ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА И СПОСОБ СБОРКИ РОТОРА ТУРБИНЫ, СОДЕРЖАЩЕГО ТАКУЮ ЛОПАТКУ Российский патент 2014 года по МПК F01D5/22 F01D11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к турбинной лопатке и, в частности, к турбинной лопатке, включающей в себя карман для размещения подвижного уплотнения.

Уровень техники

Известно, что газотурбинные двигатели (ГТД) включают в себя одну или несколько ступеней роторов турбины, установленных на приводном валу. Каждый ротор турбины включает в себя множество турбинных лопаток, установленных по окружности вокруг ротора турбины. ГТД воспламеняет топливовоздушную смесь для создания потока высокотемпературного сжатого газа через турбинные лопатки, который вынуждает турбинные лопатки вращать ротор турбины. Вращательная энергия от каждого ротора турбины передается на приводной вал для передачи мощности, например, генератору, компрессору или насосу.

Турбинная лопатка обычно включает в себя хвостовик и перо. Известно, что перо и хвостовик продолжаются от противоположных сторон полки турбинной лопатки. Известно, что ротор турбины включает в себя паз для размещения каждой турбинной лопатки. Форма каждого паза подобна форме хвостовика каждой соответствующей турбинной лопатки. При установке турбинных лопаток на роторе турбины между турбинными полками и/или под турбинными полками соседних турбинных лопаток образуется зазор. Поток высокотемпературного сжатого газа между зазорами соседних полок турбинных лопаток может стать причиной появления усталостной нагрузки на турбинные лопатки или их выхода из строя в результате воздействия излишнего тепла и/или вибрации.

Известны различные системы регулирования потока сжатого газа вокруг турбинных лопаток. Например, известно использование подвижного элемента для перекрывания зазора между соседними турбинными лопатками. Когда ротор турбины не вращается, положение подвижного элемента определяется силой тяжести. Однако при вращении ротора турбины подвижный элемент перемещается радиально наружу под действием центробежной силы для перекрывания зазора между соседними лопатками. Несмотря на то, что подвижные элементы могут регулировать поток сжатого газа, существующие системы с трудом поддаются сборке и/или требуют излишнего пространства.

Пример системы, включающий в себя подвижный валик между лопатками ротора, описан в US 7104758 и содержит ротор, включающий в себя множество роторных лопаток. Каждая роторная лопатка включает в себя ножку лопатки, перо лопатки и крышку. Между каждой крышкой образуется зазор, когда лопатки ротора собираются на роторе. Карманы образуются с двух сторон каждой крышки, так что соседние лопатки образуют полость из двух противолежащих карманов для размещения подвижного валика. В данном патенте указывается, что полость перекрывает зазор между смежными крышками и имеет каплевидную форму. При вращении турбины валик будет перемещаться радиально наружу под действием центробежной силы и заклиниваться между стенками двух противолежащих карманов для перекрывания зазора и уменьшения вибраций.

Несмотря на то, что система, описываемая в указанном патенте, использует валик для заполнения зазора между крышками соседних турбинных лопаток, она имеет некоторые недостатки. Например, в конструкции полости, имеющей каплевидную форму, неэффективно удалено больше материала, чем это необходимо для размещения и направления подвижного валика. Неэффективное удаление материала для образования полости каплевидной формы может оказывать отрицательное воздействие на конструкцию крышки, ослаблять целостность конструкции крышки и/или потребовать увеличения толщины крышки для размещения удаленного материала.

Настоящее изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что обеспечивается целостность конструкции крышки без увеличения ее толщины.

Сущность изобретения

По первому аспекту настоящее изобретение относится к турбинной лопатке, которая включает перо, продолжающееся от первой поверхности турбинной полк, карман с первой стороны турбинной полки, предназначенный для полного размещения первого подвижного уплотнения между передней стенкой кармана с первой стороны и задней стенкой кармана с первой стороны, при этом карман с первой стороны включает в себя выпуклую поверхность, расположенную между передней стенкой и задней стенкой, и вогнутую поверхность и карман со второй стороны турбинной лопатки, предназначенный для размещения части второго подвижного уплотнения.

Согласно другим аспектам настоящее изобретение относится к турбинной лопатке по первому аспекту, в которой

- выпуклая поверхность расположена между вогнутой поверхностью и плоской поверхностью, при этом выпуклая поверхность является переходной поверхностью от вогнутой поверхности к плоской поверхности.

- карман со второй стороны включает в себя вогнутую поверхность (124), продолжающуюся между передней стенкой (102) и задней стенкой (104) кармана со второй стороны.

- вогнутая поверхность кармана с первой стороны включает в себя нижнюю поверхность (82), которая является ступенчатой и включает в себя переднюю полку (88), отделенную от задней полки (90) зазором.

- турбинная полка дополнительно включает в себя полость (72) с первой стороны, по меньшей мере, частично продолжающуюся ниже зазора в нижней поверхности кармана с первой стороны.

- полость с первой стороны продолжается глубже в турбинной полке относительно первой стороны полки, чем карман с первой стороны.

- карман с первой стороны является карманом корытца, и карман со второй стороны является карманом спинки.

