Приспособление для прикрепления секторов направляющего аппарата, направляющий аппарат и турбомашина
Изобретение относится к приспособлениям для крепления направляющих аппаратов в турбомашинах. Сектора (25) направляющего аппарата, на которых закреплены лопатки, располагаются рядом с корпусом (31) посредством уплотняющих секторов (32), чередующихся с упомянутыми секторами в осевом направлении, и снабжены поверхностями (37, 39), оказывающими сопротивление силам, и посредством этих поверхностей силы, прикладываемые к секторам распределительного аппарата, передаются на корпус. Внутренняя поверхность корпуса (31) сделана более гладкой и не оснащена никакими крюками, вследствие чего этот корпус (31) менее сложен в изготовлении и испытывает меньшие механические напряжения при креплении секторов направляющего аппарата, так что эти сектора направляющего аппарата можно устанавливать посредством только осевого движения. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции корпуса и удобство сборки направляющего аппарата. 3 н. и 5 з.п. ф-лы. 2 ил.
Настоящее изобретение относится к приспособлению для прикрепления секторов направляющего аппарата вдоль дуги окружности.
Направляющие аппараты, рассматриваемые в этом описании, используются в турбомашинах и оснащены лопатками, прикрепляемыми к статору и выполняющими функцию выпрямления потоков газов. Сектора направляющего аппарата устанавливают внутри корпуса статора посредством блокировочных крюков, обеспечивая их расположение на опорных поверхностях, некоторые из которых могут оказывать сопротивление силам, прикладываемым к лопаткам направляющего аппарата.
В конкретном варианте осуществления известного приспособления, изображенном на фиг.1, где сектора обозначены позицией 1 и корпус статора обозначен позицией 2, внешнее кольцо 3 секторов 1 направляющего аппарата содержит расположенную выше по течению лапку 4 и расположенную ниже по течению лапку 5, обе - в форме крюка, а корпус 2 содержит расположенные выше по течению лапки 6 и расположенные ниже по течению лапки 7, также выполненные в форме крюка и попарно связанные с некоторым заданным направляющим аппаратом. На расположенной выше по течению стороне лапка 4 сектора 1 введена в зацепление вокруг лапки 6 корпуса 2, а на расположенной ниже по течению стороне лапка 7 корпуса 2 введена в зацепление вокруг лапки 5 сектора 1. Это описание является обоснованным при допущении, что силы F, прикладываемые к направляющему аппарату, по существу обращены в направлении вниз по течению и передаются на корпус 2 частично в форме момента, обуславливаемого центростремительной радиальной силой R1 на расположенной выше по течению стороне и центробежной силой R2 на расположенной ниже по течению стороне. Следовательно, лапки 4 и 5 секторов 1 опираются на лапки 6 и 7 корпуса 2 на поверхностях 8 и 9 контакта, которые являются поверхностями, оказывающими сопротивление силам. Осевая составляющая сил F также передается на корпус 2 в форме осевой силы X, прикладываемой к расположенной ниже по течению стороне лапки 5, на изогнутом крюкообразном конце 10 лапки 7, следовательно, поверхностью контакта между лапкой 5 и концом 10 является поверхность 11, оказывающая сопротивление осевой силе.
Один недостаток этой конструкции заключается в том, что лапки 6 и 7 корпуса 2 оказываются сильно нагруженными, что создает проблемы, в частности потому, что их крюкообразная форма делает их слабыми, и потому, что они нагреваются, в частности, в условиях эксплуатации, так как они выступают в поток газа, вследствие чего собственный предел прочности материала, из которого они изготовлены, может уменьшиться. Масса корпуса увеличивается из-за того, что лапки приходится делать сплошными, а их изготовление затрудняется ввиду усложненной формы, и на практике приходится изготавливать их из довольно дорогого материала, что не оправдано силами, которым он должен оказывать сопротивление в областях, удаленных от лапок.
