Устройство для отбора воздуха при помощи центростремительного течения

 

Изобретение относится к газотурбостроению и касается устройства отбора воздуха при помощи центростремительного течения, предусмотренного между двумя дисками компрессора газотурбинного двигателя. Устройство содержит кольцевой кронштейн, закрепленный на одной стороне одного из дисков, и множество трубок отбора воздуха, смонтированных по существу в радиальном направлении в отверстиях, выполненных в этом кронштейне. Каждая трубка оборудована средствами, предназначенными для снижения вибраций этой трубки в процессе функционирования данного газотурбинного двигателя. Эти средства, предназначенные для уменьшения вибраций трубки отбора воздуха, содержат амортизирующую трубку, удерживаемую в отверстии кольцевого кронштейна и охватывающую наружную в радиальном направлении часть трубки отбора воздуха. Внутренний в радиальном направлении конец амортизирующей трубки сжимает соответствующую зону трубки отбора воздуха, и кольцевое пространство предусмотрено между средней зоной этой амортизирующей трубки и трубкой отбора воздуха. Изобретение уменьшает динамические напряжения в трубке отбора воздуха путем рассеивания механической энергии деформации. 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

Предлагаемое изобретение касается устройства для отбора воздуха в компрессоре газотурбинного двигателя.

Более конкретно, изобретение касается устройства отбора воздуха при помощи центростремительного течения, предусмотренного между двумя дисками компрессора газотурбинного двигателя, причем это устройство содержит кольцевой кронштейн, закрепленный на одной стороне одного из дисков, и множество трубок отбора воздуха, смонтированных по существу радиально в отверстиях, выполненных в кольцевом кронштейне, причем каждая такая трубка отбора воздуха оборудована средствами, предназначенными для снижения вибраций этой трубки в процессе функционирования данного газотурбинного двигателя.

Подобное устройство описано в патенте US 5472313. Амортизирующая трубка вставлена во внутреннюю полость внутренней в радиальном направлении части каждой трубки отбора воздуха. Эта амортизирующая трубка представляет в своей наружной в радиальном направлении части продольные щели таким образом, чтобы сформировать осевые язычки или лепестки, которые под действием центробежных сил, в процессе функционирования данного газотурбинного двигателя, прижимаются к внутренней стенке трубки отбора воздуха. Трение между этими язычками или лепестками амортизирующей трубки и наружной трубкой отбора воздуха обеспечивает рассеивание энергии деформации и, следовательно, снижает динамические напряжения в этой наружной трубке.

На конце этих продольных щелей, которые представляют собой зоны концентрации механических напряжений, выполнены сквозные отверстия. Это требует дополнительной механической обработки, и срок службы этих внутренних амортизирующих трубок составляет менее 100000 циклов.

Частота гармоники 1F колебательного движения для трубки центростремительного отбора воздуха из 6 ступени компрессора газотурбинного двигателя типа GE 90-115B составляет 950 Гц.

Поскольку этот газотурбинный двигатель содержит 12 трубок отбора воздуха, частота гармоники 8F колебательного движения в режиме работы этого двигателя на уровне 7125 оборотов в минуту составляет 950 Гц (7125•8/60). Эта частота равна частоте гармоники 1F.

Первая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы уменьшить динамические напряжения в трубке отбора воздуха путем рассеивания механической энергии деформации.

Вторая задача этого изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство отбора воздуха при помощи центростремительного течения, в котором система амортизации вибраций трубок отбора воздуха позволяет существенным образом увеличить частоту так называемой первой гармоники колебаний изгиба 1F с тем, чтобы пересечение между гармоникой колебаний 1F и источником возбуждения больше не проявлялось.

Поставленные задачи решаются в соответствии с предлагаемым изобретением тем, что средства для уменьшения вибраций трубки отбора воздуха содержат амортизирующую трубку, удерживаемую в отверстии кругового кронштейна и охватывающую наружную в радиальном направлении часть соответствующей трубки отбора воздуха, причем внутренний в радиальном направлении конец этой амортизирующей трубки сжимает соответствующую зону трубки отбора воздуха, и свободное кольцевое пространство предусмотрено между средней зоной амортизирующей трубки и этой трубкой отбора воздуха.

