СРЕДСТВО БЛОКИРОВКИ КОЛЬЦЕВОГО УПЛОТНИТЕЛЯ НА ДИСКЕ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ДИСК ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, КОЛЬЦЕВОЙ УПЛОТНИТЕЛЬ КОНТУРА ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК, МОДУЛЬ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DEVICE LOCKING RING SEAL ON TURBINE DISK OF GAS TURBINE ENGINE, RING SEAL OF BLADES COOLING CIRCUIT, TURBINE MODULE OF GAS TURBINE ENGINE  AND GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям и более конкретно к деталям, образующим одну или несколько турбин этих газотурбинных двигателей.
Авиационные газотурбинные двигатели классическим образом формируются при помощи совокупности соединенных между собой модулей, причем эта совокупность модулей, если рассматривать ее в направлении движения потока воздуха через этот двигатель, содержит один или несколько компрессоров, камеру сгорания, одну или несколько турбин, которые приводят во вращательное движение эти один или несколько компрессоров посредством валов приведения в движение, отбирая для этого мощность от газообразных продуктов сгорания топлива на выходе из камеры сгорания, которая содержит на своем выходе либо реактивное сопло, в которое поступают эти газообразные продукты сгорания для создания реактивной тяги, либо свободную турбину, которая обеспечивает рекуперацию энергии этих газообразных продуктов сгорания для создания механической мощности.
Турбины двигателей содержат лопатки, которые подвергаются воздействию высоких температур со стороны газообразных продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания и которые, вследствие этого, требуют применения принудительного охлаждения для того, чтобы эти лопатки имели возможность выдерживать значительные термические и механические напряжения, воздействию которых они подвергаются. При этом воздух, предназначенный для охлаждения лопаток турбины, отбирается в задней по потоку части одного или нескольких компрессоров и подается к лопаткам турбины, во внутренние полости которых этот воздух проникает на уровне их корневых частей.
Функционирование контура вентиляции лопаток турбины состоит в подаче воздуха в корневую часть лопатки, в продвижении этого воздуха во внутренних каналах или полостях этих лопаток и в отведении этого воздуха через головку лопатки. При этом, поскольку этот охлаждающий воздух подается под корневые части лопаток, герметичность диска, несущего эти лопатки, обеспечивается спереди от него по потоку и сзади от него по потоку для того, чтобы этот охлаждающий воздух эффективно доставлялся в каналы охлаждения лопаток.
Для того чтобы обеспечить эту герметичность с задней по потоку стороны корневых частей лопаток, используют, как это проиллюстрировано на фиг. 1, деталь, называемую кольцевым уплотнителем турбины, которая позиционируется против радиальной поверхности диска и первая функция которой состоит в том, чтобы обеспечить удержание лопаток в осевом направлении после их введения в ячейки диска турбины. Этот задний по потоку кольцевой уплотнитель удерживается прижатым к этому диску для того, чтобы обеспечить требуемую герметизацию посредством круговой и поддающейся деформированию детали, называемой стопорным кольцом, которое само, в свою очередь, вставляется в канавку, выполненную в толще диска турбины.
Примеры реализации таких конструкций описаны в патентных заявках ЕР 1584794 и ЕР 1439282, поданных Заявителем данного изобретения.
В последовательности осуществления монтажа это стопорное кольцо устанавливается перед установкой кольцевого уплотнителя на диске. Это стопорное кольцо удерживается в сжатом состоянии в донной части канавки при помощи технологической оснастки в процессе вставления кольцевого уплотнителя. После этого упомянутая технологическая оснастка удержания стопорного кольца удаляется и это стопорное кольцо. Стопорное кольцо размещается естественным образом под упомянутым кольцевым уплотнителем, не давая ему отсоединиться и обеспечивая его герметичное соединение с диском турбины.
Один из недостатков, связанный с этим типом монтажа, заключается в том, что он оставляет одну степень свободы для кольцевого уплотнителя, который вследствие этого имеет возможность в процессе функционирования перемещаться в тангенциальном направлении. Такие перемещения являются причиной нежелательного износа и создают опасность нарушения нормального удержания лопаток и/или нарушения герметизации. Второй недостаток связан со сложной и трудоемкой реализацией этого стопорного кольца и связанной с этим значительной стоимостью изготовления.
