RU2513466C1

RU2513466C1 - Turbine labyrinth seal

Info

Publication number: RU2513466C1
Application number: RU2013100956/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Константинович Сычев; Владимир Михайлович Язев; Валерий Алексеевич Кузнецов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2014-04-20

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: turbine labyrinth seal comprises labyrinth abutting on turbine disc and mating flange with nozzle cooling air swirler. Said labyrinth is fitted on disc axial ring ledge to cover nozzle swirler to make slotted cavity between labyrinth and slotted cavity disc hub side surface. Seal ring is fitted in said cavity. Expanding damper ring is fitted on labyrinth inner surface to embrace labyrinth circular radial rib. Radial bores are made at ring cylindrical ledge.

EFFECT: higher efficiency and reliability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к лабиринтным уплотнениям турбин, в которых для понижения температуры охлаждающего воздуха используется сопловой аппарат закрутки воздуха.The invention relates to labyrinth seals for turbines in which a nozzle apparatus for swirling air is used to lower the temperature of cooling air.

Известно лабиринтное уплотнение турбины с сопловым аппаратом закрутки воздуха, в котором гребешки лабиринтного уплотнения размещены на ступице дефлектора диска первой ступени (патент US №7921634 МПК F02K 3/02).A labyrinth seal of a turbine with a nozzle air swirl is known, in which the ridges of the labyrinth seal are located on the hub of the disk deflector of the first stage (US patent No. 7921634 IPC F02K 3/02).

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность, так как гребешки лабиринтного уплотнения являются концентраторами напряжений, что снижает запас прочности высоконапряженной ступицы дефлектора.A disadvantage of the known design is its low reliability, since the combs of the labyrinth seal are stress concentrators, which reduces the margin of safety of a highly stressed deflector hub.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является лабиринтное уплотнение турбины с сопловым аппаратом закрутки воздуха, в котором лабиринт установлен на валу и примыкает к боковой поверхности диска турбины (патент RU №2261350 МПК F02C 7/06, 7/12).Closest to the claimed design is the labyrinth seal of the turbine with a nozzle air swirling device, in which the labyrinth is mounted on the shaft and adjacent to the side surface of the turbine disk (patent RU No. 2261350 IPC F02C 7/06, 7/12).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за повышенных термонапряжений и вибронапряжений в лабиринте, а также повышенные паразитные утечки воздуха по зазору между лабиринтом и диском турбины.A disadvantage of the known design adopted as a prototype is its low reliability due to increased thermal stresses and vibration stresses in the labyrinth, as well as increased parasitic air leaks in the gap between the labyrinth and the turbine disk.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности и надежности лабиринтного уплотнения путем исключения паразитных утечек охлаждающего воздуха, снижения вибронапряжений и улучшения демпфирования виброколебаний лабиринта.The technical result of the claimed invention consists in increasing the efficiency and reliability of the labyrinth seal by eliminating spurious leaks of cooling air, reducing vibration stresses and improving the damping of vibrations of the labyrinth.

Указанный технический результат достигается тем, что в лабиринтном уплотнении, содержащем примыкающий к диску турбины лабиринт и ответный ему фланец с сопловым аппаратом закрутки охлаждающего воздуха, лабиринт установлен на осевом кольцевом выступе диска и выполнен охватывающим сопловой аппарат закрутки с образованием между лабиринтом и боковой поверхностью ступицы диска щелевой полости, в которой размещено уплотнительное кольцо, причем на внутренней поверхности лабиринта установлено разжимное демпфирующее кольцо, охватывающее кольцевое радиальное ребро лабиринта, а на цилиндрическом выступе кольца выполнены радиальные отверстия.The indicated technical result is achieved in that in a labyrinth seal containing a labyrinth adjacent to the turbine disk and a mating flange with a nozzle for cooling air, the labyrinth is mounted on the axial annular protrusion of the disk and is made to cover the nozzle spin device with the formation between the labyrinth and the side surface of the disk hub slot cavity in which the o-ring is placed, and on the inner surface of the labyrinth an expandable damping ring is installed, covering face radial rib of the labyrinth, and radial holes are made on the cylindrical protrusion of the ring.

