УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПЛАСТИНА С ФУНКЦИЕЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D11/00 F01D25/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к уплотнительным пластинам для газотурбинных двигателей и к газотурбинным двигателям, содержащим такие пластины.

Уровень техники

Как показано на фиг. 1а, газотурбинный двигатель Т классически содержит турбину 2 высокого давления и турбину 3 низкого давления.

Турбина низкого давления содержит несколько ступеней турбины, среди которых имеются по меньшей мере одна ступень 4 ротора, то есть подвижная лопаточная решетка, и ступень 5 статора, то есть неподвижная лопаточная решетка, направляющая воздушный поток, проходящий в турбине.

Последняя ступень турбины является ступенью ротора, на выходе которой относительно воздушного потока в газотурбинном двигателе находится неподвижная лопаточная решетка, называемая выпускным картером 6, который спрямляет воздушный поток перед его удалением в атмосферу через выхлопные трубы. Газы проходят от входа к выходу, то есть слева направо на фиг. 1а и 1b.

Для обеспечения аэродинамических характеристик газотурбинного двигателя, как показано на фиг. 1b, выпускной картер 6 содержит носок 60, проходящий в сторону входа картера относительно воздушного потока в проточном тракте.

Этот носок взаимодействует с разделенным на сектора узлом 40 выходного носка последней ступени 4 ротора, образуя динамическую уплотнительную прокладку, не позволяющую воздуху, проходящему в проточном тракте турбины, поступать в пространство, находящееся под носками, и наоборот.

Герметичности достигают за счет естественного отхода последней ступени ротора во время работы, в результате которого выходной носок ротора перекрывает входной носок выпускного картера в направлении оси вращения газотурбинного двигателя. Поскольку выходной носок 40 представляет собой совокупность разделенных на сектора деталей, расположенных рядом друг с другом на 360°, а носок 60 является моноблочной деталью, оба носка можно считать двумя деталями в виде тел вращения вокруг этой оси, в результате чего оба носка 40, 60 перекрывают друг друга не только в осевом направлении, но также в окружном направлении.

В случае превышения скорости последней ступени ротора турбины отход этой ступени может превысить нормальное расстояние отхода и привести к контакту между входным носком выпускного картера и ступенью ротора.

Для максимального сохранения целостности газотурбинного двигателя в таком случае предусмотрена иерархическая градация разрыва деталей, в частности, входной носок выпускного картера не должен оказывать противодействия ступени ротора и разрываться или сгибаться как можно быстрее в случае контакта с ротором.

Эта способность разрываться или сгибаться в первую очередь в случае контакта представляет собой функцию «предохранителя» детали.

Однако, как видно из фиг. 1b, существующая геометрия входного носка выпускного картера не позволяет ему обеспечивать эту функцию предохранителя, так как этот носок является слишком прочным, чтобы согнуться в случае контакта с ротором.

Следовательно, эта геометрия не является удовлетворительной с точки зрения безопасности эксплуатации газотурбинного двигателя.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков известных решений и предложить элемент, позволяющий обеспечивать герметичность между выпускным картером и ступенью ротора, одновременно выполняя функцию предохранителя.

В связи с этим объектом изобретения является узел, содержащий:

- выпускной картер имеющий форму тела вращения вокруг оси газотурбинного двигателя и содержащий фланец крепления на опоре, и

- уплотнительную пластину в виде тела вращения вокруг оси, причем пластина установлена на фланце крепления выпускного картера и имеет радиальное сечение, содержащее:

- радиально внутреннюю концевую часть,

- радиально наружную концевую часть, и

- изгиб, расположенный между двумя концевыми частями,

при этом указанные части образуют между собой угол, составляющий от 80 до 100 градусов, и радиально наружная концевая часть имеет длину в осевом направлении, составляющую от 15 до 35% высоты пластины, измеренной в радиальном направлении вокруг оси вращения, и радиально наружная концевая часть проходит по существу параллельно указанной оси, при этом указанный изгиб открыт в угловом секторе в сторону выхода в осевом направлении относительно воздушного потока в газотурбинном двигателе.

