СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ ЗОНЫ УТЕЧКИ ПОД ПЛАТФОРМОЙ ЛОПАТКИ Российский патент 2007 года по МПК F01D5/22 

Предлагаемое изобретение относится к средству контроля зон утечки газов под платформами лопаток снабженного системой лопаток колеса, используемого в турбомашине.

Предлагаемое изобретение относится, в частности, к снабженному лопатками колесу турбомашины, содержащему диск, имеющий на своей периферийной части совокупность ячеек, располагающихся, по существу, в осевом направлении, совокупность лопаток, основания которых удерживаются в упомянутых ячейках и которые представляют платформы, предназначенные для ограничения с внутренней в радиальном направлении стороны канала движения потока газов, и располагающиеся в радиальном направлении передние и задние стенки, которые проходят от упомянутых платформ в направлении периферийной части упомянутого диска, межлопаточные полости, ограниченные упомянутыми платформами и периферийной частью диска, и устройства герметизации упомянутых межлопаточных пространств, реализованные в виде уплотнительных рубашек, имеющих края, расширяющиеся в радиальном направлении внутрь и располагающиеся в упомянутых полостях против стенок платформ двух соседних лопаток.

На приведенной в приложении фиг.1 представлен схематический перспективный вид герметизирующей рубашки 1 в соответствии с существующим уровнем техники в данной области, причем эта герметизирующая рубашка имеет переднюю по потоку кромку 2 и заднюю по потоку кромку 3, расширяющиеся внутрь в радиальном направлении, а также две расширяющиеся искривленные продольные кромки, которые плотно охватывают боковые поверхности лопаток под упомянутыми платформами. Передняя по потоку кромка 2 и задняя по потоку кромка 3 предназначены для размещения в непосредственной близости от располагающихся рядом друг с другом передней по потоку и задней по потоку радиальных стенок двух соседних лопаток для ограничения утечки газов через пространство, разделяющее соседние боковые стенки лопаток. Верхняя стенка 6 каждой уплотнительной рубашки опирается на нижние поверхности двух соседних платформ под действием центробежных усилий в том случае, когда данное колесо приводится во вращательное движение, и обеспечивает герметичность зазора, разделяющего соседние платформы. По своей конструкции упомянутые расширяющиеся кромки являются практически не поддающимися деформации под действием центробежных сил и при этом передняя по потоку расширяющаяся кромка 2 и задняя по потоку расширяющаяся кромка 3 будут эффективно прижиматься к передней по потоку и к задней по потоку радиальным стенкам лопаток. Как это можно видеть на фиг.2, упомянутые кромки могут оказаться удаленными от смежных радиальных стенок, что приводит к возникновению утечек газов, обозначенных на фиг.2 позицией f, между полостью под платформой и каналом течения потока газов в этих зонах, что оказывает неблагоприятное влияние на коэффициент полезного действия данного колеса с лопатками.

Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы обеспечить наилучший контроль зоны утечки под платформой лопатки, в частности на уровне зазоров между радиальными стенками под платформами лопаток.

Задача решается тем, что каждая уплотнительная рубашка имеет на одной из своих расширяющихся кромок, передней по потоку или задней по потоку, некоторую эластичную зону, и радиальные стенки, примыкающие к этой кромке, соединены с платформами лопаток при помощи внутренних поверхностей, наклоненных по отношению к радиальной плоскости, и к которым прижимается упомянутая эластичная зона таким образом, что она имеет возможность скользить в радиальном направлении внутрь в случае прекращения вращательного движения упомянутого колеса с лопатками и имеет возможность скользить в радиальном направлении наружу под действием центробежных сил таким образом, чтобы заставить упомянутую уплотнительную рубашку перемещаться в осевом направлении к радиальным стенкам, удаленным от упомянутой эластичной зоны, для того чтобы улучшить герметизацию в этой зоне.

В случае прекращения вращательного движения колеса с лопатками упомянутая эластичная зона скользит в радиальном направлении внутрь, вследствие чего уплотнительная рубашка перестает испытывать механические напряжения и отходит от нижних стенок двух платформ лопаток, по меньшей мере, в областях, непосредственно соседствующих с этой эластичной зоной. В том случае, когда колесо с лопатками приводится во вращательное движение, центробежные силы прижимают уплотнительную рубашку к нижним стенкам платформ лопаток и упругие усилия при этом толкают противолежащую расширяющуюся кромку в направлении противоположных боковых стенок эластичной кромки для обеспечения повышения герметичности в этом месте. При этом, поскольку упомянутые эластичные зоны всегда опираются на смежные боковые стенки, обеспечивается надежная герметичность в этой зоне.

