УПЛОТНЕНИЕ КОЖУХА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК F01D11/08 

Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям и, в частности, к уплотнениям кожуха лопаток турбины, служащим для уменьшения утечек охлаждающей среды в корпусе, окружающем лопатки турбины.

Известны многие попытки улучшить герметизирующие свойства кольцевых кожухов, расположенных вокруг концов лопаток турбины. Корпус двигателя, закрывающий турбинную секцию авиадвигателя, сконструирован таким образом, что он обеспечивает доступ охлаждающего газа под корпус к различным элементам, в том числе и к самому кожуху. Турбинная секция двигателя, которая концентрически расположена под корпусом, находится в потоке очень горячих газов. Желательно, чтобы конструкция самого корпуса поддерживалась при относительно низкой температуре.

Кольцевой кожух лопаток турбины, как правило, разделен на сегменты в кольцевом направлении. Для предотвращения утечки газа через зазоры между концами сегментов кожуха необходимо наличие уплотнений. Патенты США N 4767260 от 30 августа 1988 г. на имя Clevender и др. и N 5158430 от 27 октября 1992 г. на имя Dixon и др. дают варианты шпоночных уплотнений между платформами для крепления лопаток турбины. В патенте США N 4573866 от 4 марта 1986 г. на имя Sandy, Jr и др. описано шпоночное уплотнение в радиальной плоскости между торцами кожухов по окружности концов лопаток турбины. В патенте США N 5318402 от 7 июня 1994 г. на имя Bailey и др. описаны шлицевое или шпоночное уплотнение и кольцевая полоса, которая скрепляет вместе кожухи и шпоночные уплотнения.

Кроме того, для различных конфигураций кожухов и корпусов требуются различные кольцевые уплотнения. Например, в вариантах, включающих разъемное соединение с пазом, имеющим протяженность в осевом направлении, обычно используют кольцо, имеющее C-образный профиль. Хотя такие кольцевые уплотнения обеспечивают очень хорошие герметизирующие свойства, они имеют тенденцию быть слишком жесткими на сжатие из-за формы своего поперечного сечения и поэтому не допускают легкой смены при эксплуатации двигателя. Фактически может понадобиться наличие специальных инструментов для смены такого уплотнения.

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного уплотнения между сегментами кожуха, имеющего осевую и радиальную составляющие.

Другой задачей настоящего изобретения является создание простого уплотнения, выполняемого из однолистовой детали, для герметизации зазора между торцами сегментов кольцеобразного кожуха с задачей уменьшения утечки охлаждающих газов в тракт горячего газа.

Другой задачей настоящего изобретения является создание кольцевого уплотнения для герметизации кольцевых соединений, выполненных с образованием кольцевого зазора, имеющего составляющую, протяженную в осевом направлении.

Другой задачей настоящего изобретения является создание кольцевого уплотнения, выполняемого из одного листа металла, хорошо сжимаемого в радиальном направлении для более легкой установки.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение облегченного монтажа узла кожуха по окружности концов лопаток турбины.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением включает в себя уплотнение кожуха по окружности концов лопаток турбины газотурбинного двигателя, в котором кожух расположен между направленным по оси трактом горячего газа и концентрическим каналом, через который проходит охлаждающий газ, расположенным между кожухом и наружным корпусом, причем кожух состоит из множества расположенных по кольцу сегментов, а каждый сегмент имеет протяженную в осевом направлении платформу и по крайней мере одно ребро, выступающее из платформы в радиальном направлении, при этом сегменты кожуха имеют торцы и паз, выполненный в каждом торце в части, соответствующей платформе, и непрерывно переходящий в часть торца, соответствующую ребру, причем уплотнение выполнено из однолистовой детали, которой придана форма паза в торце, так что уплотнение имеет часть, протяженную в осевом направлении, а также часть, протяженную в радиальном направлении.

В дополнительном варианте выполнения настоящего изобретения вертикальная выступающая часть листвой детали, из которой делается уплотнение, согнута вдвое, так что образуется упругий участок, на котором за счет трения происходит сцепление внутри паза в стенке радиально направленного ребра.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается кольцевое уплотнение для газотурбинного двигателя для герметизации соединения между двумя кольцевыми частями двигателя, когда образуется кольцевой зазор, имеющий составляющую, протяженную в осевом направлении, и стенки, разнесенные друг от друга в радиальном направлении, причем кольцевое уплотнение имеет волнистый участок, так что одна из вершин находится в контакте с одной из пространственно разнесенных стенок, а другая - в контакте с другой из пространственно разнесенных стенок, благодаря чему зазор герметизируется от утечки газов, проходящих по обеим сторонам соединения, при этом волнистая часть образует угол, при котором уплотнение может легко сжиматься в радиальном направлении.

