УЗЕЛ УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
SEAL ASSEMBLY INCLUDING FOR GAS TURBINE ENGINE

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка является частичным продолжением заявки на патент США №13/747868 (номер патентного реестра 2012P17912US), поданной 23 января 2013 года, «Узел уплотнения для газотурбинного двигателя, включающий в себя канавки во внутреннем бандаже», Чанг Панг Ли, полное содержание которой включено здесь путем ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится, в общем, к узлу уплотнения для использования в газотурбинном двигателе, который включает в себя множество канавок, расположенных на радиально наружной стороне выполненной с возможностью вращения платформы рабочей лопатки, чтобы способствовать ограничению утечки между путепроводом горячего газа и полостью диска.
Предшествующий уровень техники
В качестве прототипа выбран документ US 2006269399 A1.
В многоступенчатых ротационных машинах, таких как газотурбинные двигатели, текучая среда, например воздух, сжимается в секции компрессора и смешивается с топливом в секции камеры сгорания. Смесь воздуха и топлива воспламеняется в секции камеры сгорания для генерирования газов сгорания, которые образуют горячий рабочий газ, который направляется на ступени турбины внутри секции турбины двигателя для получения вращательного движения компонентов турбины. Секция турбины и секция компрессора имеют неподвижные или невращающиеся компоненты, такие как, например, направляющие лопатки, которые взаимодействуют с вращающимися компонентами, такими как, например, рабочие лопатки, для сжатия и расширения горячего рабочего газа. Многие компоненты внутри машины необходимо охлаждать посредством охлаждающей текучей среды для предотвращения перегрева компонентов. Попадание горячего рабочего газа из путепровода горячего газа в полости диска, которые содержат охлаждающую текучую среду, ухудшает характеристики двигателя и его эффективность, например, из-за повышения температуры диска и основания лопатки.
Попадание горячего рабочего газа из путепровода горячего газа в полости диска также может уменьшить срок службы и/или вызвать выход из строя компонентов, расположенных в полостях диска или около них.
Задачей изобретения является устранение недостатков предшествующего уровня техники.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предлагается узел уплотнения между полостью диска и путепроводом горячего газа, который продолжается через секцию турбины газотурбинного двигателя. Узел уплотнения содержит неподвижный узел направляющих лопаток, включающий в себя множество направляющих лопаток и внутренний бандаж, и вращающийся узел рабочих лопаток, расположенный ниже по потоку относительно узла направляющих лопаток и включающий в себя множество рабочих лопаток, которые поддерживаются на платформе и вращаются вместе с ротором турбины и платформой во время работы двигателя. Платформа содержит обращенную радиально наружу первую поверхность, обращенную радиально внутрь вторую поверхность, третью поверхность, обращенную в аксиальном направлении, образованном продольной осью секции турбины, и множество канавок, продолжающихся в третью поверхность. Канавки располагаются таким образом, что между смежными канавками образовано пространство, имеющее компоненту в окружном направлении, причем окружное направление соответствует направлению вращения узла рабочих лопаток. Во время работы двигателя канавки направляют продувочный воздух из полости диска в направлении путепровода горячего газа таким образом, что продувочный воздух течет в требуемом направлении относительно направления потока горячего воздуха через путепровод горячего газа.
Согласно второму аспекту изобретения, предлагается узел уплотнения между полостью диска и путепроводом горячего газа, который продолжается через секцию турбины газотурбинного двигателя. Узел уплотнения содержит неподвижный узел направляющих лопаток, включающий в себя множество направляющих лопаток и внутренний бандаж, и вращающийся узел рабочих лопаток, расположенный ниже по потоку относительно узла направляющих лопаток и включающий в себя множество рабочих лопаток, которые поддерживаются на платформе и вращаются вместе с ротором турбины и платформой во время работы двигателя. Платформа содержит обращенную радиально наружу первую поверхность, обращенную радиально внутрь вторую поверхность, третью поверхность, обращенную в аксиальном направлении, образованном продольной осью секции турбины, и множество канавок, продолжающихся в третью поверхность. Третья поверхность платформы продолжается радиально внутрь от первой поверхности платформы под углом относительно продольной оси таким образом, что третья поверхность платформы также обращена в радиальном направлении. Канавки располагаются таким образом, что между смежными канавками образовано пространство, имеющее компоненту в окружном направлении, причем окружное направление соответствует направлению вращения узла рабочих лопаток. Канавки сужаются в направлении от их входов, расположенных дистально относительно первой поверхности платформы, до их выходов, расположенных проксимально относительно первой поверхности платформы, таким образом, что входы имеют ширину больше, чем выходы. Во время работы двигателя канавки направляют продувочный воздух из полости диска в направлении путепровода горячего газа таким образом, что направление потока продувочного воздуха по существу выровнено с направлением