МОДУЛЬ ТУРБИНЫ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РОТОРОМ, КОТОРЫЙ ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ МОНОБЛОК
TURBINE MODULE FOR GAS TURBINE ENGINE WITH MONOBLOCK ROTOR

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, к модульному элементу турбины для таких двигателей, включающих в себя моноблочный модуль турбины.
Газотурбинный двигатель включает в себя, в направлении потока газов, средство для сжатия воздуха, поступающего в двигатель, камеру сгорания и, по меньшей мере, одну ступень турбины для привода в движение средств сжатия воздуха. В авиационной области двигатель может приводить в движение вентилятор, который содействует тяге, производимой двигателем. Воздух, впускаемый в воздухозаборник двигателя, затем разделяется на первичный поток, направляемый к камере сгорания, и вторичный поток, концентричный первичному потоку и обеспечивающий основную часть тяги в газотурбинных двигателях. В ряде случаев такие двигатели включают в себя два не связанных друг с другом корпуса - корпус высокого давления и корпус низкого давления. Посредством корпуса низкого давления приводится в движение вентилятор. Каждый корпус включает в себя модуль турбины, приводящий в движение соответствующий компрессионный модуль.
На фиг.1 показан в продольном сечении модуль турбины низкого давления двухкорпусного двигателя согласно существующим конструкциям. Остальная часть двигателя не видна на этом чертеже. Этот модуль располагается ниже по потоку ступени высокого давления, чей поток газов выходит через распределительное устройство 3, состоящее из лопаток, которые, по отдельности или секторами, неподвижно устанавливаются между внешним корпусом 5 и неподвижной внутренней конструкцией 7. Ротор 9 турбины низкого давления состоит из пяти дисков 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 и 9-5, несущих лопатки на их периферии и скрепленных вместе болтами. Пять ступеней разделяются неподвижными распределительными устройствами 11-1, 11-2, 11-3 и 11-4, каждое из которых спрямляет поток газов, выходящий из ступени, находящейся выше по потоку, для ступени, расположенной непосредственно ниже по потоку.
Каждый диск ограничивается в боковом направлении конусной частью, плотно прилегающей к радиальным кронштейнам, называемым «усами», с помощью которых они прикрепляются болтами к соседнему диску. Лопатки 12 вставляются в осевые гнезда с профилем типа «ласточкина хвоста» и удерживаются от всех осевых перемещений крюком 12', прилегающим к их хвостовику. Кольцевое стопорное кольцо 13 входит в зацепление под каждым из крюков и образует осевой замок на лопатках. Удерживающее стопорное кольцо 13 само удерживается на месте и неподвижно фиксируется от всех радиальных перемещений, которые могут отсоединить его от крючков 12' кольцами 14 внутри ступени. Эти кольца 14, которые оборудованы уплотняющими кромками, образуют лабиринтную прокладку с истираемыми пластинами, установленными вдоль внутренних кромок распределительных устройств. Они также направляют охлаждающий воздух от внутренней части ротора к хвостовикам лопаток. Для этой цели имеются радиальные каналы.
Установка такого модуля турбины сложна из-за большого количества деталей, входящих в его конструкцию.
Поэтому было бы желательно создать модуль, конструкция которого была бы более простой для сборки.
На самом деле, было бы желательно создать модуль, в котором количество деталей было бы уменьшено, упрощая таким образом сборку и делая более простым руководство по использованию деталей.
Было бы также желательно уменьшить массу деталей, составляющих модуль.
Опять-таки было бы желательно снизить до минимума конструкторские модификации модуля турбины согласно существующим конструкциям, представленным выше, чтобы положить начало существенному улучшению конструкции.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание модуля турбины и, более конкретно, модуля турбины низкого давления, конструкция которого упрощена по сравнению с используемыми ранее конструкциями.
В публикации ЕР 1264964 описана компоновка для ротора турбомашины, который включает в себя два диска с лопатками, установленных в осевые гнезда. Два диска свариваются так, чтобы образовывать моноблок. Между двумя дисками устанавливается прокладка для образования лабиринтного уплотнительного элемента и направления охлаждающего воздуха. В частности, он включает в себя кольцевую часть в форме оболочки, огибающую на расстоянии поверхность ротора между двумя дисками, а также способную скользить в гнездах. Такое решение моноблока имеет конструкцию, которая является более простой по сравнению со сборкой двух дисков, соединенных вместе болтами. Более того, существует преимущество в экономии массы. Однако такая конструкция вызывает трудности по компоновке лопаток, которые не обязательно подходят с аэродинамической точки зрения.
