Направляющее устройство для лопатки с изменяемым углом установки
Направляющее устройство для лопатки с изменяемым углом установки компрессора газотурбинного двигателя, причем лопатки содержат поворотную ось, образованную цилиндрическим осевым хвостовиком, установленным в цилиндрическом ложементе картера. В направляющем устройстве хвостовик лопатки направляется по вращательному движению вокруг оси в ложементе картера при помощи двух упоров с коническими роликами, причем оси этих роликов расположены, по существу, перпендикулярно к оси вращения данной лопатки. Первый упор опирается одним из своих колец на один конец лопатки и другим своим кольцом на круговой выступ ложемента картера. Другой роликовый упор опирается одним из своих колец на круговой выступ ложемента картера и другим своим кольцом в гайку стягивания, навинченную на осевой хвостовик данной лопатки. Изобретение позволяет повысить надежность направляющего устройства, снизить износ катящихся элементов, а также потребность в техническом обслуживании направляющих средств. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое изобретение касается направляющего устройства для лопатки с изменяемым углом установки, в частности направляющей лопатки канала подвода воздуха в компрессоре газотурбинного двигателя, например авиационного турбореактивного или турбовинтового двигателя.
Известные направляющие устройства позволяют лопаткам статора газотурбинного двигателя поворачиваться вокруг их осей для того, чтобы спрямлять течение потока газов, которое было отклонено лопатками ротора. Контроль и управление спрямлением течения потока газов, которое осуществляется в функции различных режимов работы данного двигателя и динамических характеристик газов, позволяет улучшить характеристики газотурбинных двигателей.
В большинстве конструкций двигателей, и как это описано, например, в патентных документах FR-А-2743846, FR-А-2814206 и US-А-5215434, эти поворотные лопатки направляются по вращательному движению при помощи втулок, изготовленных из антифрикционного материала, например из спеченной бронзы, и закрепленных в цилиндрических расточках, выполненных в утолщениях картера, образующего статор данного газотурбинного двигателя. Осевая блокировка этих поворотных лопаток осуществляется при помощи стопорных шайб, изготовленных из материала, подобного материалу, из которого изготовлены упомянутые втулки.
Эти направляющие устройства создают противодействующий момент сил, требующий значительных усилий для приведения лопаток во вращательное движение, и они имеют недостаточный срок службы. В патентных документа US-А-3674377 и US-А-2778377 было предложено заменить такие направляющие устройства на шариковые, роликовые или игольчатые подшипники качения, причем оси вращения роликов или игл этих подшипников располагаются параллельно оси вращения данной лопатки. Однако, хотя подшипники качения, используемые в этих направляющих устройствах, позволяют уменьшить момент сил, противодействующий вращению лопатки, предложенные технические решения не являются вполне удовлетворительными. Действительно, в том случае, когда аэродинамические усилия, возникающие вследствие течения потока газов в газотурбинном двигателе, воздействуют на поворотные лопатки, катящиеся элементы этих направляющих подшипников (шарики, иглы или ролики) лопатки не являются нагруженными однородным образом, то есть некоторые катящиеся элементы подвергаются весьма значительным нагрузкам, тогда как другие катящиеся элементы оказываются практически ненагруженными. Следствием этого обстоятельства является то, что износ катящихся элементов оказывается распределенным неравномерно, причем сильно нагруженные катящиеся элементы изнашиваются гораздо быстрее, чем ненагруженные или мало нагруженные катящиеся элементы, что вызывает ускоренное старение подшипников и требует наблюдения за ними и их регулярной замены.
Задача данного изобретения заключается в том, чтобы устранить отмеченные выше недостатки и предложить достаточно простое техническое решение проблемы обеспечения направляющего воздействия на ось поворота лопатки в ее опорной конструкции благодаря использованию надежного направляющего устройства, практически не обладающего трением, которое позволяет обеспечить приведение лопатки во вращательное движение без усилий, исключает преждевременный износ используемых катящихся элементов и снижает потребность в техническом обслуживании направляющих средств оси поворота данной лопатки.
