ТУРБИНА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ УСТРОЙСТВО, ПРЕДОТВРАЩАЮЩЕЕ ВРАЩЕНИЕ ХОМУТОВОГО УПЛОТНЕНИЯ
TURBINE, INCLUDING THE DEVICE, PREVENTING ROTATION OF COIL SEAL

Изобретение, в целом, относится к уплотнениям для многоступенчатых турбомашин и, в частности, к конструкции, предотвращающей вращение уплотнения, обеспеченного между смежными дисками в многоступенчатой турбомашине.
В различных многоступенчатых турбомашинах (см., например, патенты США №7581931 и 7549845), используемых для преобразования энергии, таких как турбины, текучая среда используется для создания вращательного движения. В газовой турбине, например, газ сжимается посредством последовательных ступеней в компрессоре и смешивается с топливом в камере сгорания. Затем смесь газа и топлива воспламеняются для образования продуктов сгорания, которые направляется к ступеням турбины, чтобы создать вращательное движение. Ступени турбины и ступени компрессора обычно имеют неподвижные или невращающиеся компоненты, например лопаточные конструкции, которые взаимодействуют с выполненными с возможностью вращения компонентами, например лопастями ротора, для сжатия и расширения рабочих газов.
Лопасти ротора обычно установлены на диски, которые поддерживаются для вращения на вале ротора. Кольцевые рычаги проходят из противоположных участков смежных дисков, чтобы образовать пару кольцевых рычагов. Полость для охлаждающего воздуха образована на внутренней стороне пары кольцевых рычагов между дисками взаимносмежных ступеней, и лабиринтное уплотнение может быть обеспечено на внутренней периферической поверхности неподвижной конструкции лопаток для взаимодействия с кольцевыми рычагами, чтобы обеспечить газовое уплотнение между каналом для горячих продуктов сгорания и полостью для охлаждающего воздуха. Парные кольцевые рычаги, проходящие от противоположных участков смежных дисков, образуют противоположные торцевые поверхности, расположенные отстоящими друг от друга. Обычно противоположные торцевые поверхности могут быть снабжены пазом для приема уплотнительной ленты, называемой «хомутовым уплотнением», которая заполняет зазор между торцевыми поверхностями, чтобы предотвратить утечку охлаждающего воздуха, протекающего через полость для охлаждающего воздуха, в канал для горячих продуктов сгорания. Уплотнительная лента может быть выполнена из множества сегментов, в круговом направлении, которые соединены на перекрывающихся или ступенчатых концах.
Когда уплотнительная лента содержит множество сегментов, расположенных смежно друг с другом, в круговом направлении, уплотнительные ленты могут смещаться по окружности относительно друг друга. Смещение может вызывать увеличение перекрытия одного конца сегмента уплотнительной ленты со смежным сегментом, в то же время противоположный конец сегмента уплотнительной ленты будет перемещаться из зацепления со смежным сегментом, открывая зазор для прохождения газов через уплотнительную ленту. Следовательно, обычно желательно обеспечить механизм для предотвращения относительного смещения по окружности сегментов уплотнительной ленты.
В соответствии с объектом настоящего изобретения создана турбина, содержащая:
множество ступеней, причем каждая ступень содержит выполненный с возможностью вращения диск и лопасти, расположенные на нем, причем по меньшей мере одна пара смежных выполненных с возможностью вращения дисков образует кольцевой зазор между ними и имеет соответствующие противоположные пазы для приема уплотнительной ленты, соответствующие кольцевому зазору;
уплотнительную ленту, расположенную в противоположных пазах для приема уплотнительной ленты, чтобы уплотнить кольцевой зазор, и включающую в себя противоположные края уплотнительной ленты;
по меньшей мере одно сквозное отверстие, образованное в уплотнительной ленте между противоположными краями
уплотнительной ленты;
предотвращающий вращение элемент, включающий в себя участок основания, расположенный между краями уплотнительной ленты внутри кольцевого зазора, и соединительный участок, проходящий в осевом направлении из участка основания для зацепления с вырезным участком по меньшей мере одного из дисков; и
выступ, проходящий внутри кольцевого зазора из участка основания и через упомянутое по меньшей мере одно сквозное отверстие в уплотнительной ленте, причем выступ образует конструкцию крепления, прикрепляющую предотвращающий вращение элемент к уплотнительной ленте,
при этом упомянутое по меньшей мере одно сквозное отверстие расположено по существу посередине между краями уплотнительной ленты.
Предпочтительно, выступ выполнен заодно с участком основания.
Предпочтительно, выступ приварен к уплотнительной ленте.
