МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ ГАЗОПРОВОД ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2001 года по МПК F02C7/12 F01D25/30 

Изобретение относится к газотурбостроению, в частности к впускному и выпускному газопроводам высокотемпературной газовой турбины (ВГТ) газотурбинного двигателя (ГТД).

Известен металлокерамический газопровод ВГТ, выполненный в виде проточной части камеры сгорания ГТД [1], состоящий из двух металлических труб - внешней и внутренней (типа "труба в трубе"), закрепленных между собой и в корпусе ГТД.

Наружная металлическая труба покрыта снаружи тепловой изоляцией, защищенной в общем случае металлическим кожухом, соприкасающимся с атмосферным воздухом. Внутренняя металлическая труба облицована изнутри, со стороны факела (высокотемпературного потока газа), огнеупорными керамическими плитками, противостоящими температуре газа 1600^oC (см. фиг. 3 на с. 3 и фиг. 4, 5 на с. 4 в источнике [1]).

В кольцевом зазоре между металлическими трубами движется поток охлаждающего воздуха.

Недостатком такой конструкции является большой расход охлаждающего воздуха и термическая неэластичность облицовки металлической трубы керамическими плитками, снижающая надежность газопровода.

Конструкция [1] принята в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.

Целью изобретения является снижение практически до нуля расхода охлаждающего воздуха и повышение надежности металлокерамического газопровода.

Эта цель достигается тем, что
во-первых, металлокерамический газопровод высокотемпературной газовой турбины, именуемый ниже кратко - "газопровод", по длине выполнен составным в виде плотно состыкованных керамических мини-элементов - сегментов коротких труб газовпускного патрубка, боковых и центральных сегментов входной улитки, сегментов внешних и внутренних коротких труб диффузора - с локальным закреплением каждого керамического мини-элемента посредством по меньшей мере одного его наружного замка типа "ласточкин хвост", в который вставлен металлический диск-шпангоут с центральным отверстием, охватывающим снаружи керамический мини-элемент и его замок;
во-вторых, все металлические диски-шпангоуты содержат на периферии радиальные прорези под шпильки, а в центральной части радиальные выфрезеровки-термокомпенсаторы;
в-третьих, металлические диски-шпангоуты каждого из трех комплексов закреплены между собой и к статору турбины посредством длинных шпилек, пронизывающих насквозь все диски-шпангоуты данного комплекта, с образованием металлического несущего каркаса типа "беличье колесо", охватывающего соответствующий набор керамических мини-элементов, плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках;
в-четвертых, в промежутках между дисками-шпангоутами установлены дистанцирующие цилиндрические втулки, подвижно посаженные на шпильки;
в-пятых, на концах всех шпилек, в местах их закрепления со статором турбины, установлена по меньшей мере одна тарельчатая пружина;
в-шестых, газопровод установлен в статоре турбины с образованием по меньшей мере одной квазигерметичной полости, плотно заполненной гранулами тепловой изоляции - огнеупора;
в-седьмых, квазигерметичная полость выполнена сообщающейся с компрессором ГТД по сжатому цикловому воздуху соответствующего давления;
в-восьмых, газопровод выполнен составным в виде плотно состыкованных между собой на уплотнительных подкладках керамических сегментов, образующих левый боковой, правый боковой и центральный обводы керамической улитки, с локальным закреплением каждого керамического сегмента посредством по меньшей мере одного его наружного замка типа "ласточкин хвост", в который вставлен соответствующий металлический диск-шпангоут с центральным отверстием;
в-девятых, левый и правый боковые обводы керамической улитки зафиксированы замками типа "ласточкин хвост", в которые вставлены по одному на каждый обвод боковому металлическому диску-шпангоуту с центральным отверстием, а центральный обвод керамической улитки зафиксирован замками типа "ласточкин хвост", в которые вставлены по меньшей мере два центральных металлических диска-шпангоута с отверстием в центре, охватывающим снаружи центральную часть улитки;
в-десятых, газопровод, относящийся к керамической улитке, содержит в качестве основной несущей конструкции металлическую корневую цилиндрическую цангу по меньшей мере с тремя разрезами-термокомпенсаторами, на наружной поверхности которой вкруговую установлены и закреплены посредством замков типа "ласточкин хвост" зафиксированные упором справа керамические сегменты, образующие левый боковой обвод керамической улитки, с установкой на внутренней поверхности цанги закрепленного слева металлического тонкостенного цилиндрического экрана;
в-одиннадцатых, боковые и центральные металлические диски-шпангоуты закреплены между собой и с фланцем, приваренным к статору турбины, шпильками, вставленными в радиальные прорези на периферии дисков-шпангоутов;
в-двенадцатых, газопровод, относящийся к кольцевому диффузору, выполнен составным в виде плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках керамических сегментов внешних и внутренних коротких конических труб, образующих внешний и внутренний обводы кольцевого диффузора;
в-тринадцатых, внешний обвод кольцевого диффузора установлен в центре внешней, а внутренний обвод кольцевого диффузора установлен снаружи внутренней несущих металлических конструкций типа "беличье колесо", сформированных из металлических дисков-шпангоутов, закрепленных между собой и с соответствующими фланцами, один из которых, принадлежащий внешней несущей конструкции, приварен к статору турбины, а два других, принадлежащих внутренней несущей конструкции, не соединены со статором турбины и являются концевыми металлическими элементами;
в-четырнадцатых, между внешним и внутренним обводами кольцевого диффузора установлены пустотелые керамические профилированные ребра, каждое из которых содержит в своей внутренней полости свободно вставленную шпильку, закрепленную концами на опорах, принадлежащих внешней и внутренней несущим металлическим конструкциям;
в-пятнадцатых, газопровод, относящийся к газовпускному цилиндрическому патрубку, выполнен составным в виде плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках керамических сегментов коротких цилиндрических труб, образующих обвод газовпускного патрубка, который охвачен снаружи несущей металлической конструкцией типа "беличье колесо", сформированной из металлических дисков-шпангоутов, закрепленных меду собой и с фланцем, приваренным к статору турбины.

