КВАЗИАДИАБАТНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F01D9/02 F01D5/28 

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению, в частности к сопловым лопаткам газовой турбины.

Известен сопловой аппарат газовой турбины [1], состоящий из периферийного керамического кольца, корневого керамического кольца, керамических сопловых лопаток, периферийного металлического несущего кольца, корневого металлического несущего кольца.

Недостатком такой конструкции является выполнение каждой пустотелой керамической сопловой лопатки заодно с полками (периферийной и корневой), при стыковке которых образуются разрезные периферийное и корневое керамические кольца, установленные во внешней и внутренней металлических обоймах, являющихся металлическими несущими периферийным и корневым кольцами. В керамических лопатках, выполненных заодно с полками, температурное поле отличается большой неравномерностью, что, как показал опыт, приводит к возникновению трещин в местах соединения пера лопатки с полками и, следовательно, обусловливает ненадежность соплового аппарата газовой турбины.

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

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности керамического соплового аппарата.

Поставленная задача достигается за счет того, что
во-первых, периферийное и корневое керамические кольца выполнены разрезными с образованием отдельных секторов-полок между разрезами, причем попарно сопрягаемые правый и левый концы секторов-полок снабжены углублениями "спинка" и "корытце", образующими при стыковке смежных секторов-полок профилированную полость, идентичную по форме соответствующему концу пера керамической сопловой лопатки;
во-вторых, керамическая сопловая лопатка выполнена в виде сплошного профилированного пера с профилированными периферийным и корневым концами;
в-третьих, керамическая сопловая лопатка выполнена в виде пустотелого профилированного пера с профилированными периферийным и корневым концами;
в-четвертых, профилированные концы сопловых лопаток свободно установлены в соответствующих профилированных полостях в периферийном и корневом керамических кольцах;
в-пятых, в зонах контактов сопрягаемых керамических элементов установлены высокотемпературные эластичные прокладки;
в-шестых, периферийное металлическое несущее кольцо выполнено из соединенных крепежными изделиями симметричных левого и правого колец с установкой вставленных и зажатых между ними дистанцирующих металлических проставок-шайб, а корневое металлическое несущее кольцо имеет снаружи паз типа "ласточкин хвост" и поперечные монтажные прорези, а с внутренней стороны по меньшей мере один фиксирующий кольцо зуб;
в-седьмых, между левым и правым кольцами свободно установлены локальные керамические выступы-опоры, принадлежащие периферийному керамическому разрезному кольцу;
в-восьмых, периферийное керамическое разрезное кольцо имеет на наружной поверхности керамические локальные выступы-опоры;
в-девятых, на дистанцирующей проставке-шайбе свободно установлена металлическая серьга-опора с пазом типа "ласточкин хвост" со стороны цилиндрической поверхности, сопрягаемой с наружной поверхностью периферийного керамического разрезного кольца;
в-десятых, периферийное керамическое разрезное кольцо имеет на наружной поверхности керамические локальные выступы-опоры в виде "ласточкина хвоста";
в-одиннадцатых, корневое керамическое разрезное кольцо имеет на внутренней поверхности керамические локальные выступы-опоры в виде "ласточкина хвоста";
в-двенадцатых, подвижные соединения типа "ласточкин хвост" содержат уплотнение;
в-тринадцатых, на периферийном металлическом несущем кольце установлены свободно вращающиеся на крепежных изделиях талрепы и что левое и правое кольца периферийного металлического несущего кольца со стороны внутренней цилиндрической поверхности имеют полуцилиндрические выфрезеровки-отверстия, расположенные над разрезами периферийного керамического разрезного кольца;
в-четырнадцатых, керамические разрезные кольца зафиксированы от проворачивания под действием газовых сил, приложенных к сопловым лопаткам.

Изобретение поясняется соответствующими конструктивными схемами, которые представлены в следующем виде:
фиг.1 - продольный разрез соплового аппарата;
фиг.2 - узел I;
фиг.3 - узел II;
фиг.4 - узел III;
фиг.5 - модификация узла II;
фиг.6 - Вид А
фиг.7 - узел IV.

