ТУРБОМАШИНА, СОПЛОВОЙ АППАРАТ КОТОРОЙ УСТАНОВЛЕН НА КАМЕРЕ СГОРАНИЯ СО СТЕНКАМИ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2010 года по МПК F01D9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области газовых турбин, а более конкретно касается конструкции камеры сгорания, содержащей стенки, выполненные из композитного материала с керамической матрицей (Ceramic Matrix Composite - CMC). Область применения изобретения охватывает промышленные газовые турбины, а также турбореактивные или турбовинтовые авиационные двигатели.

Уровень техники

Использование материалов CMC для изготовления стенок камер сгорания газовых турбин было предложено в связи с термоконструкционными свойствами этих материалов, т.е. их способностью сохранять высокие механические свойства при высоких температурах. Действительно, повышение эффективности и сокращение выбросов загрязняющих материалов требуют использования более высоких температур сгорания.

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 кольцевая камера сгорания из материала CMC, механически соединенная с сопловым аппаратом турбины высокого давления (входной ступенью турбины). Сопловой аппарат турбины образован направляющими (неподвижными) лопатками, каждая из которых содержит две полки, между которыми расположено перо лопатки. Полки выполнены из металла и имеют форму секторов кольца, внутренние стороны которых ограничивают канал течения газов, поступающих из камеры сгорания, через сопловой аппарат. Механическое соединение осуществлено с использованием болтового крепления задних (относительно направления течения газов сгорания) краев внутренней и внешней стенок камеры сгорания к внутренним и внешним полкам соплового аппарата турбины. Кроме того, предусмотрено механическое соединение с использованием гибких соединительных элементов, которые удерживают узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом, между внутренней и внешней оболочками металлического корпуса.

Установка соплового аппарата турбины на заднем крае камеры сгорания, а не путем непосредственного механического соединения с металлическим корпусом, как это было предусмотрено в ранее известных решениях, дает несколько преимуществ: она обеспечивает более точное выравнивание каналов течения газов на выходе из камеры сгорания и в сопловом аппарате, а также облегчает обеспечение герметичности соединения камеры сгорания с сопловым аппаратом.

Однако соединение деталей, выполненных из разных материалов (материала CMC и металла), имеющих разные коэффициенты теплового расширения, связано с определенными затруднениями. Кроме того, хотя герметичность соединения камеры сгорания с сопловым аппаратом легко может быть обеспечена, необходимо дополнительно обеспечить герметичность стыков между полками соплового аппарата, имеющими форму секторов кольца.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке эффективной конфигурации соплового аппарата турбины, установленного на камере сгорания со стенками из композитного материала. Предложенная конфигурация, в частности, должна сократить количество требуемых деталей и тем самым обеспечить снижение массы и упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается тубромашина, содержащая кольцевую камеру сгорания с внутренней и внешней стенками, выполненными из композитного материала с керамической матрицей, и сопловой аппарат турбины высокого давления, жестко прикрепленный к заднему краю камеры сгорания и содержащий направляющие лопатки, перья которых расположены между внутренней стенкой и внешней стенкой кольцевого канала течения газов, поступающих из камеры сгорания, через сопловой аппарат. Сопловой аппарат выполнен из композитного материала с керамической матрицей и соединен с задним краем камеры сгорания методом пайки. Задние края внутренней и внешней стенок камеры сгорания продолжаются до заднего края соплового аппарата и образуют внутреннюю стенку и внешнюю стенку кольцевого канала течения газов, к которым методом пайки прикреплены перья лопаток соплового аппарата. Таким образом, продление внутренней и внешней стенок камеры сгорания наиболее простым образом обеспечивает герметичность канала течения газов в сопловом аппарате турбины.

Выполнение соплового аппарата турбины из материала CMC и его соединение с камерой сгорания методом пайки позволяют получить весьма значительную экономию массы по сравнению с металлическим сопловым аппаратом турбины вследствие более низкой плотности материала CMC, а также добиться оптимального разрешения проблемы соединения камеры с сопловым аппаратом.