Вышеупомянутый узел имеет также следующие предпочтительные, но неограничивающие признаки:

- концевые части пластины образуют между собой угол 90 градусов, при этом радиально внутренняя концевая часть проходит по существу радиально относительно оси вращения пластины,

- пластина дополнительно содержит промежуточную часть, при этом изгиб соединяет между собой радиально наружную концевую часть и промежуточную часть, при этом пластина содержит также второй изгиб, соединяющий между собой промежуточную часть и радиально внутреннюю концевую часть,

- радиально внутренняя концевая часть пластины имеет длину, составляющую от 25 до 45% высоты пластины, измеренной в радиальном направлении вокруг оси вращения,

- радиально наружная концевая часть пластины имеет срединную точку, по существу находящуюся на одной линии с радиально внутренней концевой частью,

- промежуточная часть пластины содержит радиально внутренний участок, радиально наружный участок и изгиб, образующий третий изгиб пластины, при этом указанный изгиб соединяет между собой внутренний и наружный участки, при этом первый и второй изгибы открыты в одну и ту же сторону пластины относительно оси, и третий изгиб открыт в противоположную сторону,

- первый изгиб пластины образует угол между наружной концевой частью и наружным участком промежуточной части, составляющий от 5 до 15 градусов, и третий изгиб образует угол между двумя участками промежуточной части, составляющий от 60 до 80 градусов,

- первый изгиб и третий изгиб пластины соответствуют концам в осевом направлении пластины, и расстояние, измеренное в осевом направлении, между первым изгибом и радиально внутренней концевой частью по существу соответствует четверти расстояния, измеренного между первым и третьим изгибами,

- картер содержит носок в виде выступа, проходящего параллельно оси в сторону входа картера относительно воздушного потока, и третий изгиб пластины находится на выходе носка относительно воздушного потока,

- узел дополнительно содержит опору картера, при этом картер закреплен на опоре картера при помощи фланца крепления, и пластина в виде тела вращения закреплена между фланцем и опорой картера, и

- высота пластины составляет от 15 до 35% расстояния между осью вращения (Y-Y) и радиально наружной концевой частью пластины.

Вторым объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий описанный выше узел.

Уплотнительная пластина в соответствии с изобретением имеет геометрию, позволяющую одновременно обеспечивать герметичность между выпускным картером и ступенью турбины и выполнять роль предохранителя.

Действительно, первый изгиб пластины позволяет получить наружный концевой участок с перекрыванием в осевом направлении одновременно с входным носком выпускного картера и выходным носком ступени ротора.

Эта геометрия придает также пластине гибкость, позволяющую ей отходить в сторону выхода относительно воздушного потока в газотурбинном двигателе в случае слишком большого отхода ротора, предохраняя при этом картер. Таким образом, она обеспечивает роль предохранителя.

Второй изгиб позволяет геометрически подгонять наружную часть пластины относительно места фланцевого крепления.

Наконец, третий изгиб позволяет за счет повышения жесткости пластины изменять ее собственные вибрационные частоты для их удаления от рабочих частот газотурбинного двигателя. Действительно, лист с тремя изгибами является более жестким, чем лист, имеющий только два изгиба.

Краткое описание фигур

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1а (уже описана) схематично представлен пример выполнения газотурбинного двигателя;

на фиг. 1b (уже описана) показана часть газотурбинного двигателя на уровне выпускного картера, вид в разрезе;

на фиг. 2а и 2b представлены два варианта осуществления пластины, вид в радиальном разрезе;

на фиг. 3а и 3b показан узел газотурбинного двигателя, содержащий выпускной картер и пластину соответственно согласно вариантам осуществления, показанным на фиг. 2а и 2b, вид в радиальном разрезе;

на фиг. 3с показана деформация пластины согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 2b и 3b, в случае максимального отхода находящейся на входе ступени ротора.

