Роторное устройство для турбомашины (варианты), турбина для турбомашины и турбомашина
Роторное устройство для турбомашины содержит диск, лопатки, уплотнительный фланец, промежуточное кольцо и уплотнение. На наружной периферии диска расположены чередующиеся пазы и зубцы, проходящие в нижнем по потоку направлении на диске. Лопатки проходят в радиальном направлении от диска и имеют корневые части, введенные в осевом направлении в пазы и удерживаемые в радиальном направлении зубцами диска. Уплотнительный фланец расположен на верхней или нижней по потоку стороне диска и предназначен для уплотнения полостей, образованных в радиальном направлении между, соответственно, корневыми частями лопаток и нижними частями пазов диска. Уплотнительный фланец содержит внутреннюю часть, удерживаемую диском, и наружную часть, проходящую в осевом направлении и обращенную, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов диска и корневых частей лопаток. Промежуточное кольцо расположено в осевом направлении между уплотнительным фланцем и зубцами диска, а в радиальном направлении между внутренней частью и наружной частью диска. Уплотнение расположено в осевом направлении между промежуточным кольцом, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, причем промежуточное кольцо и уплотнительный фланец выполнены с возможностью создания уплотнения между уплотнительным фланцем, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, при вращении. В другом варианте выполнения роторного устройства уплотнительный фланец расположен как на верхней, так и на нижней по потоку сторонах диска. Другие изобретения группы относятся к турбине турбомашины и турбомашине, содержащим указанные выше роторные устройства. Группа изобретений позволяет упростить уплотнение роторного устройства турбомашины. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Данное изобретение относится к роторному устройству для турбомашины, такой, в частности, как авиационный реактивный двигатель, и к турбомашине, содержащей такое устройство.
Такое устройство, которое может находиться, в частности, в турбине, содержит диск и лопатки, которые проходят в радиальном наружном направлении от диска и корневые части которых введены в соединение в осевом направлении с пазами, расположенными на наружной периферии диска, и удерживаются в них в радиальном направлении зубцами диска, расположенными с чередованием с указанными пазами. Так называемые полости нижних частей пазов образованы радиальными промежутками, расположенными между корневыми частями лопаток и нижними частями пазов и проходящими в осевом направлении ниже по потоку от пазов. Такие полости нижних частей пазов, в частности, возникают при вращении, когда лопатки прижимаются в радиальном наружном направлении к боковым опорным поверхностям зубцов диска под действием центробежной силы.
Лопатки также содержат внутренние платформы, расположенные вплотную в окружном направлении так, что они совместно образуют внутреннюю границу потока горячего газа, циркулирующего в турбине. Часть лопатки, расположенная во внутренней части относительно потока газа, т.е. расположенная между внутренней платформой и корневой частью, называют стойкой. В соответствии с таким расположением между двумя смежными стойками образуются промежутки, образующие межстоечные или межлопаточные полости.
Условно расположением выше по потоку и ниже по потоку считается расположение вдоль оси Х турбомашины, вдоль которой, в целом, проходит текучая среда в направлении вниз по потоку. Под термином «радиальное направление» понимается радиальное направление относительно оси Х, а под термином «осевое направление» понимается направление, параллельное оси Х. Ось Х также является осью роторного устройства.
Для улучшения эксплуатационных качеств турбомашины и устранения нагревания диска потоком горячих газов, поступающих из расположенной выше по потоку камеры сгорания и проходящих через патрубок, важно свести к минимуму циркуляцию таких газов через полости нижних частей пазов путем использования уплотнительных средств. Фактически, часть потока газа, проходящая в полости нижних частей пазов, не участвует в приведении во вращательное движение лопаток, а непосредственно нагревает диск. Расположение уплотнительных средств выше по потоку от зубцов диска и корневых частей лопаток, препятствующее попаданию струйного потока в полости нижних частей пазов, является особенно преимущественным.