По второму аспекту настоящее изобретение относится к способу сборки ротора турбины, включающему в себя установку первой турбинной лопатки в ротор турбины, размещение подвижного уплотнения полностью в боковом кармане первой турбинной лопатки, установку со скольжением второй турбинной лопатки в ротор турбины за подвижным уплотнением в направлении, по существу, параллельном оси вращения ротора турбины, и установку демпфера рядом с первой турбинной лопаткой.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к способу по второму аспекту, в котором установка первой турбинной лопатки в ротор турбины включает в себя перемещение со скольжением первой турбинной лопатки к ротору турбины.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематичный вид ГТД, установленного на неподвижной опорной конструкции;

Фиг.2 - вид в частичном разрезе ротора турбины ГТД по Фиг.1;

Фиг.3 - схематичный вид турбинной лопатки;

Фиг.4 - вид сбоку на корытце турбинной лопатки по Фиг.3;

Фиг.5 - вид сбоку на спинку турбинной лопатки по Фиг.3;

Фиг.6 - увеличенный вид в разрезе участка по Фиг.2, очерченного окружностью;

Фиг.7 - схематичный вид турбинной лопатки по Фиг.3, установленной на роторе турбины, с демпфером, расположенным рядом с турбинной лопаткой.

Подробное описание

На Фиг.1 показан ГТД 10, установленный на неподвижной опорной конструкции 12. ГТД имеет несколько отсеков, например отсек 14 компрессора, отсек 16 камеры сгорания и отсек 18 турбины. ГТД 10 также содержит воздухопровод 20 воздухозаборника, закрепленный к отсеку 14 компрессора, и выхлопной коллектор 22, закрепленный к отсеку 18 турбины.

Во время работы ГТД 10 отсек 14 компрессора забирает воздух в ГТД 10 через воздухопровод 20 воздухозаборника и сжимает воздух перед его входом в отсек 16 камеры сгорания. Сжатый воздух из отсека 14 компрессора смешивается с топливом, и топливовоздушная смесь воспламеняется в отсеке 16 камеры сгорания. Газообразные продукты сгорания высокого давления, вырабатываемые отсеком 16 камеры сгорания, направляются через отсек 18 турбины для вращения одного или нескольких роторов 24 турбины (один из которых показан на Фиг.2), установленных на приводном валу 26. После прохождения через отсек 18 турбины газообразные продукты сгорания высокого давления, вырабатываемые отсеком 16 камеры сгорания, направляются в выхлопной коллектор 22 перед выбросом в атмосферу. Воздухопровод 20 воздухозаборника, отсек 14 компрессора, отсек 16 камеры сгорания, отсек 18 турбины и выхлопной коллектор 22 центрированы по продольной оси 28 ГТД 10.

Ротор 24 турбины вращает приводной вал 26, который передает мощность к нагрузке (не показано), например, генератору, компрессору или насосу. На приводном валу 26 по продольной оси 28 установлено соосно несколько роторов 24 турбины. Например, отсек 18 турбины включает в себя множество ступеней турбины. Каждый ротор 24 турбины установлен на общем приводном валу 26, или каждый ротор 24 турбины установлен на отдельных соосных приводных валах.

Как показано на Фиг.2, ротор 24 турбины содержит множество турбинных лопаток 30. Каждая турбинная лопатка 30 включает в себя перо 32, продолжающееся от турбинной полки 34. Кроме того, каждая турбинная лопатка 30 включает в себя хвостовик 36, продолжающийся от турбинной полки 34. Хвостовик 36 имеет форму, включающую в себя группу выступов, расположенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении, для размещения в аналогичном по форме пазе ротора 24 турбины. Как показано на Фиг.2, хвостовик 36 имеет форму «елочного» типа. Ротор 24 турбины включает в себя множество пазов для размещения турбинных лопаток 20, например, первый паз 38 и второй паз 39. В каждый из пазов 38, 39, можно со скольжением установить соответствующий хвостовик 36 турбинной лопатки 30. Первый и второй пазы 38, 39 могут быть расположены вдоль периферийного наружного края 142 ротора 24 турбины для установки каждой турбинной лопатки 30. Каждая турбинная лопатка 30 расположена вдоль соответствующей радиальной оси 40.

Каждый паз (например, первый и второй пазы 38, 39) ротора 24 турбины может быть расположен под углом. Т.е. каждый паз, продолжающийся поперек периферийной наружной кромки 142 от передней поверхности ротора 24 турбины к задней поверхности ротора 24 турбины, может быть наклонен в окружном направлении. Например, угол каждого из пазов ротора 24 турбины может быть наклонен в окружном направлении в пределах от нуля до 25 градусов. Другими словами, нулевой угол первого паза 38 выровнен относительно линии, параллельной продольной оси 28, а угол наклона, отличающийся от нулевого угла (например, 20 градусов), наклонен относительно линии, параллельной продольной оси 28. В варианте выполнения первый паз 38 наклонен на угол 12 градусов. Каждая турбинная лопатка 30 имеет угол, согласующийся с углом соответствующего паза в роторе 24 турбины. Т.е. хвостовик 36 турбинной лопатки 30 наклонен относительно передней поверхности 37 хвостовика 36 (см. Фиг.3) для согласования с углом соответствующего паза (например, первого паза 38) ротора 24 турбины. Таким образом, каждая турбинная лопатка 30 может входить со скольжением в соответствующий паз (например, первый паз 38) ротора 24 турбины в направлении, по существу, параллельном продольной оси 28, но под углом от передней поверхности ротора 24 турбины к задней поверхности ротора 24 турбины в окружном направлении (например, 0-25 градусов). Несмотря на то, что на Фиг.2 показаны только две турбинные лопатки 30 и два соответствующих паза 38, 39, может быть использовано любое количество турбинных лопаток 30, достаточное для передачи требуемой мощности к нагрузке.

