ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F01D9/04 F01D11/00 

Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю.

Более конкретно настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю (см. US 7037071 В2, F01D 11/00, 02.05.2006), включающему в себя сегмент кольцеобразного блока входного направляющего аппарата, при этом при работе двигателя сегмент направляет горячие отработанные газы на лопатки ротора двигателя, причем сегмент включает в себя площадку, расположенную на одной стороне сегмента радиально внутрь/наружу по отношению к оси вращения двигателя, причем площадка имеет участок задней кромки ниже по потоку по отношению к потоку горячих отработанных газов через сегмент, причем участок задней кромки включает в себя направляющую, которая проходит радиально внутрь/наружу от участка задней кромки, двигатель также включает в себя опорное и охлаждающее устройство для поддержания сегмента и направления охлаждающей текучей среды для охлаждения сегмента, причем устройство расположено радиально внутри/снаружи площадки, причем устройство включает в себя фланцевую часть, которая проходит радиально наружу/внутрь от устройства.

Техническим результатом является упрощение конструкции газотурбинных двигателей такого типа.

Согласно настоящему изобретению предложен газотурбинный двигатель, включающий в себя сегмент кольцеобразного блока входного направляющего аппарата, причем при работе двигателя сегмент направляет горячие отработанные газы на лопатки роторадвигателя, причем сегмент включает в себя площадку, расположенную на одной стороне сегмента радиально внутри/снаружи по отношению к оси вращения двигателя, причем площадка имеет участок задней кромки ниже по потоку по отношению к потоку горячих отработанных газов через сегмент, причем участок задней кромки включает в себя направляющую, которая проходит радиально внутрь/наружу от участка задней кромки, двигатель также включает в себя опорное и охлаждающее устройство для поддержания сегмента и направления охлаждающей текучей среды для охлаждения сегмента, причем устройство расположено радиально внутри/снаружи площадки, причем устройство включает в себя фланцевую часть, которая проходит радиально снаружи/внутри от устройства, отличающийся тем, что устройство дополнительно включает в себя лепестковое уплотнение и по меньшей мере один удерживающий штифт, причем удерживающий штифт или штифты проходят через лепестковое уплотнение, направляющую и фланцевую часть, чтобы посредством этого (i) прикрепить сегмент к устройству для определения радиального положения сегмента, и (ii) удержать лепестковое уплотнение на месте для уплотнения контактной поверхности между направляющей и фланцевой частью от входа охлаждающей текучей среды.

Площадка предпочтительно расположена на одной стороне сегмента радиально внутри по отношению к оси вращения двигателя, при этом направляющая проходит радиально внутрь от участка задней кромки, устройство расположено радиально внутри площадки, а фланцевая часть проходит радиально наружу от устройства.

В двигателе предпочтительно предусмотрено два или более удерживающих штифтов.

Удерживающий штифт или штифты предпочтительно проходят через отверстия в направляющей и фланцевой части, при этом форма отверстий является такой, чтобы определить периферийное положение сегмента.

Удерживающий штифт или штифты предпочтительно проходят через периферийно проходящую прорезь или прорези в направляющей и/или фланцевой части, чтобы тем самым обеспечить регулирование периферийного положения сегмента.

Устройство предпочтительно включает в себя опорное кольцо, центрированное на оси вращения двигателя, при этом фланцевая часть содержит основной и дополнительный фланцы, которые проходят радиально наружу от опорного кольца, при этом дополнительный фланец выполнен уменьшенной толщины по сравнению с основным фланцем так, чтобы создать углубленную область, которая проходит вокруг периферии опорного кольца, при этом направляющая проходит вдоль периферийно проходящей углубленной области.

Направленная вверх по потоку поверхность предпочтительно направляющей лежит по существу в той же плоскости, что и направленная вверх по потоку поверхность основного фланца, при этом лепестковое уплотнение является плоским по форме и лежит на направленных вверх по потоку поверхностях направляющей и основного фланца и соединяет контактную поверхность между направляющей и основным и дополнительным фланцами.

Устройство предпочтительно включает в себя полость, к которой подается охлаждающая текучая среда, причем полость находится между опорным кольцом и сегментом выше по потоку от основного и дополнительного фланцев, направляющей, лепесткового уплотнения и удерживающего штифта или штифтов.

