Устройство для герметизации зазора в турбомашине, газовая турбина и герметизирующая конструкция Российский патент 2021 года по МПК F01D11/00 F16J15/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее описание относится к устройству, системам и конструкциям для осуществления герметизации в турбомашине. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, в частности, относятся к герметизирующим конструкциям и устройству для герметизации зазора между первым и вторым конструктивными элементами. Некоторые варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к герметизирующим конструкциям, обеспечивающим герметизацию между жаровой трубой и окружающей конструкцией в газотурбинном двигателе. Настоящее описание также относится к газотурбинным двигателям, включающим жаровые трубы и сопла, расположенные с задней стороны камеры сгорания, а также содержащим герметизирующую конструкцию для герметизации зазора между жаровой трубой и соплами.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В турбомашинах, таких как, в частности, но не исключительно газовые турбины, часто требуется герметизирующая конструкция для герметизации зазора между первым конструктивным элементом и вторым конструктивным элементом. В некоторых областях применения зазор имеет кольцевую форму, например, проходящую вокруг оси турбомашины. Ось турбомашины может представлять собой, например, ось вращения компрессора и роторов турбины газотурбинного двигателя.

[0003] Например, герметизирующие конструкции требуются между первым конструктивным элементом, состоящим из жаровой трубы или ее части, и вторым конструктивным элементом, состоящим из окружающей конструкции, которая может включать впускные сопла первой ступени турбины. Во время работы газотурбинного двигателя газ сгорания, вырабатываемый в камере сгорания, необходимо направить от камеры сгорания через впускные сопла первой ступени турбины. Для охлаждения жаровой трубы вокруг нее обеспечивают циркуляцию охлаждающего воздуха. Необходимо предотвратить протекание газа сгорания через зазор между жаровой трубой и впускными соплами первой ступени турбины. Зазор между жаровой трубой и впускными соплами первого турбинного двигателя или любой другой окружающей конструкцией, расположенной в задней части жаровой трубы, должен быть надежно герметизирован.

[0004] Жаровая труба и окружающая ее конструкция, например, впускные сопла первой ступени турбины, подвержены взаимным смещениям вследствие тепловых расширений и сжатий, а также вибраций. Таким образом, для эффективной герметизации необходимо обеспечить возможность скольжения герметизирующих элементов относительно поверхностей герметизации, с которыми они находятся в контакте, как в осевом, так и в радиальном направлении. В контексте настоящего документа осевое направление может подразумевать направление, параллельное оси турбомашины, т.е. оси вращения ротора (-ов) турбомашины. В контексте настоящего документа радиальное направление представляет собой любое направление, ортогональное осевому направлению.

[0005] Среди прочего, для удовлетворения требований, предъявляемых к герметизирующей конструкции, скользящей в осевом и радиальном направлениях, были разработаны лепестковые уплотнения. В патенте США №5,118,120 описана герметизирующая конструкция, состоящая из множества кольцеобразно расположенных податливых лепестковых уплотнений, смещаемых упругими элементами с обеспечением герметизирующего поверхностного контакта относительно кольцевой поверхности на жаровой трубе и поверхности герметизации в платформах сопел. Поскольку герметизирующие лепестки упруго податливы, они обеспечивают герметизирующий контакт как с жаровой трубой, так и с платформой сопла при любом эксплуатационном режиме газовой турбины.

[0006] Описанная выше податливая лепестковая герметизирующая конструкция доказала свою эффективность в обеспечении герметизации зазора между задним концом жаровой трубы и впускными соплами первой ступени турбины. Однако в некоторых эксплуатационных режимах тепловые деформации поверхностей жаровой трубы и платформы сопла, относительно которых смещаются податливые лепестковые уплотнения, вызывают изгибание лепестковых уплотнений и ускоренный износ лепестковых уплотнений или поверхностей, находящихся с ними в герметизирующем контакте. Износ снижает срок службы таких компонентов. Кроме того, при определенных условиях эксплуатации возникающие деформации изгиба податливых лепестковых уплотнений могут снижать эффективность герметизации.

[0007] Лепестковые уплотнения также чувствительны к варьированию относительных перемещений задействованных компонентов, а также к варьированию перепада статического давления и динамических флуктуаций. Динамические флуктуации могут быть вызваны нестабильными условиями сгорания, которые часто возникают, когда для уменьшения выбросов NOx используют обедненные топливно-воздушные смеси. Такая чувствительность повышает риск отказов вследствие многоцикловой усталости, в частности на этапе разработки нового продукта, когда информация о нескольких переменных обычно является недостаточной, а также в нештатном режиме эксплуатации.