В патенте США №5899660 раскрыт кожух, который позволяет создание модуля турбины, чья конструкция упрощается. Распределительные устройства образуют единую деталь с уплотняющими кольцами роторов турбины. Детали различных ступеней соединяются вместе болтами так, чтобы они вместе образовывали кожух. Однако такое решение приводит к существенному изменению предыдущих конструкций.
В патенте США №4248569 описана установка статора, уплотняющее кольцо которого образует единую деталь с распределительным устройством и который позволяет контролировать зазор между уплотняющим кольцом и концевой частью лопаток ротора турбины. Число деталей поэтому уменьшено. Однако из этого не следует, что решение, представленное выше, будет легко применяться к модулю турбины с несколькими ступенями.
В патенте США №5211541 раскрыт ротор турбины, два диска которого образуют корпус моноблока. Однако упрощение конструкции в данном случае является минимальным.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание модуля турбины, конструкция которой упрощается, и отсутствуют недостатки согласно предшествующему уровню техники.
Согласно настоящему изобретению создан модуль турбины для газотурбинного двигателя с ротором турбины, состоящий из, по меньшей мере, четырех дисков, несущих лопатки на их периферии, причем два из упомянутых дисков образуют моноблок, включающий в себя два боковых междисковых уплотнительных кольца, причем уплотнительные кольца прикрепляются болтами к дискам, смежным с моноблоком, через отверстия, просверленные в плоскости смежных дисков. Модуль турбины включает в себя межступенчатое кольцо между каждым из смежных дисков и моноблоком.
Предпочтительно межступенчатые кольца также образуют осевой концевой упор для подвижных лопаток.
Предпочтительно межступенчатые кольца с междисковыми уплотнительными кольцами образуют канал для охлаждающего воздуха.
Предпочтительно модуль включает в себя, по меньшей мере, кольцевые распределительные устройства между лопатками ротора турбины, причем распределительные устройства включают в себя множество элементов в форме сектора кольца, в каждом из которых первая часть поддерживает прикрепленные лопатки, расположенные радиально к оси турбины, а вторая часть образует уплотнительный сектор кольца с концевыми частями лопаток ротора турбины, при этом элементы в форме сектора кольца удерживаются внутри корпуса с помощью присоединительных средств.
Предпочтительно присоединительные средства включают в себя осевой крюк, присоединенный к корпусу или к упомянутому элементу, который входит в зацепление с парой осевых крюков, присоединенных соответственно к упомянутому элементу или корпусу.
Предпочтительно модуль включает в себя присоединительные средства в форме сектора кольца на части упомянутого элемента, расположенной выше по потоку.
Предпочтительно присоединительные средства включают в себя осевой крюк на корпусе, который соответствует паре осевых крюков, присоединенных к элементу в форме сектора кольца таким образом, что находящийся ниже по потоку торец уплотнительного сектора кольца для уплотнения ротора, расположенного выше по потоку, удерживается между этими крюками.
По сравнению с модулем согласно предшествующему уровню техники, описанным выше, конструкция согласно настоящему изобретению, во-первых, позволяет снизить массу вращающейся сборки, в частности путем исключения части болтовых соединительных устройств и путем облегчения смежных дисков, в которых не используются «усы», а также позволяет упростить конструкцию модуля.
Согласно другому признаку вращающийся узел модуля турбины включает в себя межступенчатые кольца, которые включают в себя уплотняющие кромки для лабиринтной прокладки между каждым из упомянутых смежных дисков и моноблоком. Преимущественно упомянутые кольца также образуют осевой концевой упор для лопаток и/или канал для охлаждающего воздуха с междисковыми уплотнительными кольцами. Таким образом, поскольку эти межступенчатые кольца размещаются на концевых ободках моноблока, их установка не требует особенной компоновки лопаток, установленных на диски. Более того, обеспечивается циркуляция охлаждающего воздуха для всех ступеней с четырьмя лопатками.