Для достижения этой цели в патентном документе US 2012/171222, опубликованном 05.07.2012, описано использование уплотнительного фланца, обычно лабиринтного кольца, поддерживаемого на внутренней части, как правило, на радиальной кольцеобразной стенке между фланцами двух последовательных дисков в турбине, связывая эти диски вместе. Фланцы дисков обычно удерживаются на стенках в форме усеченного конуса, проходящих радиально внутрь и в осевом направлении на обеих сторонах диска. Уплотнительный фланец, как правило, содержит наружные уплотнительные кромки, предназначенные для взаимодействия с участками истираемого материала, расположенного изнутри на окружных рядах неподвижных лопаток, проходящих через поток в осевом направлении и чередующихся с вращающимися лопатками на дисках. Уплотнительный фланец также содержит одну или две кольцеобразные стенки (стенку), или кольцеобразные плечи (плечо), проходящие в наружном направлении относительно диска от внутренней части фланца к зубцам и, соответственно, к верхним по потоку и/или нижним по потоку корневым частям лопаток диска. Концы таких кольцеобразных стенок поддерживаются в кольцевом направлении напротив осевых концевых поверхностей зубцов и корневых частей лопаток соответствующих дисков. Таким образом, уплотнительный фланец защищает диски и полости нижних частей пазов от потока горячего газа.
Однако это решение не является оптимальным и имеет нижеследующие недостатки.
Фактически осевая длина корневых частей лопаток отличается от осевой длины зубцов диска. Следовательно, между соответствующими осевыми концами корневых частей лопаток и зубцами диска образуется первый осевой зазор, обусловленный допусками как на изготовление, так и на монтаж лопаток на диске. Кроме того, при вращении кольцеобразные стенки уплотнительного фланца изгибаются в радиальном наружном направлении относительно места прикрепления дисков, упомянутых выше. Тогда, во время такого изгибания концы кольцеобразных стенок фланца перемещаются в осевом направлении от зубцов диска и корневых частей лопаток в соответствии со вторым осевым зазором. В этом случае струйный воздух может циркулировать между фланцем и узлом диск/лопатки, а также через полости нижних частей пазов.
Данное изобретение предлагает простое, эффективное и экономичное решение проблемы, относящейся к уплотнению полостей нижних частей пазов, одновременно устраняя недостатки решений предшествующего уровня техники.
Для этого, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, предложено роторное устройство для турбомашины, имеющее ось Х и содержащее
диск, на наружной периферии которого расположены чередующиеся пазы и зубцы, проходящие в нижнем по потоку направлении на диске,
лопатки, которые проходят в радиальном направлении от диска и корневые части которых в осевом направлении введены в пазы и удерживаются в радиальном направлении зубцами диска,
уплотнительный фланец, расположенный на верхней по потоку стороне или нижней по потоку стороне диска и предназначенный для уплотнения полостей, образованных в радиальном направлении между, соответственно, корневыми частями лопаток и нижними частями пазов диска, причем указанный уплотнительный фланец содержит внутреннюю часть, удерживаемую диском, и наружную часть, проходящую в осевом направлении и обращенную, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов диска и корневых частей лопаток,
отличающееся тем, что оно дополнительно содержит промежуточное кольцо, расположенное в осевом направлении между уплотнительным фланцем и зубцами диска, а в радиальном направлении между внутренней частью и наружной частью диска, и уплотнение, расположенное в осевом направлении между промежуточным кольцом, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, причем промежуточное кольцо и уплотнительный фланец выполнены с возможностью создания уплотнения между уплотнительным фланцем, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, при вращении.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложено роторное устройство для турбомашины, имеющее ось Х и содержащее
диск, на наружной периферии которого расположены чередующиеся пазы и зубцы, проходящие в нижнем по потоку направлении на диске,
лопатки, которые проходят в радиальном направлении от диска и корневые части которых в осевом направлении введены в пазы и удерживаются в радиальном направлении зубцами диска,
первый уплотнительный фланец, расположенный на верхней по потоку стороне диска, и второй уплотнительный фланец, расположенный на нижней по потоку стороне диска, при этом указанные первый и второй уплотнительные фланцы предназначены для уплотнения полостей, образованных в радиальном направлении между, соответственно, корневыми частями лопаток и нижними частями пазов диска, причем каждый из указанных уплотнительных фланцев содержит внутреннюю часть, удерживаемую диском, и наружную часть, проходящую в осевом направлении и обращенную, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов диска и корневых частей лопаток,
отличающееся тем, что оно дополнительно содержит промежуточное кольцо, расположенное в осевом направлении между зубцами диска и указанным первым или вторым уплотнительным фланцем, а в радиальном направлении между внутренней частью и наружной частью диска, и уплотнение, расположенное в осевом направлении между указанным промежуточным кольцом, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, причем указанное промежуточное кольцо и указанный первый или второй уплотнительный фланец выполнены с возможностью создания уплотнения между указанным первым или вторым уплотнительным фланцем, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, при вращении.