[0008] Еще один недостаток лепестковых уплотнений состоит в ограничении допустимых осевых и радиальных перемещений. Как правило, поскольку для больших осевых перемещений требуются лепестковые уплотнения значительных размеров, их использование ограничено вариантами применения, в которых перемещение является относительно небольшим.

[0009] По меньшей мере некоторые из недостатков, упомянутых выше, могут быть связаны с герметизирующими конструкциями, расположенными в других зонах турбомашины помимо жаровой трубы.

[0010] Таким образом, было бы целесообразно разработать герметизирующие конструкции, обеспечивающие соответствующие относительные перемещения и более продолжительный срок службы, обеспечивая при этом аналогичную или более эффективную герметизацию по сравнению с герметизирующими конструкциями известного уровня техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] В соответствии с первым аспектом данного изобретения предложено устройство для герметизации зазора в турбомашине между первым конструктивным элементом и вторым конструктивным элементом. Устройство содержит герметизирующий элемент, имеющий тело, содержащее первую краевую часть и вторую краевую часть, параллельные друг другу. Первый конструктивный элемент содержит посадочное место, вмещающее с возможностью поворота первую краевую часть герметизирующего элемента, так что первая краевая часть и посадочное место образуют шарнирное соединение. Вторая краевая часть герметизирующего элемента имеет изогнутую контактную поверхность. Указанное устройство содержит упругий элемент, который установлен на первом конструктивном элементе и выполнен с возможностью прижатия изогнутой контактной поверхности герметизирующего элемента к контактной поверхности второго конструктивного элемента, так что изогнутая контактная поверхность находится в герметизирующем контакте с контактной поверхностью второго конструктивного элемента. Таким образом, будет обеспечен правильный герметизирующий контакт, даже если перепад давлений между внутренней и внешней сторонами герметизирующего элемента является низкой. Благодаря вышеописанному шарнирному соединению обеспечена возможность скольжения герметизирующего элемента относительно поверхностей герметизации, с которыми он находятся в контакте. В результате заявленное устройство для герметизации является более устойчивым к относительным перемещениям компонентов турбомашины и меньше подвержено износу.

[0012] В некоторых вариантах осуществления краевые части могут быть прямолинейными. В соответствии с другими вариантами осуществления одна или обе краевые части могут иметь форму купола. В некоторых вариантах осуществления первая краевая часть, образующая поворотное соединение с первым конструктивным элементом, может быть лишь приблизительно цилиндрической, поскольку ее наружная цилиндрическая поверхность может иметь форму купола. Это может быть целесообразным, например, когда первый конструктивный элемент и образованный в нем паз подвержены неоднородной тепловой деформации.

[0013] В некоторых вариантах осуществления устройство содержит множество герметизирующих элементов в кольцевой конструкции, причем каждый герметизирующий элемент выполнен с первой и второй краевыми частями, как определено выше.

[0014] В некоторых вариантах осуществления первая краевая часть имеет первую почти цилиндрическую поверхность и, возможно, цилиндрическую поверхность в форме купола, предпочтительно имеющую по существу круглое поперечное сечение и имеющую ось, параллельную второй краевой части. В некоторых вариантах осуществления вторая краевая часть имеет вторую цилиндрическую поверхность, имеющую ось, параллельную первой краевой части.

[0015] Если не указано иное, термин «цилиндрическая поверхность» используется в настоящем документе в его геометрическом или кинематическом значении. Таким образом, цилиндрическая поверхность представляет собой поверхность, состоящую из всех точек на всех линиях, которые параллельны данной линии и проходят через фиксированную плоскую кривую в плоскости, не параллельной данной линии. С точки зрения кинематики с учетом кривой в плоскости цилиндрическая поверхность представляет собой поверхность, очерченную линией, но не в плоскости кривой, перемещающуюся параллельно самой себе и всегда проходящую через указанную кривую.

[0016] В соответствии со вторым аспектом данного изобретения предложена газовая турбина, содержащая корпус, по меньшей мере одну ступень турбины в указанном корпусе, состоящую из набора неподвижных сопел и набора поворотных лопаток, камеру сгорания и жаровую трубу, проходящую от ее переднего конца к заднему концу, и вышеуказанное устройство, герметизирующее зазор между жаровой трубой и неподвижными соплами. Благодаря вышеописанному шарнирному соединению между первой краевой частью и посадочным местом обеспечена возможность скольжения герметизирующего элемента относительно поверхностей герметизации, с которыми он находятся в контакте. В результате используемое в заявленной турбине устройство для герметизации является более устойчивым к относительным перемещениям компонентов турбомашины и меньше подвержено износу.

