Уплотнительный узел турбины газотурбинного двигателя Российский патент 2021 года по МПК F01D11/00 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к конструкциям уплотнений между соседними деталями в виде полок сопловых лопаток и/или полок рабочих лопаток и/или надроторных проставок.

В качестве прототипа выбран уплотнительный узел между блоками лопаток соплового аппарата (далее СА) турбины высокого давления газотурбинного двигателя (далее ГТД), содержащий уплотнение, установленное в общей канавке, образованной идентичными канавками, выполненными на торцах соседних блоков (далее канавка), причем концевые участки канавки выполнены под углом к ее средней части (в частности, в известном решении канавка имеет геометрическую форму, близкую к П-образной).

Сведения о прототипе представлены в учебном пособии «Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей»: учеб. пособие / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, К.А. Малиновский, В.Г. Попов. - М.: Высш. шк.; 2002. - 355 с.; ил., см. стр. 127, рис. 3.8 г.

Недостатки известного решения

В известном техническом решении зазор между соседними деталями герметизируется за счет установки в П-образные канавки П-образного уплотнительного элемента.

Указанный уплотнительный элемент при работе ГТД прижимается под действием перепада давления в лучшем случае только к двум сопряженным поверхностям П-образной канавки (в Г-образной зоне). Это происходит потому, что осевой размер П-образного уплотнения для обеспечения возможности сборки соплового венца всегда меньше осевого размера канавки (уплотнительный элемент устанавливается в канавке с зазором по всем направлениям). Таким образом под перепадом давления перетечка воздуха возможна по одной из вертикальных поверхностей канавки, не имеющей контакта с уплотнительным элементом. В результате это приводит к повышенному расходу охлаждающего воздуха, что снижает КПД турбины ГТД.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного технического решения, является снижение протечек воздуха между соседними деталями турбины ГТД.

Указанный технический результат достигается тем, что в уплотнительном узле турбины газотурбинного двигателя, содержащем уплотнение, установленное в общей канавке, образованной идентичными канавками, выполненными на торцах соседних деталей, причем концевые участки общей канавки выполнены под углом к ее средней части, согласно настоящему изобретению, для соседних деталей в виде полок сопловых лопаток и/или полок рабочих лопаток и/или надроторных проставок, уплотнение установлено в канавке и состоит из двух уплотнительных элементов, последовательно расположенных в общей канавке, каждый из которых выполнен из двух полос одинаковой ширины, установленных вдоль общей канавки, одна на другой, с контактом, по меньшей мере, по части их наибольших поверхностей и жестко соединенных друг с другом, причем полосы, расположенные на одном уровне, смещены в продольном направлении относительно полос, расположенных на другом уровне с образованием контактных площадок в средней части общей канавки, по которым они контактируют в ходе работы турбины с возможностью их продольного смещения относительно друг друга.

Такое конструктивное выполнение уплотнения обеспечивает его контакт не только с Г-образной частью канавки, а со всей ее криволинейной поверхностью под перепадом давления охлаждающего воздуха. За счет этого минимизируется перетечка воздуха в газовый тракт турбины ГТД. Под действием перепада давления при взаимном смещении элементов уплотнения относительно друг друга в противоположном осевом направлении между их близлежащими торцами образуется некоторый осевой зазор на обоих уровнях полос. Однако площадь канала возможной перетечки охлаждающего воздуха между полосами, контактирующими с поверхностью канавки, в заявленном техническом решении гораздо меньше, чем площадь одного из направлений канавки в прототипе, где отсутствует контакт уплотнительного элемента с поверхностью канавки в этой зоне.

Преимущественно близлежащие торцы полос уплотнительных элементов, прижимающихся в ходе работы турбины к поверхности общей канавки, выполнить контактирующими по подвижному соединению типа шип-паз. Площадь канала возможной перетечки охлаждающего воздуха в соединении шип-паз меньше, чем площадь канала возможной перетечки охлаждающего воздуха в предложенном уплотнении, состоящем из двух элементов без соединения шип-паз.

Ширина шипа в соединении шип-паз должна быть больше, чем ширина зазора между близлежащими торцами соседних деталей.

Если ширина шипа будет меньше, чем ширина зазора между близлежащими торцами соседних деталей – охлаждающий воздух будет перетекать между шипом и торцевыми стенками соседних деталей в газовый тракт турбины ГТД по площади, в худшем случае (зависит от соотношения ширины шипа и зазора между торцами соседних деталей) равной площади предложенного уплотнения, состоящего из двух элементов без соединения шип-паз.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На Фигуре 1 изображена наружная полка сопловой лопатки турбины ГТД с элементами уплотнения.

На Фигуре 2 изображен увеличенный фрагмент А с элементами уплотнения в канавке наружной полки сопловой лопатки турбины ГТД.

На Фигуре 3 изображен вид Б на стык уплотнительных элементов в наружной полке сопловой лопатки турбины ГТД в варианте без соединения шип-паз.

На Фигуре 4 изображен вид Б на стык уплотнительных элементов в наружной полке сопловой лопатки турбины ГТД в варианте с соединением шип-паз.

На Фигуре 5 изображена надроторная проставка турбины ГТД с элементами уплотнения.

