МОДУЛЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE MODULE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к модулю газотурбинного двигателя, который может быть, например, турбиной или может входить в состав турбины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Уровень техники представлен, в частности, документами WO-А1-98/53228, ЕР-А2-2 612 998 и ЕР-А2-2 508 715.
Турбина газотурбинного двигателя содержит одну или несколько ступеней, каждая из которых содержит направляющий аппарат, образованный кольцевым рядом неподвижных лопаток, установленных на картере турбины, и лопаточное колесо, установленное с возможностью вращения, как правило, на выходе направляющего аппарата. Колесо окружено уплотнительным кольцом, которое выполнено сегментированным и состоит из секторов, прилегающих друг к другу в окружном направлении и закрепленных на картере турбины.
Как правило, каждый сектор кольца содержит металлическую пластину окружной ориентации, на которой находится блок истираемого материала, закрепленный на внутренней поверхности пластины. Этот блок имеет, например, сотовую структуру и предназначен для износа за счет трения на наружных кольцевых гребешках лопаток колеса, образуя лабиринтную уплотнительную прокладку и сводя к минимуму радиальные зазоры между колесом и секторами кольца.
Каждый сектор кольца содержит на своих входном и выходном концах средства крепления на картере. Каждый сектор кольца может содержать на своем входном конце окружной крючок, который образует кольцевой паз, в который заходят, с одной стороны, кольцевая направляющая картера и, с другой стороны, выходной окружной крючок направляющего аппарата, находящегося на входе. Выходной окружной крючок направляющего аппарата удерживается прижатым в радиальном направлении к направляющей картера при помощи входного окружного крючка кольца, который содержит две коаксиальные кольцевые стенки, одна из которых расположена внутри другой и которые расположены соответственно внутри крючка направляющего аппарата и снаружи направляющей картера. Окружное или тангенциальное удержание направляющего аппарата можно обеспечить при помощи штифта блокировки вращения, выполненного на картере и заходящего в вырез направляющего аппарата. Его осевое удержание в сторону выхода обычно обеспечивают при помощи разрезного стопорного кольца, которое установлено в открытом радиально внутрь кольцевом пазу вышеупомянутой направляющей картера. Выходной окружной крючок направляющего аппарата опирается в осевом направлении в сторону выхода на это стопорное кольцо, которое удерживается в радиальном направлении в пазу направляющей картера внутренними стенками крючков секторов кольца, которые проходят радиально внутри стопорного кольца. В варианте функцию осевого стопорения этого стопорного кольца может обеспечивать непосредственно направляющая картера.
Известно использование кольцевой прокладки для защиты направляющей картера, в частности, от износа и от высоких температур. Эта прокладка выполнена сегментированной и содержит кольцевой ряд секторов прокладки, прилегающих друг к другу к окружном направлении. Она имеет общую форму в виде U или С и содержит две коаксиальные кольцевые стенки, соответственно внутреннюю и наружную, соединенные между собой центральной стенкой дна.
Проем крючков секторов кольца ориентирован в осевом направлении в сторону входа, и в него заходят сектора прокладки, выполненные таким образом, чтобы их стенки охватывали стенки крючков секторов кольца. Внутренние стенки секторов прокладки должны располагаться на радиально наружных сторонах внутренних стенок крючков секторов кольца, наружные стенки секторов прокладки должны располагаться на радиально внутренних сторонах наружных стенок крючков секторов кольца, и стенки дна секторов прокладки должны располагаться на входных радиальных сторонах стенок дна крючков секторов кольца.
В положении монтажа секторов кольца на направляющей картера внутренние стенки секторов прокладки заходят между внутренними стенками крючков секторов кольца и крючками направляющего аппарата и даже стопорным кольцом, наружные стенки секторов прокладки заходят между наружными стенками крючков секторов кольца и направляющей картера, и стенки дна секторов прокладки заходят между стенками дна крючков секторов кольца и направляющей картера.
Сектора прокладки выполнены из листового проката и позволяют избегать прямых контактов между крючками секторов кольца и направляющей картера, что позволяет, с одной стороны, защищать последнюю против износа от трения и, с другой стороны, обеспечивать термическую защиту кольца, которое может быть очень горячим во время работы по причине его близости от газообразных продуктов сгорания, проходящих в проточном тракте турбины.