Осуществление изобретения

Газовый поток проходит от входа к выходу через газотурбинный двигатель, то есть слева направо на фигурах настоящей заявки.

На фиг. 3а и 3b показан узел 1 газотурбинного двигателя, содержащий ступень 10 ротора турбины низкого давления (показанную на фиг. 3b) и выпускной картер 20, причем эти две детали имеют форму тела вращения вокруг оси Х-Х газотурбинного двигателя, показанной схематично для иллюстрации направлений относительно этой оси, при этом выпускной картер расположен на выходе ступени ротора относительно воздушного потока в газотурбинном двигателе.

Для обеспечения герметичности проточного тракта ступени ротора при помощи компонента, обеспечивающего одновременно функцию предохранителя, узел газотурбинного двигателя содержит также уплотнительную пластину 30, установленную на выпускном картере.

Эта пластина является монолитной деталью в виде тела вращения вокруг оси Y-Y, которая в установленном положении в узле совпадает с осью Х-Х вращения газотурбинного двигателя.

Пластина может быть выполнена посредством токарной обработки или штамповки. Предпочтительно она выполнена из сплава Hastelloy® X.

На фиг. 2а и 2b представлен вид в радиальном разрезе такой пластины в двух вариантах осуществления, при этом второй вариант осуществления является предпочтительным.

Пластина имеет радиальное сечение, одинаковое по всей своей окружности.

Радиальное сечение пластины содержит радиально внутреннюю концевую часть 32 и радиально наружную концевую часть 34, причем этим две части образуют между собой угол, составляющий от 80 до 100 градусов и предпочтительно равный 90 градусов.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, радиально внутренняя концевая часть 32 проходит по существу радиально относительно оси вращения пластины, и радиально наружная концевая часть 34 проходит по существу параллельно этой оси. Как будет описано ниже, когда пластина закреплена в узле 1, это позволяет наружной концевой части 34 пластины располагаться параллельно оси вращения Х-Х газотурбинного двигателя и перекрывать входной носок выпускного картера.

Как показано на фиг. 2а и 2b, пластина содержит также первый изгиб 31, расположенный между двумя концевыми частями.

Радиально наружная концевая часть 34 имеет длину L₃₄, составляющую от 15 до 35% высоты Н пластины, измеренной в радиальном направлении относительно оси вращения. Предпочтительно длина L₃₄ части 34 в осевом направлении составляет от 18 до 25%, например, около 20% высоты пластины.

Кроме того, пластина имеет небольшую толщину, позволяющую ей легко деформироваться для обеспечения своей функции предохранителя. Предпочтительно толщина (е) пластины меньше 0,5 мм и предпочтительно составляет от 0,3 до 2 мм.

Предпочтительно, как показано на фиг. 2а и 2b, пластина дополнительно содержит промежуточную часть 36 и второй изгиб 33.

Промежуточная часть 36 расположена между концевыми частями 32, 34, и первый изгиб 31 соединяет промежуточную часть 36 с радиально наружной концевой частью 34, а второй изгиб 33 соединяет промежуточную часть 36 с радиально внутренней концевой частью 32.

Этот второй изгиб 33 позволяет подогнать геометрически наружную часть пластины 30 относительно места фланцевого крепления за счет компенсации осевых смещений. В варианте пластина 30 может содержать радиальную часть, не имеющую изгиба 33, что придает ей в этом случае общую форму в виде L.

При этом радиально внутренняя концевая часть 32 имеет между концом и вторым изгибом 33 длину L₃₂ в радиальном направлении, составляющую от 25 до 45% общей высоты Н пластины 30, измеренной в радиальном направлении, и предпочтительно примерно 30-35%.

Два изгиба 31, 33 пластины 20 открыты в противоположные стороны относительно радиального направления вокруг оси вращения пластины, то есть центры кривизны пластины на уровне двух изгибов находятся с двух сторон от радиального направления вокруг оси.