В более частном варианте реализации настоящего изобретения предлагается кольцевое уплотнение кожуха по окружности концов лопаток турбины газотурбинного двигателя, в котором кожух расположен между направленным по оси трактом горячего газа и концентрическим каналом, через который проходит охлаждающий газ, расположенным между кожухом и наружным корпусом, при этом кожух содержит платформу, ориентированную по оси и по крайней мере одно ребро, ориентированное радиально, так что ребро может быть соединено со средством крепления на корпусе, при этом кольцевой зазор имеет ориентированную в осевом направлении составляющую, образованную между кожухом и средством крепления на корпусе, и имеет стенки, отстоящие друг от друга в радиальном направлении и образованные кожухом и средством его крепления на корпусе, при этом кольцевое уплотнение имеет C-образную часть с полкой C-образной части, ориентированной в осевом направлении, так что C-образная часть имеет больший размер в радиальном направлении, чем размер полки, ориентированной в осевом направлении, при этом C-образная часть расположена в пределах радиальной составляющей зазора и имеет размер в радиальном направлении, меньший, чем размер зазора в радиальном направлении, а часть (полка) кольцевого уплотнения имеет волнистые участки, с чередующимися вершинами, которые находятся в контакте с противоположными отстоящими друг от друга в радиальном направлении стенками кольцевого зазора, что обеспечивает герметизацию соединения между кожухом и средствами крепления его к корпусу для предотвращения утечки охлаждающего газа, при этом волнистая часть образует угол, при котором уплотнение может легко сжиматься в радиальном направлении.

Фиг. 1 представляет собой перспективное изображение фрагмента с частичным вырывом, иллюстрирующее предпочтительный вариант конструктивного выполнения настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет собой вид спереди детали, изображенной на фиг. 1;
фиг. 3 представляет собой перспективное изображение, частично в поперечном сечении, другого предпочтительного варианта конструктивного выполнения настоящего изобретения;
фиг. 4 представляет собой поперечное сечение в осевом направлении турбинной секции газотурбинного двигателя, иллюстрирующее детали настоящего изобретения;
фиг. 5 представляет собой увеличенное поперечное сечение фрагмента фиг. 4.

На фиг. 1 и 2 показан типичный кожух 12 по окружности лопаток A турбины, примененный в двигателе 10. Кожух 12 состоит из множества сегментов 12а... 12n, расположенных по окружности и концентрических с ротором, на котором установлены рабочие лопатки 38 турбины (фиг. 1 и 4).

Сегмент кожуха 12, представленный на фиг. 1, включает в себя платформу 14, выполненную в основном в виде гладкой кольцевой пластины, имеющей протяженность в осевом направлении, и пару ребер 16 и 18 с выступами 20 и 22 соответственно. Ребра 16 и 18 и соответствующие выступы 20 и 22 предназначены для крепления платформы 14 кожуха, а также для формирования путей канала и сборников охлаждающего воздуха. Выступы 20 и 22, как показано на фиг. 4, служат также для монтажа кожуха в корпусе 32 двигателя и крепежном элементе 36, что будет описано ниже. Стенка 34 корпуса 32 двигателя может быть снабжена вентиляционным отверстием 33 для обеспечения доступа воздуха в пространство между крепежным элементом и корпусом 32. Вентиляционные отверстия 31 сформированы в крепежном элементе 36 для обеспечения доступа холодного воздуха в кольцевой канал 35, образованный между кожухом 12 и крепежным элементом 36. Наконец, отверстия 37 в кожухе 12 позволяют этому охлаждающему воздуху выходить в тракт горячего газа.

Для обеспечения герметизации между сегментами торцы каждого сегмента кожуха 12 снабжены протяженным пазом 26, который включает осевую составляющую 26b и радиальные составляющие 26а и 26с, которые соответствуют ребрам 16 и 18. Уплотнение 24 выполнено из листа 24 из жаропрочного сплава, который изогнут таким образом, чтобы образовались выступающие в радиальном направлении части 28 и 30 и горизонтальные участки 25 и 27, направленные вдоль оси (турбины), сопрягающиеся с платформами 14. Уплотнение может быть изготовлено штамповкой или литьем из какого-либо жаропрочного материала.

Каждая из выступающих частей 28 и 30 включает в себя стойки 28а и 28b, а также 30а и 30b, которые слегка расходятся и шире, чем соответствующий паз, как показано на фиг. 2. Такая конфигурация обеспечивает определенную степень упругости выступающим частям 28 и 30, так что, когда уплотнение 24 вставляется в паз 26 в торце кожуха 12, выступающие части 28 и 30 должны быть сжаты для того, чтобы войти в пазы сегментов 26а и 26с, обеспечивая тем самым плотную посадку уплотнения в пазе 26. Из-за такой упругости сегменты могут быть легко собраны и затем разделены, и уплотнение 24 может быть заменено в случае необходимости в процессе эксплуатации.