[0017] В соответствии с третьим аспектом данного изобретения предложена герметизирующая конструкция для герметизации зазора между жаровой трубой и окружающей конструкцией газотурбинного двигателя. Герметизирующая конструкция содержит множество герметизирующих элементов, расположенных в виде кольца. Каждый герметизирующий элемент содержит тело, имеющее первую краевую часть и вторую краевую часть, параллельные друг другу. Окружающая конструкция содержит посадочное место, вмещающее с возможностью поворота первую краевую часть герметизирующего элемента, так что первая краевая часть и посадочное место образуют шарнирное соединение. Вторая краевая часть имеет изогнутую контактную поверхность. Каждый герметизирующий элемент оснащен упругим элементом, который установлен на окружающей конструкции и выполнен с возможностью прижатия изогнутой контактной поверхности герметизирующего элемента к контактной поверхности жаровой трубы, так что изогнутая контактная поверхность находится в скользящем контакте с контактной поверхностью жаровой трубы. Благодаря вышеописанному шарнирному соединению обеспечена возможность скольжения герметизирующего элемента относительно поверхностей герметизации, с которыми он находятся в контакте. В результате используемый в заявленной конструкции герметизирующий элемент является более устойчивым к относительным перемещениям компонентов турбомашины и меньше подвержен износу.

[0018] Дополнительные признаки и варианты осуществления герметизирующей конструкции согласно настоящему изобретению будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи и изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью настоящего описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0019] Более полную оценку описанных вариантов осуществления изобретения и многих сопутствующих ему преимуществ можно легко получить и лучше понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с сопровождающими его чертежами.

На Фиг. 1 представлен схематический фрагментарный вид в разрезе участка турбомашины вдоль плоскости, содержащей ось вращения турбомашины, иллюстрирующий местоположения, в которых может быть использовано герметизирующее устройство согласно настоящему изобретению;

на Фиг. 2 представлено увеличение детали, показанной на Фиг. 1;

на Фиг. 3 представлен вид спереди вдоль линии III-III, изображенной на Фиг. 2;

на Фиг. 4 представлен вид сбоку вдоль линии IV-IV, изображенной на Фиг. 3; и

на Фиг. 5 представлен вид в разрезе вдоль линии V-V, изображенной на Фиг. 3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0020] В газотурбинном двигателе воздух сжимают с помощью компрессорной секции и подают в камеру сгорания. В камере сгорания сжатый воздух смешивается с топливом, и воздушно-топливная смесь воспламеняется с образованием горячего газа сгорания под давлением. Газ сгорания протекает через набор первых впускных сопел первой ступени турбины и расширяется в одной или более ступенях турбины с созданием механической энергии. Камера сгорания содержит жаровую трубу, которая ограничивает пространство, в котором воздушно-топливная смесь сгорает и преобразуется в газ сгорания. Некоторые газотурбинные двигатели содержат кольцевую жаровую трубу, которая проходит вокруг оси вращения газотурбинного двигателя. Между задним концом жаровой трубы и впускными соплами первой ступени газовой турбины обеспечивают зазор. Задний конец жаровой трубы представляет собой конец, ориентированный по направлению к ступени (-ям) турбины, т.е. конец камеры сгорания, через который газ сгорания доставляют в ступень (-и) турбины.

[0021] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к герметизирующему устройству или конструкции для герметизации зазора между жаровой трубой и первыми впускными соплами. Для снижения износа и уменьшения риска возникновения режимов отказа вследствие многоцикловой усталости (HCF), а также для обеспечения эффективной герметизации в изменчивых условиях эксплуатации турбины набор герметизирующих элементов размещают в форме кольца на первом статическом конструктивном элементе, например, на первых впускных соплах или на поддерживающей их конструкции. Каждый герметизирующий элемент имеет первую краевую часть, которая образует поворотное шарнирное соединение с первым конструктивным элементом, благодаря чему герметизирующий элемент может поворачиваться вокруг соответствующей оси поворота. Каждый герметизирующий элемент имеет вторую краевую часть, параллельную первой краевой части и образующую герметизирующую поверхность контакта, выполненную с возможностью обеспечения герметизирующего контакта поверхности с кольцевой поверхностью заднего конца жаровой трубы. Каждый герметизирующий элемент упруго смещается относительно жаровой трубы таким образом, чтобы обеспечить герметизирующий контакт в любых условиях эксплуатации, даже при пониженном перепаде давлений между внутренним пространством жаровой трубы и наружной поверхностью жаровой трубы. Герметизирующие элементы выполнены с возможностью жесткого поворота вокруг соответствующих осей поворота, таким образом обеспечивая прямую линию герметизирующего контакта между второй краевой частью герметизирующего элемента и жаровой трубой. Осевые и радиальные перемещения жаровой трубы по отношению к конструкции, на которой установлены герметизирующие элементы, приводят к перемещению с контактом скольжения или качения герметизирующих элементов на кольцевой поверхности жаровой трубы.

