ИЗОЛЯЦИЯ ОКРУЖНОГО ВЫСТУПАЮЩЕГО КРАЯ ВНЕШНЕГО КОРПУСА ТУРБОМАШИНЫ ОТНОСИТЕЛЬНО СООТВЕТСТВУЮЩЕГО КОЛЬЦЕВОГО СЕКТОРА, СТУПЕНЬ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2015 года по МПК F01D25/24 F01D11/00 

Настоящее изобретение относится к ступени турбины турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета. Турбина низкого давления турбомашины содержит множество ступеней, каждая из которых содержит направляющий сопловый аппарат, образованный кольцевым рядом неподвижно установленных лопаток, расположенных на внешнем корпусе, и колесом с лопатками, установленным вращающимся сзади направляющего соплового аппарата в кожухе, имеющем форму цилиндра или усеченного конуса и образованном кольцевыми секторами, закрепленными по окружности стык в стык на внешнем корпусе.

Находящиеся под давлением горячие газы, истекающие из камеры сгорания турбомашины, проходят через лопатки направляющих сопловых аппаратов и попадают на лопатки колес турбины, что приводит к повышению температуры кожухов, образованных кольцевыми секторами. Как это описывается, например, в патенте FR 2899273, принадлежащем заявителю, внешний корпус содержит по меньшей мере один окружной выступающий край крепления задних краев кольцевых секторов. Известно, что каждый кольцевой сектор содержит задний край, образованный кольцевой выемкой, ограниченной передним кольцевым упором, задним кольцевым упором и донной стенкой; причем эта выемка вставляется на окружной выступающий край корпуса; причем кольцевой сектор удерживается в осевом положении на выступающем крае посредством кольцевых упоров выемки.

Поверхность контакта окружного выступающего края корпуса и каждого кольцевого сектора является большой; причем большая часть теплоты кольца подается к внешнему корпусу посредством данного окружного выступающего края. В процессе эксплуатации температура последнего может достигать около 730°С, что является допустимым пределом для используемого материала.

В результате этого возникает большая опасность разрушения окружного выступающего края и внешнего корпуса.

Задачей изобретения является, в частности, разработка простого, эффективного и экономически оправданного решения данной проблемы. Для этого в нем предлагается ступень турбины, содержащая колесо ротора, установленное внутри разделенного на сектора кольца, удерживаемого на внешнем корпусе; причем каждый кольцевой сектор содержит задний край, имеющий кольцевую выемку, ограниченную передним кольцевым упором, задним кольцевым упором и донной стенкой; причем внешний корпус содержит по меньшей мере один окружной выступающий край, размещенный в этой выемке, для крепления заднего края кольцевого сектора, отличающаяся тем, что донная стенка кольцевой выемки кольцевого сектора остается смещенной в радиальном направлении относительно окружного выступающего края внешнего корпуса таким образом, чтобы между ними образовалось изолирующее тепловое пространство, и содержит средства радиального размещения на этом окружном выступающем крае.

Таким образом, контактная поверхность между окружным выступающим краем и каждым кольцевым сектором сильно ограничена и ограничивает, таким образом, нагревание окружного выступающего края и, в более широком смысле, внешнего корпуса.

Предпочтительно, чтобы средства радиального размещения содержали по меньшей мере две контактные накладки, выступающие над донной стенкой кольцевой выемки.

Контактная поверхность между кольцевым сектором и окружным выступающим краем, таким образом, ограничена поверхностью краев контактных накладок.

Предпочтительно также, чтобы контактные накладки были расположены на окружных краях донной стенки.

Это позволяет обеспечить хорошее размещение кольцевого сектора против окружного выступающего края. Однако, поскольку окружное расширение кольца больше расширения окружного выступающего края, происходит относительное перемещение между контактными накладками и окружным выступающим краем в процессе эксплуатации турбомашины, приводя к их трению и износу.