Предпочтительно, чтобы радиальные стенки, удаленные от упомянутых эластичных зон, содержали упоры для ограничения осевого перемещения уплотнительных рубашек под действием центробежных усилий.

Боковые стенки, примыкающие к упомянутым эластичным зонам, содержат также упоры, предназначенные для ограничения скольжения этих эластичных зон в направлении внутрь.

В соответствии с предпочтительным отличительным признаком предлагаемого изобретения упомянутые эластичные зоны ограничены в окружном направлении двумя вырезами, выполненными в соответствующей расширяющейся кромке уплотнительных рубашек. Такое техническое решение позволяет использовать предлагаемое изобретение без дополнительных затрат.

Предлагаемое изобретение применяется, в частности, для оснащения колес с лопатками, используемых в конструкции турбин.

В этом специфическом случае упомянутая эластичная зона располагается на передней по потоку кромке и величина угла наклона ее поверхности по отношению к радиальной плоскости превышает величину угла наклона платформы лопатки по отношению к оси вращения данной турбомашины.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения раскрываются в нижеприводимом описании примера его осуществления со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой схематический перспективный вид снизу уплотнительной рубашки в соответствии с существующим уровнем техники в данной области;

фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе кромки уплотнительной рубашки и радиальной стенки лопатки в соответствии с существующим уровнем техники в данной области;

фиг.3 представляет собой схематический перспективный вид сверху уплотнительной рубашки в соответствии с предлагаемым изобретением;

фиг.4 представляет собой схематический перспективный вид снизу уплотнительной рубашки, показанной на фиг.3;

фиг.5 представляет собой схематический вид в разрезе по плоскости, проходящей через ось вращения колеса с лопатками, на котором показано расположение уплотнительной рубашки в соответствии с предлагаемым изобретением в полости под платформами лопаток после ее установки и при отсутствии действия центробежных сил;

фиг.6 представляет собой схематический вид в разрезе по плоскости, проходящей через ось вращения снабженного системой лопаток колеса, подобный виду, показанному на фиг.5, и демонстрирующий расположение уплотнительной рубашки в полости под платформами лопаток в том случае, когда эта уплотнительная рубашка подвергается воздействию центробежных сил в результате приведения колеса с лопатками во вращательное движение.

На фиг.1 и 2 схематически представлен известный уровень техники в данной области, который уже был описан выше.

На фиг.3 и 4 схематически представлена уплотнительная рубашка 10 в соответствии с предлагаемым изобретением, которая содержит кромки, расширяющиеся в радиальном направлении внутрь, а именно переднюю по потоку кромку 12, заднюю по потоку кромку 13 и две расширяющиеся искривленные продольные кромки, которые располагаются между передней по потоку кромкой 12 и задней по потоку кромкой 13 и обеспечивают плотное облегание форм боковых поверхностей двух соседних лопаток.

Передняя по потоку кромка 12 имеет два выреза 16 и 17, между которыми сформирована эластичная зона 18, причем эта эластичная зона в состоянии покоя выступает в направлении вперед по отношению к передней по потоку кромке 2 уплотнительной рубашки 1 в соответствии с существующим уровнем техники, представленным на фиг.1. Эластичная зона 18 располагается снаружи по отношению к некоторой воображаемой поверхности, которая снова будет плавно переходить в концы 12а и 12b передней по потоку кромки 12, располагающиеся за пределами вырезов 16 и 17 и присоединяющиеся соответственно к продольным кромкам 14 и 15 своими выпуклыми поверхностями.

На фиг.5 и 6 схематически представлено снабженное системой лопаток колесо 30, имеющее в своем составе диск 31, который имеет на своей периферийной части совокупность ячеек 32, располагающихся, по существу, в осевом направлении, причем в каждой из этих ячеек размещается основание одной лопатки 33. Каждая лопатка 33 имеет над своим основанием платформу 34, которая ограничивает изнутри в радиальном направлении канал течения потока газов F, проходящего сквозь лопаточную решетку, причем платформа 34 соединена с передней по потоку радиальной стенкой 35 и с задней по потоку радиальной стенкой 36, которые проходят в направлении периферийной части диска 31. Таким образом, межлопаточные полости 37 выполнены на периферийной части диска 31 под платформами 34. Если рассматривать совокупность лопаток в осевом направлении со стороны движения газового потока F, то каждая лопатка 33 содержит участок платформы справа и участок платформы слева. То же можно сказать и о радиальных стенках 35 и 36. Каждая располагающаяся под платформой лопатки полость 37 ограничена, таким образом, правым и левым участками платформ двух смежных лопаток и их передними по потоку и задними по потоку правым и левым участками боковых стенок. Вследствие конструктивных особенностей, связанных с требованиями обеспечения приемлемых условий монтажа, некоторый зазор или промежуток разделяет упомянутые правый и левый участки, и его необходимо загерметизировать при помощи используемой в данном случае уплотнительной рубашки.