[0022] Дальнейшее описание содержит ссылки на чертежи. На Фиг. 1 представлен фрагментарный вид в разрезе газотурбинного двигателя 1 с целью иллюстрации одной среды, в которой можно использовать герметизирующее устройство и конструкцию согласно настоящему описанию.

[0023] Для целей настоящего описания газотурбинный двигатель 1 включает корпус 3, камеру 5 сгорания, неподвижно размещенную в корпусе 3, и турбину 7 высокого давления. Турбина 7 высокого давления может включать любое количество ступеней. Каждая ступень включает кольцевой ряд неподвижных сопел 8 турбины и кольцевой ряд поворотных лопаток 9 турбины, размещенных попеременно, как известно из предшествующего уровня техники. На Фиг. 1 показана только первая ступень турбины 7 высокого давления и соответствующий первый кольцевой ряд сопел 8 турбины. Дополнительные ступени турбины промежуточного давления и/или низкого давления (не показаны) могут быть расположены ниже по направлению движения относительно первой ступени турбины высокого давления.

[0024] С наружной стороны в радиальном направлении несущая конструкция турбины 7 высокого давления включает наружный корпус 11 камеры сгорания, корпус 13 турбины и наружное кольцо 15 турбины, которые соединены друг с другом. С внутренней стороны в радиальном направлении находится внутренний корпус 16 камеры сгорания, прикрепленный к внутреннему кольцу 19 турбины. На внутреннем кольце 19 турбины установлено множество сопловых сегментов 17. Каждый сопловый сегмент 17, как также показано на Фиг. 3, содержит множество сопел 8 турбины, расположенных между наружной платформой 21 и внутренней платформой 23. Набор сопловых сегментов 17 и внутреннее кольцо 19 турбины образуют первый конструктивный элемент, расположенный со стороны заднего конца камеры 5 сгорания.

[0025] Лопатки 9 турбины установлены на диске 25 турбины, установленном на валу 27 турбины, для совместного вращения вместе с ним вокруг оси А-А вращения. Кожух 26 установлен на наружном кольце 15 турбины и проходит вокруг лопаток 9 турбины.

[0026] В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, камера 5 сгорания представляет собой кольцевую камеру сгорания. Внутренний корпус 16 камеры сгорания и наружный корпус 11 камеры сгорания проходят в форме кольца вокруг оси А-А вращения. Камера сгорания 5 содержит жаровую трубу 31, расположенную между внутренним корпусом 16 камеры сгорания и наружным корпусом 11 камеры сгорания. Жаровая труба 31 содержит наружный участок 31.1 жаровой трубы и внутренний участок 31.2 жаровой трубы. Внутренний участок 31.1 жаровой трубы и наружный участок 31.2 жаровой трубы образуют между собой кольцевое пространство 33 горения. Для подачи сжатого воздуха из воздушного компрессора (не показан) газотурбинного двигателя 1 по направлению к пространству 33 горения имеется канал 35 для потока воздуха. Поток воздуха графически показан стрелками А.

[0027] Камера 5 сгорания также содержит множество топливных сопел 37, через которые подают газообразное или распыленное жидкое топливо во внутреннюю часть пространства 33 горения, в которой воздух и топливо смешиваются с образованием воздушно-топливной смеси, которую воспламеняют для получения газа сгорания. Газ сгорания направляют через сопла 8 турбины и через лопатки 9 турбины, причем газ сгорания расширяется и вырабатывает механическую энергию, передаваемую на вал 27 турбины.

[0028] Для целей охлаждения воздушный поток обычно также подают вокруг наружных стенок жаровой трубы 31, как графически показано стрелками В. Часть охлаждающего воздуха проходит через отверстия 41 в жаровой трубе 31 для охлаждения ее внутренних стенок, создавая зону относительно низкого давления, в то время как большая часть воздуха поступает ниже по направлению движения для охлаждения сопел турбины и кожуха 26.

[0029] Жаровая труба 31 проходит от переднего конца 31F до заднего конца 31А, расположенного перед соплами 8 турбины. Между задним концом 31А жаровой трубы 31 и первым конструктивным элементом, включающим сопла 8 турбины, обеспечивают зазор. В частности, между каждым участком 31.1, 31.2 жаровой трубы и конструктивным элементом, который включает сопла 8 турбины, обеспечивают соответствующий кольцевой зазор. Как показано, в частности, на Фиг. 2 со ссылкой на Фиг. 1, между наружным участком 31.1 жаровой трубы и наружными платформами 21 сопловых сегментов 17 образован зазор G1. Второй зазор G2 образован между внутренним участком 31.2 жаровой трубы и внутренними платформами 23 сопловых сегментов 17 сопла.