Таким образом, амортизация данной центростремительной системы отбора воздуха реализована на основе двух принципов. Имеющаяся гибкость на уровне механического контакта между наружной амортизирующей трубкой и трубкой отбора воздуха действует по принципу пружины. Имеющаяся жесткость на уровне этого механического контакта обеспечивает рассеивание энергии, как это происходит в пружине. Кроме того, эта наружная амортизирующая трубка может быть подвергнута изгибам. Жесткость этой амортизирующей трубки на изгиб позволяет обеспечить рассеивание энергии.

Предложенное устройство позволяет обеспечить уменьшение динамических напряжений в трубке отбора воздуха путем рассеивания энергии ее деформации и увеличение частоты первой гармоники колебательных движений изгиба, или так называемой гармоники 1F, вследствие увеличения эквивалентной жесткости этой системы отбора воздуха.

Кроме того, поскольку предложенная здесь наружная амортизирующая трубка не содержит щелей и сквозных отверстий, выполненных на концах этих щелей, ее изготовление оказывается более простым, чем механическая обработка внутренней амортизирующей трубки с лепестками.

В соответствии с первым вариантом реализации предлагаемого изобретения внутренний в радиальном направлении конец амортизирующей трубки является обжатым и находится в механическом контакте с периферийной стенкой трубки отбора воздуха вдоль множества осевых зон.

В соответствии с вторым вариантом реализации предлагаемого изобретения трубка отбора воздуха предусматривает, против внутреннего в радиальном направлении конца амортизирующей трубки, круговой выступ, адаптированный к этому концу. Преимущественно этот круговой выступ представляет собой несколько плоских частей для того, чтобы уменьшить площадь поверхности контакта.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примеров его реализации, где даются ссылки на приведенные чертежи, среди которых: - Фиг. 1 представляет собой схематический вид половины осевого разреза ротора компрессора газотурбинного двигателя, который иллюстрирует местоположение в нем устройства отбора воздуха при помощи центростремительного течения в соответствии с предлагаемым изобретением; - Фиг.2 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий в увеличенном масштабе и в осевом разрезе устройство в соответствии с предлагаемым изобретением; - Фиг. 3 представляет собой схематический вид в осевом разрезе по плоскости, проходящей через ось трубки отбора воздуха, устройства в соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения; - Фиг. 4 представляет собой схематический вид в разрезе по линии IV-IV, показанной на фиг.3; - Фиг. 5 представляет собой схематический перспективный вид кольцевого кронштейна и наружной амортизирующей трубки; - Фиг. 6 представляет собой схематический вид, демонстрирующий вариант реализации трубки отбора воздуха; - Фиг.7 представляет собой схематический вид в разрезе по линии VII-VII, показанной на фиг.6.

На фиг.1 схематически представлен ротор компрессора высокого давления 1 газотурбинного двигателя, имеющего продольную ось X, который содержит несколько ступеней подвижных лопаток 2, смонтированных на периферийной части дисков 3. Два последовательно расположенных диска этого компрессора связаны между собой при помощи кольцевых обечаек 4, оснащенных выступами 4а, обеспечивающими герметичность при взаимодействии с внутренними концами венцов неподвижных направляющих лопаток статора этого компрессора. Эти венцы неподвижных направляющих лопаток, не представленные на фиг.1, вставлены между венцами подвижных лопаток 2.

Отбор воздуха осуществляется между двумя ступенями дисков. Отобранный воздух используется для охлаждения турбины высокого давления, которая приводит в движение компрессор высокого давления 1.

Как это можно видеть на фиг.2, в кольцевой обечайке 4, связывающей между собой диски 3а и 3b, и позади по потоку от внутренних концов неподвижных направляющих лопаток 6, располагающихся между венцом лопаток 2а диска 3а и венцом лопаток 2b диска 3b, выполнены отверстия 5.

