РОТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ, ТУРБИНА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2018 года по МПК F01D5/30 F01D11/00 

Данное изобретение относится к ротационному устройству для турбомашины, такой как, в частности, авиационный реактивный двигатель, и к турбомашине, содержащей такое устройство.

Такое устройство, которое может иметься, в частности, в турбине, содержит диск и лопатки, которые проходят в радиальном направлении от диска и корневые части которых введены в осевом направлении в полости наружной периферии диска, удерживаются в них в радиальном направлении и расположены с чередованием с зубцами. Лопатки также содержат внутренние платформы, расположенные в окружном направлении вплотную друг к другу так, что они совместно задают внутреннюю границу потока горячего газа, циркулирующего в турбине. Часть лопатки между внутренней платформой и корневой частью называется стойкой. В соответствии с данной конфигурацией между двумя смежными стойками образованы промежутки, которые образуют межстоечные или межлопаточные полости. На своих верхних и нижних по потоку концах платформы могут проходить в стенки, проходящие в радиально внутреннем направлении, с обеспечением частичного закрытия межлопаточных полостей в осевом направлении. В радиальных промежутках, образованных между корневыми частями лопаток и нижними частями отверстий, также образованы так называемые полости у нижних частей отверстий.

Для обеспечения надлежащей работы турбомашины охлаждающий воздух отбирается, например, из компрессора низкого или высокого давления и направляется из местоположения выше или ниже по потоку от диска к полостям у нижних частей отверстий для обеспечения охлаждения диска и его защиты от нагревания под действием горячего газа из струйного потока, циркулирующего между двумя смежными платформами.

Кроме того, когда вышеописанное ротационное устройство расположено выше по потоку от ротора турбины, между диском и верхним по потоку элементом статора образовано кольцевое пространство. Соответственно, это кольцевое пространство обеспечивает непосредственное сообщение горячей струи газа с внутренними элементами турбомашины. В данном случае охлаждающий воздух, подаваемый из местоположения выше по потоку от диска, также используется для предотвращения повторного введения струи газа в верхнее по потоку кольцевое пространство диска.

В случае отсутствия специального уплотнения выше по потоку от межлопаточных полостей и закрытия, например, радиальных стенок платформ охлаждающий воздух может протекать в зонах соединения между лопатками и циркулировать в межлопаточных полостях. Соответственно, такой охлаждающий воздух не участвует в охлаждении диска через полости у нижних частей отверстий и не способствует предотвращению повторного введения струи газа в направлении внутренних компонентов турбомашины, если это целесообразно. Такие протечки воздуха требуют большего отбора воздуха из компрессора низкого давления, что уменьшает полезную мощность турбомашины.

Одно решение, обеспечивающее минимизацию таких протечек воздуха, заключается, как описано в патентном документе Великобритании №2148404, в уплотнении межлопаточных полостей с использованием кругового уплотнительного кольца, установленного в осевом направлении вплотную к корневым частям лопаток и зубцам диска с обеспечением закрытия области, расположенной в радиальном направлении между полостями у нижних частей отверстий и межлопаточными полостями, и прочно удерживаемого на диске с помощью выступа. Между выступом и диском образован кольцевой проход, расположенный в радиальном направлении внутри кольца и предназначенный для направления охлаждающего воздуха от внутренней части диска к полостям у нижних частей отверстий. Таким образом, данное кольцо обеспечивает изоляцию между указанным кольцевым проходом для охлаждающего воздуха и межлопаточными полостями, расположенными снаружи кольца.

Однако было отмечено, что в процессе работы лопатка обладает некоторой степенью свободы в осевом направлении в полости, что является возможным, с одной стороны, поскольку осевые размеры корневых частей лопаток должны быть номинально меньше осевых размеров диска для гарантии того, что концы корневых частей лопаток никогда не пройдут дальше осевых концов полостей, во избежание возникновения напряжений от осевого сжатия в корневых частях лопаток, вызванных, например, примыканием выступа к верхней по потоку поверхности диска. Кроме того, эта степень свободы является возможной вследствие различной степени расширения диска и лопаток, в частности, когда лопатки выполнены из композитного материала с керамической матрицей (КМКМ), а диски выполнены из металлического сплава.