Изобретение поясняется чертежами, где
фиг. 1 - продольный разрез металлокерамического газопровода в составе турбокомпрессора высокого давления ГТД;
фиг. 2 - узел I (газовпускной патрубок);
фиг. 3 - поперечный разрез газовпускного патрубка;
фиг. 4 - узел II (входная улитка);
фиг. 5 - вид сверху на входную улитку без металлических несущих элементов;
фиг. 6 - кольцо статора турбины и металлический диск-шпангоут, закрепляющий керамические элементы бокового обвода керамической улитки;
фиг. 7 - кольцо статора турбины и металлический диск-шпангоут, закрепляющий керамические элементы центрального обвода улитки, показанные в поперечном разрезе;
фиг. 8 - узел III (газовыпускной кольцевой диффузор);
фиг. 9 - поперечный разрез внешнего обвода кольцевого диффузора;
фиг. 10 - поперечный разрез внутреннего обвода кольцевого диффузора.

На фиг. 1 - 10 обозначено:
1 - керамический мини-элемент;
2 - замок типа "ласточкин хвост";
3 - металлический диск-шпангоут;
4 - шпильки;
5 - дистанцирующая цилиндрическая втулка;
6 - кольцо, сегмент кольца;
7 - тарельчатая пружина;
8 - гайка;
9 - статор турбины;
10 - корневая цилиндрическая цанга;
11 - тонкостенный металлический экран;
12 - упор;
13 - радиальная прорезь под шпильку;
14 - радиальная выфрезеровка-термокомпенсатор;
15 - пустотелое керамическое профилированное ребро.

На фиг. 1 - 10 видно, что все последовательно установленные части газопровода - газовпускной патрубок, входная улитка и газовыпускной диффузор сконструированы на основе единого принципа. Сущность этого принципа состоит в том, что соответствующие наборы керамических мини-элементов 1, плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках, охвачены снаружи (фиг. 3, 4 и 9) или изнутри (фиг. 10) несущими металлическими конструкциями типа "беличье колесо", собранными из соответствующих комплектов металлических элементов - металлических дисков-шпангоутов 3, закрепленных с керамическими мини-элементами замками 2 типа "ласточкин хвост" и шпильками 4, стягивающими все диски-шпангоуты 3, разделенные дистанцирующими цилиндрическими втулками 5, и закрепляющими диски-шпангоуты 3 с кольцом (или сегментом кольца) 6, приваренным к статору турбины 9. Шпильки на своих концах содержат гайки 8. Там же установлены тарельчатые пружины 7.

Геометрическая сложность входной улитки обусловила необходимость предусмотреть керамические мини-элементы I^I, I^II и I^III, образующие левый боковой, правый боковой и центральный обводы керамической улитки соответственно. Эти обводы закреплены при помощи замков 2 соответствующими дисками-шпангоутами 3^I, 3^II и 3^III (фиг. 4). Кроме этого, предусмотрена корневая цилиндрическая цанга 10, на которой вкруговую закреплены при помощи замков 2 и упора 12 керамические мини-элементы I^I левого обвода входной улитки. На внутренней поверхности цанги 10 закреплен тонкостенный металлически экран 11.