С учетом сегментирования кольца продольные края окружных концов двух смежных секторов находятся друг против друга и отделены друг от друга окружным зазором, через который могут проходить горячие газы из проточного тракта. Эти горячие газы могут нагревать картер, что может иметь отрицательные последствия по нескольким причинам. Одной из причин является то, что нагрев картера может привести к его расширению и деформации, которая может изменить радиальные зазоры между подвижным колесом и кольцом, то есть снизить характеристики турбины. Известным решением этой проблемы является введение уплотнительных язычков между секторами кольца, которые заходят в пазы вышеупомянутых продольных краев секторов кольца.
Однако, учитывая сегментирование прокладки, продольные края окружных концов двух смежных секторов прокладки находятся друг против друга и отделены друг от друга окружным зазором. В известных решениях окружные зазоры между секторами прокладки совмещены в осевом направлении с окружными зазорами между секторами кольца и, в частности, с окружными зазорами между крючками секторов кольца, на уровне которых нет возможности установить язычки вышеупомянутого типа, в частности, по причинам недостатка места. Таким образом, горячие газы могут проходить через окружные зазоры между крючками секторов кольца и между секторами прокладки и нагревать направляющую картера, что может привести к сокращению ее срока службы.
Настоящее изобретение призвано предложить простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы и, в частности, улучшить термическую защиту направляющей картера в вышеупомянутом случае.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, настоящим изобретением предложен модуль газотурбинного двигателя, содержащий подвижное колесо, установленное с возможностью вращения внутри картера модуля и окруженное сегментированным уплотнительным кольцом, которое содержит кольцевой ряд секторов кольца, расположенных таким образом, что окружные концевые края двух смежных секторов находятся по существу напротив друг друга, при этом каждый сектор кольца содержит по меньшей мере один окружной крючок, выполненный с возможностью взаимодействия с кольцевой направляющей крепления картера, при этом модуль дополнительно содержит сегментированную кольцевую защитную прокладку, которая установлена между крючками секторов кольца и направляющей картера и содержит кольцевой ряд секторов прокладки таким образом, что окружные концевые края двух смежных секторов находятся по существу друг против друга, отличающийся тем, что число секторов кольца равно числу секторов прокладки, и тем, что сектора прокладки содержат средства позиционирования и/или блокировки вращения, выполненные таким образом, что края окружных концов секторов прокладки не совмещены с краями окружных концов секторов кольца вдоль продольной оси модуля.
Изобретение позволяет лучше предохранять направляющую картера, так как газы, которые могли бы проходить между краями окружных концов секторов кольца, задерживаются секторами прокладки (за счет их углового смещения относительно секторов кольца) и не могут достичь направляющей картера.
Заявленный модуль может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в комбинации друг с другом:
- число секторов кольца равно числу секторов прокладки;
- сектора кольца расположены в шахматном порядке относительно секторов прокладки;
- крючки секторов кольца имеют общую форму в виде U или С, проем которых ориентирован в осевом направлении, и содержат, каждый, центральную стенку дна, которая соединяет две коаксиальные кольцевые стенки, соответственно радиально внутреннюю и радиально наружную;
- сектора прокладки имеют общую форму в виде U или С, проем которых ориентирован в осевом направлении, и содержат, каждый, центральную стенку дна, которая соединяет две коаксиальные кольцевые стенки, соответственно радиально внутреннюю и радиально наружную, при этом сектора прокладки заходят в проемы крючков секторов кольца и установлены на направляющей картера таким образом, что внутренние стенки секторов прокладки находятся между внутренней стороной направляющей картера и внутренними стенками крючков секторов кольца, при этом стенки дна секторов прокладки находятся между по существу радиальной стороной направляющей картера и стенками дна крючков секторов кольца, и наружные стенки секторов прокладки находятся между наружной стороной направляющей картера и наружными стенками крючков секторов кольца;
- внутренние стенки крючков секторов кольца имеют радиус кривизны, отличающийся от радиуса кривизны направляющей картера, поэтому их устанавливают с предварительным радиальным напряжением на направляющей;
- внутренние стенки секторов прокладки содержат радиальные вырезы, которые выходят на свободные окружные края секторов прокладки и по существу совмещены в осевом направлении с краями окружных концов крючков секторов кольца; эти вырезы образуют средства позиционирования в соответствии с изобретением;
- упомянутые вырезы имеют, каждый, общую форму в виде V и по существу выполнены посередине внутренних стенок секторов прокладки;
- окружные концы внутренних стенок крючков секторов кольца опираются в радиальном направлении на внутренние стенки секторов прокладки по существу напротив дна вырезов;
- внутренние или наружные стенки крючков секторов кольца содержат радиальные вырезы по существу в своей середине, при этом внутренние или наружные стенки секторов прокладки содержат либо концевые радиальные вырезы, которые по существу совмещены в радиальном направлении с вышеупомянутыми вырезами крючков секторов кольца, либо загибаемые радиальные лапки, выполненные с возможностью загибания и захождения в вышеупомянутые вырезы крючков секторов кольца; эти вырезы и/или эти лапки образуют средства блокировки вращения (вокруг продольной оси модуля) в соответствии с изобретением; и
- модуль является турбиной.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере один описанный выше модуль.
