Межтурбинный картер с контуром охлаждения и содержащий его турбореактивный двигатель
Изобретение относится к охлаждению турбин турбореактивного двигателя. Межтурбинный картер турбореактивного двигателя содержит наружное кольцо, внутреннее кольцо и промежуточное кольцо, расположенное между внутренним кольцом и наружным кольцом. Внутреннее и промежуточное кольца содержат отверстия для прохождения охлаждающего воздуха. Межтурбинный картер также содержит, по меньшей мере, одно уплотнительное устройство, установленное между наружным и промежуточным кольцом с подошвой и с периферической юбкой. Подошва уплотнительного устройства оборудована, по меньшей мере, одним отверстием для прохождения охлаждающего воздуха, а периферическая юбка выполнена с возможностью упругого сжатия и расширения. При этом подошва опирается на наружное кольцо, а периферическая юбка опирается на промежуточное кольцо. Другим объектом изобретения является турбореактивный двигатель, содержащий описанный выше межтурбинный картер. Изобретение позволяет снизить утечки охлаждающего воздуха. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, к охлаждению турбин турбореактивного двигателя. В частности, оно касается уплотнительного устройства, предназначенного для применения в контуре охлаждения турбин турбореактивного двигателя в межтурбинном картере турбореактивного двигателя. Оно касается также межтурбинного картера, оборудованного таким уплотнительным устройством. Наконец, оно касается турбореактивного двигателя, содержащего такое уплотнительное устройство и/или такой межтурбинный картер.
В дальнейшем термины «осевой» и «радиальный» будут относиться к осевому направлению и к радиальному направлению турбореактивного двигателя.
Известно, что двухконтурный турбореактивный двигатель летательного аппарата содержит первичный контур потока газов и вторичный контур потока газов, которые разделены межконтурным отсеком картера, называемым «межтурбинным картером». В первичном контуре от входа к выходу в направлении потока газов расположены компрессор низкого давления и компрессор высокого давления. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, в котором он смешивается с топливом под давлением, которое сгорает, создавая на выходе камеры сгорания энергию, поступающую на турбину высокого давления, вращающую компрессор высокого давления, затем на турбину низкого давления, вращающую вентилятор и компрессор низкого давления. На выходе турбин газы создают остаточную тягу, которая добавляется к тяге, создаваемой газами, циркулирующими во вторичном контуре, для обеспечения движения летательного аппарата.
На фиг. 1 схематично показана известная архитектура турбин турбореактивного двигателя. Турбина 10 низкого давления содержит лопатки 12 статора и лопатки 14 ротора. Лопатки 14 ротора вращают вал 16, вращающийся на опорном подшипнике 18, установленном на заднем конце упомянутой турбины 10 низкого давления в выпускным картере 20, расположенном радиально до наружного картера 22. Турбина 24 высокого давления содержит лопатки 26 статора и лопатки 28 ротора. Лопатки 28 ротора вращают вал 30, вращающийся на опорном подшипнике 32, установленном на переднем конце турбины 10 низкого давления в межтурбинном картере 40, расположенном радиально до наружного картера 20 в межтурбинном пространстве 34. Преимуществом такой архитектуры турбин, в которой турбина высокого давления крепится на статоре турбины низкого давления, как известно, является возможность улучшенного контроля за относительными перемещениями обеих турбин, что позволяет уменьшить рабочие зазоры по сравнению с другими видами архитектуры турбин.
Межтурбинный картер 40 является конструктивной деталью, которая, как известно, содержит наружное кольцо, являющееся частью наружного картера, и внутреннее кольцо, являющееся частью внутреннего картера или ступицы, на которой крепят опору подшипника вала турбины высокого давления. Межтурбинный картер содержит также определенное число радиальных стоек, которые являются конструктивными деталями, соединяющими наружное кольцо и внутреннее кольцо. Он содержит также обтекатели 42, имеющие профилированную форму и расположенные в аэродинамическом воздушном канале для распределения воздушного потока, выходящего из турбины высокого давления, прежде чем он достигнет первой ступени турбины низкого давления. Предпочтительно, чтобы радиальные стойки были выполнены внутри некоторых из этих обтекателей или во всех этих обтекателях.
Детали, подверженные термическому воздействию, такие как роторы турбин, обтекатели и радиальные стойки требуют охлаждения. Для этого, как известно, подводят охлаждающий воздух, отбираемый в самой холодной части турбореактивного двигателя, через наружное кольцо, обтекатели и внутренние кольца. Однако, учитывая расширения, которым подвергаются детали во время работы, обтекатели разбивают на сектора, что предполагает наличие рабочего зазора между отдельными секторами. Вместе с тем эти рабочие зазоры являются также очагами паразитных утечек, через которые выходит часть охлаждающего воздуха. Такие утечки приводят к снижению эффективности охлаждающего контура, так как количество охлаждающего воздуха невозможно оптимизировать. Отсюда следует сокращение срока службы охлаждаемых деталей или необходимость увеличения расхода охлаждающего воздуха.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков путем выполнения охлаждающего контура, который сводит к минимуму утечки охлаждающего воздуха.