Другой недостаток этой конструкции выясняется по время сборки: поскольку лапка 5 на расположенной ниже по течению стороне секторов 1 проходит ниже криволинейного крюкообразного конца 10, приходится располагать сектора 1 под острым углом, а потом поворачивать после введения их в зацепления за изогнутый криволинейный конец 10, обеспечивая введение в контакт с расположенной ниже по течению поверхностью 9, оказывающей сопротивление силам. Отклонения Z1 и Z2 иллюстрируют этот наклон и последующее выравнивающее перемещение секторов 1 во время сборки. Можно заметить, что приходится допускать значительный зазор между внутренним кольцом 12 секторов 1 и внутренним кольцом 13 ступеней лопаток 14 ротора 15, так что непроницаемость для утечки в этом месте может оказаться неудовлетворительной.
Когда сектора направляющего аппарата установлены на место, можно устанавливать на расположенной ниже по течению стороне уплотняющие сектора 16, которые включают в себя кольцо 17 из «истираемого» материала, взаимодействующее с манжетными уплотнениями 18 подвижных лопаток 14, образуя лабиринтные уплотнения, и которые также включают в себя опорное кольцо 19, концам которого придана конфигурация, обеспечивающая их установку на лапки 6 и 7 корпуса 2. Система крепления аналогична системе крепления для секторов 1 направляющего аппарата, поскольку кольцо 19 опирается на расположенной выше по течению стороне на радиально внешнюю поверхность одной из лапок (7) корпуса 2, а на расположенной ниже по течению стороне - на радиально внутреннюю поверхность другой лапки (6). В заключение нужно отметить, что сектора 1 направляющего аппарата и уплотняющие сектора 16, которые чередуются в машине в осевом направлении, собраны воедино за счет того, что внешнее кольцо 3 секторов 1 направляющего аппарата имеет лапку 20 на расположенной выше по течению стороне, вводимую в зацепление с расположенным ниже по течению концом соседних уплотняющих секторов 16, а эти уплотняющие сектора 16 также имеют расположенную выше по течению лапку 21, вводимую в зацепление под расположенную ниже по течению лапку 5 соседнего кольца 3 направляющего аппарата 1. Лапки 20 и 21 удерживают сектора 1 и 16 на своих местах.
В документе US-4529355-A описано приспособление, в котором корпус служит опорой уплотняющим секторам и секторам направляющего аппарата посредством ввинчиваемых в него прокладок. Поэтому сам корпус гладкий, но на прокладках имеются крюки, которые являются тяжелыми и громоздкими. Из-за них эта известная конструкция представляется еще менее привлекательной.
Настоящее изобретение относится к конструкции для крепления различного типа секторов направляющего аппарата, а ее основное назначение заключается в том, чтобы избежать использования крюкообразных лапок, принадлежащих корпусу, для упрощения корпуса и большего удобства сборки направляющего аппарата. Главная идея, на которой основано изобретение, заключается в том, что поверхности, оказывающие сопротивление силам в осевом направлении и радиальном направлении наружу, теперь находятся на уплотнительных секторах, а корпус по существу обеспечивает лишь опорные поверхности, которые оказывают нагрузке малое сопротивление или вообще не оказывают его, так что силы, которым корпусу все же придется оказывать сопротивление, будут намного меньше.
В некоторых конкретных вариантах осуществления предпринимается попытка уменьшить силы, передаваемые на корпус уплотняющими секторами, и, в частности, уменьшить момент, создаваемый силами, возникающими на разных опорных поверхностях.
Согласно изобретению приспособление для прикрепления секторов направляющего аппарата, поддерживающих лопатки, к корпусу статора вдоль дуги окружности включает в себя опорные поверхности секторов, проходящие в радиальном и осевом направлениях, распределенные на корпусе, и независимые крепежные части, включая, по меньшей мере, одну поверхность, обращенную радиально наружу, и одну поверхность, обращенную в радиальном направлении, причем обе эти поверхности оказывают сопротивление силам, прикладываемым к лопаткам в секторах, а к корпусу прикреплены уплотняющие сектора, чередующиеся с секторами направляющего аппарата в осевом направлении, при этом упомянутые поверхности, оказывающие сопротивление силам, обращенные в радиальном направлении наружу и в осевом направлении, находятся на уплотняющих секторах.
Предпочтительно сектора направляющего аппарата и уплотняющие сектора содержат лапки на двух противоположных осевых концах, причем лапки секторов направляющего аппарата зажаты между лапками уплотнительных секторов и корпуса, а уплотнительные сектора прикреплены к корпусу в среднем положении.