Как показано на Фиг.3, перо 32 турбинной лопатки 30 продолжается от верхней поверхности 44 турбинной полки 34. Перо 32 имеет выпуклую поверхность 46 спинки и вогнутую поверхность 50 корытца. Газообразные продукты высокого давления проходят в направлении, указанном стрелкой 54, и воздействуют на переднюю часть 56 турбинной лопатки 30. Турбинная лопатка 30 имеет заднюю часть 58 с противоположной стороны от передней части 56. Таким образом, поток газообразных продуктов высокого давления сначала проходит переднюю часть 56 и затем заднюю часть 58 турбинной лопатки 30. При соударении потока газообразных продуктов высокого давления с турбинной лопаткой 30 аэродинамическая форма пера 32, образованная поверхностью 46 спинки и поверхностью 50 корытца, вызывает вращение ротора 24 турбины в направлении, показанном стрелкой 42 (см. Фиг.2).

Хвостовик 36 направлен вниз от нижней поверхности 60 турбинной полки 34. Несмотря на то, что в варианте выполнения хвостовика 36 на Фиг.3 как на стороне спинки 48, так и на стороне корытца 50, показаны закругленные «ветки» елочного типа, для крепления хвостовика 36 в соответствующем пазе 38, 39 ротора 24 турбины может быть применена любая форма. На задней стороне ротора 24 турбины установлено заднее уплотнение обода (не показано) для закрывания участка пазов 38, 39 с целью ограничения осевого перемещения каждой турбинной лопатки 30. Аналогичным образом на передней стороне ротора 24 турбины установлено переднее уплотнение обода (не показано) для закрывания участка пазов 38, 39 с целью ограничения осевого перемещения каждой турбинной лопатки 30. Переднее и заднее уплотнения обода могут быть закреплены к ротору 24 турбины с помощью любого крепежного элемента, достаточного для ограничения осевого перемещения турбинных лопаток 30, например, один или несколько болтов (не показано).

Турбинная лопатка 30 включает в себя множество каналов 62 выходящего потока для отвода охлаждающего воздуха из турбинной лопатки 30. Помимо каналов 62 выходящего потока турбинная лопатка 30 также включает в себя один или несколько каналов входящего потока (не показано), например в концевой части хвостовика 36, для поступления охлаждающего воздуха в турбинную лопатку 30. Каналы входящего потока могут быть соединены с каналами 62 выходящего потока через внутренние линии движения потока (не показано) для охлаждения турбинной лопатки 30.

Турбина полка 34 включает в себя ступенчатую поверхность 64 спинки на стороне спинки 48 и ступенчатую поверхность 66 корытца на стороне корытца 52. Ступенчатая поверхность 64 спинки и ступенчатая поверхность 66 корытца наклонены относительно радиальной оси 40. Кроме того, ступенчатая поверхность 64 спинки включает в себя полость 68 спинки (наиболее наглядно показано на Фиг.5), продолжающуюся в турбинную полку и верхний участок 70 хвостовика 36. Аналогичным образом, ступенчатая поверхность 66 корытца включает в себя полость 72 корытца (наиболее наглядно показано на Фиг.4), продолжающуюся в турбинную полку 64 и верхний участок 70 хвостовика 36. Полость 68 спинки и полость 72 корытца могут быть образованы в турбинной лопатке 30 для уменьшения массы турбинной лопатки 30.

Как показано на Фиг.4, ступенчатая поверхность 66 корытца включает в себя карман 74 корытца, продолжающийся поперек верхнего участка 76 полости 72 корытца. Карман 74 корытца включает в себя продольное отверстие в ступенчатой поверхности 66 корытца, образованное передней стенкой 78, задней стенкой 80, нижней поверхностью 82 и верхней поверхностью 84, для размещения подвижного элемента, например, подвижного уплотнения. Предполагается, что подвижное уплотнение может быть валиковым уплотнением (см. Фиг.3). Передняя стенка 78 и задняя стенка 80 кармана 74 корытца могут быть закруглены для ограничения перемещения концов валикового уплотнения 86 в кармане 74 корытца. Нижняя поверхность 82 кармана 74 корытца включает в себя переднюю полку 88 рядом с передней стенкой 78 и заднюю полку 90 рядом с задней стенкой 80, так чтобы нижняя поверхность 82 кармана 74 корытца была ступенчатой и включала в себя зазор между передней полкой 88 и задней полкой 90, открытый в нижний участок 92 полости 72 корытца. Как наиболее наглядно показано на Фиг.4, карман 74 корытца может быть шире (т.е. в осевом направлении) полости 72 корытца. Как наиболее наглядно показано на Фиг.2, полость 72 корытца продолжается глубже внутрь ступенчатой поверхности 66 корытца турбинной полки 34, чем карман 74 корытца. Поскольку глубина полости 72 корытца может образовывать значительную выступающую часть для турбинной полки 34 на корытце 52, полость 72 корытца включает в себя опору 94 полости корытца, расположенную на внутренней стенке 96 полости 72 корытца. Опора 94 полости корытца может быть вытянута и сходить на конус от внутренней стенки 96 полости 72 корытца к верхней поверхности кармана 74 корытца для способствования поддержке выступающей части турбинной полки 34 (наиболее наглядно показано на Фиг.6).