Предпочтительно, чтобы контактные накладки были расположены на расстоянии от срединной осевой плоскости донной стенки для обеспечения хорошего радиального размещения кольцевого сектора. Предпочтительно также, чтобы контактные накладки были расположены между срединной осевой плоскостью и окружными краями донной стенки для ограничения изнашивания вышеупомянутых находящихся в контакте конструктивных элементов.

Предпочтительно также, чтобы каждый кольцевой упор содержал радиальную поверхность, вытянутую по всей окружности кольцевого сектора, окружной выступающий край внешнего корпуса, установленный без зазора между этими поверхностями кольцевых упоров кольцевого сектора.

Таким образом, обеспечивается герметичность между окружным выступающим краем и кольцевым сектором.

Контактные накладки могут иметь форму параллелепипеда.

Также предпочтительно, чтобы окружной выступающий край внешнего корпуса был ограничен в осевом направлении кольцевыми упорами для обеспечения хорошего размещения кольцевого сектор на внешнем корпусе.

Предпочтительно, чтобы соотношение контактной поверхности контактных накладок и донной поверхности кольцевой выемки составляло 0,1-0,25. Изобретение относится, кроме того, к турбомашине, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, отличающейся тем, что она содержит ступень турбины низкого давления согласно изобретению.

Изобретение станет лучше понятно, а другие детали, отличительные особенности и преимущества изобретения проявятся более отчетливо после изучения нижеследующего описания, которое приведено в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 представляет собой схематичный частичный вид осевого разреза турбины низкого давления согласно достигнутому уровню техники;

фиг. 2 представляет собой в увеличенном масштабе вид части фиг. 1;

фиг. 3 представляет собой в увеличенном масштабе фиг. 2, изображающую монтаж заднего края кольцевого сектора на окружном выступающем краю внешнего корпуса;

фиг. 4 представляет собой вид, соответствующий фиг. 3 и иллюстрирующий изобретение;

фиг. 5 представляет собой частичный вид в изометрии кольцевого сектора согласно изобретению;

- фиг. 6 представляет собой вид в изометрии кольцевого сектора, изображенного на фиг. 5.

Фиг. 1-3 изображают турбину низкого давления 1 турбомашины на базе достигнутого уровня техники, содержащую множество ступеней, каждая из которых содержит направляющий сопловый аппарат 2 с неподвижно установленными лопатками 3, удерживаемый внешним корпусом 4 турбины, и колесо ротора 5, установленное после направляющего соплового аппарата 2 и вращающееся в кожухе, имеющем по существу форму усеченного конуса и образованном кольцевыми секторами 6, удерживаемыми по окружности стык в стык корпусом 4 турбины. Направляющие сопловые аппараты 2 содержат внутренние (не показаны) и внешние 7 стенки, имеющие форму тела вращения, которые ограничивают между собой кольцевую трубку тока 8 для истечения газов в турбине и радиально соединены посредством лопаток 3.

Колеса ротора 2 жестко соединены с валом турбины (не показан), каждое из которых содержит внешние 9 и внутренние (не показаны) кольца; причем внешнее кольцо 9 содержит внешние радиальные ребра жесткости 10, вокруг которых снаружи имеется небольшой зазор с кольцевыми секторами 6.

Каждый кольцевой сектор 6 содержит стенку 11, имеющую форму усеченного конуса, и массив истираемого материала 12, который прикреплен путем припаивания и/или приваривания к внутренней радиальной поверхности стенки 11, имеющей форму усеченного конуса; причем этот массив 12 относится к типу сотовой структуры и предназначен для истирания путем трения о ребра жесткости 10 колеса 5 для сведения к минимуму радиального зазора между колесом 5 и кольцевыми секторами 6.

Стенка 11, имеющая форму усеченного конуса, кольцевого сектора содержит задний край 13, имеющий кольцевую выемку, открытую наружу и ограниченную передним кольцевым упором 14, задним кольцевым упором 15 и донной стенкой 16. Каждый кольцевой упор 14, 15 содержит поверхность, вытянутую по всей окружности кольцевого сектора 6. Донная стенка 16 содержит, кроме того, задний кольцевой желобок 17 и передний кольцевой желобок 18, позволяющие осуществлять механическую обработку выемки (фиг. 3).