Таким образом, под действием центробежных сил при вращении и теплового расширения фланца наружная часть фланца в осевом направлении расположена на расстоянии от зубцов диска и корневых частей лопаток. Однако промежуточное кольцо опирается на фланец и прижимает уплотнение к зубцам диска и корневым частям лопаток. Таким образом, между фланцем, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, обеспечивается полная последовательность уплотнений благодаря кольцевому контакту промежуточного кольца и уплотнения.
На практике осевая длина корневых частей лопаток отличается от осевой длины зубцов диска. Соответственно, между соответствующими осевыми концами корневых частей лопаток и зубцами диска образуется зазор, обусловленный допусками как на изготовление, так и на сборку лопаток на диске. Установлено, что данное изобретение делает возможным использование обычного металлического уплотнения с достаточно малым диаметром для обеспечения возможности деформирования уплотнения и подгонки к форме, случайно созданной осевыми концами зубцов диска и корневых частей лопаток так, чтобы устранить вышеупомянутый зазор. Данное уплотнение для выполнения своей работы при описанных выше условиях должно, фактически, иметь диаметр, превышающий более чем в два раза совокупный полный осевой зазор. При таком способе уплотнение гарантируется.
Преимущественно промежуточное кольцо и уплотнение являются разрезными и раскрываются в радиальном направлении при вращении.
Таким образом, при вращении промежуточное кольцо и уплотнение раскрываются и, соответственно, проходят в радиальном направлении с обеспечением соответствующих кольцеобразных радиальных опорных частей для так называемого «кольцеобразного уплотнительного» фланца (далее – уплотнительного фланца) и промежуточного кольца, чтобы оптимизировать уплотнение между этими элементами.
Преимущественно уплотнительный фланец имеет внутреннюю поверхность в форме усеченного конуса, наклоненную в осевом направлении к диску и в радиальном наружном направлении и обращенную в осевом и радиальном направлении к промежуточному кольцу, поддерживая кольцо при вращении. Внутренняя поверхность в форме усеченного конуса предпочтительно проходит до осевой концевой части уплотнительного фланца, обращенной к зубцам диска.
При вращении, под действием центробежной силы опора в радиальном направлении в эту поверхность уплотнена и обеспечивает механическую реакцию, толкающую промежуточное кольцо к диску в осевом направлении.
Промежуточное кольцо предпочтительно имеет наружную поверхность в форме усеченного конуса, наклоненную в осевом направлении к диску и в радиальном наружном направлении и совмещенную с поверхностью в форме усеченного конуса уплотнительного фланца.
Дополняющие друг друга поверхности уплотнительного фланца и промежуточного кольца обеспечивают лучший кольцевой контакт и лучшее уплотнение между этими элементами.
Преимущественно промежуточное кольцо имеет внутреннюю поверхность в форме усеченного конуса, наклоненную в осевом направлении к диску и в радиальном наружном направлении и обращенную в радиальном направлении к уплотнению, поддерживая уплотнение при вращении. Эта поверхность в форме усеченного конуса предпочтительно проходит до осевой концевой части промежуточного кольца, обращенной к зубцам диска.
Опора в радиальном направлении в эту поверхность уплотнена и обеспечивает механическую реакцию, прижимающую уплотнение в осевом направлении к зубцам диска и корневым частям лопаток.
В соответствии с другой характеристикой данного изобретения уплотнение расположено в кольцеобразной канавке на стороне промежуточного кольца, обращенной к зубцам диска. Тогда эта канавка содержит указанную внутреннюю стенку промежуточного кольца, имеющую форму усеченного конуса.
Эта канавка удерживает уплотнение при всех режимах работы данного устройства.
В предпочтительном варианте выполнения уплотнение имеет диаметр в диапазоне 0,6 – 1,2 мм и предпочтительно в диапазоне 0,8 – 1 мм. Уплотнение, в частности, выполнено из металла для этих режимов работы.
Диаметр уплотнения подобран с обеспечением деформирования металлического уплотнения и совмещения с неровностями, образованными концами зубцов диска и корневыми частями лопаток. Таким образом, обеспечивается оптимизация уплотнения.
