ТУРБИННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК F01D25/24 F01D9/04 F01D11/08 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей, и в частности к элементу турбинного модуля такого двигателя.

В направлении потока газов газотурбинный двигатель содержит средство для сжатия воздуха, питающего двигатель, камеру сгорания и, по меньшей мере, одну ступень турбины для привода средства для сжатия воздуха. В области аэронавтики этот двигатель может приводить в движение вентилятор, который участвует в создании тяги, производимой двигателем. Воздух, впускаемый в воздухозаборник двигателя, затем разделяется на первичный поток, направляемый к камере сгорания, и вторичный поток, концентричный первичному потоку и обеспечивающий основную часть тяги в газотурбинных двигателях. В ряде случаев такие двигатели включают в себя два не связанных друг с другом корпуса - корпус высокого давления и корпус низкого давления. Посредством корпуса низкого давления приводится в движение вентилятор. Каждый корпус включает в себя модуль турбины, приводящий в движение соответствующий компрессионный модуль.

На фиг.1 показано продольное сечение турбинного модуля низкого давления двухкорпусного двигателя согласно предшествующему уровню техники. Остальная часть двигателя на этом чертеже не показана. Этот модуль установлен ниже по потоку от ступени высокого давления, от которой поток газов отводится через распределительное устройство 3, состоящее из лопаток, которые зафиксированы индивидуально или в секторах и установлены между наружным кожухом 5 и фиксированной внутренней конструкцией 7. Ротор 9 низкого давления турбины состоит из пяти дисков 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 и 9-5, оснащенных по периметру лопатками и соединенных друг с другом болтами. Эти пять секций разделены неподвижными распределительными устройствами 11-1, 11-2, 11-3 и 11-4 для потока, каждое из которых выпрямляет поток газа, выходящий из предыдущей относительно направления потока секции, для направления его на секцию, расположенную непосредственно за ним ниже по потоку.

Для того чтобы удержать поток газа в канале, пересекающем роторы турбины, установлены кольца 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 и 13-5, расположенные концентрично с конструкциями лопаток каждой ступени. Кольца 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 и 13-5 состоят из секторов пластины, которые содержат уплотняющие элементы 14, выполненные из материала истираемого типа, которые взаимодействуют с концами лопаток ротора, в данном случае с зажимом, оснащенным радиальными лопатками, так, чтобы образовать соединения с лабиринтным уплотнением.

Внешний кожух содержит ориентированные в осевом направлении кольцевые крюки 15, образующие опору и поверхность крепления как для распределительных устройств 11, так и колец 13. Каждая лопатка или сектор распределительного устройства содержит на головной части соответствующие средства. Это - пара осевых крюков 11', ориентированных вверх по потоку и разнесенных радиально относительно друг друга, и осевых крюков 11'', ориентированных вниз по потоку. Крюки 15 зацеплены с крюками статора для совместной поддержки лопаток распределительного устройства и уплотняющих колец. Металлические элементы, образующие пружины, соединены с пластинами, предотвращающими вращение, и отвечают за удержание деталей друг с другом и за целостность узла.

Лабиринтные соединения также создают уплотнение между элементами ротора и статора на другом конце лопаток статора. Таким образом, кольца, именуемые межступенчатыми кольцами, на которых изготовлены радиальные лопатки, установлены между двумя дисками и привинчены к ним. Эти межступенчатые кольца зацепляются с пластинами из истираемого материала, припаянного твердым припоем к внутренним платформам распределительного устройства. Межступенчатые кольца образуют направляющий канал для охлаждающего воздуха между внутренним источником и корневыми частями лопаток, установленными в своих замках, в частности, в форме ласточкиного хвоста, на ободе по периферии дисков.

Монтаж такого турбинного модуля затруднен, поскольку сама конструкция содержит множество деталей.

Известен, например, патент США №5899660, который относится к кожуху, позволяющему создавать турбинные модули упрощенной конструкции. Распределительные устройства образуют единую деталь с уплотняющими кольцами ротора турбины. Детали различных ступеней свинчены друг с другом так, что вместе они образуют кожух. Однако такое решение влечет за собой существенное изменение предыдущей конструкции.

