УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ЛЕНТА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТУРБОМАШИНЕ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение, в общем, относится к уплотнениям для многоступенчатых турбомашин и, более конкретно, к оптимизированному отражательному уплотнению, обеспеченному между смежными дисками в многоступенчатой турбомашине.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В различных многоступенчатых турбомашинах, используемых для преобразования энергии, таких как турбины, текучая среда используется для создания вращательного движения. В газовой турбине, например, газ сжимается посредством последовательных ступеней в компрессоре и смешивается с топливом в камере сгорания. Затем смесь газа и топлива воспламеняется для образования продуктов сгорания, которые направляются к ступеням турбины, чтобы создать вращательное движение. Ступени турбины и ступени компрессора обычно имеют неподвижные или не вращающиеся компоненты, например лопаточные конструкции, которые взаимодействуют с выполненными с возможностью вращения компонентами, например лопастями ротора, для сжатия и расширения рабочих газов.

Лопасти ротора обычно установлены на диски, которые поддерживаются для вращения на вале ротора. Кольцевые рычаги продолжаются из противоположных участков смежных дисков, чтобы образовать пару кольцевых рычагов. Полость для охлаждающего воздуха образована на внутренней стороне пары кольцевых рычагов между дисками взаимно-смежных ступеней, и лабиринтное уплотнение может быть обеспечено на внутренней периферической поверхности неподвижных конструкций лопаток для взаимодействия с кольцевыми рычагами, чтобы обеспечить газовое уплотнение между каналом для горячих продуктов сгорания и полостью для охлаждающего воздуха. Парные кольцевые рычаги, продолжающиеся из противоположных участков смежных дисков, образуют противоположные торцевые поверхности, расположенные отстоящими друг от друга. Обычно противоположные торцевые поверхности могут быть снабжены пазом для приема уплотнительной ленты, называемой «отражательным уплотнением» или «хомутовым уплотнением», которая заполняет зазор между торцевыми поверхностями, чтобы предотвратить утечку охлаждающего воздуха, протекающего через полость для охлаждающего воздуха, в канал для горячих продуктов сгорания. Уплотнительная лента может быть выполнена из множества сегментов в круговом направлении, которые обычно соединены по уплотнительному соединению, такому как соединение внахлест между концами, чтобы предотвратить прохождение газов через соединение.

В уровне техники известна (см. US 6315301 В1, МПК F16J 15/16, 2001) уплотнительная лента в турбомашине, имеющей множество ступеней, причем каждая ступень содержит выполненный с возможностью вращения диск и лопасти, расположенные на нем, причем по меньшей мере одна пара смежных выполненных с возможностью вращения дисков образует кольцевой зазор между ними и имеет соответствующие противоположные пазы для приема уплотнительной лепты, соответствующие кольцевому зазору, причем уплотнительная лента содержит множество уплотнительных полос, расположенных последовательно и смежно друг с другом, причем смежные уплотнительные полосы включают в себя противоположные торцевые поверхности, расположенные смежно друг с другом, причем каждая уплотнительная полоса включает в себя противоположные обращенные радиально наружу и внутрь поверхности уплотнительной полосы; и перекрывающийся участок прикреплен смежно с концом по меньшей мере одной уплотнительной полосы и продолжается за торцевую поверхность смежной уплотнительной полосы, вдоль обращенной радиально поверхности упомянутой смежной уплотнительной полосы; и упомянутый перекрывающийся участок содержит противоположные обращенные радиально наружу и внутрь поверхности.

Известное уплотняющее соединение, как и другие известные в уровне техники решения, характеризуется тем, что такое соединение внахлест обеспечено в соединении между сегментами уплотнительной ленты. Соответственно, уменьшенная толщина материала, обеспеченная в соединениях внахлест, то есть где концы сегментов уменьшены до около половины толщины уплотнительной ленты, является потенциально конструктивно слабым местом на уплотнительной ленте. Более тонкий материал сегментов уплотнительной ленты в месте нахлеста может быть подвержен излому, который может образовывать брешь в уплотнении, приводя к утечке охлаждающего воздуха через хомутовую ленту.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является оптимизация уплотнения и обеспечение долговечности соединения между уплотнительными полосами.