Согласно особенному и предпочтительному способу осуществления настоящего изобретения, показывающего улучшенную упрощенную конструкцию, модуль включает в себя один или более кольцевых распределительных устройств, состоящих из различных элементов в форме сектора кольца, в котором первая часть поддерживает прикрепленные лопатки, расположенные радиально к оси турбины, а вторая часть образует уплотнительное средство с концевыми частями подвижных лопаток. Предпочтительно упомянутые элементы в форме секторов кольца удерживаются внутри корпуса присоединительными средствами.
Согласно другому признаку упомянутые присоединительные средства включают в себя осевой крюк, присоединенный к корпусу или к упомянутым элементам, который входит в зацепление с парой осевых крюков, присоединенных соответственно к упомянутым элементам или к корпусу. Предпочтительно пара крюков располагается на части упомянутых элементов, располагающихся во входном потоке в форме секторов кольца.
Предпочтительно присоединительное средство включает в себя осевой крюк на корпусе, который входит в зацепление с парой осевых крюков, прикрепленных к упомянутым элементам в форме секторов кольца таким образом, что находящийся ниже по потоку торец уплотнительного кольца ротора, расположенного выше по потоку, удерживается между крюками.
На основании решения настоящего изобретения установка ступеней турбины производится простым и эффективным способом без необходимости существенного изменения окружения такого модуля в двигателе.
Один не ограничивающий способ осуществления настоящего изобретения теперь будет описан со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - модуль турбины газотурбинного двигателя согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.2 - модуль согласно настоящему изобретению;
Фиг.3 - деталь статора модуля с Фиг.2 в увеличенном масштабе;
Фиг.4 - деталь ротора с Фиг.2 в увеличенном масштабе.
Модуль согласно изобретению, показанный в разрезе вдоль оси газотурбинного двигателя, располагается ниже по потоку камеры сгорания, не показанной на Фиг.2. Он получает поток газов двигателя через распределительное устройство 105. Он включает в себя корпус 120 обычной конической формы, внутри которого устанавливаются различные секции (или ступени) распределительного устройства, расположенные между лопатками ротора турбины. Как и в устройстве согласно предшествующему уровню техники, представленном со ссылкой на Фиг.1, здесь модуль включает в себя пять ступеней турбины 109-1, 109-2, 109-3, 109-4 и 109-5, между которыми расположены четыре кольца распределительных устройств 111-1, 111-2, 111-3 и 111-4.
Распределительное устройство 111-1 имеет обычно кольцевую форму, подразделенную на сектора. Сектора включают в себя от одной до десяти прикрепленных лопаток, возможно, например, пять или шесть. Как пример, может быть восемь секторов, образующих распределительное кольцо. В отношении каждого сектора распределительного устройства 111-1, каждый может отличить (см. также Фиг.3 для более подробных деталей) лопатку или лопатки 111-1-1 распределительного устройства, располагаемые радиально в газовом потоке между внутренней платформой 112-1, расположенной параллельно оси двигателя, и наружной платформой 113-1, расположенной напротив. Распределительные устройства 111-1, 111-2 и 111-3 предпочтительно устанавливаются таким же способом.
Здесь вращающийся узел 109 (см. также Фиг.4) состоит из пяти дисков 109-1-3, 109-2-3, 109-3-3, 109-4-3, 109-5-3, на которых устанавливаются подвижные лопатки. Каждая лопатка включает в себя хвостовик в форме груши, вставляемый в гнездо комплиментарной формы, например, с профилем в виде ласточкина хвоста, механически обработанной в осевом направлении в венце дисков. Подвижные лопатки и их установка на диск известны специалистам в данной области техники и не являются частью настоящего изобретения. Хвостовики включают в себя осевой удерживающий крючок, который также известен.
Согласно настоящему изобретению два диска ротора вместе образуют единый блок 109'. Они образуют моноблок, что означает, что они не прикрепляются с помощью механического средства, такого как болты, и они обычно являются не съемными. Они предпочтительно свариваются. Два диска 109-2-3 и 109-3-3 удерживаются вместе с помощью уплотнительного кольца 109-23. Можно увидеть сварные зоны между уплотнительным колесом и венцами дисков. Это уплотнительное кольцо имеет две уплотняющие кромки 109-23-1, ориентированные в поперечном направлении относительно оси двигателя и образованные с помощью механической обработки поверхности, обращенной к распределительному устройству 111-2. Диск 109-2-3 прикрепляется к боковому междисковому уплотнительному кольцу 109-21. Последнее включает в себя радиальный кронштейн 109-21-1, с помощью которого ротор прикрепляется болтами к смежному диску 109-1-3. Показан только один болт В. Отверстия для прохода болтов высверливаются в плоскости диска ближе к венцу. Диск 109-3-3 также включает в себя уплотнительное кольцо 109-34 с радиальным кронштейном 109-34-1, с помощью которого он прикрепляется болтом В к диску 109-4-3. Диск 109-5-3 включает в себя уплотнительное кольцо 109-54 с радиальным кронштейном, с помощью которого оно прикрепляется болтом к диску 109-4-3. Конус 109-4-4 прикрепляется к диску 109-4-3 для установки вращающейся сборки на подшипник, который не показан.
Для обеспечения охлаждения хвостовиков лопаток ступеней 109-2, 109-3 и 109-4 с помощью межступенчатых колец 131 и 132 создаются воздушные каналы.
Кольцо 131 включает в себя коническую часть 131-1 с диаметром, который немного больше, чем диаметр уплотнительного кольца 109-21, чтобы создавать с последним воздушный канал. На каждой стороне оно имеет коническое ребро 131-2 и 131-3 соответственно, которые опираются соответственно на диски 109-1-3 и 109-2-3 на уровне гнезд. Таким образом, оно образует как средство направления воздуха в гнезда, так и осевой концевой упор для вводимых в них хвостовиков лопаток. Воздух поступает из ротора через каналы, созданные между радиальным кронштейном 109-21-1 и диском 109-1-3. Он циркулирует между двумя уплотнительными кольцами 109-21 и 131-1 с возможностью извлечения через гнезда двух дисков 109-1-3 и 109-2-3 по направлению к газовому каналу.
Таким же образом уплотнительное кольцо 132 включает в себя центральную коническую часть 132-1, ограниченную двумя ребрами 132-2 и 132-3. Охлаждающий воздух поступает через каналы, созданные между кронштейном 109-34-1 и диском 109-4-3. Он циркулирует между уплотнительными кольцами 132-1 и 109-34, откуда он направляется для прохождения через гнезда дисков 109-3-3 и 109-4-3 и далее в газовый поток.
Согласно другому признаку изобретения, относящемуся к статору (см. также Фиг.3), наружная платформа 113-1 образует часть элемента 114-1 в форме сектора кольца в двух частях, которые располагаются в осевом направлении одна за другой. Упомянутая платформа является первой частью 113-1, и сектор уплотнения турбины, который плотно прилегает к концевой части лопаток ступени турбины ниже по потоку, является второй частью 113'-1. Предпочтительно внутренняя платформа 112-1, элемент 114-1 и лопатки все выполняются в форме одной литой детали.
Вторая часть 113'-1 включает в себя истираемый материал 115-1, обращенный к уплотняющим кромкам, созданным на концевой части лопаток соответствующего подвижного венца.
Выше по потоку наружная платформа 113-1 включает в себя пару осевых крюков 113-1-1 и 113-1-2, отстоящих по радиусу друг относительно друга. Ниже по потоку она также имеет радиальную несущую поверхность 113-1-3, причем вторая часть 113'-1 включает в себя радиальную несущую поверхность 113'-1-4 и радиальный выступ 113'-1-5, образующий осевой концевой упор. Каждый может различить палец 113'-1-6, ориентированный в осевом направлении, который устанавливается ниже по потоку между двумя секторами распределительного устройства 113-2, и образует замковое устройство, предотвращающее вращение.
На своей внутренней поверхности корпус 120 содержит крюки, расположенные вдоль оси двигателя, с помощью которых статоры жестко фиксируются.
Как показано на чертеже, осевой крюк 121-1 включает в себя внешнюю радиальную несущую поверхность и внутреннюю радиальную несущую поверхность. Расстояние между двумя следующими друг за другом крюками 121-1 и 121-2 соответствует расстоянию между крюком 113-1-1 и радиальной несущей поверхностью 113'-1-4 данного элемента 114. Выступ 113'-1-5 опирается в осевом направлении на крюк 121-2 корпуса.
