ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ, ПРИКРЕПЛЕННОЙ К СОПЛОВОМУ АППАРАТУ Российский патент 2009 года по МПК F01D9/02 F23R3/60 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области газовых турбин, в частности, используемых в авиационных двигателях или промышленных турбинах. Более конкретно оно касается конструкции камеры сгорания, прикрепленной к сопловому аппарату турбины высокого давления.

Уровень техники

В известных газовых турбинах, содержащих кольцевые камеры сгорания, сопловой аппарат турбины высокого давления (БД), образующий входную ступень турбины, устанавливают таким образом, чтобы он был механически соединен с задней концевой частью камеры сгорания (во всем тексте настоящей заявки термины «передний» и «задний», а также «спереди» и «сзади» подразумевают положение относительно направления течения газов сгорания, образующихся в камере). Узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины ВД, может при этом поддерживаться соединительными деталями, соединенными с внутренней и с внешней металлическими оболочками.

Такая конструкция позволяет обеспечить более высокую степень непрерывности канала течения газов в месте соединения камеры сгорания с сопловым аппаратом турбины, а также облегчает обеспечение герметичности этого соединения по сравнению с конструкцией, в которой камера сгорания и сопловой аппарат турбины ВД по отдельности присоединены к внутренней и внешней металлическим оболочкам.

В заявке FR 2825787 A, F23R 3/60; F23R 3/50; F02C 7/20; F01D 9/04, 13.12.2002, поданной заявителем настоящего изобретения, описана газовая турбина - ближайший аналог настоящего изобретения. В известной турбине имеется камера сгорания с сопловым аппаратом турбины, присоединенным к ее задней концевой части. Камера сгорания выполнена из композитного материала с керамической матрицей (Ceramic Matrix Composite - CMC), а узел, состоящий из камеры сгорания и соплового аппарата турбины ВД, удерживается между внутренней и внешней металлическими оболочками при помощи тонких соединительных деталей, разделенных на секторы с целью компенсации относительных смещений, вызванных значительной разницей коэффициентов расширения металла и композитного керамического материала.

Хотя соединение соплового аппарата турбины ВД с камерой сгорания дает вышеуказанные преимущества, оно в то же время связано со следующими затруднениями. Сопловой аппарат турбины ВД содержит неподвижные (направляющие) лопатки, расположенные в канале течения газового потока. Вращающее усилие, прилагаемое газовым потоком к лопаткам, передается соединительным элементам, размеры которых должны быть подобраны с учетом этого обстоятельства при условии сохранения необходимой способности к деформации, поскольку они соединяют элементы, выполненные из материалов со значительно различающимися коэффициентами расширения.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанного затруднения. В соответствии с изобретением для решения поставленной задачи предлагается газовая турбина, содержащая:

- кольцевую камеру сгорания,

- сопловой аппарат турбины высокого давления, содержащий неподвижные лопатки, распределенные вокруг оси, совпадающей с осью камеры сгорания, причем сопловой аппарат механически соединен с задней концевой частью камеры сгорания,

- внутреннюю и внешнюю металлические оболочки, между которыми расположен узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины,

- и внутреннюю и внешнюю гибкие соединительные детали, соединяющие узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, соответственно с внутренней и внешней металлическими оболочками для поддержания указанного узла между оболочками.

В соответствии с изобретением в турбине дополнительно предусмотрены средства блокировки разворота соплового аппарата турбины вокруг своей оси относительно, по меньшей мере, одной из металлических оболочек во избежание передачи усилий, оказываемых на лопатки соплового аппарата турбины газовым потоком, поступающим из камеры сгорания, на части соединительных деталей, расположенных между узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, и металлическими оболочками.

Благодаря этому соединительные детали могут быть спроектированы только для поддержания узла, образованного камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины ВД, между металлическими оболочками и не рассчитаны на то, чтобы выдерживать вращающие или смещающие усилия.

В оптимальном варианте средства блокировки содержат блокирующие элементы, взаимодействующие с выступающей частью, жестко соединенной с металлической оболочкой, и с фланцем, жестко соединенным с сопловым аппаратом турбины. При этом выступающая часть, жестко соединенная с металлической оболочкой, может быть образована радиальным фланцем. В частности, блокирующие элементы могут воздействовать на радиальный фланец, жестко соединенный с металлической оболочкой, и на радиальный фланец, жестко соединенный с сопловым аппаратом турбины, между которыми может быть расположена кольцевая уплотнительная прокладка. Блокирующие элементы могут содержать ориентированные в осевом направлении стержни для крепления уплотнительной прокладки.

В соответствии с частным вариантом осуществления изобретения фланец, жестко соединенный с сопловым аппаратом турбины, расположен на конце соединительной детали, прикрепленном к сопловому аппарату турбины.

В оптимальном варианте для лучшего распределения усилий предусмотрены первые блокирующие элементы, действующие между радиальным фланцем, жестко соединенным с внутренней металлической оболочкой, и внутренним радиальным фланцем, жестко соединенным с сопловым аппаратом турбины, и вторые блокирующие элементы, действующие между радиальным фланцем, жестко соединенным с внешней металлической оболочкой, и внешним радиальным фланцем, жестко соединенным с сопловым аппаратом турбины.

Задние концевые части камеры сгорания предпочтительно зажаты между полками лопаток соплового аппарата турбины и концевыми частями соединительных деталей при помощи соединительных элементов, соединяющих в единый узел соединительные детали, камеру сгорания и сопловой аппарат турбины.

Настоящее изобретение применимо к газовым турбинам, содержащим камеру сгорания, выполненную из материала CMC или из жаропрочных металлических материалов. Соединительные детали также могут быть выполнены из металлических материалов или, по меньшей мере, частично из материала CMC.

Краткое описание чертежей

Другие свойства и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи и не вносящего каких-либо ограничений. На чертежах:

фиг.1 схематично изображает часть газовой турбины в осевом разрезе,

фиг.2 и 3 изображают в перспективе часть узла, содержащего заднюю концевую часть камеры сгорания и сопловой аппарат турбины ВД, а также соединительные детали газовой турбины по фиг.1,

на фиг.4-6 представлены детальные изображения вариантов осуществления блокировки разворота соплового аппарата турбины ВД.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 изображена в осевом разрезе газовая турбина, содержащая кольцевую камеру 10 сгорания, сопловой аппарат 20 турбины высокого давления, механически соединенный с задней концевой частью камеры 10 сгорания, внутреннюю кольцевую металлическую оболочку 30 и внешнюю кольцевую металлическую оболочку 40, а также соединительные детали 50, 60, удерживающие узел, образованный камерой 10 сгорания и сопловым аппаратом 20, в пространстве, ограниченном оболочками 30 и 40.

Камера 10 сгорания ограничена внутренней кольцевой стенкой 12 и внешней кольцевой стенкой 13, имеющими общую ось 11, и передней торцевой (лобовой) стенкой 14, прикрепленной к стенкам 12 и 13. По хорошо известной технологии лобовая стенка 14 содержит несколько отверстий 14а, распределенных вокруг оси 11, в которых размещены форсунки, предназначенные для подачи топлива и окислителя в камеру сгорания.

Сопловой аппарат 20 турбины ВД, образующий входную часть турбины, содержит неподвижные (направляющие) лопатки, распределенные по окружности вокруг оси 11. Как видно из фиг.2 и 3, каждая лопатка содержит перо 21, концы которого жестко прикреплены к внутренней полке 22 (полке замка) и к внешней (бандажной) полке 23. Полки 22, 23 имеют форму расположенных встык кольцевых секторов. Внутренние поверхности полок 22, 23 ограничивают канал течения газов в сопловом аппарате. Каждой паре полок, состоящей из внутренней полки и внешней полки, может соответствовать одна или несколько лопаток.