[0030] Устройство 43 для герметизации зазора G1 размещают вокруг наружного участка 31.1 жаровой трубы; устройство 45 для герметизации зазора G2 размещают вокруг внутреннего участка 31.2 жаровой трубы.

[0031] Как показано на Фиг. 3, 4 и 5, а также со ссылкой на Фиг. 2, в некоторых вариантах осуществления устройство 43 включает герметизирующую конструкцию, имеющую множество герметизирующих элементов 47. Каждый герметизирующий элемент 47 содержит первую краевую часть 49 и вторую краевую часть 51. Как лучше всего показано на Фиг. 3, множество герметизирующих элементов 47 расположены смежно друг с другом вокруг оси А-А вращения. На Фиг. 3 показаны только два герметизирующих элемента 47, но следует понимать, что вокруг оси А-А вращения размещена полная кольцевая форма из указанных герметизирующих элементов 47. Пластинчатый герметизирующий элемент 48 может быть расположен между парами смежных герметизирующих элементов 47.

[0032] Первая краевая часть 49 и вторая краевая часть 51 могут быть по существу параллельны друг другу. Краевые части 51 и 49 могут быть прямолинейными. В других вариантах осуществления краевые части 49, 51 или по меньшей мере одна из них могут проходить вдоль прямолинейной оси, но могут иметь наружную поверхность в форме купола, т.е. выпуклость в направлении касательной. Первая краевая часть 49 каждого герметизирующего элемента 47 может иметь по существу цилиндрическую наружную поверхность 49.1, которая образует шейку для соединения с возможностью поворота герметизирующего элемента 47 с соплами 8 турбины или с компонентом, выполненным с ним за одно целое. В варианте осуществления, показанном на прилагаемых чертежах, каждая первая краевая часть 49 размещена в пазу 55, образующем поворотное посадочное место для герметизирующего элемента 47. В наружной платформе 21 соответствующего соплового сегмента 17 может быть предусмотрен паз 55. В некоторых вариантах осуществления, как показано на Фиг. 3, один герметизирующий элемент 47 шарнирно соединен с каждым сопловым сегментом 17.

[0033] Как правило, поскольку сопла 8 турбины могут подвергаться неоднородным тепловым деформациям, для лучшего соответствия тепловому расширению паза, вмещающего первую краевую часть 49, первая краевая часть может иметь цилиндрическую наружную поверхность в форме купола, т.е. поверхность с прямолинейной осью, но с переменным размером поперечного сечения, с меньшей площадью поперечного сечения в концевых областях и большей площадью поперечного сечения в ее центральной части.

[0034] Каждый герметизирующий элемент 47 может удерживаться в соответствующем пазу 55 с помощью пары язычков 57, 59. Упругий элемент, например, пружина 61, может быть установлен на одном из язычков, например, на язычке 57. Упругий элемент 61 может быть выполнен с возможностью смещения герметизирующего элемента 47 для обеспечения герметизирующего контакта со стороны заднего конца жаровой трубы, как подробнее объяснено ниже.

[0035] Для предотвращения или ограничения осевого перемещения герметизирующего элемента 47 вдоль паза 55 на другом язычке 59 может быть установлен удерживающий штифт 63 или другой удерживающий элемент, как лучше всего показано в разрезе на Фиг. 5. Удерживающий штифт 63 входит в зацепление с углублением 65, предусмотренным вдоль первой краевой части 49 герметизирующего элемента 47.

[0036] Первая краевая часть 49 имеет по существу круглое поперечное сечение, как лучше всего показано на Фиг. 4, для взаимодействия с пазом 55, что позволяет герметизирующему элементу 47 поворачиваться вокруг оси поворота, параллельной краевой части 49. Цилиндрическая поверхность 49.1 первой краевой части 49 находится в герметизирующем контакте вдоль по меньшей мере одной линии герметизирующего контакта с пазом 55, таким образом обеспечивая герметизирующий эффект между герметизирующим элементом 47 и наружной платформой 21 каждого соплового сегмента 17.