Установка лабиринта лабиринтного уплотнения на осевом кольцевом выступе диска и выполнение его охватывающим сопловой аппарат закрутки позволяет уменьшить осевые габариты конструкции и повысить эффективность лабиринтного уплотнения, так как уменьшается влияние радиальной деформации ступицы диска на величину радиального зазора в лабиринтном уплотнении.Installing the labyrinth of the labyrinth seal on the axial annular protrusion of the disk and making it swirl over the nozzle apparatus allows reducing the axial dimensions of the structure and increasing the efficiency of the labyrinth seal, since the influence of the radial deformation of the disk hub on the radial clearance in the labyrinth seal is reduced.

Установка лабиринта на диск с образованием щелевой полости между лабиринтом и боковой поверхностью ступицы диска, с размещением в щелевой полости уплотнительного кольца, позволяет исключить паразитные утечки охлаждающего воздуха из полости повышенного давления в полость пониженного давления через осевые и радиальные зазоры между ступицей диска турбины и лабиринтом.The installation of the labyrinth on the disk with the formation of a gap cavity between the labyrinth and the side surface of the hub of the disk, with the sealing ring placed in the gap cavity, eliminates spurious leaks of cooling air from the pressure cavity into the cavity of reduced pressure through axial and radial gaps between the turbine disk hub and the labyrinth.

Установка на внутренней поверхности лабиринта разжимного демпфирующего кольца, охватывающего кольцевое радиальное ребро лабиринта, позволяет уменьшить величину вибронапряжений в лабиринте и повысить надежность лабиринтного уплотнения, а также обеспечить осевую фиксацию демпфирующего кольца.The installation on the inner surface of the labyrinth of an expandable damping ring, covering the annular radial rib of the labyrinth, allows to reduce the magnitude of vibration stresses in the labyrinth and to increase the reliability of the labyrinth seal, as well as to provide axial fixation of the damping ring.

Выполнение на цилиндрическом выступе демпфирующего кольца радиальных отверстий снижает вес и способствует улучшению демпфирования виброколебаний лабиринта от сил трения демпфирующего кольца.The execution on the cylindrical protrusion of the damping ring of the radial holes reduces weight and improves the damping of vibrations of the labyrinth from the friction forces of the damping ring.

На фигуре изображен продольный разрез лабиринтного уплотнения турбины с сопловым аппаратом закрутки воздуха.The figure shows a longitudinal section of a labyrinth seal of a turbine with a nozzle apparatus for swirling air.