Как показано на Фиг.5, ступенчатая поверхность 64 спинки включает в себя карман 98 спинки, продолжающийся поперек верхнего участка 100 полости 68 спинки. Карман 98 спинки включает в себя отверстие в турбинной полке 34, образованное передней стенкой 102, задней стенкой 104, нижней поверхностью 106 и верхней поверхностью 108, для, по меньшей мере, частичного размещения валикового уплотнения 86. Передняя стенка 102 и задняя стенка 104 кармана 98 стенки могут быть закруглены для ограничения обязательного перемещения концов валикового уплотнения 86 в кармане 98 спинки. Аналогично нижней поверхности 82 кармана 74 корытца нижняя поверхность 106 кармана 98 спинки включает в себя переднюю полку 110 рядом с передней стенкой 102 и заднюю полку 112 рядом с задней стенкой 101, так чтобы нижняя поверхность 106 кармана 98 полки могла быть ступенчатой и включала в себя зазор между передней полкой 110 и задней полкой 112, который открыт в нижний участок 114 полости 68 полки. В отличие от полости 72 корытца полость 68 стенки не может быть достаточно углублена в турбинную лопатку 30 для образования длинной выступающей части для турбинной полки 34 на корытце 48. Полость 68 полки включает в себя опору 115, продолжающуюся от внутренней стенки 117 полости 68 полки, которая не может быть такой же длинной, как опора 94 полости корытца.

Как показано на Фиг.2 и более детально на Фиг.6, первая турбинная лопатка 116 расположена на роторе 24 турбины рядом со второй турбинной лопаткой 118. Поскольку как первая турбинная лопатка 116, так и вторая турбинная лопатка 118 могут включать в себя карман 74 корытца и карман 98 полки, в приведенном ниже описании будет делаться ссылка на взаимное расположение кармана 74 корытца первой турбинной лопатки 116 и кармана 98 спинки второй турбинной лопатки 118. При сборке на роторе 24 турбины карман 74 корытца обращен к противолежащему карману 98 спинки для образования уплотнительной камеры 120. Кроме того, ступенчатая поверхность 64 спинки отделена от противолежащей ступенчатой поверхности 66 корытца зазором 122.

Как наиболее наглядно показано на Фиг.6, карман 74 корытца имеет форму, которая отличается от формы кармана 98 спинки. В частности, карман 74 корытца включает в себя форму сечения, которая отличается от геометрии сечения кармана 98 спинки. Например, карман 98 спинки включает в себя внутреннюю поверхность 124, имеющую вогнутое сечение. В некоторых вариантах выполнения внутренняя поверхность 124 кармана 98 спинки может иметь полностью вогнутое сечение. В отличие от кармана 98 спинки карман 74 корытца включает в себя внутреннюю поверхность 126, имеющую более сложное сечение, включающее в себя вогнутую поверхность 128, выпуклую поверхность 130 и плоскую поверхность 132. Карман 74 корытца также может быть больше углублен в турбинную полку 34, чем карман 98 спинки. Карман 74 корытца может, например, продолжаться достаточно далеко в турбинную полку 34, чтобы валиковое уплотнение 86 можно было полностью, разместить внутри кармана 74 корытца. Другими словами, валиковое уплотнение 86 имеет максимальный наружный диаметр, меньший, чем расстояние между наиболее глубоким участком кармана 74 корытца первой турбинной лопатки 116 турбины и плоскостью, продолжающейся вдоль ступенчатой поверхности 64 спинки второй турбинной лопатки 118. То есть валиковое уплотнение 86 продолжается немного за ступенчатую поверхность 66 корытца первой турбинной лопатки 116, будучи, по существу, полностью размещенным внутри кармана 74 корытца, например, под действием силы тяжести. Кроме того, валиковое уплотнение 86, помещенное в карман 74 корытца, который не продолжается за ступенчатую поверхность 66 корытца, также может образовывать валиковое уплотнение, которое помещается, по существу, полностью в карман 74 корытца, несмотря на то, что валиковое уплотнение 86 может быть полностью помещено внутри кармана 74 корытца. Даже когда валиковое уплотнение 86 продолжается за ступенчатую поверхность 66 корытца первой турбинной лопатки 116, валиковое уплотнение 86 не продолжается достаточно далеко за ступенчатую поверхность 66 корытца первой турбинной лопатки 116 и не препятствует сборке второй турбинной лопатки 118. Тем самым, при таких условиях, валиковое уплотнение 86 может быть достаточно углублено в карман 74 корытца для обеспечения зазора с целью скольжения второй турбинной лопатки во втором пазе 39.