Таким образом, в данном изобретении предлагается направляющее устройство для лопатки с изменяемым углом установки, используемой, в частности, в компрессоре газотурбинного двигателя, причем такая лопатка содержит ось поворота, образованную цилиндрическим и располагающимся по оси данной лопатки хвостовиком, установленным в цилиндрическом ложементе картера и направляемым по вращательному движению вокруг своей оси в этом ложементе при помощи подшипников, отличающееся тем, что упомянутые подшипники представляют собой упоры с коническими роликами, причем оси вращения этих роликов располагаются, по существу, перпендикулярно к оси вращения данной лопатки.
В соответствии с другими характеристиками предлагаемого изобретения это направляющее устройство содержит два упора с коническими роликами, отстоящие друг от друга в осевом направлении, и в каждом из которых оси вращения роликов располагаются в одной и той же плоскости, по существу, перпендикулярной к оси вращения лопатки.
Каждый такой упор с коническими роликами содержит два кольца, между которыми размещены упомянутые ролики, и каждое из которых расположено в плоскости, по существу, перпендикулярной к оси вращения лопатки.
Предлагаемое направляющее устройство содержит средства стягивания конических роликов каждого роликового упора между кольцами этого упора, причем направление стягивания является параллельным оси вращения лопатки.
Статическое усилие этого стягивания роликов между кольцами одного подшипника превышает усилия, воздействующие на эти ролики в результате наличия аэродинамических сил, действующих на данную лопатку.
Роликовые упоры, в которых оси вращения роликов располагаются перпендикулярно к оси вращения данной лопатки, могут выдерживать высокие радиальные нагрузки, но особенно хорошо они приспособлены к противодействию весьма значительным осевым нагрузкам, в отличие от игольчатых подшипников или роликовых подшипников, в которых оси вращения роликов или игл параллельны оси вращения лопатки, и которые выдерживают только весьма небольшие или практически нулевые осевые усилия. Эти характеристики направляющего устройства в соответствии с предлагаемым изобретением позволяют воздействовать на роликовые упоры, например, при помощи гайки фиксации, которую будут затягивать на свободном резьбовом конце осевого хвостовика лопатки, со значительным осевым усилием и без повреждения этих упоров. Вследствие конической формы роликов и поверхностей колец упоров, находящихся в контакте с этими роликами, осевое усилие, воздействующее со стороны гайки фиксации на эти роликовые упоры, распределяется на ролики в виде предварительной осевой и радиальной нагрузки. Осевое усилие, воздействующее со стороны упомянутой гайки на роликовые упоры, определяется таким образом, чтобы предварительные усилия, воздействующие на ролики, были более значительными, чем те усилия, которые возникают на этих роликах вследствие наличия аэродинамических сил, воздействующих на данную лопатку. Вследствие этого осевого сжатия роликовых упоров, обеспечиваемого при помощи упомянутой гайки фиксации, усилия, возникающие в процессе функционирования данного газотурбинного двигателя, равномерно распределяются на всю совокупность роликов при любых изменениях интенсивности и направления усилий, воздействующих на данную лопатку со стороны потока газов. Непосредственным следствием этого обстоятельства является то, что износ с течением времени, в частности, в процессе операций поворота данной лопатки равномерно распределяется по всем роликам, что позволяет существенно увеличить срок службы этих роликовых упоров и уменьшить частоту операций технического обслуживания, необходимых для замены этих роликовых упоров. Кроме того, используемые в данном случае роликовые упоры имеют стандартные размеры и формы, не требующие никаких специальных приемов при изготовлении упомянутых колец, и предлагаются многочисленными производителями подшипников качения по достаточно низкой цене.
Использование роликовых упоров позволяет также обеспечить направляющее воздействие на ось поворота лопатки в ее опоре и осевую блокировку лопатки по отношению к ее опоре, которые осуществляются, по существу, без трения и требуют лишь очень незначительных усилий для перемещения лопатки по вращательному движению. Это уменьшение усилий позволяет использовать более простые и менее дорогостоящие средства приведения лопатки во вращательное движение по сравнению с соответствующими средствами, используемыми на существующем уровне техники в данной области. Эти средства приведения лопатки во вращательное движение могут, например, содержать тяги типа MIM или системы привода в виде единственного силового цилиндра.