Предпочтительно, предотвращающий вращение элемент расположен на радиально внутренней стороне уплотнительной ленты.
Предпочтительно, участок основания включает в себя обращенную радиально наружу сторону, зацепленную с обращенной внутрь поверхностью уплотнительной ленты.
Предпочтительно, участок основания удлинен вдоль длины уплотнительной ленты и имеет по меньшей мере два выступа, разнесенных вдоль удлиненного участка основания и проходящих радиально через соответствующее сквозное отверстие в уплотнительной ленте, причем каждый из выступов прикреплен к уплотнительной ленте сварным соединением.
Предпочтительно, соединительный участок проходит из участка основания в положении по существу посередине между выступами.
Предпочтительно, турбина включает в себя резьбовое отверстие, образованное в участке основания между выступами, причем резьбовое отверстие принимает резьбовой вал, проходящий через уплотнительную ленту для удерживания предотвращающего вращения элемента в зацеплении с уплотнительной лентой во время прикрепления выступов к уплотнительной ленте.
В соответствии с другим аспектом изобретения, обеспечена турбина, содержащая множество ступеней, причем каждая ступень содержит выполненный с возможностью вращения диск и лопасти, расположенные на нем, причем по меньшей мере одна пара смежных выполненных с возможностью вращения дисков образует кольцевой зазор между ними и имеет соответствующие противоположные пазы для приема уплотнительной ленты, соответствующие кольцевому зазору. Уплотнительная лента расположена в противоположных пазах для приема уплотнительной ленты, чтобы уплотнить кольцевой зазор, и включает в себя противоположные края уплотнительной ленты. Предотвращающий вращение элемент, включающий в себя участок основания, расположен между краями уплотнительной ленты внутри кольцевого зазора и включает в себя обращенную радиально наружу сторону, зацепленную с обращенной внутрь поверхностью уплотнительной ленты, и соединительный участок проходит в осевом направлении из участка основания для зацепления с вырезным участком по меньшей мере одного из дисков. Пара разнесенных выступов проходит из участка основания и в сквозные отверстия в уплотнительной ленте в положении внутри кольцевого зазора. Выступы образуют конструкцию крепления, прикрепляющую предотвращающий вращение элемент к уплотнительной ленте.
Выступы могут быть образованы заодно с участком основания. Конструкция крепления может содержать сварные соединения между выступами и уплотнительной лентой. Сварные соединения могут быть образованы на обращенной радиально наружу поверхности уплотнительной ленты и образованы в кольцевом зазоре между дисками.
Сквозные отверстия могут быть расположены в целом посередине между краями уплотнительной ленты.
Участок основания может иметь вытянутый размер, расположенный вдоль длины уплотнительной ленты, и два выступа расположены разнесенными вдоль вытянутого размера.
Соединительный участок может проходить из участка основания в положении в целом посередине между выступами, чтобы образовать в целом Т-образный компонент.
Отверстие может быть образовано в уплотнительной ленте между отверстиями, принимающими выступы, и отверстие может быть образовано в участке основания и соответствовать отверстию в уплотнительной ленте для приема удерживающей конструкции для удерживания предотвращающего вращение элемента в зацеплении с уплотнительной лентой во время прикрепления предотвращающего вращения элемента к уплотнительной ленте. Отверстие, образованное в участке основания, может являться резьбовым отверстием, и удерживающая конструкция может содержать резьбовой вал, проходящий через уплотнительную ленту для зацепления в отверстие для удерживания предотвращающего вращение элемента в зацеплении с уплотнительной лентой.
Несмотря на то что описание завершается формулой изобретения, особенно отмечающей и ясно заявляющей настоящее изобретение, считается, что настоящее изобретение будет лучше понятно из следующего описания совместно с фигурами сопровождающих чертежей, на которых аналогичные ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы, и на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в сечении участка газотурбинного двигателя, включающего в себя предотвращающую вращение конструкцию в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 - разобранный вид в перспективе, изображающий предотвращающую вращение конструкцию совместно с уплотнительной лентой в соответствии с аспектом настоящего изобретения;
Фиг. 3 - вид в перспективе предотвращающей вращение конструкции, собранной с уплотнительной лентой и показанной в сечении пары смежных выполненных с возможностью вращения дисков; и
Фиг. 4 - вид в сечении предотвращающего вращение узла, включающего в себя предотвращающий вращение элемент, собранный с уплотнительной лентой сварным креплением.
