Статор компрессора высокого давления
Использование: в области двигателестроения, а именно к конструкции статора компрессора высокого давления, например газотурбинного двигателя с системой активного регулирования радиальных зазоров между ротором и статором. Сущность изобретения: статор компрессора высокого давления содержит корпус 7 и расположенные в нем направляющие аппараты со статорными лопатками 9, закрепленные в корпусе и чередующиеся с ними промежуточные кольца 10, причем соседние кольца и направляющие аппараты соединены между собой соединением выступ-паз. Направляющие аппараты разрезаны по окружности на сектора, промежуточные кольца 10 разрезаны по окружности на сектора, число которых равно секторам направляющих аппаратов. При этом сектора направляющего аппарата и промежуточных колец закреплены на корпусе 7 винтами, а стыки секторов соседних элементов размещены в шахматном порядке. Стыки секторов сбоку полностью перекрыты торцами секторов соседних колец и направляющих аппаратов. 1 з. п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно, к конструкции статора компрессора высокого давления с системой активного регулирования радиальных зазоров между ротором и статором.
Известен статор компрессора высокого давления турбореактивного двигателя, содержащий внутренний корпус, жестко закрепленные в нем направляющие аппараты со статорными лопатками и промежуточные кольца, а также наружный корпус, охватывающий внутренний корпус с образованием кольцевой полости между ними [1] Недостатком данной конструкции является ограниченная возможность регулирования радиальных зазоров между статором и ротором компрессора.
Известен также статор многоступенчатого осевого компрессора авиационного турбореактивного двигателя, включающий направляющие аппараты, состоящие из отдельных, установленных в этом статоре лопаток, и промежуточных колец, выполненных зацело с элементами статора [2] Однако данная конструкция имеет следующие недостатки: узкий диапазон регулирования радиальных зазоров, не позволяющий обеспечивать достаточно высокие параметры двигателя; неустраненные механические и термические напряжения между внутренними и наружными слоями конструкции, которые приводят к уменьшению ресурса статора; низкая надежность и технологичность из-за наличия малонадежных уплотнительных элементов и наличия сложных деталей.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в одновременном повышении ресурса, надежности и технологичности статора в результате устранения механических и термических напряжений между внутренними и наружными слоями конструкции, увеличения диапазона регулирования радиальных зазоров между ротором и статором, а также отсутствия многочисленных уплотнительных элементов и элементов крепления лопаток.
Данная техническая задача решается за счет того, что в статоре компрессора высокого давления, содержащем корпус и расположенные в нем направляющие аппараты, закрепленные в корпусе, и чередующиеся в ними промежуточные кольца, причем соседние кольца и направляющие аппараты соединены между собой соединением выступ-паз, а направляющие аппараты разрезаны по окружности на сектора, согласно изобретению промежуточные кольца разрезаны по окружности на число секторов, равное числу секторов направляющего аппарата, при этом сектора направляющего аппарата и промежуточных колец закреплены на корпусе винтами, а стыки секторов соседних колец и направляющих аппаратов размещены в шахматном порядке.
Кроме того, стыки секторов сбоку полностью перекрыты торцами секторов соседних направляющих аппаратов.
На фиг. 1 изображена схема турбореактивного двухконтурного двигателя; на фиг. 2 узел I на фиг.1 (в увеличенном виде для статора с радиальной деформацией корпуса при помощи разности давлений); на фиг.3 сечение А-А на фиг.2; на фиг. 4 узел I на фиг.1 (для статора с обдувом внутреннего корпуса воздухом); на фиг. 5 узел II на фиг.4 в увеличенном виде; на фиг.6 и 7 частичное окружное сечение по кольцу направляющего аппарата; на фиг. 8 схема расположения секторов колец в статоре компрессора; на фиг. 9 разрез Б-Б на фиг.6 (по стыку между секторами промежуточного кольца).
Турбореактивный двухконтурный двигатель содержит вентилятор 1, компрессор 2 низкого давления, компрессор 3 высокого давления, камеру 4 сгорания, турбину 5 высокого давления и турбину 6 низкого давления.
Статор компрессора 3 высокого давления 3 содержит внутренний корпус 7, в котором жестко закреплены сектора 8 направляющих аппаратов со статорными лопатками 9 и чередующиеся с ними промежуточные кольца 10. Наружный корпус 11 охватывает внутренний корпус 7, снабжен патрубками 12 и жестко связан с внутренним корпусом радиальными фланцами 13 и 14. Кольцевая полость 15 между этими корпусами выполнена герметичной и сообщена с проточной частью 16 компрессора жиклерными отверстиями 17. Патрубки 12 снабжены заслонками 18 и сообщены с каналом 19 наружного контура двигателя (фиг. 2 и 3).