Таким образом, как это показано на фиг.5 и 6, соединение 38 между передней по потоку радиальной стенкой 35 и платформой 34 представляет со стороны полости 37 поверхность 39, которая образует некоторый угол α с радиальной плоскостью, перпендикулярной по отношению к оси вращения данного снабженного системой лопаток колеса 30. При этом задняя по потоку радиальная стенка 36 присоединяется к платформе 34 при помощи зоны 40, которая имеет со стороны полости 37 искривленную поверхность 41, дополняющую расширение передней по потоку кромки 13 уплотнительной рубашки 10. Кроме того, задняя по потоку радиальная стенка 36 представляет на своей внутренней поверхности выступ 42, который служит в качестве упора для задней по потоку кромки уплотнительной рубашки 10. Передняя по потоку радиальная стенка 35 имеет также на своей поверхности, располагающейся со стороны полости 37, выступ 43.

Уплотнительная рубашка 10 установлена в полости 37 таким образом, чтобы задняя по потоку кромка 13 была позиционирована над выступом 42 и чтобы эластичная зона 18 была позиционирована над выступом 43. В этом положении эластичная зона 18 уплотнительной рубашки 10 опирается на наклонную поверхность 39.

Угол α наклона поверхности 39 рассчитывается в функции угла наклона платформы 34 по отношению к оси вращения данного колеса с лопатками и в функции угла трения ϕ уплотнительной рубашки 10 относительно внутренней поверхности платформы 34 лопатки для того, чтобы в отсутствие центробежных сил, то есть в том случае, когда колесо 30 с лопатками не приводится во вращательное движение, эластичная зона 18 имела возможность скользить в радиальном направлении внутрь по этой наклонной поверхности 39.

В этом положении верхняя стенка 19 уплотнительной рубашки удалена в наибольшей степени от нижней поверхности платформы 34 лопатки, как это можно видеть на фиг.5, причем уплотнительная рубашка 10 имеет возможность качаться относительно оси, пересекающей плоскость чертежа, показанного на фиг.5, в точке, обозначенной позицией 44, и располагающейся в непосредственной близости от задней по потоку расширяющейся кромки 13. Выступ 43, сформированный на передней по потоку радиальной стенке 35, позволяет ограничить возможный диапазон скольжения эластичной зоны 18 и удерживать уплотнительную рубашку 10 в верхней зоне полости 37.

На фиг.6 схематически представлено положение уплотнительной рубашки 10 в том случае, когда колесо 30 с лопатками приведено во вращательное движение. В этом положении уплотнительная рубашка 10 подвергается воздействию центробежных сил, которые стремятся прижать эту уплотнительную рубашку к внутренней поверхности платформы 34 лопатки. Эластичная зона 18 подвергается при этом силовому воздействию в радиальном направлению наружу, вследствие чего эта уплотнительная рубашка скользит относительно наклонной поверхности 39.

Угол наклона α предпочтительно превышает угол наклона платформы 34 лопатки. В процессе перемещения в направлении наружу эластичной зоны 18 в результате поворота уплотнительной рубашки 10 относительно оси поворота, определяемой точкой, обозначенной позицией 44, упругое усилие, воздействующее со стороны этой упругой зоны 18, увеличивается и стремится переместить в осевом направлении уплотнительную рубашку 10 в направлении задней по потоку радиальной стенки 36, что повышает степень герметизации на уровне зоны соединения 40. Перемещение в осевом направлении уплотнительной рубашки 10 ограничивается при помощи выступа 42, который в данном случае служит упором.

В процессе остановки снабженного системой лопаток колеса 30 уплотнительная рубашка 10 снова занимает свое положение, показанное на фиг.5, после того, как центробежные усилия окажутся уже недостаточными для того, чтобы препятствовать скольжению эластичной зоны 18 по наклонной стенке 39.