Известен также патент США №4248569, который относится к узлу статора, уплотнительные кольца которого образуют уплотняющую деталь с распределительным устройством и которые позволяют контролировать зазор между уплотнительным кольцом и концами лопаток ротора турбины. Такое решение нелегко применить в турбинном модуле, имеющем несколько ступеней.

Таким образом, было бы желательно создать модуль, конструкция которого позволяла бы упростить его сборку.

Было бы также желательно создать модуль, в котором количество деталей было бы уменьшено, за счет чего облегчался бы их монтаж и упрощалась бы их установка.

Кроме того, было бы желательно свести к минимуму конструктивные изменения в турбинном модуле согласно существующим конструкциям, описанным выше, чтобы избежать значительных трудозатрат на разработку конструкции.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание турбинного модуля и, в частности, турбинного модуля низкого давления, конструкция которого упрощена относительно предшествующих конструкций.

Согласно настоящему изобретению поставленную задачу можно решить, устранив недостатки, присущие предшествующему уровню техники, посредством создания турбинного модуля для газотурбинного двигателя, содержащего, внутри кожуха, по меньшей мере, кольцо кольцевого распределительного устройства и ротор турбины, расположенный ниже по потоку кольца распределительного устройства, причем распределительное устройство содержит множество элементов в форме сектора кольца, первая часть которых поддерживает неподвижные лопатки, проходящие радиально к оси турбины, а вторая часть вместе с концами лопаток ротора турбины образует уплотняющее средство, при этом каждый элемент в форме сектора кольца удерживается внутри кожуха крепежными средствами, содержащими осевой крюк, прикрепленный к кожуху или к элементу в форме сектора кольца и взаимодействующий с парой осевых крюков, прикрепленных, соответственно, к элементу в форме сектора кольца или кожуху, при этом крепежные средства дополнительно содержат ориентированный в осевом направлении палец, который установлен между двумя секторами другого расположенного ниже по потоку кольца распределительного устройства, так что ориентированный в осевом направлении палец образует запирающее устройство, препятствующее вращению элемента в форме сектора кольца. Каждый из элементов в форме сектора кольца содержит первую радиальную опорную поверхность, примыкающую к радиальной опоре кожуха, причем первая радиальная опорная поверхность расположена ниже по потоку осевого крюка и выше по потоку ориентированного в осевом направлении пальца.

Предпочтительно, модуль содержит, по меньшей мере, два последовательных диска ротора турбины, разделенных кольцом распределительного устройства.

Предпочтительно, модуль содержит крепежные средства на верхней по потоку части элемента в форме сектора кольца.

Предпочтительно, осевой крюк, прикрепленный к кожуху, зацепляется с парой осевых крюков, прикрепленных к элементу в форме сектора кольца таким образом, что нижний по потоку конец уплотняющего сектора, расположенного выше по потоку, удерживается между крюками.

Предпочтительно, по меньшей мере, два диска турбины представляют собой моноблок.

Предпочтительно, ко второй части элемента прикреплены пластины из истираемого материала.

Благодаря решению согласно настоящему изобретению монтаж ступеней турбины осуществляется просто и эффективно без необходимости в существенном изменении окружающих модуль средств в двигателе.

Следует отметить, что модуль согласно настоящему изобретению не ограничивается единственной ступенью турбины, а состоит, по меньшей мере, из двух ступеней и, предпочтительно, из трех-шести ступеней турбины, разделенных распределительными устройствами.

Ниже следует описание одного не ограничивающего варианта воплощения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - турбинный модуль газотурбинного двигателя известной конструкции;

Фиг.2 - модуль согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 - часть статора модуля с фиг.2 в увеличенном масштабе; и

Фиг.4 - часть ротора с фиг.2 в увеличенном масштабе.

Модуль согласно настоящему изобретению, показанный в продольном осевом сечении газотурбинного двигателя, расположен ниже по потоку от камеры сгорания, не показанной на фиг.2. Он принимает поток рабочего газа через распределительное устройство 105. Он содержит кожух 120 по существу конической формы, в котором установлены разные секции распределительного устройства, расположенные между роторами турбины. Как и в устройстве согласно предшествующей конструкции, описанном выше, здесь модуль содержит пять ступеней 109-1, 109-2, 109-3, 109-4 и 109-5 турбины, между которыми расположены четыре кольца 111-1, 111-2, 111-3 и 111-4 распределительного устройства.

