УСТРОЙСТВО ФИКСАЦИИ СЕКТОРОВ КОЛЬЦА ВОКРУГ ВАЛА ТУРБИНЫ ТУРБОМАШИНЫ, ТУРБОМАШИНА, СЕКТОР КОЛЬЦА И ТУРБИНА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2010 года по МПК F01D11/12 

Настоящее изобретение касается устройства фиксации секторов кольца вокруг вала турбины в турбомашине, в частности, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета.

Турбина турбомашины содержит несколько ступеней, содержащих каждая направляющий сопловой аппарат, образованный из кольцевого ряда неподвижных лопаток, закрепленных на картере турбины и колеса, установленного с возможностью поворота ниже направляющего соплового аппарата в цилиндрической или конической оболочке, образованной секторами кольца, закрепленными встык по окружности на картере турбины.

Секторы кольца содержат на верхних концах круговые реборды, вставленные с небольшим осевым зазором во внутреннюю кольцевую радиальную канавку кольцевой направляющей картера и удерживаемые радиально в этой канавке кольцевым органом крепления, имеющим С-образное сечение и вставленным в осевом направлении поверх на направляющей картера и круговых реборд секторов кольца. Эти сектора удерживаются в осевом направлении посредством упора круговых реборд в верхние и нижние поверхности, соответственно, канавки направляющей (см. например, DE 10122464).

Реборды секторов кольца являются «разогнутыми» относительно направляющей картера и органа закрепления, то есть реборды секторов кольца имеют радиус кривизны, превосходящий радиус направляющей картера и органа закрепления, что позволяет установить реборды секторов кольца с некоторым предварительным радиальным напряжением между дном канавки направляющей и органом закрепления и ограничить, таким образом, осевые перемещения реборд секторов кольца в канавке.

Во время работы тепловое расширение секторов кольца и картера вызывают увеличение этого предварительного радиального напряжения, которое прикладывается в зонах точечных контактов между ребордами секторов кольца и направляющей картера. Но это предварительное напряжение со временем постепенно исчезает по причине износа реборд секторов кольца и картера в зонах контакта. Когда радиально предварительное напряжение равно нулю, реборды секторов кольца могут перемещаться в осевом направлении в канавке картера и посредством трения изнашивается верхняя и нижняя поверхности канавки картера.

Когда этот износ превышает заданное значение, реборды сектора кольца могут, перемещаясь к верху канавки, освободиться от органа закрепления, что выражается в повороте секторов кольца к оси турбины и в опасности контакта между секторами кольца и колесом турбины, способного вызвать разрушение секторов кольца и колеса.

Технической задачей настоящего изобретения является простое, эффективное и экономичное устранение указанного недостатка.

Согласно изобретению предлагается устройство фиксации секторов кольца вокруг колеса турбины в турбомашине, каждый сектор кольца содержит коническую стенку, на которой установлен блок из истираемого материала, закрепленный на внутренней поверхности и содержащей на своем верхнем конце круговую реборду, вставленную во внутреннюю радиальную кольцевую канавку кольцевой направляющей картера и удерживаемую радиально в этой канавке кольцевым органом закрепления с С-образным сечением, который вставлен в осевом направлении поверх направляющей картера и круговых реборд секторов кольца, устройство характеризуется тем, что каждый сектор кольца содержит на нижнем конце опорную деталь, установленную и закрепленную на конической стенке и на блоке из истираемого материала сектора кольца, причем деталь опирается в осевом направлении на неподвижный элемент турбины, что препятствует освобождению верхней реборды от стенки органа закрепления, при этом осевой зазор между опорной деталью и неподвижным элементом меньше, чем осевая опорная длина верхней реборды стенки.

Благодаря изобретению, опорная деталь, предусмотренная на нижнем конце каждого из секторов кольца, ограничивает возможный обратный ход верхней реборды сектора кольца в канавке направляющей картера и исключает освобождение этой реборды от органа закрепления.

Даже в случае значительного износа направляющей картера, сектора кольца удерживаются в осевом направлении сверху посредством опоры их верхних реборд на соответствующую поверхность направляющей картера и внизу посредством опоры опорной детали на неподвижный элемент турбины.

Опорная деталь преимущественно содержит средства, обеспечивающие возможность радиально опираться на неподвижный элемент.

Каждый сектор кольца удерживается, таким образом, в осевом направлении и в радиальном направлении на неподвижном элементе.

В соответствии с другой характеристикой изобретения, опорная деталь закреплена на нижнем конце стенки и блоке из истираемого материала посредством пайки или сварки.

С экономической точки зрения, является преимуществом, чтобы на секторе кольца была опорная деталь, так как это исключает необходимость изменения форм для изготовления этих секторов. Кроме того, устройство согласно изобретению позволяет прикреплять сектора кольца на направляющую картера независимо от износа последней.