Первые радиальные концы перьев лопаток могут быть припаяны к углублениям, предусмотренным во внутренней или во внешней стенке канала течения газов, а их вторые радиальные концы могут быть вставлены в отверстия, предусмотренные во внутренней или во внешней стенке канала течения газов, и в оптимальном варианте припаяны к указанным отверстиям.

Узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, может поддерживаться внутри металлического корпуса, содержащего внутреннюю металлическую оболочку и внешнюю металлическую оболочку, внутренними и внешними соединительными элементами, связывающими указанный узел соответственно с внутренней и с внешней оболочками.

В соответствии с первым основным вариантом осуществления изобретения соединительные элементы содержат внутренние соединительные пластины, выполненные из композитного материала с керамической матрицей, каждая из которых имеет первый конец, соединенный с внутренней металлической оболочкой, и второй конец, соединенный с узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, и внешние соединительные пластины, выполненные из композитного материала с керамической матрицей, каждая из которых имеет первый конец, соединенный с внешней металлической оболочкой, и второй конец, соединенный с узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины.

В оптимальном варианте вторые концы соединительных пластин жестко скреплены с внутренним или с внешним кольцевыми ободами, выполненными из композитного материала с керамической матрицей и соединенными с наружными поверхностями продолжения стенок камеры сгорания, образующими соответственно внутреннюю стенку и внешнюю стенку канала течения газов через сопловой аппарат турбины. Радиальные концы перьев, проходящие через стенки канала течения газов в сопловом аппарате, могут быть припаяны также к одному из указанных кольцевых ободов, выполненных из материала CMC.

Далее в оптимальном варианте внутренний или внешний кольцевой обод, выполненный из материала CMC, содержит часть, которая совместно с фланцем, жестко скрепленным с внутренней или с внешней металлической оболочкой, удерживает уплотнительную прокладку, обеспечивающую герметичность заднего края кольцевого пространства, расположенного между узлом, образованным камерой сгорания с сопловым аппаратом турбины, и внутренней или внешней металлической оболочкой.

Первые концы внутренних и внешних соединительных пластин могут быть прикреплены непосредственно к внутренней и к внешней металлическим оболочкам.

В соответствии с другим вариантом внутренние и внешние соединительные пластины прикреплены соответственно к внутренней металлической оболочке и к внешней металлической оболочке при помощи гибких металлических лапок. Гибкие металлические лапки могут иметь первые концы, соединенные с соединительными пластинами, выполненными из композитного материала с керамической матрицей, и вторые концы, жестко скрепленные с ободом, прикрепленным к металлической оболочке.

В соответствии со вторым основным вариантом осуществления изобретения соединительные элементы содержат внутренние и внешние металлические соединительные лапки, каждая из которых имеет первый конец, соединенный соответственно с внутренней или внешней металлической оболочкой, и второй конец, соединенный с узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины.

Вторые концы металлических соединительных лапок могут быть жестко скреплены с разделенными на секторы внутренней и внешней металлическими полками, прикрепленными к продолжениям стенок камеры сгорания, образующими внутреннюю и внешнюю стенки канала течения газов через сопловой аппарат турбины.

Разделенные на секторы полки могут быть механически соединены с узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, при помощи винтов, проходящих через продолжения стенок камеры сгорания, образующие внутреннюю и внешнюю стенки соплового аппарата турбины, и завинченных в лопатки. Используемые винты могут быть выполнены из металла или из материала CMC.

В оптимальном варианте разделенная на секторы внутренняя или внешняя металлическая полка содержит часть, которая совместно с фланцем, жестко скрепленным с внутренней или с внешней оболочкой, удерживает уплотнительную прокладку, герметизирующую задний край кольцевого пространства, расположенного между узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины, и внутренней или внешней металлической оболочкой.