Также предполагается, что валиковое уплотнение 86 может быть целиком помещено в карман 74 корытца (как показано пунктиром на Фиг.6). То есть максимальный наружный диаметр валикового уплотнения 86 может быть меньше расстояния между наиболее глубоким участком кармана 74 корытца и плоскостью, продолжающейся вдоль ступенчатой поверхности 66 корытца. Несмотря на то, что объяснения приводятся только для одного валикового уплотнения 86 ротора 24 турбины (как показано на Фиг.2 и 6), предполагается, что валиковое уплотнение 86 может быть расположено между каждыми смежными турбинными лопатками 30 ступени турбины. Например, первая ступень турбины, включающая в себя восемьдесят восемь турбинных лопаток 30, включает в себя восемьдесят восемь валиковых уплотнений 86.

Для обеспечения достаточной глубины кармана 74 корытца с целью прохождения второй турбинной лопатки 118 за валиковое уплотнение 86 во время сборки, поперечное сечение кармана 74 корытца включает в себя вогнутую поверхность 128, выпуклую поверхность 130 и плоскую поверхность 132. Карман 74 корытца включает в себя эту сложную форму для обеспечения размещения валикового уплотнения 86 в кармане 74 корытца при одновременном сохранении компактной конструкции и достаточной конструкционной целостности турбинной полки 34. Предполагается, что сечение кармана 74 корытца, включающее в себя выпуклую поверхность 130 (как наиболее наглядно показано на Фиг.6), может увеличить количество материала между верхней поверхностью 44 турбинной полки 34 и верхней поверхностью 84 кармана 74 корытца по сравнению с конструкцией кармана корытца, имеющей только вогнутое сечение. Т.е. в конструкции кармана корытца, которая является только вогнутой, излишнее количество материала в непосредственной близости от верхней поверхности турбинной полки может быть удалено для образования кармана корытца, который может чрезмерно ослабить турбинную полку 34. Во избежание ослабления полки лопатки турбины такая конструкция кармана корытца, являющаяся только вогнутой, может быть занижена относительно верхней поверхности турбинной полки, тем самым увеличивая толщину турбинной полки для обеспечения достаточной конструкционной целостности турбинной полки 34. Однако увеличение толщины турбинной полки может быть нежелательным. В отличие от этого, сложная форма сечения кармана 74 корытца, включающая в себя выпуклую поверхность 130 и плоскую поверхность 132 для направления валикового уплотнения 86, может обеспечить достаточное количество материала между верхней поверхностью 44 и карманом 74 корытца для достаточной поддержки турбинной полки 34 при одновременном сохранении относительно толстой (т.е. в радиальном направлении) турбинной полки 34.

Выпуклая поверхность 130 и плоская поверхность 132 в кармане 74 корытца могут продолжаться в осевом направлении от передней стенки 78 кармана 74 корытца до задней стенки 80 кармана 74 корытца. Выпуклая поверхность 130 может служить в качестве перехода между вогнутой поверхностью 128 и плоской поверхностью 132. В отличие от выпуклой поверхности 130 и плоской поверхности 132 вогнутая поверхность 128 может ступенчато продолжаться между передней стенкой 78 кармана 74 корытца и задней стенкой 80 кармана 74 корытца. Т.е. вогнутая поверхность 128 может быть образована двумя вогнутыми поверхностями, расположенными на расстоянии друг от друга за счет полости 72 кармана.

Вогнутая поверхность 128 включает в себя центр 134 радиуса, расположенный внутри кармана 74 корытца, и выпуклая поверхность 130 включает в себя центр радиуса 136, расположенный снаружи кармана 74 корытца. Предполагается, что радиус вогнутой поверхности 128 может быть схож с радиусом выпуклой поверхности 130. В варианте выполнения радиус вогнутой поверхности 128 может составлять примерно 1,4 мм, и радиус выпуклой поверхности 130 может составлять примерно 1,27 мм. Однако, поскольку размеры турбинной лопатки 30 могут варьироваться (например, разные ступени турбины могут иметь турбинные лопатки 30 различных размеров), радиус вогнутой поверхности 128 и радиус выпуклой поверхности 130 могут иметь любой размер, достаточный для поддержки турбинной полки 34, размещения валикового уплотнения 86 и направления валикового уплотнения 86 в уплотнительный зазор 122. Плоская поверхность 132 в кармане 74 корытца продолжается радиально наружу от выпуклой поверхности 130 к зазору 122 для направления валикового уплотнения 86 по стрелке 138.