При эксплуатации эта степень свободы, соответственно, способствует образованию зазоров между уплотнительным кольцом, прижатым в осевом направлении к зубцам диска, и осевыми концами корневых частей лопаток. Таким образом, часть охлаждающего воздуха, подаваемого в полости у нижних частей отверстий, проходит через эти зазоры к межлопаточным полостям и больше не выполняет свою основную функцию, заключающуюся в охлаждении полостей в диске.

В патентном документе Великобритании №2148404 перед корневыми частями лопаток и зубцами в секторах кольца проходит последовательность пластин (одна из которых на фиг. 2 указанного документа обозначена номером 84 позиции), которые вдавливают круговое кольцо или уплотнительное кольцо в пространство, образованное осевым заплечиком. Вследствие воздействия центробежных сил при работе турбомашины кольцевое уплотнение плотно прижато к заплечику с обеспечением тем самым требуемого уплотнения. В процессе эксплуатации уплотнение (имеющее сечение S-образной формы или в форме по существу перевернутой по вертикали буквы «омега») испытывает значительные механические напряжения, и на странице 3 указанного документа отмечено, что изоляция зависит от деформации уплотнения. Таким образом, усталость уплотнения может сделать изоляцию менее надежной. Кроме того, когда воздействие центробежных сил является менее существенным или прекращается (при остановке машины), уплотнение может перемещаться в соответствующем ему пространстве, при этом может возникнуть повреждение или неправильное позиционирование.

Целью данного изобретения является предотвращение такого состояния и закрепление уплотнения путем обеспечения простого, эффективного и экономичного решения этих проблем.

Для этого в изобретении предложено ротационное устройство для турбомашины, содержащее диск, наружная периферия которого образована чередующимися полостями и зубцами, и лопатки, которые проходят в радиальном направлении от диска и корневые части которых введены в осевом направлении в полости диска и удерживаются в них в радиальном направлении, при этом зубцы диска и корневые части лопаток имеют у их верхних и/или нижних по потоку осевых концов осевые заплечики, расположенные в окружном направлении вплотную друг к другу с чередованием и совместно образующие непрерывную цилиндрическую поверхность, которая обращена в радиальном направлении к внутренней части диска и на которой удерживается кольцевое уплотнение с помощью части, прикрепленной к диску, при этом устройство отличается тем, что указанная часть проходит под заплечиками и прижимает кольцевое уплотнение к указанной цилиндрической поверхности в радиальном направлении.

Таким образом, когда кольцевая часть, прижимающая уплотнение, обеспечивает подачу воздуха, как изложено выше, охлаждающий воздух больше не может проходить в направлении межлопаточной полости вследствие постоянного контакта уплотнения с цилиндрической поверхностью, образованной заплечиками.

Предпочтительно часть, удерживающая уплотнение и прикрепленная к диску, имеет кольцевую канавку, в которой установлена кольцевое уплотнение. Соответственно, соединение надлежащим образом поддерживается и испытывает меньшее напряжение, что является благоприятным с точки зрения эксплуатационной долговечности и эффективности.

В соответствии с другой особенностью изобретения заплечики корневых частей лопаток образованы поверхностями радиально внутренних торцов верхних и/или нижних по потоку радиальных стенок, проходящих в поперечном направлении относительно корневой части лопатки, присоединенных снаружи к платформам лопаток и присоединенных изнутри к корневым частям лопаток (на некотором радиальном расстоянии от свободного конца, на котором расположены указанные заплечики). Таким образом, кольцевое уплотнение плотно закреплено на цилиндрической поверхности и больше не закреплено на радиальных поверхностях свободных концов корневых частей лопаток. Кольцевое уплотнение находится в постоянном контакте с цилиндрической поверхностью при любом относительном осевом перемещении корневых частей лопаток и полостей диска во время работы, что обеспечивает возможность более эффективного закрепления без нарушения непрерывности всей наружной поверхности уплотнения на цилиндрической поверхности, образованной осевыми заплечиками зубцов и корневых частей лопаток (ширина заплечиков корневых частей при необходимости может быть приведена в соответствие с надлежащей шириной или осевым размером корневых частей).

Дополнительное преимущество поперечных стенок заключается в изоляции межлопаточных полостей от воздействия струйного потока.

Указанная часть, прикрепленная к диску, может представлять собой кольцевой выступ, выполненный на верхней и/или нижней по потоку поверхности диска и содержащий зажимные захватные средства, взаимодействующие с сопряженными зажимными захватными средствами диска для удерживания выступа на диске в осевом направлении.