Наконец, объектом настоящего изобретения является сегментированная кольцевая защитная прокладка для описанного выше модуля, содержащая кольцевой ряд секторов прокладки, в которой каждый сектор прокладки имеет сечение общей формы в виде U или С, прием которого ориентирован в осевом направлении, и содержит центральную стенку дна, которая соединяет две коаксиальные кольцевые стенки, соответственно радиально внутреннюю и радиально наружную, при этом упомянутые внутренние стенки содержат радиальные вырезы по существу в своей середине, которые выходят на свободные окружные края секторов.
ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - частичный схематичный вид в осевом разрезе турбины газотурбинного двигателя.
Фиг. 2 - схематичный увеличенный вид части, показанной на фиг. 1, с показом уплотнительного кольца и кольцевой прокладки турбины.
Фиг. 3 - частичный схематичный вид сверху уплотнительного кольца и кольцевой прокладки турбины согласно известному решению.
Фиг. 4 - частичный схематичный вид сверху уплотнительного кольца и кольцевой прокладки турбины в соответствии с изобретением.
Фиг. 5 - схематичный вид в разрезе по линии V-V фиг. 2.
Фиг. 6 и 7 - схематичные виды в перспективе сектора кольца и сектора прокладки согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 8 - частичный схематичный вид снизу прокладки, показанной на фиг. 6 и 7.
Фиг. 9 и 10 - схематичные виды соответственно в перспективе и в осевом разрезе версии выполнения сектора кольца и сектора прокладки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 и 2 показана турбина 10, в данном случае турбина низкого давления газотурбинного двигателя, такого как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, причем эта турбина имеет несколько ступеней (из которых показана только одна), каждая из которых содержит направляющий аппарат 12, образованный кольцевым рядом неподвижных лопаток, установленных на картере 14 турбины, и лопаточное колесо 16, установленное на выходе направляющего аппарата 12 и вращающееся в кольце 18, закрепленном на картере 14.
Кольцо 18 выполнено сегментированным и образовано несколькими секторами, которые прилегают друг к другу в окружном направлении, будучи закрепленными на картере 14 турбины.
Каждый сектор кольца 18 содержит усеченную конусную стенку 20 и блок 22 истираемого материала, закрепленный посредством пайки и/или сварки на радиально внутренней поверхности стенки 20, причем этот блок 22 имеет сотовую структуру и изнашивается от трения на наружных кольцевых гребешках 24 лопаток колеса 16, сводя к минимуму радиальные зазоры между колесом и секторами кольца 18.
Каждый сектор кольца 18 содержит на своем входном конце окружной крючок 32 с сечением в виде С или U, проем которого открыт в сторону входа и который заходит в осевом направлении со стороны выхода на цилиндрический крючок 34, ориентированный в сторону выхода направляющего аппарата 12, находящегося на входе секторов кольца 18, с одной стороны, и на цилиндрическую направляющую 36 картера 14, на которой закреплен этот направляющий аппарат, с другой стороны.