потока горячего воздуха через путепровод горячего воздуха, которое по существу параллельно углу выхода задней кромки по меньшей мере одной из направляющих лопаток. Согласно третьему аспекту предлагается узел уплотнения между полостью диска и путепроводом горячего газа, который продолжается через секцию турбины газотурбинного двигателя, включающую в себя ротор турбины. Узел уплотнения содержит неподвижный узел направляющих лопаток и узел рабочих лопаток, выполненный с возможностью вращения вместе с ротором турбины и расположенный ниже по потоку относительно узла направляющих лопаток. Узел направляющих лопаток включает в себя множество направляющих лопаток и внутренний бандаж. Внутренний бандаж содержит обращенную радиально наружу первую поверхность, обращенную радиально внутрь и аксиально вниз по потоку вторую поверхность, причем аксиальное направление образовано продольной осью секции турбины, и множество канавок направляющих лопаток, продолжающихся во вторую поверхность. Канавки направляющих лопаток располагаются таким образом, что между смежными канавками образовано пространство, имеющее компоненту в окружном направлении, причем окружное направление соответствует направлению вращения ротора турбины. Узел рабочих лопаток включает в себя множество рабочих лопаток, поддерживаемых на платформе. Платформа содержит обращенную радиально наружу первую поверхность, обращенную радиально внутрь вторую поверхность, обращенную радиально наружу и аксиально вверх по потоку третью поверхность и множество канавок рабочих лопаток, продолжающихся в третью поверхность платформы. Канавки рабочих лопаток располагаются таким образом, что между смежными канавками образовано пространство, имеющее компоненту в окружном направлении. Во время работы двигателя канавки направляющих лопаток и канавки рабочих лопаток каждые направляют продувочный воздух из полости диска в направлении путепровода горячего газа таким образом, что продувочный воздух течет в требуемом направлении относительно направления потока горячего воздуха через путепровод горячего газа.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления, приводимым со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематический вид в разрезе части ступени турбины газотурбинного двигателя, включающей в себя узел уплотнения согласно варианту воплощения изобретения;
фиг. 2 - местный вид в изометрии множества канавок узла уплотнения на фиг. 1;
фиг. 2А - вид сбоку нескольких канавок, показанных на фиг. 2;
фиг. 3 - вид в поперечном разрезе ступени, показанной на фиг. 1, если смотреть в направлении радиально внутрь;
фиг. 4 - схематический вид в разрезе части ступени турбины газотурбинного двигателя, включающей в себя узел уплотнения согласно другому варианту воплощения изобретения;
фиг. 5 - местный вид в изометрии множества канавок узла уплотнения на фиг. 4;
фиг. 5А - вид сбоку нескольких канавок, показанных на фиг. 5;
фиг. 6 - вид в поперечном разрезе ступени, показанной на фиг. 4, если смотреть в направлении радиально внутрь;
фиг. 7 - вид, подобный фиг. 5, иллюстрирующий узел уплотнения согласно другому варианту воплощения изобретения;
фиг. 8 - вид, подобный фиг. 6, иллюстрирующий узел уплотнения согласно другому варианту воплощения изобретения.
Подробное описание изобретения
Далее подробно описываются предпочтительные варианты воплощения с помощью прилагаемых чертежей, которые приведены только в качестве иллюстрации и не ограничивают изобретение. Понятно, что возможны другие варианты воплощения и возможны изменения, не выходя за пределы сущности и объема настоящего изобретения.
A
На фиг. 1 схематично иллюстрируется часть турбинного двигателя 10, включающая в себя неподвижный узел 12 направляющих лопаток, включающий в себя множество направляющих лопаток 14, подвешенных на наружном кожухе (не показан) и прикрепленных к кольцевому внутреннему бандажу 16, и узел 18 рабочих лопаток, включающий в себя множество рабочих лопаток 20 и структуру 22 диска ротора, которая образует часть ротора 24 турбины. Узел 12 направляющих лопаток и узел 18 рабочих лопаток могут быть обобщенно названы здесь как «ступень» секции 26 турбины двигателя 10, которая может содержать множество ступеней, что очевидно специалистам в этой области техники. Узлы 12 направляющих лопаток и узлы 18 рабочих лопаток разнесены относительно друг друга в аксиальном направлении, образующем продольную ось L двигателя 10, причем узел 12 направляющих лопаток, иллюстрируемый на фиг. 1, располагается выше по потоку от иллюстрируемого узла 18 рабочих лопаток относительно впуска 26А и выпуска 26В секции 26 турбины, см. фиг. 1 и фиг. 3.
Структура 22 диска ротора может содержать платформу 28, диск 30 рабочей лопатки и любые другие структуры, связанные с узлом 18 рабочих лопаток, которые вращаются вместе с ротором 24 во время работы двигателя 10, такие как, например, основания, боковые стенки, хвостовики и т.д.
G
G
Направляющие лопатки 14 и рабочие лопатки 20 продолжаются в кольцевой путепровод 34 горячего газа, образованный внутри секции 26 турбины. Рабочий газ H (см. фиг. 3), содержащий горячие газы сгорания, направляется через путепровод 34 горячего газа и течет мимо направляющих лопаток 14 и рабочих лопаток 20 к остальным ступеням во время работы двигателя 10. Прохождение рабочего газа H через путепровод 34 горячего газа заставляет вращаться рабочие лопатки 20 и соответствующий узел 18 рабочих лопаток, чтобы получить вращение ротора 24 турбины.
А
А
G
G
А
Обращаясь к фиг. 1, полость 36 диска располагается радиально внутри относительно путепровода 34 горячего газа между кольцевым внутренним бандажом 16 и структурой 22 диска ротора. Продувочный воздух Р, такой как, например, воздух с выхода компрессора, обеспечивается в полости 36 диска для охлаждения внутреннего бандажа 16 и структуры 22 диска ротора. Продувочный воздух Р также обеспечивает выравнивание давления относительно давления рабочего воздуха H, текущего через путепровод 34 горячего газа, чтобы противодействовать потоку рабочего газа H в полость 36 диска. Продувочный воздух Р может обеспечиваться в полости 36 диска из каналов для охлаждения (не показаны), образованных в роторе 24, и/или из других верхних по потоку каналов (не показаны), если это требуется. Отметим, что другие полости диска (не показаны) обычно обеспечиваются между остальными внутренними бандажами 16 и соответствующими смежными структурами 22 диска ротора.
1
A
A
Как показано на фиг. 1-3, внутренний бандаж 16 в иллюстрируемом варианте воплощения содержит продолжающуюся по существу радиально первую поверхность 40, от которой продолжаются направляющие лопатки 14. Первая поверхность 40 в иллюстрируемом варианте воплощения продолжается от аксиально верхнего по потоку концевого участка 42 внутреннего бандажа 16 до аксиально нижнего по потоку концевого участка 44, см. фиг. 2 и фиг. 3. Внутренний бандаж 16 дополнительно содержит обращенную радиально внутрь и аксиально вниз по потоку вторую поверхность 46, которая продолжается от аксиально нижнего по потоку концевого участка 44 внутреннего бандажа в направлении от смежного узла 18 рабочих лопаток до обращенной по существу аксиально третьей поверхности 48 внутреннего бандажа 16, см. фиг. 1 и фиг. 2. Вторая поверхность 46 внутреннего бандажа 16 в иллюстрируемом варианте воплощения продолжается от нижнего по потоку концевого участка 44 под углом β относительно линии L, которая параллельна продольной оси L, т.е. таким образом, что вторая поверхность 46 также продолжается от нижнего по потоку концевого участка 44 под углом β относительно продольной оси L, причем угол β предпочтительно находится в диапазоне порядка 30-60° и в иллюстрируемом варианте воплощения составляет порядка 45°, см. фиг. 1. Третья поверхность 48 продолжается радиально внутрь от второй поверхности 46 и обращена к структуре 22 диска ротора смежного узла 18 рабочих лопаток.
G
А
G
G
А
G
Компоненты внутреннего бандажа 16 и структуры 22 диска ротора, расположенные радиально внутри относительно соответствующих направляющих лопаток 14 и рабочих лопаток 20, взаимодействуют, чтобы образовать кольцевой узел 50 уплотнения между путепроводом 34 горячего газа и полостью 36 диска. Кольцевой узел 50 уплотнения способствует предотвращению попадания рабочего газа H из путепровода 34 горячего газа в полость 36 диска и направляет часть продувочного газа Р из полости 36 диска в требуемом направлении относительно направления потока рабочего газа H через путепровод 34 горячего газа, как будет описано ниже. Отметим, что другие узлы 50 уплотнения, подобные описываемому здесь, могут быть обеспечены между внутренними бандажами 16 и структурами 22 диска ротора остальных ступеней двигателя 10, чтобы способствовать предотвращению попадания рабочего газа H из путепровода 34 горячего газа в соответствующие полости 36 диска и направлять часть продувочного газа Р из полостей 36 диска в требуемом направлении относительно направления потока рабочего газа H через путепровод 34 горячего газа, как будет описано ниже.
А
Как показано на фиг. 1-3, узел 50 уплотнения содержит части узла 12 направляющих лопаток и узла 18 рабочих лопаток. В частности, в иллюстрируемом варианте воплощения узел 50 уплотнения содержит вторую и третью поверхности 46, 48 внутреннего бандажа 16 и аксиально верхний по потоку концевой участок 28А платформы 28 структуры 22 диска ротора. Эти компоненты взаимодействуют, чтобы образовать выпуск 52 из полости 36 диска для продувочного воздуха Р, см. фиг. 1 и фиг. 3.
А
А
Узел 50 уплотнения дополнительно содержит множество канавок 60, также называемых здесь канавки направляющих лопаток, продолжающихся во вторую и третью поверхности 46, 48 внутреннего бандажа 16. Канавки 60 располагаются таким образом, что между смежными канавками 60 образованы пространства 62, имеющие компоненты в окружном направлении, см. фиг. 2 и фиг. 3. Размеры пространств 62 могут изменяться в зависимости от конкретной конструкции двигателя 10 и могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить точную настройку выпуска продувочного воздуха Р из канавок 60, причем выпуск продувочного воздуха Р из канавок 60 будет рассмотрен более подробно ниже.
А
А
1
2
1
2
W1
W2
А
А
G
Как показано более ясно на фиг. 2, входы 64 канавок 60, т.е. где продувочный воздух Р, выходящий из полости 36 диска в направлении путепровода 34 горячего газа, входит в канавки 60, располагаются дистально относительно аксиального концевого участка 44 внутреннего бандажа 16 на его третьей поверхности 48, и выходы канавок 60, т.е. где продувочный воздух Р выходит из канавок 60, располагаются проксимально относительно аксиального концевого участка 44 внутреннего бандажа 16 на его второй поверхности 46. Обращаясь к фиг. 2А, канавки 60 предпочтительно сужаются в направлении от их входов 64 до их выходов 66 таким образом, что ширина W входов 64 больше, чем ширина W выходов 66, причем ширины W, W соответственно измеряются между противоположными боковыми стенками S, S внутреннего бандажа 16, которые образуют канавки 60, в направлениях, по существу перпендикулярных общему направлению потока продувочного воздуха Р через соответствующие канавки 60. Это сужение канавок 60 обеспечивает более сосредоточенный и оказывающий большее действие выпуск продувочного воздуха Р из канавок 60, чтобы более эффективно предотвращать попадание горячего газа H в полость 36 диска, как будет описано ниже.
R
А
А
G
А
А
G
G
Как показано на фиг. 3, канавки 60 также предпочтительно наклонены и/или изогнуты в окружном направлении таким образом, что их входы 64 располагаются выше по потоку от их выходов 66 относительно направления D вращения ротора 24 турбины. Этот наклон и/или изгиб канавок 60 обеспечивает направление продувочного воздуха Р из полости 36 диска наружу из канавок 60 в направлении путепровода 34 горячего газа таким образом, что продувочный воздух Р течет в требуемом направлении относительно потока рабочего газа H через путепровод 34 горячего газа. В частности, канавки 60 согласно этому аспекту изобретения направляют продувочный воздух Р из полости 36 диска таким образом, что направление потока продувочного воздуха Р по существу выровнено с направлением потока рабочего газа H в соответствующей аксиальной позиции в путепроводе 34 горячего газа, причем направление потока рабочего газа H в соответствующей аксиальной позиции в путепроводе 34 горячего газа по существу параллельно углам выхода задних кромок 14А направляющих лопаток 14.
G
Обращаясь к фиг. 1-3, узел 50 уплотнения дополнительно содержит продолжающуюся по существу аксиально уплотнительную структуру 70 внутреннего бандажа 16, которая продолжается от его третьей поверхности 48 в направлении диска 30 рабочей лопатки узла 18 рабочих лопаток. Как показано на фиг. 1 и фиг. 3, аксиальный конец 70А уплотнительной структуры 70 располагается в непосредственной близости от диска 30 рабочей лопатки узла 18 рабочих лопаток. Уплотнительная структура 70 может быть образована за одно целое с внутренним бандажом 16 или может быть образована отдельно от внутреннего бандажа 16 и прикреплена к нему. Как показано на фиг. 1, уплотнительная структура 70 предпочтительно перекрывает верхний по потоку конец 28А платформы 28 таким образом, что рабочий газ H, чтобы попасть из путепровода 34 горячего газа в полость 36 диска, должен проходить по извилистому путепроводу.
G
R
Во время работы двигателя 10 прохождение горячего рабочего газа H через путепровод 34 горячего газа заставляет узел 18 рабочих лопаток и ротор 24 турбины вращаться в направлении D вращения, как показано на фиг. 3.
А
А
А
А
А
А
А
G
Разница давлений между полостью 36 диска и путепроводом 34 горячего газа, а именно давление в полости 36 диска больше, чем давление в путепроводе 34 горячего газа, заставляет продувочный воздух Р, расположенный в полости 36 диска, течь в направлении путепровода 34 горячего газа, см. фиг. 1. Когда продувочный воздух Р достигает третью поверхность 48 внутреннего бандажа 36, часть продувочного воздуха Р течет во входы 64 канавок 60. Эта часть продувочного воздуха Р течет радиально наружу через канавки 60 и затем, при достижении участков канавок 60 на второй поверхности 46 внутреннего бандажа 16, продувочный воздух Р течет радиально наружу и аксиально в канавках 60 в направлении смежного узла 18 рабочих лопаток. Благодаря наклону и/или изгибу канавок 60, как было описано выше, продувочный воздух Р получает окружную компоненту скорости, так что продувочный воздух Р выходит из канавок 60 по существу в том же направлении, в котором течет рабочий газ H после выхода с задних кромок 14А направляющих лопаток 14, см. фиг. 3.
А
G
G
G
А
Выпуск продувочного воздуха Р из канавок 60 способствует ограничению попадания горячего рабочего газа H из путепровода 34 горячего газа в полость 36 диска за счет принудительного вытеснения рабочего газа H из узла 50 уплотнения. Так как узел 50 уплотнения ограничивает попадание рабочего газа H из путепровода 34 горячего газа в полость 36 диска, узел 50 уплотнения позволяет уменьшить количество продувочного воздуха Р, которое должно быть обеспечено в полости 36 диска, тем самым увеличивая эффективность двигателя.
А
G
А
G
А
G
А
G
А
G
G
Кроме того, так как продувочный воздух Р выходит из канавок 60 по существу в том же направлении, в котором рабочий газ H течет через путепровод 34 горячего газа после выхода с задних кромок 14А направляющих лопаток 14, будут меньше потери давления, связанные со смешиванием продувочного воздуха Р с рабочим газом H, тем самым дополнительно увеличивается эффективность двигателя. Это, в частности, реализовано с помощью канавок 60 согласно настоящему изобретению, так как они образованы в нижнем по потоку концевом участке 44 внутреннего бандажа 16, так что продувочный воздух Р, выходящий из канавок 60, течет аксиально ниже по потоку относительно направления потока горячего рабочего газа H через путепровод 34 горячего газа, дополнительно к продувочному воздуху Р, выходящему из канавок 60 по существу в том же окружном направлении, в котором течет горячий рабочий газ H после выхода с задних кромок 14А направляющих лопаток 14, благодаря тому, что канавки 60 наклонены и/или изогнуты в окружном направлении. Тем самым канавки 60, образованные во внутреннем бандаже 16, обеспечивают меньшие потери давления, связанные со смешиванием продувочного воздуха Р с рабочим газом H, чем если бы они были образованы в верхнем по потоку участке 28А платформы 28, когда продувочный воздух, выходящий из канавок, образованных в верхнем по потоку участке 28А платформы 28, будет течь аксиально выше по потоку относительно направления потока горячего рабочего газа H через путепровод 34 горячего газа, что ведет к большим потерям давления, связанным со смешиванием.
А
А
G
Отметим, что наклон и/или изгиб канавок 60 может изменяться для точной настройки направления выпуска продувочного воздуха Р из канавок 60. Это может быть желательным на основании углов выхода задних кромок 14А направляющих лопаток 14 и/или чтобы изменять величину потерь давления, связанных со смешиванием продувочного воздуха Р с рабочим газом H, текущим через путепровод 34 горячего газа.
Кроме того, входы 64 канавок 60 могут располагаться на третьей поверхности 48 внутреннего бандажа 16 дальше или ближе в радиальном направлении или входы 64 могут располагаться на второй поверхности 46 внутреннего бандажа 16, т.е. таким образом, что канавки 60 будут полностью располагаться на второй поверхности 46 внутреннего бандажа 16.
И, наконец, описываемые здесь канавки 60 предпочтительно получают путем литья вместе с внутренним бандажом 16 или получают путем механической обработки внутреннего бандажа 16. Поэтому структурная целостность и сложность изготовления канавок 60 будут улучшены по сравнению с ребрами, которые образуются отдельно и прикрепляются к внутреннему бандажу 16.
A
На фиг. 4 иллюстрируется часть турбинного двигателя 110, где структуры, подобные описанным выше со ссылкой на фиг. 1-3, обозначены такими же ссылочными позициями, увеличенными на 100. Двигатель 110 показан схематично и включает в себя неподвижный узел 112 направляющих лопаток, включающий в себя множество направляющих лопаток 114, подвешенных на наружном кожухе (не показан) и прикрепленных к кольцевому внутреннему бандажу 116, и узел 118 рабочих лопаток, расположенный ниже по потоку относительно узла 112 направляющих лопаток и включающий в себя множество рабочих лопаток 120 и структуру 122 диска ротора, которая образует часть ротора 124 турбины. Узел 112 направляющих лопаток и узел 118 рабочих лопаток могут быть обобщенно названы здесь как «ступень» секции 126 турбины двигателя 110, которая может содержать множество ступеней, что очевидно специалистам в этой области техники. Узлы 112 направляющих лопаток и узлы 118 рабочих лопаток разнесены относительно друг друга в аксиальном направлении, образующем продольную ось L двигателя 110, причем узел 112 направляющих лопаток, иллюстрируемый на фиг. 4, располагается выше по потоку от иллюстрируемого узла 118 рабочих лопаток относительно впуска 126А и выпуска 126В секции 126 турбины, см. фиг. 4 и фиг. 6.
Структура 122 диска ротора содержит платформу 128, диск 130 рабочей лопатки и любые другие структуры, связанные с узлом 118 рабочих лопаток, которые вращаются вместе с ротором 124 во время работы двигателя 110, такие как, например, основания, боковые стенки, хвостовики и т.д.
G
G
Направляющие лопатки 114 и рабочие лопатки 120 продолжаются в кольцевой путепровод 134 горячего газа, образованный внутри секции 126 турбины. Рабочий газ H (см. фиг. 6), содержащий горячие газы сгорания, направляется через путепровод 134 горячего газа и течет мимо направляющих лопаток 114 и рабочих лопаток 120 к остальным ступеням во время работы двигателя 110. Прохождение рабочего газа H через путепровод 134 горячего газа заставляет вращаться рабочие лопатки 120 и соответствующий узел 118 рабочих лопаток, чтобы получить вращение ротора 124 турбины.
А
А
G
G
А
Обращаясь к фиг. 4, полость 136 диска располагается радиально внутри относительно путепровода 134 горячего газа между кольцевым внутренним бандажом 116 и структурой 122 диска ротора. Продувочный воздух Р, такой как, например, воздух с выхода компрессора, обеспечивается в полости 136 диска для охлаждения внутреннего бандажа 116 и структуры 122 диска ротора. Продувочный воздух Р также обеспечивает выравнивание давления относительно давления рабочего воздуха H, текущего через путепровод 134 горячего газа, чтобы противодействовать потоку рабочего газа H в полость 136 диска. Продувочный воздух Р может обеспечиваться в полости 136 диска из каналов для охлаждения (не показаны), образованных в роторе 124, и/или из других верхних по потоку каналов (не показаны), если это требуется. Отметим, что другие полости диска (не показаны) обычно обеспечиваются между остальными внутренними бандажами 116 и соответствующими смежными структурами 122 диска ротора.
Обращаясь к фиг. 4-6, платформа 128 в иллюстрируемом варианте воплощения содержит обращенную по существу радиально наружу первую поверхность 138, от которой продолжаются рабочие лопатки 120. Первая поверхность 138 в иллюстрируемом варианте воплощения продолжается от аксиально верхнего по потоку концевого участка 140 платформы 128 до аксиально нижнего по потоку концевого участка 142, см. фиг. 5 и фиг. 6.
Платформа 128 дополнительно содержит обращенную радиально внутрь вторую поверхность 144, которая продолжается от аксиально верхнего по потоку концевого участка 140 платформы 128 в направлении от смежного узла 112 направляющих лопаток, см. фиг. 4, 5 и 5А.
2
A
Аксиально верхний по потоку концевой участок 140 платформы 128 содержит обращенную радиально наружу и аксиально вверх по потоку третью поверхность 146, и обращенную по существу аксиально четвертую поверхность 148, которая продолжается от третьей поверхности 146 до второй поверхности 144 и обращена к внутреннему бандажу 116 смежного узла 112 направляющих лопаток. Третья поверхность 146 платформы 128 в иллюстрируемом варианте воплощения продолжается от первой поверхности 138 под углом θ относительно линии L, которая параллельна продольной оси L, причем угол θ предпочтительно находится в диапазоне порядка 30-60° и в иллюстрируемом варианте воплощения составляет порядка 45°, см. фиг. 4.
G
А
G
G
А
G
Компоненты платформы 128 и внутреннего бандажа 116, расположенные радиально внутри относительно соответствующих рабочих лопаток 120 и направляющих лопаток 114, взаимодействуют, чтобы образовать кольцевой узел 150 уплотнения между путепроводом 134 горячего газа и полостью 136 диска. Кольцевой узел 150 уплотнения способствует предотвращению попадания рабочего газа H из путепровода 134 горячего газа в полость 136 диска и направляет часть продувочного газа Р из полости 136 диска в требуемом направлении относительно направления потока рабочего газа H через путепровод 134 горячего газа, как будет описано ниже. Отметим, что другие узлы 150 уплотнения, подобные описываемому здесь, могут быть обеспечены между платформами 128 и внутренними бандажами 116 остальных ступеней двигателя 110, чтобы способствовать предотвращению попадания рабочего газа H из путепровода 134 горячего газа в соответствующие полости 136 диска и направлять часть продувочного газа Р из полостей 136 диска в требуемом направлении относительно направления потока рабочего газа H через путепровод 134 горячего газа, как будет описано ниже.
А
Как показано на фиг. 4-6, узел 150 уплотнения содержит части узла 112 направляющих лопаток и узла 118 рабочих лопаток. В частности, в иллюстрируемом варианте воплощения узел 150 уплотнения содержит третью и четвертую поверхности 146, 148 платформы 128 и аксиально нижний по потоку концевой участок 116А внутреннего бандажа 116 смежного узла 112 направляющих лопаток. Эти компоненты взаимодействуют, чтобы образовать выпуск 152 из полости 136 диска для продувочного воздуха Р, см. фиг. 4 и фиг. 6.
R
А
А
Узел 150 уплотнения дополнительно содержит множество канавок 160, также называемых здесь канавки рабочих лопаток, продолжающихся в третью и четвертую поверхности 146, 148 платформы 128. Канавки 160 располагаются таким образом, что между смежными канавками 160 образованы пространства 162, имеющие компоненты в окружном направлении, образованном направлением D вращения ротора 124 турбины и структуры 122 ротора диска, см. фиг. 5, 5А и 6. Размеры пространств 162 могут изменяться в зависимости от конкретной конструкции двигателя 110 и могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить точную настройку выпуска продувочного воздуха Р из канавок 160, причем выпуск продувочного воздуха Р из канавок 160 будет рассмотрен более подробно ниже.
А
А
1
2
1
2
W1
W2
А
А
G
Как показано более ясно на фиг. 5А, входы 164 канавок 160, т.е. где продувочный воздух Р, выходящий из полости 136 диска в направлении путепровода 134 горячего газа, входит в канавки 160, располагаются на четвертой поверхности 148 платформы 128, дистально относительно первой поверхности 138 платформы 128. Выходы канавок 160, т.е. где продувочный воздух Р выходит из канавок 160, располагаются проксимально относительно первой поверхности 138 платформы 128 на ее третьей поверхности 146. Канавки 160 предпочтительно сужаются в направлении от их входов 164 до их выходов 166 таким образом, что ширина W входов 164 больше, чем ширина W выходов 166, причем ширины W, W соответственно измеряются между противоположными боковыми стенками S, S платформы 128, которые образуют канавки 160, в направлениях, по существу перпендикулярных общему направлению потока продувочного воздуха Р через соответствующие канавки 160. Это сужение канавок 160 обеспечивает более сосредоточенный и оказывающий большее действие выпуск продувочного воздуха Р из канавок 160, чтобы более эффективно предотвращать попадание горячего газа H в полость 136 диска, как будет описано ниже.
SE
3
Р
SO
3
Р
А
Далее, обращаясь снова к фиг. 5А, окружное расстояние C между входами 164 смежных канавок меньше, чем окружная ширина W каждой канавки 160 в средних точках М их боковых стенок, и окружное расстояние C между выходами 166 смежных канавок больше, чем окружная ширина W каждой канавки 160 в средних точках М их боковых стенок. Эти размеры канавок 160 обеспечивают улучшенные параметры потока продувочного воздуха Р из канавок 160, что будет рассмотрено ниже.
R
А
А
G
А
А
G
G
Обращаясь к фиг. 5, канавки 160 также предпочтительно наклонены и/или изогнуты в окружном направлении таким образом, что по меньшей мере часть их входов 164 располагается ниже по потоку от по меньшей мере части их выходов 166 относительно направления D вращения ротора 124 турбины и структуры 122 диска ротора. Этот наклон и/или изгиб канавок 160 обеспечивает направление продувочного воздуха Р из полости 136 диска наружу из канавок 160 в направлении путепровода 134 горячего газа таким образом, что продувочный воздух Р течет в требуемом направлении относительно потока рабочего газа H через путепровод 134 горячего газа. В частности, канавки 160 согласно этому аспекту изобретения направляют продувочный воздух Р из полости 136 диска таким образом, что направление потока продувочного воздуха Р по существу выровнено с направлением потока рабочего газа H в соответствующей аксиальной позиции в путепроводе 134 горячего газа, причем направление потока рабочего газа H в соответствующей аксиальной позиции в путепроводе 134 горячего газа по существу параллельно углам выхода задних кромок 114А направляющих лопаток 114, см. фиг. 6.
G
G
Как показано на фиг. 4 и фиг. 6, узел 150 уплотнения дополнительно содержит продолжающуюся по существу радиально уплотнительную структуру 170 внутреннего бандажа 116, которая продолжается в направлении диска 130 рабочей лопатки узла 118 рабочих лопаток. Аксиальный конец 170А уплотнительной структуры 170 предпочтительно располагается в непосредственной близости от диска 130 рабочей лопатки узла 118 рабочих лопаток, так что уплотнительная структура 170 перекрывает верхний по потоку концевой участок 140 платформы 128. Эта конфигурация обеспечивает управление/ограничение количества охлаждающей текучей среды, которая в конечном итоге течет через канавки 160 в путепровод 134 горячего газа, а также ограничивает количество рабочего газа H, попадающего в часть полости 136 диска, расположенную внутри относительно уплотнительной структуры 170, т.е. рабочий газ H, чтобы попасть из путепровода 134 горячего газа в полость 136 диска, должен проходить по извилистому путепроводу. Уплотнительная структура 170 может быть образована за одно целое с внутренним бандажом 116 или может быть образована отдельно от внутреннего бандажа 116 и прикреплена к нему.
G
R
Во время работы двигателя 110 прохождение горячего рабочего газа H через путепровод 134 горячего газа заставляет узел 118 рабочих лопаток и ротор 124 турбины вращаться в направлении D вращения, как показано на фиг. 5 и фиг. 6.
А
А
А
А
А
R
А
А
G
Разница давлений между полостью 136 диска и путепроводом 134 горячего газа, а именно давление в полости 136 диска больше, чем давление в путепровод 134 горячего газа, заставляет продувочный воздух Р, расположенный в полости 136 диска, течь в направлении путепровода 134 горячего газа, см. фиг. 4. Когда продувочный воздух Р достигает четвертую поверхность 148 платформы 128, часть продувочного воздуха Р течет во входы 164 канавок 160. Эта часть продувочного воздуха Р течет радиально наружу через канавки 160 и затем, при достижении участков канавок 160 на третьей поверхности 146 платформы 128, продувочный воздух Р течет радиально наружу и аксиально в канавках 160 в направлении от смежного верхнего по потоку узла 112 направляющих лопаток. Благодаря наклону и/или изгибу канавок 160, как было описано выше, в комбинации с вращением канавок 160 вместе с ротором 124 турбины и структурой 122 диска ротора в направлении D вращения продувочный воздух Р получает окружную компоненту скорости, так что продувочный воздух Р выходит из канавок 160 по существу в том же направлении, в котором течет рабочий газ H после выхода с задних кромок 114А направляющих лопаток 114, см. фиг. 6.
А
G
G
G
А
А
G
Выпуск продувочного воздуха Р из канавок 160 способствует ограничению попадания горячего рабочего газа H из путепровода 134 горячего газа в полость 136 диска за счет принудительного вытеснения рабочего газа H из узла 150 уплотнения. Так как узел 150 уплотнения ограничивает попадание рабочего газа H из путепровода 134 горячего газа в полость 136 диска, узел 150 уплотнения позволяет уменьшить количество продувочного воздуха Р, которое должно быть обеспечено в полости 136 диска, а именно, поскольку температура продувочного воздуха Р в полости 136 диска по существу не увеличивается под действием большого количества рабочего газа H, проходящего в полость 136 диска, тем самым увеличивая эффективность двигателя.