Осевой зазор между опорной деталью и неподвижным элементом меньше осевой опорной длины верхней реборды сектора кольца на орган закрепления. Это позволяет гарантировать, что положение максимального обратного хода сектора кольца определено осевым упором опорной детали на неподвижный элемент турбины. Этот осевой зазор между опорной деталью и неподвижным элементом находится, например, в пределах от 0,3 до 1,2 мм.

В предпочтительном варианте реализации изобретения, опорная деталь имеет F-образное сечение и содержит две реборды на цилиндрической части, которые проходят вниз, одна из реборд закреплена на внутренней радиальной поверхности стенки сектора кольца и другая из реборд радиально опирается на внешнюю радиальную поверхность цилиндрической реборды неподвижного элемента.

Неподвижный элемент турбомашины преимущественно образован направляющим сопловым аппаратом турбины, расположенным ниже сектора кольца.

Изобретение также касается турбины турбомашины и такой турбомашины, как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащей, по меньшей мере, одно устройство, описанное выше.

Наконец изобретение касается сектора кольца для турбины турбомашины, содержащего коническую стенку, на которой установлен блок из истираемого материала, закрепленный на внутренней поверхности и которая содержит на верхнем конце реборду для прикрепления к картеру, характеризующемуся тем, что он содержит на нижнем конце опорную в осевом и радиальном направлении деталь, установленную и закрепленную на стенке и на блоке из истираемого материала сектора кольца.

Опорная деталь предпочтительно закреплена посредством сварки или пайки на блоке из истираемого материала и на нижнем конце стенки сектора кольца.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения, являющихся неограничительными со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает осевой разрез известного устройства фиксации секторов кольца;

фиг.2 - осевой разрез устройства фиксации секторов кольца, согласно изобретению.

Турбина 10 (фиг.1) содержит несколько ступеней, каждая из которых содержит направляющий сопловой аппарат 12, 13, образованный из кольцевого ряда неподвижных лопаток 14, закрепленных на картере 16 турбины, и колеса 18, установленного ниже направляющего соплового аппарата 12, 13 и вращающегося в строго конической оболочке, образованной секторами 20 кольца, установленными встык по окружности на картере 16 турбины.

Направляющие сопловые аппараты 12, 13 содержат внешние круговые стенки 22 и внутренние (не показаны), соответственно, которые ограничивают между ними кольцевой канал течения газа в турбину, и между которыми радиально проходят лопатки 14. Средства фиксации направляющих сопловых аппаратов содержат, по меньшей мере, одну внешнюю цилиндрическую реборду 24, направленную кверху и предназначенную для установки в кольцевой паз 26, направленный книзу картера 16.

Колеса 18 установлены на валу турбины (не показаны). Они содержат внешние 28 и внутренние (не показаны) ободы, соответственно, внешний обод 28 каждого колеса содержит внешние кольцевые ребра 30, окруженные снаружи с небольшим зазором секторами 20 кольца.

Каждый сектор 20 кольца содержит коническую стенку 32 и блок 34 из истираемого материала, закрепленный посредством пайки и/или сварки на внутренней радиальной поверхности стенки 32, этот блок 34 ячеистого типа предназначен для изнашивания посредством трения о ребра 30 колеса для минимизации радиальных зазоров между колесом и секторами 20 кольца.

Нижние концы секторов 20 кольца вставлены сверху в кольцевое пространство 36, ограниченное направленной кверху цилиндрической ребордой 38 внешней стенки 22 направляющего соплового аппарата 13, расположенного ниже секторов кольца, с одной стороны, и цилиндрической ребордой 39 картера, на котором установлен этот направляющий сопловой аппарат, с другой стороны.

Секторы 20 кольца радиально удерживаются посредством радиального упора нижних концов внешней части своих стенок 32 во внутреннюю радиальную цилиндрическую поверхность реборды 39 картера и посредством радиального упора внутренней части блоков 34 из истираемого материала на внешнюю радиальную цилиндрическую поверхность цилиндрической реборды 38 направляющего соплового аппарата.

Каждая из стенок 32 секторов кольца содержит на нижних концах лапку 40, проходящую в осевом направлении книзу и предназначенную для вставки в соответствующую полость 42 нижнего направляющего соплового аппарата 13, чтобы не допустить вращения секторов 20 кольца вокруг оси турбины.

Конические стенки 32 секторов 20 кольца содержат также на их верхних концах цилиндрические реборды 44, направленные кверху, которые вставлены с небольшим осевым зазором во внутреннюю кольцевую радиальную канавку 46 кольцевой направляющей 48 картера 16. Реборды 44 радиально удерживаются в канавке посредством органа 50 закрепления, образованного из разрезного кольца с С-образным сечением, вставленного поверх кольцевой направляющей 48 картера и верхних реборд 44 секторов кольца.