Объектом настоящего изобретения является межтурбинный картер турбореактивного двигателя, содержащий наружное кольцо и внутреннее кольцо, а также промежуточное кольцо между внутренним кольцом и наружным кольцом, при этом внутреннее и промежуточное кольца содержат соответствующие отверстия для прохождения охлаждающего воздуха. Согласно изобретению картер отличается тем, что содержит, по меньшей мере, одно уплотнительное устройство, установленное между наружным кольцом и промежуточным кольцом, с подошвой, оборудованной, по меньшей мере, одним отверстием для прохождения охлаждающего воздуха, и периферической юбкой, выполненной с возможностью упругого сжатия и расширения, при этом подошва опирается на наружное кольцо, а периферическая юбка опирается на промежуточное кольцо.
Целесообразно, чтобы межтурбинный картер дополнительно содержал конструктивные стойки, проходящие через соответствующие отверстия внутреннего кольца и промежуточного кольца, а уплотнительное устройство было установлено между концом одной из радиальных стоек и упомянутым наружным кольцом.
Целесообразно также, чтобы уплотнительное устройство было установлено таким образом, чтобы упомянутое отверстие подошвы находилось напротив отверстия наружного кольца.
Целесообразно также, чтобы уплотнительное устройство было установлено таким образом, чтобы периферическая юбка охватывала отверстие промежуточного кольца. Предпочтительно, чтобы уплотнительное устройство было установлено таким образом, чтобы его периферическая юбка находилась под предварительным напряжением сжатия. В частности, уплотнительное устройство крепят на концевой площадке одной из конструктивных стоек при помощи винтов, проходящих через крепежные отверстия, выполненные в подошве.
Согласно изобретению межтурбинный картер дополнительно оборудуют рубашками, расположенными между промежуточным кольцом и внутренним кольцом, при этом каждая из упомянутых рубашек обеспечивает сообщение между одним из соответствующих отверстий промежуточного кольца и одним из соответствующих отверстий внутреннего кольца. Предпочтительно, чтобы каждая рубашка содержала боковые отверстия для прохождения охлаждающего воздуха.
Еще одним объектом настоящего изобретения является турбореактивный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один межтурбинный картер.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания частного варианта выполнения, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:
фиг. 1 (уже описана) изображает вид в осевом разрезе архитектуры турбин турбореактивного двигателя, в которой применяют настоящее изобретение.
Фиг. 2 - вид в осевом разрезе межтурбинного картера, оборудованного уплотнительным устройством в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 3 и 4 - изображают соответственно вид в изометрии сверху и вид в изометрии снизу уплотнительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 5 и 6 - соответственно вид в осевом разрезе и вид в изометрии снизу уплотнительного устройства, установленного на наружном кольце и закрепленного на конструктивной стойке.
На фиг. 2 показана часть турбореактивного двигателя 2 и, в частности, межтурбинное пространство 34 между турбиной 10 низкого давления и турбиной 24 высокого давления, соответствующие лопатки которых (на фиг. 2 не показаны) расположены в аэродинамическом воздушном канале 36. В этом межтурбинном пространстве 34 устанавливают межтурбинный картер 40, содержащий, как известно, наружное кольцо 44, внутреннее кольцо 46, закрепленное на опоре подшипника при помощи крепежных средств, например винтов, которые условно обозначены пунктиром 100, и обтекатели 42, закрепленные на наружном кольце 44 и на фланцах 46а, 46b, неподвижно соединенных с внутренним кольцом 46; обтекатели 42 по сути дела зажаты на уровне их внутреннего конца между этими фланцами 46а, 46b. Эти обтекатели 42 предназначены, в частности для распределения воздушного потока, выходящего из турбины 24 высокого давления, прежде чем он достигнет первой ступени турбины 10 низкого давления. Обтекатели 42 расположены в аэродинамическом воздушном канале 36 перед лопатками 12 турбины 10 высокого давления. Они ограничены наружным промежуточным кольцом 52 и внутренним промежуточным кольцом 54.