Для обеспечения лучшего уплотнения само уплотнение может быть полым. Эта форма в совокупности с соответствующим размером дает возможность получить лучшее уплотнение, так как она обеспечивает деформацию, которая наилучшим образом обеспечивает прилегание уплотнения к поверхностям зубцов диска и корневых частей лопаток.
Для гарантии оптимальной работы максимальный зазор между осевыми концами корневых частей лопаток и зубцов диска должен быть меньше толщины смятого полого уплотнения. Для этой цели может быть использовано полое уплотнение с полным диаметром, равным приблизительно 1 мм, и с центральным отверстием с диаметром, равным приблизительно 0,8 мм.
Промежуточное кольцо и уплотнение предпочтительно расположены целиком снаружи полостей нижних частей пазов.
В соответствии с конкретным вариантом выполнения внутренняя часть уплотнительного фланца расположена дальше, соответственно, выше по потоку и/или ниже по потоку, чем наружная часть уплотнительного фланца.
Промежуточное кольцо предпочтительно выполнено с возможностью взаимодействия, при вращении, с уплотнительным фланцем с созданием круговой опоры на него с обеспечением последующего продвижения промежуточного кольца в осевом направлении, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов диска и корневых частей лопаток.
Уплотнение предпочтительно выполнено с возможностью взаимодействия, при вращении, с промежуточным кольцом с созданием круговой опоры на него с обеспечением последующего прижатия уплотнения в осевом направлении, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов диска и корневых частей лопаток.
Роторное устройство предпочтительно содержит элемент для предотвращения вращения промежуточного кольца относительно указанной оси Х. Указанный элемент для предотвращения вращения промежуточного кольца относительно указанной оси Х выполнен в виде части, выступающей от одного конца указанной наружной части уплотнительного фланца, или в виде части, выступающей в осевом направлении от радиальной стенки диска, обращенной к указанному уплотнительному фланцу, при этом указанная выступающая часть расположена в пазу промежуточного кольца для предотвращения вращения указанного кольца относительно уплотнительного фланца и диска.
Уплотнительный фланец предпочтительно является кольцевым.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к турбине для турбомашины, содержащей вышеописанное роторное устройство.
В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение относится к турбомашине, содержащей вышеописанное роторное устройство. Указанная турбомашина предпочтительно является турбореактивным двигателем или турбовинтовым двигателем.
Другие характеристики и преимущества данного изобретения будут очевидны при прочтении следующего описания, приведенного в виде неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 изображает частичный схематический осевой разрез турбины низкого давления турбомашины в соответствии с предшествующим уровнем техники,
фиг.2 изображает частичный схематический осевой разрез роторной ступени турбины в соответствии с предшествующим уровнем техники в процессе работы,
фиг.3 изображает схематический осевой разрез предложенного роторного устройства,
фиг.4 изображает схематический осевой разрез предложенного роторного устройства в процессе работы,
фиг.5 изображает подробно разрезные конструкции промежуточного кольца и уплотнения и
фиг.6 изображает видоизмененный фрагмент участка VI, показанного на фиг.4, без лопаток, в осевом разрезе.
Рассмотрим сначала фиг.1 и 2, которые показывают турбину 10 низкого давления в соответствии с предшествующим уровнем техники, расположенную ниже по потоку от турбины 12 высокого давления. Турбина 10 низкого давления содержит чередующиеся в осевом направлении ступени из кольцеобразных рядов неподвижных лопаток 18, называемых верхними по потоку направляющими лопатками, и вращающихся дисков 16, содержащих по их периферии лопатки 14, причем такие ступени расположены вокруг оси Х турбомашины.
Применительно к данному документу, что касается данной области техники, термины «находящийся выше по потоку (АМ)» и «находящийся ниже по потоку (АV)» определены так, что находящийся выше по потоку элемент расположен в осевом направлении на стороне, откуда поступает струя общего потока из турбомашины, а находящийся ниже по потоку элемент расположен в осевом направлении на стороне, к которой проходит та же самая струя.
Каждый диск 16 на наружной периферии содержит зубцы (вершина которых обозначена номером 20 позиции), чередующиеся с пазами (основание которых обозначено номером 22 позиции), в которые введены корневые части лопаток в осевом направлении в соединение с удержанием в них в радиальном направлении (внутренний конец которых обозначен номером 24 позиции), при этом лопатки 14 проходят в радиальном направлении из пазов 22 в кольцеобразный горячий газовый поток 26, поступающий из расположенной выше по потоку камеры сгорания (не показана).