В соответствии с одним аспектом изобретения, уплотнительная лента обеспечена для использования в турбомашине, имеющей множество ступеней, причем каждая ступень содержит выполненный с возможностью вращения диск и лопасти, расположенные на нем. По меньшей мере одна пара смежных выполненных с возможностью вращения дисков образует кольцевой зазор между ними и имеет соответствующие противоположные пазы для приема уплотнительной ленты, соответствующие кольцевому зазору. Уплотнительная лента содержит множество уплотнительных полос, расположенных последовательно смежно друг с другом, и смежные уплотнительные полосы включают в себя противоположные торцевые поверхности, расположенные обращенными смежно друг с другом. Перекрывающийся участок прикреплен смежно с концом по меньшей мере одной уплотнительной полосы и продолжается за торцевую поверхность смежной уплотнительной полосы, вдоль обращенной радиально стороны смежной уплотнительной полосы, при этом перекрывающийся участок имеет ширину, продолжающуюся поперек зазора, которая меньше ширины по меньшей мере одной уплотнительной полосы, причем по меньшей мере одна уплотнительная полоса может иметь ширину, превышающую кольцевой зазор, и перекрывающийся участок может иметь ширину, не превышающую кольцевой зазор.

Перекрывающийся участок может иметь ширину меньше кольцевого зазора.

Перекрывающийся участок может быть прикреплен упирающимся в торцевую поверхность по меньшей мере одной уплотнительной полосы.

Перекрывающийся участок может продолжаться радиально от обращенной радиально стороны по меньшей мере одной уплотнительной ленты.

Обращенная радиально сторона как по меньшей мере одной уплотнительной полосы, так и смежной уплотнительной полосы может быть обращена радиально внутрь по меньшей мере одной пары смежных выполненных с возможностью вращения дисков.

Перекрывающийся участок может продолжаться радиально за пазы для приема уплотнительной ленты.

Смежные диски могут включать в себя противоположные торцевые поверхности дисков, образующие кольцевой зазор между ними, и перекрывающийся участок может включать в себя противоположные стороны, продолжающиеся смежно и параллельно противоположным торцевым поверхностям дисков.

Благодаря предложенному изобретению обеспечивается долговечность соединения между уплотнительными полосами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Несмотря на то что описание завершается формулой изобретения, особенно отмечающей и ясно заявляющей настоящее изобретение, считается, что настоящее изобретение будет лучше понятно из следующего описания совместно с сопровождающими чертежами, на которых аналогичные ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы и на которых:

фиг.1 - схематичный вид в сечении участка газотурбинного двигателя, включающего в себя узел уплотнительной полосы в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - разобранный вид в перспективе, изображающий аспекты настоящего изобретения;

фиг.3 - вид сверху пары уплотнительных полос, собранных продолжающимися между рычагами смежных дисков, причем перекрывающийся участок образует уплотнение между торцевыми поверхностями уплотнительных полос;

фиг.4 - вид в сечении по линии 4-4 на фиг.3;

фиг.5A - вид сверху, изображающий перекрывающийся участок на уплотнительной полосе перед перемещением в перекрытие со смежной уплотнительной полосой;

фиг.5B - вид сбоку, изображающий перекрывающийся участок в собранном положении, образующий уплотнение между смежными уплотнительными полосами; и

фиг.6 - вид, аналогичный фиг.5B, изображающий альтернативную конструкцию, обеспечивающую прикрепление перекрывающегося участка к уплотнительной полосе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В следующем подробном описании предпочтительного варианта выполнения ссылка делается на сопровождающие чертежи, которые образуют его часть и на которых в иллюстративной и неограничивающей форме показан конкретный предпочтительный вариант выполнения, в котором изобретение может быть практически осуществлено. Ясно, что другие варианты выполнения могут быть использованы и что изменения могут быть выполнены без отступления от сущности и объема настоящего изобретения.

Ссылаясь на фиг.1, схематично изображен участок газотурбинного двигателя 10, включающий в себя смежные ступени 12, 14, причем каждая ступень 12, 14 содержит массив неподвижных лопаточных сборок 16 и массив вращающихся лопастей 18, где лопаточные сборки 16 и лопасти 18 расположены по окружности внутри двигателя 10, причем массив лопаточных сборок 16 и лопасти 18 чередуются в осевом направлении газотурбинного двигателя 10. Лопасти 18 поддерживаются на дисках 20 ротора, прикрепленные к смежным дискам болтами 22 шпинделя. Лопаточные сборки 16 и лопасти 18 продолжаются в кольцевой газовый канал 24, и горячие газы, направляемые через газовый канал 24, проходят через лопаточные сборки 16 и лопасти 18 к оставшимся вращающимся элементам.

Полости 26, 28 диска расположены радиально внутри от газового канала 24. Продувочный воздух предпочтительно обеспечен из охлаждающего газа, проходящего через внутренние каналы в лопаточных сборках 16 к полостям 26, 28 диска, чтобы охлаждать лопасти 18 и обеспечивать давление для уравновешивания давления горячих газов в газовом канале 24. Кроме того, межступенчатые уплотнения, содержащие лабиринтные уплотнения 32, поддерживаются на радиально внутренней стороне лопаточных сборок 16 и зацеплены с поверхностями, образованными на парных кольцевых рычагах 34, 36 дисков, продолжающихся в осевом направлении из противоположных участков смежных дисков 20. Кольцевая полость 38 для охлаждающего воздуха образована между противоположными участками смежных дисков 20 на радиально внутренней стороне парных кольцевых рычагов 34, 36 дисков. Кольцевая полость 38 для охлаждающего воздуха принимает охлаждающий воздух, проходящий через каналы дисков, для охлаждения дисков 20.

Ссылаясь далее на фиг.2, рычаги двух смежных дисков 20 изображены для цели описания узла 46 уплотнительной полосы настоящего изобретения, ясно, что диски 20 и соответствующие рычаги 34, 36 дисков образуют кольцевую конструкцию, продолжающуюся по полной окружности вокруг осевой линии ротора. Рычаги 34, 36 дисков образуют соответствующие противоположные торцевые поверхности 48, 50 дисков, расположенные близко отстоящими друг от друга. Продолжающие по окружности пазы 52, 54 для приема уплотнительной ленты образованы в соответствующих торцевых поверхностях 48, 50 дисков, в которых пазы 52, 54 радиально соответствуют кольцевому зазору 56 (фиг.3 и 4), образованному между торцевыми поверхностями 48, 50 дисков.

Если смотреть на фиг.4, узел 46 уплотнительной полосы включает в себя уплотнительную ленту 60, образующую продолжающееся по окружности хомутовое уплотнение. Уплотнительная лента 60 включает в себя противоположные края 62, 64 уплотнительной ленты, которые расположены внутри соответствующих пазов 52, 54, образованных в противоположных торцевых поверхностях 48, 50. Уплотнительная лента 60 заполняет кольцевой зазор 56 между торцевыми поверхностями 48, 50 и образует уплотнение для предотвращения или существенного ограничения потока газов между полостью 38 для охлаждающего воздуха и полостями 26, 28 диска. Дополнительно, уплотнительная лента 60 содержит множество сегментов, обычно четыре сегмента, называемых здесь уплотнительные полосы 66 (фиг.3).

