ВЛОЖЕННОЕ УПЛОТНЕНИЕ МОСТА Российский патент 2004 года по МПК F16J15/08 

Изобретение касается в общем газотурбинных двигателей и, в особенности, уплотнений в них.

Газотурбинный двигатель представляет собой сборку различных компонентов статора и ротора, которые требуют различные типы уплотнений, чтобы предотвратить нежелательную утечку либо горячих газообразных продуктов сгорания в них, либо сжатого воздуха.

В соединении в осевом направлении компонентов статора обычно используют уплотнительное кольцо, зажатое в осевом направлении между ними. Кольцевое уплотнение может быть полным 360^o-м элементом, или оно может иметь прорезь по окружности в одном месте для устранения кольцевых нагрузок и напряжений в нем. Уплотнение прорези в радиальном направлении эластичное, чтобы оно могло свободно расширяться смежным компонентом статора без кольцевого ограничения или напряжения от него. Кольцевые уплотнения являются также эластичными в осевом направлении, чтобы они могли вначале сжиматься в осевом направлении между смежными компонентами для осуществления уплотнения между ними.

Кольцевые уплотнения могут иметь различные конфигурации поперечных сечений, например, типа Е-образных или W-образных уплотнений. Эти формы обеспечивают требуемую осевую гибкость для осуществления хороших уплотнений по периферии кольцевого уплотнения. Однако кольцо прерывает кольцевая прорезь, чтобы образовать зазор, который является местом утечки, хотя и маленьким.

Другой вариант кольцевого уплотнения включает в себя кольцевой сегмент, который перекрывает кольцевой зазор, чтобы уменьшить или устранить утечку в том месте. Так как это скользящее уплотнение включает в себя два компонента, то оно, соответственно, является более сложным и дорогостоящим для производства. Уплотнительный сегмент должен быть соответственно подсоединен к уплотнительному кольцу, чтобы постоянно перекрывать зазор по окружности. Сегмент обычно подсоединяют к кольцу сваркой, которая дополнительно добавляет конструктивную сложность и стоимость и вводит соответствующие зоны с тепловым воздействием. Сварные соединения обязательно представляют места увеличения напряжения, которые должны быть приспособлены для предотвращения чрезмерного напряжения в этом месте, что нежелательно сокращает срок службы скользящего уплотнения.

Следовательно, желательно улучшить скользящие уплотнения для устранения сварных или других механических точек увеличения напряжения, то есть упрощения их конструкции и производства.

Уплотнение включает в себя уплотнительное кольцо с кольцевой прорезью, определяющей зазор. Через зазор проходит дугообразный мост, который вложен в уплотнительное кольцо. Мост включает в себя закрепленный конец, который зацепляет уплотнительное кольцо исключительно силой трения, чтобы ограничить разностное круговое перемещение между ними. Мост также включает в себя скользящий конец, зацепляющий уплотнительное кольцо на противоположной стороне зазора с меньшей силой трения, чем закрепленный конец, чтобы позволить осуществлять разностное круговое перемещение между ними.

Изобретение в соответствии с предпочтительными и примерными вариантами осуществления вместе с дополнительными его задачами и преимуществами более подробно представлено в последующем подробном описании в соответствии с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 представляет собой увеличенный вид в осевом разрезе через часть опоры соплового аппарата турбины газотурбинного двигателя, включающей в себя вложенное уплотнение моста в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет собой вид сзади в вертикальной проекции уплотнения моста, показанного на фиг.1 в изоляции;
фиг. 3 представляет собой увеличенный частичный вид в разрезе вложенного моста и уплотнительного кольца и соответствующих его кольцевых зазоров внутри обведенного пунктирной линией круга, показанного позицией 3 на фиг.2;
фиг. 4 представляет собой поперечное сечение вложенного уплотнения моста в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1 показана часть примерного высоконапорного соплового аппарата 10 турбины газотурбинного давления самолета, который может быть уплотнен в соответствии с настоящим изобретением. Сопловой аппарат включает в себя множество рассредоточенных по периферии лопаток 12 соплового аппарата, где показана только внутренняя в радиальном направлении их часть, которые поворачивают и ускоряют горячие газообразные продукты 14 сгорания, полученные из находящейся выше по потоку камеры сгорания (не показана). Лопатки неразъемно прикреплены к внутреннему в радиальном направлении хомуту 16, который в свою очередь прикреплен к кольцеобразному поддерживающему фланцу 18.