Кольцо 111-1 распределительного устройства имеет по существу кольцевую форму и разделено на сектора. Сектора содержат от одного до около десяти зафиксированных лопаток, возможно, пять или шесть. Например, кольцо распределительного устройства может быть образовано из 8 секторов. В каждом секторе кольца 111-1 распределительного устройства можно различить (более подробно см. фиг.3) лопатку или лопатки 111-1-1, расположенные радиально в газовом потоке между внутренней платформой 112-1, расположенной рядом с осью двигателя, и наружной платформой 113-1, расположенной напротив.

Согласно настоящему изобретению, наружная платформа 113-1 образует часть элемента 114-1 в форме сектора кольца, состоящего из двух частей, расположенных одна за другой в осевом направлении. Указанная платформа представляет собой первую часть 113-1, а уплотняющий сектор турбины, который установлен на концы лопаток нижней по потоку ступени турбины, является второй частью 113'-1. Преимущественно, внутренняя платформа 112-1, элемент 114-1 и лопатки выполнены в виде одной литой детали.

Вторая часть 113'-1 включает истираемый материал 115-1, обращенный к скребкам, созданным на концах лопаток соответствующего подвижного венца.

Выше по потоку, наружная платформа 113-1 содержит пару осевых крюков 113-1-1 и 113-1-2, отстоящих друг от друга в радиальном направлении. Ниже по потоку он также содержит радиальную опорную поверхность 113-1-3. Ниже по потоку второй участок 113'-1 содержит радиальную опорную поверхность 113'-1-4 и радиальный выступ 113'-1-5, образующий осевой упор. Имеется также ориентированный в осевом направлении палец 113'-1-6, который установлен между двумя секторами расположенного ниже по потоку распределительного устройства 113-2 и образует запирающее устройство, препятствующее вращению.

На своей внутренней поверхности кожух 120 содержит крюки, отстоящие по оси двигателя, которыми фиксируются статоры.

На чертеже показан осевой крюк 121-1, который содержит наружную радиальную опорную поверхность и внутреннюю радиальную опорную поверхность. Расстояние между двумя последовательными крюками 121-1 и 121-2 соответствует расстоянию между крюком 113-1-1 и радиальной опорной поверхностью 113'-1-4 данного элемента 114. Выступ 113'-1-5 упирается в осевом направлении в крюк 121-2 кожуха.

Пара крюков 113-1-1 и 113-1-2 статора удерживают крюк 121-1 кожуха и нижний по потоку конец уплотняющего сектора 105', который размещен непосредственно перед (относительно потока) кольцом 111-1 распределительного устройства. В статоре 113-2 эта пара крюков удерживает узел, состоящий из соответствующего второго крюка 121-2, нижнего (относительно потока) конца кольцевого сектора 113'-1 и пластины 115-1 из истираемого материала.

Кожух также содержит торцевые упоры, образованные радиальными опорными поверхностями 122 между двумя последовательно расположенными крюками 121-1 и 121-2. Они обеспечивают радиальную поддержку опорных поверхностей 113-1-3.

Лопатки 109-2-1 ступени 109-2 заканчиваются зубом 109-2-2, который оснащен скребками или радиальными лопатками, которые сопрягаются с пластиной 115-1 из истираемого материала. Таким образом, они образуют лабиринтную прокладку, препятствующую утечке газа между двумя сторонами ротора турбины.

Здесь вращающийся узел 109 состоит из пяти дисков 109-2-3, 109-3-3, 109-4-3 и 109-5-3, на которые установлены лопатки. Каждая лопатка содержит замок в форме утолщения, вставленного в осевое гнездо ответной формы с профилем типа «ласточкин хвост», например, выполненное механической обработкой обода дисков. Подвижные лопатки и их узлы на диске известны специалистам в данной области техники и не являются частью настоящего изобретения.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения, два диска совместно образуют моноблок 109'. Они являются моноблоком, что означает, что они не удерживаются друг с другом механическими средствами, например, болтами, и обычно являются неразъемными. Эти два диска 109-2-3 и 109-3-3 соединены друг с другом обручем 109-2-С. Этот обруч имеет два проходящих по периферии скребка 109-23-1, проходящих поперек оси двигателя и полученных механической обработкой поверхности, обращенной к кольцу 111-2 распределительного устройства. Диск 109-2-3 прикреплен к поперечному ободу 109-21. Он включает радиальный фланец 109-21-1, которым ротор соединен болтами к смежному диску 109-1-3. Показан и другой болт В. Отверстия под болты просверлены в плоскости диска вблизи обода. Диск 109-3-3 также содержит обод 109-34 с радиальным фланцем 109-34-1, посредством которого он привинчен к диску 109-4-3. Диск 109-5-3 содержит обод 109-54 с радиальным фланцем, посредством которого он привинчен к диску 109-4-3. Конус 109-4-4 прикреплен к диску 109-4-3 для установки вращающегося узла на подшипник (не показан).