Выступ предпочтительно выполнен из нескольких секторов, расположенных в окружном направлении вплотную друг к другу, при этом каждая секция выступа имеет внутренний участок, радиально поддерживаемый в наружном направлении кольцевым уплотнением, и наружный участок, содержащий указанные зажимные захватные средства, взаимодействующие с указанными сопряженными зажимными захватными средствами, выполненными на зубцах диска, при этом сопряженные зажимные захватные средства диска выступают в осевом направлении относительно корневых частей лопаток.

Наружный участок каждой секции выступа преимущественно имеет радиальную стенку, проходящую снаружи в расширенную закраину, наружный свободный конец которой предназначен для опоры на верхние или нижние по потоку поперечные стенки лопаток.

Для получения максимального результата внутренний участок каждой секции выступа имеет цилиндрическую стенку, один концевой участок которой, обращенный к диску, радиально поддерживается в наружном направлении на кольцевом уплотнении и продолжен стенкой, имеющей форму усеченного конуса и проходящей во внутреннем направлении от диска, при этом между стенкой в форме усеченного конуса и диском расположено в осевом направлении разрезное круговое кольцо.

Такой монтаж с одной радиальной опорой цилиндрической стенки у уплотнения делает возможным, вследствие возобновления центробежных сил, действующих на указанную часть, вдавливание уплотнения между цилиндрической стенкой выступа и цилиндрической поверхностью, образованной заплечиком, для оптимальной изоляции. В холодном состоянии данную часть устанавливают путем зажимного захвата после размещения лопаток в их полостях. В процессе работы центробежная сила вызывает увеличение диаметра кольца, которое опирается на стенку в форме усеченного конуса, и приводит к осевому наклону секторов выступа вокруг линии зажимного захвата, в результате чего свободный конец расширенного выступа входит в контакт с поперечными радиальными стенками лопаток с исключением тем самым повторного введения струи воздуха между расширенными краями и поперечными радиальными стенками и с обеспечением лучшей тепловой защиты зубцов.

В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения указанная часть, прикрепленная к диску, представляет собой кольцо, поддерживающее уплотнительную кромку и предназначенное для взаимодействия с радиально противолежащим блоком, выполненным из истираемого материала.

Предпочтительно лопатка выполнена из композитного материала с керамической матрицей, а диск выполнен из металлического сплава, что обеспечивает возможность значительного уменьшения массы ротора (с соотношением плотности между металлическим сплавом и КМКМ в диапазоне от 3 до 4) и, соответственно, энергии, потребляемой турбомашиной.

Изобретение также относится к турбине турбомашины, отличающейся тем, что она содержит ротационное устройство в соответствии с одним из предыдущих пунктов.

Наконец, изобретение относится к турбомашине, такой как турбовинтовой двигатель или турбореактивный двигатель, отличающейся тем, что она содержит ротационное устройство в соответствии с одним из предыдущих пунктов.

Другие элементы, особенности и преимущества изобретения станут очевидны при прочтении нижеследующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает схематический вид в осевом разрезе известного ротационного устройства турбины,

фиг. 2 изображает схематический вид по линии II-II на фиг. 1,

фиг. 3 изображает вид в аксонометрии ротационного устройства согласно изобретению, если смотреть в направлении вниз по потоку, согласно выбранному варианту выполнения,

фиг. 4 изображает схематический вид того же типа, что и фиг. 2, согласно изобретению,

фиг. 5 изображает схематический вид в осевом разрезе ротационного устройства турбины согласно первому варианту выполнения изобретения,

фиг. 6 изображает схематический вид в осевом разрезе ротационного устройства турбины согласно второму варианту выполнения изобретения.

В соответствии с известным уровнем техники, как показано на фиг. 1 и 2, ротационное устройство содержит вращающийся диск 10, центр которого находится на оси 11 турбины и на наружной периферии которого имеются зубцы (вершина которых обозначена номером 12 позиции), чередующиеся с полостями (основание которых обозначено номером 14 позиции), в которые введены в осевом направлении и в которых удерживаются в радиальном направлении корневые части лопаток (внутренний конец которых обозначен номером 16 позиции), причем такие лопатки 18 проходят в радиальном направлении из полостей 14 в кольцевую струю воздушного потока 20 (показанную стрелкой А), поступающую из камеры сгорания (не показана).

