Результат интеллектуальной деятельности: Узел уплотнения газовой турбины

Изобретение относится к авиадвигателестроению и может быть использовано в конструкциях узла уплотнения турбин авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установках наземного применения.

Из уровня техники известен узел уплотнения газовой турбины, содержащий кольцевой корпус с закрепленными в нем надроторными вставками, изготовленными из керамического композиционного материала (см. патент GB 2390402 В, МПК F01D 11/08, 23.11.2005). С внутренней стороны надроторной вставки нанесен слой керамического покрытия. Надроторная вставка выполнена с двумя кольцевыми выступами на внешней поверхности обода, расположенными по разные стороны от ее серединной линии и формирующими между собой на ободе полость надроторной вставки. Между кольцевым корпусом и надроторными вставками расположена упругая пружина пластинчатого типа.

Недостатками предложенной конструкции узла уплотнения газовой турбины являются его низкая эксплуатационная надежность, из-за недостаточной фиксации вставок в окружном и осевом направлениях, значительных нагрузках на внешние выступы вставки, вероятность отслаивания или полного истирания керамического покрытия с внутренней стороны вставки и отсутствие системы охлаждения деталей узла уплотнения.

Известен выбранный в качестве прототипа узел уплотнения газовой турбины, содержащий кольцевой корпус с установленной в нем надроторной вставкой, выполненной состоящей из сегментов (см. патент US 4676715 А, МПК F01D 11/12, F01D 25/24, 30.06.1987). Сегменты надроторной вставки закреплены на кольцевом корпусе. Сегменты надроторной вставки выполнены из керамического материала. Над сегментами надроторной вставки расположен составной экран и пружина, расположенная между составным экраном и кольцевым корпусом. Составной экран установлен с возможностью перекрытия зазоров между сегментами надроторной вставки. В зазорах между сегментами установлены уплотнительные элементы.

Недостатками данного узла уплотнения газовой турбины являются недостаточная фиксация керамических сегментов в окружном и осевом направлениях, сложность изготовления кольцевого элемента с опорными пальцами как единой детали, низкая ремонтопригодность из-за сложного сборки конструкции, несовершенная система охлаждения. Опорные пальцы и отверстия для подачи охлаждающего воздуха во внутреннюю полость расположены вблизи горячей проточной части, что негативно сказывается на механической прочности нагруженных деталей узла уплотнения.

Задачей изобретения является обеспечение высокой эксплуатационной надежности узла уплотнения газовой турбины с керамическими композиционными или керамическими вставками за счет надежной фиксации сегментов надроторной вставки на кольцевом корпусе, а также повышения эффективности охлаждения узла уплотнения.

Поставленная задача решается тем, что узел уплотнения газовой турбины содержит кольцевой корпус с установленной на нем кольцевой крышкой с отверстиями, расположенную между ними надроторную вставку, выполненную сегментарно, составной экран, расположенный над сегментами надроторной вставки, и пружину, расположенную между составным экраном и кольцевым корпусом, при этом составной экран установлен с возможностью перекрытия зазоров между сегментами надроторной вставки и образует с кольцевым корпусом полость, а в зазорах между сегментами надроторной вставки установлены уплотнительные элементы. При этом узел уплотнения снабжен штифтом с каналом для подвода охлаждающего воздуха, установленным на кольцевом корпусе, кольцевым пазом, выполненным на внутренней поверхности кольцевого корпуса, при этом составной экран снабжен по меньшей мере двумя упорными ребрами со сквозными каналами для охлаждающего воздуха и выступом, составной экран выполнен в виде составного цилиндра с кольцевым фланцем, установленным в кольцевом пазу кольцевого корпуса, упорные ребра расположены на внутренней поверхности составного экрана параллельно друг другу в окружном направлении, а выступ выполнен на внутренней поверхности составного экрана в осевом направлении и заключен между сегментами надроторной вставки, при этом пружина выполнена пластинчатой и жестко прикреплена средней частью к кольцевому корпусу.

Кроме того, сегменты надроторной вставки выполнены из керамического материала или сегменты надроторной вставки выполнены из керамического композиционного материала.

При этом количество сегментов составного экрана равно количеству сегментов надроторной вставки.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами:

Фиг. 1 - узел уплотнения турбины, общий вид;

Фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;

Фиг. 3 - составной экран, общий вид;

Фиг. 4 - схема охлаждения узла уплотнения газовой турбины.

Узел уплотнения газовой турбины содержит кольцевой корпус 1 (фиг. 1), закрепленный на статоре турбины (не показан на чертежах), с установленной на нем кольцевой крышкой 2, с выполненными в ней отверстиями 3 для выхода охлаждающего воздуха. Кольцевая крышка 2 зафиксирована относительно кольцевого корпуса 1 штифтами 4.