На фиг.1-7 обозначено:
1 - корневое керамическое (разрезное) кольцо (набор секторов-полок 20);
2 - периферийное керамическое (разрезное) кольцо (набор секторов-полок 19);
3 - корневое металлическое несущее кольцо;
4 - металлическое левое кольцо (часть периферийного металлического несущего кольца);
5 - металлическое правое кольцо (часть периферийного металлического несущего кольца);
6 - дистанцирующая проставка-шайба;
7 - шайба стопорная;
8 - крепежное изделие (болт, винт);
9 - уплотнение;
10 - керамическая сопловая лопатка (профилированное перо с периферийным и корневым концами);
11 - высокотемпературная эластичная прокладка;
12 - талреп;
13 - металлическая серьга-опора;
14 - локальный выступ-опора типа "ласточкин хвост";
15 - периферийное металлическое несущее кольцо (левое кольцо 4);
16 - полуцилиндрическая выфрезеровка-отверстие;
17 - локальный керамический выступ-опора;
18 - зуб, фиксирующий кольцо;
19 - периферийная керамическая сектор-полка (часть кольца 2);
20 - корневая керамическая сектор-полка (часть кольца 1).

На фиг.1-7 видно, что корневое керамическое (разрезное) кольцо 1, собранное на корневом металлическом несущем кольце 3 из корневых керамических секторов-полок 20 - с установкой между их концами керамических сопловых лопаток 10, и периферийное керамическое (разрезное) кольцо 2, собранное из периферийных керамических сопловых лопаток 10 и соединенное с левым 4 и правым 5 металлическими кольцами (см. фиг.3 и 5), представляют собой в сборе керамический сопловой аппарат. Принципиальная особенность такой конструкции состоит в том, что все ее керамические детали - сопловые лопатки 10, периферийные 19 и корневые 20 полки - имеют малые определяющие размеры (и, следовательно, объемы) и разделены между собой высокотемпературными эластичными прокладками 11. Такая принципиальная особенность керамического соплового аппарата удовлетворяет всем важным требованиям керамики как конструкционного материала [2,3], в частности требованиям принципа масштабного фактора - необходимости обеспечить минимальные размеры и объем керамических деталей, требованиям принципа сопряжения керамической детали со смежными деталями - необходимости установки между сопрягаемыми деталями эластичной прокладки, требованиям принципа доминирующего нагружения керамической детали напряжениями сжатия, принципа равномерности толщины керамической детали и, наконец, принципов отсутствия в керамической детали концентраторов напряжений и резко выраженных неравномерностей температурных полей.

В связи с изложенным есть основания считать предлагаемый керамический сопловой аппарат (фиг.1-7) надежным узлом высокотемпературной газовой турбины. Испытания подтвердили это.

При работе газовой турбины сопловой аппарат охлаждается спонтанно - путем передачи небольшого количества теплоты вовне теплопроводностью через материал тепловой изоляции, которой окружена газовая турбина. Именно поэтому сопловой аппарат является квазиадиабатным, и в связи с этим его работа происходит с весьма малыми потерями энергии от охлаждения и с равномерными полями температуры [4].

Уплотнение 9 и прокладки 11 обеспечивают отсутствие протечек рабочего тела турбины (газа).

Элементы конструкции 6-8 и 13, 14, 17 обеспечивают надежность соединения колец 1, 4 и 5.

Талрепы 12 предотвращают поворот соплового аппарата и позволяют регулировать зазоры между деталями.

Зуб 18 предотвращает поворот кольца 3.

Выфрезеровки-отверстия 16 уменьшают потоки теплоты и придают кольцам 4 и 5 необходимую эластичность.

Источники информации
1. Патент США (US) 4396349, МКИ F 01 D 11/02. Публикация от 08.02.83 Т. 1033 1. Лопатка соплового аппарата турбины газотурбинного двигателя.

2. Тихоплав В. Ю., Сударев А.В., Орлов А.П. Выбор структуры высокотемпературной газотурбинной установки с керамическими элементами // Пром.теплотехника. 1990. Т. 12. 4. С. 77-89.

3. Кириллов И.И., Сударев А.В., Тихоплав В.Ю. Перспективы повышения экономичности ГТУ // Тяжелое машиностроение. 1992. 3. С. 4-5.

4. Тихоплав В.Ю. О принципе спонтанного охлаждения лопаток "Флокс" высокотемпературной газовой турбины ГТД // Турбины и компрессоры. Выпуск 6, 7 (2, 3-98). Санкт-Петербург: НИКТИТ, 1998. - С. 17-22.

