СОЕДИНЕНИЕ КОЛЬЦА, ОКРУЖАЮЩЕГО ТУРБИНУ, С КОНСТРУКЦИЕЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2005 года по МПК F01D5/08 

Настоящее изобретение относится к определенному соединению между кольцом турбины, которое выполняет функцию окружения турбины при ограничении потока газа, и частью, которая называется распоркой, принадлежащей к конструкции турбины.

Современный вариант соединения описан в американском патенте №5197853 и изображен на фиг.4. На корпусе 1 турбины установлена распорка 2, на которой установлено кольцо 3. Соединяющиеся части кольца 3 и распорки 2 содержат расположенные выше по потоку зацеп 4 распорки и зацеп 5 кольца, которые установлены встык друг к другу: установка кольца 3 выполняется путем вдавливания конца зацепа 5 кольца в паз зацепа 4 распорки, затем кольцо 3 поворачивают вокруг зацепа так, что его противоположный конец, расположенный ниже по потоку, приближается к распорке 2; другие соединяемые части 6 расположены на этих концах ниже по потоку.

Кромки 7 распорки имеют часть, направленную внутрь по радиусу, а затем ниже по потоку, и кромка 8 кольца имеет часть, направленную наружу по радиусу, а затем по оси ниже по потоку; на кромке 8 кольца сформирован круговой паз, который образует паз 9, раскрытый наружу по радиусу, в котором установлена часть кромки 7 распорки, которая, таким образом, играет роль шипа, сформированного в виде ребра, проходящего внутрь по радиусу. Конец этого шипа имеет два параллельных фланца 10 и 11, которые упираются в дно паза 9. Затем поверх параллельных концов кромок 7 и 8 устанавливают зажимы 12 так, что их лапки 13 и 14 зажимают и предотвращают расхождение кромок. На другой стороне разделение распорки 2 и кольца 3 также предотвращается благодаря соединению зацепов 4 и 5; при этом кольцо 3 может иметь небольшой люфт в осевом направлении на распорке 2 в пределах определенного диапазона, длина которого определяется общим зазором между торцами фланцев 10 и 11 и торцами паза 9, в местах положения, отмеченных номерами 15 и 16. Такие проскальзывающие движения происходят при тепловом расширении и при направленных вниз по потоку аэродинамических силах, которые создаются газами центрального потока турбины.

Таким образом, уплотнение между камерой 17, окруженной распоркой 2 и внешним пространством, устанавливается ниже по потоку посредством контакта цилиндрических поверхностей, сформированных на концах фланцев 10 и 11 и на дне выемки 9, и осевой люфт при движении кольца 3 на распорке 2 остается вокруг кромки 7 распорки, между торцами паза 9. Осевой люфт создает утечку воздуха ниже по потоку из системы, однако он должен быть сохранен для того, чтобы обеспечить возможность установки кольца путем поворотного движения.

В американском патенте №5669757 описан улучшенный вариант этой схемы, в котором паз расположен на кромке распорки, и ее торец, расположенный ниже по потоку, устанавливается на съемном кольцевом уголке, а шип расположен на кромке кольца: при этом установка кольца может выполняться путем чисто осевого движения, и расстояние между концом кольца, расположенным выше по потоку, и ближайшей частью кольца может быть уменьшено, поскольку поворотное движение не может вызвать блокирования в таком положении. Уголок затем вставляют с радиальным движением в паз держателя распорки для того, чтобы замкнуть паз, расположенный на кромке распорки, и крепящие зажимы в конце вводят под кромки и уголок для удержания последнего на месте.

Это улучшение не оказывает усиливающего влияния на уплотнение ниже по потоку, поскольку осевой люфт шипа в пазе сохраняется либо из-за конструктивных особенностей, либо вследствие деформаций, происходящих из-за относительно гибкого уголка и легкости поворота, когда уголок выдавливает его ниже по потоку. Зажимы при этом имеют дополнительную функцию противодействия движениям уголка, которую они не могут полностью выполнить, но это требует, чтобы им было придано круговое расширение по всей окружности. В действительности наличие уголка, который представляет собой дополнительную деталь, снижает механическую прочность соединения и усложняет производство.