В следующем подробном описании предпочтительного варианта выполнения, ссылка делается на сопровождающие чертежи, которые образуют его часть, и на которых в иллюстративной, и не ограничивающей, форме показан конкретный предпочтительный вариант выполнения, в котором изобретение может быть практически осуществлено. Ясно, что другие варианты выполнения могут быть использованы и, что изменения могут быть выполнены без отступления от сущности и объема настоящего изобретения.
Ссылаясь на фиг. 1, схематично изображен участок газотурбинного двигателя 10, включающий в себя смежные ступени 12, 14, причем каждая ступень 12, 14 содержит массив неподвижных лопаточных сборок 16 и массив вращающихся лопастей 18, где лопаточные сборки 16 и лопасти 18 расположены по окружности внутри двигателя 10, причем массив лопаточных сборок 16 и лопасти 18 чередуются в осевом направлении газотурбинного двигателя 10. Лопасти 18 поддерживаются на дисках 20 ротора, прикрепленных к смежным дискам болтами 22 шпинделя. Лопаточные сборки 16 и лопасти 18 проходят в кольцевой газовый канал 24, и горячие газы, направляемые через газовый канал 24, проходят через лопаточные сборки 16 и лопасти 18 к оставшимся вращающимся элементам.
Полости 26, 28 диска расположены радиально внутри от газового канала 24. Продувочный воздух предпочтительно обеспечен из охлаждающего газа, проходящего через внутренние каналы в лопаточных сборках 16 к полостям 26, 28 диска, чтобы охлаждать лопасти 18 и обеспечивать давление для уравновешивания давления горячих газов в газовом канале 24. Кроме того, межступенчатые уплотнения, содержащие лабиринтные уплотнения 32, поддерживаются на радиально внутренней стороне лопаточных сборок 16 и зацеплены с поверхностями, образованными на парных кольцевых рычагах 34, 36 дисков, проходящих в осевом направлении из противоположных участков смежных дисков 20. Кольцевая полость 38 для охлаждающего воздуха образована между противоположными участками смежных дисков 20 на радиально внутренней стороне парных кольцевых рычагов 34, 36 дисков. Кольцевая полость 38 для охлаждающего воздуха принимает охлаждающий воздух, проходящий через каналы дисков, для охлаждения дисков 20.
Ссылаясь далее на фиг. 4, рычаги двух смежных дисков 20 изображены для цели описания узла 46 уплотнительной ленты настоящего изобретения, ясно, что диски 20 и соответствующие рычаги 34, 36 дисков образуют кольцевую конструкцию, проходящую по полной окружности вокруг осевой линии ротора. Рычаги 34, 36 дисков образуют соответствующие противоположные торцевые поверхности 48, 50, расположенные близко отстоящими друг от друга. Проходящие по окружности пазы 52, 54 (см. также фиг. 3) образованы в соответствующих торцевых поверхностях 48, 50, в которых пазы 52, 54 радиально соответствуют кольцевому зазору 69, образованному между торцевыми поверхностями 48, 50. Кроме того, рычаги 34, 36 дисков обычно включают в себя по меньшей мере один вырезной участок или радиальное отверстие 56, 58, проходящее из радиально внутренней поверхности 60, 62 по направлению к радиально внешней поверхности 64, 66 соответствующих рычагов 34, 36 дисков, и проходящее в осевом направлении внутрь из торцевых поверхностей 48, 50 и пересекающее пазы 52, 54. Радиальные отверстия 56, 58 могут проходить на частичное расстояние по направлению к внешним поверхностям 64, 66, как изображено отверстием 56, или могут проходить на все расстояние через рычаги 34, 36 дисков, как изображено отверстием 58, проходящим через рычаг 36 диска от внутренней поверхности 62 до внешней поверхности 66.
Ссылаясь на фиг. 2, узел 46 уплотнительной ленты включает в себя уплотнительную ленту 68, образующую проходящее по окружности хомутовое уплотнение. Уплотнительная лента 68 включает в себя противоположные края 65, 67 уплотнительной ленты, которые расположены внутри соответствующих пазов 52, 54 (фиг. 3 и 4), образованные в противоположных торцевых поверхностях 48, 50. Уплотнительная лента 68 заполняет кольцевой зазор 69 между торцевыми поверхностями 48, 50 и образует уплотнение для предотвращения или существенного ограничения потока газов между полостью 38 для охлаждающего воздуха и полостями 26, 28 диска.