Если смотреть на фиг.2 и 3, первая уплотнительная полоса 66a и вторая уплотнительная полоса 66b расположены смежно друг с другом на соответствующих торцевых поверхностях 66a₁ и 66b₂ уплотнительных полос. Ясно, что каждая уплотнительная полоса 66 выполнена в виде вытянутого элемента, продолжающегося по окружности внутри двигателя 10, и включает в себя первую торцевую поверхность, например первый конец 66a₁ уплотнительной полосы 66a, и вторую торцевую поверхность, например вторую торцевую поверхность 66b₂ уплотнительной полосы 66b. Ссылаясь на фиг.4, также каждая уплотнительная полоса 66 включает в себя обращенную радиально наружу поверхность 68 уплотнительной полосы (далее «внешняя поверхность 68 уплотнительной полосы») и противоположную обращенную радиально внутрь поверхность 70 уплотнительной полосы (далее «внутренняя поверхность 70 уплотнительной полосы»). Когда расположена внутри пазов 52, 54 для приема уплотнительной ленты, внешняя поверхность 68 уплотнительной полосы расположена смежно с обращенной радиально внутрь поверхностью 74 в каждом из пазов 52, 54, и внутренняя поверхность 70 уплотнительной полосы расположена смежно с обращенной радиально наружу поверхностью 76 в каждом из пазов 52, 54. Толщина уплотнительных полос 66 выбрана так, что размер зазора между поверхностями 68, 70 уплотнительных полос и поверхностями 74, 76 пазов уменьшен, чтобы ограничить утечку через уплотнительную ленту 60.

Как отмечалось выше, уплотняющее соединение, такое как соединение внахлест, обычно обеспечено в соединении между сегментами уплотнительной ленты. В соответствии с аспектом изобретения, было установлено, что уменьшенная толщина материала, обеспеченная в соединениях внахлест, то есть где концы сегментов уменьшены до около половины толщины уплотнительной ленты, является потенциально конструктивно слабым местом на уплотнительной ленте. Более тонкий материал сегментов уплотнительной ленты в месте нахлеста может быть подвержен излому, который может образовывать брешь в уплотнении, приводя к утечке охлаждающего воздуха через хомутовую ленту.

Дополнительно в соответствии с аспектом изобретения, перекрывающееся уплотнение 78 обеспечено для оптимизации уплотнения и способствования долговечности соединения между уплотнительными полосами 66. Как может быть лучше видно на фиг.2, 3 и 5A, перекрывающееся уплотнение 78 образовано перекрывающимся участком 80, содержащим вытянутый элемент, который прикреплен к первой уплотнительной полосе 66a в или смежно с первой торцевой поверхностью 66a₁ уплотнительной полосы. Ясно, что перекрывающийся участок 80 может быть образован в виде отдельного элемента, который прикреплен к первой уплотнительной полосе 66a сваркой или другой технологией крепления, или перекрывающийся участок 80 может быть образован заодно с первой торцевой поверхностью 66a₁ во время процесса изготовления, формирующего первую уплотнительную полосу 66a. Следовательно, термин «прикреплен к» в данном контексте может относиться либо к прикреплению перекрывающегося участка 80, обеспеченного в виде отдельного элемента, либо к выполнению перекрывающегося участка 80 заодно с уплотнительной полосой 66a, которое может быть обеспечено во время процесса изготовления, формирующего первую торцевую поверхность 66a₁.

Перекрывающийся участок 80, описанный здесь, имеет в целом прямоугольное сечение, как видно на фиг.4, однако другие формы, которые обеспечивают эквивалентные функциональные преимущества, как описано здесь, в равной степени охватываются настоящим описанием. Если смотреть на фиг.5B, перекрывающийся участок 80 включает в себя обращенную радиально наружу перекрывающуюся поверхность 82 (далее «внешняя перекрывающаяся поверхность 82»), выполненную в виде плоской поверхности, и противоположную обращенную радиально внутрь перекрывающуюся поверхность 84 (далее «внутренняя перекрывающаяся поверхность 84»), которая также может являться плоской поверхностью. Внешняя и внутренняя перекрывающиеся поверхности 82, 84 соединены противоположными сторонами 86, 88 перекрывающегося участка. Стороны 86, 88 перекрывающегося участка продолжаются смежно с и параллельно соответствующим торцевым поверхностям 48, 50 дисков. Следовательно, когда уплотнительная полоса 66a расположена внутри пазов 52, 54, перекрывающийся участок 80 продолжается радиально внутрь из внутренней поверхности 70 уплотнительной полосы, то есть радиально внутрь из пазов 52, 54, в кольцевой зазор 56. Следует отметить, что перекрывающийся участок 80 может быть образован с радиальной толщиной, то есть размером между внешней и внутренней перекрывающимися поверхностями 82, 84, которая по существу равна радиальной толщине уплотнительных полос 66, при измерении между внешней и внутренней поверхностями 68, 70 уплотнительной полосы.