Участок задней кромки предпочтительно включает в себя первый канал, который проходит по существу в направлении вниз по потоку от направленной радиально внутрь поверхности площадки к направленной радиально наружу поверхности площадки, причем при работе двигателя охлаждающая текучая среда, подаваемая к полости, входит в первый канал, проходит вдоль первого канала в направлении по существу вниз по потоку и покидает первый канал, чтобы покрыть холодной пленкой эту часть направленной радиально наружу поверхности ниже по потоку от выхода из первого канала.

Устройство предпочтительно включает в себя охлаждающую пластину, расположенную рядом и параллельно с направленной радиально внутрь поверхностью, чтобы посредством этого образовать второй канал между охлаждающей пластиной и направленной радиально внутрь поверхностью, причем охлаждающая пластина включает в себя множество охлаждающих отверстий, причем при работе двигателя охлаждающие отверстия образуют направленные радиально наружу струи охлаждающей текучей среды от охлаждающей текучей среды, подаваемой в полость, причем струи ударяют и охлаждают направленную радиально внутрь поверхность, а охлаждающая текучая среда из второго канала входит в первый канал.

В двигателе предпочтительно предусмотрено два удерживающих штифта, при этом направляющая включает в себя выступающий участок на каждом конце и углубление между выступающими участками, при этом каждый участок включает в себя отверстие, через которое проходит соответствующий один из двух удерживающих штифтов.

Изобретение будет теперь описано с помощью примера, со ссылкой на приложенный чертеж, который является схематичной иллюстрацией с пространственным разнесением элементов части газотурбинного двигателя согласно настоящему изобретению.

Как видно на чертеже, часть газотурбинного двигателя содержит сегмент 1 кольцеобразного блока входного направляющего аппарата двигателя, опорное и охлаждающее устройство 3, и ротор 5. Ось вращения двигателя проходила бы горизонтально на чертеже и была бы расположена под той, что показана на чертеже. Ротор 5 включает в себя роторные лопатки 9, имеющие хвостовики 7 лопаток. Ротор 5 также включает в себя роторный диск (не показан), к которому роторные лопатки 9 прикреплены посредством своих хвостовиков 7. Сегмент 1 направляет горячие отработанные газы, проходящие, как указано стрелкой А на чертеже, на роторные лопатки 9. Можно видеть, что на чертеже показана только радиальная внутренняя и задняя часть сегмента 1, только радиально наружная и задняя часть опорного и охлаждающего устройства 3, и только радиально внутренняя и передняя часть роторных лопаток 9, включая их хвостовики 7.

Сегмент 1 включает в себя направляющую лопатку 11 и площадку 13 на радиально внутренней стороне сегмента 1. Сегмент 1 может дополнительно включать в себя одну или более направляющих лопаток 11 и площадку на радиально наружной стороне сегмента 1. Все направляющие лопатки будут проходить радиально между радиально внутренней и наружной площадками. Радиально внутренняя и радиально наружная площадки будут аркообразными по форме. Вид сегмента 1, показанный на чертеже, является таким, как он виден в направлении по окружности.

Как известно в технике, полный кольцеобразный узел направляющих лопаток содержит множество сегментов 1, размещенных по ободу или по кольцу. Таким образом, на чертеже плоскость кольца является вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости листа бумаги - имеются сегменты 1, расположенные рядом с сегментом 1 и проходящие смежными с сегментом 1, показанным на чертеже и под, и над плоскостью листа бумаги (то есть в направлении по окружности).

Площадка 13 имеет участок 15 задней кромки ниже по потоку, по отношению к потоку А горячих отработанных газов через сегмент 1. Участок 15 задней кромки включает в себя направляющую 17, которая проходит радиально внутри от участка 15, от направленной радиально внутрь поверхности 19 площадки 13.