Узел уплотнения крепится к корпусу статора турбины при помощи кольцевого выступа 5, расположенного в верхней части кольцевого корпуса 1 и штифта 6, предназначенного для подвода охлаждающего воздуха в узел уплотнения. Штифт 6 установлен в отверстии, выполненном в верхней части кольцевого корпуса 1. Внутри штифта 6 выполнен канал для подвода охлаждающего воздуха. На внутренней поверхности кольцевого корпуса 1 выполнен кольцевой паз 7.

Между кольцевым корпусом 1 и кольцевой крышкой 2 зафиксирована надроторная вставка 8, выполненная сегментарно, из керамического композиционного или керамического материала. Сегменты 9 надроторной вставки 8 образуют кольцо, вокруг лопаток ротора турбины (фиг. 2).

В зазорах 10 между сегментами 9 надроторной вставки 8 установлены уплотнительные элементы 11. Они расположены в вырезах 12 выполненных на торцах сегментов 9 надроторной вставки 8. Уплотнительные элементы 11 выполнены из жаропрочного материала, и препятствуют чрезмерному нагреву элементов узла уплотнения от газового потока, а также перетеканию газа из зоны высокого давления в зону низкого, минуя рабочие лопатки турбины.

Сегменты 9 надроторной вставки 8 зафиксированы в радиальном направлении пластинчатыми пружинами 13, установленными на кольцевом корпусе 1. Пластинчатая пружина средней частью жестко прикреплена к кольцевому корпусу 1 штифтом 14. Наличие пластинчатых пружин 13, поджимающих сегменты 9 надроторной вставки 8 в радиальном направлении, позволяют поддерживать постоянным радиальный зазор между надроторной вставкой 8 и рабочими лопатками.

С наружной стороны над сегментами 9 надроторной вставки 8 расположен составной экран 15 (фиг. 3). Он установлен с возможностью перекрытия зазоров между сегментами, для предотвращения утечек охлаждающего воздуха в проточную часть турбины. Между кольцевым корпусом 1 и составным экраном образована полость 16. Между составным экраном и сегментом надроторной вставки образована полость 17. Составной экран 15 представляет собой сегментированное уплотнительное кольцо. С одного торца составного экрана 15 выполнен кольцевой фланец 18. Внешняя часть 19 кольцевого фланца 18 расположена в кольцевом пазу 7, выполненном на внутренней поверхности кольцевого корпуса 1. Сегменты 20 составного экрана 15 установлены относительно сегментов 9 надроторной вставки 8 в «шахматном порядке», при этом количество сегментов 20 составного экрана равно количеству сегментов 9 надроторной вставки 8.

В составном экране 14 выполнены отверстия 21 для подвода охлаждающего воздуха.

Кроме того, вдоль внутренней поверхности составного экрана 15 в окружном направлении параллельно расположены по меньшей мере два упорных ребра 22, с выполненными на них сквозными каналами 23 для охлаждающего воздуха, а на внутренней поверхности составного экрана в осевом направлении выполнен выступ 24. Выступ 24 расположен между сегментами надроторной вставки, с возможностью их фиксации. Кроме того, он не позволяет горячему воздуху протекать в полость 16.

Сегменты 9 надроторной вставки 10 выполнены с ответным контуром, повторяющим стыковочную поверхность упорных ребер 22 и выступа 24, выполненного на внутренней поверхности составного экрана 15.

Сегменты 9 надроторной вставки 8 также зафиксированы на кольцевом корпусе 1 трапециевидным замковым соединением. Фиксация вставки при помощи замка аналогично «ласточкиному хвосту» позволяет компенсировать разность коэффициентов термического расширения керамической композиционной или керамической надроторной вставки 8 и металлических деталей 1 и 2, тем самым уменьшая напряжения вставок.

Данное конструктивное решение позволяет закрепить керамические композиционные или керамические истираемые надроторные вставки без появления критических температурных напряжений в самой вставке.

Устройство работает следующим образом. При работе турбины охлаждающий воздух подается из компрессора через штифты 6 (фиг. 4). Через отверстия в штифтах 6 воздух равномерно поступает в полость 16 между стенками кольцевого корпуса 1 и составным экраном 15. Через отверстия 21, выполненные в составном экране 15, воздух попадает в полость 17 между надроторной вставкой 8 и составным экраном 15, охлаждая ее и снижая нагрев пластинчатой пружины 13. Составной экран 15 предотвращает утечки охлаждающего воздуха в проточную часть, а также герметизирует полость 15, 16 от горячего воздуха.

Затем через сквозные каналы 23 составного экрана 15 воздух проходит в полость 17, охлаждая нагретые поверхности сегментов 9 надроторной вставки 8. Охлаждающий воздух выходит в проточную часть газовой турбины через отверстия 3 в кольцевой крышке 2. Таким образом, обеспечивается постоянное течение воздуха через полости 16 и 17, что увеличивает эффективность теплообмена.