Более конкретно, каждая вращающаяся лопатка в радиальном направлении содержит проходящие снаружи к внутренней части профильную часть 28, платформу 30, по существу перпендикулярную оси протяженности лопатки 14, и стойку 32, которой платформа присоединена к корневой части 24 лопатки. Корневые части 24 лопаток имеют форму, например, ласточкина хвоста или подобную ему для обеспечения удержания корневых частей в пазах 22 в радиальном направлении. Платформы 30 лопаток расположены в окружном направлении вплотную так, что они совместно образуют идеальную внутреннюю границу потока горячих газов, проходящего через турбину. При таком расположении между смежными в окружном направлении стойками 32 образуются промежутки в кольцеобразном участке, проходящем в радиальном направлении от платформ 30 до диска 16, являющиеся так называемыми межстоечными или межлопаточными полостями 34. Кроме того, радиальными промежутками, разделяющими корневые части 24 лопаток и нижние части пазов 16, образованы так называемые полости 36 нижних частей пазов, открытые на верхней и нижней по потоку сторонах дисков 16. Стенки 38, 40, проходящие в радиальном направлении внутрь от верхних и нижних по потоку сторон платформ к корневым частям лопаток 24, образуют осевое уплотнительное средство кольцеобразной области, проходящей в радиальном направлении от платформ 30 к диску 16 и, соответственно, межлопаточных полостей 34 с обеспечением их закрытия.
Верхняя по потоку радиальная стенка 38 платформы соединена со спойлером 42, проходящим выше по потоку, а нижняя по потоку радиальная стенка 40 соединена со спойлером 44, проходящим ниже по потоку. Спойлеры 42, 44 в осевом направлении проходят между последовательными ступенями турбины так, чтобы частично сохранять структурную целостность потока 26 между каждой ступенью турбины с обеспечением тем самым ограничения потока горячих газов, проходящих радиально в направлении внутренней части турбины.
Диски скреплены вместе путем болтового соединения (показанного под номером 46 позиции) монтажных фланцев 48, 50, которые являются кольцеобразными и проходят друг к другу в осевом направлении от каждого диска. Уплотнительный фланец 52, называемый также лабиринтным кольцом, также расположен между смежными дисками 16 каждой пары в осевом направлении и содержит в наружной части две кольцеобразные стенки, или верхние по потоку и нижние по потоку кольцеобразные плечи 54, 56, проходящие в осевом направлении до этих дисков. Концы кольцеобразных плеч расположены так, что их кольцеобразная осевая опорная часть расположена напротив зубцов диска и корневых частей лопаток снаружи полостей нижних частей пазов для предотвращения прохождения радиально внутрь потока газа вдоль зубцов дисков и его попадания тем самым в полости нижних частей пазов. Таким образом, монтажные фланцы 48, 50 между дисками также защищены от потоков газов плечами 54, 56 уплотнительного фланца 52, закрывающими монтажные фланцы снаружи. Уплотнительный фланец 52, дополнительно содержащий на внутренней части внутреннюю радиальную кольцеобразную стенку 58, прикрепляемую к болтам 46 фланцев 48, 50 дисков, взаимодействует с внутренними концами верхних по потоку направляющих лопаток 18 посредством кольцеобразных уплотняющих кромок 60 для ограничения прохождения осевого потока струй газов внутрь относительно лопаток 18.
Для обеспечения надлежащей работы турбомашины из компрессора низкого давления или высокого давления, например, забирают охлаждающий воздух А и проводят его через внутреннюю часть турбины к кольцеобразному промежутку, образованному в радиальном направлении между монтажными фланцами 48, 50 диска, с одной стороны, и, с другой стороны, плечами 54, 56 уплотнительных фланцев, вплоть до полостей 36 нижних частей пазов, для охлаждения диска 16 и его защиты от нагревания горячими газами из струйного потока 26. Для того, чтобы получить возможность циркуляции охлаждающего воздуха А ниже по потоку от полостей 36 нижних частей пазов, последние открыты ниже по потоку внутрь относительно плеча 54 уплотнительного фланца 52, поддерживаемого в осевом направлении диском 16. Такое конструктивное решение делает возможным прохождение охлаждающего воздуха А в радиальном направлении дальше ниже по потоку между уплотнительным фланцем 52 и соединительными, или монтажными, фланцами 48, 50, проходящими между дисками 16, так, чтобы также обеспечивать охлаждение фланцев.