Направляющая 17 показана в перспективе внизу чертежа. На этом виде в перспективе направляющая 17 находится в перевернутом положении по сравнению с ее ориентацией наверху чертежа. Направляющая 17 проходит вдоль участка 15 задней кромки, параллельно конечному задней вершине 21 участку 15. Таким образом, направляющая 17 проходит в двигателе по окружности. Размер по окружности направляющей 17 является по существу таким же, как и размер по окружности площадки 13. Хотя направляющая 17 показана как прямая на виде в перспективе, фактически она незначительно закруглена так, что ее основание 22 располагается в состояние поджима вдоль ее длины с направленной радиально внутрь поверхностью 19 площадки 13 (конечно, площадка 13 является немного закругленной так, чтобы проходить по окружности и иметь радиус, как это известно в технике). Высота направляющей 17 не является одинаковой вдоль ее длины, направляющая 17 включает в себя выступающий участок 23 на каждом конце и углубление 25 между участками 23. Участки 23 включают в себя отверстия 27. Углубление 25 облегчает направляющей 17 изгибаться вместе с изгибом площадки 13.

Участок 15 задней кромки включает в себя канал 28, который проходит в направлении по существу вниз по потоку от направленной радиально внутрь поверхности 19 площадки 13 к направленной радиально наружу поверхности 30 площадки 13.

Опорное и охлаждающее устройство 3 поддерживает сегмент 1 и направляет охлаждающую текучую среду, чтобы охлаждать сегмент 1. Устройство 3 размещено радиально внутри площадки 13. Устройство 3 содержит опорное кольцо 29, металлическое лепестковое уплотнение 31, два удерживающих штифта 33 (только один из них показан на чертеже) и охлаждающую пластину 35.

Опорное кольцо 29 включает в себя фланцевую часть, содержащую основной и дополнительные фланцы 37, 39, которые проходят радиально наружу из опорного кольца 29. Уменьшенная толщина дополнительного фланца 39 по сравнению с основным фланцем 37 создает углубленную область 41, которая проходит вокруг периферии опорного кольца 29. Опорное кольцо 29, включающее в себя фланцы 37, 39, центрировано на оси вращения двигателя. На чертеже плоскость опорного кольца 29 является вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости листа бумаги. Лепестковое уплотнение 31 проходит в лист бумаги и из него и имеет длину по существу такую же, как и длина направляющей 17 сегмента 1.

Удерживающие штифты 33 проходят через лепестковое уплотнение 31, затем через отверстия 27 в выступающих участках 23 направляющей 17 и затем в отверстия 43 в дополнительном фланце 39 (причем отверстия 43 в дополнительном фланце 39 соответствуют по положению отверстиям 27 в направляющей 17). Штифты 33 имеют посадку с натягом с одним из: направляющей 17 и дополнительным фланцем 39, и имеют тугую посадку, менее плотную посадку, чем посадка с натягом, с другим из: направляющей 17 и дополнительным фланцем 39. Штифты 33 имеют относительно свободную посадку с лепестковым уплотнением 31.

Охлаждающая пластина 35 расположена непосредственно под и параллельно направленной радиально внутрь поверхностью 19 площадки 13, чтобы за счет этого образовать охлаждающий канал 45 между пластиной 35 и поверхностью 19. Сегмент 1 включает в себя дополнительную направляющую (не показана), параллельную направляющей 17, которая проходит радиально внутри от участка передней кромки (не показана) площадки 13. Расположенный ниже по потоку конец охлаждающей пластины 35 размещается в направляющей 17, при этом расположенный выше по потоку конец пластины (не показан) размещается в дополнительной направляющей. Охлаждающая пластина 35 включает в себя множество охлаждающих отверстий 47.

Охлаждающую текучую среду подают в полость 49, имеющуюся между опорным кольцом 29 и сегментом 1 выше по потоку от основного и дополнительных фланцев 37, 39, направляющей 17, лепесткового уплотнения 31 и удерживающих штифтов 33. Направленные радиально наружу струи охлаждающей текучей среды образованы с помощью охлаждающих отверстий 47 в охлаждающей пластине 35. Эти струи ударяют и охлаждают направленную радиально внутрь поверхность 19 площадки 13. Некоторое количество охлаждающей текучей среды в охлаждающем канале 45 проходит через площадку 13 внутрь направляющей лопатки 11, как показано стрелкой В, и некоторое количество проходит через канал 28 в участок 15 задней кромки, чтобы покрыть холодной пленкой эту часть направленной радиально наружу поверхности 30 площадки 13 ниже по потоку от выхода из канала 28. В дополнение, охлаждающую текучую среду подают в область 51 между опорным кольцом 29 и роторными лопатками 9, как показано стрелкой С. Эта текучая среда проходит обычно вверх на рисунке, чтобы соединиться с текучей средой, которая покидает канал 28.