Диски-шпангоуты содержат радиальные прорези под шпильки 13 и радиальные выфрезеровки-термокомпенсаторы 14.

Кроме уже указанных керамических I^IV, I^V и металлических 3^IV, 3^V, 4, 6, 6^I, 6^II, 8 элементов, газовыпускной диффузор содержит пять керамических пустотелых профилированных ребер 15, во внутренней полости каждого из которых установлена шпилька, закрепленная своими концами на опорах, принадлежащих внешней и внутренней несущим металлическим конструкциям (фиг. 8).

Все три части газопровода установлены в статоре турбины с образованием квазигерметичных полостей (на фиг. 1 - 10 не показано), плотно заполненных гранулами тепловой изоляции - огнеупора и сообщающихся с компрессором ГТД по сжатому воздуху соответствующего давления.

Протекающий по газопроводу поток высокотемпературного газа оказывает на керамические мини-элементы давление изнутри, которое уравновешивается внешним давлением воздуха, заполняющим квазигерметичные полости с газопроводом. В результате напряжения в керамических мини-элементах сведены к возможному минимуму, что обеспечивает их надежность. Надежность керамических элементов обеспечивается также благодаря жаропрочности и жаростойкости конструкционной керамики.

Керамические мини-элементы 1 в составе газопровода удовлетворяют всем важным требованиям керамики как конструкционного материала, в частности требованиям принципов масштабного фактора, сопряжения керамических и металлических деталей, доминирующего нагружения напряжениями сжатия, равномерности изменения толщины керамической детали, отсутствия концентраторов напряжений и резко выраженных неравномерностей температурных полей, что обеспечивает надежность газопровода.

Наличие гранулированной термоизоляции газопровода обеспечивает минимальный спонтанный теплоотвод в окружающую среду.

Источник информации
1. A. Lienert, O. Schmoch. Experience with Large Gas Turbine Combustion Chambers. THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS 345E. 47 St., New York, N.Y.10017. 82-GT-57.