Валиковое уплотнение 86 может иметь, по существу, круглое сечение и продолжаться в продольном направлении в кармане 74 корытца. В примерном варианте выполнения валиковое уплотнение 86 может иметь максимальный диаметр примерно 2,36 мм. Однако, поскольку размеры турбинной лопатки 30 могут варьироваться, валиковое уплотнение 86 может иметь любой диаметр, достаточный для прохождения соседней турбинной лопатки 30 во время сборки и регулирования поступления газообразных продуктов высокого давления через зазор 122. Валиковое уплотнение 86 может быть закруглено с каждого из двух концов (наиболее наглядно показано на Фиг.7), например, для уменьшения трения о передние стенки 78, 102 и задние стенки 80, 104 во время промежуточного перемещения из первого положения (показано пунктиром на Фиг.6) во второе положение (показано жирной линией на Фиг.6).

Предполагается, что форма кармана 74 корытца и кармана 98 спинки может быть реверсивной, так чтобы карман 98 спинки мог включать в себя описанную выше сложную форму со ссылкой на карман 74 корытца, и карман 74 корытца мог включать себя описанную выше менее сложную форму со ссылкой на карман 98 спинки. Другими словами, карман 98 спинки имеет себя форму, включающую в себя вогнутую поверхность 128, выпуклую поверхность 130 и плоскую поверхность 132, в то время как карман 74 корытца имеет форму, включающую в себя внутреннюю поверхность 124. Таким образом, в реверсивной конфигурации геометрии карманов валиковое уплотнение 86 может быть помещено, по существу, полностью в карман 98 спинки, например, во время сборки ротора турбины в сборе.

Турбинная лопатка 30 может быть изготовлена с помощью литья. В частности, карман 74 корытца и карман 98 стенки могут быть изготовлены с помощью литья для образования их конкретных геометрических форм. Однако предполагается, что может использоваться любой процесс изготовления, достаточный для образования геометрических форм турбинной лопатки 30. Например, вместо литья или совместно с литьем может быть использована механическая обработка, позволяющая обеспечить более точные допуски. Как будет описано ниже, использование демпфера 140 может создать зону положительного давления ниже турбинных полок 34 соседних турбинных лопаток, которое может способствовать валиковому уплотнению 86 в регулировании прохождения газообразных продуктов высокого давления через зазор 122. С помощью демпфера 140, способствующего регулированию прохождения газообразных продуктов высокого давления через зазор 122, можно уменьшить допуски, требующиеся для надлежащего функционирования валикового уплотнения 86, тем самым обеспечивая применение более экономичных процессов изготовления (например, литья).

Как показано на Фиг.7, демпфер 140 может быть расположен между соседними турбинными лопатками 30 для регулирования прохождения газообразных продуктов высокого давления. Демпфер 140 продолжается от периферийного наружного края 142 ротора 24 турбины в камеру 144 демпфера (наиболее наглядно показано на Фиг.2). То есть камера 144 демпфера может образовывать пространство между соседними турбинными лопатками 130, которое находится, по существу, ниже турбинных полок 34 соседних турбинных лопаток 30. Демпфер 140 включает в себя переднюю стенку 146, расположенную рядом с передней частью 56 хвостовика 36, и заднюю стенку 148, расположенную рядом с задней частью 58 хвостовика 36. Демпфер не может уплотнять переднюю часть камеры 144 демпфера вблизи передней стенки 146 демпфера, но может уплотнять заднюю часть камеры 144 демпфера вблизи задней стенки 148 демпфера 140. Кроме того, демпфер 140 включает в себя центральную стенку 150 продолжающуюся в продольном направлении между передней стенкой 146 и задней стенкой 148.

Промышленная применимость

Описанная турбинная лопатка может применяться в любой системе для получения вращательной мощности, например, в ГТД. Описанная турбинная лопатка может регулировать поток газообразных продуктов высокого давления с помощью подвижного элемента, помещенного в полость, образованную между соседними полками турбинных лопаток. Ниже будет описан процесс сборки турбинных лопаток 30 и ротора 24 турбины и функционирование турбинной лопатки 30.

Перед установкой турбинных лопаток 30 на ротор 24 турбины заднее уплотнение обода (не показано) может быть закреплено к задней поверхности ротора 24 турбины для ограничения заднего перемещения турбинных лопаток 30, например, во время сборки и во время эксплуатации ГТД 10. Затем первая турбинная лопатка 116 может быть со скольжением установлена в первый паз 38 ротора 24 турбины. Далее демпфер 140 может быть расположен на периферийном наружном крае 142 ротора 24 турбины рядом с первой лопаткой 116 турбины. Задняя стенка 148 демпфера 140 может быть расположена сзади первой турбинной лопатки 116.

Валиковое уплотнение 86 установлено в карман 74 первой турбинной лопатки 116 либо до, либо после установки со скольжением первой турбинной лопатки 116 в первый паз 38. Когда ГТД 10 находится в нерабочем состоянии (т.е. ротор 24 турбины не вращается), валиковое уплотнение 86 может быть достаточно утоплено в карман 74 корытца под действием силы тяжести для обеспечения зазора с целью установки второй турбинной лопатки 118 со скольжением во второй паз 39 за валиковым уплотнением 86.