Ротор компрессора высокого давления включает роторные лопатки 20, закрепленные на барабане ротора.
Сектора 8 направляющих аппаратов жестко закреплены на внутреннем корпусе винтами 22. Промежуточные кольца 10 жестко соединены с секторами 8 боковыми кольцевыми буртиками 23, выполненными на секторах 8 и расположенными в ответных кольцевых канавках соседних промежуточных колец 10.
Сектора 8 направляющих аппаратов и промежуточные кольца 10 разрезаны по окружности на равное число секторов 24 и 25 соответственно. Каждый сектор закреплен на внутреннем корпусе 7 одним винтом 22. Концы каждого из секторов 25 и 24 жестко зафиксированы между средними частями секторов соседних колец. Стыки секторов 24 и 25 соседних секторов 8 и 10 размещены в шахматном порядке.
По краям секторов 8 направляющих аппаратов радиально наружу от боковых буртиков 23 выполнены буртики 26 до контакта с внутренним корпусом 7, которые своими торцами полностью закрывают сбоку стыки между соседними секторами 25, что предотвращает утечку воздуха через эти стыки от последующих ступеней компрессора к предыдущим (фиг.9).
При сборке компрессора на ротор, расположенный вертикально, устанавливают последовательно секторы 24 в сборе с направляющими лопатками 9 и секторы 25 колец 10. При этом кольцевые буртики 23 секторов 24 входят в кольцевые канавки секторов 25 соседних колец 10. Такая двойная центровка (по внутренней цилиндрической и наружной цилиндрической поверхностям) совместно с шахматным расположением стыков соседних секторов 24 и 25 обеспечивает фиксацию секторов в радиальном направлении относительно ротора. После установки секторов всех колец на них надвигают внутренний корпус 7 и закрепляют каждый сектор одним винтом 22 на внутреннем корпусе.
После запуска двигателя при переходе с режима малого газа на взлетный режим радиальные зазоры между ротором и статором уменьшаются. Так как заслонки 18 находятся в открытом положении, то давление в кольцевой полости 15 будет примерно равно давлению в канале 19 наружного контура двигателя. Поэтому под давлением все увеличивающегося перепада по обе стороны внутреннего корпуса 7, а также все увеличивающейся температуры воздуха в проточной части 16 компрессора внутренний корпус 7 расширяется быстрее, чем ротор. Ввиду этого радиальные зазоры между ротором и статором увеличиваются, что предотвращает задевание концов роторных лопаток 20 в промежуточные кольца 10.
При переходе двигателя на длительный крейсерский режим все заслонки 18 закрываются, и полость 15 становится герметичной. Поскольку она сообщена с проточной частью 16 жиклерными отверстиями 17, давление в ней становится равным статическому давлению в том месте проточной части 16, где расположены отверстия 17. Внутренний корпус 7 разгружается от действия силы перепада давления по обе его стороны. Корпус 7 при этом сжимается и радиальные зазоры становятся минимальными. Температура корпуса и ротора выравнивается.
При переходе двигателя на режим малого газа температура воздуха в проточной части 16 резко уменьшается. При этом тонкостенный внутренний корпус 7 охлаждается быстрее, чем массивный ротор, поэтому возникает опасность врезания концов роторных лопаток 20 в промежуточные кольца 10 статора.
Для увеличения радиальных зазоров открываются заслонки 18, после чего давление в кольцевой полости 15 быстро падает до давления в канале 19 наружного контура. Внутренний корпус 7 под давлением разности давлений по обе стороны расширяется и радиальные зазоры между ротором и статором увеличиваются.
При работе двигателя множество секторов 24 и 25, на которые разрезаны элементы 8 и 10, закрепленные на внутреннем корпусе 7 только одним винтом каждый, не ограничивают свободную радиальную деформацию корпуса 7 при температурах и силовых воздействиях на него. Крепежные винты 22 при этом не подвергаются дополнительным напряжениям.
1. СТАТОР КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус и расположенные в нем направляющие аппараты, закрепленные на корпусе, и чередующиеся с ними промежуточные кольца, причем соседние кольца и направляющие аппараты соединены между собой соединением выступ — паз, а направляющие аппараты разрезаны по окружности на число секторов, равное числу секторов направляющего аппарата, при этом сектора колец направляющего аппарата и промежуточных колец закреплены на корпусе винтами, а стыки секторов соседних колец и направляющих аппаратов размещены в шахматном порядке.
2. Статор по п. 1, отличающийся тем, что стыки секторов полностью перекрыты торцами секторов соседних направляющих аппаратов.