В показанном варианте выполнения внешняя перекрывающаяся поверхность 82 показана лежащей в одной плоскости с или в целом лежащей в одной плоскости, то есть в целом лежащей в общей плоскости, с внутренней поверхностью 70 уплотнительной полосы. Например, перекрывающийся участок 80 может быть приварен на место на уплотнительной полосе 66a участком внешней перекрывающейся поверхности 82, соприкасающимся с внутренней поверхностью 70 уплотнительной полосы, и остальной частью внешней перекрывающейся поверхности 82, продолжающейся наружу из первой торцевой поверхности 66a₁ уплотнительной полосы 66a.

Как можно видеть на фиг.4, ширина перекрывающегося участка 80 меньше ширины уплотнительных полос 66. Ссылаясь далее на фиг.3, перекрывающийся участок 80 имеет такие размеры, что осевая ширина перекрывающегося участка 80 при измерении расстояния D₂ между сторонами 86, 88 перекрывающегося участка не превышает осевую ширину кольцевого зазора 56 при измерении расстояния D₁ между торцевыми поверхностями 48, 50 дисков. Предпочтительно, осевая ширина D₂ перекрывающегося участка 80 немного меньше осевой ширины D₁ кольцевого зазора 56, чтобы компенсировать изменение осевой ширины D₁ кольцевого зазора 56, которое может быть вызвано относительным осевым перемещением смежных дисков 20.

В конкретном неограничивающем примере узла 46 уплотнительной полосы номинальное расстояние D₁ между торцевыми поверхностями 48, 50 дисков может составлять около 12,7 мм, и номинальная ширина перекрывающегося участка 80 может составлять около 11 мм, так что номинальный зазор размером около 0,85 мм может быть образован между торцевыми поверхностями 48, 50 дисков и каждой из соответствующих сторон 86, 88 перекрывающегося участка 80. Ясно, что пояснительные размеры, описанные выше, могут быть измерены, когда компоненты являются холодными, и что величина зазора между перекрывающимся участком 80 и торцевыми поверхностями 48, 50 дисков может уменьшиться, когда компоненты находятся при более высокой или «горячей» температуре, например во время работы двигателя 10.

Если смотреть на фиг.3 и 5B, в собранном состоянии уплотнительной ленты 60 перекрывающийся участок 80 продолжается под, то есть перекрывает вторую уплотнительную полосу 66b. В частности, перекрывающийся участок 80 продолжается за вторую торцевую поверхность 66b₂ уплотнительной полосы и под вторую уплотнительную полосу 66b, чтобы расположить внешнюю перекрывающуюся поверхность 82 в зацеплении с внутренней поверхностью 70 второй уплотнительной полосы 66b. То есть в конечном положении уплотнительных полос 66 существенный участок длины перекрывающегося участка 80, продолжающийся за первую торцевую поверхность 66a₁ уплотнительной полосы, расположен под второй уплотнительной полосой 66b, и относительно малая секция перекрывающегося участка 80 заполняет зазор 90, который может быть образован между противоположными торцевыми поверхностями 66a₁ и 66b₂ уплотнительной полосы.

Отметим, что относительное положение между смежными уплотнительными полосами 66 может поддерживаться конструкцией, предотвращающей вращение, связанной с каждой из уплотнительных полос 66. Например, может быть обеспечена конструкция, предотвращающая вращение, такая, как раскрыта в патенте США № 7581931, который включен сюда путем ссылки. Устройство, предотвращающее вращение, обеспеченное для каждой уплотнительной полосы 66, по существу ограничивает перемещение уплотнительных полос 66 по окружности относительно смежных дисков 20 и относительно друг друга.