Уплотняющие сектора могут быть прикреплены к корпусу элементом, проходящим сквозь корпус и содержащим средства для расположения на корпусе.
Предпочтительно ориентированная в осевом направлении поверхность, оказывающая сопротивление силам, размещена вдоль оси на расположенной выше по течению стороне уплотняющих секторов, а ориентированная в радиальном направлении поверхность, обращенная наружу и оказывающая сопротивление силам, размещена вдоль оси на расположенной ниже по течению стороне уплотняющих секторов.
Уплотняющие сектора выполняют такими, что силы, которым противостоят соответствующие поверхности, вызывают противоположно направленные моменты (R1·L и Х·l) приблизительно одинаковой величины, действующие на элементы, проходящие через корпус.
Другими объектами изобретения являются направляющий аппарат, включающий приспособление по любому из выше описанных вариантов, а также соответствующая турбомашина.
Далее все аспекты изобретения будут описаны посредством сравнения нижеследующих чертежей, где
на фиг.1, как описано выше, изображено приспособление для крепления относящегося к известному типу сектора направляющего аппарата,
а на фиг.2 изображено приспособление в соответствии с изобретением в предпочтительном конкретном варианте его осуществления.
Общая форма секторов направляющего аппарата, которые все вместе обозначены позицией 25, не претерпела значительных изменений, и они по-прежнему содержат внешнее кольцо 26, снабженное лапкой 27 на расположенной выше по течению стороне и лапкой 28 на расположенной ниже по течению стороне. Лапки 27 и 28 опираются своими внешними поверхностями на радиальные поверхности 29 и 30, обращенные внутрь корпуса, который теперь обозначен позицией 31. Уплотняющие сектора, теперь обозначенные позицией 32, по-прежнему расположены в чередующемся порядке с секторами 25 направляющего аппарата, а в дополнение к истираемому кольцу 33 они также содержат внешнее кольцо 34, расположенный ниже по течению конец 35 и расположенный выше по течению конец 36 которого зажимают между собой лапки 27 и 28, удерживая их между опорными поверхностями 29 и 30 корпуса 31 соответственно. Точнее, расположенный ниже по течению конец 35 опирается на радиальную опорную поверхность 37, обращенную наружу, к которой приложена центростремительная радиальная сила R1 а расположенный выше по течению конец 36 опирается на радиальную опорную поверхность 38, обращенную наружу, и осевую опорную поверхность 39, оказывающую сопротивление осевой силе X. Внешние кольца 34 соединены с корпусом 31 средней частью, на которой выполнен прилив (или выступ) 40, вводимый в дополнительно сформированную канавку (или полость) 41 на корпусе 31, для точной регулировки положения уплотняющих секторов 32. Через выступ 40 в корпус 31 ввинчены винты 42 для прикрепления уплотняющих секторов к корпусу. Эти винты 42 крепятся к корпусу гайкой 46. Ту же функцию могут выполнять и другие крепежные средства, такие как палец, посаженный по прессовой или тугой посадке.
Большинству сил, прикладываемых к секторам 25 направляющего аппарата, оказывают сопротивление уплотняющие сектора 32. Следовательно, эти уплотняющие сектора должны быть соответствующим образом сконструированы, но они все же будут менее нагруженными, чем крюкообразные лапки корпуса 2 в соответствии с конкретным вариантом осуществления известного приспособления.
Слабые элементы усложненной формы, подобные секторам 32, фактически исключены из корпуса 31. Опорные поверхности 29 и 30 корпуса 31 состоят из сплошных и поэтому прочных частей. Радиальная сила R2 и осевая сила X, прикладываемые со стороны лапки 28 на расположенной ниже по течению стороне, оказываются приложенными к разным частям корпуса, что позволяет разгрузить эти две части.
Кроме того, силы R1 и Х обуславливают приложение противоположно направленных моментов R1·L и Х·l к внешнему кольцу вокруг точки крепления винта 42 к корпусу 31, так что создающие рычаг плечи L и l сил R1 и Х можно соответственно регулировать, делая обоснованный выбор положения винта 42 так, чтобы моменты упомянутых сил имели сравнимые величины и чтобы вследствие этого весьма значительно уменьшался изгиб, создаваемый в винте 42. Кроме того, можно заметить, что сектора 25 направляющего аппарата можно устанавливать посредством чисто осевых движений, а затем устанавливать за ними уплотняющие сектора 32, что удобнее и дает больше свободы в определении схемы машины. Можно дополнительно установить свисающие детали 43, прикрепляемые к корпусу 31 пальцами 44, чтобы обеспечить поверхность 45 осевого упора для секторов 25 направляющего аппарата.