Воздух, отбираемый через отверстия 5, попадает в кольцевое пространство 1, ограниченное располагающимися друг против друга сторонами дисков 3а и 3b.

Располагающийся позади по потоку диск 3b содержит в своей внутренней области кольцевой выступ 8, имеющий L-образное поперечное сечение, на котором при помощи болтов 9 закреплено кольцо 10, имеющее ось X, на котором размещено множество трубок отбора воздуха 11, располагающихся по существу в радиальном направлении.

Как это схематически проиллюстрировано на фиг.5, кольцо 10 содержит переднюю радиальную стенку 12 и заднюю радиальную стенку 13, связанные между собой при помощи перемычки 14, содержащей множество отверстий 15, отделенных друг от друга прямоугольными вырезами 16. Задняя радиальная стенка 13 содержит отверстия 17, предназначенные для размещения в них болтов крепления 9, и кольцевой выступ 18, предназначенный для вставления под круговой выступ 8 с тем, чтобы обеспечить возможность надлежащего радиального позиционирования этого кольца 10. При этом передняя радиальная стенка 12 содержит также кольцевой выступ 19, который располагается в непосредственной близости от соответствующего кольцевого выступа 19а, предусмотренного на диске 3а и показанного на фиг.2.

Как это можно видеть на фиг.3, наружная в радиальном направлении часть трубки отбора воздуха 11 размещается внутри наружной амортизирующей трубки 20. Эта наружная амортизирующая трубка 20 содержит на своем внутреннем в радиальном направлении конце прямоугольное основание 21, которое опирается на внутреннюю поверхность стенки 14 этого кольца 10 и перекрывает, по меньшей мере, частично прямоугольные вырезы 16. Наружная в радиальном направлении часть 22 наружной трубки 20 имеет наружный диаметр, по существу равный диаметру отверстий 15, выполненных в перегородке 14 кольца 10, с тем, чтобы эта часть 22 могла быть с натягом вставлена в это отверстие 15. В том случае, когда все наружные трубки 20 установлены в отверстия 15, их основания 21 в совокупности образуют кольцо, которое перекрывает прямоугольные вырезы 16.

Трубка отбора воздуха 11 представляет в своей наружной в радиальном направлении части утолщение 23, которое входит в упорный контакт с внутренним в радиальном направлении концом наружной трубки 20. Утолщение 23 продолжается изнутри от внутренней в радиальном направлении части 22 наружной трубки 20 круговым выступом 24, наружный диаметр которого по существу равен внутреннему диаметру части 22, с тем, чтобы круговой выступ 24 оказался зажатым в этой части 22. Позицией 25 обозначено кольцо блокировки наружной трубки 20 и трубки отбора воздуха 11 на кольце 10. Кольцо блокировки 25 имеет перевернутое Т-образное поперечное сечение, крылья которого опираются на внутренние в радиальном направлении концевые поверхности передней радиальной стенки 12 кольца 10 и трубки отбора воздуха 11, а стенка которого располагается между задней поверхностью передней радиальной стенки 12 и утолщениями 23 трубок отбора воздуха 11. Крылья кольца 25 могут отличаться друг от друга как по длине, так и по толщине в радиальном направлении с тем, чтобы обеспечить возможность надежно прогнозируемого монтажа, то есть монтажа, обеспечиваемого всегда в одном и том же направлении.

Наружный в радиальном направлении конец 26 наружной трубки 20 находится в механическом контакте с соответствующей зоной 27 трубки отбора воздуха 11.

В соответствии с первым примером осуществления предлагаемого изобретения, схематически представленным на фиг.3 и 4, конец 26 выполнен обжатым и содержит несколько осевых зон 28, находящихся в контакте сжатия, образуемого наружной стенкой зоны 27. Эти осевые зоны 28 выполнены, например, путем обжатия конца 26 наружной трубки 20 при помощи губок тисков. На фиг.4 схематически представлены четыре являющиеся попарно диаметрально противоположными осевые зоны 28, однако число этих осевых зон 28 может отличаться от четырех.