Удерживающие штифты 33 выполняют двойную функцию: они и (i) крепят сегмент 1 к опорному кольцу 29 для определения радиального положения сегмента 1, и (ii) удерживают лепестковое уплотнение 31 на месте для уплотнения контактной поверхности 53 между направляющей 17 и фланцами 37, 39 в отношении попадания охлаждающей текучей среды из полости 49. Эта двойная функция со стороны удерживающих штифтов 33 упрощает форму устройства между сегментом 1 и опорным и охлаждающим устройством 3. Кроме того, предпочтительно, лепестковое уплотнение 31 достигает герметизации контактной поверхности 53, не увеличивая значительно жесткость площадки 13.

Направляющая 17 проходит вдоль окружности, продолжая углубленную область 41, при этом направленная вверх по потоку поверхность 55 направляющей 17 лежит заподлицо (в той же плоскости что и) с направленной вверх по потоку поверхностью 57 основного фланца 37. Плоское лепестковое уплотнение 31 лежит на утопленных поверхностях 55 и 57 и соединяет контактную поверхность 53 между направляющей 17 и фланцами 37, 39. Направленная вниз по потоку поверхность 59 направляющей 17 лежит напротив направленной вверх по потоку поверхности 61 дополнительного фланца 39.

Диаметр отверстий 27 в направляющей 17 и отверстий 43 в дополнительном фланце 39 соответствует диаметру стержней удерживающих штифтов 33, и таким образом форма отверстий 27, 43 является такой, чтобы определить не только радиальное, но также и периферийное положение сегмента 1. Если требуется обеспечить регулирование периферийного положения сегмента 1, тогда это может быть достигнуто с помощью отверстий 27, 43 в направляющей 17 и/или в дополнительном фланце 39, содержащих периферийно проходящие прорези. Радиальное и периферийное положение сегмента 1 может быть определено, и пока тепловое расширение по окружности сегмента 1 не ограничено, с помощью: отверстий 27, 43, что касается одного из двух удерживающих штифтов 33, имеющих диаметры, соответствующие диаметрам стержней удерживающих штифтов, и любого или обоих отверстий 27, 43, что касается другого из двух удерживающих штифтов 33, содержащих периферийно проходящие прорези.

Вышеприведенное описание касается площадки сегмента кольцеобразного блока входного направляющего аппарата, в котором площадка расположена на радиальной внутренней стороне сегмента. Следует понимать, что настоящее изобретение может быть также использовано для площадки сегмента кольцеобразного блока входного направляющего аппарата, в котором площадка расположена на радиальной наружной стороне сегмента. Пример этого мог бы быть следующим: (а) опорное и охлаждающее устройство, аналогичное устройству 3, было бы размещено радиально снаружи площадки и включало бы в себя фланцы, аналогичные фланцам 37, 39, которые проходят радиально внутрь от устройства, и (b) участок задней кромки площадки включал бы в себя направляющую, аналогичную направляющей 17, которая проходит радиально наружу от участка задней кромки.

Вышеприведенное описание касается сегмента кольцеобразного блока входного направляющего аппарата, в котором множество сегментов размещено по ободу или в кольце, чтобы составить полный кольцеобразный блок входного направляющего аппарата. Следует понимать, что в ограничивающем случае сегмент может быть полным кольцеобразным блоком входного направляющего аппарата, в котором только один сегмент требуется, чтобы составить кольцеобразный блок входного направляющего аппарата, то есть полный кольцеобразный блок входного направляющего аппарата выполнен только из одного сегмента, который сам по себе является полным ободом или кольцом.