Кроме того, этот типичный осевой узел представляет собой средство уменьшения осевых зазоров между лопатками статора (внутреннее кольцо 12 секторов 1 на фиг.1) и лопатками ротора (внутреннее кольцо 13 лопаток 15 ротора на фиг.1); следовательно, это уменьшает участки 47 утечки между ротором и статором, делая узел лопаток эффективнее.
Хотя вид на фиг.2 не так подробен, как на фиг.1, должно быть понятно, что изобретение можно распространить на группу ступеней секторов 25 направляющего аппарата и уплотняющих секторов 32 и, в частности, что одна ступень секторов 25 направляющего аппарата опирается своими двумя концами на две последовательные ступени уплотняющих секторов 32 вышеописанным образом. Основное внимание было сосредоточено на том, чтобы показать уплотнительные сектора 32, поскольку сектора 25 направляющего аппарата являются по существу такими же, как сектора направляющего аппарата, показанные на фиг.1.
1. Приспособление для прикрепления секторов (25) направляющего аппарата, поддерживающих лопатки, к корпусу (31) статора вдоль дуги окружности, включающее в себя опорные поверхности (29, 30, 37, 38, 39) секторов, проходящие в радиальном и осевом направлениях, распределенные на корпусе, и независимые крепежные части, включая, по меньшей мере, одну поверхность (37), обращенную радикально наружу, и одну поверхность (39), обращенную в радиальном направлении, причем обе эти поверхности оказывают сопротивление силам, прикладываемым к лопаткам в секторах, а к корпусу прикреплены уплотнительные сектора (32), чередующиеся с секторами направляющего аппарата в осевом направлении, отличающееся тем, что упомянутые поверхности, оказывающие сопротивление силам, обращенные в радиальном направлении наружу и в осевом направлении, находятся на уплотняющих секторах.
2. Приспособление для прикрепления секторов направляющего аппарата вдоль дуги окружности по п.1, отличающееся тем, что сектора направляющего аппарата и уплотняющие сектора содержат лапки на двух противоположных осевых концах, причем лапки (27) секторов направляющего аппарата зажаты между лапками (35, 36) уплотнительных секторов (32) и корпуса (31), а уплотнительные сектора прикреплены к корпусу в среднем положении.
3. Приспособление для прикрепления секторов направляющего аппарата вдоль дуги окружности по п.2, отличающееся тем, что уплотняющие сектора прикреплены к корпусу элементом, проходящим сквозь корпус и содержащим средства для расположения на корпусе.
4. Приспособление для прикрепления секторов направляющего аппарата вдоль дуги окружности по любому из пп.2 или 3, отличающееся тем, что ориентированная в осевом направлении поверхность (39), оказывающая сопротивление силам, размещена вдоль оси на расположенной выше по течению стороне уплотняющих секторов, а ориентированная в радиальном направлении поверхность (37), обращенная наружу и оказывающая сопротивление силам, размещена вдоль оси на расположенной ниже по течению стороне уплотняющих секторов.
5. Приспособление для прикрепления секторов направляющего аппарата вдоль дуги окружности по п.3, отличающееся тем, что уплотняющие сектора выполнены таким образом, что силы, которым противостоят соответствующие поверхности, вызывают противоположно направленные моменты (R1·L и Х·l) приблизительно одинаковой величины, действующие на элементы, проходящие через корпус.
6. Приспособление для прикрепления секторов направляющего аппарата вдоль дуги окружности по п.4, отличающееся тем, что уплотняющие сектора выполнены таким образом, что силы, которым противостоят соответствующие поверхности, вызывают противоположно направленные моменты (R1·L и Х·l) приблизительно одинаковой величины, действующие на элементы, проходящие через корпус.
7. Направляющий аппарат, включающий приспособление по любому из пп.1-6.
8. Турбомашина, включающая направляющий аппарат по п.7.