Пара крюков 113-1-1 и 113-1-2 статора удерживают ниже по потоку крюк 121-1 корпуса и торец уплотняющего сектора 105', который располагается выше по потоку рядом со ступенью 111-1 распределительного устройства. Для статора 113-2 пара крюков удерживает узел, содержащий соответствующий крюк 121, нижний по потоку торец сектора 113'-1 кольца и пластину 115-1 истираемого материала.
Кожух также включает в себя концевой упор, образующий радиальную несущую поверхность 122 между двумя расположенными один за другим крюками 121-1 и 121-2. Это обеспечивает радиальную опору несущим поверхностям 113-1-3.
Лопатки 109-2-1 ступени 109-2 заканчиваются зубцом 109-2-2, который оборудован уплотняющими кромками или радиальными лопатками, которые вместе с пластиной устанавливаются в истираемый материал 115-1. Таким образом, они образуют лабиринтное уплотнение, предотвращающее утечки газа между двумя сторонами ротора турбины.
Установка различных компонентов модуля производится следующим образом.
Корпус, возможно, уже может располагаться на двигателе с кольцом 105''.
Затем детали собираются в следующем порядке.
Выполненный ротор 109-1, чьи лопатки уже установлены на диск 109-1-3, располагается и крепится с помощью соответствующего инструмента.
Распределительное устройство 111-1 устанавливается сектор за сектором с помощью скользящих крюков 113-1-1 и 113-1-2 на нижнюю по потоку деталь узла, образованного кольцом 105' и первым крюком 121-1 корпуса. Поверхность 113-1-3 опирается на первый концевой упор 122, а поверхность 113'-1-4 опирается на внутреннюю радиальную поверхность второго крюка 121-2. С последней соединяется встык палец 113'-1-5.
Межступенчатое кольцо 131 проскальзывает внутрь кольца 111-1 до тех пор, пока оно не подойдет к ротору 109-1, запирая, таким образом, хвостовики лопаток в их гнездах в осевом направлении. Крюки плотно прилегают к хвостовикам лопаток, и плотное прилегание к венцу обеспечивает исключение всех осевых перемещений в одном направлении. Кольцо обеспечивает запирание по оси в противоположном направлении.
Моноблок 109' только с лопатками ступени 109-2 устанавливается и прикрепляется болтом прямо к диску 109-1-3. Как можно видеть, лопатки ступени 109-2 опираются на ребро 131-3 межступенчатого кольца 131. Крюки на хвостовиках лопаток располагаются на верхней по потоку стороне, опирающейся на венец диска так, что хвостовики фиксируются против всех осевых движений.
Распределительное устройство 111-2 устанавливается сектор за сектором. Хвостовик каждого сектора сначала вводится между двумя дисками 109-2 и 109-3, и затем последний вращается до тех пор, пока он не захватит второй крюк 121-2 корпуса, захватывая нижний по потоку торец кольца 113' вместе с истираемым материалом. Он занимает положение на корпусе таким же образом, как и предыдущее распределительное устройство. Радиальный расположенный ниже по потоку палец действует как осевой торцовый упор на третий крюк 121-3.
Лопатки ступени 109-3 вводятся в их гнезда на диске 109-3-3. Крюк, образующий осевой стопорный элемент, располагается на нижней по потоку стороне диска 109-3-3, предотвращая все осевые перемещения в направлении выше по потоку.
Распределительное устройство 111-3 устанавливается таким образом, что он принимает такое же положение в корпусе, что и предшествующие распределительные устройства.
Межступенчатое кольцо 132 проскальзывает в центральный канал, создаваемый распределительным устройством 111-3. Оно опирается на диск 109-3-3, запирая лопатки.
Выполненный ротор 109-4 крепится болтом к кронштейну 109-34-1 моноблока 109'.
Устанавливается распределительное устройство 111-4.
Выполненный ротор 109-5 прикрепляется болтом к диску 109-4-3.
Вышеприведенное описание процесса установки показывает преимущества заявленной модульной конструкции по отношению к конструкциям согласно предшествующему уровню техники, которые требуют намного большего количества операций, в частности, из-за большего количества деталей, которые надо устанавливать.
Описание относится к модулю, содержащему пять ступеней. Изобретение предпочтительно относится к модулям, содержащим от четырех до шести ступеней.