На Фигуре 6 изображена полка рабочей лопатки турбины ГТД с элементами уплотнения.

На Фигуре 7 изображена общая канавка, образованная между соседними деталями, поперечный разрез.

Уплотнительный узел турбины газотурбинного двигателя содержит уплотнение 1, установленное в общей канавке 2 (фиг. 7), образованной идентичными канавками 8, 9, выполненными на торцах соседних деталей, в частности соседних полок сопловых лопаток и/или полок рабочих лопаток и/или надроторных проставок. Концевые участки 3 общей канавки 2 выполнены под углом к ее средней части 16, в частности общая канавка 2 выполнена геометрической формы, близкой к П-образной.

Уплотнение 1 состоит из двух уплотнительных элементов, последовательно расположенных в общей канавке 2, каждый из которых выполнен из двух полос 4, 5 и 6, 7 одинаковой ширины, установленных вдоль общей канавки 1, одна на другой соответственно.

Полосы 4 и 5, а также 6 и 7 контактируют друг с другом соответственно, по части их наибольших поверхностей (в случае выполнения в области концевых участков 3 общей канавки 2 дополнительных ответвлений 10, см. фиг. 5), либо по наибольшим поверхностям (фиг. 1, 6).

Полосы 4 и 5, а также 6 и 7 жестко соединены друг с другом соответственно (в частности, посредством точечной сварки, на фигурах не показана), причем полосы 4 и 6, расположенные на одном уровне, смещены в продольном направлении относительно полос 5 и 7, расположенных на другом уровне с образованием контактных площадок 11 в средней части 16 общей канавки 2.

По контактным площадкам 11 уплотнительные элементы контактируют друг с другом в ходе работы турбины ГТД с возможностью их продольного смещения относительно друг друга.

Близлежащие торцы 12, 13 полос уплотнительных элементов, прижимающихся в ходе работы турбины к поверхности общей канавки 2, выполнены контактирующими по подвижному (в продольном направлении) соединению типа шип-паз 14-15, а именно по их поверхностям 17, 18, где ширина шипа 14 больше, чем ширина зазора между близлежащими торцами соседних деталей.

В процессе работы ГТД на элементы уплотнения, состоящие из полос 4, 5 и 6, 7 соответственно, действует перепад давления со стороны воздушной полости турбины. При этом элементы уплотнения смещаются в сторону газового тракта, прижимаясь к поверхностям общей канавки 2. Таким образом, одновременно происходит контакт элементов уплотнения друг с другом в зоне контактных площадок 11 и контакт элементов уплотнения с поверхностями общей канавки 2 со стороны газового тракта турбины.

Предложенная конструкция уплотнения 1, состоящая из 2-х элементов, обеспечивает контакт уплотнительного узла по всему периметру канавки и эффективно экономит расход охлаждающего воздуха, что повышает КПД турбины.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к конструкциям уплотнений между соседними деталями в виде полок сопловых лопаток и/или полок рабочих лопаток и/или надроторных проставок. В уплотнительном узле турбины газотурбинного двигателя, содержащем уплотнение, установленное в общей канавке, образованной идентичными канавками, выполненными на торцах соседних деталей, причем концевые участки общей канавки выполнены под углом к ее средней части, согласно настоящему изобретению, для соседних деталей в виде полок сопловых лопаток и/или полок рабочих лопаток и/или надроторных проставок, уплотнение установлено в канавке и состоит из двух уплотнительных элементов, последовательно расположенных в общей канавке, каждый из которых выполнен из двух полос одинаковой ширины, установленных вдоль общей канавки, одна на другой, с контактом, по меньшей мере, по части их наибольших поверхностей и жестко соединенных друг с другом, причем полосы, расположенные на одном уровне, смещены в продольном направлении относительно полос, расположенных на другом уровне с образованием контактных площадок в средней части общей канавки, по которым они контактируют в ходе работы турбины с возможностью их продольного смещения относительно друг друга. Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного технического решения, является снижение протечек воздуха между соседними деталями турбины ГТД. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Уплотнительный узел турбины газотурбинного двигателя, содержащий уплотнение, установленное в общей канавке, образованной идентичными канавками, выполненными на торцах соседних деталей, причем концевые участки общей канавки выполнены под углом к ее средней части, отличающийся тем, что для соседних деталей в виде полок сопловых лопаток и/или полок рабочих лопаток и/или надроторных проставок, уплотнение состоит из двух уплотнительных элементов, последовательно расположенных в общей канавке, каждый из которых выполнен из двух полос одинаковой ширины, установленных вдоль общей канавки, одна на другой, с контактом, по меньшей мере, по части их наибольших поверхностей и жестко соединенных друг с другом, причем полосы, расположенные на одном уровне, смещены в продольном направлении относительно полос, расположенных на другом уровне с образованием контактных площадок в средней части общей канавки, по которым они контактируют в ходе работы турбины с возможностью их продольного смещения относительно друг друга.

2. Уплотнительный узел по п. 1, отличающийся тем, что близлежащие торцы полос уплотнительных элементов, прижимающихся в ходе работы турбины к поверхности общей канавки, выполнены контактирующими по подвижному соединению типа шип-паз, где ширина шипа больше, чем ширина зазора между близлежащими торцами соседних деталей.