[0037] Вторая краевая часть 51 имеет цилиндрическую поверхность 51.1, выполненную с возможностью обеспечения герметизирующего контакта поверхности с кольцевой поверхностью 67 наружного участка 31.1 жаровой трубы. Кольцевая поверхность 67 предпочтительно является плоской и расположена на плоскости, ортогональной оси А-А вращения. Герметизирующий контакт поверхности герметизирующего элемента 47 с кольцевой поверхностью 67 обеспечивают с помощью упругого элемента 61 и/или за счет перепада давлений между наружной стороной жаровой трубы 31 и внутренней стороной жаровой трубы 31 во время работы газотурбинного двигателя 1. Упругий элемент 61 обеспечивает достаточное контактное давление на кольцевую поверхность 67, в частности, в тех условиях эксплуатации, когда перепад давлений между наружной поверхностью жаровой трубы 31 и пространством 33 горения ограничен.

[0038] В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, каждый герметизирующий элемент 47 является по существу жестким. В контексте настоящего документа термин «по существу жесткий» означает, что герметизирующий элемент не деформируется в обычных условиях эксплуатации, т.е. под действием усилий, приложенных к нему упругим элементом 61 и/или окружающими конструктивными компонентами, взаимодействующими с герметизирующим элементом.

[0039] Таким образом, первая и вторая краевые части 49, 51 остаются почти прямыми, а линия контакта между герметизирующим элементом 47 и кольцевой поверхностью 67, а также линия контакта между герметизирующим элементом 47 и пазом 55 остаются почти прямолинейными в различных условиях эксплуатации. С учетом теплового расширения и при обеспечении краевых частей 49 в виде купола линия контакта между наружной поверхностью 49.1 поворотной краевой части 49 и соответствующим пазом 55 может проходить вдоль хордальной линии.

[0040] При работе газотурбинного двигателя 1 кольцевая поверхность 67 и наружная платформа 21 сопловых сегментов 17 могут перемещаться друг относительно друга в осевом и/или радиальном направлении. Герметизацию зазора G1 обеспечивают за счет контакта цилиндрической поверхности 51.1 с кольцевой поверхностью 67. Контакт между цилиндрической поверхностью 51.1 и кольцевой плоской поверхностью 67 представляет собой так называемый контакт Герца вдоль линии, который обеспечивает герметизирующий эффект между зоной за пределами жаровой трубы 31 и внутренним пространством жаровой трубы 31. Цилиндрическая поверхность 51.1 будет скользить и/или катиться по плоской поверхности 67 с обеспечением полного контакта с ней по всей протяженности герметизирующего элемента 47.

[0041] Устройство 45, герметизирующее зазор G2, может быть аналогичным по конструкции и функционированию устройству 43. Устройство 45 включает герметизирующую конструкцию с множеством герметизирующих элементов 77. Каждый герметизирующий элемент 77 содержит первую краевую часть 79 и вторую краевую часть 81. Как лучше всего показано на Фиг. 3, множество герметизирующих элементов 77 расположены смежно друг с другом вокруг оси А-А вращения. Каждый герметизирующий элемент 77 по существу аналогичен герметизирующим элементам 47.

[0042] Первая краевая часть 79 и вторая краевая часть 81 могут быть по существу прямолинейными. В некоторых вариантах осуществления, в частности, первая краевая часть 79 может иметь форму купола, как описано выше в отношении краевых частей 49. Краевые части 79 и 81 могут проходить вдоль параллельных осей. Первая краевая часть 79 каждого герметизирующего элемента 77 может иметь почти цилиндрическую наружную поверхность 79.1 в форме купола, т.е. поперечное сечение, которое больше в центральной части и меньше около концевых областей краевой части 79. Наружная поверхность 79.1 образует шейку для соединения с возможностью поворота герметизирующего элемента 77 с соплами 8 турбины или с компонентом, выполненным с ним за одно целое. В варианте осуществления, показанном на прилагаемых чертежах, каждая первая краевая часть 79 размещена в пазу 85, образующем поворотное посадочное место для герметизирующего элемента 77. Во внутренней платформе 23 соответствующего соплового сегмента 17 может быть предусмотрен паз 85. В некоторых вариантах осуществления, как уже было описано для герметизирующего элемента 47, один герметизирующий элемент 77 шарнир но соединен с каждым сопловым сегментом 17.

[0043] Каждый герметизирующий элемент 77 может удерживаться в соответствующем пазу 85 с помощью пары язычков, аналогичных язычкам 57, 59. Упругий элемент, например, пружина 91, может быть установлен на одном из язычков и выполнен с возможностью смещения герметизирующего элемента 77 с обеспечением герметизирующего контакта со стороны заднего конца жаровой трубы 31, как подробнее объяснено ниже. Для предотвращения или ограничения осевого перемещения герметизирующего элемента 77 вдоль паза 85 может быть предусмотрен удерживающий штифт (не показан) или другой удерживающий элемент, аналогичный удерживающему штифту 63.

