Направляющий сопловый аппарат турбины для газотурбинного двигателя, турбина газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель
Направляющий сопловый аппарат турбины газотурбинного двигателя содержит внутреннюю и внешнюю кольцевые платформы, соединенные радиальными лопатками. Внутренняя платформа содержит кольцевые элементы из истираемого материала, размещенные на образующих кольцо листовых секторах с сечением L, S или С-образной формы, установленных внутри внутренней платформы. Каждый из листовых секторов своей внешней периферией закреплен пайкой или сваркой на внутренней платформе, а внутренней периферией - на элементе из истираемого материала или на листовом кольце, закрепленном на элементе из истираемого материала. Внутренняя платформа соплового аппарата является цилиндрической перегородкой, разделенной на участки. Секторы внутренней платформы выполнены литьем и несут герметизирующие пластинки, приваренные или припаянные одним краем к сектору платформы, а другим краем находящиеся в скользящем контакте с соседним сектором платформы на уровне листовых секторов, несущих элементы из истираемого материала. Другие изобретения группы относятся к турбине газотурбинного двигателя, содержащей указанный выше направляющий сопловый аппарат, и к газотурбинному двигателю, содержащему такую турбину. Группа изобретений позволяет снизить вес и тепловую инерцию средств, удерживающих элементы из истираемого материала. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение касается направляющего соплового аппарата для газотурбинного двигателя, такого как авиационный турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель.
Турбина газотурбинного двигателя содержит несколько ступеней, каждая из которых содержит лопаточное колесо и направляющий сопловый аппарат. Каждое лопаточное колесо содержит диск, несущий по своей внешней периферии, по существу, радиальные лопатки, при этом диски различных колес коаксиально связаны между собой и с приводным валом ротора турбины соответствующими средствами.
Каждый направляющий сопловый аппарат содержит внутреннюю кольцевую платформу и наружную кольцевую платформу, между которыми, по существу, размещены радиальные лопатки. Наружная платформа содержит средства зацепления и крепления на внешнем картере турбины. Ее внутренняя кольцевая платформа несет кольцевые элементы из истираемого материала, предназначенные для взаимодействия с внешними кольцевыми пластинками роторного элемента для образования герметичного уплотнения лабиринтного типа. Это герметичное уплотнение позволяет управлять расходом воздуха, проходящим аксиально через кольцевое пространство между внутренней периферией направляющего соплового аппарата и ротором турбины.
В известном уровне техники элементы из истираемого материала размещены на кольцевом ободе, который связан с внутренней платформой направляющего соплового аппарата кольцевой перегородкой. Обод, кольцевая перегородка и внутренняя платформа направляющего соплового аппарата выполнены литьем в виде единой детали, имеющей относительно значительные толщины и, следовательно, относительно повышенную массу.
Этот известный уровень техники имеет другой значительный недостаток. Лопатки направляющего соплового аппарата при работе подвержены воздействию горячих газов, протекающих в потоке, проходящем через турбину. Температура газов в потоке относительно высока, обычно порядка 900°C, тогда как температура в зоне, заключенной между внутренней платформой и ротором, ниже и составляет, например, примерно 700°С. Толщина платформы и средств удержания истираемых элементов сообщает им значительную тепловую инерцию, которая, будучи скомбинированной с меньшей температурой, воздействию которой они подвергаются, противодействует термическому расширению лопаток направляющего соплового аппарата, которые подвергаются значительным механическим напряжениям. Вследствие этого появляются надрывы и трещины на этих лопатках, срок службы которых значительно уменьшается.
Уже предложено закреплять истираемые элементы на листе, который сам крепится с помощью средств типа болт/гайка или аналогичных им на внутренней радиальной реборде внутренней платформы. Однако эти средства крепления имеют довольно значительные аксиальные и радиальные габариты и их использование значительно повышает габаритные размеры и массу направляющего соплового аппарата.
Задачей изобретения является простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.