И наконец, этот монтаж характеризуется взаимным противодействием кольцевого уплотнителя со средством прижатия перед выполнением прижатия кольцевого уплотнителя, что усложняет его установку.
Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеуказанные недостатки и разработать средство блокировки кольцевого уплотнителя турбины, в котором устранены по меньшей мере некоторые из недостатков существующего уровня техники в данной области и которое, в частности, не взаимодействует с этим кольцевым уплотнителем в процессе его монтажа.
Для решения этой технической задачи предложено средство блокировки кольцевого уплотнителя на диске турбины газотурбинного двигателя, на котором закреплены упомянутые лопатки, причем на задней по потоку поверхности этого диска закреплен кольцевой зажим, ориентированный в радиальном направлении и ограничивающий, вместе с упомянутой поверхностью, канавку, в которой может быть размещен упомянутый кольцевой уплотнитель, причем упомянутый кольцевой зажим содержит по меньшей мере два выреза на своей кромке, располагающихся с противоположной стороны по отношению к донной части канавки таким образом, чтобы сформировать отверстия для осевого введения в упомянутую канавку кулачков, располагающихся на окружности упомянутого кольцевого уплотнителя против канавки диска, причем упомянутое средство содержит устройство блокировки, которое может быть установлено в этой канавке между упомянутой поверхностью диска и упомянутым кольцевым уплотнителем, отличающееся тем, что это средство создания давления дополнительно имеет в своем составе средство стягивания, выполненное таким образом, чтобы опираться на упомянутую поверхность диска и взаимодействовать с упомянутым устройством блокировки для того, чтобы обеспечить блокировку упомянутого кольцевого уплотнителя против кольцевого зажима.
Осуществление опоры на поверхность диска позволяет устранить всякое взаимодействие между средством стягивания и кольцевым уплотнителем перед выполнением операции стягивания, что дает возможность облегчить установку кольцевого уплотнителя в канавку диска.
Предпочтительно, чтобы средство стягивания представляло собой винт и устройство блокировки представляло собой гайку, содержащую по меньшей мере одно крыло, проходящее в тангенциальном направлении в канавке.
Заявленная конфигурация позволяет осуществлять только локальные стягивания, распределенные на окружности, без необходимости установки кольцевого блокирующего устройства. Позиционирование этих устройств блокировки оказывается, таким образом, относительно упрощенным.
Предпочтительно, чтобы винт стягивания содержал первую резьбовую часть, имеющую возможность взаимодействовать с резьбовой частью упомянутой гайки, и вторую часть, имеющую диаметр, меньший чем диаметр упомянутой резьбовой части гайки, и способную проходить сквозь упомянутую гайку для того, чтобы входить в упор в упомянутую поверхность диска и проталкивать гайку и кольцевой уплотнитель к скобе.
Предпочтительно, чтобы наружная поверхность упомянутой второй части винта была выпуклой для того, чтобы взаимодействовать с выемкой, выполненной в упомянутой поверхности диска.
Предлагаемое изобретение относится также к диску турбины для газотурбинного двигателя, несущему на своей задней по потоку поверхности кольцевой зажим, ориентированный в радиальном направлении и ограничивающий, вместе с упомянутой поверхностью, канавку, в которую может быть вставлен кольцевой уплотнитель контура охлаждения лопаток, размещенных на упомянутом диске, отличающемуся тем, что упомянутый кольцевой зажим дополнительно содержит по меньшей мере один первый вырез, способный обеспечить прохождение средства стягивания к средству создания давления, как об этом уже было сказано выше.
Предлагаемое изобретение относится также к кольцевому уплотнителю контура охлаждения лопаток газотурбинного двигателя, имеющему кольцевую форму и содержащему кулачки на одной из своих окружностей, отличающемуся тем, что по меньшей мере один из кулачков содержит второй вырез, способный обеспечить прохождение элемента стягивания средства создания давления описанного выше типа, таким образом, чтобы обеспечить возможность для упомянутого элемента стягивания входить в упор в заднюю по потоку поверхность диска, несущего на себе упомянутые лопатки.
Предлагаемое изобретение относится также к такому диску турбины, оборудованному таким кольцевым уплотнителем, удерживаемым против кольцевого зажима этого диска при помощи средства создания давления описанного выше типа.
И наконец, предлагаемое изобретение относится также к модулю турбины газотурбинного двигателя, содержащему такой диск, и к газотурбинному двигателю, содержащему такой модуль турбины.
Существо предлагаемого изобретения, а также другие его задачи, подробности, характеристики и преимущества будут лучше поняты из описания неограничительных вариантов осуществления изобретения, приводимого со ссылками на предлагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет собой вид в разрезе устройства крепления кольцевого уплотнителя на диске турбины в соответствии с существующим уровнем техники;
- фиг. 2 представляет собой вид в изометрии, вдоль некоторого первого направления, устройства блокировки кольцевого уплотнителя и его винта блокировки в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 3 представляет собой вид в изометрии, вдоль некоторого второго направления, устройства блокировки кольцевого уплотнителя и его винта блокировки в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 4 представляет собой вид в изометрии, вдоль двух предшествующих направлений, устройства блокировки кольцевого уплотнителя и его винта блокировки в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения после соединения этих элементов;
- фиг. 5 представляет собой вид в изометрии кольцевого уплотнителя фланца в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 6 представляет собой вид в изометрии детали кольцевого уплотнителя в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 7 представляет собой вид в разрезе диска турбины, оборудованного кольцевым уплотнителем, выполненным неподвижным при помощи устройства блокировки кольцевого уплотнителя в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 8 представляет собой вид в изометрии детали диска турбины, оборудованного кольцевым уплотнителем, выполненным неподвижным при помощи устройства блокировки кольцевого уплотнителя в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 9 представляет собой вид в изометрии детали диска турбины, в канавке которого размещается устройство блокировки кольцевого уплотнителя в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 10 представляет собой вид в изометрии детали кольцевого уплотнителя и диска турбины, в канавке которого размещается устройство блокировки кольцевого уплотнителя в соответствии с вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 11 представляет собой вид в изометрии детали кольцевого уплотнителя, вставленного в канавку диска турбины, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 12 представляет собой вид в изометрии детали кольцевого уплотнителя в его окончательном положении в канавке диска турбины, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
- фиг. 13 представляет собой вид в изометрии детали кольцевого уплотнителя в его окончательном положении в канавке диска турбины и его винта блокировки перед креплением.
На фиг. 1 показан диск 1 турбины в соответствии с существующим уровнем техники в данной области, на котором закреплена лопатка 2, к которой прижимается кольцевой уплотнитель 3 турбины, обеспечивающий удержание этих лопаток 2 в предназначенном для них положении в ячейках диска 1, причем этот кольцевой уплотнитель заставляет работать на полную мощность циркуляцию охлаждающего воздуха в каналах вентиляции этих лопаток, образуя преграду герметизации для этого воздуха по потоку позади диска. Кольцевой уплотнитель 3 прижимается к радиальной поверхности диска 1 и удерживается на предназначенном для него месте при помощи стопорного кольца 4. Это стопорное кольцо вставляется в канавку 5, сформированную в боковом направлении на радиальной поверхности диска посредством кольцевого зажима 6, образующего уступ, ориентированный параллельно поверхности диска. Этот зажим не проходит в диаметральном направлении за пределы внутреннего диаметра кольцевого уплотнителя 3 таким образом, чтобы этот кольцевой зажим мог быть установлен против диска в процессе монтажа. Стопорное кольцо 4 имеет прерывающуюся круглую форму и является деформируемым при помощи соответствующего технологического инструмента для того, чтобы диаметр этого кольца имел возможность быть уменьшенным, и чтобы оно могло быть вставлено в канавку 5 и оставляло проход для кольцевого уплотнителя 3 в процессе установки последнего против диска 1.
На фиг. 2-4 представлена система в соответствии с предлагаемым изобретением, образованная устройством 7 блокировки кольцевого уплотнителя и блокировочным винтом 8 этого устройства блокировки. Это устройство блокировки имеет форму полого цилиндра, высота которого имеет величину, немного меньшую, чем ширина канавки 5, и который продолжается в боковом направлении при помощи двух крыльев 7а и 7b, функция которых состоит в том, чтобы препятствовать вращению устройства блокировки в том случае, когда это устройство находится в предназначенном для него положении в канавке 5, и обеспечивать прижатие кольцевого уплотнителя 3 к диску на конечной стадии монтажа. Внутренний диаметр устройства блокировки содержит резьбовую часть 9, имеющую возможность взаимодействовать с соответствующей резьбовой частью 10, выполненной на наружной части блокировочного винта 8.
Этот блокировочный винт 8 содержит первую цилиндрическую часть 8а, на которой располагается резьба 10 и которая продолжается второй цилиндрической частью 8b, связанной с этой первой цилиндрической частью 8а при помощи соединительной перемычки (на фиг. 2-4 не показана). На своей наружной поверхности первая цилиндрическая часть этого винта содержит классическое средство, предназначенное для взаимодействия со средством приведения этого винта во вращательное движение, таким, например, как отвертка. Вторая цилиндрическая часть винта имеет диаметр, несколько меньший, чем диаметр первой части 8а этого винта, таким образом, чтобы она свободно проходила сквозь резьбовую часть 9 гайки. Что касается наружной поверхности второй части 8b винта, то она выполнена слегка выпуклой (хотя это и не является в данном случае обязательным) таким образом, чтобы адаптироваться к вогнутости, выполненной для этого в боковой поверхности диска 1 турбины.
На фиг. 5 и 6 можно видеть кольцевой уплотнитель 3 турбины, который по существу имеет форму плоского диска, содержащего равномерно распределенные на его внутренней кромке радиальные утолщения или кулачки 11. Два из этих кулачков, располагающиеся диаметрально противоположным образом и обозначенные позицией 12, имеют вырезы 13 типа фрезерованных отверстий, диаметр которых превышает диаметр блокировочного винта 8 и которые предназначены для обеспечения возможности прохождения одного из этих блокировочных винтов.
На фиг. 7 и 8 представлен диск 1, оборудованный кольцевым уплотнителем 3, удерживаемым на предназначенном для него месте при помощи устройства 7 блокировки, связанного со своим блокировочным винтом 8. Этот диск 1 содержит на скобе 6 вырезы 14 введения, количество которых и угловые сектора их расположения соответствуют количеству и угловому расположению кулачков 11 фланца. Кроме того, две выемки 16 в форме лунок выполнены в толще диска 1 и располагаются против выреза 15, выполненного в осевом направлении на этой скобе. Эти выемки предпочтительным образом имеют вогнутую форму, геометрические характеристики которой аналогичны геометрическим характеристикам выпуклой формы наружной поверхности второй части 8b блокировочного винта. В то же время устройство 7 блокировки и его блокировочный винт 8 предусмотрены для того, чтобы проходить сквозь кольцевой уплотнитель на уровне его выреза 13 и сквозь кольцевой зажим 6 диска на уровне ее выреза 15.
На фиг. 9-13 проиллюстрированы последовательно выполняемые этапы установки кольцевого уплотнителя 3 на диске 1, и теперь эти этапы будут представлены более подробно.
По сравнению с существующим уровнем техники здесь диск 1, в отличие от аналогичных дисков из существующего уровня техники, содержит вырезы 14 введения, вырезанные в наружной поверхности кольцевого зажима 6, два первых и располагающихся диаметрально противоположным образом выреза 15 и две лунки 16, располагающиеся на поверхности диска против двух этих первых вырезов 15.
Кроме того, кольцевой уплотнитель 3 в соответствии с предлагаемым изобретением является модифицированным в том смысле, что он содержит кулачки 11, равномерно распределенные по окружности его внутреннего диаметра. Эти кулачки имеют предназначение позиционироваться позади кольцевого зажима 6 диска 1 между вырезами 14 введения и служить опорными точками на кольцевом уплотнителе в том случае, когда последний с усилием прижимается к стенке кольцевого зажима 6, которая открывается на канавке 5. Как об этом уже было сказано выше, два вторых выреза 13 и без того, чтобы количество этих вырезов в обязательном порядке равнялось двум, выполнены в располагающихся диаметрально противоположным образом кулачках 12.
