 46, возможно, по отдельности. Источником питания может быть источник питания турбомашины.

Корпус может содержать датчик 54 вибраций, обнаруживающий радиальные вибрации лопаток ротора. Датчик 54 может измерять амплитуду радиальных вибраций венцов лопаток. Датчик 54 делает возможным оценивание изменения, дисперсии и радиального положения лопаток 24 и соответственное приспосабливание необходимого запаса прочности. Датчик 54 вибраций и/или модуль 50 измерения зазора могут быть оптическими или магнитными. Они могут содержать совместные компоненты и/или компоненты, размещенные в канавке 38.

Корпус 28 может содержать центральный узел 56, соединенный с модулем измерения, с модулем определения высотной координаты, с датчиком вибраций и с приводами посредством источника питания. Центральный узел 56 может представлять собой компьютер, соединенный с турбомашиной или специфичный для летательного аппарата, в котором установлена эта турбомашина.

Фигура 4 представляет собой блок-схему способа управления уплотнительным устройством в соответствии с изобретением. Это устройство управляет положением и/или деформацией внешнего уплотнительного бандажа в радиальном направлении около ступени лопаток ротора, при этом бандаж и лопатки разделены кольцевым зазором. В качестве одной из возможностей, этот способ является итеративным и включает возврат к началу цикла для повтора этапов, описанных выше в настоящем описании.

Способ может включать упорядоченное выполнение совокупности следующих этапов, возможно, в приведенном ниже порядке:

(a) этап 100 определения высотной координаты турбомашины,

(b) этап 102 измерения радиальных вибраций лопаток ротора,

(c) этап 104 измерения зазора между лопатками ротора и внешним бандажом,

(d) этап 106 регулировки зазора путем перемещения и/или деформирования внешнего бандажа в радиальном направлении.

В ходе этапа (d) регулировки 106 изменения в зазоре выполняются в соответствии с высотной координатой, определяемой в ходе этапа (а) определения. Чем больше увеличивается высотная координата, тем больше уменьшается зазор. Этот выбор можно понять, если учесть, что при большой высотной координате, например, больше пороговой высотной координаты A2, становятся весьма маловероятными причины, вероятно, разрушающие ротор и вызывающие его смещение или деформирование корпуса. Таким образом, риск контакта между лопаткой и бандажом является очень ограниченным или даже несуществующим, поскольку причины становятся предсказуемыми. Порог А2 можно выбрать большим или равным 4000 м, предпочтительно — большим или равным 8000 м, и порог А2, возможно, больше или равен 10000 м. В таких условиях полета указанный зазор меньше зазора J1, и уплотнение и производительность турбомашины становятся оптимальными.

И наоборот, можно принять решение о том, что при малой высотной координате зазор необходимо увеличить, поскольку турбомашина подвергается действию переменных и трудно предсказуемых условий эксплуатации. Таким образом, предпочтительно, чтобы ниже пороговой высотной координаты А1 зазор становился больше зазора J2, или безопасного зазора. Порог А2 может составлять менее 6000 м, предпочтительно — менее 2000 м, более предпочтительно — менее 500 м.

В ходе этапа (d) регулировки 106 изменение зазора также можно выполнять в зависимости от зазора, ранее измеренного в ходе этапа (b) измерения вибраций 102 и/или в соответствии с вибрациями, оцененными в ходе этапа (с) измерения зазора 104. Вибрации вызывают разброс в положении лопаток, и это негативно влияет на требуемую безотказность в работе. Следует отметить, что этапы (b) и (с) являются необязательными. Этап (с) является необязательным, поскольку этап (d) регулировки 106 можно осуществлять на основании запрограммированного значения или фундаментального теоретического значения.

Реферат

Изобретение относится к внешнему корпусу (28) компрессора осевой турбомашины. Корпус (28) содержит уплотнительное устройство (34), действующее совместно с рядом лопаток (24) ротора. Корпус (28) содержит стенку (30) с кольцевой канавкой (38), в которой размещено уплотнительное устройство (34). Это уплотнительное устройство содержит сегментированный внешний бандаж (36) и несколько пьезоэлектрических приводов (46), перемещающих бандаж (36) в радиальном направлении в канавке (38) с тем, чтобы раскрывать или закрывать функциональный зазор. Изобретение также предлагает способ управления уплотнительным устройством (34) для турбореактивного двигателя, причем этот способ включает этап измерения высотной координаты и этап регулировки зазора в соответствии с этой высотной координатой. Достигается повышение производительности осевой турбомашины, оснащенной уплотнительным устройством, и увеличение количества конфигураций, к которым способно адаптироваться уплотнительное устройство. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула