РОТАЦИОННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩЕГО САМОПОДДЕРЖИВАЮЩИЙСЯ КОЖУХ РОТОРА Российский патент 2020 года по МПК F01D11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее представление относится к узлу ротора для турбинного двигателя, предпочтительно турбинного типа, предоставляющему возможность более оптимального управления радиальным зазором между двумя соосными частями. Настоящее представление фокусируется, главным образом, на области авиационных турбореактивных двигателей, но может применяться, в целом, к любому типу турбинного двигателя, в авиационной области или в других областях.

Предшествующий уровень техники

В турбине турбинного двигателя ротор приводится в действие потоком воздуха, который распространяется на лопатки ротора, по этой причине передавая некоторую часть своей энергии лопаткам. Однако зачастую выясняется, что некоторая часть воздушного потока, в целом, называемая "обходом", протекает вокруг внутренних и внешних платформ набора лопаток и, следовательно, не распространяется на набор лопаток, таким образом, снижая рабочую характеристику турбины.

Чтобы ограничивать эту неэффективную циркуляцию воздуха, которая обходит лопатки, концы подвижных лопаток ротора, как правило, оснащаются щетками, приспособленными зазубривать дорожку из истираемого материала, поддерживаемого статором, обеспечивая герметизацию потока на концах подвижных лопаток. Аналогичное устройство предусматривается для неподвижных лопаток (или сопел): кожух, известный как "лабиринт", фактически предусматривается между двумя колесами подвижных лопаток и несет щетки, приспособленные, чтобы зазубривать дорожку из истираемого материала, поддерживаемого ножками неподвижных лопаток, обеспечивая герметизацию потока на ножках неподвижных лопаток.

Однако, чтобы эта система была эффективной, важно минимизировать радиальные зазоры, отделяющие щетки от истираемых дорожек. Далее, поскольку высокая и равномерная температура преобладает в турбине, явления дифференциального расширения некоторых элементов могут возникать и модифицировать зазоры между некоторыми частями, в частности, между такими частями, которые изготовлены из различных материалов или располагаются более или менее рядом с воздушным потоком и, следовательно, подвержены более или менее высоким температурам. Например, радиальное смещение лабиринтного кожуха меньше радиального смещения неподвижных лопаток: следовательно, отмечается увеличение в зазоре, отделяющем щетки, поддерживаемые лабиринтным кожухом, от истираемой дорожки, поддерживаемой неподвижными лопатками, а, следовательно, отмечается и увеличение в обходной циркуляции и снижение в рабочей характеристике турбины.

Чтобы решать эту проблему и исправлять эти зазоры при эксплуатации, система клапанов предоставляет возможность холодному воздуху циркулировать вдоль внешней стенки корпуса турбины, чтобы охлаждать этот корпус и, следовательно, управлять его расширением, что оказывает влияние на радиальные зазоры, неподвижные лопатки фиксируются на этом корпусе. Однако, такая система имеет недостаток забора значительной доли свежего воздуха, который, следовательно, не может обслуживать другое оборудование турбинного двигателя.

Другим недостатком текущих турбин является то, что дифференциальное расширение, возникающее между лабиринтным кожухом, или кольцом, несущим истираемую дорожку, и элементами, на которых он установлены, создает значительные механические напряжения на границе между этими частями, вызывая преждевременный износ и, следовательно, сокращение срока их эксплуатации.

Следовательно, существует реальная необходимость в узле ротора для турбинного двигателя, который, по меньшей мере, частично лишен недостатков, присущих вышеназванным конфигурациям.

Описание изобретения

Настоящее описание относится к узлу ротора для турбинного двигателя, типа турбины или компрессора, содержащему ротор, содержащий, по меньшей мере, две последовательные ступени ротора, оборудованных множеством подвижных лопаток, и кожух ротора, кольцеобразный, соединяющий упомянутые две последовательные ступени ротора; статор, содержащий, по меньшей мере, одну ступень статора, оборудованную множеством неподвижных лопаток, предусмотренных между упомянутыми двумя последовательными ступенями ротора, и статорное кольцо, кольцеобразное, установленное на упомянутых неподвижных лопатках; в котором один из элементов - кожух ротора или статорное кольцо несет, по меньшей мере, одну щетку, сконфигурированную, чтобы взаимодействовать с истираемой дорожкой, переносимой другим из упомянутых элементов; кожух ротора содержит, на каждом из своих верхнего по потоку и нижнего по потоку концах, либо контактный фрагмент осевого типа, проходящий ниже стопора соответствующей ступени ротора, либо контактный фрагмент наклонного типа, опирающийся на наклонную опорную поверхность соответствующей ступени ротора.

В настоящем описании термины "продольный", "поперечный", "нижний", "верхний", "под", "на" и их производные определятся относительно основного направления лопаток; термины "осевой", "радиальный", "касательный", "внутренний", "внешний" и их производные как таковые определяются относительно основной оси турбинного двигателя; "осевая плоскость" означает плоскость, проходящую через основную ось турбинного двигателя, а "радиальная плоскость" означает плоскость, перпендикулярную этой основной оси; наконец, термины "верхний по потоку" и "нижний по потоку" определяются относительно циркуляции воздуха в турбинном двигателе.

В таком узле ротора, благодаря этим контактным фрагментам кожуха ротора, традиционно называемого "лабиринтным кожухом", кожух ротора устанавливается между ступенями ротора, но движения радиального расширения ступеней ротора не влияют или только слегка влияют на позицию кожуха ротора.

Фактически, в случае контактного фрагмента осевого типа, когда бездействует, стопор ступени ротора удерживает кожух ротора против действия силы тяготения, но, когда функционирует, когда вся ступень ротора расширяется под действием тепла, приносимого потоком воздуха, стопор смещается наружу, перемещаясь наружу от контактного фрагмента кожуха ротора: движение расширения ступени ротора, следовательно, не сообщается кожуху ротора.

В случае контактного фрагмента наклонного типа этот контактный фрагмент опирается на наклонную опорную поверхность ступени ротора: таким образом, когда ступень ротора расширяется под действием тепла, опорная поверхность перемещается наружу и увлекает с собой кожух ротора. Однако, одновременно, узел ротора в своей полноте также расширяется в осевом направлении, увеличивая расстояние, разделяющее две последовательные ступени ротора: следовательно, контактный фрагмент наклонного типа кожуха ротора скользит по наклонной поверхности ступени ротора и, следовательно, перемещается внутрь и вниз. Наклон опорной поверхности и контактного фрагмента может, таким образом, быть отрегулирован, чтобы управлять суммарным радиальным перемещением кожуха ротора, которое является суммой этих двух способствующих факторов; это радиальное перемещение может, в частности, быть, по существу, отменено.

Таким образом, расширение ступеней ротора, как правило, значительное, больше не оказывает, или почти больше не оказывает влияния на радиальную позицию кожуха ротора: эта позиция затем регулируется исключительно посредством свойств, характерных для кожуха ротора (в частности, его коэффициентом теплового расширения) и его температуры. Таким образом, можно легко управлять позицией кожуха ротора и ограничивать зазор, разделяющий щетки и соответствующую изнашиваемую полосу, воздействуя на эти параметры, в частности, выбирая материал с низким коэффициентом теплового расширения.

Также, вследствие такой конфигурации кожух ротора и ступени ротора могут расширяться по-разному без радиальных механических напряжений, возникающих на границе между этими частями, что продлевает срок службы узла ротора.

Кроме того, стопор, в случае контакта осевого типа, или контактная поверхность, в случае контакта наклонного типа, препятствуют протеканию потока воздуха вокруг кожуха ротора и поступлению в междисковое пространство.

В некоторых вариантах осуществления ротор конфигурируется так, чтобы блокировать в осевом направлении кожух ротора или ориентировать его по направлению к устойчивой осевой позиции. Это гарантирует, что осевая позиция кожуха является устойчивой во время эксплуатации узла ротора, и что он продолжает обеспечивать изоляцию междискового пространства. В частности, за счет такой конструкции, в случае контакта наклонного типа, наклонная опорная поверхность ступени ротора автоматически ориентирует кожух ротора, который скользит по этой поверхности по направлению к устойчивой позиции.

В некоторых вариантах осуществления кожух ротора содержит крайний фрагмент, формирующий контактный фрагмент осевого типа, который проходит радиально наружу и входит в зацепление с крюкообразной частью части основания соответствующей ступени ротора. Крюкообразная часть блокирует в осевом направлении кожух ротора, но оставляет относительное осевое перемещение свободным до стопора, сформированного полостью крюка.

В некоторых вариантах осуществления кожух ротора содержит крайний фрагмент, формирующий контактный фрагмент осевого типа, который протягивается в осевом направлении и зацепляется под выступом, проходящим в осевом направлении от части основания соответствующей ступени ротора.

В некоторых вариантах осуществления стопор ступени ротора проходит от ножки подвижной лопатки или от нижней стенки или фланца, соединяющего ножки подвижных лопаток. Когда часть основания ступени ротора является нижней стенкой или фланцем, она проходит предпочтительно на 360°, непрерывно или разбитой на сектора, вдоль этого элемента.

В некоторых вариантах осуществления контактный фрагмент наклонного типа имеет тот же наклон, что и наклонная опорная поверхность соответствующей ступени ротора.

В некоторых вариантах осуществления наклон контактного фрагмента наклонного типа относительно основной оси узла ротора находится между 15 и 75°, предпочтительно между 35 и 65°. В таком диапазоне значений скольжение кожуха ротора внутрь вдоль наклонной контактной поверхности, вызванное осевым расширением узла ротора, компенсирует до некоторой степени точно перемещение наружу, вызванное радиальным расширением ступеней ротора.

В некоторых вариантах осуществления наклонная опорная поверхность ступени ротора является внешней поверхностью выступа, проходящего от части основания ступени ротора, предпочтительно от хвоста подвижной лопатки или от нижней стенки или фланца, соединяющего хвосты подвижных лопаток. Этот выступ может принимать форму кольцеобразной манжеты, проходящей на 360° непрерывно или разбитой на сектора.

В некоторых вариантах осуществления наклонная опорная поверхность ступени ротора является внешней поверхностью опорного кожуха, соединенного с или формирующего нераздельную часть для части основания ступени ротора. Этот опорный кожух предпочтительно является непрерывным на 360° или разделенным на части.

В некоторых вариантах осуществления опорный кожух содержит крайний фрагмент, который проходит радиально наружу и входит в зацепление с крюкообразной частью части основания ступени ротора. Такой прием является способом фиксации позиции указанного опорного кожуха.

В некоторых вариантах осуществления ротор содержит приводное устройство для приведения кожуха ротора во вращение, когда ступени ротора вращаются. При эксплуатации кожух ротора вращается как одно целое со ступенями ротора, обеспечивая надлежащую работу ротора.

В некоторых вариантах осуществления устройство привода содержит приводные выступы, переносимые, для некоторых из этих выступов, элементом, соединенным со ступенями ротора, и, для других из этих выступов, кожухом ротора, и сконфигурированным, чтобы взаимодействовать друг с другом так, чтобы приводить кожух ротора во вращение, когда ступени ротора вращаются. Таким образом, когда ступени ротора вращаются, выступы ступеней ротора толкают и приводят в движение выступы кожуха ротора без препятствования свободе радиального перемещения кожуха ротора.

