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, значительные нагрузки 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, установленный с возможностью перекрытия зазоров между сегментами надроторной вставки и образующий с кольцевым корпусом полость, сообщенную с проточной частью каналами. 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 сложной 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, содержащий закрепленный на статоре турбины кольцевой корпус со сквозными отверстиями и установленной в нем надроторной вставкой, выполненной сегментарно, устройство для фиксации сегментов надроторной вставки, составной экран, расположенный над сегментами надроторной вставки и установленный с возможностью перекрытия зазоров между сегментами и образующий с кольцевым корпусом полость, сообщенную с проточной частью каналами, а в зазорах между сегментами установлены уплотнительные элементы, согласно изобретению снабжен штифтом, внутри которого выполнена полость с горизонтальными отверстиями для подвода охлаждающего воздуха, установленным на кольцевом корпусе, устройство для фиксации сегментов в кольцевом корпусе выполнено в виде винтов, установленных с возможностью крепления в одной из стенок кольцевого корпуса, расположенных в распорных втулках, замков с отверстием для распорной втулки, нижняя часть которых установлена в сегменте надроторной вставки посредством соединения «ласточкин хвост» и имеет кольцевой вырез в расширяющейся части, при этом на составном экране выполнены вырезы под замки.

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

Распорные втулки снабжены буртом, выполненным на ее торце, прижатом головкой винта к внешней части задней стенки кольцевого корпуса, при этом другим торцом распорные втулки прижаты к внутренней части передней стенки кольцевого корпуса.

При этом замок крепится к кольцевому корпусу по меньшей мере двумя винтами.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами:

Фиг. 1 - узел уплотнения турбины, вид спереди;

Фиг. 2 - узел уплотнения турбины, вид сзади;

Фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1;

Фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1;

Фиг. 5 - сегментированный экран, вид сверху;

Фиг. 6 - сегментированный экран, вид спереди;

Фиг. 7 - схема охлаждения узла уплотнения газовой турбины.

Узел уплотнения газовой турбины содержит кольцевой корпус 1 со сквозными отверстиями (фиг. 1), закрепленный на статоре турбины (не показан на чертежах). Узел уплотнения крепится к корпусу статора турбины при помощи кольцевого выступа 2 (фиг. 3), расположенного в верхней части кольцевого корпуса 1, и штифта 3, предназначенного для подвода охлаждающего воздуха в узел уплотнения. Штифт 3 установлен в отверстии 4, выполненном в верхней части кольцевого корпуса 1. Внутри штифта 3 выполнена полость 5. В нижней части полости 5 выполнены горизонтальные отверстия 6 для подвода охлаждающего воздуха и равномерного его распределения.

На кольцевом корпусе 1 установлена надроторная вставка 7 (фиг. 2), выполнена сегментарно, из керамического композиционного или керамического материала. Сегменты 8 надроторной вставки 7 образуют кольцо вокруг лопаток ротора турбины.

В зазорах 9 между сегментами 8 установлены уплотнительные элементы 10. Они расположены в вырезах 11, выполненных на торцах сегментов 8 надроторной вставки 7. Уплотнительные элементы 10 выполнены из жаропрочного материала и препятствуют чрезмерному нагреву элементов узла уплотнения от газового потока.

В передней 12 и задней 13 стенках кольцевого корпуса 1 выполнены под углом к оси турбины каналы 14 для выхода охлаждающего воздуха.

Сегменты 8 надроторной вставки 7 крепятся к кольцевому корпусу 1 при помощи устройства для фиксации. Устройство для фиксации сегментов выполнено в виде винтов 15, проходящих через сквозное отверстие в задней 13 стенке кольцевого корпуса 1. Каждый сегмент 8 надроторной вставки 7 закреплен по меньшей мере двумя винтами. Винты 15 закреплены в отверстиях в передней стенке 12 кольцевого корпуса 1, в которых выполнена резьба. Винты 15 контрятся попарно.

Винты 15 расположены в распорной втулке 16 с буртом 17, выполненным на одном из ее торцов (фиг. 4). Распорная втулка 16 проходит через отверстие в задней стенке 13 кольцевого корпуса 1. При этом буртом 17 распорные втулки 16 прижаты к внешней части задней стенки 13 кольцевого корпуса 1, а вторым торцом упираются во внутреннюю часть передней стенки 12 кольцевого корпуса 1. Втулка 16 фиксирует расстояние между стенками кольцевого корпуса 1, исключая их сближение из-за стягивания винтом 15.

Кроме того, устройство для надежной фиксации сегментов 8 надроторной вставки 7 на кольцевом корпусе выполнено в виде замков 18. В верхней части замка 18 выполнено по меньшей мере два отверстия для установленных в них распорных втулок 16 с расположенными в них винтами 15. При этом нижняя часть замков 18 установлена в продольном вырезе 19 сегментов 8 надроторной вставки 7 посредством соединения «ласточкин хвост». В расширяющейся нижней части замка выполнен кольцевой вырез 20, снижающий напряжение на вставку 8 при температурном расширении, во избежание давления на стенки продольного выреза 20 сегмента 8.

Кроме того, сегменты 8 зафиксированы в кольцевом корпусе выступами 21, расположенными в задней части сегментов 8, которые входят в пазы 22, выполненные на задней стенке 13 кольцевого корпуса 1, фиксируя сегменты 8 от смещения относительно кольцевого корпуса 1 в окружном направлении.

С наружной стороны над сегментами расположен составной экран 23 (фиг. 5, 6). Он установлен с возможностью перекрытия зазоров между сегментами, для предотвращения утечек охлаждающего воздуха в проточную часть турбины. Составной экран 23 представляет собой сегментированное уплотнительное кольцо с прямоугольными вырезами 24 под замки 18. Составной экран 23 также препятствует смещению замка 18 относительно кольцевого корпуса 1 в осевом направлении. Составной экран 23 образует с кольцевым корпусом 1 полость 25, сообщенную с проточной частью каналами 14.

Устройство работает следующим образом. При работе турбины охлаждающий воздух подается из компрессора через штифты 3 (фиг. 7). Через горизонтальные отверстия 6 в нижней части его полости воздух равномерно поступает в полость 25 между стенками кольцевого корпуса 1 для эффективного охлаждения. Через наклонные отверстия 14, выполненные в передней 12 и задней 13 стенках кольцевого корпуса 1, выходит охлаждающий воздух и омывает нагретые поверхности сегментов 8. Составной экран 23 предотвращает утечки охлаждающего воздуха в проточную часть.