МЕЖЛОПАТОЧНАЯ ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ДЛЯ КОЛЕСА ТУРБИНЫ ИЛИ КОМПРЕССОРА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F01D5/22 F01D11/00 

Предлагаемое изобретение относится к колесу компрессора или турбины для турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, содержащей средства межлопаточной герметизации.

Колесо компрессора или турбины турбомашины содержит диск, который на своей периферии содержит пазы фиксации хвостовиков лопаток, причем эти хвостовики соединены с перьями лопаток посредством платформ, которые имеют в целом форму параллелепипеда и, в смонтированном положении на диске, отделены между собой небольшими зазорами в окружном направлении.

Часть расхода воздуха для вентиляции лопаток проникает в пространства, расположенные между хвостовиками лопаток, и требуется предотвратить его прохождение через вышеуказанные зазоры между платформами лопаток, в радиальном направлении изнутри наружу, посредством монтируемых между платформами или хвостовиками лопаток систем межлопаточной герметизации.

Согласно уровню техники, каждая система межлопаточной герметизации содержит кессон из листового материала, который зафиксирован в радиальном направлении внутрь платформ двух смежных лопаток, между стойками этих лопаток.

Основным недостатком этой системы герметизации является, что она не позволяет охлаждать платформы лопаток (на которых могут появиться трещины) и служит лишь для обеспечения межлопаточной герметизации и, в известных обстоятельствах, демпфировать вибрацию, которой подвержены лопатки в рабочем режиме. Более того, система препятствует монтажу лопаток на диске и их демонтажу с диска, независимо одна от других.

В последнее время было предложено, чтобы между боковыми кромками платформ двух прилежащих лопаток вставлять вкладыш треугольного поперечного сечения.

Однако это решение не является полностью удовлетворительным, поскольку этот вкладыш может при работе изнашиваться и его износ не является равномерным, так как он включает различные опорные поверхности (всего 3), которые подвержены износу. Более того, этот износ не может быть оценен количественно, например, в процессе техобслуживания.

Задачей изобретения является простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы.

Для решения этой задачи предлагается колесо компрессора или турбины турбомашины, которое содержит средства межлопаточной герметизации, причем эти средства включают вкладыши, предназначенные для введения каждого из них в продольную полость боковой кромки платформы лопатки и поджатия в рабочем режиме к боковым кромкам напротив платформы смежной лопатки, причем каждый вкладыш имеет удлиненную цилиндрическую форму и на своей наружной цилиндрической поверхности содержит, по меньшей мере, одну кольцевую проточку для прохода охлаждающего платформы лопаток воздуха, отличающееся тем, что вкладыш содержит на своей наружной цилиндрической поверхности, по меньшей мере, одну кольцевую выемку, которая образует указатель износа и глубина которой меньше глубины кольцевой проточки или каждой кольцевой проточки для прохода охлаждающего воздуха.

Вкладыш согласно изобретению имеет лишь одну опорную поверхность, которая подвержена износу за счет трения, а именно наружную цилиндрическую поверхность. Вкладыш может принимать в рабочем режиме любое положение вокруг своей продольной оси, что способствует равномерному распределению его износа по всей его цилиндрической поверхности.

Вкладыш согласно изобретению более устойчив, чем вкладыш треугольного поперечного сечения согласно уровню техники, который располагается только углом в рабочем режиме, и это ограничивает его износ за счет трения. Более того, он проще и экономичнее в изготовлении и его проточка или его проточки охлаждения могут быть изготовлены проще механической обработкой. Кроме того, этот вкладыш обеспечивает индивидуальный демонтаж лопаток, что исключалось в случае кессонов согласно уровню техники.

Вкладыш содержит одну или несколько кольцевых проточек, образованных на наружной цилиндрической поверхности для прохода охлаждающего воздуха. В рабочем режиме на него воздействуют центробежные силы, и он поджимается к наружной радиально направленной стенке полости и к кромке платформы прилежащей лопатки. Между платформами и вкладышем может проходить калиброванный расход охлаждающего воздуха через проточку или проточки вкладыша для локального охлаждения кромок платформ. Положение и размеры одной/каждой проточки вкладыша позволяют точно контролировать охлаждение платформ.

Вкладыш может содержать, например, одну, две или три кольцевые проточки для прохождения охлаждающего платформы воздуха.

Вкладыш согласно изобретению содержит дополнительно один или несколько указателей износа, каждый из которых образован кольцевой выемкой в наружной цилиндрической поверхности вкладыша. Эти указатели износа позволяют обслуживающему рабочему определить в процессе техобслуживания степень износа вкладыша и, соответственно, необходимость его замены.