Настоящее изобретение относится к улучшенному соединению между кольцом турбины и ее распоркой, в котором принцип соединения известного уровня техники, по существу, восстановлен (фиксирование в радиальном направлении зацепами, установленными вместе на одной стороне, и установкой встык поверхностей концентрических кромок на другой стороне; и ограничение осевого движения с помощью системы паз и шип на этой другой стороне), но оно имеет преимущество в отношении сцепления посадки, защиты распорки от излишнего нагрева и механических напряжений. Оно содержит различные преимущества, наиболее значимое из которых, вероятно, состоит в том, что шип и паз расположены вверх по потоку от установленных встык кромок, что означает, что уплотнение и осевое удержание обеспечиваются различными частями, отделенными от распорки и кольца.

При этом достигается преимущество в конструкции внутренней камеры (17 по фиг.4), создаваемое шипом и пазом, которая, в общем, вентилируется свежим газом, и при этом в меньшей степени подвергается нагреву и расширению. Скользящие движения на уплотняющих поверхностях кромок при этом уменьшаются. Фактически они могут полностью подавляться, если шип и паз будут соединены с нулевым осевым люфтом, что может быть достигнуто, если паз будет ограничен с одной стороны гибкой лапкой, которая деформируется при вводе в нее шипа. Шип и паз обеспечивают при этом дополнительное уплотнение от утечки газов между внутренней камерой и потоком газа, и, что еще лучше, это достигается с помощью контакта плоских поверхностей. При этом становится возможным уменьшить ширину контакта между кромками распорки и кольца, что обеспечивает преимущество, состоящее в снижении передачи тепла от кольца 3 на распорку 2.

При этом также становится возможным другое улучшение: зажимы, которые удерживают кромки прижатыми друг к другу, могут быть установлены таким образом, что их центральная часть будет установлена в пазах на этих кромках, что никаким образом не влияет на степень уплотнения соединения, поскольку кромки разделены в местах расположения пазов; но при установке центральной части зажимов внутри пазов устраняется их выступание за пределы кромок, и при этом уменьшается общий габаритный размер; кроме того, это позволяет использовать зажимы для ограничения углового скользящего движения кольца и распорки, благодаря упору в боковые поверхности пазов. Благодаря этому могут быть устранены шпильки, использовавшиеся в известном уровне техники, и отверстия для них, которые представляют собой центры концентрации значительных механических напряжений. Пазы также являются местами концентрации механических напряжений, но они являются в меньшей степени значимыми из-за их размеров и более правильной формы.

Расположение шипа на кольце также представляет собой преимущество, поскольку, в общем, кольцо изготовлено из монокристаллического материала, который довольно трудно поддается обработке; при этом оказалось, что изготовить шип более просто, чем паз. Распорка обычно изготавливается из материала, который более легко подвергается обработке, так, что паз может быть легко выполнен в ней, например, путем формирования на ней лапки, которая окружает паз при соединении с расположенной поблизости частью распорки.

Зацепы, расположенные на противоположной стороне, могут и не подвергаться улучшениям в соответствии с настоящим изобретением: зацеп кольца может окружать зацеп распорки в отличие от конструкции известного уровня техники, что, в свою очередь, также имеет преимущество, заключающееся в местной защите распорки от нагрева, производимого потоком газа.

Изобретение представлено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют его предпочтительный вариант выполнения:

- фиг.1 представляет общий вид в соответствии с настоящим изобретением;

- фиг.2 представляет подробное изображение части фиг.1;

- фиг.3 представляет вид в перспективе частей, изображенных на фиг.2;

- и фиг.4, которая уже была описана, изображает устройство по известному уровню техники.

Фиг.1 описывается далее.

Распорка и кольцо, общие формы которых остаются аналогичными реализации известного уровня техники, обозначены соответственно номерами ссылок 102 и 103. Они изготовлены обычным способом в виде соединенных впритык сегментов вдоль окружности, и на сегментах кольца 103 установлены пластинчатые прокладки 30, установленные между сегментами для ограничения потока газа в радиальном и осевом направлениях. Внутренняя камера 31 вентиляции, аналогичная камере 17, ограничивается распоркой 102 и кольцом 103. На стороне, расположенной вверх по потоку, на распорке 102 выполнен зацеп 32, ножка 33 которого проходит по радиусу внутрь, выходит в камеру 31 и конец 34 которого выступает вверх по потоку; зацеп 35 кольца 103 проходит за пределы последнего и накрывает его так, что его ножка 36 проходит перед его концом 34, и конец 37 выходит перед ножкой 33; зацепы, таким образом, выполнены внутренними по сравнению с конструкцией известного уровня техники, но их соединение при подгонке друг к другу остается таким же.