Другой аспект настоящего изобретения раскрыт на фиг. 3 - 5. Турбинная часть двигателя 10 частично показана на фиг. 4, где в добавление к рабочим лопаткам 38 показаны также лопатки 42 и 44 статора. Каждая лопатка статора имеет конструкцию, играющую роль кожуха, смонтированную здесь же, а кожух 12 окружает концы 40 лопаток 38 турбины.

Как можно видеть на фиг. 4 и 5, крепежный элемент 36 внутри корпуса 32 двигателя служит креплением для кожуха 12. Выступ 22 кожуха 12 может, например, поддерживаться выступом 47 крепежного элемента 36.

Таким же образом выступ 20 может поддерживаться выступом крепежного элемента 36. Конструкция ребер 16 и 18 так же, как и форма крепежного элемента 36, обеспечивает наличие охлаждающих каналов в кожухах и вокруг них. Давление воздуха в охлаждающем канале 64 может отличаться от давления в охватывающем его канале 66 и, таким образом, эти различные каналы или камеры должны быть герметизированы.

Кольцевое уплотнение 46 размещено в кольцевом зазоре или углублении 48, представляющем собой паз, образованный над выступом 47. В данном случае, то есть когда выступ 22 введен, кольцевой зазор 48 имеет L-образную форму с осевой составляющей 48а и радиальной составляющей 48b. Кольцевое уплотнение 46 включает в себя C-образную часть 52, которая имеет меньший размер в радиальном направлении, чем зазор 48 в области его радиальной составляющей 48b. C-образная часть 52 имеет участки в виде полок 54 и 56. Продолжение полки 54 имеет волнообразный вид с плавными изгибами, что приводит к образованию на волнистой части 58 вершин 60 и 62. Участки 58а и 58b образуют тупой угол. Угол может быть и острым, но должен быть достаточно большим, так, чтобы уплотнение было сжимаемо в радиальном направлении.

Конфигурация волнообразной части 58 такова, что расстояние в радиальном направлении между вершинами 60 и 62 несколько больше, чем размер в радиальном направлении между стенками З6а и 22а зазора 48. Кольцевое уплотнение 46 выполнено из жаропрочного материала или сплава, имеющего собственную упругость, достаточную для обеспечения подпружиненного постоянного контакта по всей длине с противолежащими стенками 22а и З6а. Таким образом, волнообразная часть 58 представляет собой пружину, входящую в зазор 48 так, что вершины 60 и 62 находятся в постоянном контакте с противолежащими стенками 22а и З6а.

Итак, благодаря конфигурации кольцевого уплотнения 46, это кольцевое уплотнение может быть легко вставлено в зазор 48 прежде, чем выступ 22 кожуха будет введен в него в процессе сборки. Кольцевое уплотнение 46 может быть выполнено в виде непрерывного кольца, вставляемого в зазор 48. Выступ 22 может быть выполнен со скосом, как показано на фиг. 4, для того, чтобы облегчить его введение под пружинное уплотнение 46, уже помещенное в зазор 48. Упругость в радиальном направлении волнистой части 58 обеспечит как легкое введение выступа 22, так и легкую замену кольцевого уплотнения 46 в случае удаления кожуха из зазора 48 в процессе эксплуатации двигателя.

Следовательно, как уплотнение 24, так и кольцевое уплотнение 46 могут сопрягаться с кожухом 12, обеспечивая легкое соединение уплотнений и сегментов кожуха, обеспечивая тем самым его удобную эксплуатацию.