При этом первые концы внутренних или внешних металлических соединительных лапок жестко скреплены с соответствующим ободом, прикрепленным соответственно к внутренней или внешней металлической оболочке.

В соответствии с полезной особенностью изобретения для предотвращения разворота соплового аппарата турбины относительно, по меньшей мере, одной из металлических оболочек, предусмотрены средства блокировки разворота, отличные от соединительных элементов, обеспечивающие возможность избежать передачи соединительным элементам вращательных усилий, прикладываемых газовым потоком, поступающим из камеры сгорания, к перьям соплового аппарата.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение станет более понятно из нижеследующего описания, не вносящего каких-либо ограничений и содержащего ссылки на прилагаемые чертежи. На чертежах:

- фиг.1 изображает в осевом разрезе часть газовой турбины по первому варианту осуществления изобретения,

- фиг.2 изображает в перспективе часть заднего края внутренней и внешней стенок камеры сгорания и их продолжений в соответствии с вариантом осуществления изобретения по фиг.1,

- фиг.3 и 4 более подробно изображают в перспективе часть соединений между узлом, состоящим из камеры сгорания и сопловым аппаратом турбины, и внутренней, и внешней металлическими оболочками в соответствии с вариантом осуществления изобретения по фиг.1,

- фиг.5 изображает в осевом разрезе, аналогичном фиг.1, другой вариант осуществления соединений между узлом, состоящим из камеры сгорания и сопловым аппаратом турбины, и внутренней, и внешней металлическими оболочками,

- фиг.6 и 7 более подробно изображают в перспективе соединительные элементы варианта осуществления изобретения по фиг.5,

- фиг.8 изображает в осевом разрезе часть газовой турбины по другому варианту осуществления изобретения,

- фиг.9 и 10 изображают в перспективе часть соединений между узлом, состоящим из камеры сгорания и сопловым аппаратом турбины, и внутренней, и внешней металлическими оболочками в соответствии с вариантом осуществления изобретения по фиг.8.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 изображена в осевом разрезе часть газовой турбины, содержащей кольцевую камеру 10 сгорания, сопловой аппарат 20 турбины высокого давления (ВД), расположенный после камеры 10 сгорания и непосредственно соединенный с ней, металлический корпус, содержащий внутреннюю металлическую оболочку 30 и внешнюю металлическую оболочку 40, а также внутренние соединительные пластины 50 и внешние соединительные пластины 60, которые поддерживают узел, образованный камерой 10 сгорания и сопловым аппаратом 20, в металлическом корпусе. Используемые в дальнейшем описании термины «перед» и «после» (а также «передний» и «задний») определены относительно направления (обозначено стрелкой F) течения газов, поступающих из камеры 10 сгорания.

Камера 10 сгорания ограничена внутренней кольцевой стенкой 12 и внешней кольцевой стенкой 13, имеющими общую ось 11, и торцевой (лобовой) стенкой 14, прикрепленной к стенкам 12 и 13. По хорошо известной технологии торцевая стенка 14 содержит несколько отверстий 14а, распределенных вокруг оси 11 и предназначенных для размещения форсунок, обеспечивающих подачу топлива и окислителя в камеру 10. Стенки 12 и 13 камеры 10 изготовлены из материала CMC, например, из композитного материала с матрицей из SiC, из которого может быть изготовлена также и торцевая стенка 14.

Сопловой аппарат 20 турбины ВД, который образует входную ступень турбины, содержит неподвижные (направляющие) лопатки, распределенные по окружности вокруг оси 11. Концы пера 21 каждой лопатки жестко прикреплены к внутренней стенке 22 и к внешней стенке 23. Внутренние стороны стенок 22, 23 ограничивают канал 24 течения газов, поступающих из камеры сгорания, через сопловой аппарат.