Орган 50 закрепления содержит два цилиндрических участка 52 и 54, проходящих книзу, радиальный внешний и радиальный внутренний, соответственно, которые соединены между собой верхними концами посредством радиальной стенки 56 и которые наложены, соответственно, на внешнюю радиальную цилиндрическую поверхность направляющей 48 и на круговые реборды 44 секторов 20 кольца.

В данном варианте выполнения осевому перемещению вверх органа 50 закрепления препятствует осевой упор его радиальной стенки 56 на радиальную кольцевую реборду 58 внешней стенки 22 направляющего соплового аппарата 12, расположенного выше секторов 20 кольца.

Радиус кривизны органа 50 закрепления и направляющей 48 меньше радиуса кривизны реборд 44 секторов 20 кольца, что позволяет установить с некоторым предварительным радиальным напряжением реборды 44 секторов кольца в канавку 46 направляющей, эти секторы кольца радиально локально упираются на дно канавки и на внутренний радиальный участок 54 органа закрепления, соответственно.

Во время работы реборды 44 секторы 20 кольца вибрируют в осевом направлении и подвергаются износу по причине трения по верхней и нижней поверхностям канавки 46 направляющей.

Когда нижняя поверхность канавки 46 очень изношена (показано пунктирными линиями 60), реборды 44 могут перемещаться вниз, скользя по внутреннему радиальному участку 54 органа закрепления, и освобождаться от органа закрепления, что может, в частности, повлечь за собой разрушение блоков 34 из истираемого материала секторов кольца, которые контактируют с кольцевыми ребрами 30 колеса 18.

Согласно изобретению предлагается простое решение этой проблемы, благодаря опорной детали, установленной и закрепленной на нижнем конце каждого сектора кольца.

В варианте реализации изобретения, показанном на фиг.2, опорная деталь 70 имеет F-образное сечение и содержит две реборды 72 и 74 на цилиндрическом участке, направленные книзу, радиально внешнюю и радиально внутреннюю, соответственно, которые соединены между собой на их верхних концах радиальной стенкой 76.

Радиально внешняя поверхность внешней реборды 72 приложена и закреплена посредством сварки или пайки на участке нижнего конца радиально внутренней поверхности стенки 32 сектора кольца, и радиальная стенка 76 приложена и закреплена посредством пайки или сварки на радиальной поверхности блока 34 из истираемого материала сектора 20 кольца.

Каждый сектор кольца радиально удерживается на нижнем конце посредством радиального упора внутренней реборды 74 детали 70 на цилиндрическую реборду 38 нижнего направляющего соплового аппарата, и посредством радиального упора его стенки 32 на радиально внутреннюю поверхность цилиндрической реборды 39 картера 16.

Секторы кольца удерживаются в осевом направлении на их верхних концах, как описано выше со ссылкой на фиг.1, и на их нижних концах посредством осевого упора низа радиальной стенки 76 детали на верхний конец цилиндрической реборды 38 нижнего направляющего соплового аппарата 13.

Радиальные стенки 76 опорных деталей 70 отделены от цилиндрической реборды 38 направляющего соплового аппарата 13 осевым зазором 78, который меньше осевой длины 80, на которой реборды 44 секторов кольца опираются на орган 50 закрепления, так что в случае значительного износа нижней поверхности канавки 46 направляющей, радиальные стенки 76 опорной детали 70 опираются в осевом направлении на цилиндрическую реборду 38 направляющего соплового аппарата и ограничивают возможный обратный ход реборд 44 секторов кольца в канавке, препятствуя их освобождению от органа 50 закрепления. Осевой зазор, например, находится в пределах от 0,3 до 1,2 мм.

Таким образом, пока направляющая 48 картера не изношена или изношена незначительно, сектора 20 кольца удерживаются в осевом направлении на картере 16, как описано выше со ссылкой на фиг.1, то есть, посредством осевого упора реборд 44 секторов кольца на соответственно верхнюю и нижнюю поверхности канавки 46 направляющей.

Когда поверхность канавки, направленная кверху, сильно изношена или даже полностью исчезла (показано пунктиром 82), секторы 20 кольца удерживаются в осевом направлении вниз посредством осевого упора радиальных стенок 76 опорных деталей 70 на цилиндрическую реборду 38 нижнего направляющего аппарата.

Опорная деталь 70 может быть установлена и закреплена на нижнем конце существующего сектора кольца известного устройства. Для этого достаточно удалить участок нижнего конца блока 34 из истираемого материала сектора кольца и закрепить на этом месте посредством пайки или сварки опорную в осевом и радиальном направлении опорную деталь 70.