Газопровод предназначен для использования в газотурбостроении, в частности в высокотемпературной газовой турбине (ВГТ) газотурбинного двигателя (ГТД). Газопровод по длине выполнен составным в виде плотно состыкованных и уплотненных прокладками керамических мини-элементов с локальным закреплением каждого мини-элемента посредством замков типа "ласточкин хвост" в несущих конструкциях типа "беличье колесо". Части газопровода помещены в квазигерметичных полостях статора ГТД, плотно заполненных гранулами тепловой изоляции - огнеупора и сообщающихся с компрессором ГТД по сжатому цикловому воздуху соответствующего давления. Керамические мини-элементы в составе газопровода удовлетворяют требованиям принципов масштабного фактора, сопряжения керамических и металлических деталей, доминирующего нагружения напряжениями сжатия, равномерности изменения толщины керамической детали, отсутствия концентраторов напряжений и резко выраженных неравномерностей температурных полей, что обеспечивает надежность газопровода, разгруженного от перепадов давления газа, и снижение расхода охлаждвающего воздуха. 4 с. и 11 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Металлокерамический газопровод высокотемпературной газовой турбины, состоящий из трех наборов керамических мини-элементов и трех комплектов металлических элементов, принадлежащих соответствующим последовательно установленным частям газопровода: газовпускному патрубку, входной улитке и газовыпускному диффузору, отличающийся тем, что он по длине выполнен составным в виде плотно состыкованных керамических мини-элементов: сегментов коротких труб газовпускного патрубка, боковых и центральных сегментов входной улитки, сегментов внешних и внутренних коротких труб диффузора с локальным закреплением каждого керамического мини-элемента посредством по меньшей мере одного его наружного замка типа "ласточкин хвост", в который вставлен металлический диск-шпангоут с центральным отверстием, охватывающим снаружи керамический мини-элемент и его замок. 2. Газопровод по п.1, отличающийся тем, что металлические диски-шпангоуты содержат на периферии радиальные прорези под шпильки, а в центральной части радиальные выфрезеровки-термокомпенсаторы. 3. Газопровод по п.1, отличающийся тем, что металлические диски-шпангоуты каждого из трех комплектов скреплены между собой и со статором турбины посредством длинных шпилек, пронизывающих насквозь все диски-шпангоуты данного комплекта, с образованием металлического несущего каркаса типа "беличье колесо", охватывающего соответствующий набор керамических мини-элементов, плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках. 4. Газопровод по п.1, отличающийся тем, что в промежутках между дисками-шпангоутами установлены дистанцирующие цилиндрически втулки, подвижно насаженные на шпильки. 5. Газопровод по п.1, отличающийся тем, что на концах всех шпилек в местах их закрепления со статором турбины установлена по меньшей мере одна тарельчатая пружина. 6. Газопровод по п.1, отличающийся тем, что он установлен в статоре турбины с образованием по меньшей мере одной квазигерметичной полости, плотно заполненной гранулами тепловой изоляции - огнеупора. 7. Газопровод по п.1, отличающийся тем, что квазигерметичная полость выполнена сообщающейся с компрессором ГТД по сжатому цикловому воздуху соответствующего давления. 8. Металлокерамический газопровод высокотемпературной газовой турбины, состоящий из набора керамических мини-элементов и комплекта металлических элементов, принадлежащих входной улитке, отличающийся тем, что он выполнен составным в виде плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках керамических мини-элементов сегментов, образующих левый боковой, правый боковой и центральный обводы керамической улитки, с локальным закреплением каждого керамического сегмента посредством по меньшей мере одного его наружного замка типа "ласточкин хвост", в который вставлен соответствующий металлический диск-шпангоут с центральным отверстием. 9. Газопровод по п.8, отличающийся тем, что левый и правый боковые обводы керамической улитки зафиксированы замками типа "ласточкин хвост", в которые вставлены по одному на каждый обвод боковому металлическому диску-шпангоуту с центральным отверстием, а центральный обвод керамической улитки зафиксирован замками типа "ласточкин хвост", в которые вставлены по меньшей мере два центральных металлических диска-шпангоута с отверстием в центре, охватывающим снаружи центральную часть улитки. 10. Газопровод по п.8, отличающийся тем, что он содержит в качестве основной несущей конструкции металлическую корневую цилиндрическую цангу по меньшей мере с тремя разрезами-термокомпенсаторами, на наружной поверхности которой вкруговую установлены и закреплены посредством замков типа "ласточкин хвост" зафиксированные упором справа керамические сегменты, образующие левый боковой обвод керамической улитки, с установкой на внутренней поверхности цанги закрепленного слева металлического тонкостенного цилиндрического экрана. 11. Газопровод по п.8, отличающийся тем, что боковые и центральные металлические диски-шпангоуты закреплены между собой и с кольцом, приваренным к статору турбины, шпильками, вставленными в радиальные прорези на периферии дисков-шпангоутов. 12. Металлокерамический газопровод высокотемпературной газовой турбины, состоящий из двух наборов керамических мини-элементов и двух комплектов металлических элементов, принадлежащих по одному набору и по одному комплекту внешнему и по одному набору и по одному комплекту внутреннему обводам кольцевого диффузора, отличающийся тем, что он выполнен составным в виде плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках керамических мини-элементов - сегментов внешних и внутренних коротких конических труб, образующих внешний и внутренний обводы кольцевого диффузора. 13. Газопровод по п.12, отличающийся тем, что внешний обвод кольцевого диффузора установлен в центре внешней, а внутренний обвод кольцевого диффузора установлен снаружи внутренней несущих металлических конструкций типа "беличье колесо", сформированных из металлических дисков-шпангоутов, скрепленных между собой и с соответствующими металлическими кольцами, одно из которых, принадлежащее внешней несущей конструкции, приварено к статору турбины, а два других, принадлежащих внутренней несущей конструкции, не соединены со статором турбины и являются концевыми металлическими элементами. 14. Газопровод по п.12, отличающийся тем, что между внешним и внутренним обводами кольцевого диффузора установлены пустотелые керамические профилированные ребра, каждый из которых содержит в своей внутренней полости свободно вставленную шпильку, закрепленную концами на опорах, принадлежащих внешней и внутренней несущим металлическим конструкциям. 15. Металлокерамический газопровод высокотемпературной газовой турбины, состоящий из набора керамических мини-элементов и комплекта металлических элементов, принадлежащих газовпускному цилиндрическому патрубку, отличающийся тем, что он выполнен составным в виде плотно состыкованных между собой на уплотнительных прокладках керамических мини-элементов - сегментов коротких цилиндрических труб, образующих обвод газовпускного патрубка, который охвачен снаружи несущей металлической конструкцией типа "беличье колесо", сформированной из металлических дисков-шпангоутов, скрепленных между собой и с кольцом, приваренным к статору турбины.