Квазиадиабатный керамический сопловой аппарат высокотемпературной газовой турбины содержит периферийное и корневое керамические кольца, керамические сопловые лопатки, периферийное и корневое металлические несущие кольца. Периферийное и корневое керамические кольца выполнены разрезными с образованием отдельных секторов-полок между разрезами. Попарно сопрягаемые правый и левый концы секторов-полок снабжены углублениями "спинка" и "корытце", образующими при стыковке смежных секторов-полок профилированную полость, идентичную по форме соответствующему концу пера керамической сопловой лопатки. Периферийное металлическое несущее кольцо выполнено из соединенных крепежными изделиями симметричных левого и правого колец с установкой вставленных и зажатых между ними дистанцирующих металлических проставок-шайб, корневое металлическое несущее кольцо имеет снаружи паз типа "ласточкин хвост" и поперечные монтажные прорези, а с внутренней стороны по меньшей мере один фиксирующий кольцо зуб. Изобретения позволяют повысить надежность керамического соплового аппарата. 2 c. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Квазиадиабатный керамический сопловой аппарат высокотемпературной газовой турбины, содержащий периферийное керамическое кольцо, корневое керамическое кольцо, керамические сопловые лопатки, периферийное металлическое несущее кольцо, корневое металлическое несущее кольцо, отличающийся тем, что периферийное и корневое керамические кольца выполнены разрезными с образованием отдельных секторов-полок между разрезами, причем попарно сопрягаемые правый и левый концы секторов-полок снабжены углублениями "спинка" и "корытце", образующими при стыковке смежных секторов-полок профилированную полость, идентичную по форме соответствующему концу пера керамической сопловой лопатки. 2. Сопловой аппарат по п. 1, отличающийся тем, что керамическая сопловая лопатка выполнена в виде сплошного профилированного пера с профилированными периферийным и корневым концами. 3. Сопловой аппарат по п. 1, отличающийся тем, что керамическая сопловая лопатка выполнена в виде пустотелого профилированного пера с профилированными периферийным и корневым концами. 4. Сопловой аппарат по п. 1, отличающийся тем, что профилированные концы сопловых лопаток свободно установлены в соответствующих профилированных полостях в периферийном и корневом керамических кольцах. 5. Сопловой аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в зонах контактов сопрягаемых керамических элементов установлены высокотемпературные эластичные прокладки. 6. Квазиадиабатный керамический сопловой аппарат высокотемпературной газовой турбины, содержащий периферийное и корневое керамические разрезные кольца, керамические сопловые лопатки в виде профилированного пера и профилированных периферийного и корневого концов, периферийное металлическое несущее кольцо, корневое металлическое несущее кольцо, отличающийся тем, что периферийное металлическое несущее кольцо выполнено из соединенных крепежными изделиями симметричных левого и правого колец с установкой вставленных и зажатых между ними дистанционирующих металлических проставок-шайб и что корневое металлическое несущее кольцо имеет снаружи паз типа "ласточкин хвост" и поперечные монтажные прорези, а с внутренней стороны - по меньшей мере один фиксирующий кольцо зуб. 7. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что между левым и правым кольцами свободно установлены локальные керамические выступы-опоры, принадлежащие периферийному керамическому разрезному кольцу. 8. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что периферийное керамическое разрезное кольцо имеет на наружной поверхности керамические локальные выступы-опоры. 9. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что на дистанцирующей проставке-шайбе свободно установлена металлическая серьга-опора с пазом типа "ласточкин хвост" со стороны цилиндрической поверхности, сопрягаемой с наружной поверхностью периферийного керамического разрезного кольца. 10. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что периферийное керамическое разрезное кольцо имеет на наружной поверхности керамические локальные выступы-опоры в виде ласточкина хвоста. 11. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что корневое керамическое разрезное кольцо имеет на внутренней поверхности керамические локальные выступы-опоры в виде ласточкина хвоста. 12. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что подвижные соединения типа "ласточкин хвост" содержат уплотнение. 13. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что на периферийном металлическом несущем кольце установлены свободно вращающиеся на крепежных изделиях талрепы и что левое и правое кольца периферийного металлического несущего кольца, со стороны внутренней цилиндрической поверхности, имеют полуцилиндрические выфрезеровки-отверстия, расположенные над разрезами периферийного керамического разрезного кольца. 14. Сопловой аппарат по п. 6, отличающийся тем, что керамические разрезные кольца зафиксированы от проворачивания под действием газовых сил, приложенных к сопловым лопаткам.