Для этого в изобретении предлагается направляющий сопловый аппарат турбины для газотурбинного двигателя, содержащий две кольцевые платформы, внутреннюю и внешнюю, связанные между собой, по существу, радиальными лопатками, при этом внутренняя платформа несет кольцевые элементы из истираемого материала, предназначенные для взаимодействия с тонкими кольцевыми пластинками ротора газотурбинного двигателя для образования герметичного уплотнения лабиринтного типа, отличающийся тем, что кольцевые элементы из истираемого материала размещены на образующих кольцо листовых секторах, по существу, L, S или С-ообразной формы, которые установлены радиально внутри внутренней платформы и каждый из которых прикреплен пайкой или сваркой по своей внешней периферии на внутренней платформе и по своей внутренней периферии на элементе из истираемого материала или на листе, закрепленном на элементе из истираемого материала.
Изобретение позволяет значительно уменьшить, с одной стороны, массу средств для удержания элементов из истираемого материала и, с другой стороны, толщину и тепловую инерцию этих средств по сравнению с известным уровнем техники.
Кроме того, эти листовые секторы простым образом закрепляются путем сварки или пайки непосредственно на внутренней платформе направляющего соплового аппарата без использования тяжелых и громоздких средств крепления типа болт/гайка. Лопатки направляющего соплового аппарата имеют, таким образом, больше свободы для теплового расширения при работе, что уменьшает напряжения и позволяет увеличить срок службы направляющего соплового аппарата.
Предпочтительно, листовые секторы содержат радиальную перегородку с цилиндрической перегородкой и закреплены своими внешними краями на внутренней платформе. Внешние периферии радиальных перегородок листовых секторов могут быть наложены и закреплены на внутреннем радиальном выступе платформы. Как вариант, листовые секторы содержат внешнюю цилиндрическую перегородку, примыкающую и закрепленную на внутренней поверхности внутренней платформы.
Элементы из истираемого материала могут быть закреплены на внутренних поверхностях цилиндрических перегородок, примыкающих и закрепленных на внутренней поверхности цилиндрических перегородок листовых секторов, или, в случае необходимости, на секторах второго, по существу, цилиндрического листа, которые размещены и закреплены на внутренних поверхностях цилиндрических перегородок секторов первого листа.
Предпочтительно, листовые секторы содержат перегородки, простирающиеся к соседним роторным дискам таким образом, чтобы ограничить проход горячих газов в радиальном направлении от потока турбины радиально внутрь в кольцевые пространства размещения лабиринтных уплотнений. Перегородки листовых секторов образованы, например, кольцевыми листами, закрепленными пайкой или сваркой на листовых секторах.
Внутренняя платформа направляющего соплового аппарата образована, предпочтительно, секторальной цилиндрической перегородкой, при этом секторы этой платформы выполнены литьем и несут уплотняющие пластинки, которые приварены или приварены одним краем к сектору платформы и которые другим краем находятся в скользящем контакте с соседним сектором платформы в области листовых секторов, несущих элементы из истираемого материала.
Изобретение касается также турбины газотурбинного двигателя, отличающейся тем, что она содержит направляющий сопловый аппарат упомянутого выше типа, и газотурбинного двигателя, такого как авиационный турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, отличающегося тем, что он содержит турбину, снабженную, по меньшей мере, описанным выше направляющим сопловым аппаратом.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает в аксиальном разрезе схематичный вид половины турбины низкого давления газотурбинного двигателя, содержащей направляющие сопловые аппараты из известного уровня техники,
фиг.2 изображает частичный схематичный вид половины турбины низкого давления, снабженной направляющими сопловыми аппаратами по изобретению, и
фиг.3 изображает вид, соответствующий фиг.2 и представляющий варианты осуществления изобретения.
Фиг.1 схематично изображает в разрезе половину турбины 10 низкого давления газотурбинного двигателя по плоскости, проходящей через ось вращения ротора турбины.
Ротор турбины содержит четыре диска 12, 14, 16, 18, коаксиально соединенных между собой кольцевыми фланцами 20 и несущими кольцевые ряды подвижных лопаток 22, которые установлены на лопаточных ножках, например, в виде ласточкина хвоста или подобного ему, которые радиально вставлены по внутренней периферии дисков 12, 14, 16, 18. Ротор связан с валом турбины посредством конического хвостовика 24, закрепленного с помощью кольцевого фланца 26 между кольцевыми фланцами 20 дисков 14 и 16.