На фиг. 6 и 7 схематически представлен второй способ реализации механического контакта между концом 26 наружной трубки и зоной 27 трубки отбора воздуха 11. В данном случае зона 27 содержит круговое утолщение 29, представляющее множество плоских участков 30. Наружный диаметр кругового выступа 29 по существу равен внутреннему диаметру конца 26 наружной трубки 20 для того, чтобы обеспечить позитивный механический контакт между двумя трубками 20 и 11 против кругового выступа 29.

Независимо от выбранного способа реализации механического контакта между наружным в радиальном направлении концом 26 наружной амортизирующей трубки 20 и трубкой отбора воздуха 11 средняя зона 31 наружной трубки 20 не входит в механический контакт с трубкой отбора воздуха 11 и отделена от этой трубки кольцевой камерой 32.

Таким образом, трубка отбора воздуха 11 удерживается в состоянии сжатия своим наружным в радиальном направлении концом в наружной трубке 20 и удерживается, с определенной степенью гибкости, внутренним в радиальном направлении концом 26 наружной трубки 20. Эта наружная трубка 20 действует в данном месте наподобие пружины, и существующая на уровне этого механического контакта жесткость обеспечивает рассеивание механической энергии по типу пружины.

Вследствие наличия кольцевой камеры 32 наружная трубка 20 также подвергается воздействию вибрационных изгибающих моментов сил. Жесткость на изгиб этой наружной трубки 20 также позволяет обеспечить рассеивание механической энергии. Вследствие увеличения эквивалентной жесткости системы, состоящей из двух трубок 20 и 11, по сравнению с существующим уровнем техники в данной области, определяемым патентным документом US 5472313, частота первой гармоники колебательного движения изгиба, или так называемой гармоники 1F, существенно возрастает.

Таким образом, использование системы амортизации с наружной амортизирующей трубкой 20 приводит к увеличению частоты гармоники 1F в 6 ступени компрессора высокого давления газотурбинного двигателя типа GE 90-115B от 950 Гц до 1653 Гц для длины этой трубки 20, составляющей 58,1 мм, и от 950 Гц до 1921 Гц для длины трубки 20, составляющей 45 мм. Пересечение между гармоникой 1F и гармоникой 8F в этом случае больше не наблюдается, поскольку максимальная частота, которой может достигать гармоника 8F в случае компрессора высокого давления газотурбинного двигателя типа GE 90-115B, составляет 1505 Гц.

Формула изобретения

1. Устройство отбора воздуха при помощи центростремительного течения, предусмотренное между двумя дисками (3а, 3b) компрессора (1) газотурбинного двигателя, содержащее кольцевой кронштейн (10), закрепленный на одной стороне одного из дисков (3а, 3b), и множество трубок отбора воздуха (11), смонтированных, по существу, в радиальном направлении в отверстиях (15), выполненных в этом кронштейне (10), причем каждая трубка (11) оборудована средствами, предназначенными для снижения вибраций этой трубки (11) в процессе функционирования данного газотурбинного двигателя, отличающееся тем, что средства, предназначенные для уменьшения вибраций трубки отбора воздуха (11), содержат амортизирующую трубку (20), удерживаемую в отверстии (15) кольцевого кронштейна (10) и охватывающую наружную в радиальном направлении часть этой трубки отбора воздуха (11), причем внутренний в радиальном направлении конец (26) этой амортизирующей трубки (20) сжимает соответствующую зону (27) трубки отбора воздуха (11), и кольцевое пространство (32), предусмотренное между средней зоной (31) этой амортизирующей трубки (20) и трубкой отбора воздуха (11).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний в радиальном направлении конец (26) амортизирующей трубки (20) является обжатым и находится в механическом контакте с периферийной стенкой трубки отбора воздуха (11) вдоль множества осевых зон (28).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубка отбора воздуха (11) предусматривает против внутреннего в радиальном направлении конца (26) амортизирующей трубки (20) круговой выступ (29), адаптированный к этому концу (26).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что круговой выступ (29) содержит множество плоских участков (30).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7