[0044] Первая краевая часть 79 герметизирующего элемента 77 имеет по существу круглое поперечное сечение, как лучше всего показано на Фиг. 3, для взаимодействия с пазом 85, что позволяет герметизирующему элементу 77 поворачиваться вокруг оси поворота параллельно краевой части 79. Цилиндрическая поверхность 79.1 первой краевой части 79 находится в герметизирующем контакте вдоль по меньшей мере одной линии герметизирующего контакта с пазом 85, таким образом обеспечивая герметизирующий эффект между герметизирующим элементом 77 и внутренней платформой 23 каждого соплового сегмента 17.

[0045] Вторая краевая часть 81 имеет цилиндрическую поверхность 81.1, выполненную с возможностью обеспечения герметизирующего поверхностного контакта с кольцевой поверхностью 97 внутреннего участка 31.2 жаровой трубы. Кольцевая поверхность 97 предпочтительно является плоской и расположена на плоскости, ортогональной оси А-А вращения. Герметизирующий контакт поверхности герметизирующего элемента 77 с кольцевой поверхностью 97 обеспечивают с помощью упругого элемента 91 и/или за счет перепада давлений между наружной стороной жаровой трубы 31 и внутренней стороной жаровой трубы 31 во время работы газотурбинного двигателя 1.

[0046] В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, каждый герметизирующий элемент 77 является по существу жестким, т.е. он не деформируется в обычных условиях эксплуатации. Таким образом, первая и вторая краевые части 79, 81 остаются почти прямолинейными, поскольку они проходят вдоль прямолинейных осей, даже несмотря на то, что по меньшей мере краевая часть 79 может иметь наружную поверхность в форме купола, как упомянуто выше в отношении краевой части 49. Таким образом, герметизирующий элемент 77 и кольцевая поверхность 97, а также герметизирующий элемент 77 и паз 85 остаются в контакте вдоль соответствующих линий в любых условиях эксплуатации. В случае наличия краевых частей в форме купола линия контакта может представлять собой хордальную линию контакта.

[0047] При работе газотурбинного двигателя 1 кольцевая поверхность 97 и внутренние платформы 23 сопловых сегментов 17 могут перемещаться друг относительно друга в осевом и/или радиальном направлении. Герметизацию зазора G2 обеспечивают за счет контакта цилиндрической поверхности 81.1 с кольцевой поверхностью 97, которую эксплуатируют без какой-либо деформации герметизирующего элемента 77. Цилиндрическая поверхность 81.1 будет скользить и/или катиться по плоской поверхности 97 при обеспечении полного контакта с ней по всей протяженности герметизирующего элемента 77.

[0048] Хотя настоящее изобретение описано с точки зрения различных конкретных вариантов осуществления, специалистам в данной области будет очевидно, что возможны многие модификации, изменения и исключения без отступления от сущности и объема формулы изобретения.

Изобретение относится к герметизации в турбомашине. Описана система герметизации для герметизации зазора (G1, G2) в турбомашине (1) между первым конструктивным элементом (21; 23) и вторым конструктивным элементом (31). Система герметизации включает герметизирующее устройство, содержащее герметизирующий элемент (47, 77), имеющий первый краевой участок (49; 79) и второй краевой участок (51; 81). Два краевых участка параллельны друг другу, а первый краевой участок (49; 79) образует поворотное соединение с первым конструктивным элементом (21; 23). Первый конструктивный элемент (21; 23) дополнительно содержит посадочное место (55; 85), в котором с возможностью поворота размещен первый краевой участок (49; 79) герметизирующего элемента (47; 77). Второй краевой участок (51; 81) содержит изогнутую контактную поверхность (51.1, 81.1), находящуюся в герметизирующем контакте с контактной поверхностью (67; 97) второго конструктивного элемента (31). В настоящем документе также описан газотурбинный двигатель (1) с жаровой трубой (31) и герметизирующая конструкция для герметизации зазора (G1; G2) между жаровой трубой (31) и соплами турбины первой ступени турбины. Изобретение обеспечивает повышение эффективности герметизации и увеличение срока службы. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (43; 45) для герметизации зазора (G1; G2) в турбомашине (1) между первым конструктивным элементом (21; 23) и вторым конструктивным элементом (31), содержащее герметизирующий элемент (47; 77), имеющий тело, содержащее первую краевую часть (49; 79) и вторую краевую часть (51; 81), параллельные друг другу; при этом первый конструктивный элемент (21; 23) содержит посадочное место (55; 85), вмещающее с возможностью поворота первую краевую часть (49; 79) герметизирующего элемента (47; 77), так что первая краевая часть (49; 79) и посадочное место (55; 85) образуют шарнирное соединение; причем вторая краевая часть (51; 81) имеет изогнутую контактную поверхность (51.1; 81.1), при этом указанное устройство (43; 45) содержит упругий элемент (61; 91), который установлен на первом конструктивном элементе (21; 23) и выполнен с возможностью прижатия изогнутой контактной поверхности (51.1, 81.1) герметизирующего элемента (47; 77) к контактной поверхности (67; 97) второго конструктивного элемента (31), так что изогнутая контактная поверхность (51.1; 81.1) находится в герметизирующем контакте с контактной поверхностью (67; 97) второго конструктивного элемента (31).