Источник
Статор компрессора газотурбинного двигателя
Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей (ГТД) авиационного и наземного применения. Технический результат заключается в повышении надежности и КПД компрессора за счет исключения утечек сжимаемого воздуха и износа рабочих колец о внутренний корпус компрессора. Это достигается тем, что в статоре компрессора ГТД, содержащем наружный и внутренний корпуса, рабочие кольца, образующие с внутренним корпусом кольцевые полости, согласно изобретению рабочие кольца скреплены между собой с помощью соединения кольцевой выступ — паз кольцами направляющих аппаратов, которые зафиксированы под внутренним корпусом радиальными винтами, а рабочие кольца закреплены относительно колец направляющих аппаратов в окружном направлении осевыми штифтами. 2 ил.
Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.
Известен корпус (статор) компрессора высокого давления ТРД-36, в котором рабочие полукольца и полукольца направляющих аппаратов телескопически установлены в центрирующие оболочки, связанные с наружным корпусом, а крутящий момент от спрямляющих аппаратов передается от первой к последней ступени и далее на наружный корпус с помощью фиксирующих штифтов [1].
Однако, при малом весе конструкция обладает повышенным износом полуколец направляющих аппаратов в местах их телескопического соединения с центрирующими оболочками, а также пониженным КПД компрессора из-за перетекания сжимаемого компрессором воздуха по телескопическим соединениям и отсутствия системы активного управления радиальными зазорами между ротором и статором.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является статор компрессора газотурбинного двигателя с системой управления радиальными зазорами, включающий наружный и внутренний корпуса, рабочие кольца, образующие с внутренним корпусом кольцевые полости. Внутренний корпус соединен с наружным корпусом посредством упругих фланцев, а в кольцевую полость подается холодный воздух на обдув внутреннего корпуса, за счет термической деформации которого обеспечивается управление радиальными зазорами между ротором и статором [2].
Однако, статор данной конструкции не обеспечивает высокий КПД компрессора в результате перетекания сжатого воздуха от последних ступеней компрессора к первым из-за зазоров и плохих контактов между внутренним корпусом и рабочими кольцами, а также кольцами направляющих аппаратов, что также не обеспечивает необходимую управляемость при регулировании этих зазоров.
Кроме того, возможны наклеп и износ колец при контактах с внутренним корпусом и поломка компрессора.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности и КПД компрессора за счет исключения утечек сжимаемого воздуха и износа рабочих колец о внутренний корпус компрессора.
Сущность изобретения заключается в том, что в статоре компрессора газотурбинного двигателя, содержащем наружный и внутренний корпуса, рабочие кольца, образующие с внутренним корпусом кольцевые полости, согласно изобретению рабочие кольца скреплены одежду собой с помощью соединения кольцевой выступ — паз кольцами направляющих аппаратов, которые зафиксированы под внутренним корпусом радиальными винтами, а рабочие кольца закреплены относительно колец направляющих аппаратов в окружном направлении осевыми штифтами.
Закрепление колец направляющих аппаратов под внутренним корпусом радиальными винтами обеспечивает плотный контакт между этими элементами, исключая их наклеп, а значит и поломку компрессора. Такая конструкция обеспечивает фиксацию, исключающую перетекание сжатого воздуха от последних ступеней к первым и обеспечивая стабильную на всех режимах теплопередачу от колец направляющего аппарата к внутреннему корпусу и упрощая регулирование радиальных зазоров между статором и ротором.
Дополнительная фиксация, необходимая для высоконапорного компрессора, обеспечена креплением рабочих колец между скобой с помощью соединения кольцевой выступ — паз кольцами направляющих аппаратов, которые зафиксированы под внутренним корпусом радиальными винтами, прижимающими рабочие колеса к корпусу.
Такая двойная фиксация выполнена для уменьшения «паразитных» утечек сжимаемого воздуха из проточной части от последних ступеней к передним в зазорах между кольцами и корпусом, т.к. давление за компрессором двигателя ПС-90А на максимальном режиме составляет 32,5 кг/см 2 , на входе в компрессор 
2,5 кг/см 2 , т.е. разница давлений составляет 
P = 32,5 — 2,5 = 30 кг/см 2 .
На фиг. 1 показан продольный разрез статора компрессора заявляемой конструкции. На фиг. 2 — элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде.
Статор 1 компрессора газотурбинного двигателя состоит из наружного корпуса 2 и внутреннего корпуса 3, внутри которого установлены рабочие кольца 4 и кольца направляющих аппаратов 5 с направляющими лопатками 6. Наружный корпус 2 и внутренний корпус 3 связаны между собой с помощью фланцев 7 и 8, при этом один из них (фланец 7) выполнен упругим.
Наружный 2 и внутренний 3 корпуса совместно с фланцами 7 и 8 образуют замкнутую кольцевую полость 9, в которую через перфорированный дефлектор 10 подается охлаждающий воздух, который охлаждает наружную поверхность 11 внутреннего корпуса 3, а затем через отверстия 12 сбрасывается в наружный контур двигателя (не показан) или в атмосферу.