В соответствии с одной из особенностей изобретения сопловой аппарат 20 выполнен из материала CMC, в оптимальном варианте из того же материала, из которого выполнены стенки 12 и 13 камеры 10 сгорания, и жестко соединен с задними краями стенок 12, 13 методом пайки.

В приведенном примере стенки 22 и 23 предпочтительно являются продолжением стенок 12 и 13, образуя с ними единое целое. Как показано на фиг.2, каждое из перьев 21, выполненных из материала CMC, установлено между стенками 22, 23, причем один из двух его радиальных концов расположен в углублении или в пазе, предусмотренном в одной из стенок 22, 23, например в стенке 22. Другой радиальный конец пера вставлен в сквозное отверстие, предусмотренное в другой стенке 23. Углубления 22а и отверстия 23а имеют форму, соответствующую форме радиальных концов перьев 21. Разумеется, возможна также конфигурация, в которой несквозные углубления предусмотрены в стенке 23, а отверстия - в стенке 22.

Соединение перьев 21 со стенками 22, 23 осуществлено методом пайки. Паяное соединение может быть предусмотрено на дне углублений 22а и, возможно, по длине боковых сторон этих углублений, причем размеры углублений 22а несколько превосходят размеры концов перьев 21, вставленных в них. Паяное соединение также предусмотрено по длине боковых сторон отверстий 23а, причем размеры отверстий 23а несколько превосходят размеры концов перьев 21, вставленных в них.

Внутренняя металлическая оболочка 30 состоит из двух частей 31, 32, соединенных болтовым соединением при помощи соответствующих фланцев 31а, 32а, обращенных внутрь. Аналогичным образом внешняя металлическая оболочка 40 состоит из двух частей 41, 42, соединенных болтовым соединением при помощи соответствующих фланцев 41а, 42а, обращенных наружу. Через пространство 33, расположенное между внутренней стенкой 12 камеры 10 сгорания и внутренней оболочкой 30, а также через пространство 43, расположенное между внешней стенкой 13 камеры 10 сгорания и внешней оболочкой 40, распространяются потоки охлаждающего вторичного воздуха (обозначенные стрелками f), обтекающие камеру 10 сгорания. В стенках 12, 13 предпочтительно предусмотрены отверстия (не представлены), доходящие почти до места соединения со стенками 22, 23 и позволяющие воздуху, циркулирующему в пространствах 33, 43, образовывать охлаждающий слой вдоль внутренних поверхностей стенок 12, 13 с целью их защиты.

Узел, образованный камерой 10 сгорания и сопловым аппаратом 20 турбины, поддерживается в металлическом корпусе внутренними и внешними соединительными элементами, которые связывают этот узел с внутренней оболочкой 30 и с внешней оболочкой 40.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения по фиг.1, 3, 4 внутренние соединительные элементы содержат соединительные пластины 50, выполненные из материала CMC. Первым своим концом пластины 50 прикреплены к оболочке 30 при помощи резьбового соединения, причем их концевые участки 51 содержат отверстия 51а для ввода в них резьбовых шпилек 35, которые жестко соединены с оболочкой 30 и на которые навинчены гайки 35а. Вторым своим концом пластины 50 жестко соединены с внутренним кольцевым ободом 52, выполненным из материала CMC, который соединяет их друг с другом. Обод 52 предпочтительно выполнен в виде единой детали с пластинами 50. Как показано на фиг.3, обод 52 прижат к наружной поверхности внутренней стенки 22 соплового аппарата и жестко соединен с этой стенкой. Это соединение, в частности, может быть осуществлено методом пайки, с использованием вставных соединительных элементов («скрепок») или же методом сшивания.