Крючок 32 каждого сектора кольца 18 содержит две окружные стенки 38 и 40, проходящие в сторону входа, соответственно радиально наружную и радиально внутреннюю, которые соединены между собой на своих входных концах по существу радиальной центральной стенкой 42 дна и расположены соответственно радиально снаружи и внутри направляющей 36, при этом внутренняя стенка 40 удерживает в радиальном направлении крючок 34 направляющего аппарата на направляющей 36.
Окружное удержание направляющего аппарата 12 обеспечивают при помощи выступа 44 блокировки вращения, который выполнен на картере 14 и заходит в вырез направляющего аппарата 12. Его осевое удержание в сторону выхода обеспечивают при помощи разрезного стопорного кольца 46, установленного в кольцевом пазу 48 направляющей 36, который открыт в радиальном направлении внутрь. Крючок 34 направляющего аппарата 12 опирается в осевом направлении в сторону выхода на стопорное кольцо 46, которое удерживается в радиальном направлении в пазу направляющей картера внутренней стенкой 40, расположенной радиально внутри стопорного кольца 46. В варианте функцию осевого стопорения стопорного кольца 46 может обеспечивать непосредственно направляющая 36 картера.
Выходные концы секторов кольца 18 прижаты в радиальном направлении к цилиндрической направляющей 30 картера направляющим аппаратом, находящимся на выходе секторов кольца. Сектора кольца 18 опираются в радиальном направлении наружу на радиально внутреннюю цилиндрическую сторону направляющей 30 картера и внутрь на радиально наружную цилиндрическую сторону цилиндрического бортика 28 выходного направляющего аппарата.
Для обеспечения термической защиты и защиты от износа направляющей 36, как известно, используют кольцевую прокладку 50, которая выполнена сегментированной и содержит кольцевой ряд секторов прокладки, прилегающих друг к другу в окружном направлении. Она имеет сечение общей формы в виде С или U и содержит две коаксиальные кольцевые стенки, соответственно внутреннюю 52 и наружную 54, соединенные между собой центральной стенкой 56 дна.
Прокладка 50 установлена на направляющей 36 картера и на крючке 34 направляющего аппарата 12 таким образом, что внутренние стенки 52 секторов прокладки 50 заходят между внутренними стенками 40 крючков 32 секторов кольца 18, с одной стороны, и крючками 34 направляющего аппарата 12 и стопорным кольцом 46, с другой стороны, при этом наружные стенки 54 секторов прокладки заходят между наружными стенками 38 крючков 32 секторов кольца и направляющей 36 картера, и стенки 56 дна секторов прокладки заходят между стенками 42 дна крючков секторов кольца и направляющей 36 картера (фиг. 2).
Сектора прокладки 50 выполнены из листового проката и позволяют избегать прямых контактов между крючками 32 секторов кольца 18 и направляющей 36 картера, что позволяет, с одной стороны, предохранять последнюю от износа при трении и, с другой стороны, обеспечивает термическую защиту кольца, которое может быть очень горячим во время работы по причине его близости от газообразных продуктов сгорания, проходящих в проточном тракте турбины.
Как было указано выше и как показано на фиг. 3, где представлено известное техническое решение, продольные края 58 окружных концов секторов кольца 18 отделены друг от друга окружными зазорами, через которые могут проходить горячие газы из проточного тракта турбины. Продольные края 60 окружных концов секторов прокладки 50 тоже отделены друг от друга окружными зазорами, которые совмещены в осевом направлении с зазорами между секторами кольца 18. Вышеупомянутые горячие газы могут проходить через окружные зазоры между крючками 32 секторов кольца 18 и между секторами прокладки 50 и нагревать направляющую 36 картера (стрелка 62 на фиг. 2), что может привести к сокращению ее срока службы. Действительно, язычки 64, которые установлены между продольными краями 58 окружных концов секторов кольца 18, не доходят до крючков 32 секторов кольца 18 и не препятствуют прохождению газов на этом уровне.
Изобретение позволяет решить эту проблему за счет углового смещения продольных краев 60 окружных концов секторов прокладки 50 относительно продольных краев 58 окружных концов секторов кольца 18. На фиг. 4 представлен вариант выполнения изобретения, в котором сектора прокладки 50 расположены в шахматном порядке относительно секторов кольца 18. Газы, которые могли бы проходить через окружные зазоры между крючками 32 секторов кольца 18, задерживаются секторами прокладки 50 и не достигают направляющей 36 картера, срок службы которой за счет этого увеличивается.