Рассмотрим теперь сторону соединения, расположенную ниже по потоку, которая в основном представлена на фиг.2 и 3; распорка 102 и кольцо 103 имеют кромки 38 и 39, которые проходят параллельно по направлению вниз по потоку так же, как и кромки 7 и 8 известного уровня техники, но в данном случае кромка 38 распорки 102 содержит только фланец 40, который устанавливается впритык и с уплотнением к соответствующему фланцу кромки 39; кромки 38 и 39 при этом разделены на большей части их длины зазором 57.

Фиксирование кольца 103 на распорке 102 в осевом направлении производится посредством шипа 41, который выполнен на кольце 103 и который расположен выше по потоку от кромки 38 распорки 102, на стороне камеры 31 вентиляции; этот шип удерживается в пазу 42, который ограничен кромкой 38 и особым образом изогнутой лапкой 43, сформированной на задней поверхности кромки 38. Кромка 44 лапки 43 выполнена гибкой, она может отгибаться при монтаже для предотвращения люфта в осевом направлении шипа 41 между кромкой 38 и лапкой 43; жесткость конца кромки 44 позволяет выдерживать механические напряжения средней величины, которые могут прикладываться к нему и которые, вряд ли, станут избыточными во время работы при воздействии на соединение расширения и вибраций, трудно поддающихся оценке.

Еще раз рассмотрим зажимы 45, их лапки 46 и 47 используются для сжатия кромок 38 и 39 вместе для установки встык фланца 40. Однако в кромках 38 и 39 выполнены пазы 48 и 49, которые обращены друг к другу и являются достаточно широкими, чтобы центральная часть 50 зажима 45 могла быть установлена в них путем проталкивания зажимов по направлению вверх по потоку. Центральная часть 50 при этом ограничивает угловое движение кольца 103 на распорке 102 благодаря упору между центральной частью 50 и боковыми поверхностями 51, 52, 53 и 54 пазов 48 и 49. При этом не требуется применение каких-либо других средств предотвращения таких движений: шпильки, которые использовались ранее и которые вставлялись в отверстия, выполненные в кромках, становятся излишними и удалены из конструкции.

Уплотняющая прокладка 55 может быть вставлена в паз 56, выполненный на одной из кромок 39, в месте расположения прилегающих поверхностей для улучшения уплотнения в этом месте.

Соединение между кольцом турбины, которое окружает ее распорку, содержит со стороны, расположенной выше по потоку, зацеп кольца и зацеп распорки, которые соединены вместе. Ниже по потоку расположена соединительная система, содержащая кромку распорки и кромку кольца, установленные встык друг к другу и зафиксированные зажимами. На кольце и на распорке сформированы шип и паз для удержания в осевом направлении, в котором шип установлен внутри паза. Шип и паз расположены выше по потоку от установленных встык кромок. Паз ограничен гибкой лапкой распорки. Шип установлен в паз с нулевым люфтом. Кромка распорки и размещенная с ней встык кромка кольца установлены встык на части их длины и разделены зазором на другой части их длины. Кромки выполнены с пазами, обращенными друг к другу, в которые входят центральные части зажимов. Шип и паз выходят во внутреннюю камеру, ограниченную распоркой и кольцом. Зацеп кольца окружает зацеп распорки. Изобретение позволяет улучшить соединение между кольцом турбины и ее распоркой. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Соединение между кольцом (103) турбины, которое окружает распорку (102) конструкции турбины, содержащее со стороны, расположенной выше по потоку, зацеп (35) кольца и зацеп (32) распорки, которые соединены вместе, и со стороны ниже по потоку соединительную систему, содержащую кромку (38) распорки и кромку (39) кольца, установленные встык друг к другу и зафиксированные зажимами (45), и при этом на кольце и на распорке сформированы шип и паз для удержания в осевом направлении, в котором шип установлен внутри паза, отличающееся тем, что шип и паз расположены выше по потоку от установленных встык кромок.2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что паз ограничен гибкой лапкой (43) распорки, причем шип установлен в паз с нулевым люфтом.3. Соединение по п.2, отличающееся тем, что кромка (38) распорки и размещенная с ней встык кромка (39) кольца установлены встык на части их длины и разделены зазором на другой части их длины.4. Соединение по п.3, отличающееся тем, что кромки (38, 39) выполнены с пазами (48, 49), обращенными друг к другу, в которые входят центральные части (50) зажимов (45).5. Соединение по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что шип и паз выходят во внутреннюю камеру, ограниченную распоркой и кольцом.6. Соединение по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что зацеп (35) кольца окружает зацеп (32) распорки.