2. Устройство (43; 45) по п. 1, в котором контактная поверхность (67; 97) второго конструктивного элемента (31) представляет собой плоскую контактную поверхность.

3. Устройство (43; 45) по п. 1 или 2, в котором первая краевая часть (49; 79) имеет первую цилиндрическую поверхность, которая имеет ось, параллельную первой краевой части (49; 79).

4. Устройство (43; 45) по одному или более из предшествующих пунктов, в котором изогнутая контактная поверхность (51.1; 81.1) второй краевой части (51; 81) имеет вторую цилиндрическую поверхность с осью, параллельной первой краевой части (49; 79).

5. Устройство (43; 45) по одному или более из предшествующих пунктов, в котором первая краевая часть (49; 79) и посадочное место (55; 85) выполнены с возможностью взаимодействия вдоль по меньшей мере первой линии герметизирующего контакта между первой краевой частью и посадочным местом.

6. Устройство (43; 45) по одному или более из предшествующих пунктов, в котором вторая краевая часть (51; 81) и контактная поверхность (67; 97) второго конструктивного элемента (31) выполнены с возможностью взаимодействия вдоль по меньшей мере второй прямой линии герметизирующего контакта между второй краевой частью и контактной поверхностью.

7. Устройство (43; 45) по одному или более из предшествующих пунктов, содержащее удерживающий элемент (63), выполненный с возможностью предотвращения или ограничения перемещения герметизирующего элемента (47; 77) в посадочном месте (55; 85) в направлении, параллельном первой краевой части (49; 79).

8. Устройство (43; 45) по одному или более из предшествующих пунктов, в котором герметизирующий элемент (47; 77) является по существу жестким.

9. Газовая турбина (1), содержащая:

корпус (3);

по меньшей мере одну ступень турбины в указанном корпусе (3), состоящую из набора неподвижных сопел (8) и набора поворотных лопаток (9);

камеру (5) сгорания и жаровую трубу (31), проходящую от ее переднего конца (31F) к заднему концу (31А);

устройство по одному или более из предшествующих пунктов, герметизирующее зазор между жаровой трубой (31) и неподвижными соплами (8).

10. Газовая турбина (1) по п. 9, в которой камера (5) сгорания представляет собой кольцевую камеру сгорания, причем жаровая труба (31) содержит наружный участок (31.1) жаровой трубы и внутренний участок (31.2) жаровой трубы.

11. Герметизирующая конструкция для герметизации зазора (G1; G2) между жаровой трубой (31) и окружающей конструкцией газотурбинного двигателя (1), содержащая множество герметизирующих элементов (47; 77), расположенных в виде кольца; причем каждый герметизирующий элемент содержит тело, имеющее первую краевую часть (49; 79) и вторую краевую часть (51; 81), параллельные друг другу; при этом окружающая конструкция содержит посадочное место (55; 85), вмещающее с возможностью поворота первую краевую часть (49; 79) герметизирующего элемента (47; 77), так что первая краевая часть (49; 79) и посадочное место (55; 85) образуют шарнирное соединение, причем вторая краевая часть (51; 81) имеет изогнутую контактную поверхность (51.1; 81.1), при этом каждый герметизирующий элемент (47; 77) снабжен упругим элементом (61; 91), который установлен на окружающей конструкции и выполнен с возможностью прижатия изогнутой контактной поверхности (51.1, 81.1) герметизирующего элемента (47; 77) к контактной поверхности (67; 97) жаровой трубы (31), так что изогнутая контактная поверхность (51.1; 81.1) находится в скользящем контакте с контактной поверхностью (67; 97) жаровой трубы (31).

12. Герметизирующая конструкция по п. 11, в которой контактная поверхность (67; 97) жаровой трубы (31) является плоской.

13. Герметизирующая конструкция по п. 11 или 12, в которой указанная окружающая конструкция содержит набор неподвижных сопел (8) ступени газовой турбины, соединенных по текучей среде с жаровой трубой (31).

14. Герметизирующая конструкция по одному или более из пп. 11-13, содержащая пластинчатый герметизирующий элемент (48), расположенный между каждой парой смежных герметизирующих элементов (47; 77).