В процессе работы, как показано на фиг.2 и объяснено выше в данном документе, кольцеобразные плечи 54, 56 уплотнительных фланцев 52 изгибаются в наружном направлении и перемещаются в осевом направлении от зубцов 20 дисков и корневых частей лопаток 24, что делает возможным радиальное прохождение струйных горячих газов из внутренней части вдоль верхних и нижних по потоку поверхностей зубцов 20 дисков, доходя до диска 16 и полостей 36 нижних частей пазов. В предшествующем уровне техники для ограничения этого явления можно выполнить кольцеобразные крюки (не показанные), расположенные на верхней и нижней по потоку сторонах стоек и используемые для осевого удержания концов плеч уплотнительного фланца вблизи зубцов дисков с предотвращением чрезмерного перемещения таких концов от дисков. Однако такое решение лишь ограничивает проблему, но не решает ее.
Предложенное решение в соответствии с упомянутыми выше в данной заявке характеристиками показано на фиг.3 и 4.
В показанном варианте выполнения уплотнительные средства, предложенные в данном изобретении, выполнены на верхней по потоку стороне полостей нижних частей пазов. Такие уплотнительные средства могут быть одинаково и симметрично расположены на нижней по потоку стороне этих полостей.
Таким образом, в соответствии с фиг.3 нижний по потоку конец нижнего по потоку плеча 56 уплотнительного фланца 52 имеет радиальную стенку 62, продолжающуюся с наружной стороны в виде стенки 64 в форме усеченного конуса, которая наклонена радиально наружу и в осевом направлении вниз по потоку и наружный кольцеобразный конец которой в состоянии покоя находится в контакте с верхними по потоку концевыми поверхностями зубцов 20 диска и корневых частей лопаток 24, независимо от зазора между последними компонентами, образуемого при их совмещении. В частности, этот контакт имеется в радиальном направлении относительно наружных концов зубцов 20 диска.
Предпочтительно разрезное (паз 660 на фиг.5) промежуточное кольцо 66 в осевом направлении расположено между нижним по потоку концом нижнего по потоку плеча 56 уплотнительного фланца 52 и зубцами 20 диска. Преимущественно промежуточное кольцо имеет такие размеры, что оно в состоянии покоя находится в контакте с зубцами диска. Это промежуточное кольцо имеет верхние по потоку наружные поверхности, форма которых совпадает с формой нижнего по потоку конца 62, 63 нижнего по потоку плеча 56 уплотнительного фланца, т.е., соответственно, с радиальной стенкой в форме усеченного конуса, наклоненной радиально наружу и в осевом направлении в нижнем по потоку направлении. Нижняя по потоку поверхность промежуточного кольца 66 в радиальном направлении является плоской, чтобы обеспечить надлежащую осевую опору зубцам 20 диска и корневым частям лопаток 24, а также имеет кольцеобразную осевую канавку 68 с наружной поверхностью в форме усеченного конуса, наклоненную в нижнем по потоку направлении и в наружном направлении. Внутренний конец кольца 66 расположен радиально снаружи полостей 36 нижних частей пазов.
При беззазорном прилегании контакт между промежуточным кольцом 66 и плечом 56 уплотнительного фланца 52 будет оптимальным, что обеспечивает непроницаемое уплотнение между этими двумя элементами. Дополнительно, поскольку при вращении промежуточное кольцо 66 стремится к раскрытию в радиальном направлении под действием центробежной силы, то вследствие механической реакции опоры, действующей в радиальном направлении на коническую стенку 64 плеча 56, промежуточное кольцо 66 продвигается в осевом направлении к зубцам 20 диска.
Преимущественно может быть выполнен элемент для блокировки вращения промежуточного кольца . Этот блокирующий вращение элемент может, как схематически показано на фиг.6, являться частью 740, выступающей от конца плеча 56 уплотнительного фланца 52, и/или частью 741, выступающей в осевом направлении от верхней по потоку радиальной стенки 160 диска 16. Этот выступающий элемент может быть преимущественно размещен в пазу 660 промежуточного кольца с обеспечением блокировки вращения этого кольца относительно уплотнительного фланца и диска.
