Результат интеллектуальной деятельности: ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА С УПЛОТНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к лопатке ротора турбины, содержащей внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, расположенные по разные стороны оси этой лопатки, причем указанная лопатка также содержит наконечник, расположенный на ее периферической оконечности, обращенной к статору (вершине), и, по меньшей мере, один уплотнительный элемент, находящийся на этом наконечнике, причем указанный уплотнительный элемент расположен перпендикулярно внутренней и внешней поверхностям лопатки и содержит две оконечности, первая из которых находится со стороны внешней поверхности, а вторая - со стороны внутренней поверхности, причем указанная первая оконечность имеет большую высоту, чем указанная вторая оконечность, а между указанными первой и второй оконечностями расположена вершина указанного уплотнительного элемента.

Уровень техники

Производительность газотурбинных двигателей, используемых в авиации и других отраслях промышленности, постоянно растет. Например, производительность венца подвижных лопаток турбины или компрессора может быть увеличена путем улучшения уплотнения между ротором и статором в районе периферии лопаток при условии его адаптации к работе подвижных и неподвижных элементов.

В зависимости от условий работы двигателя наблюдались различные явления вибрационной нестабильности подвижных лопаток. В частности, вибрации могут возникать под воздействием аэродинамических потоков в районе вершин лопаток.

В общем случае между вершинами лопаток и соответствующим статором существует зазор. В процессе работы трение вершин лопаток о кожух, которое может привести к износу вершин лопаток и/или поверхности кожуха и неравномерным изменениям вышеупомянутого зазора, возникает по нескольким причинам. Во-первых, форма ротора и концентрически расположенного по отношению к нему кожуха отличается от идеально круглой. Во-вторых, колебания термического расширения ротора и кожуха могут быть различны. Наконец, механическое напряжение, действующее на подвижные части ротора или неподвижные части соответствующего статора, может вызывать механические деформации.

Известный способ уменьшения этого трения заключается в помещении на внутреннюю поверхность статора, со стороны подвижных лопаток, уплотнительных элементов, выполненных из «истираемых» материалов. Такая поверхность истираема, т.е. покрыта материалом, изнашиваемым или истираемым при прохождении лопаток вдоль поверхности до тех пор, пока поверхность не приобретет соответствующую форму.

Ближайшим аналогом изобретения является лопатка ротора турбины, описанная в документе ЕР 0287371 A, F 01 D 5/22; В 23 Р 6/00, 1988, фиг.1-3. Вершина известной лопатки (12) снабжена наконечником (17), расположенным на ее внешней периферической оконечности. Наконечник снабжен двумя уплотнительными элементами в виде выступов (18), которые взаимодействуют с истираемым уплотнением (13) на статоре. Эти выступы выполнены в виде профилированных элементов из абразивного материала и расположены перпендикулярно внутренней и внешней поверхностям лопатки. У каждого выступа имеются первая оконечность со стороны внешней поверхности лопатки и вторая оконечность со стороны ее внутренней поверхности, причем первая оконечность имеет большую высоту, чем вторая оконечность. Между названными оконечностями расположена наружная контактная поверхность (26) уплотнительного элемента. С целью предотвращения износа указанных выступов предусматривается образование из выступов на последовательно расположенных лопатках пилообразной структуры. Тем не менее, эти выступы в известной лопатке имеют прямолинейные оконечности, что приводит к возникновению значительного участка остаточной утечки.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании лопаток, содержащих уплотнительные элементы, позволяющие сократить этот участок остаточной утечки, а также повысить производительность турбины и, следовательно, сократить удельный расход топлива в двигателе.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается созданием уплотнительного элемента, имеющего наружную контактную поверхность выпуклой формы, расположенную между первой и второй оконечностями.

Благодаря выпуклой форме наружной контактной поверхности уплотнительного элемента пространство, остающееся между этой поверхностью и поверхностью кожуха, уменьшается.

В оптимальном варианте, упрощающем изготовление уплотнительных элементов, поперечное сечение указанной выпуклой поверхности имеет форму дуги окружности.

При этом ось указанной дуги окружности, проходящая через ее центр (О) и середину, отклонена от оси лопатки на некоторый угол, который отсчитывается от внутренней поверхности к внешней поверхности, а центр дуги окружности смещен относительно оси лопатки на некоторое расстояние, измеряемое в направлении, перпендикулярном оси лопатки.

Первая оконечность имеет большую высоту, чем вторая оконечность, что позволяет сохранить эффект образования пилообразной структуры между двумя последовательно расположенными лопатками. Вследствие этого, если две оконечности нужно соединить одну с другой единой криволинейной поверхностью, необходимо соответственно сориентировать кривизну дуги окружности.