Глубина выемки/каждой выемки, образующей указатель износа, определяется в зависимости от допустимой степени износа вкладыша, то есть степени износа, которая больше не обеспечивает хорошую герметичность между платформами лопаток. Таким образом, обслуживающий рабочий, который констатирует, что указатели износа больше не видны, должен заменить вкладыш в процессе техобслуживания. Следовательно, указатели износа облегчают ему техобслуживание.

Вкладыш может содержать кольцевую выемку, образующую указатель износа, возле каждого из его торцов.

Согласно другому признаку изобретения, кольцевая выемка или каждая кольцевая выемка, образующая указатель износа, имеет нижнюю глубину, соответствующую нижней глубине кольцевой проточки или каждой кольцевой проточки для прохода охлаждающего воздуха.

В варианте осуществления изобретения, вкладыш имеет диаметр порядка от 2 до 3 мм и длину порядка от 20 до 40 мм. Проточка/каждая проточка может иметь ширину примерно 0,5 мм и глубину порядка 0,6 мм, а выемка/каждая выемка может иметь ширину порядка 0,2 мм и глубину порядка 0,2 мм.

Вкладыш согласно изобретению может быть выполнен из металлического сплава, такого как Inconel®, или, например, композиционного материала с керамической матрицей.

Колесо турбины или компрессора согласно изобретению содержит диск, несущий лопатки, при этом каждая лопатка содержит хвостовик, зафиксированный в пазу, дополняющем по форме периферию диска, и платформу, которая соединяет хвостовик с пером лопатки и содержит, по существу параллельные, две боковые кромки, и отличается тем, что боковая кромка платформы, которая простирается в сторону нижней поверхности пера каждой лопатки, содержит продольную полость гнезда вышеуказанного вкладыша.

Предпочтительно, полость гнезда системы герметизации имеет, в зоне ее продольных окончаний, поперечное сечение в форме U или V, апертура которого ориентирована в сторону прилежащей лопатки, боковую, радиально направленную внутреннюю стенку этой полости, которая простирается по существу параллельно платформе, и ее боковую, радиально направленную наружную стенку, которая наклонена относительно платформы и простирается в радиальном направлении наружу, в сторону прилежащей лопатки.

Для лучшего понимания изобретения и получения более ясного представления о других деталях, признаках и преимуществах изобретения ниже предлагается описание, приводимое в виде неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- Фиг.1 изображает частичный схематичный вид снизу колеса компрессора или турбины турбомашины, представляющий две смежные лопатки этого колеса;

- Фиг.2 - схематичный вид в разрезе по линии II-II с Фиг.1;

- Фиг.3 - схематичный вид в изометрии лопаток с Фиг.1;

- Фиг.4 - частичный вид в увеличенном масштабе с Фиг.2; и

- Фиг.5 - схематичный вид в изометрии вкладыша согласно изобретению.

На Фиг.1-3 очень схематично и частично показано колесо компрессора или турбины турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, причем это колесо содержит диск 10, несущий на своей периферии лопатки 12, 14, из которых лишь две изображены на чертежах.

Каждая лопатка 12, 14 содержит перо 16, соединенное посредством платформы 18 с хвостовиком 20, который в представленном примере имеет поперечное сечение в форме ели. Хвостовик 20 каждой лопатки зафиксирован в пазу (не показан), дополняющем по форме периферию диска 10.

Перо 16 каждой лопатки содержит нижнюю поверхность 22 и верхнюю поверхность 24, соединенные вверх по потоку посредством передней кромки и посредством задней кромки вниз по потоку газов, которые поступают в компрессор или турбину.

Платформа 18 каждой лопатки имеет в целом форму параллелепипеда и содержит прямые боковые кромки 26, 28, которые параллельны и наклонены относительно продольной оси А колеса. Когда эти боковые кромки параллельны продольным осям вышеназванных пазов в диске, лопатки могут монтироваться на колесе и демонтироваться с колеса независимо одна от других.

В показанном на фиг.1-3 смонтированном положении, боковая кромка 26 платформы 18 лопатки 14 находится напротив боковой кромки 28 платформы 18 соседней лопатки 12 и отстоит от этой кромки с небольшим зазором J в окружном направлении, который составляет порядка несколько десятых долей миллиметра.