После установки первой турбинной лопатки 116 на ротор 24 турбины и размещения валикового уплотнения 86 в кармане 74 корытца вторая турбинная лопатка 118 может быть со скольжением установлена рядом с первой лопаткой 118 во второй паз 39 ротора 24 турбины. Кроме того, вторая турбинная лопатка 118 может быть со скольжением установлена на ротор 24 турбины в направлении, по существу параллельном оси вращения (т.е. продольной оси 28) ротора 24 турбины, рядом с первой турбинной лопаткой 116 без препятствования валикового уплотнения 86, помещенного, по существу, полностью в карман 74 корытца первой турбинной лопатки 116 или полностью в карман 74 корытца первой турбинной лопатки 116. Т.е. вторая турбинная лопатка 118 может быть вставлена со скольжением во второй паз 39, по существу, в направлении, параллельном продольной оси 28, но может быть наклонена по оси под углом протягивания второго паза 39. Также предполагается, что демпфер 140 может быть расположен на периферийном наружном крае 142 ротора 24 турбины рядом с первой турбинной лопаткой 116 перед установкой второй турбинной лопатки 118 на ротор 24 турбины. Сборка дополнительных турбинных лопаток 30, валиковых уплотнений 86 и демпферов 140 может выполняться по окружности ротора 24 турбины.

После установки со скольжением всех турбинных лопаток 30 на ротор 24 турбины переднее уплотнение обода (не показано) может быть закреплено к передней поверхности ротора 24 турбины для ограничения переднего перемещения турбинных лопаток 30. Предполагается, что валиковое уплотнение 86 может использоваться между смежными турбинными лопатками 30 любых ступеней турбины ГТД 10. В варианте выполнения валиковое уплотнение 86 может быть использовано между соседними турбинными лопатками 30 во всех ступенях турбины. Как вариант, валиковое уплотнение 86 может быть использовано между соседними турбинными лопатками 30 только на первой ступени ГТД 10.

После сборки ротора 24 турбины и во время эксплуатации ГТД 10 валиковое уплотнение 86 может перемещаться под действием центробежной силы в направлении, указанном стрелкой 138, из первого положения (например, обозначенного пунктиром на Фиг.6), направляемое вогнутой поверхностью 128, выпуклой поверхностью 130 и плоской поверхностью 132 в кармане 74 корытца, во второе положение (например, обозначенное жирной линией на Фиг.6), зажимаемое между плоской поверхностью 132 и внутренней поверхностью 124 кармана 98 спинки. В первом положении валиковое уплотнение 86 может быть расположено, по существу, полностью в кармане 74 корытца и полностью снаружи кармана спинки. Во втором положении валиковое уплотнение 86 может перекрывать зазор 122, частично находясь в кармане 74 корытца и частично в кармане 98 спинки.

Во время перемещения из первого положения во второе положение, по меньшей мере, большая часть длины (т.е. в осевом направлении) валикового уплотнения 86 может контактировать с выпуклой поверхностью 130 и плоской поверхностью 132. Т.е. поскольку выпуклая поверхность 130 и плоская поверхность 132 непрерывно продолжается между передней стенкой 78 и задней стенкой 80 кармана 74 корытца, большая часть длины валикового уплотнения 86 контактирует с выпуклой поверхностью 130 и плоской поверхностью 132, когда валиковое уплотнение 86 перемещается из первого положения во второе положение. В отличие от этого валиковое уплотнение 86 может контактировать только с вогнутой поверхностью 128 рядом с передней стенкой 78 и задней стенкой 80 кармана корытца. Поскольку вогнутая поверхность 128 может быть ступенчатой между передней стенкой 78 и задней стенкой 80 кармана 74 корытца, то с вогнутой поверхностью 128 может контактировать часть длины валикового уплотнения 86, меньшая, чем основная часть его длины. Таким образом, центральный участок наружной окружности валикового уплотнения 86, расположенный, по существу, посередине между концами валикового уплотнения 86, может контактировать с выпуклой поверхностью 130 и плоской поверхностью 132 во время перемещения из первого положения во второе положение, но центральный участок валикового уплотнения 86 не может контактировать с вогнутой поверхностью 128. Во втором положении (т.е. когда валиковое уплотнение контактирует с плоской поверхностью 132 кармана 74 корытца и внутренней поверхностью 124 кармана 98 спинки) валиковое уплотнение 86 может регулировать количество газообразных продуктов высокого давления, проходящих в камеру 144 демпфера через зазор 122. Регулирование потока газообразных продуктов высокого давления, проходящих в камеру 144 демпфера через зазор 122 с помощью валикового уплотнения 86, может снижать усталостную нагрузку на турбинную лопатку 30 и препятствовать ее выходу из строя в результате воздействия излишнего тепла и/или вибрации.