Другая привлекательная характеристика предлагаемого изобретения состоит в том, что роликовые упоры являются герметичными, например, в результате использования кольцевых фланцев герметизации, закрепленных между кольцами этих упоров. Кроме того, в соответствии с предлагаемым изобретением роликовый упор, наиболее близкий к данной лопатке, смонтирован герметичным образом в ложементе картера при помощи опоры одного из его колец на радиальную поверхность конца лопатки и опоры другого его кольца на радиальную поверхность кругового выступа, сформированного в этом ложементе картера. Эти характеристики герметичности позволяют достаточно просто и эффективно изолировать внутренний механизм газотурбинного двигателя, содержащий, в частности, ротор и лопаточный аппарат статора, по отношению к внешней окружающей среде.
В соответствии с другими характеристиками предлагаемого изобретения:
- первый роликовый упор опирается одним из своих колец на конец лопатки и опирается другим своим кольцом на круговой выступ ложемента картера, а другой роликовый упор опирается одним из своих колец на круговой выступ ложемента картера и упирается другим своим кольцом в гайку стягивания, навинченную на осевой хвостовик данной лопатки;
- роликовые упоры смонтированы в ложементе картера по одну и по другую стороны от венца, сформированного выступающим образом во внутренней полости ложемента, причем радиальные поверхности этого венца образуют круговые выступы ложемента картера;
- каждый роликовый упор содержит кольцо, центрированное и закрепленное на осевом хвостовике лопатки, и кольцо, центрированное и закрепленное в ложементе картера;
- кольца, центрированные в ложементе картера, представляют собой кольца, располагающиеся наиболее близко друг к другу, а кольца, центрированные на осевом хвостовике лопатки, представляют собой кольца, наиболее удаленные одно от другого;
- кольца, центрированные в картере, зафиксированы по вращательному движению, тогда как кольца, центрированные на осевом хвостовике лопатки, являются поворотными.
Другие характеристики, подробности и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примера его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, среди которых:
- фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе примера реализации устройства в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.2 представляет собой схематический вид в увеличенном масштабе части устройства, показанного на фиг.1.
На фиг.1 и 2 схематически представлена лопатка 1 с изменяемым углом установки в компрессоре 2 газотурбинного двигателя, причем эта лопатка имеет возможность поворачиваться вокруг своей оси 3 по отношению к статору 4 данного газотурбинного двигателя. При этом ось 3 лопатки располагается перпендикулярно или неперпендикулярно по отношению к оси вращения 5 ротора (не показанного на приведенных в приложении чертежах) этого газотурбинного двигателя. Две цилиндрические поворотные оси 6, 7 проходят от концов 8, 9 лопатки 1 вдоль ее оси вращения 3. При этом верхняя поворотная ось образована осевым цилиндрическим хвостовиком 6 лопатки 1 и смонтирована в цилиндрическом ложементе 10, выполненном в утолщении 11 статора 4, а нижняя поворотная ось 7 проходит от другого конца 9 лопатки и смонтирована в цилиндрическом ложементе опоры (на приведенных в приложении чертежах не показана) со стороны ротора данного газотурбинного двигателя. Упомянутый осевой хвостовик 6 удерживается в цилиндрическом ложементе 10 статора 4 при помощи направляющего устройства в соответствии с предлагаемым изобретением. Направляющее устройство нижней поворотной оси, которое не всегда требуется для обеспечения возможности вращения лопатки 1 и которое может представлять собой устройство, известное из существующего уровня техники, например устройство, описанное в патентном документе US-А-2778564, не показано на фиг.1.
Утолщение 11, в котором сформирован цилиндрический ложемент 10, проходит перпендикулярно или неперпендикулярно по отношению к оси вращения 5 ротора данного газотурбинного двигателя на наружной радиальной поверхности статора 4. Цилиндрический ложемент 10 содержит на своих концах две коаксиальные цилиндрические части 13 круглого поперечного сечения, отделенные друг от друга венцом 24, сформированным выступающим образом во внутренней полости ложемента 10. Осевой хвостовик 6 центрирован и направляется по вращательному движению в цилиндрическом ложементе 10 при помощи двух упоров 14, 15 с коническими роликами, размерные и механические характеристики которых являются идентичными. Оси 16 роликов 17 каждого упора 14, 15 лежат в одной и той же плоскости, которая располагается перпендикулярно к оси вращения 3 лопатки 1. Каждый роликовый упор 14, 15 установлен в концевой цилиндрической части 13 по одну и по другую стороны от венца 24. Каждый из этих роликовых упоров 14, 15 стандартного типа содержит два коаксиальных круглых кольца 20, 21, между которыми размещены ролики 17 и каждое из которых располагается в плоскости, перпендикулярной оси вращения 3 лопатки 1. Кольца 20, 21 каждого роликового упора 14 ,15 образуют кольцевые направляющие дорожки для роликов 17 в процессе их перемещения, когда лопатка 1 приводится во вращательное движение. Ролики 17, располагающиеся по кругу между кольцами 20, 21, в каждом упоре 14, 15 удерживаются равномерно отстоящими друг от друга при помощи роликовой обоймы 23 подшипника.