Задний край 13 каждого кольцевого сектора 6 вставлен в кольцевое пространство 19, ограниченное двумя кольцевыми выступающими краями внешней стенки 7 направляющего соплового аппарата 2, расположенного сзади, соответственно, радиально внутренним выступающим краем 20 и радиально внешним выступающим краем 21, ориентированным вперед. Внешний корпус 4 содержит внутренний окружной выступающий край 22, сечение которого имеет форму повернутого назад крючка, вставленного в выемку стенки 11, имеющей форму усеченного конуса, кольцевого сектора, и который удерживается в ней радиально внешним выступающим краем 21 направляющего соплового аппарата 2. Окружной выступающий край 22 внешнего корпуса 4 ограничен в осевом направлении кольцевыми упорами 14, 15 кольцевого сектора 6; причем такое ограничение существует на всех этапах работы турбомашины.

В частности, упомянутый выступающий край 22 содержит радиально внешнюю кольцевую поверхность, упирающуюся в радиально внешний выступающий край 21 направляющего соплового аппарата, и радиально внутреннюю кольцевую поверхность, упирающуюся в донную стенку 16 кольцевого сектора.

Осевой зазор j1 образован между передним краем радиально внешнего выступающего края 21 и зоной сопряжения 23 выступающего края 22 и внешнего корпуса 4. Этот зазор позволяет компенсировать последствия расширения и может стать практически нулевым во время работы турбомашины.

Кольцевой сектор 6 зафиксирован, таким образом, своим задним краем 13 на окружном выступающем краю 22 корпуса посредством направляющего соплового аппарата 2; причем герметичность между окружным выступающим краем 22 и кольцевым сектором 6 обеспечена осевыми упорами 14, 15 и донной стенкой 16.

Кольцевой сектор 6 также закреплен своим передним краем на корпусе средствами, конструкция которых в данном случае подробно рассматриваться не будет.

В процессе работы газы, истекающие из камеры сгорания, нагревают кольцевые сектора 6; теплота затем передается путем проводимости окружному выступающему краю 22 корпуса.

Таким образом, поверхности проводимости или контактная поверхность между кольцевым сектором 6 и окружным выступающим краем 22 является большой, причем на практике температура выступающего края 22 может достигать предельного значения, например 730°С, которое является максимально допустимым для обычно используемого материала. Кольцевой сектор, согласно изобретению, изображен на фиг. 4-6. Он отличается от кольцевого сектора, описание которого было приведено ранее, тем, что донная стенка 16 кольцевой выемки содержит по меньшей мере две радиально выступающие наружу контактные накладки 24, края которых образуют поверхности 25, опирающиеся на окружной выступающий край 22. Контактные накладки 24 предпочтительно расположены рядом с передним упором 14 кольцевого сектора 6. Таким образом, контактная поверхность между окружным выступающим краем 22 и кольцевым сектором 6 ограничена, и между донной стенкой 16 и внутренней стенкой окружного выступающего края 22 образуется воздушная изолирующая прослойка.

Соотношение между контактной поверхностью контактных накладок 24 и донной поверхностью 16 составляет 0,1-0,25.

На практике во время работы турбомашины такая конструкция позволяет уменьшить приблизительно на 40°С температуру окружного выступающего края 22.

Согласно варианту практической реализации, изображенному на фиг. 5 и 6, контактные накладки 24 имеют форму параллелепипеда и расположены на окружных краях донной стенки 16.