Предпочтительно пластина выполнена так, что радиально наружная концевая часть 34 имеет срединную точку, по существу находящуюся на одной линии с радиально внутренней концевой частью 32, при этом линия створа находится в радиальном направлении относительно оси. В примере выполнения продолжение части 32 в радиальном направлении пересекает часть 34 в такой точке, чтобы длина L₃₄ в осевом направлении была распределена следующим образом: 47% на входе и 53% на выходе.

Этого можно достичь, например, при следующих значениях углов:

- угол α первого изгиба 31, измеренный, как показано на фиг. 2а, между радиально наружной концевой частью 34 и промежуточной частью 36, составляет от 80 до 100°, и

- угол β второго изгиба 33, измеренный между промежуточной частью 36 и радиальным направлением относительно оси, составляет от 0 до 20°.

Согласно альтернативному варианту осуществления, показанному на фиг. 2b, промежуточная часть 36 пластины 30 содержит радиально внутренний участок 36а и радиально наружный участок 36b и изгиб 35, соединяющий эти два участка, причем этот изгиб образует третий изгиб 35 для пластины 30.

В этом варианте осуществления первый и второй изгибы 31, 33 открыты в одну сторону относительно радиального направления по отношению к оси, а третий изгиб 35 открыт в противоположную сторону.

При этом первый изгиб 31 образует угол α', измеренный, как показано на фиг. 2b, между радиально наружной концевой частью 34 и наружным участком 36b промежуточной части, составляющий от 5 до 15 градусов, предпочтительно равный 10°.

Второй изгиб 33 образует угол β', измеренный между радиальным направлением и внутренним участком 36а промежуточной части 36, составляющий от 10 до 40 градусов, предпочтительно равный 30 градусов.

Третий изгиб 35 образует угол γ, измеренный между двумя участками 36а, 36b промежуточной части 36, составляющий от 60 до 80°, предпочтительно равный 70°.

Предпочтительно пластина выполнена таким образом, чтобы радиально наружная концевая часть 34 имела срединную точку, находящуюся на одной линии с радиально внутренней концевой частью 32. В примере осуществления продолжение части 32 в радиальном направлении пересекает часть 34 в такой точке, чтобы длина L₃₄ в осевом направлении распределялась следующим образом: 47% на входе и 53% на выходе.

Кроме того, в осевом направлении пластина 30 имеет два конца, соответствующих первому и третьему изгибам 31, 35. Предпочтительно расстояние d₁, измеренное в осевом направлении, между первым изгибом 31 и радиально внутренней концевой частью 32 по существу соответствует четверти расстояния D, измеренного в осевом направлении, между первым 31 и третьим 33 изгибами. Следовательно, расстояние d₂, измеренное в осевом направлении, между радиально внутренней концевой частью 32 и третьим изгибом 35 соответствует трем четвертям расстояния между первым 31 и третьим 35 изгибами. Вышеупомянутые отношения d₁/D и d₂/D согласуются с запасом порядка 20%, то есть 0.2≤d₁≤0.3 и 0.7≤d₂/D≤0.8, учитывая, что d₁+d₂=D.

Далее со ссылками на фиг. 3а и 3b следует описание узла 1 газотурбинного двигателя Т, содержащего такую пластину 30.

Этот узел содержит выпускной картер 20, содержащий множество неподвижных лопаток, установленных на опорном венце 21. Кроме того, картер содержит окружной носок 22, расположенный на входе венца и лопаток относительно воздушного потока в газотурбинном двигателе.

Кроме того, узел содержит подвижную лопаточную решетку 10, образующую ступень ротора газотурбинного двигателя. Эта лопаточная решетка содержит множество лопаток, установленных на опорном венце 11.

Кроме того, эта лопаточная решетка содержит совокупность разделенных на сектора носков (один носок на лопатку), образующих носок 12, расположенный на выходе венца и лопаток относительно направления воздушного потока в газотурбинном двигателе.

Узел содержит также опору 42 выпускного картера. Выпускной картер содержит крепежный фланец 23, через который картер установлен на опоре 42 при помощи болтового соединения.