Газотурбинный двигатель включает сегмент кольцеобразного блока входного направляющего аппарата и опорное и охлаждающее устройство, поддерживающее сегмент направляющего аппарата и направляющее охлаждающую среду для его охлаждения. Сегмент включает площадку, расположенную на одной стороне сегмента, причем площадка имеет участок задней кромки, включающий направляющую, проходящую радиально внутри или снаружи от участка задней кромки. Опорное и охлаждающее устройство расположено радиально внутри или снаружи площадки и включает в себя фланцевую часть, проходящую радиально снаружи или внутри от опорного и охлаждающего устройства. Опорное и охлаждающее устройство дополнительно включает лепестковое уплотнение и удерживающий штифт. Удерживающий штифт проходит через лепестковое уплотнение, направляющую и фланцевую часть, чтобы прикрепить сегмент к опорному и охлаждающему устройству для определения радиального положения сегмента и удержать лепестковое уплотнение на месте для уплотнения контактной поверхности между направляющей и фланцевой частью от входа охлаждающей текучей среды. Изобретение позволяет упростить конструкцию газотурбинного двигателя. 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газотурбинный двигатель, включающий в себя сегмент (1) кольцеобразного блока входного направляющего аппарата, причем при работе двигателя сегмент (1) направляет горячие отработанные газы на лопатки (9) ротора двигателя, при этом сегмент (1) включает в себя площадку (13), расположенную на одной стороне сегмента (1) радиально внутри/снаружи по отношению к оси вращения двигателя, причем площадка (13) имеет участок (15) задней кромки ниже по потоку по отношению к потоку горячих отработанных газов через сегмент (1), при этом участок (15) задней кромки включает в себя направляющую (17), которая проходит радиально внутрь/наружу от участка (15) задней кромки, двигатель также включает в себя опорное и охлаждающее устройство (3) для поддержания сегмента (1) и направления охлаждающей текучей среды для охлаждения сегмента (1), причем устройство (3) расположено радиально внутри/снаружи площадки (13), при этом устройство (3) включает в себя фланцевую часть (37, 39), которая проходит радиально снаружи/внутри от устройства (3), отличающийся тем, что устройство (3) дополнительно включает в себя лепестковое уплотнение (31) и по меньшей мере один удерживающий штифт (33), причем удерживающий штифт или штифты (33) проходят через лепестковое уплотнение (31), направляющую (17) и фланцевую часть (37, 39), чтобы посредством этого (i) прикрепить сегмент (1) к устройству (3) для определения радиального положения сегмента (1), и (ii) удержать лепестковое уплотнение (31) на месте для уплотнения контактной поверхности (53) между направляющей (17) и фланцевой частью (37, 39) от входа охлаждающей текучей среды.

2. Двигатель по п. 1, в котором площадка (13) расположена на одной стороне сегмента (1) радиально внутри по отношению к оси вращения двигателя, при этом направляющая (17) проходит радиально внутрь от участка (15) задней кромки, устройство (3) расположено радиально внутри площадки (13), а фланцевая часть (37, 39) проходит радиально наружу от устройства (3).

3. Двигатель по п. 2, в котором предусмотрено два или более удерживающих штифтов (33).

4. Двигатель по п. 2, в котором удерживающий штифт или штифты (33) проходят через отверстия (27, 43) в направляющей (17) и фланцевой части (37, 39), при этом форма отверстий является такой, чтобы определить периферийное положение сегмента (1).

5. Двигатель по п. 3, в котором удерживающий штифт или штифты (33) проходят через отверстия (27, 43) в направляющей (17) и фланцевой части (37, 39), при этом форма отверстий является такой, чтобы определить периферийное положение сегмента (1).

6. Двигатель по п. 2, в котором удерживающий штифт или штифты (33) проходят через периферийно проходящую прорезь или прорези в направляющей (17) и/или фланцевой части (37, 39), чтобы тем самым обеспечить регулирование периферийного положения сегмента (1).

7. Двигатель по п. 3, в котором удерживающий штифт или штифты (33) проходят через периферийно проходящую прорезь или прорези в направляющей (17) и/или фланцевой части (37, 39), чтобы тем самым обеспечить регулирование периферийного положения сегмента (1).

8. Двигатель по любому из пп. 2-7, в котором устройство (3) включает в себя опорное кольцо (29), центрированное на оси вращения двигателя, при этом фланцевая часть (37, 39) содержит основной (37) и дополнительный (39) фланцы, которые проходят радиально наружу от опорного кольца (29), при этом дополнительный фланец (39) выполнен уменьшенной толщины по сравнению с основным фланцем (37) так, чтобы создать углубленную область (41), которая проходит вокруг периферии опорного кольца (29), при этом направляющая (17) проходит вдоль периферийно проходящей углубленной области (41).