Внутренняя металлическая оболочка 30 состоит из двух частей 31, 32, соединенных болтовым соединением при помощи соответствующих фланцев 31а, 32а. Аналогичным образом внешняя металлическая оболочка 40 состоит из двух частей 41, 42, соединенных болтовым соединением при помощи соответствующих фланцев 41а, 42а. Через пространство 33, расположенное между внутренней стенкой 12 камеры 10 и внутренней оболочкой 30, а также через пространство 43, расположенное между внешней стенкой 13 камеры 10 и внешней оболочкой 40, распространяются потоки охлаждающего вторичного воздуха (обозначенные стрелками f), обтекающие камеру 10 сгорания.

В представленном примере внутренняя соединительная деталь 50 имеет первый конец 51 в форме фланца, который соединен с внутренней оболочкой 30, будучи вставлен между фланцами 31а, 32а и скреплен с ними болтами. Другим своим концом 52 соединительная деталь 50 соединена с задней концевой частью 12а внутренней стенки 12 камеры 10 сгорания. Часть соединительной детали 50, проходящая через пространство 33, имеет криволинейную форму, по существу, S-образного сечения, что обеспечивает ее гибкость, необходимую для компенсации разницы радиального расширения камеры 10 сгорания и оболочки 30, особенно в случае, если камера 10 сгорания выполнена из CMC.

В частности, в этом случае в составе внутренней соединительной детали 50 выделяют несколько секторных планок 52а, проходящих от второго конца 52 соединительной детали на некоторое расстояние в направлении ее первого конца 51. Это выделение может быть осуществлено при помощи прорезей 52b, разделяющих планки 52а и проходящих от второго конца 52 до отверстий 54, предусмотренных в соединительной детали 50 и распределенных по окружности вокруг оси 11 для обеспечения возможности поступления потоков вторичного воздуха в пространство 33. Прорези 52b позволяют скомпенсировать разность расширения в направлении по окружности.

В представленном примере внешняя соединительная деталь 60 имеет первый конец 61, соединенный с внутренней стенкой внешней оболочки 40. Для этого в крае 61 детали 60 предусмотрены отверстия 61а, в которые вставлены резьбовые шпильки, расположенные на внутренней стенке оболочки 40 и распределенные по окружности вокруг оси 11, причем соединение осуществлено при помощи гаек 61b. Вторым своим концом 62 соединительная деталь 60 соединена с задней концевой частью 13а внешней стенки 13 камеры 10 сгорания. Часть соединительной детали 60, проходящая через пространство 43, имеет криволинейную форму, по существу, S-образного сечения, что обеспечивает ее гибкость, необходимую для компенсации разницы расширения внешней оболочки 40 и камеры 10 сгорания, особенно в случае, если последняя выполнена из CMC. В частности, в этом случае дополнительно производят выделение в составе внешней соединительной детали 60 нескольких секторных планок 62а, подобно тому, как это сделано в отношении внутренней соединительной детали 50. Таким образом, прорези 62b, разделяющие планки 62а, проходят от второго конца 62 соединительной детали 60 на некоторое расстояние в направлении первого конца 61, например, до отверстий 64, обеспечивающих возможность поступления вторичных потоков воздуха в пространство 43.

Если стенки камеры сгорания выполнены из жаропрочного металлического материала, образование секторов в соединительных деталях 50 и 60 может не потребоваться.

Разумеется, первый конец 61 соединительной детали 60 может быть соединен с внешней оболочкой 40 при помощи соединительных фланцев 41а, 42а так же, как первый конец 51 соединительной детали 50. В свою очередь, первый конец 51 соединительной детали 50 может быть соединен с внутренней оболочкой 30 иначе, чем при помощи фланцев 31а, 32а.

В оптимальном варианте для механического соединения заднего конца камеры 10 сгорания, разделенных на секторы концов соединительных деталей и полок соплового аппарата 20 с внутренней и внешней стороны используют одни и те же средства соединения.

В представленном примере средства соединения содержат резьбовые шпильки 22а, направленные в радиальном направлении внутрь от полок 22 и жестко соединенные с ними, и резьбовые шпильки 23а, направленные в радиальном направлении наружу от полок 23 и жестко соединенные с ними.

Внутренняя стенка 12 камеры 10 сгорания имеет заднюю концевую часть 12а, которая прижимается к внешней стороне полок 22, доходя, по существу, вплоть до их заднего края. Для этого в концевой части камеры сгорания предусмотрены отверстия 12b, через которые проходят резьбовые шпильки 22а. Аналогичным образом конец 52 соединительной детали 50 прижимается к задней концевой части 12а стенки камеры сгорания, причем в планках 52а предусмотрены отверстия 52с, через которые проходят резьбовые шпильки 22а. Для осуществления соединения используют гайки 22b, навинченные на резьбовые шпильки и стягивающие полки 22, концевую часть 12а камеры сгорания и планки 52а, упираясь в выступы 52d, которые предусмотрены на планках 52а и через которые проходят отверстия 52 с.

В задней концевой части 13а внешней стенки 13 камеры 10 сгорания, которая прижимается к внешней стороне полок 23, предусмотрены выемки 13b, через которые проходят резьбовые шпильки 23а. Конец 62 соединительной детали 60 прижимается к наружной поверхности задней концевой части 13а внешней стенки 13 камеры сгорания, причем в планках 62b предусмотрены выемки 62с, через которые проходят резьбовые шпильки 23а, обеспечивающие возможность установки данной стенки. Гайки 23b, навинченные на резьбовые шпильки 23а, стягивают полки 23, концевую часть 13а камеры сгорания и планки 62а, упираясь в последние.

Следует отметить, что соединение, предусмотренное между камерой 10 сгорания и сопловым аппаратом 20, позволяет добиться высокого уровня герметичности в их стыке. Кроме того, для обеспечения непрерывности основного канала течения газового потока, поступающего из камеры сгорания (и обозначенного стрелкой F), в местах соединения задних концевых частей 12а, 13а с остальными частями стенок 12, 13 предусмотрены небольшие уступы 12d, 13d, как это показано на фиг.1. Таким образом, канал течения газов на выходе из камеры сгорания, по существу, гладко и неразрывно соединяется с каналом течения газов в сопловом аппарате.

В полках 22, 23 предусмотрены отверстия (не представлены на чертежах), сообщающиеся с отверстиями, предусмотренными в концевых частях 12а, 13а стенок камеры 10 и в кольцах 24, 26, которые обеспечивают возможность прохождения охлаждающего воздуха из пространств 33, 43 к неподвижным лопаткам 21 соплового аппарата 20.

В соответствии с одной из отличительных особенностей изобретения для предотвращения разворота соплового аппарата без передачи вращающего или смещающего усилия на части соединительных деталей 50, 60 предусмотрены средства блокировки.

В варианте осуществления по фиг.1-3 средства блокировки образованы штифтами 35, жестко соединенными с внутренней оболочкой 30, которые входят в радиальные выемки 55b, предусмотренные во фланце 55, жестко соединенном с сопловым аппаратом 20. В представленном примере штифты 35 вытянуты в осевом направлении, распределены по окружности вокруг оси 11 и закреплены на радиальном фланце 36, жестко соединенном с оболочкой 30, по существу, вблизи заднего края соплового аппарата 20. Штифты 35 могут быть прикреплены к фланцу 36 методом запрессовки в отверстия, предусмотренные во фланце 36, или же приварены к нему. В представленном примере фланец 55 также разделен на секторы, причем секторы 55а, образующие этот фланец, жестко соединены с секторными планками 52а соединительной детали 50 и расположены вблизи ее заднего края, позади от места соединения соединительной детали 50 с сопловым аппаратом 20, так что секторы 55а оказываются жестко соединены с внутренними полками 22 соплового аппарата.

Следует отметить, что герметичность заднего края пространства 33 обеспечивается при помощи кольцевой прокладки 37 типа «омега», расположенной в пазе фланца 36 и прижатой к фланцу 55. Таким образом, фланцы 36 и 55 играют двойную роль, обеспечивая поддержку уплотнительной прокладки и средств блокировки разворота соплового аппарата.

В альтернативном варианте блокирующие штифты, ориентированные в осевом направлении, могут быть прикреплены к фланцу 55 и входить в углубления (например, продолговатые глухие отверстия), предусмотренные во фланце 36.

С внешней стороны герметичность заднего края пространства 43 обеспечивается ленточной прокладкой 38, основание которой расположено в кольцевом пазе 26b, радиально открытом наружу и предусмотренном в торце кольцевого фланца 26. Этот фланец состоит из секторов 26а, жестко скрепленных с внешними полками 23 и расположенных вблизи заднего края соплового аппарата 20. Прокладка 38 закреплена при помощи стержней 25, проходящих через бортики паза 26b и ориентированных в осевом направлении. Прокладка 38 прижимается к выступу 46а, предусмотренному на радиальном фланце 46, жестко соединенном с оболочкой 40 на заднем крае соплового аппарата 20.

В процессе эксплуатации усилие, оказываемое на лопатки соплового аппарата газовым потоком, поступающим из камеры 10 сгорания, передается штифтам 35 через резьбовые шпильки 22а и фланец 55, причем на соединительные детали 50 и 60 не воздействует никакое вращающее усилие. Таким образом, нет необходимости увеличивать размеры этих соединительных деталей. Более того, в случае использования камеры сгорания, выполненной из материала CMC, соединительные детали также могут быть выполнены из материала CMC. При этом разделение соединительных деталей на секторы в месте их соединения с камерой сгорания более не является необходимым, однако такое разделение может быть желательно в местах их соединения с внутренней и с внешней металлическими оболочками.

На фиг.4 представлен другой вариант осуществления изобретения, который отличается от варианта осуществления по фиг.1-3 тем, что штифты 35 входят в выемки 24b, предусмотренные в разделенном на секторы фланце 24, жестко соединенном непосредственно с внутренними полками 22, причем каждый сектор фланца соответствует одной из внутренних полок 22. В этом случае задние края внутренней стенки 12 камеры 10 сгорания и планок 52а соединительной детали 50, а также задние края внешней стенки 13 камеры 10 сгорания и планок 62а соединительной детали 60 расположены на некотором расстоянии от заднего края соплового аппарата 20.

На фиг.5 представлен еще один вариант осуществления изобретения, который отличается от варианта осуществления по фиг.1-3 тем, что дополнительно обеспечивает блокировку разворота соплового аппарата 20 относительно внешних полок 23.

В оптимальном варианте для этого используют стержни 25' для крепления прокладки 38, продлевая их в направлении течения газового потока так, что они входят в отверстия 46с, предусмотренные во фланце 46. Стержни 25' могут иметь большие размеры, т.е. их диаметр может быть увеличен по сравнению с размерами, достаточными для поддержания уплотнительной прокладки 38.

Вариант осуществления изобретения по фиг.5, в котором осуществляется блокировка разворота относительно как внутренних, так и внешних полок, оптимален, т.к. он позволяет обеспечить распределение передаваемого усилия между сопловым аппаратом и металлическими оболочками. Разумеется, для блокировки разворота соплового аппарата относительно внешних полок могут быть использованы конструкции, сходные с используемыми в варианте осуществления по фиг.4, т.е. блокирующие штифты 27, прикрепленные к фланцу 46 и входящие в продолговатые глухие отверстия 26с, предусмотренные во фланце 26, как это показано на фиг.6.