Кольцевые фланцы 28 для аксиального удержания подвижных лопаток на дисках установлены, кроме того, между дисками 12, 14, 16, 18, каждый из которых содержит радиальную перегородку 30, аксиально сжатую между кольцевыми фланцами 20 двух соседних дисков.
Между рядами подвижных лопаток 22 размещены направляющие сопловые аппараты, каждый из которых содержит две кольцевые платформы 32, 34, соответственно внутреннюю и внешнюю, связанные между собой кольцевым рядом неподвижных лопаток 36. Внешние платформы 34 направляющих сопловых аппаратов соединены соответствующими средствами с картером 38 турбины низкого давления. Внутренние платформы 32 направляющих сопловых аппаратов содержат каждая радиальную перегородку 40, которая простирается внутрь от внутренней поверхности платформы и которая связана по своей внутренней периферии с цилиндрическим опорным ободом 42 кольцевых элементов 44 из истираемых материалов.
Эти истираемые элементы 44 размещены радиально снаружи и напротив внешних пластинок 46, размещенных на фланцах 28. Пластинки 46 предназначены для взаимодействия путем трения с элементами 44 таким образом, чтобы образовать лабиринтные уплотнения и ограничить проход воздуха в аксиальном направлении через эти уплотнения.
Цилиндрический обод 42 содержит на входе и на выходе кольцевые перегородки 48, которые простираются, по существу, аксиально со стороны, противолежащей радиальной перегородке 40 внутренней платформы 32 направляющего соплового аппарата. Входные и выходные, по существу, цилиндрические выступы 50 образованы выступающими на ножках подвижных лопаток 22 и, благодаря зигзагообразным препятствиям, они взаимодействуют с этими кольцевыми ребордами 48 и с входным и выходным краями внутренних платформ 32 для ограничения прохода горячих газов потока турбины радиально внутрь в области лабиринтных уплотнений.
Обод 42 и радиальная перегородка 40 каждого направляющего соплового аппарата выполнены литьем в виде единой детали с внутренней платформой 32 этого направляющего соплового аппарата, что приводит к описанным выше многочисленным недостаткам.
Изобретение позволяет решить, по меньшей мере частично, эти проблемы путем крепления истираемых элементов 44 к платформе 32 направляющего соплового аппарата с помощью листовых кольцевых секторов, причем эти листовые секторы припаяны или приварены к истираемым элементам и внутренней платформе направляющего соплового аппарата.
В примере выполнения по фиг.2 турбина содержит три направляющих сопловых аппарата А, В, С, каждый из которых снабжен листовыми секторами особого типа.
Внутренняя платформа 32 входного направляющего соплового аппарата А содержит радиальный выступ 40', который простирается внутрь от внутренней поверхности платформы. Этот радиальный выступ 40' в радиальном направлении имеет толщину и размер, определенно меньшие этих величин радиальной перегородки 40 по фиг. 1.
Листовые удерживающие секторы 52 истираемых элементов 44 имеют в данном случае сечение, по существу, L-образной формы и каждый из которых содержит радиальную перегородку 54, которая связана по своей внутренней периферии с выходным краем цилиндрической перегородки, входной край которой связан с внешней радиальной перегородкой 58. Внешняя перегородка радиальной перегородки 52 наложена и закреплена сваркой или пайкой на выходной стороне радиальной нервюры 40' направляющего соплового аппарата А. Истираемые элементы 44 закреплены пайкой или сваркой на внутренних поверхностях цилиндрических перегородок 56 листовых секторов. Перегородки 58 листовых секторов простираются наружу до небольшого радиального расстояния до выходного выступа 50 роторного диска 12, размещенного на входе направляющего соплового аппарата А.
Листовое кольцо 60 сечением L-образной формы размещено на выходе листовых секторов 52 и содержит радиальную входную часть, наложенную и закрепленную сваркой или пайкой на выходной стороне радиальных перегородок 54 листовых секторов 52, и цилиндрическую часть, которая простирается к выходу радиально внутрь или на небольшое радиальное расстояние от входного выступа 50 роторного диска 14, размещенного непосредственно на выходе направляющего соплового аппарата А.