Межтурбинный картер 40 оборудован радиальными стойками 48, которые являются конструктивными деталями. Эти радиальные стойки 48 проходят через внутреннее промежуточное кольцо 54, которое для этого содержит отверстия 540, а также через верхнее промежуточное кольцо 52, которое содержит для этого отверстия 520. Каждая радиальная стойка 48 содержит конец, шарнирно соединенный с внутренним кольцом 46, например, при помощи вилки 50. Каждая радиальная стойка 48 содержит другой конец, закрепленный на наружном кольце 44 при помощи крепежной площадки 56 и обычных крепежных средств, например винтов, условно обозначенных пунктиром 200 на фиг. 2, которые проходят через крепежные отверстия 560 крепежной площадки 56 (см. фиг. 6).
Межтурбинный картер 40 дополнительно оборудован рубашками 58. Каждая рубашка 58 расположена внутри одного из обтекателей 42 вокруг радиальной стойки 48 и соединяет отверстие 520 наружного промежуточного кольца 52 с отверстием 540 внутреннего промежуточного кольца 54. Каждая рубашка 58 дополнительно оборудована боковыми отверстиями 580, которые выполнены напротив соответствующего обтекателя 42.
Далее со ссылкой на фиг. 2 следует описание охлаждающего контура. Охлаждающий воздух, отбираемый в самой холодной части турбореактивного двигателя, например из компрессора высокого давления, поступает, как показано стрелкой 4, в первую камеру 60, ограниченную между наружным кольцом 44 и коллектором 62, закрепленным вокруг упомянутого наружного кольца 44. После этого охлаждающий воздух проходит через наружное кольцо 44, которое для этого содержит отверстия 440, что показано стрелкой 5, во вторую камеру 70, ограниченную между наружным кольцом 44 и наружным промежуточным кольцом 52. Затем охлаждающий воздух проходит через наружное промежуточное кольцо 52 через отверстия 520. Затем он направляется внутрь рубашек 58 вокруг радиальных стоек 48, как показано стрелками 6, и часть этого воздуха направляется на обтекатели 42 через отверстия 580 рубашек 58 для охлаждения упомянутых обтекателей 42, как показано стрелками 7. Самая большая часть охлаждающего воздуха проходит через внутреннее промежуточное кольцо 54 через отверстия 540, после чего поступает к внутренним частям турбореактивного двигателя 2 для их охлаждения, как показано стрелками 8.
Необходимо максимально уменьшить паразитные утечки этого охлаждающего контура, чтобы значительное количество охлаждающего воздуха, заходящего в первую камеру 60 (стрелка 4), гарантированно попадало к внутренним горячим частям турбин (стрелки 8). Наличие рубашек 58 внутри обтекателей 42 между наружным промежуточным кольцом 52 и внутренним промежуточным кольцом 54 позволяет избежать таких утечек на уровне аэродинамического канала 36.
Необходимо также ограничить потенциальные утечки на уровне второй камеры 70. Для этого межтурбинный картер 40 оборудуют уплотнительными устройствами 80, установленными в упомянутой второй камере 70, описание которых следует далее со ссылками на фиг. 2-6.
Как показано на фиг. 3 и 4, которые представляют собой соответственно вид в перспективе сверху и вид в перспективе снизу, каждое уплотнительное устройство 80 содержит подошву 82 и периферическую юбку 84. Подошва 82 выполнена в виде по существу плоской плиты, вписанной в окружность. Периферическая юбка 84 выполнена, начиная от периферии упомянутой подошвы 82, в направлении, по существу перпендикулярном к плоскости упомянутой подошвы 82, в виде сильфона. В представленном примере этот сильфон содержит две выступающие части 86, разделенные утопленной частью 88, вместе с тем он может содержать другое число выступающих частей и утопленных частей. Кроме того, уплотнительное устройство 80 содержит отверстия 90, в представленном примере выполненные в количестве двух.
Периферическая юбка 84 выполнена с возможностью упругого сжатия и расширения. Свободный край периферической юбки 84 загнут внутрь, образуя по существу плоский буртик 92, по существу параллельный подошве 82. Когда уплотнительное устройство устанавливают во второй камере 70, как показано на фиг. 2, подошва 82 опирается на внутреннюю сторону наружного кольца 44 напротив одного из отверстий 440 упомянутого наружного кольца 44, тогда как буртик 92 опирается на наружную сторону наружного промежуточного кольца 52 и охватывает одно из отверстий 520 упомянутого наружного промежуточного кольца 52. Таким образом, свободный край 92 (буртик 92) периферической юбки 84 образует зону опоры на наружную сторону наружного промежуточного кольца 52; эта опорная зона является, например, образующей, если буртик 92 загнут таким образом, чтобы контакт происходил вдоль линии, или поверхностью, если буртик 92 выполнен таким образом, чтобы контакт был поверхностным.