Следует отметить, что радиальные отверстия 56, 58 в рычагах 34, 36 диска обычно обеспечены для зацепления с предотвращающей вращение конструкцией предшествующего уровня техники (не показана), связанной с хомутным уплотнением. Например, известная предотвращающая вращение конструкция может являться блочной конструкцией, прикрепленной к хомутному уплотнению и проходящей в осевом направлении в отверстия 56, 58, где зацепление между предотвращающей вращение конструкцией и сторонами отверстий 56, 58 предотвращает или ограничивает перемещение хомутного уплотнения или сегментов уплотнения по окружности. Такая предотвращающая вращение конструкция изображена в патенте США №7 581931, который включен сюда путем ссылки. Как описано ниже, настоящее изобретение обеспечивает предотвращающее вращение устройство, выполненное с возможностью использования существующей конструкции рычагов диска, включающей в себя использование одного или более радиальных отверстий 56, 58, чтобы предотвратить вращение уплотнительной ленты 68.
Дополнительно, отметим, что уплотнительная лента 68 является «сменной» деталью, которую необходимо заменить после некоторого периода работы турбины, для того чтобы сохранить ее уплотняющую функцию. Процедура замены уплотнительных лент обычно выполняется во время раскомплектации ротора в качестве работы в цеху. В соответствии с аспектом изобретения, замена уплотнительной ленты 68 и установка предотвращающей вращение конструкции, описанной здесь, может быть выполнена на месте эксплуатации.
Ссылаясь на фиг. 2, в соответствии с аспектом изобретения, узел 46 уплотнительной ленты дополнительно включает в себя предотвращающий вращение элемент 75, включающий в себя участок 70 основания, имеющий вытянутый размер, проходящий между первым и вторым концами 72, 74 в круговом направлении. Участок 70 предотвращающего вращение элемента 75 имеет осевой размер, образованный между противоположными первым и вторым осевыми краями 76, 78, который меньше зазора между противоположными торцевыми поверхностями 48, 50 рычагов 34, 36 диска, и имеет размер, чтобы полностью поместиться внутри кольцевого зазора 69.
Соединительный участок 80 проходит в осевом направлении из первого осевого края 76 участка 70 основания, в целом посередине между первым и вторым концами 72, 74, и имеет размеры, чтобы проходить в осевом направлении в радиальное отверстие 56 в рычаге 34 диска (фиг. 4). Участок 70 основания и соединительный участок 80 предпочтительно выполнены заодно друг с другом и образуют Т-образную конструкцию предотвращающего вращение элемента 75. Следует отметить, что настоящая Т-образная конструкция обеспечивает зацепление только с одним из радиальных отверстий 56, 58, чтобы предотвращать вращение уплотнительной ленты 68, и что эта конструкция обеспечивает предотвращающее вращение устройство меньшей массы, чем может быть обеспечено конструкцией, выполненной с возможностью зацепления с обоими отверстиями 56, 58.
Пара радиально проходящих элементов, содержащая первый и второй выступы 82, 84, проходит из обращенной радиально наружу стороны 86 участка 70 основания предотвращающего вращение элемента 75. Выступы 82, 84 предпочтительно выполнены заодно с элементом 75 и выполнены с возможностью прохождения в сквозные отверстия 88, 90, образованные в уплотнительной ленте 68, расположенные в целом посередине между краями 65, 67 уплотнительной ленты 68. Предпочтительно, выступы 82, 84 имеют радиально проходящий размер, то есть в направлении, перпендикулярном обращенной радиально наружу стороне 86, который больше толщины уплотнительной ленты 68.
Ссылаясь на фиг. 3, при сборке и прикреплении предотвращающего вращение элемента 75, после расположения уплотнительной ленты 68 внутри пазов 52, 54 рычагов дисков, предотвращающий вращение элемент 75 перемещается по направлению к уплотнительной ленте 75, чтобы расположить обращенную наружу сторону 86 в положение зацепления, соприкасающееся с радиально внутренней поверхностью 92 уплотнительной ленты 75. В положении зацепления, внешние концы выступов 82, 84 (только один выступ показан на фиг. 3) проходят наружу выше радиально внешней поверхности 94 уплотнительной ленты 68. Выступы 82, 84 образуют конструкцию крепления для взаимодействия с уплотнительной лентой 68, чтобы удерживать предотвращающий вращение элемент 75 на уплотнительной ленте 68 соединительным участком 80, зацепленным внутри радиального отверстия 56. В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения, выступы 82, 84 могут быть прикреплены к уплотнительной ленте 68 сварным соединением, как изображено на фиг. 4 на виде в сечении через выступ 82, приваренные на месте на уплотнительной ленте 68, и показывающий одно или более сварных соединений 96, соединяющих выступ 82 с уплотнительной лентой.