Аналогичным образом внешние соединительные элементы содержат соединительные пластины 60, выполненные из материала CMC. Одним своим концом пластины 60 прикреплены к оболочке 40 при помощи резьбового соединения, причем их концевые участки 61 содержат отверстия 61а ввода в них резьбовых шпилек 45, которые жестко соединены с оболочкой 40 и на которые навинчены гайки 45а. Другим своим концом пластины 60 жестко соединены с внутренним кольцевым ободом 62, выполненным из материала CMC, который соединяет их друг с другом. Обод 62 прижат к наружной поверхности внешней стенки 23 соплового аппарата и жестко соединен с этой стенкой. Это соединение, в частности, может быть осуществлено методом пайки, с использованием вставных соединительных элементов («скрепок») или же методом сшивания.

В приведенном примере внутренний обод 52 и внешний обод 62 охватывают практически всю наружную поверхность стенок 22 и 23 и продолжаются практически до заднего края этих стенок. Тем не менее, припаивание ободов 52, 62 к стенкам 22, 23 может быть осуществлено по одной или нескольким кольцевым полосам, покрывающим лишь часть длины стенок 22, 23 (в аксиальном направлении).

В оптимальном варианте внешний обод 62 также припаян к поверхности радиальных концов перьев 21, которые проходят через отверстия 23а. В этом случае припаивание этих радиальных концов перьев 21 к сторонам отверстий 23а может не производиться, причем радиальные концы перьев входят в отверстия 23а без зазора.

Для припаивания перьев 21 к стенкам 22, 23 и ободов 52, 62 к этим же стенкам могут быть использованы любые известные припои, применяемые для соединения деталей из материалов CMC. Например, в случае использования композитных материалов с матрицей из карбида кремния могут быть использованы припои, описанные в патентных документах ЕР 806402 или US 5975407, или же припой «Ticusil», выпускаемый компанией Wesgo Metals.

Для обеспечения компенсации разницы в тепловом расширении материала CMC и металла, из которого выполнены оболочки 30, 40, соединительные пластины 50, 60 обладают определенной гибкостью, т.е. способностью к упругой деформации. Такая способность может быть сообщена пластинам 50, 60 путем придания им искривленной или изогнутой формы, например формы буквы S.

Как показано на фиг.1 и 4, внутренний обод 52 содержит радиальный фланец 56, который совместно с радиальным фланцем 36, жестко связанным с внутренней оболочкой вблизи заднего края соплового аппарата турбины, удерживает кольцевую уплотнительную прокладку 37. Прокладка 37, которая может быть, например, прокладкой типа «омега», служит для герметизации заднего края пространства 33. Прокладка 37 помещена в паз 36а, предусмотренный в передней поверхности фланца 36, и прижимается к задней поверхности фланца 56.

Внешний обод 62 также содержит радиальный фланец 66, который совместно с радиальным фланцем 46, жестко связанным с внешней оболочкой 40 вблизи заднего края соплового аппарата турбины, удерживает кольцевую уплотнительную прокладку 47. Прокладка 47 служит для герметизации заднего края пространства 43. Прокладка 47 может быть, например, лепестковой прокладкой. Она удерживается в выемке 66а, предусмотренной на краю фланца 66, при помощи шплинтов 47а. Выступающая из выемки 66а часть прокладки 47 прижимается к ребру 46а, предусмотренному на передней поверхности фланца 46.

Разумеется, прокладки 37 и 47 могут иметь и другие формы; например, прокладка 47 может быть прокладкой типа «омега», а прокладка 37 - лепестковой прокладкой.

Кроме того, фланец 36 содержит запирающие элементы, например выступы 38, образующие средства блокировки разворота, препятствующие развороту фланца 36 вокруг оси 11 относительно фланца 56 за счет того, что входят в углубления 56а, предусмотренные во фланце 56.

Таким образом, фланец 56 и паяное соединение обода 52 со стенкой 22 исключают разворот соплового аппарата 20 турбины вокруг оси 11. В связи с этим силы, с которыми газовые потоки, протекающие через сопловой аппарат, воздействуют на перья 21, не передаются соединительным пластинам 50, 60, размеры которых поэтому могут выбираться так, чтобы обеспечить только удержание узла, состоящего из камеры сгорания и соплового аппарата турбины.