Выходной выступ диска 12 и входной выступ диска 14 взаимодействуют вследствие зигзагообразного расположения соответственно с входным краем платформы 32 направляющего соплового аппарата А и внешними ребордами 58 листовых секторов 52, и с выходным краем платформы 32 и цилиндрической частью листового кольца 60 для ограничения прохода горячих газов в радиальном направлении из потока турбины в кольцевое пространство размещения лабиринтного уплотнения.
Средства удержания истираемых элементов 44 промежуточного направляющего соплового аппарата В содержат образующие кольцо листовые секторы 52', которые подобны листовым секторам 52 направляющего соплового аппарата А, при этом радиальная перегородка 54' каждого листового сектора связана, кроме того, по своей внешней периферии с цилиндрической перегородкой 62, ориентированной к выходу и наложенной и закрепленной сваркой или пайкой к внутренней поверхности внутренней платформы 32. Эта платформа 32 не содержит радиальной перегородки 40 или радиального выступа 40'. Листовые секторы 52' имеют сечение, по существу, S-образной формы.
Листовое кольцо 64 с сечением, по существу, U-образной формы закреплено, кроме того, пайкой или сваркой на листовых секторах 52' и истираемых элементах 44. Это листовое кольцо 64 содержит входную кольцевую лапку, которая радиально простирается наружу и которая наложена и закреплена на выходной поверхности радиальных перегородок 54' листовых секторов 52'. Средняя, по существу, цилиндрическая часть листового кольца 64 закреплена на истираемом элементе. Выходная кольцевая лапка листа 52' выполнена в форме усеченного конуса в сторону выхода и наружу, при этом ее выходной конец размещен радиально внутрь и на небольшом радиальном расстоянии от входного выступа 50 диска 16.
Выступы 50 дисков 14, 16 взаимодействуют вследствие зигзагообразного расположения с входными и выходными краями платформы 32 направляющего соплового аппарата В, входными перегородками 58' листовых секторов 52' и выходной лапкой кольца 64, как описано выше.
Удерживающие средства выходного направляющего соплового аппарата С содержат листовые образующие кольцо секторы 66 с сечением, по существу С- или U-образной формы, отверстие которого ориентировано аксиально ко входу. Каждый листовой сектор 66 содержит радиально внешнюю цилиндрическую перегородку 68, которая наложена и закреплена сваркой или пайкой на внутренней поверхности платформы 32, которая идентична платформе направляющего соплового аппарата В. Выходной край этой перегородки 68 связан с внешней периферией изогнутой кольцевой перегородки 70, которая простирается в сторону выхода внутренней цилиндрической перегородки 72. Элементы 44 из истираемого материала закреплены на внутренних поверхностях этих цилиндрических перегородок 72. Крайняя выходная часть кольцевой перегородки 70 размещена радиально внутри и вблизи входного выступа 50 диска 18 для уменьшения утечек воздуха между перегородкой 70 и выступом 50.
Листовое кольцо 74 с сечением, по существу, L-образной формы закреплено сваркой или пайкой выходным концом на внешних поверхностях цилиндрических перегородок 72 листовых секторов. Внешняя входная часть этого кольца 74 простирается радиально наружу до размещения вблизи выходного выступа 50 направляющего соплового аппарата В. Этот выступ 50 взаимодействует вследствие эффекта зигзагообразного расположения с передним краем платформы 32 направляющего соплового аппарата С и листового кольца 74.
Направляющий сопловый аппарат С не содержит листовых колец на выходе листовых секторов 66, предназначенных для взаимодействия с входными выступами диска, размещенного на выходе, как в случае с направляющими сопловыми аппаратами А и В с кольцами 60 и 64 соответственно. Напротив, геометрия листовых секторов 66 направляющего соплового аппарата адаптирована для того, чтобы они вследствие эффекта зигзагообразного расположения взаимодействовали непосредственно с входным выступом 50 диска 18 для того, чтобы ограничить утечки воздуха.
Средства, удерживающие истираемые элементы 44, изображенные на фиг.2, предназначены для замены удерживающих средств из известного уровня техники (фиг.1), то есть удерживающие средства по изобретению благодаря их геометрии и их конфигурации адаптированы к конструкции турбины по фиг.1 для установки на место взамен существующих удерживающих средств. Такая замена может быть осуществлена в процессе операции технического обслуживания турбины.