Чтобы уплотняющим образом подсоединить внутренний хомут 16 соплового аппарата к поддерживающему фланцу 18, кольцеобразное вложенное уплотнение моста 20 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения эластично сжимается в осевом направлении между ними с целью уменьшения или предотвращения радиальной утечки мимо них.

Общеизвестно, что применение уплотнения 20, показанного на фиг.1, является только одним из многих, которые можно найти в газотурбинном двигателе. Настоящее изобретение, в частности, направлено на улучшение самого уплотнения 20, которое иначе обычно используют в любом подходящем месторасположении в газотурбинном двигателе или другом устройстве.

На фиг.2 показано отдельно уплотнение 20, изображенное на фиг.1, которое является сборкой компонентов, включающей в себя уплотнительное кольцо 22, имеющее одну кольцевую прорезь, определяющую соответствующий кольцевой зазор 24, и дугообразный мост 26, идущий по окружности через кольцевой зазор 24, чтобы предотвратить утечку в этом месте. Как показано на фиг.1, уплотнительное кольцо 22 имеет змеевидное поперечное сечение, а мост 26 имеет дополняющее змеевидное сечение, которое может принимать любую обычную форму для уплотнения в осевом направлении смежных компонентов статора.

Как показано более подробно на фиг.2 и 3, мост 26 включает в себя ближайший или закрепленный конец 28, который вкладывают или накладывают по окружности на уплотнительное кольцо 22 на одной стороне зазора 24. Мост также включает в себя противоположный отдаленный или скользящий конец 30, который также вкладывают или накладывают по окружности на уплотнительное кольцо 22 на противоположной стороне зазора 24.

В соответствии с настоящим изобретением мост 26 зацепляет уплотнительное кольцо 22 исключительно в виде фрикционного сцепления с более высоким трением на закрепленном конце 28, чтобы ограничить или предотвратить разностное кольцевое перемещение между ними, и с меньшим трением на скользящем конце 30, чтобы обеспечить по существу неограниченное разностное кольцевое его перемещение. Само уплотнительное кольцо 22 можно конфигурировать так, чтобы уплотнить смежные элементы любым обычным способом, причем его кольцевой зазор 24 закрыт мостом 26 для предотвращения утечки возле него. Таким образом, мост 26 обеспечивает скользящее соединение у кольцевого зазора 24, позволяющее осуществлять неограниченные расширение и сжатие уплотнительного кольца 22, в то же время одновременно уплотняя зазор 24.

Наиболее значительным является то, что между кольцом 22 и мостом 26 не требуется сварка, пайка твердым припоем или другое механическое соединение, которое увеличило бы сложность конструкции и внесло нежелательные связанные с ним места увеличения напряжения. Мост и уплотнительное кольцо просто соединены вместе посредством их вложенной конфигурации, используя только трение.

Как показано на фиг.1, и уплотнительное кольцо 22, и мост 26 имеют дополняющие змеевидные поперечные сечения, которые являются симметричными в радиальном направлении и эластично сжимаемыми в поперечном сечении в осевом направлении между смежными внутренним хомутом 16 и опорным фланцем 18 в полости, специально сконфигурированной для этого между ними.

И уплотнительное кольцо 22, и мост 26 имеют пару идущих в радиальном направлений и противолежащих в осевом направлении реверсных изгибов 32, которые вместе определяют змеевидное поперечное сечение и обеспечивают уплотняющие поверхности для соприкосновения смежных элементов 16, 18. Реверсные изгибы 32 определены множеством открытых в радиальном направлении пазов или канавок 34, чтобы выполнить эластично сжимаемое в осевом направлении поперечное сечение. Следовательно, уплотнение 20 имеет гибкое в осевом направлении, но жесткое в радиальном направлении поперечное сечение благодаря змеевидной конфигурации, которая имеет в общем форму шляпы.

Вложенное уплотнительное кольцо 22 и мост 26, изображенные на фиг.1, предпочтительно образованы из тонкого калиброванного листового металла, совместно вложенного в по существу идентичное змеевидное поперечное сечение. Листовой металл гибок и может быть легко образован в змеевидной форме, показанной на фиг.1, используя обычное оборудование.