В некоторых вариантах осуществления каждая ступень ротора содержит диск, на который устанавливаются подвижные лопатки соответствующей ступени ротора, междисковый кожух, соединяющий диски двух последовательных ступеней ротора, и приводное устройство содержит приводные выступы, предусмотренные, для некоторых из них, на междисковом кожухе и, для других, под кожухом ротора и сконфигурированные, чтобы взаимодействовать друг с другом так, чтобы приводить кожух ротора во вращение, когда ступени ротора вращаются. Кожух ротора может, в частности, содержать лапки, протягивающиеся внутрь в направлении междискового кожуха и взаимодействующие с выпуклостями междискового кожуха.

В некоторых вариантах осуществления некоторый зазор остается между концом приводных выступов кожуха ротора и междисковым кожухом. Таким образом, кожух ротора не поддерживается на междисковом кожухе и, следовательно, не сдвигается радиально, когда междисковый кожух расширяется.

В некоторых вариантах осуществления приводное устройство содержит приводные выступы, предусмотренные, для некоторых из них, на опорном кожухе и, для других, под кожухом ротора и сконфигурированные, чтобы взаимодействовать друг с другом так, чтобы приводить кожух ротора во вращение, когда ступени ротора вращаются. Эти выступы предпочтительно являются канавками, сцепляющимися друг с другом.

В некоторых вариантах осуществления приводное устройство содержит приводные выступы, поддерживаемые, для некоторых из них, частью основания ступени ротора и, для других, кожухом ротора и сконфигурированные, чтобы взаимодействовать друг с другом так, чтобы приводить кожух ротора во вращение, когда ступени ротора вращаются. Эти выступы предпочтительно являются канавками, сцепляющимися друг с другом.

В некоторых вариантах осуществления истираемая дорожка поддерживается статорным кольцом, а упомянутая, по меньшей мере, одна щетка поддерживается кожухом ротора. Изобретатели фактически отметили, что обратная конфигурация является менее предпочтительной.

В некоторых вариантах осуществления кожух ротора выполнен из композитного материала с керамической матрицей. Этот материал является более легким, хорошо выдерживает нагрев и имеет более низкий коэффициент расширения, чем у металла. Его хорошее сопротивление теплу, в частности, уменьшает или даже устраняет охлаждающую циркуляцию междискового пространства и, следовательно, уменьшает отбор воздуха выше по потоку, улучшая рабочую характеристику турбинного двигателя.

В некоторых вариантах осуществления подвижные лопатки, а более обобщенно, ступени ротора, выполнены из металла.

В некоторых вариантах осуществления статорное кольцо устанавливается на неподвижные лопатки посредством крепежного устройства, подразумевающего множество радиальных вырезов, каждый вырез выполняется в радиальной лапке статорного кольца или радиальной лапке, соединенной с неподвижными лопатками, и множество штифтов, каждый штифт поддерживается радиальной лапкой статорного кольца или радиальной лапкой, соединенной с неподвижными лопатками и сконфигурированной, чтобы зацеплять соответствующий вырез из упомянутых радиальных вырезов.

В таком узле ротора, благодаря этому крепежному устройству статорное кольцо устанавливается на неподвижные лопатки, но его перемещения радиального расширения/сжатия полностью декоррелированы от перемещений неподвижных лопаток. Фактически, когда расширение неподвижных лопаток больше расширения статорного кольца, например, вследствие более высокой температуры или материала, имеющего более высокий коэффициент расширения, штифты крепежного устройства могут свободно перемещаться в радиальных вырезах и, следовательно, не сообщают свое перемещение статорному кольцу.

Следовательно, статорное кольцо и неподвижные лопатки могут расширяться по-разному без механических напряжений, возникающих на границе между этими частями, что продлевает срок службы узла ротора.

Также, расширение неподвижных лопаток, как правило, значительное, больше не оказывает влияния на радиальную позицию статорного кольца: эта позиция тогда определяется исключительно по свойствам, характерным для статорного кольца, по существу, по его температуре и его коэффициенту теплового расширения, и больше не зависит от длинной цепочки размеров различных частей, установленных друг на друга. Таким образом, можно легко управлять позицией статорного кольца и ограничивать зазор, разделяющий щетки и соответствующую изнашиваемую полосу, воздействуя на эти параметры, в частности, выбирая материал с низким коэффициентом теплового расширения. Кроме того, система охлаждения корпуса для единственной цели управления этими зазорами является избыточной, поскольку статорное кольцо больше не соединяется радиально с корпусом, что экономит свежий воздух для другого оборудования.

В любом случае следует подчеркнуть, что, если статорное кольцо является свободным для перемещения в радиальном расширении/сжатии относительно основной оси узла ротора, это крепежное устройство по касательной блокирует статорное кольцо: это статорное кольцо, следовательно, не может поворачиваться и остается прикрепленным к статору. Радиальные лапки, соединенные с неподвижными лопатками и поддерживаемые статорным кольцом, могут также расклинивать в осевом направлении статорное кольцо относительно неподвижных лопаток.

Также, если, по меньшей мере, два радиальных выреза направлены в двух различных направлениях, это крепежное устройство автоматически центрирует роторное кольцо на основной оси узла ротора.

В некоторых вариантах осуществления каждый радиальный вырез крепежного устройства выполняется в радиальной лапке статорного кольца.

В некоторых вариантах осуществления каждый штифт крепежного устройства поддерживается радиальной лапкой, соединенной с неподвижными лопатками.

В некоторых вариантах осуществления сопловое кольцо объединяет ножки неподвижных лопаток, это сопловое кольцо содержит радиальный фланец, который несет, по меньшей мере, некоторые штифты крепежного устройства, и/или в котором выполнены, по меньшей мере, некоторые радиальные вырезы крепежного устройства. Это сопловое кольцо может быть непрерывным на 360°, разделенным на части или на сектора. Этот радиальный фланец, протягивается, следовательно, на 360° и препятствует прохождению воздуха на уровне крепежного устройства, что отвергает конфигурацию, содержащую множество отдельных и дискретных лапок.

В некоторых вариантах осуществления сопловое кольцо разделено на сектора, и каждых из его секторов несет штифт. Каждый сектор предпочтительно содержит три-пять неподвижных лопаток.

В некоторых вариантах осуществления статорное кольцо содержит первый радиальный фланец, который несет, по меньшей мере, некоторые штифты крепежного устройства, и/или в котором выполнены, по меньшей мере, некоторые радиальные вырезы крепежного устройства. Статорное кольцо может быть непрерывным на 360° или разделено на части; этот радиальный фланец, следовательно, проходит на 360° и препятствует прохождению воздуха на уровне крепежного устройства, что отвергает конфигурацию, содержащую множество отдельных и дискретных лапок. Также возможно прижимать этот радиальный фланец к радиальному фланцу соплового кольца, чтобы более легко расклинивать в осевом направлении статорное кольцо относительно неподвижных лопаток.

В некоторых вариантах осуществления статорное кольцо содержит второй радиальный фланец, каждую радиальную лапку, соединенную с неподвижными лопатками, конфигурируемыми, чтобы зацепляться между первым и вторым радиальными фланцами статорного кольца. Радиальные лапки, соединенные с неподвижными лопатками, предпочтительно принимающие форму радиального фланца, зацепляются между первым и вторым фланцами статорного кольца, обеспечивая блокировку роторного кольца в осевом направлении относительно неподвижных лопаток.

В некоторых вариантах осуществления второй радиальный фланец статорного кольца является сплошным, т.е., не имеет отверстия. Следовательно, циркуляция воздуха, проходящего через крепежное устройство, затрудняется еще больше.

В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые радиальные вырезы являются продолговатыми отверстиями, протягивающимися радиально.

В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые радиальные вырезы являются продолговатыми выемками, проходящими радиально от края их соответствующих радиальных лапок.

В некоторых вариантах осуществления радиальные вырезы крепежного устройства расположены с равными интервалами в радиальной плоскости прямо вокруг статорного кольца. Это обеспечивает конфигурацию, имеющую, по меньшей мере, некоторые симметрии, делающие центрирование статорного кольца более простым и улучшающие его поведение в эксплуатации.

В некоторых вариантах осуществления статорное кольцо выполнено из композитного материала с керамической матрицей. Этот материал является более легким, хорошо выдерживает нагрев и имеет коэффициент расширения меньше чем у металла.

В некоторых вариантах осуществления неподвижные лопатки и сопловое кольцо выполнены из металла.

В некоторых вариантах осуществления статорное кольцо и кожух ротора имеют коэффициенты теплового расширения, близкие друг к другу, предпочтительно равные ±10%, более предпочтительно равные ±5%. Таким образом, эти две самоподдерживаемые части перемещаются практически одинаковым образом при эксплуатации.

В некоторых вариантах осуществления статорное кольцо и кожух ротора выполнены из одинакового материала.

Настоящее описание также относится к узлу ротора для турбинного двигателя, турбинного или компрессорного типа, содержащему ротор, содержащий, по меньшей мере, две последовательные ступени ротора, оборудованные множеством подвижных лопаток, и кожух ротора, кольцеобразный, содержащий упомянутые две последовательные ступени ротора; статор, содержащий, по меньшей мере, одну ступень статора, оборудованную множеством неподвижных лопаток, предусмотренных между упомянутыми двумя последовательными ступенями ротора, и статорное кольцо согласно любому варианту осуществления из вариантов осуществления, представленных в данном документе выше, установленное на упомянутые неподвижные лопатки, в котором кожух ротора либо статорное кольцо несет, по меньшей мере, одну щетку, выполненную с возможностью взаимодействия с истираемой дорожкой, предусмотренной на другом из упомянутых элементов.

Настоящее описание также относится к турбинному двигателю, содержащему узел ротора согласно любому варианту осуществления из предшествующих вариантов осуществления.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов осуществления узла ротора и турбинного двигателя, со ссылками на фигуры чертежей, на которых идентичные элементы (или части элементов) обозначаются одинаковыми ссылочными номерами. Также, элементы (или части элементов), принадлежащие различным вариантам осуществления, но имеющие аналогичную функцию, обозначаются на чертежах ссылочными номерами, увеличенными на 100, 200 и т.д.

На чертежах:

Фиг. 1 изображает вид в осевом направлении примера турбореактивного двигателя.

Фиг. 2 - вид в осевом сечении первого примера узла ротора.

Фиг. 3 - вид в осевом сечении второго примера узла ротора.

Фиг. 4 - вид в осевом сечении третьего примера узла ротора.

Фиг. 5 - вид в осевом сечении четвертого примера узла ротора.

Фиг. 6 - вид в радиальном сечении первого примера разделенного на части кожуха.

Фиг. 7 - вид в радиальном сечении второго примера разделенного на части кожуха.

Фиг. 8 - вид в радиальном сечении третьего примера разделенного на части кожуха.

Подробное описание вариантов осуществления

Чтобы сделать изобретение более конкретным, примеры узлов ротора описываются подробно ниже в данном документе, со ссылкой на присоединенные чертежи. Напомним, что изобретение не ограничивается этими примерами.

В сечении согласно вертикальной плоскости, проходящей через его основную ось A, фиг. 1 показывает двухконтурный турбореактивный двигатель 1 согласно изобретению. Со стороны выше по потоку к стороне ниже по потоку он содержит вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру 5 сгорания, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления.

В сечении согласно той же осевой плоскости фиг. 2 показывает часть этой турбины 7 низкого давления согласно первому варианту осуществления. Косвенно очевидно, что изобретение будет применяться вполне аналогично к турбине 6 высокого давления. Эта турбина 7 содержит множество ступеней 10a, 10b ротора и ступеней 11 статора последовательно со стороны выше по потоку в сторону ниже по потоку, за каждой ступенью 10a, 10b ротора непосредственно следует ступень 11 статора. В целях упрощения только первая ступень 10a ротора, ступень 11 статора и вторая ступень 10b ротора показаны на чертеже.

Каждая ступень 10a, 10b ротора содержит множество подвижных лопаток 20 ротора, каждая содержит лопатку 21 и ножку 22, установленные на диск 40, присоединенный к валу турбинного двигателя 1. Каждая ступень 11 статора содержит как таковая множество неподвижных лопаток 30 статора, каждая содержит лопатку 31, установленную на внешний корпус турбины 7.

В этом варианте осуществления лопатки 20 ротора и лопатки 30 статора содержат преимущественно металлические материалы.

Диски 40 каждой ступени 10a, 10b ротора соединяются вместе парами посредством металлических кожухов 41, называемых междисковыми кожухами. Эти кожухи 41 формируются здесь посредством двух полукожухов 41a, 41b, каждый протягивается от диска 40 и скрепляется болтами друг с другом в точке их соприкосновения.

Ножки 22 лопаток 20 первой ступени 10a ротора соединяются посредством кольцеобразной структуры 23 ножки лопатки, формирующей платформы 24, расположенный выше по потоку прерыватель потока 25 и расположенный ниже по потоку прерыватель потока 26. Фланец 27, кольцеобразный, также присоединяется к расположенной ниже по потоку поверхности ножек 22 лопаток так, чтобы соединять их. Все эти элементы предпочтительно выполнены из металлического материала. Платформы 24 определяют внутреннее ограничение воздушного потока, протекающего в турбине 7.

Ножки 22 лопаток 20 второй ступени 10b ротора также оборудуются кольцеобразной структурой аналогичного хвоста 23 лопатки, формирующего платформы 24, расположенным выше по потоку прерывателем потока 25 и расположенным ниже по потоку прерывателем потока 26.

Лопатки 20 первой и второй ступеней 10a, 10b ротора также соединяются посредством кожуха 50, называемого лабиринтным кожухом. Этот лабиринтный кожух 50, кольцеобразный, выполнен из композитного материала с 3D-плетеной керамической матрицей (CMC) посредством способа плетения, известного как "контурное плетение". "Контурное плетение" является известной технологией плетения волокнистой текстуры осесимметричной формы, в которой волокнистая структура плетется на барабане с предусмотренными основными нитями, барабан имеет внешний профиль, определенный согласно профилю волокнистой текстуры, которая должна быть выполнена.

Ножки лопаток 30 статорной ступени 11 соединяются посредством соплового кольца 32, сформированного из нескольких непрерывных секторов, проходящих на 360° вокруг основной оси A. Это сопловое кольцо 32, выполненное из металла, имеет расположенные выше по потоку 33 и ниже по потоку 34 выступы, способные формировать зигзагообразные препятствия с прерывателями 26 и 25 потока для расположенных выше по потоку 10a и ниже по потоку 10b ступеней ротора. Оно также имеет радиальный фланец 35, проходящий

радиально внутрь непосредственно вдоль соплового кольца 32.

Держатель 60 истираемого кольца соединяется с сопловым кольцом 32: он содержит осевую часть 61, является цилиндрическим в круговом вращении, несет дорожки из истираемого материала 62, также как два радиальных фланца 63 и 64, проходящих радиально наружу. Эти два радиальных фланца 63, 64 определяют между собой промежуток 65, ширина которого соответствует практически ширине радиального фланца 35 распределительного кольца 32. Расположенный ниже по потоку радиальный фланец 64 является сплошным, в то время как расположенный выше по потоку радиальный фланец 63 содержит несколько радиальных проходных отверстий 66, расположенных с равными промежутками вокруг основной оси A: радиальное проходное отверстие 66 может, например, быть предусмотрено относительно середины каждого сектора соплового кольца 32.

Держатель 60 истираемого кольца устанавливается на сопловое кольцо 30 посредством зацепления радиального фланца 35 соплового кольца 30 в промежутке 65 и установки частей 67, сжатых в этом радиальном фланце 35, через радиальные проходные отверстия 66 расположенного выше по потоку фланца 63 держателя 60 истираемого кольца. Это блокирует осевые и касательные положения держателя 60 истираемого кольца относительно соплового кольца 32 и оставляет его радиальное перемещение свободным.

Лабиринтный кожух несет щетки 51, концы которых находятся в соприкосновении с истираемыми дорожками 62 держателя 60 истираемого кольца так, чтобы препятствовать прохождению воздуха на хвосте неподвижных лопаток 30. Этот держатель 60 истираемого кольца также выполнен из 3D-плетеной CMC; материал, идентичный материалу лабиринтного кожуха 50, предпочтительно выбирается с тем, чтобы иметь идентичный коэффициент теплового расширения между этими двумя частями и, следовательно, обеспечивать непрерывное управление зазорами, отделяющими щетки 51 от истираемых дорожек 62.

В этом первом примере лабиринтный кожух 50 устанавливается между ступенями 10a, 10b ротора согласно осевой/осевой конфигурации. Кожух 50, ориентированный практически в осевом направлении в своем среднем фрагменте 59, несущем щетки 51, распрямляется наружу в направлении своего расположенного ниже по потоку конца, чтобы формировать, на своем расположенном ниже по потоку конце, контактный фрагмент 52 осевого типа, проходящий радиально. Этот контактный фрагмент 52 прилегает в осевом направлении к нижней стенке 28 структуры ножки 23 лопатки расположенной ниже по потоку ступени 10b ротора и входит в зацепление с крюкообразной частью 71, проходящей в осевом направлении и радиально от нижней стенки 28, эта крюкообразная часть 71, следовательно, располагается больше снаружи, чем контактный фрагмент 52 кожуха 50: осевая позиция лабиринтного кожуха 50 теперь блокируется относительно расположенной ниже по потоку ступени 10b ротора, но их относительные радиальные перемещения остаются свободными. Эта крюкообразная часть 71 является симметричной во вращении относительно оси A турбины 7 и, следовательно, имеет постоянный профиль на протяжении всей окружности лабиринтного кожуха 50.

Расположенный выше по потоку конец лабиринтного кожуха 50 имеет второй контактный фрагмент 53 осевого типа, проходящий в осевом направлении под канавкой 72, проходящей в осевом направлении от фланца 27 расположенной выше по потоку ступени 10a ротора и проходящей на 360° вокруг оси A: подвижные лопатки 20 могут расширяться радиально, не вызывая смещения лабиринтного кожуха 50. Также, когда турбина 7 расширяется в осевом направлении, лабиринтный кожух 50 следует осевому перемещению расположенной ниже по потоку ступени 10b ротора, но ее расположенный выше по потоку конец продолжает перекрывать канавку 72, ограничивая прохождение потока воздуха в междисковом пространстве.

Лабиринтный кожух 50 также содержит лапки 54, предусмотренные равномерно вокруг оси A, которые протягиваются от его внутренней поверхности по направлению к металлическому междисковому кожуху 41. Этот кожух имеет выпуклости 42, предусмотренные равномерно вокруг оси A в той же радиальной плоскости, что и лапки 54: таким образом, когда ротор вращается, эти выпуклости 42 входят в соприкосновение с лапками 54 и приводят лабиринтный кожух 50 во вращение вместе со всем ротором. Зазор, однако, остается между лапками 54 и междисковым кожухом 41, так что междисковый кожух 41 не толкает лабиринтный кожух 50 радиально, когда он расширяется.

Фиг. 3 иллюстрирует второй пример узла 107 ротора, аналогичного первому примеру, за исключением лабиринтного кожуха 150 и его установки между ступенями 110a и 110b ротора, лабиринтный кожух 150 устанавливается здесь согласно наклонной/осевой конфигурации.

В этом втором примере расположенный ниже по потоку конец лабиринтного кожуха 150 аналогичен расположенному ниже по потоку концу первого примера: он также содержит контактный фрагмент 152 осевого типа, проходящий радиально и входящий в зацепление с крюкообразной частью 171, проходящей в осевом направлении и радиально от нижней стенки 128 структуры ножки 123 лопатки расположенной ниже по потоку ступени 110b ротора.

Однако, его расположенный выше по потоку конец формирует контактный фрагмент 154 наклонного типа, который протягивается в наклонном направлении, наклон которого формирует угол λ около 40° относительно основной оси A турбины 107. Этот наклонный контактный фрагмент 154 опирается на внешнюю поверхность 173a выступа 173, проходящего от фланца 127 первой ступени 110a ротора. Эта внешняя поверхность 173a протягивается согласно тому же наклонному расположению, что и у контактного фрагмента 154, и, следовательно, формирует тот же угол λ около 40° относительно основной оси A.

Соответственно, когда первая ступень 110a ротора расширяется, осевая составляющая этого расширения имеет тенденцию опускать кожух 150 по наклонной поверхности 173a выступа 173, что компенсирует поднимающееся перемещение кожуха 150 вследствие радиальной составляющей этого расширения первой ступени 110a ротора: радиальная позиция лабиринтного кожуха 150 остается практически неизменной. Этот выступ 173 предпочтительно является симметричным во вращении относительно оси A турбины 107 и, следовательно, имеет постоянный профиль на протяжении всей окружности лабиринтного кожуха 150.

Устройство для приведения лабиринтного кожуха 150 во вращение также отличается от устройства первого примера. Здесь, лапки 154 также поддерживаются лабиринтным кожухом 150, но они направлены по направлению к диску 140 расположенной ниже по потоку ступени 110b ротора, чтобы взаимодействовать с выпуклостями 142, предусмотренными на расположенной выше по потоку поверхности этого диска 140.

Фиг. 4 иллюстрирует третий пример узла 207 ротора, аналогичного первому примеру за исключением лабиринтного кожуха 250 и его установки между ступенями 210a и 210b ротора, лабиринтный кожух 250 здесь устанавливается согласно осевой/наклонной конфигурации.

В этом третьем примере расположенный выше по потоку конец лабиринтного кожуха 250 аналогичен расположенному выше по потоку концу первого примера: он также содержит контактный фрагмент 253 осевого типа, проходящий в осевом направлении под канавкой 272, проходящей в осевом направлении от фланца 227 расположенной выше по потоку ступени 210a ротора.

Однако, его расположенный ниже по потоку конец имеет конфигурацию наклонного типа, формы, отличной от формы второго примера. Здесь, расположенная ниже по потоку ступень 210b ротора также содержит вращательно симметричный опорный кожух 274, который содержит крюкообразный фрагмент 275, проходящий радиально и входящий в зацепление с крюкообразной частью 271, аналогичной крюкообразной части первого примера, и наклонный опорный фрагмент 276, внешняя поверхность 276a которого формирует наклонную опорную поверхность, наклон которой формирует угол μ около 55° относительно основной оси A турбины 207.

Лабиринтный кожух 250 содержит на своем расположенном ниже по потоку конце контактный фрагмент 255 наклонного типа, который проходит в наклонном направлении, наклон которого формирует тот же угол μ около 55° относительно основной оси A, и опирается на опорную поверхность 276a опорного кожуха 276. Аналогично, эта наклонная опорная поверхность 276a создает некоторую компенсацию в радиальном смещении кожуха 250, вызванном радиальными и осевыми составляющими расширения ступени 210b ротора.

Устройство для приведения лабиринтного кожуха 250 во вращение также отличается от устройств первого и второго примеров. Здесь, соответствующие пазы 256 и 277 предусматриваются соответственно на внутренней поверхности наклонного контактного фрагмента 255 лабиринтного кожуха 250 и опорной поверхности 276a опорного кожуха 276.

Фиг. 5 иллюстрирует четвертый пример узла 307 ротора, аналогичного первому примеру за исключением лабиринтного кожуха 350 и его установки между ступенями 310a и 310b ротора, лабиринтный кожух 350 устанавливается здесь согласно наклонной/наклонной конфигурации.

Однако, в этом четвертом примере, расположенный выше по потоку конец лабиринтного кожуха 350 аналогичен расположенному выше по потоку концу второго примера: он также содержит контактный фрагмент 354 наклонного типа, который проходит в наклонном направлении, наклон которого формирует угол λ около 40° относительно основной оси A турбины 307, и опирается на внешнюю поверхность 373a выступа 373, проходящего от фланца 327 первой ступени 310a ротора.

Расположенный ниже по потоку конец лабиринтного кожуха 350 аналогичен расположенному ниже по потоку концу третьего примера: он также содержит контактный фрагмент 355 наклонного типа, который проходит в наклонном направлении, наклон которого формирует тот же угол μ около 55° относительно основной оси A, и опирается на опорную поверхность 376a опорного кожуха 374, аналогичного опорному кожуху третьего примера.

Устройство для приведения лабиринтного кожуха 350 во вращение опять же отличается в этом четвертом примере. Здесь, зубцы 357, проходящие от лабиринтного кожуха 350, более точно от пересечения между его средним фрагментом 359 и его контактным фрагментом 354, зацепляют пазы 379 фланца 327. Эти пазы предпочтительно подвергаются машинной обработке здесь в нижнем фрагменте выступа 373.

В каждом из этих примеров лабиринтный кожух 50 предпочтительно является непрерывным на 360°, так что он самоподдерживается в турбине 7 вокруг основной оси A. Но будет также возможным проектировать разделенный на части или сектора лабиринтный кожух 450 с тем, чтобы упрощать его установку или уменьшать касательные механические напряжения.

Но, в таком случае, устройство плотного соединения должно быть задействовано между секторами 450a, 450b кожуха 450. Такие устройства представлены на фиг. 6-8.

Первое решение, показанное на фиг. 6, является устройством уплотнения в форме скоб: это подразумевает создание припусков 491 по длине во время плетения лабиринтного кожуха 450; ниже они будут загнуты, чтобы создавать крюк для пластин 495, также оборудованных загнутыми лапками 496, эта пластина 495 обеспечивает уплотнение.

Эта уплотнительная пластина 495 также может быть выполнена из CMC, что ограничивает проблемы дифференциального расширения или сопротивления температуре.

Во время приведения во вращение уплотнительная пластина 495 прижимается к лабиринтному кожуху 450 под действием центробежной силы, а также под действием раскрытия секторов 450a, 450b лабиринтного кожуха 450, и предоставляет возможность хорошего уплотнения.

Также, длина различных крюков 491 определяется как функция максимального раскрытия пространства, отделяющего сектора 450a, 450b во время эксплуатации, так что в любой момент эксплуатации пластина 495 удерживается посредством кожуха 450, и, с другой стороны, перенапряжение не оказывается на пластину 495 во время раскрытия секторов 450a, 450b.

Осевая блокировка может быть размещена в форме небольшой выемки на загнутых крюках 491 лабиринтного кожуха 450.

Вторым решением, показанным на фиг. 7, является то, что уплотнительная пластина 595 удерживается посредством разъединений 592 лабиринтного кожуха 550: это решение очень похоже на предшествующее и функционирует тем же образом за исключением того, что в этом случае пластина 595 удерживается посредством лапок 592, полученных разъединением плетеной структуры лабиринтного кожуха 550.

Третье решение использует пластину 695, оборудованную ответвлением 697. Под действием центробежной силы пластина 695 прижимается к секторам 650a, 650b лабиринтного кожуха, создавая уплотнение.

Удержание и приведение во вращение пластины 695 и секторов 650a, 650b могут обеспечиваться посредством зубчатого крепежного устройства, аналогичного описанному во французской патентной заявке FR 13 57776 и показанному, в частности, на фиг. 6 и 7 этой заявки: в таком зубчатом крепежном устройстве ответвления 697 и 698 пластины 695 и сектора 650a, 650b лабиринтного кожуха 650 принимаются между зубцами зубчатого профиля, приводя к осевой и касательной блокировке этих элементов и сохранением их свободы перемещения согласно радиальному направлению.

Режимы или варианты осуществления, описанные в настоящем описании, приведены в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, специалист легко способен, в свете этого объяснения, модифицировать эти режимы или варианты осуществления, или представить себе другие варианты, в то же время оставаясь в рамках изобретения.

Также, различные характеристики этих режимов или вариантов осуществления могут быть использованы отдельно или могут быть объединены вместе. Когда объединены, эти характеристики могут быть такими, как описано выше в данном документе, или другими, изобретение не ограничивается конкретными комбинациями, описанными в настоящем описании. В частности, пока явно не выражено иное, характеристики, описанные в отношении режима или варианта осуществления, могут быть применены аналогично к другому режиму или варианту осуществления.

Изобретение относится к роторному узлу для турбинного двигателя, содержащему ротор с двумя последовательными ступенями (10a, 10b) ротора, оборудованными множеством подвижных лопастей (20), и кольцеобразный кожух (50) ротора, соединяющий две последовательные ступени ротора; статор, содержащий ступень (11) статора, снабженную множеством неподвижных лопастей (30) и расположенную между двумя ступенями ротора, и кольцеобразное статорное кольцо (60), установленное на неподвижные лопасти. Либо кожух ротора, либо статорное кольцо несет по меньшей мере одну щетку (51), предназначенную, чтобы взаимодействовать с истираемой дорожкой (62) на другом из кожуха ротора и статорного кольца, так что кожух ротора содержит по меньшей мере на одном из своих расположенных выше по потоку и ниже по потоку концов наклонный контактный фрагмент (154), опирающийся на наклонную несущую поверхность (173a) соответствующей ступени ротора, несущая поверхность является внешней поверхностью выступа (173), протягивающегося от фрагмента (127) основания соответствующей ступени ротора. Вследствие такой конфигурации кожух ротора и ступени ротора могут расширяться по-разному без радиальных механических напряжений, возникающих на границе между этими частями, что продлевает срок службы узла ротора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Узел турбинного двигателя, турбинного или компрессионного типа, содержащий:

ротор, содержащий:

- по меньшей мере две последовательные ступени (10a, 10b) ротора, оборудованные множеством подвижных лопаток (20), и

- кольцеобразный кожух (50) ротора, соединяющий упомянутые две последовательные ступени (10a, 10b) ротора;

статор, содержащий:

- по меньшей мере одну ступень (11) статора, оборудованную множеством неподвижных лопаток (30), предусмотренную между упомянутыми двумя последовательными ступенями (10a, 10b) ротора, и

- статорное кольцо (60), круговое, установленное на упомянутые неподвижные лопатки (30);

при этом на кожухе (50) ротора либо на статорном кольце предусмотрена по меньшей мере одна щетка (51), сконфигурированную, чтобы взаимодействовать с истираемой дорожкой (62), поддерживаемой другим (60) из упомянутых элементов;

отличающийся тем, что кожух (50) ротора содержит по меньшей мере на одном из своих расположенных выше по потоку и ниже по потоку концов

- наклонный контактный участок (154) лабиринтного кожуха (150), расположенный под углом λ порядка 40° к основной оси A турбины 107, выполненный опирающимся на наружную поверхность 173а выступа 173 фланца 127 первой ступени 110а ротора.

2. Узел ротора по п. 1, в котором ротор выполнен с возможностью блокировки в осевом направлении кожуха (50) ротора либо его ориентации в устойчивом осевом положении

3. Узел ротора по п. 1 или 2, в котором контактный фрагмент (154) наклонного типа имеет тот же наклон (λ), что и наклонная опорная поверхность (173a) соответствующей ступени (10a) ротора, и в котором наклон (λ) контактного фрагмента (154) наклонного типа относительно основной оси (A) узла (107) ротора находится между 15 и 75°.

4. Узел ротора по п. 1, в котором наклон (λ) контактного фрагмента (154) наклонного типа относительно основной оси (A) узла (107) ротора находится между 35 и 75°, предпочтительно между 35 и 65°.

5. Узел ротора по п. 1, в котором упомянутый выступ (173) проходит от ножки подвижной лопатки или от фланца (127), соединяющего ножки подвижных лопаток

6. Узел ротора по п. 1, в котором упомянутый выступ (173) является кольцеобразной манжетой.

7. Узел ротора по п. 1, в котором наклонная опорная поверхность ступени ротора является внешней поверхностью (276a) опорного кожуха (274), соединенного с или формирующего неотъемлемую часть части (228) основания ступени (10b) ротора.

8. Узел ротора по п. 7, в котором опорный кожух (274) содержит крайний фрагмент (275), который проходит радиально наружу и входит в зацепление с крюкообразной частью (271), выступающей в осевом направлении и радиально от опорной нижней части (228) основания ступени (10b) ротора.

9. Узел ротора по п. 1, в котором ротор содержит приводное устройство (42, 54) для приведения кожуха (50) ротора во вращение, когда ступени (10a, 10b) ротора вращаются.

10. Узел ротора по п. 9, в котором приводное устройство содержит приводные выступы (42), выполненные на междисковом кожухе (41), соединенном со ступенями (10а, 10b) ротора, и лапки (54), выполненные на лабиринтном кожухе (50), сконфигурированные таким образом, чтобы взаимодействовать друг с другом с возможностью приведения кожуха (50) ротора во вращение, когда ступени (10a, 10b) ротора вращаются.

11. Узел ротора по п. 1, в котором истираемая дорожка (62) поддерживается статорным кольцом (60) и упомянутая по меньшей мере одна щетка (51) поддерживается кожухом (50) ротора.

12. Узел ротора по п. 1, в котором кожух (50) ротора выполнен из композитного материала с керамической матрицей.

13. Узел ротора по п. 1, в котором статорное кольцо (60) устанавливается на неподвижных лопатках (30) посредством крепежного устройства, содержащего:

множество радиальных вырезов (66), каждый вырез (66) выполняется в радиальной лапке (63) статорного кольца (60) или радиальной лапке (35), соединенной с неподвижными лопатками (31), и

множество штифтов (67), каждый штифт (67) поддерживается радиальной лапкой (63) статорного кольца (60) или радиальной лапкой (37), соединенной с неподвижными лапками (30) и сконфигурированной таким образом, чтобы зацеплять соответствующий вырез (66) из упомянутых радиальных вырезов.

14. Узел ротора по п. 13, в котором статорное кольцо (60) и кожух (50) ротора имеют коэффициенты теплового расширения, равные ±10%.

15. Турбинный двигатель, содержащий узел (7) ротора по любому из предшествующих пунктов.