Как показано на фиг. 5, стенки 38,40 секторов кольца 18 «предварительно выгнуты» относительно направляющей 36 картера, то есть имеют радиусы кривизны, превышающие радиусы кривизны направляющей 36 картера, что позволяет устанавливать их на направляющей с некоторым радиальным предварительным напряжением. С учетом этого предварительного выгибания сектор кольца 18, показанный на фиг. 5, имеет зоны С1, С2, С3 небольшой протяженности для опоры на направляющую 36. Центральная часть внутренней стороны стенки 38 сектора 18 опирается в С1 на наружную сторону направляющей 36 (через стенки 54 секторов прокладки 50, если их используют), и концевые части наружной стороны стенки 40 опираются в С1 и С3 на внутреннюю сторону направляющей 36 или на крючок 34 направляющего аппарата 12 и стопорное кольцо 46, как в представленном примере (через стенки 52 секторов прокладки 50, если их используют).
Чтобы избежать чрезмерного напряжения секторов прокладки 50 при зажатии между окружными концами секторов кольца 18 и направляющей 36 картера, в варианте выполнения, представленном на фиг. 6-8, предложено специальное выполнение секторов прокладки и в частности, их внутренних стенок 52. В отсутствие такого выполнения существует риск преждевременного износа секторов прокладки 50 и появления зон трещинообразования в опорных зонах С1, С3.
В представленном примере внутренняя стенка 52 каждого сектора прокладки 50 содержит вырез 66 по существу в своей середине. Этот вырез 66 выходит на свободный входной окружной край стенки 52 и в данном случае имеет общую форму в виде V. Каждый вырез 66 простирается в окружном направлении на величину от 30 до 60% окружной протяженности сектора прокладки 50 и имеет продольный размер, составляющий от 10 до 50% продольного размера сектора прокладки 50.
Как показано на фиг. 8, где сектора прокладки 50 изображены сплошными линиями, а сектора кольца 18 изображены пунктирными линиями, продольные края 58 окружных концов крючков 32 секторов кольца 18 находятся по существу напротив дна 68 вырезов 66. Эти вырезы 66 придают определенную гибкость внутренним стенкам 52 секторов прокладки 50.
Согласно изобретению, сектора прокладки 50 могут быть дополнительно снабжены средствами блокировки вращения.
В примере, представленном на фиг. 6-8, эти средства блокировки содержат вырез 70, выполненный на окружном конце внутренней стенки 52 каждого сектора прокладки 50. Этот вырез 70 выходит на свободный входной окружной край стенки 52, а также на продольный край соответствующего конца стенки. В данном случае он имеет общую прямоугольную форму. Каждый вырез 70 имеет окружную протяженность от 10 до 30% окружной протяженности сектора прокладки 50 и продольный размер, составляющий от 20 до 70% продольного размера сектора прокладки 50.
В положении монтажа вырез 70 каждого сектора прокладки 50 совмещают в радиальном направлении с вырезом 72 внутренней стенки 40 крючка сектора кольца 18, который находится по существу в середине этой стенки. В вырезы 70,72 должен заходить выступ (не показан) направляющего аппарата 12 для блокировки вращения сектора кольца 18 и сектора прокладки 50 относительно друг друга, а также относительно картера 14.
На фиг. 9 и 10 представлена версия выполнения средств блокировки, которые в данном случае содержат загибаемую лапку 74. В данном случае лапка 74 выполнена на наружной стенке 54 каждого сектора прокладки 50ʹ. Она находится по существу посередине сектора 50ʹ и в состоянии покоя направлена наружу и в сторону выхода. Ее наружный радиальный конец 76 деформируют и загибают радиально внутрь таким образом, чтобы он зашел в наружный радиальный вырез 78 наружной стенки 38 крючка сектора кольца 18ʹ. Это обеспечивает блокировку вращения сектора прокладки 50ʹ относительно сектора кольца 18ʹ. В варианте каждый сектор прокладки может содержать более одной лапки блокировки вращения этого типа.