Как показано на фиг.2, закрепленный конец 28 моста по окружности перекрывает кольцевое уплотнение или входит в него в большей степени, чем скользящий конец 30 моста, чтобы фрикционно удерживать закрепленный конец при обеспечении возможности скользящему концу скользить относительно уплотнительного кольца при радиальных расширении и сжатии.

В предпочтительном варианте осуществления закрепленный конец моста по окружности перекрывает уплотнительное кольцо больше, чем на квадрант или четверть круга, а скользящий конец моста накладывается на уплотнительное кольцо меньше, чем на квадрант. Поскольку мост 26 прикреплен к уплотнительному кольцу исключительно силой трения и вложенной его сборкой, нежелательно иметь чрезмерное трение на скользящем конце 30, которое предотвратило бы по существу неограниченные расширение и сжатие уплотнительного кольца с соответствующим увеличением и уменьшением размера концевого зазора 24.

В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.2, мост 26 представлен в форме второго полного кольца, имеющего вторую кольцевую прорезь, определяющую зазор 36 моста, показанный более подробно на фиг.3. В этой конфигурации уплотнение 20 представляет собой двухслойную конструкцию с прохождением кольца 22 и моста 26 по существу на 360^o, за исключением соответствующих концевых зазоров 24, 36.

В этой двухслойной конфигурации зазор 36 моста расположен по окружности рядом с кольцевым зазором 24 в пределах одного, примыкающего к нему квадранта: по часовой стрелке, как показано, или против часовой стрелки от него. Таким образом, кольцевое протяжение скользящего конца 30 относительно короткое между двумя зазорами 24, 36, чтобы обеспечить по существу неограниченное скользящее перемещение между скользящим концом 30 и примыкающим уплотнительным кольцом 22.

В соответствии с этим закрепленный конец 28 моста проходит, по меньшей мере, по трем квадрантам и части четвертого квадранта для доведения до максимума фрикционного сцепления с уплотнительным кольцом с целью предотвращения разностного кольцевого перемещения между ними во время работы. Единственное кольцевое разностное перемещение между мостом и уплотнительным кольцом 22 происходит на скользящем конце 30.

Двухслойное уплотнение 20 можно легко изготавливать при использовании обычного оборудования, где вначале образуют уплотнительное кольцо 22 и мост 26 со змеевидным сечением при выравнивании друг с другом их концевых зазоров 24, 36. Затем можно прикладывать подходящее кольцевое усилие, чтобы поворачивать по окружности кольцо и мост относительно друг друга для разделения по окружности концевых зазоров 24, 36 и завершения полного кольцевого вложения между ними. Однако, поскольку уплотнение 20 нагружается главным образом в отношении осевого сжатия во время работы, к нему прикладывается небольшое кольцевое усилие, если оно прикладывается вообще, которое может изменять относительное кольцевое положение зазоров 24, 36.

Одного только трения достаточно для поддержания собранного уплотнительного кольца 22 и его моста 26, допускающего также по существу неограниченные радиальные расширение и сжатие уплотнения с целью предотвращения порождения нежелательных напряжений в них. И, так как кольцо 22 и мост 26 просто вкладывают вместе без сварки, пайки тугоплавким припоем или других механических разрывов, получающаяся в результате сборка сравнительно проста и не имеет мест повышения напряжения, которые в противном случае воздействовали бы на предел прочности.

Как показано выше, уплотнение 20 может имеет любое обычное поперечное сечение и все еще обладать выгодами фрикционного вложения. Например, на фиг. 4 показан альтернативный вариант осуществления уплотнения, обозначенного позицией 38, имеющего поперечное сечение в обычном Е- или W-образном виде. Хотя поперечная конфигурация уплотнения 38, показанная на фиг.4, немного отличается от конфигурации уплотнения 20, показанного на фиг.1, используются одни и те же ссылочные позиции, соответствующие одинаковым частям, включая уплотнительное кольцо 22 и мост 26, определенные различными вариантами реверсных изгибов 32 и радиальных пазов 34.