В вариантах воплощения, представленных на фиг.3, вследствие небольших габаритных размеров в аксиальном и радиальном направлениях средств, удерживающих истираемые элементы по изобретению, ротор турбины был сконструирован так, чтобы уменьшить радиальные размеры турбины, а также уменьшить массу этой турбины. Крепежные фланцы 120 дисков были, в частности, перестроены и перекомпанованы для того, чтобы пластинки 46 фланцев 28 были приближены к внутренней периферии рядов подвижных лопаток 122.
Листовые секторы, удерживающие истирающие элементы по фиг.3, имеют, таким образом, в радиальном направлении размеры, меньшие размеров листовых секторов по фиг.2.
Платформа 132 направляющего соплового аппарата D подобна такой же платформе направляющего соплового аппарата А по фиг.2. Листовые секторы 152 этого направляющего соплового аппарата имеют сечение L-образной формы, при этом радиальная перегородка 154 каждого из этих секторов закреплена пайкой или сваркой по своей внешней периферии на выходной стороне внутренней радиальной нервюры 140' платформы 132 направляющего соплового аппарата. Цилиндрические перегородки 156 их листовых секторов размещены в сторону входа от внутренней периферии радиальных перегородок 154, и их внутренние поверхности наложены и закреплены пайкой или сваркой на внешней поверхности другой, по существу, листовой цилиндрической поверхности 180. Эта другая листовая поверхность 180 простирается в радиально-аксиальном направлении внутрь и на небольшое радиальное расстояние от входных и выходных выступов дисков 112, 114 соответственно для взаимодействия с этими выступами вследствие эффекта зигзагообразного расположения. Элементы 144 из истираемого материала закреплены на внутренней поверхности этого листового кольца 180.
Промежуточный направляющий сопловый аппарат Е турбины содержит образующие кольцо листовые секторы 166 с сечением, по существу, С-образной формы, внешние цилиндрические перегородки которых 168 закреплены пайкой или сваркой на внутренней поверхности платформы 132 направляющего соплового аппарата С. Внутренние цилиндрические перегородки 172 листовых секторов 166 простираются своими входными краями радиально внутрь и на небольшое радиальное расстояние от выходного выступа диска 114. Эти цилиндрические перегородки 172 не связаны с внешней радиальной перегородкой или с дополнительным листовым кольцом, предназначенным для взаимодействия с выходным выступом 150 диска 114.
Листовое кольцо 160, по существу, L-образной формы закреплено своим входным краем на выходных сторонах радиальных перегородок 170 листовых секторов 166 и простирается к выходу радиально внутрь и на небольшое расстояние от входного выступа 150 диска 116.
Средства, удерживающие истираемые элементы 144 выходного направляющего соплового расстояния F, содержат листовые секторы 166', подобные секторам направляющего соплового аппарата С по фиг. 2, при этом эти удерживающие средства снабжены листовым кольцом 74. Каждый листовой сектор 166' содержит кольцевую перегородку 170', связанную по своей внешней периферии с цилиндрической перегородкой 168', закрепленной на платформе 132, и по своей внутренней периферии - с цилиндрической перегородкой 172', несущей элементы 144 из истираемого материала, причем этот листовой сектор 166' соответствует листовому сектору 66 по фиг.2 после уплощения или уменьшения его радиального размера и простирается почти до выступа 150 для уменьшения утечек воздуха.
Платформы 32, 132 направляющих сопловых аппаратов образованы каждая секторальной цилиндрической перегородкой, содержащей несколько секторов, размещенных по окружности край в край один за другим. Листовые кольца 60, 64, 74, 180 и 160 также являются секторальными. Секторы внутренних платформ 32, 132 и листовые кольца 52, 52', 66, 152, 166, 166' и 60, 64, 74, 180, 160 имеют, по существу, идентичные окружные размеры и выровнены одни относительно других в радиальном направлении.
Герметичность между секторами платформ обеспечивается с помощью пластинок, которые пайкой или сваркой закреплены одним краем на секторе платформы и которые находятся в скользящем контакте на секторе соседней платформы. Эти пластинки схематично изображены пунктирными линиями 182, 182' на фиг.3.