Более конкретно, каждая лопатка 18 имеет аэродинамическую часть 22, проходящую в радиальном направлении от наружной стороны к внутренней стороне, платформу 24, по существу перпендикулярную продольной оси 26 лопатки 18 и задающую внутреннюю кольцевую границу струи 20 потока горячих газов, при этом платформа 24 присоединена стойкой 28 к корневой части 16, имеющей, например, форму пазового замка или аналогичную форму для обеспечения удерживания корневых частей 16 лопаток в полостях 14 в радиальном направлении. В соответствии с такой конфигурацией между двумя стойками, смежными в окружном направлении, образованы промежутки, называемые межстоечными или межлопаточными полостями 30. Кроме того, в радиальных промежутках, образованных между корневыми частями 16 и нижними частями отверстий 14, образованы так называемые полости 32 у нижних частей отверстий.

Поток В охлаждающего воздуха проводится из компрессора низкого давления, расположенного выше по потоку, например, к внутренней части турбины и используется, с одной стороны, для охлаждения полости 32 и, соответственно, диска 10 и, с другой стороны, для предотвращения повторного введения струи А газов в кольцевое пространство 34, образованное между диском 10 и верхним по потоку статорным элементом 36 и обеспечивающее непосредственное сообщение между струей 20 горячих газов и внутренними элементами турбомашины.

Для ограничения отбора охлаждающего воздуха из компрессора, отрицательно сказывающегося на эксплуатационных качествах турбомашины, выше по потоку и ниже по потоку от диска 10 выполнены уплотнительные средства, образующие два уплотнительных кольцевых контура для циркуляции охлаждающего воздуха В через полости 32 и в пространство 34 выше по потоку от диска 10. В частности, назначение таких уплотнительных средств заключается в предотвращении циркуляции охлаждающего воздуха В в межлопаточных полостях 30 через периферические промежутки между стойками 28, а не в содействии охлаждению диска 10 через полости 32 и не в предотвращении повторного введения струи А газа в кольцевое пространство 34 выше по потоку от диска.

Уплотнительные средства имеют стенки 38, проходящие в радиально внутреннем направлении от местоположения выше по потоку от платформ 24 лопаток 18 с обеспечением частичного уплотнения полостей 30, кольцевого выступа 40 и кругового кольца 42 в осевом направлении.

Выступ 40 имеет внутреннюю радиальную стенку 42, предназначенную для закрепления болтами 44 на радиальном кольцевом выступе 46, выполненном за одно целое с диском 10 с помощью соединительной стенки 48. Выступ также имеет стенку 50 в форме усеченного конуса, соединяющую стенку 42 с наружной радиальной кольцевой стенкой 52, опирающейся в осевом направлении вниз по потоку на круговое кольцо 42. В месте соединения между стенкой 42 выступа 40 и выступом 46 диска выполнены отверстия 54 для прохождения воздуха, обеспечивающие возможность циркуляции воздуха В между стенкой 50 выступа и стенкой 48 диска 10 к полостям 32.

Таким образом, радиальные стенки 38, проходящие от местоположения выше по потоку от платформ 24, и радиальная стенка 52 выступа 40 зажимают кольцо 42 в радиальном направлении выше по потоку от корневых частей 16 лопаток и диска 10 между платформами 24 и полостями 32. Данный узел используется для уплотнения в осевом направлении межлопаточных полостей 30, находящихся выше по потоку.

Нижние по потоку уплотнительные средства содержат кольцо 56, поддерживающее кромку 58 и взаимодействующее с блоком 60, выполненным из истираемого материала и расположенном на коллекторе (не показан), при этом кольцо 56 закреплено болтами 62 между нижним по потоку кольцевым выступом 64 диска 10 и верхним по потоку кольцевым выступом нижнего по потоку диска (не показан). Кольцо имеет изогнутое нижнее по потоку кольцевое плечо 66, упруго опирающееся в осевом направлении на круговое кольцо 68, примыкающее к нижним по потоку поверхностям зубцов 12 диска и корневых частей 16 лопаток. Кольцо 68 расположено в радиальном направлении непосредственно над полостями 32, так что охлаждающий воздух В проходит в направлении вниз по потоку, радиально внутрь плеча 66 кольца 56. В радиально внутреннем направлении от платформ, вниз по потоку к наружной периферии кольца 68 также проходят радиальные стенки 70 для осевого уплотнения межлопаточных полостей 30 ниже по потоку.

Для данной конфигурации было отмечено, что в процессе эксплуатации часть охлаждающего воздуха В проходит от нижних частей отверстий полостей 32 к межлопаточным полостям 30. Фактически, при эксплуатации, когда кольца 42, 68 прижаты к радиальным торцевым поверхностям зубцов 12 диска, между кольцами 42, 68 и осевыми концами корневых частей 16 лопаток образованы осевые зазоры 72. Это обусловлено, прежде всего, тем, что осевой размер корневой части 16 лопатки номинально меньше осевого размера диска 10 для гарантии того, чтобы концы корневых частей лопаток никогда не выходили за пределы полостей 14 для предотвращения передачи осевых напряжений сжатия от выступа 40 и кольца 56 к корневым частям 16, и, с другой стороны, тем, что корневые части 16 расширяются относительно меньше, чем зубцы диска. В частности, для лопаток 18 из композитного материала с керамической матрицей (КМКМ) и диска 10, изготовленного, например, из жаростойкого металлического сплава на основе никеля, поддающегося ковке, различие в расширении этих элементов определяется отношением два к трем. На фиг. 2 показано, как может быть образован осевой зазор 72 между кольцом 42 и осевым концом корневой части 16, обеспечивающий возможность прохождения охлаждающего воздуха из полости у нижней части отверстия к межлопаточной полости в радиальном направлении к местоположению за пределами зазора.

Как показано на фиг. 3 и 4, изобретение преимущественно обеспечивает возможность создания уплотнительных средств между полостями 32 и межлопаточными полостями 30, не подвергающихся воздействию относительных осевых перемещений концов корневых частей 16 и концов зубцов 12 диска 10, обусловленных разницей в расширении указанных элементов и производственными допусками.

В соответствии с изобретением заплечики 74, 76 расположены в окружном направлении вплотную друг к другу с чередованием у верхних и нижних по потоку концов корневых частей 16 и зубцов 12 диска с образованием верхней по потоку цилиндрической поверхности 78 и нижней по потоку цилиндрической поверхности 78, которые ориентированы во внутреннем направлении и на которых расположены кольцевые уплотнения 80. Указанные верхняя и нижняя по потоку цилиндрические поверхности могут считаться непрерывными вследствие примыкающего расположения заплечиков лопаток и диска. Такие заплечики выполнены в радиальном направлении на том же уровне, что и поверхности контакта между боковыми поверхностями зубцов 12 диска и боковыми поверхностями корневых частей 16 лопаток, когда корневые части прижаты в наружном направлении к зубцам вследствие действия центробежных сил. Как показано на фиг. 3, когда корневые части 16 расположены в полостях 14 и, таким образом, проходят в радиальном направлении к нижним частям отверстий полостей 32, свободный конец 160 каждой корневой части расположен в радиальном внутреннем направлении глубже, чем его заплечик 74. При этом нижняя часть каждой полости 32 является закрытой и не сообщается с полостью, в которой находится смежная корневая часть, в отличие от описанного в патентном документе Великобритании №2148404, в котором, поскольку свободный конец 68 каждой корневой части лопатки образует заплечик для уплотнения 70, установочное пространство 56 является окружным и общим для всех корневых частей. Решение, которое представлено в данном документе и в котором используются отдельные зубцы и полости, является предпочтительным.

Для этого каждая лопатка имеет верхнюю по потоку поперечную радиальную стенку 84 и нижнюю по потоку поперечную радиальную стенку 84, проходящие в радиальном направлении между платформой 24 и корневой частью 16. Когда лопатки выполнены из КМКМ, эти стенки 84 могут быть выполнены из КМКМ путем тканья или спекания и смонтированы с помощью высокотемпературной пайки, совместного прессования, силицирования. Когда лопатки выполнены из металла, они могут быть выполнены как одно целое путем формования с верхним и нижним по потоку концами стоек 28. Эти верхние и нижние по потоку поперечные стенки 84 также могут быть закреплены аналогичным способом снаружи на платформе 24 лопатки. На внутренних концах стенок 84 имеется радиальный палец 88, частично проходящий над высотой корневой части 16, 90, между участками у наружных концов зубцов 12, выступающими в осевом направлении. Внутренние торцевые поверхности 74 пальцев 88 и внутренние поверхности 76 выступающих частей 90 зубцов 12 диска образуют участки 78 цилиндрической поверхности, совмещенные в окружном направлении, обращенные в радиальном направлении внутрь, расположенные в радиальном направлении снаружи нижних частей отверстий полостей 32 и имеющие осевую толщину, достаточную для образования заплечиков 74, 76, на которых может быть расположено кольцевое уплотнение 80.

Эти участки 74, 76 поверхности совмещены в окружном направлении вплотную друг с другом, что обеспечивает возможность получения сплошной поверхности 78, которая может использоваться для установки уплотнения. Размеры участков цилиндрической поверхности в осевом направлении являются достаточно большими для сохранения (в процессе эксплуатации) цилиндрической поверхности 78, с которой уплотнение 80 остается в контакте с обеспечением постоянного уплотнения несмотря на вышеописанные относительные различия между осевыми концами зубцов 12 диска и корневых частей 16 лопаток. Поперечные радиальные стенки 84 в случае лопатки из КМКМ могут быть выполнены путем низкотемпературной пайки пластины на осевой торцевой поверхности лопатки.

Вышеописанное изобретение реализовано в двух вариантах выполнения, первый из которых изображен на фиг. 5, а второй изображен на фиг. 6. В обоих вариантах выполнения на одной из поверхностей диска 10 и лопаток 18 расположены кольцевые части для обеспечения плотного удерживания уплотнения 80 у цилиндрической поверхности 78 заплечиков 74, 76 и образования контура охлаждающего воздуха, проходящего через нижние части отверстий полостей 32. Таким образом, устранена протечка из контура охлаждающего воздуха к межлопаточным полостям 30.

В первом варианте выполнения, изображенном на фиг. 5, кольцевой частью, добавленной выше по потоку, является разделенный на секторы выступ 92, имеющий внутренний участок 94 и наружный участок 96. Внутренний участок 94 имеет цилиндрическую стенку 98, участок которой, проходящий напротив диска, образует прерыватель потока, а участок, расположенный вблизи диска и проходящий под заплечиками 74, 76, имеет кольцевую канавку 100, в которой установлено кольцевое уплотнение 80, прижатое к цилиндрической поверхности 78 заплечиков. Участок вблизи цилиндрической стенки присоединен к стенке 102 в форме усеченного конуса, проходящей во внутреннем направлении от диска и присоединенной на ее внутреннем конце к цилиндрической закраине 104, проходящей по направлению к диску 10. Между стенкой 102 выступа и радиальными поверхностями зубцов 12 и корневых частей 18 лопатки, противоположными в осевом направлении указанной стенке, установлено круговое разрезное кольцо 106 с клиновидным или треугольным сечением.

Цилиндрическая стенка 98 выступа 92 также присоединена к наружной части 96, имеющей радиальную стенку 108, проходящую в радиально наружном направлении выше по потоку от зажимных захватных элементов 110, выполненных на верхних по потоку концах выступающих участков 90 зубцов 12 диска. Такие захватные элементы 110 зубцов диска выступают в направлении вверх по потоку относительно верхних по потоку поперечных радиальных стенок 84 лопаток и имеют L-образные крюки и чередующиеся с ними в окружном направлении полые участки. Наружный конец радиальной стенки 108 выступа 92 имеет L-образные крюки 86 и полые участки. L-образные крюки выступа 92 взаимодействуют с крюками зубцов 12 диска для обеспечения удерживания выступа 92 на диске 10 в осевом направлении. Радиальная стенка 108 дополнительно присоединена снаружи к расширенной закраине 112 ниже по потоку, предназначенной для примыкания к стенкам 84 лопаток.

Такой монтаж обеспечивает возможность, благодаря возобновлению центробежных сил, действующих на указанную часть, радиального вдавливания уплотнения 80 между цилиндрической стенкой 98 выступа и цилиндрической поверхностью 78, образованной заплечиками 74, 76, для получения оптимальной изоляции. В холодном состоянии указанная часть установлена путем зажимного захвата после размещения лопаток 18 в их полостях 14. При эксплуатации разрезное кольцо 106 открывается в окружном направлении под действием центробежных сил и скользит между конусной стенкой 102 и диском 10 с обеспечением наклона секторов выступа 92 относительно оси, расположенной в области зажатия и по существу перпендикулярной оси 11 турбины, для обеспечения контакта свободного конца закраины 112 со стенками 84 и, таким образом, защиты выступающих участков 90 зубцов диска от струи воздуха А.

В процессе эксплуатации охлаждающий воздух проходит между стенкой 102 и диском 10 и поступает к нижним частям отверстий полостей 32, расположенным теперь под кольцом 106.

Ниже по потоку от диска, в случае когда охлаждающий контур не ограничен только нижней частью отверстия, но также охлаждает кольцо 56, поддерживающее уплотнительные кромки, вдавливание уплотнения 80 обеспечивается наружной поверхностью верхнего по потоку конца плеча 66 кольца 56 под действием центробежных сил во время работы.

Таким образом, уплотнительные средства согласно данному изобретению, расположенные выше по потоку от диска, могут использоваться в комбинации с уплотнительными средствами ниже по потоку от диска, или же эти средства могут использоваться независимо друг от друга. Фактически, оптимальная изоляция не требует выполнения заплечиков выше и ниже по потоку от диска.

Во втором варианте выполнения, изображенном на фиг. 6, кольцевой частью, введенной выше по потоку, является кольцевой выступ 114, выполненный в виде единого элемента. В этом варианте выполнения ступица 116 диска 10 имеет осевое расширение 118 непосредственно перед ее наружным концом. Зажимные захватные средства 110 в данном варианте выполнения выполнены в окружном направлении на верхней по потоку поверхности ступицы 116 внутри ее расширения 118.

В отличие от первого варианта выполнения, поскольку цилиндрическая стенка 116 выступа 114 проходит под заплечиками 74, 76 зубцов диска и корневых частей лопаток и в радиальном направлении примыкает к уплотнению 80, она присоединена на своем конце не к стенке в форме усеченного конуса, а к кольцевой стенке 120, проходящей в радиальном направлении к внутренней части диска 10 до захватных средств 110 ступицы и имеющей форму, соответствующую форме диска 10. Эта стенка совместно с противолежащим участком диска ограничивает кольцевой проход для потока В охлаждающего воздуха между стенкой 120 и диском. На своем внутреннем конце эта стенка также имеет зажимные захватные средства 86, взаимодействующие с захватными средствами 110 диска для запирания выступа 114 в осевом направлении.

В холодном состоянии выступ 114 установлен с предварительным напряжением вплотную к уплотнению 80, опирающемуся в радиальном направлении на цилиндрическую поверхность 78 заплечиков.

Данный второй вариант выполнения верхнего по потоку выступа 114 имеет преимущество, заключающееся в обеспечении лучшей изоляции верхнего по потоку участка диска по сравнению с первым вариантом выполнения благодаря выполнению указанного выступа в виде единого элемента. Кроме того, он уменьшает осевые усилия, действующие на зубцы 12 диска 10, благодаря расположению захватных средств у ступицы 116. Однако выступ 92 согласно первому варианту выполнения обладает более высокой механической прочностью, поскольку разделен на секторы, и обеспечивает более надежный осевой контакт между закраиной 121 и поперечными радиальными стенками 84.

Ротационное устройство для турбомашины содержит диск, наружная периферия которого образована чередующимися полостями и зубцами, и лопатки. Лопатки проходят в радиальном направлении от диска, введены в осевом направлении в указанные полости диска и удерживаются в них в радиальном направлении. Зубцы диска и корневые части лопаток имеют у их верхних и/или нижних по потоку осевых концов осевые заплечики, расположенные в окружном направлении вплотную друг к другу с чередованием и совместно образующие непрерывную цилиндрическую поверхность. Непрерывная цилиндрическая поверхность обращена в радиальном направлении к внутренней части диска и на ней удерживается кольцевое уплотнение с помощью части, прикрепленной к диску. Часть, прикрепленная к диску, проходит под заплечиками и прижимает кольцевое уплотнение к указанной цилиндрической поверхности в радиальном направлении. Другие изобретения группы относятся к турбине для турбомашины и к турбомашине, содержащим указанное выше ротационное устройство. Группа изобретений позволяет повысить надежность уплотнения и обеспечить снижение циркуляции охлаждающего воздуха между лопатками. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ротационное устройство для турбомашины, содержащее диск (10), наружная периферия которого образована чередующимися полостями (14) и зубцами (12), и лопатки (18), которые проходят в радиальном направлении от диска (10) и корневых частей (16), введены в осевом направлении в указанные полости (14) диска и удерживаются в них в радиальном направлении, при этом указанные зубцы (12) диска и корневые части (16) лопаток имеют у их верхних и/или нижних по потоку осевых концов осевые заплечики (74, 76), расположенные в окружном направлении вплотную друг к другу с чередованием и совместно образующие непрерывную цилиндрическую поверхность (78), которая обращена в радиальном направлении к внутренней части диска и на которой удерживается кольцевое уплотнение (80) с помощью части (56, 92, 114), прикрепленной к диску, отличающееся тем, что указанная часть (56, 92, 114) проходит под заплечиками (74, 76) и прижимает кольцевое уплотнение (80) к указанной цилиндрической поверхности (78) в радиальном направлении.