Для охлаждения замков лопаток ступеней 109-2, 109-3 и 109-4 выполнены воздушные цепи, образованные межступенчатыми кольцами 131 и 132.

Кольцо 131 имеет конусную часть 131-1, диаметр которой немного больше обода 109-21 для создания с последним воздушного канала. На каждой стороне имеется наклонная перемычка 131-2 и 131-3, соответственно, которая прижимается к диску 109-1-3 и 109-2-3 на уровне гнезд замков. Таким образом, оно образует как средство для направления воздуха на эти гнезда, так и торцевой упор для замков лопаток, расположенных в этих гнездах. Воздух входит изнутри ротора через каналы, выполненные между радиальным фланцем 109-21-1 и диском 109-1-3. Он циркулирует между двумя ободами 109-21 и 131-1, затем выходит через каналы между дном гнезда и замком лопатки двух дисков 109-1-3 и 109-2-3 и подается в газовый канал.

Обод 132 также содержит центральный конусный участок 132-1, который на краях имеет две перемычки 132-2 и 132-3. Охлаждающий воздух входит через каналы, созданные между кронштейном 109-34-1 и диском 109-4-3, циркулирует между ободами 132-1 и 109-34, откуда он направляется в каналы между дном гнезда и замком лопатки дисков 109-3-3 и 109-4-3 и, затем, в газовый канал.

Сборка различных компонентов модуля осуществляется следующим образом.

Кожух может быть уже установлен на место на двигателе вместе с кольцом 105'.

Затем собирают детали в следующем порядке.

Собранный ротор 109-1, лопатки которого уже установлены на диске 109-1-3, позиционируют и фиксируют соответствующим инструментом.

Кольцо 111-1 распределительного устройства собирают сектор за сектором, надвигая крюки 113-1-1 и 113-1-2 на нижнюю по потоку часть узла, образованную кольцом 105' и первым крюком 121-1 кожуха. Поверхность 113-1-3 упирается в первый упор 122, а поверхность 113'-1-4 упирается во внутреннюю радиальную поверхность второго крюка 121-2. Палец 113'-1-5 упирается в упомянутый второй крюк 121-2.

Межступенчатое кольцо 131 вставляют внутрь кольца 111-1 пока оно не упрется в ротор 109-1, запирая таким образом в осевом направлении замки лопаток в их гнездах. Крюки, выполненные на замках лопаток, и их упор в обод обеспечивают их неподвижность в отношении всех осевых перемещений в одном направлении. Это кольцо обеспечивает осевой замок в противоположном направлении.

Моноблочный корпус 109' с установленными лопатками только ступени 109-2 устанавливают и привинчивают непосредственно на диск 109-1-3. На чертеже показано, что лопатки ступени 109-2 упираются в перемычку 131-3 межступенчатого кольца 131. Крюки на замках лопаток расположены на верхней по потоку стороне и упираются в обод диска так, что эти замки заперты относительно любого осевого перемещения.

Кольцо 111-2 распределительного устройства устанавливают сектор за сектором. Замок каждого сектора сначала вставляют между двумя дисками 109-2 и 109-3, а затем последний вращают пока он не сядет на второй крюк 121-2 кожуха, захватывая нижний по потоку конец кольца 113'-1 вместе с его истираемым материалом. Его устанавливают на кожухе так же, как и предыдущее распределительное устройство. Радиальный, расположенный ниже по потоку палец работает как осевой упор для третьего крюка 121-3.