Герметизирующие пластинки 182 с сечением, по существу, С-образной формы размещены радиально внутри платформы 132 направляющего соплового аппарата Е на входе листовых секторов 166'. Каждая пластинка закреплена радиально внешними краями на внутренней поверхности платформы и установлена с возможностью скольжения в окружном направлении по внутренней поверхности соседней платформы. Эти пластинки 182 выполнены с возможностью охвата с небольшим люфтом формы листовых секторов 166 в области зазоров между двумя соседними листовыми секторами для ограничения прохода газа через эти зазоры.
Герметизирующие пластинки 182' размещены на входе и выходе листовых секторов 166' направляющего соплового аппарата F, причем их радиально внешние края закреплены на платформе 132 направляющего соплового аппарата, как описано выше. Эти герметизирующие пластинки расположены также в области межсекторных зазоров листовых секторов 166' для ограничения прохода газа между этими секторами.
Все листовые секторы 52, 52', 70, 152, 166, 166' могут быть перекрыты на входе и/или на выходе такими герметизирующими пластинками, которые закреплены своими радиально внешними краями на внутренних платформах направляющих сопловых аппаратов.
1. Направляющий сопловый аппарат турбины для газотурбинного двигателя, содержащий две кольцевые платформы, соответственно внутреннюю (32) и внешнюю (34), соединенные, по существу, радиальными лопатками, причем внутренняя платформа (32) содержит кольцевые элементы (44) из истираемого материала, предназначенные для взаимодействия с кольцевыми пластинками (46) ротора газотурбинного двигателя для образования уплотнения лабиринтного типа, в котором кольцевые элементы из истираемого материала размещены на образующих кольцо листовых секторах с сечением L, S или С-образной формы, которые установлены радиально внутри внутренней платформы (32) и каждый из которых своей внешней периферией закреплен пайкой или сваркой на внутренней платформе, а внутренней периферией - на элементе из истираемого материала или на листовом кольце, закрепленном на элементе из истираемого материала, причем его внутренняя платформа (32, 132) является цилиндрической перегородкой, разделенной на участки, при этом секторы платформы выполнены литьем и несут герметизирующие пластинки (182, 182'), которые приварены или припаяны одним краем к сектору платформы и которые другим краем находятся в скользящем контакте с соседним сектором платформы на уровне листовых секторов (52, 52', 66, 152, 166, 166'), несущих элементы из истираемого материала.
2. Направляющий сопловый аппарат по п.1, отличающийся тем, что листовые секторы (52, 52', 66, 152, 166, 166') содержат радиальную перегородку с цилиндрической перегородкой и закреплены их периферийным внешним краем к внутренней платформе (32).
3. Направляющий сопловый аппарат по п.2, отличающийся тем, что внешние периферии радиальных перегородок листовых секторов наложены и закреплены на внутреннем радиальном выступе (40', 140') платформы (32, 132).
4. Направляющий сопловый аппарат по п.2, отличающийся тем, что листовые секторы содержат периферийную внешнюю цилиндрическую перегородку (62, 68, 168, 168'), размещенную и закрепленную на внутренней поверхности внутренней платформы (32, 132).
5. Направляющий сопловый аппарат по п.2, отличающийся тем, что элементы (44) из истираемого материала закреплены на внутренних поверхностях цилиндрических перегородок (56, 56', 72, 172, 172') листовых секторов.
6. Направляющий сопловый аппарат по п.2, отличающийся тем, что листовые секторы (52, 52', 66, 152, 166, 166') содержат перегородки, простирающиеся к соседним роторным дискам (12, 14, 16, 18), для противодействия поступления горячих газов к ротору.
7. Направляющий сопловый аппарат по п.6, отличающийся тем, что перегородки листовых секторов образованы листовыми кольцами (60, 64, 74, 160), закрепленными пайкой или сваркой на листовых секторах (52, 52', 66, 166).
8. Турбина для газотурбинного двигателя, содержащая по меньшей мере один направляющий сопловый аппарат по одному из предыдущих пунктов.
9. Газотурбинный двигатель, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащий турбину, снабженную по меньшей мере одним направляющим сопловым аппаратом по одному из пп.1-7.