Венец 24 образует вокруг оси вращения 3 лопатки 1 выступ на внутренней стенке цилиндрического ложемента 10. Роликовые упоры 14, 15 установлены по одну и по другую стороны от этого венца 24, и каждый из этих упоров опирается в осевом направлении одним из своих колец 20 на одну из радиальных поверхностей 27, 28 этого венца 24. Каждый роликовый упор 14, 15 центрирован в соответствующей цилиндрической части 13 при помощи своего кольца 20, опирающегося на венец 24.
Каждый роликовый упор 14, 15 центрирован также на цилиндрической опорной поверхности 29, 30 осевого хвостовика 6 данной лопатки посредством его кольца 21, наиболее удаленного от упомянутого венца. Обе цилиндрические опорные поверхности 29, 30, необходимые для центрирования роликовых упоров на осевом хвостовике 6, имеют один и тот же диаметр и связаны между собой при помощи цилиндрической части этого осевого хвостовика, имеющей диаметр, меньший, чем диаметр двух его цилиндрических опорных поверхностей.
Кольца 20, центрированные в частях 13 цилиндрического ложемента 10, зафиксированы по вращательному движению, а кольца 21, центрированные на осевом хвостовике 6 лопатки, имеют возможность вращения и жестко связаны по вращательному движению с этим осевым хвостовиком 6. Фиксация колец 20, центрированных в частях 13 цилиндрического ложемента 10, может быть реализована при помощи тугой посадки и/или путем приклеивания.
Роликовый упор 15, располагающийся со стороны лопатки 1, опирается в осевом направлении своим кольцом 21, центрированным на осевом хвостовике 6, на конец 8 лопатки. Цилиндрическая опорная поверхность 30, обеспечивающая возможность центрирования на этом осевом хвостовике 6 роликового упора 15, проходит от конца лопатки на высоту, соответствующую высоте кольца 21.
Роликовый упор 14, располагающийся со стороны свободного конца осевого хвостовика 6, опирается в осевом направлении своим кольцом 21 на кольцевую часть 35 рычага 36 или тяги приведения лопатки во вращательное движение, причем эта кольцевая часть 35 надета на осевой хвостовик 6.
Кольцевая часть 35 рычага 36 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность, сформированную с, по меньшей мере, одним плоским срезом, или лыской, который взаимодействует с соответствующим плоским срезом, выполненным на осевом хвостовике 6, вокруг которого эта цилиндрическая поверхность размещена, для жесткого соединения по вращательному движению рычага 36 с лопаткой 1.
В представленном здесь примере реализации предлагаемого изобретения каждый роликовый упор 14, 15 снабжен двумя кольцевыми фланцами герметизации (на приведенных в приложении чертежах не показаны), закрепленными между двумя его кольцам 20, 21, и является герметичным.
В такой конструкции, с одной стороны, расположение венца 24 между двумя роликовыми упорами 14, 15, а с другой стороны, расположение двух роликовых упоров 14, 15 между концом 8 лопатки и гайкой стягивания 38 позволяет зафиксировать по поступательному движению осевой хвостовик 6 и, следовательно, всю лопатку 1 по отношению к статору 4 данного газотурбинного двигателя.
В процессе сборки направляющего устройства последний этап этой сборки состоит в затягивании гайки крепления 38 вокруг осевого хвостовика 6 с определенным моментом затягивания для блокировки по поступательному движению лопатки 1 по отношению к статору 4, но также и для приложения предварительной нагрузки к роликам 17 упоров 14, 15. Затягивание гайки 38 создает усилия сжатия, которые прикладываются в осевом направлении к каждому роликовому упору 14, 15 для сжатия роликов 17 между кольцами 20, 21 этих упоров. Роликовый упор 14, располагающийся со стороны свободного конца осевого хвостовика 6, при этом сжимается между кольцевой частью 35 рычага 36 и венцом 24, а роликовый упор 15, располагающийся со стороны лопатки 1, сжимается между концом 8 лопатки и венцом 24.