Лопатки ступени 109-3 вводят в их гнезда на диске 109-3-3. Крюк, образующий осевой упор, располагают на нижней по потоку стороне диска 109-3-3, предотвращая любое осевое перемещение в направлении вверх по потоку.

Распределительное устройство 111-3 собрано так, что оно принимает положение в кожухе, как и предыдущие распределительные устройства.

Межступенчатое кольцо 132 вставляют в центральный канал, созданный распределительным устройством 111-3. Оно упирается в диск 109-3-3, запирая лопатки.

Собранный ротор 109-4 привинчен на кронштейне 109-34-1 моноблока 109'.

Распределительное устройство 111-4 собрано.

Готовый ротор 109-5 привинчивают на диск 109-4-3.

Вышеприведенное описание процесса сборки демонстрирует преимущества заявленной конструкции модуля по сравнению с предыдущими конструкциями, которые требуют значительно большего количества операций, в частности, из-за большего количества деталей, которыми приходится манипулировать.

Турбинный модуль для газотурбинного двигателя включает, по меньшей мере, одно кольцевое распределительное устройство и ротор турбины. Распределительное устройство содержит множество элементов в форме сектора кольца, первая часть которых поддерживает неподвижные лопатки, проходящие радиально к оси турбины, а вторая часть вместе с концами лопаток ротора турбины образует уплотняющее средство. Каждый элемент в форме сектора кольца удерживается внутри кожуха крепежными средствами, содержащими осевой крюк, прикрепленный к кожуху или к элементу в форме сектора кольца и взаимодействующий с парой осевых крюков, прикрепленных, соответственно, к элементу в форме сектора кольца или кожуху. Крепежные средства дополнительно содержат ориентированный в осевом направлении палец, который установлен между двумя секторами другого расположенного ниже по потоку кольца распределительного устройства, так, что ориентированный в осевом направлении палец образует запирающее устройство, препятствующее вращению элемента в форме сектора кольца. Каждый из элементов в форме сектора кольца также содержит первую радиальную опорную поверхность, примыкающую к радиальной опоре кожуха. Первая радиальная опорная поверхность расположена ниже по потоку осевого крюка и выше по потоку ориентированного в осевом направлении пальца. Изобретение позволяет упростить монтаж ступеней турбины без усложнения конструкции турбины. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Турбинный модуль для газотурбинного двигателя, содержащий внутри кожуха, по меньшей мере, кольцо кольцевого распределительного устройства и ротор турбины, расположенный ниже по потоку кольца распределительного устройства, причем распределительное устройство содержит множество элементов в форме сектора кольца, первая часть которых поддерживает неподвижные лопатки, проходящие радиально к оси турбины, а вторая часть вместе с концами лопаток ротора турбины образует уплотняющее средство, при этом каждый элемент в форме сектора кольца удерживается внутри кожуха крепежными средствами, содержащими осевой крюк, прикрепленный к кожуху или к элементу в форме сектора кольца и взаимодействующий с парой осевых крюков, прикрепленных соответственно к элементу в форме сектора кольца или кожуху, при этом крепежные средства дополнительно содержат ориентированный в осевом направлении палец, который установлен между двумя секторами другого расположенного ниже по потоку кольца распределительного устройства, так что ориентированный в осевом направлении палец образует запирающее устройство, препятствующее вращению элемента в форме сектора кольца, отличающийся тем, что каждый из элементов в форме сектора кольца содержит первую радиальную опорную поверхность, примыкающую к радиальной опоре кожуха, причем первая радиальная опорная поверхность расположена ниже по потоку осевого крюка и выше по потоку ориентированного в осевом направлении пальца.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, два последовательных диска ротора турбины, разделенных кольцом распределительного устройства.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что он содержит крепежные средства на верхней по потоку части элемента в форме сектора кольца.

4. Модуль по п.2 или 3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два диска турбины представляют собой моноблок.

5. Модуль по п.2 или 3, отличающийся тем, что осевой крюк, прикрепленный к кожуху, зацепляется с парой осевых крюков, прикрепленных к элементу в форме сектора кольца таким образом, что нижний по потоку конец уплотняющего сектора, расположенного выше по потоку, удерживается между крюками.

6. Модуль по п.5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два диска турбины представляют собой моноблок.

7. Модуль по п.1, отличающийся тем, что ко второй части элемента прикреплены пластины из истираемого материала.