Предпочтительно разрезное (паз 700, показанный на фиг.5) уплотнение 70 (см. фиг.3, 4) расположено в канавке 68 промежуточного кольца. Уплотнение 70 преимущественно имеет диаметр в диапазоне 0,6 – 1,2 мм, предпочтительно в диапазоне 0,8 – 1 мм. Уплотнение 68 может быть полым, а также выполненным из материала другого типа. Уплотнение 70 может быть изготовлено из металла.
Как показано на фиг.4, в процессе работы и подобно предшествующему уровню техники, плечо 56 уплотнительного фланца 52 изгибается и перемещается в осевом направлении от зубцов 20 диска. Однако поскольку при этом все же возникает механическая реакция опоры, действующая в радиальном направлении между промежуточным кольцом 66 и конической стенкой 64 плеча 56, то она заставляет промежуточное уплотнительное кольцо 66 скользить с обеспечением уплотнения вдоль стенки 64 плеча в нижнем по потоку направлении так, что оно остается в осевом направлении напротив зубцов 20, при этом канавка 68 обращена к зубцам 20 и корневым частям лопаток 24.
В процессе работы уплотнение 70 раскрывается и вследствие механической реакции опоры, действующей в радиальном направлении на наружную стенку конусообразной канавки 68 промежуточного кольца 66, прижимается в осевом направлении к зубцам 20 диска и корневым частям лопаток 24. Таким образом, уплотнение 70 поддерживается как в кольцевом направлении, с одной стороны, промежуточным кольцом 66, так и, с другой стороны, зубцами 20 диска и корневыми частями лопаток 24 с обеспечением тем самым уплотнения этих двух компонентов.
Таким образом, уплотнение 70 выполняет ту же самую функцию и имеет ту же самую эффективность в канавке 68 независимо от того, изгибается ли плечо 56 уплотнительного фланца или нет. Помимо этого, при всех режимах работы обеспечивается уплотнение плеча/промежуточного кольца, промежуточного кольца/уплотнения и уплотнения/зубцов диска и корневых частей лопаток.
Подобно известной конструкции, на верхней по потоку радиальной стенке 38 платформы, вокруг радиального обода 72, выполненного на конце плеча 56 уплотнительного фланца 52, может быть выполнен кольцеобразный крюк 72, расположенный выше по потоку и проходящий внутрь. Этот крюк препятствует чрезмерному осевому отклонению плеча 56 в направлении выше по потоку, если при вращении происходит изгиб плеча.
1. Роторное устройство для турбомашины, имеющее ось (Х) и содержащее
диск (16), на наружной периферии которого расположены чередующиеся пазы (22) и зубцы (20), проходящие в нижнем по потоку направлении на диске,
лопатки (14), которые проходят в радиальном направлении от диска (16) и корневые части (24) которых в осевом направлении введены в пазы (22) и удерживаются в радиальном направлении зубцами диска,
уплотнительный фланец (52), расположенный на верхней по потоку стороне или нижней по потоку стороне диска и предназначенный для уплотнения полостей (36), образованных в радиальном направлении между, соответственно, корневыми частями лопаток и нижними частями пазов диска, причем указанный уплотнительный фланец содержит внутреннюю часть (58), удерживаемую диском, и наружную часть (56), проходящую в осевом направлении и обращенную, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов диска и корневых частей лопаток,
отличающееся тем, что оно дополнительно содержит промежуточное кольцо (66), расположенное в осевом направлении между уплотнительным фланцем (52) и зубцами (20) диска, а в радиальном направлении между внутренней частью и наружной частью уплотнительного фланца, и уплотнение (70), расположенное в осевом направлении между промежуточным кольцом (66), с одной стороны, и зубцами (20) диска и корневыми частями лопаток (24), с другой стороны, причем промежуточное кольцо и уплотнительный фланец выполнены с возможностью создания уплотнения между уплотнительным фланцем (52), с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, при вращении.