Снабженное лопатками колесо турбомашины содержит диск, имеющий на своей периферийной части совокупность ячеек, располагающихся в осевом направлении. Основания лопаток удерживаются в ячейках. Лопатки формируют платформы, предназначенные для ограничения с внутренней в радиальном направлении стороны канала движения потока газов, и располагающиеся в радиальном направлении передние по потоку и задние по потоку стенки, проходящие от упомянутых платформ в направлении периферийной части упомянутого диска. Платформами и периферийной частью диска ограниченны межлопаточные полости. Устройства герметизации упомянутых межлопаточных пространств реализованы в виде уплотнительных рубашек, имеющих кромки, расширяющиеся в радиальном направлении внутрь и располагающиеся в упомянутых полостях против стенок платформ двух соседних лопаток. Каждая уплотнительная рубашка имеет на одной из своих расширяющихся кромок, передней по потоку или задней по потоку, некоторую эластичную зону. Радиальные стенки, примыкающие к этой кромке, соединены с платформами лопаток при помощи внутренних поверхностей, наклоненных по отношению к радиальной плоскости, к которым прижимается упомянутая эластичная зона с возможностью скольжения эластичной зоны в радиальном направлении внутрь в случае прекращения вращательного движения колеса с лопатками и с возможностью скольжения в радиальном направлении наружу под действием центробежных сил таким образом, чтобы упомянутая уплотнительная рубашка перемещалась в осевом направлении к радиальным стенкам, удаленным от упомянутой эластичной зоны, для улучшения герметизации в этой зоне. Изобретение обеспечивает контроль зоны утечек под платформой лопатки. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Снабженное лопатками колесо турбомашины, содержащее диск (31), имеющий на своей периферийной части совокупность ячеек, располагающихся в осевом направлении, совокупность лопаток (33), основания которых удерживаются в ячейках и которые формируют платформы (34), предназначенные для ограничения с внутренней в радиальном направлении стороны канала движения потока газов (F), и располагающиеся в радиальном направлении передние по потоку (35) и задние по потоку (36) стенки, проходящие от упомянутых платформ (34) в направлении периферийной части упомянутого диска, межлопаточные полости (37), ограниченные упомянутыми платформами и периферийной частью диска, и устройства герметизации упомянутых межлопаточных пространств, реализованные в виде уплотнительных рубашек (10), имеющих кромки (12, 13, 14, 15), расширяющиеся в радиальном направлении внутрь и располагающиеся в упомянутых полостях (37) против стенок платформ двух соседних лопаток, отличающееся тем, что каждая уплотнительная рубашка (10) имеет на одной из своих расширяющихся кромок (12), передней по потоку или задней по потоку, некоторую эластичную зону (18), и радиальные стенки (35), примыкающие к этой кромке, соединены с платформами (34) лопаток при помощи внутренних поверхностей (39), наклоненных по отношению к радиальной плоскости и к которым прижимается упомянутая эластичная зона (18) с возможностью скольжения эластичной зоны в радиальном направлении внутрь в случае прекращения вращательного движения колеса с лопатками и с возможностью скольжения в радиальном направлении наружу под действием центробежных сил таким образом, чтобы упомянутая уплотнительная рубашка (10) перемещалась в осевом направлении к радиальным стенкам (36), удаленным от упомянутой эластичной зоны (18), для улучшения герметизации в этой зоне.2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что радиальные стенки (36), удаленные от эластичных зон, содержат упоры (42), предназначенные для ограничения осевого перемещения уплотнительных рубашек (10) под действием центробежных сил.3. Колесо по одному из п.1 или 2, отличающееся тем, что боковые стенки (36), примыкающие к упомянутым эластичным зонам (18), содержат упоры (42), предназначенные для ограничения скольжения этих эластичных зон в направлении внутрь.4. Колесо по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что эластичные зоны (18) ограничены в окружном направлении двумя вырезами (16, 17), выполненными в соответствующей расширяющейся кромке (12) уплотнительных рубашек (10).5. Колесо по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что эластичная зона (18) предусмотрена на передней по потоку кромке.6. Колесо по п.5, отличающееся тем, что в качестве колеса используют снабженное лопатками колесо турбины.7. Колесо по п.6, отличающееся тем, что угол α наклона поверхности (39) имеет величину, превышающую угол наклона платформы лопатки по отношению к оси вращения данной турбомашины.