Направляющие лопатки 6 крепятся в кольцах направляющих аппаратов 5 с помощью замков 13 типа «ласточкин хвост», в котором выполнены пазы 15.
Рабочие кольца 4 и кольца направляющих аппаратов 5 зафиксированы в осевом направлении с помощью фланцев 7 и 8, в радиальном — с помощью внутреннего корпуса 3, а крутящий момент от направляющих лопаток 6 передается с помощью осевых штифтов 16, которые установлены в рабочих кольцах 4 и входят в пазы колец 5.
Для высоконапорного компрессора газотурбинного двигателя ПС-90А кольца 5 дополнительно закреплены с помощью бобышек 17 множеством (16 -18) винтов 18 к внутреннему корпусу 3, а с помощью осевых кольцевых выступов 19 соединением 20 фиксируют и прижимают к корпусу 3 рабочие кольца 4.
Двойная фиксация выполнена для уменьшения паразитных утечек сжимаемого воздуха из проточной части 14 от последних ступеней 21 к передним 22 через зазоры между кольцами 4 и 5 и корпусом 3. В противном случае это приводит к существенному снижению КПД компрессора.
Устройство работает следующим образом.
При работе двигателя, особенно на максимальном режиме, сжатый воздух из проточной части 14 под действием перепада давлений 30 кг/см 2 стремится к перетеканию по зазорам между внутренним корпусом 3 и кольцами 4, 5 в направлении от выхода компрессора к его входу, т.е. от последних ступеней 21 к первым 22, что снижает КПД компрессора.
Наличие множества последовательно расположенных в осевом направлении воздушных полостей 25, 24 и 23, разделенных между собой множеством кольцевых выступов 26, контактирующих с внутренней поверхностью 27 корпуса 3 за счет затяжки множества радиальных винтов 18, существенно снижает эти утечки. Устройство работает как лабиринтное уплотнение между взаимно неподвижными деталями, в котором разгонные участки для перетекающего воздуха зазора между выступами 26 и поверхностью 27 чередуются с воздушными полостями 23, 24 и 25.
Для улучшения прижатия рабочих колец к внутренней поверхности 27 корпуса 3, а также для обеспечения сборки кольца направляющих аппаратов 5 выполняются разрезными на две и более частей. Рабочие кольца 4 могут быть выполнены как цельными, так и разрезными.
При уменьшении режима работы двигателя или его выключении тонкостенный корпус 3 охлаждается быстрее массивных дисков ротора компрессора, радиальные зазоры 
1 и 2 могут уменьшиться до нуля, что приведет к заклиниванию ротора компрессора и к поломке компрессора. Замкнутые кольцевые воздушные полости 25, 24 и 23 в данном случае являются теплоизолирующими полостями и снижают передачу тепла от внутреннего корпуса 3 к холодному воздуху в проточной части 14 компрессора, т.е. уменьшают темп остывания корпуса 3, приближая его к темпу остывания массивных дисков ротора компрессора.
Радиальные винты 18, которые при работе на номинальном режиме также воспринимают крутящий момент от множества направляющих лопаток как результат действия на них газовых сил, в случае касания этими лопатками ротора на режимах сброса препятствуют провороту колец 5 от сил трения ротора о статор.
При работе двигателя на номинальном режиме для уменьшения радиальных зазоров 1 и 2 с целью повышения КПД компрессора включается обдув корпуса 3 со стороны наружной поверхности 11 холодным воздухом, включается система управления радиальными зазорами.
При этом корпус 3 охлаждается, уменьшаясь по своему диаметру, обжимая кольца 4 и 5. Гарантированный и стабильный контакт между кольцевыми выступами 26 и внутренней поверхностью 27 внутреннего корпуса 3, который обеспечен за счет затяжки множества винтов 18, способствует быстрому охлаждению колец 4 и 5 за счет теплопроводности и уменьшению зазоров 1 и 2.
Источники информации 1. Вьюнов С. А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1989, стр. 106, рис. 3.43.
2. Патент РФ N 2121082, F 04 D 29/56, F 02 C 7/20, 1998 г.
Статор компрессора газотурбинного двигателя, содержащий наружный и внутренний корпуса, рабочие кольца, образующие с внутренним корпусом кольцевые полости, отличающийся тем, что рабочие кольца скреплены между собой с помощью соединения кольцевой выступ — паз кольцами направляющих аппаратов, которые зафиксированы под внутренним корпусом радиальными винтами, а рабочие кольца закреплены относительно колец направляющих аппаратов в окружном направлении осевыми штифтами.
Источник