2. Ротационное устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная часть (56, 92, 114) имеет кольцевую канавку (100), в которой установлено указанное кольцевое уплотнение (80).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что заплечики (74) корневых частей (16) лопаток образованы радиально внутренними торцами верхней и/или нижней по потоку радиальных стенок (84), проходящих в поперечном направлении относительно корневой части лопатки, присоединенных снаружи к платформам (24) лопаток и присоединенных изнутри к корневым частям (16) лопаток.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная часть, прикрепленная к диску, представляет собой кольцевой выступ (92, 114), расположенный на верхней и/или нижней по потоку поверхности диска и содержащий зажимные захватные средства (86), взаимодействующие с сопряженными зажимными захватными средствами (110) диска (10) для удерживания выступа на диске в осевом направлении, при этом выступ (92) выполнен из нескольких секторов, расположенных в окружном направлении вплотную друг к другу, причем каждая секция выступа имеет внутренний участок (94), радиально поддерживаемый в наружном направлении кольцевым уплотнением (80), и наружный участок (96), содержащий указанные зажимные захватные средства (86), взаимодействующие с указанными сопряженными зажимными захватными средствами (110), выполненными на зубцах (12) диска, при этом сопряженные зажимные захватные средства диска выступают в осевом направлении относительно корневых частей (16) лопаток.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что заплечики (74) корневых частей (16) лопаток образованы радиально внутренними торцами верхней и/или нижней по потоку радиальных стенок (84), проходящих в поперечном направлении относительно корневой части лопатки, присоединенных снаружи к платформам (24) лопаток и присоединенных изнутри к корневым частям (16) лопаток, при этом наружный участок (96) каждой секции (92) выступа имеет радиальную стенку (108), проходящую снаружи в расширенную закраину (112), наружный свободный конец которой предназначен для опоры на верхние или нижние по потоку поперечные стенки (84) лопаток.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что внутренний участок (94) каждой секции выступа (92) имеет цилиндрическую стенку (98), один концевой участок которой, обращенный к диску, радиально поддерживается в наружном направлении на кольцевом уплотнении (80) и продолжен стенкой (102) в форме усеченного конуса, проходящей во внутреннем направлении от диска (10), при этом между стенкой (102) в форме усеченного конуса и диском (10) расположено в осевом направлении разрезное круговое кольцо (106).

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что указанная часть, прикрепленная к диску, представляет собой кольцо (56), поддерживающее уплотнительные кромки (58) для взаимодействия с радиально противолежащим блоком (60), выполненным из истираемого материала.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что лопатка (18) выполнена из композитного материала с керамической матрицей, а диск (10) выполнен из металлического сплава.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цилиндрическая поверхность (78), которая обращена в радиальном направлении к внутренней части диска и на которой удерживается с опорой кольцевое уплотнение (80), не имеет канавки, в которую могло бы быть установлено кольцевое уплотнение.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая полость (14) имеет нижнюю часть, при этом каждая нижняя часть полости является закрытой и не сообщается с полостью, в которой размещена корневая часть смежной лопатки.

11. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что заплечики (74, 76) выполнены в радиальном направлении на том же уровне, что и поверхности контакта, расположенные между боковыми поверхностями зубцов (12) диска и боковыми поверхностями корневых частей (16) лопаток, когда корневые части прижаты в наружном направлении к зубцам под действием центробежных сил.

12. Турбина для турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит ротационное устройство по одному из предыдущих пунктов.

13. Турбомашина, например турбовинтовой двигатель или турбореактивный двигатель, отличающаяся тем, что она содержит ротационное устройство по одному из пп. 1-11.