Ссылаясь на фиг. 3, в соответствии с аспектом изобретения, временная удерживающая конструкция 98 может быть обеспечена для удерживания предотвращающего вращение элемента 7 5 в положении уплотнительной ленты 68 во время операции сварки. Уплотнительная лента может быть образована с отверстием 100 (фиг. 2), расположенным между отверстиями 88, 90, и участок 70 основания образован с соответствующим резьбовым отверстием 102, которое соответствует отверстию 100 в уплотнительной ленте 68. Удерживающая конструкция 98 дополнительно включает в себя инструмент 99, содержащий резьбовой вал 104, имеющий цилиндрическую резьбовую гайку 106, удерживаемую на нем. Резьбовая гайка 106 может иметь рифленую наружную поверхность, чтобы способствовать захвату пользователем гайки 106, чтобы вращать резьбовой вал 104. Резьбовой вал 104 имеет размер, чтобы проходить через отверстие 100 и зацепляться по резьбе с отверстием 102, причем шайба 106 расположена к внешней поверхности 94 уплотнительной ленты 68, чтобы удерживать предотвращающий вращение элемент 75 в зацеплении с внутренней поверхностью 92 уплотнительной ленты 68 во время операции сварки. Считается, что обязательным зажатием предотвращающего вращение элемента 75 неподвижно в положении зацепления с уплотнительной лентой 68 во время операции сварки, временная удерживающая конструкция 98 обеспечивает значительно улучшенное качество сварки на выступах 82, 84. После приваривания выступов 82, 84 к уплотнительной ленте, резьбовой вал 104 может быть выкручен из отверстия 102, чтобы удалить инструмент 99 удерживающей конструкции из узла 46 уплотнительной ленты.
Отметим, что несмотря на то, что сварка является одним способом прикрепления предотвращающего вращение элемента 75 к уплотнительной ленте 68, предотвращающий вращение элемент 75 также может быть прикреплен к уплотнительной ленте 68 другим средством, например, используя один или более болтов или заклепок.
При прикрепленном предотвращающем вращение элементе 75 к уплотнительной ленте 68, соединительный участок 80 расположен внутри радиального отверстия 56, в котором противоположные обращенные по окружности стороны 80а, 80b соединительного участка 80 зацепляются с соответствующими противоположными сторонами (показана только сторона 56b) радиальных отверстий 56, чтобы предотвратить или ограничить перемещение уплотнительной ленты 68 по окружности. Как отмечалось выше, предотвращающий вращение элемент 75 выполнен с возможностью использования совместно с существующей конструкцией, образованной на рычагах 34, 36 диска, то есть не требуя обработки или другой модификации рычагов 34, 36. Следовательно, в соответствии с аспектом изобретения, настоящий предотвращающий вращение элемент 75 является устройством, допускающим замену в условиях эксплуатации, такое как может быть установлено во время регулярного или планового технического обслуживания газотурбинного двигателя 10, и может быть установлено с заменой существующего хомутного уплотнения.
Дополнительно, одним преимуществом настоящего предотвращающего вращение устройства является установка предотвращающего вращение элемента 75, в котором сварное соединение обеспечено между уплотнительной лентой 68 и выступами 82, 84, не требуя отдельных креплений или других компонентов, расположенных в открытой области, то есть на внешней поверхности 94 уплотнительной ленты 68, которые могут ослабнуть или на которые могут возможно воздействовать объекты, которые могут отделиться от других компонентов, например, незакрепленные объекты от межступенчатых уплотнений. В частности, радиально внешние стороны выступов 82, 84 предпочтительно в целом расположены заподлицо с внешней поверхностью 94 уплотнительной ленты 68, таким образом обеспечивая то, что площадь 96 сварки не выступает из внешней поверхности 94, предпочтительно исключая признаки, которые могут быть подвержены воздействию со стороны объектов, то есть незакрепленных объектов, перемещающихся поперек внешней поверхности 94. Однако ясно, что в пределах объема конкретных аспектов изобретения, предотвращающий вращение элемент 75 может удерживаться на месте на уплотнительной ленте 68 выступами, проходящими через отверстия 88, 90, и зацеплен между уплотнительной лентой 68 и участком основания 70, и может содержать крепления, включающие в себя, например, заклепки или винты.
Несмотря на то что конкретные варианты выполнения настоящего изобретения были изображены и описаны, специалистам в данной области техники очевидно, что различные другие изменения и модификации могут быть выполнены без отступления от сущности и объема изобретения. Следовательно, все такие изменения и модификации, которые лежат в пределах объема этого изобретения, охватываются прилагаемой формулой изобретения.