В оптимальном варианте указанное расстояние должно быть не меньше половины расстояния между указанной первой оконечностью и указанной второй оконечностью.

В предпочтительном варианте для образования заднего угла уплотнительного элемента, позволяющего избежать его износа, следует сместить центр кривизны наружной контактной поверхности на полшага относительно оси лопатки.

Разница высот между указанной первой оконечностью и указанной второй оконечностью предпочтительно составляет не менее 0,2 мм.

Эта разница высот позволяет сохранить эффект образования между двумя последовательно расположенными лопатками пилообразной структуры.

В оптимальном варианте лопатка содержит два уплотнительных элемента, расположенных, по существу, параллельно и образующих лабиринт для воздуха, циркулирующего между лопатками и кожухом, что позволяет уменьшить вибрационную неустойчивость.

Краткое описание чертежей

Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений. На чертежах:

- на фиг.1 изображена в перспективе турбинная лопатка, содержащая два уплотнительных элемента,

- на фиг.2 - вид сверху на лопатку по фиг.1,

- на фиг.3 изображены в поперечном разрезе несколько лопаток, установленных на роторе, расположенном внутри кожуха,

- на фиг.4 упрощенно изображена лопатка, соприкасающаяся с кожухом.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена лопатка 2 газотурбинного двигателя, которая содержит на своей оконечности, обращенной к ротору, основание (хвостовик) 4 лопатки, а на периферической оконечности, обращенной к статору (вершине), - наконечник 6. В целях облегчения аксиального течения газов лопатка 2 вытянута вдоль оси Х-Х′ лопатки, перпендикулярной оси ротора, на котором установлена указанная лопатка 2, и выполнена с профилем, имеющим внутреннюю поверхность 8 и внешнюю поверхность 10. На наружной стороне наконечника 6 расположены два уплотнительных элемента 12 и 14.

Из фиг.1 и 2 видно, что уплотнительные элементы 12 и 14 расположены перпендикулярно внутренней поверхности 8 и внешней поверхности 10. Каждый из уплотнительных элементов 12 и 14 содержит первую оконечность 16 и 18 соответственно, расположенную со стороны внешней поверхности 10, и вторую оконечность 20 и 22 соответственно, расположенную со стороны внутренней поверхности 8.

На фиг.3 изображено несколько лопаток 2, установленных на роторе, не показанном на чертеже, помещенном внутрь статора 24, причем направление вращения этого ротора указано стрелкой F. Все лопатки содержат уплотнительные элементы 12 и 14. Уплотнительные элементы 12 и 14 расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси вращения ротора, и имеют угловую протяженность, равную угловому интервалу между лопатками, образуя, таким образом, лабиринт, расположенный вдоль внутренней стенки статора 24. На фиг.3 показаны только уплотнительные элементы 12.

Первая оконечность 16 имеет большую высоту, чем вторая оконечность 20, что создает пилообразную структуру из уплотнительного элемента 12 первой лопатки 2 и уплотнительного элемента 12 следующей лопатки 2. В предпочтительном варианте разница d высот выбирается равной 0,2 мм во избежание износа уплотнительного элемента 12.

На внутренней стенке статора 24 расположен истираемый материал, который в процессе работы позволяет статору истираться в соответствии с формой уплотнительных элементов 12 и 14, трущихся об этот статор. Таким образом, трение уменьшается по мере притирания поверхностей друг к другу, при этом сокращаются утечки.

Для уменьшения остаточных утечек между наружными контактными поверхностями 26 уплотнительных элементов 12 и 14 и статором 24 эти поверхности 26 выполнены выпуклыми наружу. Заштрихованные участки на фиг.3 демонстрируют уменьшение поверхности утечки по сравнению с известными решениями.

В частности, как показано на фиг.4, сечение поверхности 26 имеет форму дуги 28 окружности с центром О и радиусом R. Первая оконечность 16 уплотнительного элемента соединена с его второй оконечностью 20 наружной контактной поверхностью 26, причем образующая эту поверхность дуга 28 окружности наклонена, т.к. оконечности 16 и 20 имеют разную высоту. Таким образом, центр О 28 окружности смещен на расстояние L относительно центра Ω вращения лопаток, поскольку последние установлены на роторе 24. Расстояние L составляет не менее половины длины уплотнительного элемента, что соответствует полушагу, т.е. половине расстояния между двумя последовательно расположенными лопатками 2.

В результате указанного смещения ось х-х′ дуги 28 окружности, проходящая через ее центр О и через ее середину, наклонена на угол α, отсчитываемый от оси Х-Х′ в сторону внешней поверхности 10 (см. фиг.4). Направление отсчета угла α противоположно направлению вращения ротора 24, указанного стрелкой F. Радиус R дуги 28 окружности может быть равен радиусу кожуха или быть меньше него.