Монтаж кольцевого уплотнителя на диске начинается с размещения двух устройств 7 блокировки в канавке 5 диска 1, предпочтительным образом на уровне выреза 14 введения рядом с одной из двух лунок 16. Действительно эти лунки соответствуют окончательному положению, которое будут занимать устройства блокировки после завершения монтажа. Затем кольцевой уплотнитель 3 также вводится в эту канавку 5, причем кулачки 11 устанавливаются против вырезов 14 введения, и два кулачка 12, представляющие вырез 13, устанавливаются против двух устройств 7 блокировки.
Второй этап монтажа состоит в повороте кольцевого уплотнителя 3 и каждого устройства 7 блокировки в канавке для того, чтобы эти элементы, а также вторые вырезы 13 расположились против первых вырезов 15 и лунок 16.
В этом положении имеется возможность пропустить блокировочный винт 8 через вырез 15 скобы 6 и вставить его резьбовую часть в резьбовую часть 9 устройства 7 блокировки. В процессе его завинчивания блокировочный винт 8 прежде всего погружается в канавку 5 вплоть до положения, в котором его вторая часть 8b будет упираться в поверхность 1 диска на уровне лунки 16. Затем давление, прикладываемое в результате завинчивания этого винта, стремится откорректировать позиционирование кольцевого уплотнителя 3 в результате подведения выпуклой формы второй части 8b блокировочного винта 8 точно против лунки 16. И наконец, поскольку конец этого винта располагается в упоре в лунку, дальнейшее завинчивание этого блокировочного винта вызывает перемещение устройства 7 блокировки в направлении удаления этого устройства от той поверхности, на которой располагается эта лунка 16. Крылья 7а и 7b устройства блокировки одновременно приводят в движение кольцевой уплотнитель 3, который эти крылья прижимают к кольцевому зажиму 6. В том случае, когда устройство 7 блокировки и его крылья входят в упор в кольцевой зажим 6, ее вращение блокируется, и это устройство создает давление прижатия кольцевого уплотнителя к этому кольцевому зажиму под действием момента сил затягивания, прикладываемого к блокировочному винту 8. Определение размерных параметров резьбовой части 10 на блокировочном винте 8 и резьбовой части 9 на устройстве 7 блокировки осуществляется таким образом, чтобы перемещение кольцевого уплотнителя было минимальным и чтобы функция герметизации между кольцевым уплотнителем 3 и диском 1, таким образом, не была нарушена.
Давление прижатия к кольцевому зажиму, приложенное к кольцевому уплотнителю 3, позволяет обеспечить удовлетворительное удержание последнего в предназначенном для него положении и исключает всякую возможность его вращения, что устраняет недостатки, встречающиеся в существующем уровне техники.
Отведение кольцевого уплотнителя 3 по отношению к поверхности диска 1 в процессе затягивания блокировочного винта 8 не приводит к неблагоприятным последствиям как с точки зрения герметизации контура охлаждения лопаток, так и с точки зрения блокировки лопаток в осевом направлении, поскольку этот кольцевой уплотнитель устанавливается с натягом, то есть прижимается к диску с некоторой его упругой деформацией. Кроме того, герметизация поддерживается даже при условии, что кольцевой уплотнитель немного отходит от диска, при помощи пластины герметизации, опирающейся с усилием в канавку диска.
Предлагаемое изобретение было описано здесь в варианте осуществления, характеризующимся установкой двух располагающихся диаметрально противоположным образом устройств блокировки. Хотя должно быть понятно, что это изобретение также вполне может быть реализовано и с другим, более значительным количеством используемых устройств блокировки, которые в этом случае предпочтительным, но не обязательным образом будут равномерно распределены на окружности диска 1 и кольцевого уплотнителя 3.
Выше был представлен вариант осуществления изобретения, и представляется очевидным, что данное изобретение включает в себя все возможные технические эквиваленты описанных здесь средств, а также их комбинации, при условии, что они не выходят за рамки настоящего изобретения.