УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ДВУМЯ РЯДАМИ ДОПОЛНЯЮЩИХ ДРУГ ДРУГА УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
SEALING SYSTEM WITH TWO ROWS OF COMPLEMENTARY SEALING ELEMENTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к области турбомашин, в а конкретнее - к области компрессоров и сопел турбомашин.
Изобретение применимо к наземным или воздухоплавательным турбомашинам любого типа, а в частности - к авиационным турбомашинам, таким, как турбореактивные самолеты и турбовинтовые самолеты. В более предпочтительном варианте, оно применимо к двухвальному турбореактивному двухконтурному двигателю.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Турбомашина содержит, например, компрессор с множеством ступеней сжатия, каждая из которых состоит из кольцевого ряда подвижных лопаток (ротора), установленных на оболочке турбомашины, и статор, установленный на наружном кольцевом корпусе турбомашины.
Статор компрессора может состоять из кольца или он может быть разделен на секторы (т.е., может содержать множество кольцевых секторов, соединенных торец к торцу в окружном направлении вокруг продольной оси компрессора). По всему описанию этой заявки, термин «сектор» относится к любому кольцевому участку конструкции с кольцевым протяжением, охватывающим угол, меньший или равный, например, 360°, а конкретнее - к сектору статора.
Каждый сектор статора содержит внешнюю оболочку и внутреннюю оболочку, расположенные соосно одна внутри другой и одну неподвижную спрямляющую лопатку (или несколько неподвижных спрямляющих лопаток), проходящую (проходящих) в радиальном направлении между этими оболочками и соединенную (соединенными) с ними посредством своего радиального конца (своих радиальных концов).
Чтобы обеспечить работу компрессора, в каждой ступени между статором и ступицей имеется зазор, образующий полость под статором. Давление в работающем компрессоре увеличивается в направлении от входа к выходу. Следовательно, поток утечки в этой полости обычно циркулирует вдоль направления от выхода ко входу статора, проходя под радиально внутренним концом внутренней оболочки. Существование такого потока утечки часто квалифицируется как «явление рециркуляции под статором».
Явление рециркуляции под статором приводит к возмущению основного потока газа в турбомашине, а в частности - изменяет условия потока выше по течению от неподвижных спрямляющих лопаток. Таким образом, это явление представляет собой важный фактор снижения пригодности к эксплуатации и рабочих характеристик компрессора.
Одно решение для учета явления рециркуляции под статором уже предложено и заключается в установке уплотнительных элементов, поддерживаемых оболочкой ротора и расположенных так¸ что они обращены к слою истираемого покрытия, поддерживаемому статором. Это сочетание ряда уплотнительных элементов и истираемого покрытия называют лабиринтным уплотнением или просто «лабиринтом».
Таким образом, можно уменьшить сечение утечки, а значит - и поток утечки газа под внутренней оболочкой статора.
Одно затруднение связано с тем фактом, что ротор и корпус движутся независимо друг от друга под влиянием относительно высоких механических и тепловых деформаций в ходе обычного режима двигателя. Следовательно, сечение утечки изменяется в ходе режимов двигателя. В некоторые моменты режима, сечение утечки становится достаточно большим, так что его воздействие на рабочие характеристики компрессора не является пренебрежимо малым.
Например, снижение рабочих характеристик может составлять от 0,5% до 1% в режиме работы двигателя с высокой скоростью.
Таким образом, задачей изобретения является усовершенствование решений, позволяющих избежать негативного воздействия явления рециркуляции под статором, чтобы улучшить рабочие характеристики компрессора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поставленная задача решается настоящим изобретением, относящимся к уплотнительной системе в полости под сектором статора канала турбомашины, содержащей сектор статора и устройство статора, причем полость находится между хвостовиком лопатки сектора статора и дополняющим его устройством ротора, при этом хвостовик содержит первую поверхность, снабженную, по меньшей мере, частично истираемым покрытием, при этом устройство ротора снабжено, по меньшей мере, первым уплотнительным элементом, обращенным к первой поверхности, при этом первая поверхность и первый уплотнительный элемент образуют первую уплотнительную пару и ограничивают между собой первое сечение утечки.
В соответствии с изобретением, хвостовик содержит вторую поверхность, снабженную, по меньшей мере, частично истираемым покрытием, причем устройство ротора снабжено, по меньшей мере, вторым уплотнительным элементом, обращенным ко второй поверхности, при этом вторая поверхность и второй уплотнительный элемент образуют вторую уплотнительную пару и ограничивают между собой второе сечение утечки, при этом первая уплотнительная пара имеет тенденцию к минимальному сечению утечки, когда вторая пара имеет тенденцию к соответствующему максимальному сечению утечки, и при этом первая пара с утечкой имеет тенденцию к максимальному сечению утечки, когда вторая пара имеет тенденцию к минимальному сечению утечки, в ходе режима работы двигателя. И, наконец, первая и вторая уплотнительные пары расположены через осевой промежуток друг от друга.
Таким образом, изобретение дает возможность компенсировать относительный промежуток первой уплотнительной пары путем снижения потока утечки через вторую уплотнительную пару. Поэтому в изобретении можно с выгодой воспользоваться деформациями статора и ротора турбомашины во время ее работы. Точнее, при наличии осевого промежутка между уплотнительными парами, для требуемой компенсации между потоками утечки рационально используется оказываемое воздействие перекоса статора и ротора друг относительно друга.
В преимущественном варианте, изобретение также может предусматривать наличие осевой стенки, например, в форме сектора кольца. Воздействие этой осевой стенки заключается в том, чтобы вызывать снижение давления в потоке утечки, что улучшает основные рабочие характеристики турбомашины.
Изобретение также имеет преимущество, заключающееся в том, что оно не обуславливает никакого дополнительного ограничения сборки, которое не существовало бы уже.
В преимущественном варианте, первая поверхность является внутренней поверхностью хвостовика, а вторая поверхность является наружной поверхностью хвостовика.
В одном конкретном варианте осуществления, радиус кривизны первой поверхности меньше, чем радиус кривизны второй поверхности.
Первая поверхность может быть обращена, например, к продольной оси турбомашины напротив второй поверхности.
Вторая поверхность предпочтительно принадлежит осевой стенке, которая выступает в осевом направлении из тела хвостовика, так что вторая поверхность в радиальном направлении находится под платформой устройства ротора, а первая поверхность расположена на теле хвостовика, по меньшей мере, частично перекрываясь в радиальном направлении с платформой сектора статора.
В первом варианте осуществления изобретения, вторая поверхность образует часть осевой стенки хвостовика, причем эта осевая стенка проходит вдоль направления выше по течению. Таким образом, изобретение можно воплотить в канале компрессора низкого или высокого давления. В этой конфигурации с выгодой используется оказываемое во время работы турбомашины воздействие перекоса статора и ротора друг относительно друга, когда изобретение воплощается в компрессоре.
В первом варианте осуществления изобретения, вторая поверхность образует часть осевой стенки хвостовика, причем эта осевая стенка проходит в направлении ниже по течению. Таким образом, изобретение можно воплотить в канале турбины низкого или высокого давления. В этой конфигурации с выгодой используется оказываемое во время работы турбомашины воздействие перекоса статора и ротора друг относительно друга, когда изобретение воплощается в турбине.
Изобретение также применимо к устройству ротора, содержащему, по меньшей мере, первый уплотнительный элемент, проходящий наружу из турбомашины и образующий первую группу уплотнительных элементов, и, по меньшей мере, один второй уплотнительный элемент, обращенный к продольной оси и образующий вторую группу уплотнительных элементов, причем конфигурация устройства ротора обеспечивает образование уплотнительной системы, подобной вышеописанной, в сочетании с сектором статора, при этом первая и вторая группы уплотнительных элементов расположены через осевой промежуток друг от друга.
Следует понять, что по всему этому изобретению уплотнительный элемент, ориентированный наружу, располагается так, что радиальное расстояние между его вершиной и продольной осью турбомашины больше, чем радиальное расстояние между его хвостовиком и этой осью, и противоположен уплотнительному элементу, обращенному к продольной оси.
Изобретение также относится к сектору статора, содержащему лопатку с хвостовиком, который содержит первую поверхность, снабженную, по меньшей мере, частично истираемым покрытием, и обращен к продольной оси турбомашины, и вторую поверхность, снабженную, по меньшей мере, частично истираемым покрытием и обращенную к внешней части турбомашины, причем конфигурация сектора статора обеспечивает образование уплотнительной системы, подобной вышеописанной, в сочетании с устройством ротора. Помимо этого, оба истираемых покрытия расположены через осевой промежуток друг от друга.
Изобретение также относится к турбомашине, в которой устройство ротора и сектор статора, подобные вышеописанным, совместно образуют уплотнительную систему.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает возможный компрессор, содержащий уплотнительную систему под сектором статора в соответствии с изобретением;
- фиг.2A и 2B изображают две ситуации при работе компрессора, демонстрирующие возможные деформации сектора статора.
Помимо этого, разные части, изображенные на чертежах, не обязательно представлены в одном и том же масштабе, чтобы сделать чертежи легче понимаемыми.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
По всему этому описанию, термины «выше по течению» и «ниже по течению» следует понимать как относящиеся к обычному направлению FP основного потока газа для турбомашины (см. фиг.1). Помимо этого, ось турбомашины представляет собой продольную ось симметрии турбомашины. Осевое направление представляет собой направление оси турбомашины, а радиальное направление представляет собой направление, перпендикулярное этой оси. Кроме того, если не упоминается иное, то прилагательные и обстоятельства «осевое», «радиальное», «в осевом направлении» и «в радиальном направлении» употребляются применительно к вышеупомянутым осевому и радиальному направлениям. Помимо этого, если не упоминается иное, то прилагательные «внутренняя» и «внешняя» употребляются применительно к радиальному направлению в том смысле, что внутренняя часть или внутренняя (т.е., в радиальном направлении внутренняя) грань элемента ближе к оси турбомашины, чем внешняя (т.е., в радиальном направлении внешняя) часть или грань элемента. На прилагаемых чертежах внешняя сторона находится вверху, а внутренняя сторона находится внизу.
На фиг.1 изображен частичный вид возможного компрессора турбомашины, демонстрирующий сектор 10 статора и элемент 11 ротора, совместно снабженные уплотнительной системой 9 в соответствии с изобретением, иными словами - системой, ограничивающей поток утечки.
Сектор 10 статора содержит внешнюю оболочку SE, неподвижную спрямляющую лопатку PS и внутреннюю оболочку SI, образующую хвостовик статора. Внутри оболочки SE установлена неподвижная спрямляющая лопатка PS. Внутренняя оболочке SI установлена на внутреннем конце неподвижной спрямляющей лопатки PS соосно с оболочкой SE.
Элемент 11 ротора содержит находящуюся выше по течению платформу R2 ротора, которая поддерживает неподвижную спрямляющую лопатку PR2, и находящуюся ниже по течению платформу R1 ротора, которая поддерживает неподвижную спрямляющую лопатку PR1. Находящаяся выше по течению платформа R2 и находящаяся ниже по течению платформа R1 соединены друг с другом оболочкой VI ротора.
Как будет пояснено в конце описания, эту систему можно преобразовать - с незначительными изменениями - для использования в турбине.
Внутренняя оболочка SI находится в осевом направлении между платформами R1 и R2, а в радиальном направлении - под платформой R' сектора 10 статора.
Внутренняя оболочка SI содержит внутреннюю поверхность 21. Пространство, находящееся в радиальном направлении между оболочкой SI и оболочкой VI ротора, ограничивает полость C под статором.
Внутренняя оболочка SI в иллюстрируемом примере содержит осевой гребень или осевую стенку 24, который или которая проходит в осевом направлении выше по течению от компрессора, вследствие чего в этом случае представляет собой передний гребень. Таким образом, гребень 24 выступает в осевом направлении из тела SI' хвостовика SI, выходя за пределы платформы R' вдоль осевого направления, и частично накрыт платформой R2.
В этом случае, гребень 24 выполнен в форме сектора кольца, проходя в кольцевом направлении, например, вдоль кольцевого размера соответствующего хвостовика статора (в этом случае - сектора 10 статора).
Элемент 11 ротора и сектор 10 статора выполнены так, что гребень 24, по меньшей мере, частично окружен платформой R2 и оболочкой VI на своих трех гранях - внешней грани 24a, передней грани 24b и внутренней грани выше по течению от полости C.
Внутренняя поверхность 21 снабжена слоем 22 истираемого покрытия. Три уплотнительных элемента 23, образующие первую группу уплотнительных элементов, в этом случае находятся на оболочке VI, будучи обращенными к истираемому покрытию 22. Следовательно, покрытие 22 и уплотнительные элементы 23 образуют первую уплотнительную пару 20, также называемую первым лабиринтным уплотнением. Истираемое покрытие 22 находится в радиальном направлении под платформой R' сектора 10, предпочтительно - не выступая в осевом направлении за пределы платформы. То же самое можно сказать о первой поверхности 21, которая расположена на теле хвостовика (SI') и на которой нанесено истираемое покрытие 22.
В этом случае внешняя грань 24a переднего гребня 24 снабжена истираемым покрытием 32. В этом случае два уплотнительных элемента 33, образующие вторую группу уплотнительных элементов, находятся на оболочке VI, будучи обращенными к истираемому покрытию 32. Следовательно, покрытие 32 и уплотнительные элементы 33 образуют вторую уплотнительную пару 30, также называемую вторым лабиринтным уплотнением. Истираемое покрытие 32 в осевом направлении отстоит от платформы R' сектора 10, так что перекрытия вдоль осевого направления нет. Помимо этого, вторая поверхность 24a, покрытая истираемым покрытием 32, в радиальном направлении частично находится под платформой R2 устройства 11 ротора.
Первая уплотнительная пара 20 и вторая уплотнительная пара 30 расположены через осевой промежуток друг от друга. Иными словами, нет ни зоны перекрытия между этими двумя парами 20, 30 вдоль осевого направления, ни зоны осевого перекрытия между двумя группами уплотнительных элементов 23, 33, ни зоны осевого перекрытия между двумя истираемыми покрытиями 22, 32.
В изображенном варианте осуществления, количество уплотнительных элементов 23, 33 в первой и второй группах уплотнительных элементов не является ограничительным фактором и может, например, изменяться от одного до десяти для заданной пары 20 или 30.
Стрелка FP на фиг.1 показывает направление основного потока в примере канала VC в компрессоре турбомашины. Статическое давление воздуха в компрессоре увеличивается по мере продвижения воздуха к находящейся ниже по течению стороне компрессора. Таким образом, давление воздуха в канале выше вблизи находящейся ниже по течению неподвижной спрямляющей лопатки PR1, чем вблизи находящейся выше по течению неподвижной спрямляющей лопатки PR2. Тогда в полости C образуется поток FR утечки. Общее направление этого потока FR изображено на фиг.1 в примере компрессора.
В ходе режима двигателя, каждый из элемента 11 ротора и сектора 10 статора подвергается воздействию тепловых и механических деформаций, присущих каждому из них.
Таким образом, эти два узла 10 и 11 движутся друг относительно друга.
Радиальный промежуток между внутренней оболочкой SI сектора 10 статора и оболочкой VI ротора обуславливает:
- во-первых, увеличение зазора между уплотнительными элементами 23 и истираемым покрытием 22, а значит - и сечения утечки сквозь первую уплотнительную пару 20;
- во-вторых, уменьшение зазора между уплотнительными элементами 33 и истираемым покрытием 32, а значит - и сечения утечки сквозь вторую пару 30.
Следовательно, когда зазор между истираемым покрытием 22 и уплотнительными элементами 23 является максимальным, зазор между истираемым покрытием 32 и уплотнительными элементами 33 является минимальным.
В отличие от этого, когда оболочки SI и VI движутся в радиальном направлении друг к другу, сечение утечки в первой уплотнительной паре 20 будет уменьшаться, а сечение утечки во второй паре 30 будет увеличиваться.
Следовательно, мгновенное сечение утечки каждой из пар 20 и 30 изменяется между минимальным сечением утечки и максимальным сечением утечки, соответственно.
Поэтому наименьшее из сечений утечки в парах 20 и 30 определяет общий поток утечки канала FR. Эти две пары 20 и 30 оказывают дополнительное воздействие, ограничивая поток утечки.
Помимо этого, как изображено на фиг.1, поток FR утечки изменяет направление, когда проходит через зону 40, иными словами - к передней поверхности 24b. Это изменение направления вносит турбулентности, а значит - и снижение давления в потоке FR, иными словами, рассеивание его механической энергии. Это снижение давления в потоке FR утечки выгодно для основного потока FP, а значит - и для рабочих характеристик компрессора.
Кроме того, как будет описано ниже, эта уплотнительная система 9 предусматривает использование явления перекоса статора под воздействием аэродинамических и механических сил в канале для уменьшения минимального зазора при высокой скорости, в частности, благодаря осевому зазору между двумя уплотнительными парами 20, 30.
Пример, изображенный на фиг.2A, демонстрирует относительное положение узлов 10 и 11 в течение фазы, в которой скорость двигателя увеличивается. В этом случае, сектор 10 статора расширен в радиальном направлении наружу, на этот раз - под воздействием роста температуры из-за увеличения давления потока и при механическом падении потока воздуха под давлением. С другой стороны, меньше рост температуры в элементе 11 ротора, имеющем более высокую тепловую инерцию, вследствие чего его деформация меньше.
Помимо этого, сектор 10 статора подвергается воздействию аэродинамических сил справа налево в канале VC из-за увеличения давления в компрессоре от входа к выходу.
Вследствие этого, сектор 10 статора подвержен воздействию кольцевого смещения α относительно продольного направления X, соответствующего оси турбомашины, причем это смещение в данном документе называется «перекосом». Это кольцевое смещение α приводит к движению гребня 24 наружу из турбомашины, а значит - и к перемещению истираемого покрытия 32 ближе к уплотнительным элементам 33. При этой конфигурации, первая уплотнительная пара 20 имеет максимальное сечение утечки, а вторая уплотнительная пара 30 имеет минимальный зазор. Благодаря осевому зазору между двумя парами 20, 30, малое кольцевое перемещение α оказывается достаточным для того, чтоб вызвать значительное уменьшение потока утечки сквозь вторую пару 30.
Пример, изображенный на фиг.2B, демонстрирует те же самые узлы 10 и 11 в течение фазы уменьшения скорости двигателя. Тогда сектор 10 статора охлаждается и сжимается, а ротор остается в нагретом состоянии под воздействием тепловой инерции. Потом оболочка SI статора перемещается ближе к оболочке VI ротора, и первая уплотнительная пара 20 имеет минимальное сечение утечки, а вторая уплотнительная пара 30 имеет максимальный зазор.
Уплотнительную систему 9 в компрессоре, описанную со ссылками на фиг.1, 2A и 2B, можно преобразовать для турбин низкого или высокого давления.
В отличие от компрессоров, статическое давление в канале VT в турбине, в которой статор называется соплом, уменьшается от входа к выходу, а поток утечки в полости под статором турбины проходит вдоль направления от входа к выходу, иными словами вдоль направления, обратного направлению потока утечки под статором компрессора.
Таким образом, в одном (не показанном) варианте осуществления уплотнительной системы под статором турбины, хвостовик SI сопла снабжен гребнем с конфигурацией, аналогичной конфигурации гребня 24 спереди, но ориентированной вдоль направления ниже по течению. Такая конфигурация также может давать выгоду, обуславливаемую воздействиями перекоса, связанными с аэродинамическими силами, которые прикладываются в направлении от входа к выходу. Элемент ротора турбины, гребень сопла и хвостовик также снабжены уплотнительными парами того же типа, что и пары 20 и 30.