Предпочтительно, контактные накладки 24 расположены на расстоянии от срединной осевой плоскости Ρ донной стенки 16, с одной и другой ее стороны, и находятся между срединной осевой плоскостью Ρ и одним из окружных краев донной стенки 16. Действительно, поскольку каждый кольцевой сектор закреплен по окружности на корпусе средствами, расположенными в своей срединной плоскости Р, он расширяется относительно корпуса с одной и другой стороны срединной плоскости Р. Сближение контактных накладок 24 в плоскости Ρ снижает, таким образом, их трение об окружной выступающий край 22 корпуса. Их размещение на расстоянии от плоскости Ρ обеспечивает хорошее радиальное расположение кольцевого сектора на окружном выступающем крае 22, исключая любой риск качания кольцевого сектора с одной или с другой стороны срединной плоскости Ρ.

Кроме того, контактные накладки 24 могли бы иметь, по желанию, любую другую форму, например квадратную, цилиндрическую, усеченного конуса и т.д.

Ступень турбины содержит колесо ротора, установленное внутри разделенного на сектора кольца, удерживаемого внешним корпусом. Каждый кольцевой сектор содержит задний край, имеющий кольцевую выемку, ограниченную передним кольцевым упором, задним кольцевым упором и донной стенкой. Внешний корпус содержит окружной выступающий край, размещенный в этой выемке, для крепления заднего края кольцевого сектора. Донная стенка кольцевой выемки кольцевого сектора выполнена смещенной в радиальном направлении относительно окружного выступающего края внешнего корпуса с возможностью формирования между ними изолирующего теплового пространства. Донная стенка кольцевой выемки содержит средства радиального размещения на окружном выступающем крае, образованные двумя контактными накладками, выступающими над донной стенкой кольцевой выемки. Другое изобретение группы относится к турбомашине, содержащей указанную выше ступень турбины. Группа изобретений позволяет повысить надежность ступени турбины. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ступень турбины (1), содержащая колесо ротора (5), установленное внутри разделенного на сектора кольца, удерживаемого внешним корпусом (4), причем каждый кольцевой сектор (6) содержит задний край (13), имеющий кольцевую выемку, ограниченную передним кольцевым упором (14), задним кольцевым упором (15) и донной стенкой (16), причем внешний корпус (4) содержит по меньшей мере один окружной выступающий край (22), размещенный в этой выемке, для крепления заднего края (13) кольцевого сектора (6), отличающаяся тем, что донная стенка (16) кольцевой выемки кольцевого сектора (6) выполнена смещенной в радиальном направлении относительно окружного выступающего края (22) внешнего корпуса (4) с возможностью формирования между ними изолирующего теплового пространства и содержит средства (24) радиального размещения на этом окружном выступающем крае (22), образованные по меньшей мере двумя контактными накладками (24), выступающими над донной стенкой (16) кольцевой выемки.

2. Ступень турбины (1) по п. 1, отличающаяся тем, что контактные накладки (24) расположены на окружных краях донной стенки (16).

3. Ступень турбины (1) по п. 1, отличающаяся тем, что контактные накладки (24) расположены на расстоянии от срединной осевой плоскости (Р) донной стенки (16).

4. Ступень турбины (1) по п. 3, отличающаяся тем, что контактные накладки (24) расположены между срединной осевой плоскостью (Р) и окружными краями донной стенки (16).

5. Ступень турбины (1) по п. 1, отличающаяся тем, что каждый кольцевой упор (14, 15) содержит радиальную поверхность, вытянутую по всей окружности кольцевого сектора, причем окружной выступающий край (22) внешнего корпуса (4) установлен без зазора между радиальными поверхностями кольцевых упоров (14, 15) кольцевого сектора (6).

6. Ступень турбины (1) по п. 5, отличающаяся тем, что окружной выступающий край (22) внешнего корпуса (4) ограничен в осевом направлении кольцевыми упорами (14, 15).

7. Ступень турбины (1) по п. 1, отличающаяся тем, что контактные накладки (24) имеют форму параллелепипеда.

8. Ступень турбины (1) по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение между контактной поверхностью контактных накладок (24) и донной поверхностью (16) кольцевой выемки составляет 0,1-0,25.

9. Турбомашина, такая как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, отличающаяся тем, что она содержит ступень турбины (1) по любому из пп. 1-8.