Уплотнение предназначено для использования в энергетике, а именно в газотурбинных двигателях. Конструкция включает выгнутое из металлического листа межсегментное уплотнение, имеющее осевую и радиальную составляющие и приспособленное для плотного вхождения в паз, выполненный в торце каждого сегмента, при этом сегмент кожуха имеет выступающие в радиальном направлении ребра. Предусмотрено кольцевое уплотнение для герметизации соединения между кожухом и крепежным элементом, причем кольцевое уплотнение имеет С-образную форму с одной из полок С, протяженной в осевой составляющей L - образного зазора. Полка имеет волнистую форму с вершинами волны, находящимися в контакте с противолежащими в радиальном направлении стенками осевой составляющей зазора для обеспечения герметизации сединения. Изобретение обеспечивает надежную герметизацию соединения, простоту конструкции и облегчение монтажа, 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Уплотнение кожуха газотурбинного двигателя, в частности, уплотнение (24) кожуха (12) по окружности концов лопаток турбины для газотурбинного двигателя, расположенного между направленным по оси трактом горячего газа и концентрическим каналом охлаждающего газа, сформированным между кожухом (12) и внешним корпусом (32), причем кожух (12) состоит из ряда сегментов (12а... 12n), расположенных по кольцу, и каждый сегмент (12a...12n) имеет протяженную в осевом направлении платформу (14) и, по крайней мере, одно ребро (16,18), выступающее из платформы (14) в радиальном направлении, при этом сегменты кожуха (12а. . .12n) имеют торцы и паз (26), выполненный в каждом торце с непрерывным переходом из части торца, соответствующей платформе, в часть торца, соответствующую ребру (16,18), отличающееся тем, что оно выполнено из однолистовой детали, которой придана форма паза (26) в торце, так что уплотнение (24) имеет часть (25,27), направленную вдоль оси, и часть (28,30), выступающую в радиальном направлении. 2. Уплотнение (24) по п.1, отличающееся тем, что листовая деталь, образующая уплотнение (24), выполнена из жаропрочного материала с конфигурацией, соответствующей выступающему ребру (16,18), и имеет пару расходящихся стоек (28a, 28b, 30a,30b), выполненных с возможностью упругого сжатия для плотного вхождения в паз (26) в торцах сегмента (12а...12n). 3. Уплотнение (24) по п. 2, отличающееся тем, что оно выполнено посредством изгиба материала из жаропрочного сплава. 4. Уплотнение (24) по п.2, отличающееся тем, что сегменты (12а...12n) кожуха (12) имеют пару разнесенных в пространстве параллельных ребер (16,18), выступающих из платформы (14), и паз (26), выполненный непрерывным в обоих ребрах, а листовая деталь, образующая уплотнение, имеет пару параллельных, в основном идентичных, выступающих участков (28,30), которые могут упруго сжиматься для плотного вхождения в паз (26) в торцах сегментов (12а...12n). 5. Уплотнение кожуха газотурбинного двигателя, в частности уплотнение (46) газотурбинного двигателя для герметизации соединения между двумя кольцевыми частями двигателя (12, 36), содержащего кольцевой зазор (48) с осевой составляющей (48а), имеющей противоположные разнесенные в радиальном направлении стенки, отличающееся тем, что уплотнение (46) имеет направленный вдоль оси участок (54) с волнообразной конструкцией, при этом одна вершина (60) волнообразной конструкции расположена в контакте с одной из противоположных радиально разнесенных стенок (36а) кольцевого зазора (48), а другая вершина (62) - в контакте с другой стенкой (22а) кольцевого зазора (48) с герметизацией зазора (48) от утечки газов с обоих сторон соединения. 6. Уплотнение (46) по п.5, отличающееся тем, что оно выполнено из жаропрочного упругого материала. 7. Уплотнение (46) по п.6, отличающееся тем, что волнообразная конструкция имеет чередующиеся вершины (60, 62) с углом при вершинах, достаточным для обеспечения сжатия в радиальном направлении вершин (60, 62) и контакта вершин (60, 62) с разнесенными в радиальном направлении стенками кольцевого зазора (48) с герметизацией соединения. 8. Уплотнение (46) по п. 7, отличающееся тем, что двигатель содержит корпус двигателя и кожух (12) с протяженным в радиальном направлении выступом (22), находящимся в контакте с выступом (47) крепежного элемента внутри корпуса (32) с формированием кольцевого зазора (48) между кожухом (12) и крепежным элементом (36) с осевой составляющей (48а), при этом чередующиеся вершины (60,62) волнообразной конструкции направленного вдоль оси участка (54) уплотнения (46) имеют угол при вершинах, достаточный для обеспечения сжатия в радиальном направлении вершин (60,62) и контакта вершин (60,62) с разнесенными в радиальном направлении стенками (22а,36а) кольцевого зазора (48) с герметизацией соединения между кожухом (12) и крепежным элементом (36). 9. Уплотнение (46) по п.8, отличающееся тем, что кольцевой зазор содержит радиальную составляющую (48b) с противоположными разнесенными в радиальном направлении стенками, а уплотнение (46) имеет С-образный участок (52), имеющий в радиальном направлении протяженность меньшую, чем расстояние между противоположными стенками радиальной составляющей (48b) кольцевого зазора (48), а направленный вдоль оси участок (54) уплотнения имеет продолжение вдоль оси в пределах осевой составляющей (48а) кольцевого зазора (48). 10. Уплотнение (46) по п.9, отличающееся тем, что оно выполнено из выгнутого листа жаропрочного сплава. 11. Уплотнение (46) по п.10, отличающееся тем, что оно представляет собой бесконечное кольцо.