Уплотнительное устройство 80 устанавливают в упомянутой второй камере 70, будучи предварительно подвергнутым напряжению сжатия. Такая упругая конфигурация уплотнительного устройства обеспечивает достаточную герметичность между наружным кольцом 44 и наружным промежуточным кольцом 52 (см. фиг. 2). Таким образом, охлаждающий воздух, который проходит через отверстие 440 наружного кольца 44, проходит также через отверстия 90 уплотнительного устройства 80 и на уровне второй камеры 70 оказывается заключенным в объеме, ограниченном уплотнительным устройством 80. Иначе говоря, охлаждающий воздух не может выйти в боковом направлении во вторую камеру 70. Дополнительным преимуществом такой конфигурации является то, что уплотнительное устройство 80 может наподобие пружины поглощать относительные перемещения между упомянутым наружным кольцом 44 и упомянутым наружным промежуточным кольцом 52.
На фиг. 5 и 6, соответственно сбоку и в перспективе снизу, схематично показано крепление уплотнительного устройства 80 на наружном кольце 44 при помощи радиальной стойки 48. На фиг. 6 показано более детально, чем на фиг. 2, крепление площадки 56 на наружном кольце 44 при помощи отверстий 560, в которые должны заходить крепежные винты 200 (на фиг. 6 не показаны). Подошва 82 содержит отверстия 94 для прохождения крепежных винтов 200 с выполнением прохода для этих крепежных винтов 200. Площадка 56 крепления радиальной стойки 48 имеет соответствующую форму для обеспечения достаточно большого крепежного пространства, не перекрывая при этом отверстия 90 подошвы 82 уплотнительного устройства 80.
1. Межтурбинный картер (40) турбореактивного двигателя (2), содержащий наружное кольцо (44), внутреннее кольцо (54) и промежуточное кольцо (52), расположенное между внутренним кольцом и наружным кольцом, при этом внутреннее (54) и промежуточное (52) кольца содержат соответствующие отверстия (540, 520) для прохождения охлаждающего воздуха, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одно уплотнительное устройство (80), установленное между наружным кольцом (44) и промежуточным кольцом (52), с подошвой (82), оборудованной, по меньшей мере, одним отверстием (90) для прохождения охлаждающего воздуха, и с периферической юбкой (84), выполненной с возможностью упругого сжатия и расширения, при этом подошва (82) опирается на наружное кольцо (44), а периферическая юбка (84) опирается на промежуточное кольцо (52).
2. Межтурбинный картер по п.1, в котором периферическую юбку (84) выполняют, начиная от упомянутой подошвы (82) в направлении, по существу, перпендикулярном к плоскости упомянутой подошвы (82).
3. Межтурбинный картер по п.1, в котором периферическая юбка (84) содержит свободный край (92), загнутый внутрь, образуя опорную сторону.
4. Межтурбинный картер по п.1, в котором уплотнительное устройство содержит крепежные средства, выполненные на подошве, с отверстиями (94), проходящими через упомянутую подошву и предназначенными для захождения крепежных винтов (200).
5. Межтурбинный картер по п.1, дополнительно содержащий конструктивные стойки (48), которые проходят через упомянутые соответствующие отверстия (540, 520) внутреннего кольца (54) и промежуточного кольца (52), в котором упомянутое уплотнительное устройство (80) устанавливают между концом одной из радиальных стоек (48) и упомянутым наружным кольцом (44).
6. Межтурбинный картер по п.5, в котором упомянутое уплотнительное устройство (80) устанавливают таким образом, чтобы, по меньшей мере, одно отверстие (90) подошвы (82) находилось напротив отверстия (440) наружного кольца (44).
7. Межтурбинный картер по п.1, в котором уплотнительное устройство (80) устанавливают таким образом, чтобы периферическая юбка (84) охватывала отверстие (520) упомянутого промежуточного кольца (52).
8. Межтурбинный картер по п.1, в котором уплотнительное устройство (80) устанавливают таким образом, чтобы его периферическая юбка (84) находилась под предварительным напряжением сжатия.
9. Межтурбинный картер по п.4, в котором уплотнительное устройство (80) крепят на концевой площадке (56) одной из конструктивных стоек (48) при помощи винтов, проходящих через крепежные отверстия (94), выполненные в подошве (82).
10. Межтурбинный картер (40) по п.1, дополнительно содержащий рубашки (58), расположенные между промежуточным кольцом (52) и внутренним кольцом (54), при этом каждая из рубашек (58) обеспечивает сообщение между одним из соответствующих отверстий (520) промежуточного кольца (52) и одним из соответствующих отверстий (540) внутреннего кольца (54).
11. Межтурбинный картер (40) по п.10, в котором рубашки (58) содержат боковые отверстия (580) для прохождения охлаждающего воздуха.
12. Турбореактивный двигатель (2), содержащий, по меньшей мере, один межтурбинный картер (40) по любому из пп.1-11.