Газовая турбина содержит сопловой аппарат турбины высокого давления с неподвижными лопатками, распределенными вокруг оси, совпадающей с осью камеры сгорания, внутреннюю и внешнюю металлические оболочки, а также внутреннюю и внешнюю гибкие соединительные детали. Сопловой аппарат механически соединен с задней концевой частью камеры сгорания и образует с ней единый узел. Узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, расположен между внутренней и внешней металлическими оболочками. Внутренняя и внешняя гибкие соединительные детали соединяют узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, с внутренней и внешней металлическими оболочками для поддержания указанного узла между оболочками. Газовая турбина дополнительно содержит средства блокировки разворота соплового аппарата турбины вокруг своей оси относительно, по меньшей мере, одной из металлических оболочек во избежание передачи усилий, оказываемых на лопатки соплового аппарата турбины газовым потоком, поступающим из камеры сгорания, на части соединительных деталей, расположенных между узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, и металлическими оболочками. Изобретение позволяет использовать соединительные детали, не рассчитанные выдерживать вращающие и смещающие усилия. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газовая турбина, содержащая:
кольцевую камеру (10) сгорания,
сопловой аппарат (20) турбины высокого давления, содержащий неподвижные лопатки, распределенные вокруг оси, совпадающей с осью камеры сгорания, причем сопловой аппарат механически соединен с задней концевой частью камеры сгорания и образует с ней единый узел,
внутреннюю и внешнюю металлические оболочки (30, 40), между которыми расположен узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины,
и внутреннюю и внешнюю гибкие соединительные детали (50, 60), соединяющие узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины соответственно с внутренней и с внешней металлическими оболочками для поддержания указанного узла между оболочками,
отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства (35; 25'; 27) блокировки разворота соплового аппарата (20) турбины вокруг своей оси относительно, по меньшей мере, одной из металлических оболочек (30, 40) во избежание передачи усилий, оказываемых на лопатки соплового аппарата турбины газовым потоком, поступающим из камеры (10) сгорания, на части соединительных деталей (50, 60), расположенных между узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, и металлическими оболочками.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что средства блокировки содержат блокирующие элементы, взаимодействующие с выступающей частью (36, 46), жестко соединенной с металлической оболочкой (30, 40), и с фланцем (55, 26; 24), жестко соединенным с сопловым аппаратом турбины.

3. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что выступающая часть, жестко соединенная с металлической оболочкой, образована радиальным фланцем (36, 46).

4. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что блокирующие элементы выполнены воздействующими на радиальный фланец, жестко соединенный с металлической оболочкой (30, 40), и на радиальный фланец, жестко соединенный с сопловым аппаратом турбины, между которыми расположена кольцевая уплотнительная прокладка (37, 38).

5. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что блокирующие элементы содержат ориентированные в осевом направлении стержни (25') для крепления уплотнительной прокладки.

6. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что фланец (55), жестко соединенный с сопловым аппаратом турбины, расположен на конце (52) соединительной детали (50), прикрепленном к сопловому аппарату (20) турбины.

7. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что содержит первые блокирующие элементы (35), действующие между радиальным фланцем, жестко соединенным с внутренней металлической оболочкой, и внутренним радиальным фланцем, жестко соединенным с сопловым аппаратом турбины, и вторые блокирующие элементы (25′), действующие между радиальным фланцем, жестко соединенным с внешней металлической оболочкой, и внешним радиальным фланцем, жестко соединенным с сопловым аппаратом турбины.

8. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что задние концевые части (12а, 13а) камеры (10) сгорания зажаты между полками (22, 23) лопаток соплового аппарата турбины и концевыми частями (52а, 62а) соединительных деталей при помощи соединительных элементов (22а-22b, 23а-23b), соединяющих в единый узел соединительные детали, камеру сгорания и сопловой аппарат турбины.

9. Турбина по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что стенки камеры сгорания и, по меньшей мере, частично соединительные детали выполнены из композитного материала с керамической матрицей.