А
G
А
G
А
G
А
G
Кроме того, так как продувочный воздух Р выходит из канавок 160 по существу в том же направлении, в котором рабочий газ H течет через путепровод 134 горячего газа после выхода с задних кромок 114А верхних по потоку направляющих лопаток 114, будут меньше потери давления, связанные со смешиванием продувочного воздуха Р с рабочим газом H, тем самым дополнительно увеличивается эффективность двигателя. Это, в частности, реализовано с помощью канавок 160 согласно настоящему изобретению, так как они образованы в наклонной третьей поверхности 146 верхнего по потоку концевого участка 140 платформы 128, так что продувочный воздух Р, выходящий из канавок 160, течет аксиально ниже по потоку относительно направления потока горячего рабочего газа H через путепровод 134 горячего газа, дополнительно к продувочному воздуху Р, выходящему из канавок 160 по существу в том же окружном направлении, в котором течет горячий рабочий газ H после выхода с задних кромок 114А верхних по потоку направляющих лопаток 114, благодаря тому, что канавки 160 вращаются вместе с ротором 124 турбины и структурой 122 диска ротора и наклонены и/или изогнуты в окружном направлении.
А
А
G
Отметим, что наклон и/или изгиб канавок 160 может изменяться для точной настройки направления выпуска продувочного воздуха Р из канавок 160. Это может быть желательным на основании углов выхода задних кромок 114А направляющих лопаток 114 и/или чтобы изменять величину потерь давления, связанных со смешиванием продувочного воздуха Р с рабочим газом H, текущим через путепровод 134 горячего газа.
Кроме того, входы 164 канавок 160 могут располагаться на четвертой поверхности 148 платформы 128 дальше или ближе в радиальном направлении или входы 164 могут располагаться на третьей поверхности 146 платформы 128, т.е. таким образом, что канавки 160 будут полностью располагаться на третьей поверхности 146 платформы 128.
Описываемые здесь канавки 160 предпочтительно получают путем литья вместе с платформой 128 или получают путем механической обработки платформы 128. Поэтому структурная целостность и сложность изготовления канавок 160 будут улучшены по сравнению с ребрами, которые образуются отдельно и прикрепляются к платформе 128.
W1
W2
W1
W2
W1
W2
А
R
А
R
А
На фиг. 7 показан узел 200 уплотнения согласно другому аспекту изобретения, где структуры, подобные описанным выше со ссылкой на фиг. 4-6, обозначены такими же номерами позиций, увеличенными на 100. В этом варианте воплощения канавки 260 в платформе 228 рабочих лопаток образованы противостоящими первой и второй боковыми стенками S, S, причем первая боковая стенка S содержит продолжающуюся по существу радиально и обращенную в окружном направлении стенку и вторая боковая стенка S содержит продолжающуюся по существу радиально стенку, которая обращена в аксиальном и окружном направлениях. Хотя боковые стенки S, S согласно этому варианту воплощения являются по существу прямыми и тем самым они не обеспечивают окружную компоненту скорости для продувочного воздуха Р, выходящего из канавок 260, но так как узел 218 рабочих лопаток, включающий в себя платформу 228, вращается во время работы в направлении D вращения, как было описано выше со ссылкой на фиг. 4-6, продувочный воздух Р, выходящий из канавок 260, все равно содержит окружную компоненту скорости, т.е. она образуется за счет вращения канавок 260 вместе с узлом 218 рабочих лопаток в направлении D вращения. Поэтому продувочный воздух Р, выходящий из канавок 260 согласно этому аспекту изобретения, течет по существу в том же направлении, что горячий рабочий газ, текущий вдоль путепровода 234 горячего газа.
G
А
На фиг. 8 показан узел 300 уплотнения согласно другому аспекту изобретения. Узел 300 уплотнения, иллюстрируемый на фиг. 8, включает в себя первые канавки 302 (также называемые здесь канавки направляющих лопаток), расположенные во внутреннем бандаже 304 неподвижного узла 306 направляющих лопаток, и вторые канавки 308 (также называемые здесь канавки рабочих лопаток), расположенные в платформе 310 вращающегося узла 312 рабочих лопаток. Первые канавки 302 могут быть по существу подобны канавкам 60, описанным выше со ссылкой на фиг. 1-3, и вторые канавки 308 могут быть по существу подобны канавкам 160, описанным выше со ссылкой на фиг. 4-6. Узел 300 уплотнения согласно этому аспекту изобретения может обеспечить дополнительное ограничение попадания рабочего газа H из путепровода 314 горячего газа в полость 316 диска, связанную с узлом 300 уплотнения, тем самым позволяет еще больше уменьшить количество продувочного воздуха Р, которое должно быть обеспечено в полости 316 диска, тем самым дополнительно увеличивая эффективность двигателя.
Хотя здесь был проиллюстрирован и описан конкретный вариант воплощения настоящего изобретения, специалистам в этой области техники очевидно, что возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения. Поэтому прилагаемая формула изобретения охватывает все изменения и модификации, находящиеся в пределах объема изобретения.