Наконец, узел содержит пластину 30, установленную на картере на уровне крепежного фланца. Поскольку пластина имеет большую радиальную протяженность и соединена с картером на уровне крепежного фланца, это придает ей значительную гибкость.

Предпочтительно, чтобы ограничить количество отверстий в крепежном фланце, пластину устанавливают зажатой между фланцем и опорой 42.

После установки на место высота Н (взятая в радиальном направлении относительно оси Х-Х) пластины составляет от 15 до 35% расстояния D_X между осью вращения Х-Х и радиально наружной концевой частью пластины.

Поскольку уплотнительная пластина позволяет обеспечивать герметичность проточного тракта, носок картера может не иметь большой осевой протяженности для перекрывания выходного носка ротора во время его работы. Следовательно, входной носок картера может иметь осевую протяженность, уменьшенную до 50% по сравнению с известными решениями.

Наконец, первый изгиб 31 пластины открыт в угловом секторе в сторону входа относительно воздушного потока в газотурбинном двигателе, и размеры пластины определены таким образом, чтобы входной носок 22 картера 20 находился в радиальном направлении внутри относительно радиально наружной концевой части 34 пластины 30 и предпочтительно напротив первого изгиба в осевом направлении. Это позволяет пластине 30 отходить в сторону выпускного картера 20 в случае контакта со ступенью ротора, но не входить при этом в контакт с картером.

В варианте осуществления, в котором пластина имеет два изгиба 31, 33 (фиг. 2а), второй изгиб 33 предпочтительно открыт в сторону входа относительно воздушного потока.

При этом отмечается, что геометрия пластины представляет интерес во время работы по следующим соображениям:

- радиально наружная концевая часть обеспечивает герметичность проточного тракта ротора, так как во время работы она перекрывает в осевом направлении и в окружном направлении выходной носок и входной носок ротора,

- гибкость пластины позволяет ей выполнять роль предохранителя в случае превышения скорости ротора, приводящей к его слишком большому перемещению.

В варианте осуществления, в котором пластина имеет третий изгиб 35 (фиг. 2b), этот изгиб открыт в угловом секторе в сторону входа относительно потока, тогда как второй изгиб 33 открыт в сторону выхода. Предпочтительно третий изгиб 35 расположен, как показано на фиг. 3b, радиально внутри относительно входного носка 22 выпускного картера 20, то есть, как показано на фиг. 3b, под носком (обращенным к оси Х-Х) в радиальном направлении и на выходе носка 22 относительно воздушного потока.

Третий изгиб 35 повышает жесткость пластины 30, что позволяет изменить ее собственные частоты с целью их удаления от рабочих частот двигателя. Это позволяет избежать слишком сильных вибраций пластины во время работы газотурбинного двигателя.

На фиг. 3с показана деформация пластины 30 в случае превышения скорости ротора, приводящей к его ненормальному перемещению. Отмечается, что пластина не входит в контакт с выпускным картером, благодаря ее подробно описанной выше геометрии.

Изобретение относится к узлу (1), содержащему выпускной картер (20), имеющий форму тела вращения вокруг оси (Х-Х), содержащий фланец (23) крепления на опоре (42), уплотнительную пластину (30) в виде тела вращения вокруг оси (Х-Х), при этом пластина установлена на фланце (23) крепления выпускного картера и имеет радиальное сечение, содержащее радиально внутреннюю концевую часть (32), радиально наружную концевую часть (34) и изгиб (31), расположенный между двумя концевыми частями, при этом указанные части образуют между собой угол, составляющий от 80 до 100 градусов, причем радиально наружная концевая часть имеет длину (L₃₄) в осевом направлении, составляющую от 15 до 35% высоты (Н) пластины, измеренной в радиальном направлении вокруг оси вращения, при этом радиально наружная концевая часть проходит по существу параллельно указанной оси, и указанный изгиб открыт в сторону выхода относительно воздушного потока. Изобретение позволяет обеспечивать герметичность между выпускным картером и ступенью ротора, одновременно выполняя функцию предохранителя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Узел (1), содержащий:

- выпускной картер (20), при этом указанный картер имеет форму тела вращения вокруг оси (Х-Х) газотурбинного двигателя и содержит фланец (23) крепления на опоре (42), и

- уплотнительную пластину (30) в виде тела вращения вокруг оси (Х-Х),

отличающийся тем, что пластина установлена на фланце (23) крепления выпускного картера и имеет радиальное сечение, содержащее:

- радиально внутреннюю концевую часть (32),

- радиально наружную концевую часть (34), и

- изгиб (31), расположенный между двумя концевыми частями,

при этом указанные части образуют между собой угол, составляющий от 80 до 100 градусов, и радиально наружная концевая часть (34) имеет длину (L₃₄) в осевом направлении, составляющую от 15 до 35% высоты (Н) пластины, измеренной в радиальном направлении вокруг оси вращения, и радиально наружная концевая часть проходит по существу параллельно указанной оси, при этом указанный изгиб (31) открыт в угловом секторе в сторону выхода в осевом направлении относительно воздушного потока в газотурбинном двигателе.

2. Узел (1) по п. 1, в котором концевые части (32, 34) пластины (30) образуют между собой угол 90 градусов, при этом радиально внутренняя концевая часть проходит по существу радиально относительно оси вращения (Y-Y) пластины.

3. Узел (1) по одному из пп. 1 или 2, в котором пластина дополнительно содержит промежуточную часть (36), при этом изгиб (31) соединяет между собой радиально наружную концевую часть (34) и промежуточную часть (36), и второй изгиб (33) соединяет между собой промежуточную часть (36) и радиально внутреннюю концевую часть (32), при этом радиально внутренняя концевая часть пластины имеет длину (L₃₂), составляющую от 25 до 45% высоты (Н) пластины, измеренной в радиальном направлении вокруг оси вращения.

4. Узел (10) по п. 3, в котором радиально наружная концевая часть (34) пластины (30) имеет срединную точку, находящуюся по существу на одной линии с радиально внутренней концевой частью (32).

5. Узел (10) по одному из пп. 3 или 4, в котором промежуточная часть (36) пластины (30) содержит:

- радиально внутренний участок (36а),

- радиально наружный участок (36b), и

- изгиб (35), образующий третий изгиб пластины, при этом указанный изгиб соединяет между собой внутренний (36а) и наружный (36b) участки, при этом первый и второй изгибы открыты в одну и ту же сторону пластины относительно оси, и третий изгиб открыт в противоположную сторону,

при этом первый изгиб образует угол (α) между наружной концевой частью (34) и наружным участком (36b) промежуточной части, составляющий от 5 до 15 градусов, и третий изгиб (35) образует угол (γ) между двумя участками (36а, 36b) промежуточной части (36), составляющий от 60 до 80 градусов.

6. Узел (10) по п. 5, в котором первый изгиб (31) и третий изгиб (35) пластины (30) соответствуют концам в осевом направлении пластины, и расстояние (d₁), измеренное в осевом направлении, между первым изгибом (31) и радиально внутренней концевой частью по существу соответствует четверти расстояния (D), измеренного в осевом направлении между первым (31) и третьим (35) изгибами.

7. Узел по одному из пп. 5 или 6, в котором картер (20) содержит носок (22) в виде выступа, проходящего параллельно оси (Х-Х) в сторону входа картера (20) относительно воздушного потока, и третий изгиб (35) пластины находится на выходе носка относительно воздушного потока.

8. Узел по одному из пп. 1-7, дополнительно содержащий опору (42) картера, при этом картер (20) закреплен на опоре (42) картера при помощи фланца (23) крепления, и пластина (30) в виде тела вращения закреплена между фланцем и опорой (42) картера.

9. Узел по одному из пп. 1-8, в котором высота (Н) пластины (30) составляет от 15 до 35% расстояния (D_X) между осью вращения (Y-Y) и радиально наружной концевой частью (34) пластины.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий узел по одному из пп. 1-9.