В то время как кольцевой зазор 24, показанный на фиг. 2, будет скрыт в пределах моста 26 для уплотнения 20, соответствующий кольцевой зазор уплотнения 38, показанного на фиг.4, будет открыт. Соответственно, зазор моста 26 для уплотнения 20, показанный на фиг.2, открыт, в то время как соответствующий зазор моста для уплотнения 38, показанного на фиг.4, будет скрыт уплотнительным кольцом 22.

Однако в обоих вариантах осуществления уплотнительное кольцо 22 определяет наиболее удаленный его слой, который зацепляет соответствующие части внутреннего хомута 16 и опорного фланца 18 для осуществления уплотнений в этом месте. В противоположность этому предусматривают соответствующие мосты просто для мостового соединения уплотнительного кольца и зазоров 24, и обычно в других отношениях не предусматривают уплотнения со смежным хомутом 16 и фланцем 18.

Уплотнительное кольцо 22 и мост 26 могут иметь любую другую подходящую поперечную конфигурацию для осуществления уплотнения, где эти два компонента удерживаются вместе посредством только силы трения, чтобы допускать по существу неограниченные разностные тепловые расширение и сжатие уплотнительного кольца во время работы.

Хотя здесь были описаны считающиеся предпочтительными и примерными варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники из приведенных здесь положений станут очевидными другие модификации изобретения, и поэтому необходимо, чтобы в прилагаемой формуле изобретения были закреплены все такие модификации, которые не выходят за истинные рамки сущности и объема настоящего изобретения.

В соответствии с этим Патентной грамотой США закреплено изобретение, определяемое и дифференцируемое в нижеприведенной формуле изобретения.

Уплотнение включает в себя уплотнительное кольцо с кольцевой прорезью, определяющей зазор. Дугообразный мост проходит через зазор и вложен в уплотнительное кольцо. Мост включает в себя закрепленный конец, который зацепляет уплотнительное кольцо исключительно силой трения для ограничения разностного кольцевого перемещения между ними. Мост также включает в себя скользящий конец, зацепляющий уплотнительное кольцо на противоположной стороне зазора с меньшей величиной трения, чем закрепленный конец, чтобы допускать разностное кольцевое перемещение между ними. Изобретение повышает надежность уплотнения. 9 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Уплотнение, содержащее уплотнительное кольцо, имеющее змеевидное поперечное сечение, и кольцевую прорезь, проходящую через него, определяющую зазор, дугообразный мост, проходящий по окружности через упомянутый зазор и имеющий змеевидное поперечное сечение, являющееся дополняющим к уплотнительному кольцу для вложения закрепленного конца моста с уплотнительным кольцом на одной стороне зазора и вложения в противоположном скользящем конце моста с уплотнительным кольцом на противоположной стороне зазора, и мост выполнен с возможностью зацепления уплотнительного кольца исключительно вследствие силы трения с более высоким трением на закрепленном конце для ограничения разностного кольцевого перемещения и меньшей величиной трения на скользящем конце, чтобы допустить разностное кольцевое перемещение.2. Уплотнение по п.1, в котором уплотнительное кольцо и мост симметричны в змеевидном поперечном сечении и эластично сжимаемы в их поперечном сечении.3. Уплотнение по п.2, в котором уплотнительное кольцо включает в себя пару реверсных изгибов, вместе определяющих змеевидное поперечное сечение и обеспечивающих уплотняющие поверхности для смежных элементов.4. Уплотнение по п.3, в котором уплотнительное кольцо и мост являются вложением вместе листового металла по существу в идентичном змеевидном поперечном сечении.5. Уплотнение по п.2, в котором закрепленный конец моста по окружности перекрывает уплотнительное кольцо с большей протяженностью, чем скользящий конец моста.6. Уплотнение по п.5, в котором закрепленный конец моста по окружности перекрывает уплотнительное кольцо больше, чем на квадрант, а скользящий конец моста перекрывает уплотнительное кольцо меньше, чем на квадрант.7. Уплотнение по п.5, в котором мост содержит кольцо, имеющее кольцевую прорезь, определяющую зазор моста.8. Уплотнение по п.7, в котором зазор моста расположен по окружности рядом с кольцевым зазором.9. Уплотнение по п.8, в котором зазор моста расположен в пределах квадранта кольцевого зазора.10. Уплотнение по п.9, в котором уплотнительное кольцо и мост включают в себя множество открытых в радиальном направлении пазов для обеспечения эластично сжимаемого поперечного сечения.