Хвостовики 20 лопаток содержат внутренние каналы 30 (Фиг.2) для прохода охлаждающего воздуха, которые подают средства охлаждения перьев. Некоторые из этих каналов выходят на сторону хвостовиков, радиально внутрь платформ 18 лопаток, для подачи охлаждающего воздуха в межлопаточные пространства, расположенные радиально внутри платформ.

Чтобы избежать прохождения этого воздуха через вышеназванный зазор J, известен монтаж системы герметизации между платформами 18 двух соседних лопаток 12, 14.

Заявляемое изобретение предлагает систему герметизации, изображенную на фиг.5, которая содержит вкладыши 38 удлиненной цилиндрической формы, которые предназначены каждый из них для поджатия в рабочем режиме поверхностей боковых кромок 26, 28 платформ двух последовательных лопаток 12, 14 и которые содержат средства контролируемого и локально определенного охлаждения платформ, а также указатели износа.

Положение цилиндрического вкладыша 38 схематично показано на Фиг.1. Боковая кромка 26 платформы 18, которая простирается в сторону нижней поверхности 22 пера 16 лопатки 14, содержит продольную полость 32 гнезда вкладыша.

Как видно на Фиг.3, эта полость 32 ограничена в радиальном направлении наружу платформой 18 лопатки, вверху и внизу по потоку поперечными ребрами жесткости 34, простирающимися перпендикулярно платформе и хвостовику лопатки, и в радиальном направлении внутрь закраинами 36, простирающимися от этих ребер 34 к противоположному ребру, в направлении, параллельном платформе.

Эти закраины 36 простираются лишь вдоль концевых частей вкладыша 38, который поддерживается лишь посредством этих концевых частей, при отключении турбомашины.

Полость 32 гнезда вкладыша имеет, в зоне его продольных окончаний, поперечное сечение в форме U или V, апертура которого ориентирована в сторону прилежащей лопатки (Фиг.4).

Наружную в радиальном направлении поверхность 40 вышеуказанной закраины 36 определяет боковая радиально направленная внутренняя поверхность полости 32, а внутреннюю в радиальном направлении поверхность 42 платформы 18 определяет боковая радиально направленная наружная поверхность полости 32. Эта боковая поверхность 42 радиально наклонена наружу в сторону смежной лопатки (Фиг.4).

Высота (или радиальное измерение) и глубина (или окружное измерение) полости 32 больше диаметра вкладыша 38, так что он может быть полностью помещен в полости 32 в нерабочем режиме, как это схематично изображено пунктирными линиями на Фиг.4, и, следовательно, не препятствует монтажу лопаток 12, 14 на диске 10.

Во время работы турбомашины вкладыш 38 подвержен воздействию центробежных сил, которые радиально нагружают его в наружном направлении. Вкладыш 38 скользит в данной ситуации по наклонной боковой поверхности 42 полости 32 и поджимает боковую кромку 28 напротив платформы 18 соседней лопатки 12, как показано сплошными линями на Фиг.4.

В этом рабочем положении вкладыш 38 поджимает поверхности боковых кромок 26, 28 платформ 18 смежных лопаток 12, 14 и обеспечивает герметичность между платформами.

Согласно другому признаку изобретения, вкладыш 38 на своей наружной цилиндрической поверхности содержит, по меньшей мере, одну наружную кольцевую проточку 44 для прохода охлаждающего воздуха (Фиг.5). Когда вкладыш в рабочем режиме поджимает вышеуказанную кромку 28 платформы прилежащей лопатки, охлаждающий воздух может проходить из межлопаточного пространства, расположенного радиально внутри платформ 18 к боковым кромкам платформ лопаток, чтобы обеспечить их охлаждение (стрелка 46 на Фиг.4).

Проточка или проточки расположены на вкладыше в зависимости от охлаждаемых зон боковых кромок 26, 28 платформ 18.

В показанном на Фиг.1 примере, проточка 44 расположена возле нижнего по потоку торца вкладыша 38. Проходящий через эту проточку 44 в радиальном направлении изнутри наружу воздух позволяет охлаждать примерно на 30° температуру платформы 18 в кольцевой зоне S1, расположенной справа от проточки вкладыша и поверхность которой по существу равна поперечному сечению вкладыша, и примерно на 10° температуру платформы в кольцевой зоне S2, которая простирается вокруг зоны S1.

В примере на Фиг.5 вкладыш 38 согласно изобретению содержит также указатель износа на каждом из своих концов, при этом каждый указатель износа содержит кольцевую выемку 46, образованную на наружной цилиндрической поверхности вкладыша.