В другом варианте воплощения, опорная деталь может содержать исключительно осевые средства упора на верхнюю реборду 38 направляющего соплового аппарата, секторы кольца радиально удерживаются внутренней частью их нижних концов посредством радиального упора блоков 34 на эту верхнюю реборду, как в предыдущем уровне техники.

Устройство фиксации секторов кольца вокруг колеса турбины в турбомашине, в котором каждый сектор кольца содержит коническую стенку, имеющую блок из истираемого материала, закрепленный на внутренней поверхности, содержащей на своем верхнем по потоку конце круговую реборду. Круговая реборда вставлена во внутреннюю радиальную кольцевую канавку кольцевой направляющей картера и удерживается радиально в этой канавке кольцевым органом закрепления С-образного сечения, вставленным в осевом направлении поверх направляющей картера и круговых реборд секторов кольца. Каждый сектор кольца содержит на нижнем по потоку конце опорную деталь, установленную и закрепленную на конической стенке и на блоке из истираемого материала сектора кольца. Опорная деталь выполнена с возможностью опоры в осевом направлении на неподвижный элемент турбины, чтобы препятствовать освобождению реборды стенки от органа закрепления. Осевой зазор между опорной деталью и неподвижным элементом меньше, чем осевая длина реборды стенки вдоль органа закрепления. Другие изобретения группы относятся к турбомашине и турбине турбомашины, содержащим указанное выше устройство фиксации секторов кольца. Еще одно изобретение группы относится к сектору кольца для турбины турбомашины, содержащему коническую стенку с блоком из истираемого материала, закрепленным на ее внутренней поверхности. Коническая стенка содержит на своем верхнем по потоку конце реборду для прикрепления к картеру, а на нижнем по потоку конце - опорную в осевом и радиальном направлении опорную деталь, установленную и закрепленную на стенке и на блоке из истираемого материала сектора кольца. Изобретения позволяют повысить надежность устройства фиксации за счет исключения возможности отсоединения секторов кольца. 4 н. и 7 з.п. ф-лы.

1. Устройство фиксации секторов (20) кольца вокруг колеса (18) турбины в турбомашине, где каждый сектор (20) кольца содержит коническую стенку (32), имеющую блок (34) из истираемого материала, закрепленный на внутренней поверхности, и которая содержит на своем верхнем по потоку конце круговую реборду (44), вставленную во внутреннюю радиальную кольцевую канавку кольцевой направляющей (48) картера и удерживаемую радиально в этой канавке кольцевым органом (50) закрепления С-образного сечения, который вставлен в осевом направлении поверх направляющей картера и круговых реборд секторов кольца, отличающееся тем, что каждый сектор (20) кольца содержит на нижнем по потоку конце опорную деталь (70), установленную и закрепленную на конической стенке (32) и на блоке из истираемого материала сектора кольца, причем опорная деталь выполнена с возможностью опоры в осевом направлении на неподвижный элемент турбины, чтобы препятствовать освобождению реборды (44) стенки (32) от органа (50) закрепления, осевой зазор (78) между опорной деталью (70) и неподвижным элементом меньше, чем осевая длина (80) реборды (44) стенки (32) вдоль органа (50) закрепления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорная деталь (70) содержит средства, установленные с возможностью радиальной опоры на неподвижный элемент.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорная деталь (70) закреплена на нижнем по потоку конце стенки (32) и на блоке из истираемого материала посредством пайки или сварки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осевой зазор (78) между опорной деталью (70) и неподвижным элементом находится в пределах от около 0,3 до 1,2 мм.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорная деталь (70) имеет F-образное сечение.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что опорная деталь (70) содержит две реборды (72, 74) на цилиндрической части, которые проходят вниз по потоку, причем одна из реборд (72) закреплена на внутренней радиальной поверхности стенки (32) сектора (20) кольца, а другая из реборд (74) радиально опирается на внешнюю радиальную поверхность цилиндрической реборды (38) неподвижного элемента.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что неподвижный элемент является частью направляющего соплового аппарата (13) турбины.

8. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно устройство по п.1.

9. Сектор (20) кольца для турбины турбомашины, содержащий коническую стенку (32), на которой установлен блок (34) из истираемого материала, закрепленный на внутренней поверхности, и которая содержит на своем верхнем по потоку конце реборду (44) для прикрепления к картеру (16), отличающийся тем, что содержит на нижнем по потоку конце опорную в осевом и радиальном направлении опорную деталь (70), установленную и закрепленную на стенке (32) и на блоке из истираемого материала сектора кольца.

10. Сектор (20) по п.9, отличающийся тем, что опорная деталь (70) закреплена посредством сварки или пайки на блоке из истираемого материала и на нижнем по потоку конце стенки (32) сектора кольца.

11. Турбина турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно устройство по п.1.