Как описано выше, перекрывающийся участок 80 продолжается по существу по всей осевой ширине D₁ кольцевого зазора 56 и по существу предотвращает или ограничивает прохождение охлаждающего воздуха в уплотнительные полосы 66a и 66b в месте перекрывающегося участка 80. В частности, стороны 86, 88 перекрывающегося участка продолжаются радиально внутрь из внутренней поверхности 70 уплотнительной полосы, то есть радиально внутрь из обращенной радиально наружу поверхности 76 пазов 52, 54, чтобы образовать уплотнение с торцевыми поверхностями 34, 36 смежных дисков, чтобы предотвратить или ограничить прохождение воздуха вокруг перекрывающегося участка 80 в периферическом положении зазора 90 между торцевыми поверхностями 66a₁, 66b₂ уплотнительных полос.

Как отмечалось выше, хотя перекрывающийся участок 80 изображен в виде отдельного элемента, прикрепленного к уплотнительной полосе 66a, перекрывающийся участок 80 может быть выполнен в виде составного признака на уплотнительной полосе 66a, например, во время изготовления уплотнительной полосы 66a. Например, перекрывающийся участок 80 может быть выполнен в результате использования комбинации операций штамповки и обработки, в которой конец первой уплотнительной полосы 66a профилирован так, чтобы сформировать перекрывающийся участок 80 в виде составной части уплотнительной полосы 66a.

Альтернативно, как изображено на фиг.6, может быть обеспечен перекрывающийся участок 80’, который образует конец первой уплотнительной полосы 66a. В частности, перекрывающийся участок 80’ может содержать конец 81 уплотнительной полосы, имеющий ширину, которая в целом равна ширине торцевой поверхности 66a₁ первой уплотнительной полосы 66a, и дополнительно включает в себя торцевую поверхность 66a₁’, имеющую такую же ширину, как и конец 81 уплотнительной полосы. Перекрывающийся участок 80’ включает в себя выполненный заодно перекрывающийся элемент 83, имеющий ширину, которая в целом равна осевой ширине D₂, описанной выше для перекрывающегося участка 80.

Перекрывающийся участок 80’ может быть прикреплен к торцевой поверхности 66a₁ первой уплотнительной полосы 66a стыковым сварным соединением 85, так что перекрывающийся участок 80’ образует выступ уплотнительной полосы 66a, в котором торцевая поверхность 66a₁’ расположена противоположно торцевой поверхности 66b₂ второй уплотнительной полосы 66b. Перекрывающийся элемент 83 образует уплотнение, продолжающееся перекрывающимся со второй уплотнительной полосой 66b, аналогично описанному выше для перекрывающегося участка 80.

Ясно, что хотя описаны различные конструкции для обеспечения перекрывающегося участка, такие как описаны для перекрывающихся участков 80, 80’, в пределах сущности и объема настоящего изобретения, любой способ технологии крепления или формирования может быть применен, чтобы обеспечить перекрывающийся участок 80, как описано здесь, для уплотнения между смежными уплотнительными полосами 66.

Дополнительно, хотя перекрывающийся участок 80 описан с конкретной ссылкой на конец первой уплотнительной полосы 66a, ясно, что при практическом осуществлении изобретения перекрывающийся участок 80 может быть обеспечен на конце каждого из сегментов или уплотнительных полос 66, образующих уплотнительную ленту для перекрытия со смежным концом уплотнительной полосы.

Несмотря на то что конкретные варианты выполнения настоящего изобретения были изображены и описаны, специалистам в данной области техники ясно, что различные другие изменения и модификации могут быть выполнены без отступления от сущности и объема изобретения. Следовательно, все такие изменения и модификации, которые лежат в пределах объема этого изобретения, охватываются прилагаемой формулой изобретения.