2. Роторное устройство для турбомашины, имеющее ось (Х) и содержащее
диск (16), на наружной периферии которого расположены чередующиеся пазы (22) и зубцы (20), проходящие в нижнем по потоку направлении на диске,
лопатки (14), которые проходят в радиальном направлении от диска (16) и корневые части (24) которых в осевом направлении введены в пазы (22) и удерживаются в радиальном направлении зубцами диска,
первый уплотнительный фланец (52), расположенный на верхней по потоку стороне диска, и второй уплотнительный фланец (52), расположенный на нижней по потоку стороне диска, при этом указанные первый и второй уплотнительные фланцы (52) предназначены для уплотнения полостей (36), образованных в радиальном направлении между, соответственно, корневыми частями лопаток и нижними частями пазов диска, причем каждый из указанных уплотнительных фланцев содержит внутреннюю часть (58), удерживаемую диском, и наружную часть, проходящую в осевом направлении и обращенную, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов диска и корневых частей лопаток,
отличающееся тем, что оно дополнительно содержит промежуточное кольцо (66), расположенное в осевом направлении между зубцами (20) диска и указанным первым или вторым уплотнительным фланцем, а в радиальном направлении между внутренней частью и наружной частью уплотнительного фланца, и уплотнение (70), расположенное в осевом направлении между указанным промежуточным кольцом (66), с одной стороны, и зубцами (20) диска и корневыми частями лопаток (24), с другой стороны, причем указанное промежуточное кольцо и указанный первый или второй уплотнительный фланец выполнены с возможностью создания уплотнения между указанным первым или вторым уплотнительным фланцем, с одной стороны, и зубцами диска и корневыми частями лопаток, с другой стороны, при вращении.
3. Роторное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что промежуточное кольцо (66) и уплотнение (70) являются разрезными и при вращении раскрываются в радиальном направлении.
4. Роторное устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что уплотнительный фланец (52) имеет внутреннюю поверхность (64) в форме усеченного конуса, наклоненную в осевом направлении к диску и в радиальном наружном направлении и обращенную к промежуточному кольцу (66) в осевом и радиальном направлениях.
5. Роторное устройство по п.3, отличающееся тем, что промежуточное кольцо (66) имеет наружную поверхность в форме усеченного конуса, наклоненную в осевом направлении к диску и в радиальном наружном направлении и совмещенную с указанной поверхностью (64) уплотнительного фланца (52) в форме усеченного конуса.
6. Роторное устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что промежуточное кольцо (66) имеет внутреннюю поверхность в форме усеченного конуса, наклоненную в осевом направлении к диску и в радиальном наружном направлении и обращенную в радиальном направлении к уплотнению (70).
7. Роторное устройство по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что уплотнение (70) расположено в кольцеобразной канавке (68) на стороне промежуточного кольца (66), обращенной к зубцам (20) диска.
8. Роторное устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что уплотнение (70) имеет диаметр в диапазоне 0,6 – 1,2 мм.
9. Роторное устройство по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что промежуточное кольцо (66) и уплотнение (70) расположены целиком снаружи полостей (36) нижних частей пазов.
10. Роторное устройство по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что промежуточное кольцо (66) выполнено с возможностью взаимодействия, при вращении, с уплотнительным фланцем (52) с созданием круговой опоры на него с обеспечением последующего продвижения промежуточного кольца в осевом направлении, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов (20) диска и корневых частей (24) лопаток.
11. Роторное устройство по одному из пп.1-10, отличающееся тем, что уплотнение (70) выполнено с возможностью взаимодействия, при вращении, с промежуточным кольцом (66) с созданием круговой опоры на него с обеспечением последующего прижатия уплотнения в осевом направлении, соответственно, к верхним по потоку или нижним по потоку концам зубцов (20) диска и корневых частей (24) лопаток.
12. Роторное устройство по одному из пп.3-9, содержащее элемент для предотвращения вращения промежуточного кольца относительно указанной оси (Х).
13. Роторное устройство по п.12, отличающееся тем, что указанный элемент для предотвращения вращения промежуточного кольца относительно указанной оси (Х) выполнен в виде части (740), выступающей от одного конца указанной наружной части (56) уплотнительного фланца (52), или в виде части (741), выступающей в осевом направлении от радиальной стенки (160) диска (16), обращенной к указанному уплотнительному фланцу (52), при этом указанная выступающая часть расположена в пазу (660) промежуточного кольца для предотвращения вращения указанного кольца относительно уплотнительного фланца (52) и диска.
14. Роторное устройство по одному из пп.1-13, отличающееся тем, что уплотнительный фланец (52) является кольцевым.
15. Турбина для турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит роторное устройство по одному из пп.1-14.
16. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит роторное устройство по одному из пп.1- 14.
17. Турбомашина по п.16, отличающаяся тем, что она является турбореактивным двигателем или турбовинтовым двигателем.