Лабиринтное уплотнение 1 турбины состоит из статора 2 с сопловым аппаратом закрутки 3 охлаждающего воздуха 4 и выполненного за одно целое со статором 2 статорного фланца 5, а также из ответного статорному фланцу 5 роторного лабиринта 6, установленного на осевом кольцевом выступе 7 диска 8 турбины с помощью болтового соединения 9. Лабиринт 6 выполнен охватывающим по отношению к сопловому аппарату 3 и с упругим элементом 10, что обеспечивает синхронность радиальных перемещений статорного фланца 5 и роторного лабиринта 6 в зависимости от температуры потока воздуха 4 и стабильность радиального зазора между фланцем 5 и лабиринтом 6. Для исключения паразитных утечек воздуха 4 из полости 11 повышенного давления за аппаратом закрутки 3 в полость пониженного давления 12, лабиринт 6 установлен с образованием щелевой полости 13 между лабиринтом 6 и боковой поверхностью 14 диска 8. В полости 13 размещено разрезное металлическое уплотнительное кольцо 15, исключающее паразитные утечки воздуха 4 вне зависимости от взаимных радиальных перемещений лабиринта 6 и диска 8. На внутренней поверхности 16 лабиринта 6 установлено разжимное упругое демпфирующее кольцо 17, охватывающее кольцевое радиальное ребро 18 лабиринта 6. На цилиндрическом выступе 19 кольца 17 выполнены радиальные отверстия 20. Выходящий из соплового аппарата закрутки 3 поток охлаждающего воздуха 4 поступает через отверстия 21 в упругом элементе 10 лабиринта 6 и через отверстия 22 в кольцевом выступе 7 диска 8 турбины на охлаждение рабочих лопаток турбины (на фиг. не показано).The labyrinth seal 1 of the turbine consists of a stator 2 with a nozzle device for swirling 3 cooling air 4 and made in one piece with the stator 2 of the stator flange 5, as well as of the rotor labyrinth 6, mounted on the axial annular protrusion 7 of the turbine disk 8 with bolt connections 9. The labyrinth 6 is made covering with respect to the nozzle apparatus 3 and with the elastic element 10, which ensures synchronous radial movements of the stator flange 5 and the rotary labyrinth 6 depending on temperatures air flow 4 and the stability of the radial clearance between the flange 5 and the labyrinth 6. To eliminate spurious air leaks 4 from the high-pressure cavity 11 behind the swirl apparatus 3 into the low-pressure cavity 12, the labyrinth 6 is installed with the formation of a gap cavity 13 between the labyrinth 6 and the side surface 14 of the disk 8. In the cavity 13 there is a split metal sealing ring 15, eliminating spurious air leaks 4 regardless of the mutual radial movements of the labyrinth 6 and disk 8. On the inner surface 16 of the labyrinth That 6, an expandable elastic damping ring 17 is installed, covering the annular radial rib 18 of the labyrinth 6. Radial holes 20 are made on the cylindrical protrusion 19 of the ring 17. The flow of cooling air 4 coming out of the swirl nozzle 3 passes through the holes 21 in the elastic element 10 of the labyrinth 6 and through holes 22 in the annular protrusion 7 of the turbine disk 8 for cooling the turbine blades (in FIG. not shown).

При работе лабиринтного уплотнения 1 поток охлаждающего воздуха 4 поворачивается аппаратом закрутки 3 по направлению вращения диска 8 турбины, что снижает температуру воздуха в отверстиях 21 и 22 и на рабочих лопатках турбины (на фиг. не показано). При работе под действием вибрации уплотняющее кольцо 15 может разрушиться и его фрагменты могли бы после остановки турбины попасть в воздушную полость12, что могло бы привести к попаданию фрагментов кольца в проточную часть турбины (на фиг. не показано). Однако этого не происходит, так как упругое демпфирующее кольцо 17, охватывающее ребро 18 лабиринта 6, препятствует выпадению фрагментов кольца 15 из щелевой полости 13.When the labyrinth seal 1 is operating, the cooling air stream 4 is rotated by the swirling device 3 in the direction of rotation of the turbine disk 8, which reduces the air temperature in the holes 21 and 22 and on the turbine blades (not shown in Fig.). When working under the influence of vibration, the sealing ring 15 may collapse and its fragments could, after stopping the turbine, enter the air cavity 12, which could lead to the penetration of fragments of the ring into the flow part of the turbine (not shown in Fig.). However, this does not happen, since the elastic damping ring 17, covering the rib 18 of the labyrinth 6, prevents the fragments of the ring 15 from falling out of the slot cavity 13.

Claims

A labyrinth seal of a turbine, comprising a labyrinth adjacent to the turbine disk and a counter flange with a nozzle for cooling air nozzle, characterized in that the labyrinth is mounted on the axial annular protrusion of the disk and is designed to span the nozzle spin device with the formation of a gap cavity between the labyrinth and the side surface of the disk hub, in which there is a sealing ring, and on the inner surface of the labyrinth installed expandable damping ring covering the annular radial rib the labyrinth, and on the cylindrical protrusion of the ring are made radial holes.