Поток газообразных продуктов высокого давления за турбинной лопаткой 30 может быть дополнительно отрегулирован с помощью демпфера 140. Например, демпфер 140 может позволять газообразным продуктам высокого давления протекать вокруг передней стенки 146 в камеру 144 демпфера и может ограничивать поток газообразных продуктов высокого давления, выходящих из камеры 144 демпфера с помощью уплотнения, образованного задней стенкой 148, для создания положительного давления в камере 144 демпфера. Положительное давление, создаваемое демпфером 140 в камере 144 демпфера, может способствовать валиковому уплотнению 86 в препятствовании входу газообразных продуктов высокого давления в камеру 144 демпфера через зазор 122. Т.е. газообразные продукты в камере 144 демпфера могут иметь более высокое давление, чем газообразные продукты, проходящие через верхнюю поверхность 44 турбинной полки 34 (т.е. снаружи камеры 144 демпфера), при этом газообразные продукты более низкого давления, проходящие через турбинную полку 34, могут с меньшей вероятностью попадать в зону более высокого давления камеры 144 демпфера через зазор 122.

Поскольку турбинная лопатка 30 включает в себя карман с первой стороны (например, карман 74 корытца), который является достаточно глубоким для размещения валикового уплотнения 86 с целью обеспечения зазора для установки соседней турбинной лопатки 30 на ротор 24 турбины, сложность сборки турбинных лопаток 30 на роторе 24 турбины может быть уменьшена. Кроме того, применение кармана с первой стороны (например, кармана 74 корытца) со сложной геометрией, включающей в себя вогнутую, выпуклую и плоскую поверхности 128, 130, 132 в турбинной полке 134, может обеспечить размещение и направление валикового уплотнения 86 без чрезмерного ослабления конструкционной целостности турбинной полки 34 или увеличения толщины турбинной полки 34.

Специалистам в этой области техники будет понятно, что могут быть выполнены различные модификации и варианты описанной турбинной лопатки без отклонения от объема описания. Специалистам в этой области техники будут понятны другие варианты выполнения турбинной лопатки с учетом описания и практического применения описанной здесь системы. Предполагается, что описание и примеры приводятся только с целью пояснения согласно объему раскрытия, указанному в приведенных ниже пунктах формулы изобретения и их эквивалентах,

Турбинная лопатка содержит перо, продолжающееся от первой поверхности турбинной полки, а также карманы, выполненные на двух сторонах турбинной полки. Карман с первой стороны турбинной полки предназначен для полного размещения первого подвижного уплотнения между передней и задней стенками кармана с первой стороны турбинной полки. Карман с первой стороны турбинной полки включает в себя выпуклую поверхность, расположенную между передней стенкой и задней стенками, и вогнутую поверхность. Карман со второй стороны предназначен для размещения части второго подвижного уплотнения. При сборке ротора турбины, включающего указанную выше лопатку, устанавливают первую турбинную лопатку в ротор и размещают подвижное уплотнение полностью в боковом кармане первой турбинной лопатки. Затем устанавливают со скольжением вторую турбинную лопатку в ротор турбины параллельно оси вращения ротора турбины и устанавливают демпфер рядом с первой турбинной лопаткой. Группа изобретений позволяет обеспечить конструкционную целостность полки турбинной лопатки без увеличения ее толщины. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Турбинная лопатка (30), содержащая:
перо (32), продолжающееся от первой поверхности (44) турбинной полки (34);
карман (74) с первой стороны турбинной полки, предназначенный для полного размещения первого подвижного уплотнения (86) между передней стенкой (78) кармана с первой стороны и задней стенкой (80) кармана с первой стороны, при этом карман с первой стороны включает в себя выпуклую поверхность (130), расположенную между передней стенкой и задней стенкой, и вогнутую поверхность (128); и
карман (98) со второй стороны турбинной лопатки, предназначенный для размещения части второго подвижного уплотнения.

2. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что выпуклая поверхность расположена между вогнутой поверхностью и плоской поверхностью (132), при этом выпуклая поверхность является переходной поверхностью от вогнутой поверхности к плоской поверхности.

3. Турбинная лопатка по п.2, отличающаяся тем, что карман со второй стороны включает в себя вогнутую поверхность (124), продолжающуюся между передней стенкой (102) и задней стенкой (104) кармана со второй стороны.

4. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что вогнутая поверхность кармана с первой стороны включает в себя нижнюю поверхность (82), которая является ступенчатой и включает в себя переднюю полку (88), отделенную от задней полки (90) зазором.

5. Турбинная лопатка по п.4, отличающаяся тем, что турбинная полка дополнительно включает в себя полость (72) с первой стороны, по меньшей мере, частично продолжающуюся ниже зазора в нижней поверхности кармана с первой стороны.

6. Турбинная лопатка по п.5, отличающаяся тем, что полость с первой стороны продолжается глубже в турбинной полке относительно первой стороны полки, чем карман с первой стороны.

7. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что карман с первой стороны является карманом корытца, и карман со второй стороны является карманом спинки.

8. Способ сборки ротора турбины, содержащей лопатку по пп.1-7, включающий в себя
установку первой турбинной лопатки (114) в ротор (24) турбины;
размещение подвижного уплотнения (86) полностью в боковом кармане (74) первой турбинной лопатки;
установку со скольжением второй турбинной лопатки (116) в ротор турбины за подвижным уплотнением в направлении, по существу, параллельном оси вращения ротора турбины, и
установку демпфера (140) рядом с первой турбинной лопаткой (114).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что установка первой турбинной лопатки в ротор турбины включает в себя перемещение со скольжением первой турбинной лопатки к ротору турбины.