Как пояснено в предыдущем изложении, эти указатели износа позволяют обслуживающему рабочему в процессе техобслуживания определить степень износа вкладыша и необходимость его замены. Следовательно, размеры этой выемки, и в частности ее глубина, определяются в зависимости от степени допустимого износа вкладыша.

Вкладыш может быть выполнен из металлического сплава (например, на основе никеля) или из композиционного материала с керамической матрицей.

В варианте осуществления изобретения, вкладыш выполнен по типу того, который представлен на Фиг.5, и имеет длину примерно 31 мм и диаметр примерно 2,6 мм. Он содержит кольцевую проточку шириной примерно 0,5 мм и глубиной примерно 0,6 мм, на расстоянии примерно 17,5 мм от одного из его торцов. Он содержит кольцевую выемку, образующую указатель износа, на удалении примерно 0,8 до 1 мм от каждого из его торцов, при этом каждая выемка имеет ширину примерно 0,2 мм и глубину примерно 0,2 мм.

Колесо ступени турбомашины содержит средства межлопаточной герметизации, включающие вкладыши, введенные в продольные полости боковых кромок платформ лопаток и упирающиеся в рабочем режиме в боковые кромки платформ соседних лопаток. Каждый вкладыш имеет удлиненную цилиндрическую форму и содержит на своей наружной цилиндрической поверхности кольцевую проточку для прохода охлаждающего платформы лопаток воздуха, а также кольцевую выемку, образующую указатель износа. Глубина кольцевой выемки меньше глубины кольцевой проточки для прохода охлаждающего воздуха. Изобретение позволяет обеспечить возможность прохождения охлаждающего воздуха через вкладыши и оценки их износа. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Колесо ступени турбомашины, такой как ступень турбины или компрессора, которое содержит средства межлопаточной герметизации, причем эти средства содержат вкладыши (38), введенные в продольные полости (32) боковых кромок (26) платформ (18) лопаток (14) и упирающиеся в рабочем режиме в боковые кромки (28) платформ соседних лопаток (12), причем каждый вкладыш имеет удлиненную цилиндрическую форму и на своей наружной цилиндрической поверхности содержит, по меньшей мере, одну кольцевую проточку (44) для прохода охлаждающего платформы лопаток (12, 14) воздуха, при этом вкладыш содержит на своей наружной цилиндрической поверхности, по меньшей мере, одну кольцевую выемку (46), которая образует указатель износа и глубина которой меньше глубины кольцевой проточки или каждой кольцевой проточки для прохода охлаждающего воздуха.

2. Колесо по п. 1, в котором вкладыш (38) содержит кольцевую выемку (46), образующую указатель износа, возле каждого из его торцов.

3. Колесо по п. 1, в котором вкладыш (38) содержит одну, две или три кольцевые проточки (44) для прохождения охлаждающего платформы воздуха.

4. Колесо по п. 1, в котором вкладыш (38) имеет диаметр от 2 до 3 мм и длину от 20 до 40 мм.

5. Колесо по п. 4, в котором кольцевая проточка или каждая кольцевая проточка (44) для прохода охлаждающего платформы воздуха имеет ширину 0,5 мм и глубину 0,6 мм.

6. Колесо по п. 4, в котором кольцевая выемка или каждая кольцевая выемка (46), образующая указатель износа, имеет ширину примерно 0,2 мм и глубину примерно 0,2 мм.

7. Колесо по п. 1, в котором вкладыш (38) выполнен из металлического сплава Inconel®, или из композиционного материала с керамической матрицей.

8. Колесо по п. 1, которое содержит диск (10), несущий лопатки (12, 14), при этом каждая лопатка содержит хвостовик (20), зафиксированный в пазу, дополняющем по форме периферию диска, и платформу (18), которая соединяет хвостовик с пером (16) лопатки и содержит, по существу параллельные, две боковые кромки (26, 28), причем боковая кромка платформы, которая простирается в сторону нижней поверхности (22) пера каждой лопатки, содержит продольную полость (32) гнезда вышеуказанного вкладыша (38).

9. Колесо по п. 8, в котором полость (32) гнезда системы герметизации имеет, в зоне ее продольных окончаний, поперечное сечение в форме букв U или V, верхние концы которых ориентированы в сторону прилежащей лопатки (12), боковую, радиально направленную внутреннюю стенку (40) этой полости, которая простирается по существу параллельно платформе, и ее боковую, радиально направленную наружную стенку (42), которая наклонена относительно платформы и простирается в радиальном направлении наружу, в сторону прилежащей лопатки.