9. Двигатель по п. 8, в котором направленная вверх по потоку поверхность (55) направляющей (17) лежит по существу в той же плоскости, что и направленная вверх по потоку поверхность (57) основного фланца (37), при этом лепестковое уплотнение (31) является плоским по форме и лежит на направленных вверх по потоку поверхностях (55, 57) направляющей (17) и основного фланца (37) и соединяет контактную поверхность (53) между направляющей (17) и основным и дополнительным фланцами (37, 39).

10. Двигатель по п. 8, в котором устройство (3) включает в себя полость (49), к которой подается охлаждающая текучая среда, причем полость (49) находится между опорным кольцом (29) и сегментом (1) выше по потоку от основного и дополнительного фланцев (37, 39), направляющей (17), лепесткового уплотнения (31) и удерживающего штифта или штифтов (33).

11. Двигатель по п. 9, в котором устройство (3) включает в себя полость (49), к которой подается охлаждающая текучая среда, причем полость (49) находится между опорным кольцом (29) и сегментом (1) выше по потоку от основного и дополнительного фланцев (37, 39), направляющей (17), лепесткового уплотнения (31) и удерживающего штифта или штифтов (33).

12. Двигатель по п. 10, в котором участок (15) задней кромки включает в себя первый канал (28), который проходит по существу в направлении вниз по потоку от направленной радиально внутрь поверхности (19) площадки (13) к направленной радиально наружу поверхности (30) площадки (13), причем при работе двигателя охлаждающая текучая среда, подаваемая к полости (49), входит в первый канал (28), проходит вдоль первого канала (28) в направлении по существу вниз по потоку и покидает первый канал (28), чтобы покрыть холодной пленкой эту часть направленной радиально наружу поверхности (30) ниже по потоку от выхода из первого канала (28).

13. Двигатель по п. 11, в котором участок (15) задней кромки включает в себя первый канал (28), который проходит по существу в направлении вниз по потоку от направленной радиально внутрь поверхности (19) площадки (13) к направленной радиально наружу поверхности (30) площадки (13), причем при работе двигателя охлаждающая текучая среда, подаваемая к полости (49), входит в первый канал (28), проходит вдоль первого канала (28) в направлении по существу вниз по потоку и покидает первый канал (28), чтобы покрыть холодной пленкой эту часть направленной радиально наружу поверхности (30) ниже по потоку от выхода из первого канала (28).

14. Двигатель по п. 12, в котором устройство (3) включает в себя охлаждающую пластину (35), расположенную рядом и параллельно с направленной радиально внутрь поверхностью (19), чтобы посредством этого образовать второй канал (45) между охлаждающей пластиной (35) и направленной радиально внутрь поверхностью (19), причем охлаждающая пластина (35) включает в себя множество охлаждающих отверстий (47), причем при работе двигателя охлаждающие отверстия (47) образуют направленные радиально наружу струи охлаждающей текучей среды от охлаждающей текучей среды, подаваемой в полость (49), при этом струи ударяют и охлаждают направленную радиально внутрь поверхность (19), а охлаждающая текучая среда из второго канала (45) входит в первый канал (28).

15. Двигатель по п. 13, в котором устройство (3) включает в себя охлаждающую пластину (35), расположенную рядом и параллельно с направленной радиально внутрь поверхностью (19), чтобы посредством этого образовать второй канал (45) между охлаждающей пластиной (35) и направленной радиально внутрь поверхностью (19), причем охлаждающая пластина (35) включает в себя множество охлаждающих отверстий (47), причем при работе двигателя охлаждающие отверстия (47) образуют направленные радиально наружу струи охлаждающей текучей среды от охлаждающей текучей среды, подаваемой в полость (49), при этом струи ударяют и охлаждают направленную радиально внутрь поверхность (19), а охлаждающая текучая среда из второго канала (45) входит в первый канал (28).

16. Двигатель по п. 2, в котором предусмотрено два удерживающих штифта (33), при этом направляющая (17) включает в себя выступающий участок (23) на каждом конце и углубление (25) между выступающими участками (23), при этом каждый участок (23) включает в себя отверстие (27), через которое проходит соответствующий один из двух удерживающих штифтов (33).