Вследствие конической формы роликов 17 и поверхностей колец 20, 21, находящихся в контакте с этими роликами 17, усилия сжатия, воздействующие на каждый роликовый упор 14, 15, распределяются на роликах 17 на осевые и радиальные усилия предварительной нагрузки. Момент затягивания, приложенный к гайке 38, навинченной на осевой хвостовик 6, определяется таким образом, чтобы упомянутые усилия предварительной нагрузки, воздействующие на ролики 17, определенно превышали нагрузки, испытываемые этими роликами 17 в результате воздействия аэродинамических усилий на лопатку 1, которые являются следствием течения потока газов в газотурбинном двигателе. Вследствие наличия этой предварительной нагрузки усилия, выдерживаемые роликами 17 в процессе функционирования данного газотурбинного двигателя, оказываются равномерно и постоянно распределенными по всей совокупности роликов 17 при любых изменениях интенсивности и направления усилий, воздействующих на лопатку 1 со стороны потока газов.
В одном из возможных вариантов реализации предлагаемого изобретения оба роликовых упора 14, 15 имеют различные размеры и/или механические характеристики.
1. Направляющее устройство для лопатки с изменяемым углом установки, используемой в компрессоре газотурбинного двигателя, причем такая лопатка содержит поворотную ось, образованную цилиндрическим осевым хвостовиком (6), установленным в цилиндрическом ложементе (10) картера и направляемым по вращательному движению вокруг оси в этом ложементе при помощи двух упоров (14, 15) с коническими роликами (17), причем оси этих роликов расположены по существу перпендикулярно оси вращения данной лопатки, отличающееся тем, что первый упор (15) опирается одним из своих колец на один конец (8) лопатки и другим своим кольцом на круговой выступ ложемента (10) картера, а другой роликовый упор (14) опирается одним из своих колец на круговой выступ ложемента (10) картера и другим своим кольцом в гайку стягивания (38), навинченную на осевой хвостовик (6) данной лопатки.
2. Направляющее устройство по п.1, отличающееся тем, что в каждом упоре оси вращения роликов (17) расположены в одной и той же плоскости, по существу перпендикулярной оси вращения (3) лопатки.
3. Направляющее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каждый роликовый упор содержит два кольца (20, 21), между которыми размещены ролики (17), и каждое из колец расположено в плоскости, по существу перпендикулярной оси вращения (3) лопатки.
4. Направляющее устройство по п.1, отличающееся тем, что статическое усилие стягивания роликов (17) упоров (14, 15) превышает усилия, воздействующие на эти ролики в результате наличия аэродинамических сил, действующих на данную лопатку.
5. Направляющее устройство по п.1, отличающееся тем, что роликовые упоры (14, 15) установлены в ложементе (10) картера по одну и по другую стороны от венца (24), сформированного выступающим образом во внутренней полости ложемента, причем радиальные поверхности венца (24) образуют круговые выступы ложемента картера.
6. Направляющее устройство по п.1, отличающееся тем, что первый роликовый упор (15) смонтирован герметичным образом в ложементе (10) картера при помощи опоры его колец на соответствующие радиальные поверхности конца (8) лопатки и на круговой выступ ложемента картера.
7. Направляющее устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый роликовый упор (14, 15) содержит кольцо (21), центрированное и закрепленное на осевом хвостовике (6) лопатки, и кольцо (20), центрированное и закрепленное в ложементе (10) картера.
8. Направляющее устройство по п.7, отличающееся тем, что кольца (20) роликовых упоров, центрированные в ложементе (10) картера, представляют собой кольца, располагающиеся наиболее близко друг к другу, а кольца (21) двух роликовых упоров, центрированные на осевом хвостовике (6) лопатки, представляют собой кольца, наиболее удаленные одно от другого.
9. Направляющее устройство по п.7, отличающееся тем, что кольца (20), центрированные в картере, зафиксированы по вращательному движению, тогда как кольца (21), центрированные на осевом хвостовике (6) лопатки, имеют возможность поворота.
10. Направляющее устройство по п.1, отличающееся тем, что роликовые упоры (14, 15) являются герметичными.