Могут быть предусмотрены также средства блокировки разворота соплового аппарата 20 относительно внешней металлической оболочки, заменяющие или дополняющие средства блокировки разворота относительно внутренней металлической оболочки и обеспечивающие лучшее распределение сил. С этой целью, например, шплинты 47а крепления прокладки 47 могут быть продолжены назад и входить в углубления, предусмотренные во фланце 46.

Кроме того, следует отметить, что в узле, состоящем из обода 52 и стенки 22, и в узле, состоящем из обода 62 и стенки 23, могут быть предусмотрены сквозные отверстия, обеспечивающие охлаждение перьев 21 лопаток и внутренних поверхностей стенок 22, 23 соплового аппарата путем инжекции воздуха, поступающего из пространств 33 и 43.

На фиг.5-7 представлен вариант осуществления изобретения, отличающийся от варианта осуществления по фиг.1-4 тем, что соединительные пластины 50, 60, выполненные из материала CMC, соединены с внутренней и внешней оболочками металлического корпуса не напрямую, а при помощи гибких металлических лапок 70, 80. Элементы, общие для вариантов осуществления изобретения по фиг.1-4 и по фиг.5-7, обозначены одинаково и повторно не описываются.

Каждая из металлических лапок 70, 80 имеет первый конец 71, 81, прикрепленный болтовым соединением 73, 83 к первому концу 51, 61 соответствующей пластины 50, 60. Другим своим концом каждая из лапок 70 жестко прикреплена к ободу 72, крайняя часть 72а которого образует фланец, соединенный с внутренней металлической оболочкой 30 и зажатый между фланцами 31а, 32а. Лапки 70 и обод 72 изготовлены в виде единой детали. Концы лапок 80 жестко скреплены с ободом 82, содержащим отверстия 82а. Через эти отверстия проходят резьбовые шпильки 48, которые жестко связаны с оболочкой 40 и на которые навинчены гайки 48а. Разумеется, могут быть предусмотрены и другие методы скрепления ободов 72, 82 с оболочками 30, 40.

Гибкие металлические лапки 70, 80 имеют искривленную или изогнутую форму, например форму буквы S (лапки 70) или буквы V (лапки 80). Поэтому они способны к упругой деформации и могут дополнить недостающую способность к упругой деформации пластин 50, 60, изготовленных из материала CMC, необходимую для компенсации разницы расширения камеры 10 сгорания и металлического корпуса 30-40.

На фиг.8-10 представлен второй частный вариант осуществления изобретения, который отличается от варианта по фиг.1-4 тем, что соединительные элементы, поддерживающие узел, образованный камерой сгорания и сопловым аппаратом турбины в металлическом корпусе, изготовлены из металла, не содержат соединительных пластин из материала CMC и не соединены с указанным узлом методом пайки. Элементы, общие для вариантов осуществления изобретения по фиг.1-4 и по фиг.8-10, обозначены одинаково и повторно не описываются.

Внутренние соединительные элементы содержат металлические лапки 150, одним концом соединенные с внутренней оболочкой 30, а другим концом жестко скрепленные с разделенной на секторы полкой 152.

Первый конец каждой из металлических лапок 150 может быть прикреплен к внутренней оболочке 30 напрямую или при помощи кольцевого обода 151, крайняя часть 151а которого образует фланец, соединенный с оболочкой 30 и зажатый между фланцами 31а и 32а.

Полка 152 образована кольцевыми секторами 152а, которые расположены на наружной поверхности стенки 22, практически от места соединения со стенкой 12 до заднего края соплового аппарата 20. Секторы 152а полки несколько разнесены по окружности, чтобы обеспечить возможность неравномерного изменения размеров относительно стенки 22 из материала CMC в этом направлении.

Секторы 152а полки соединены с узлом, образованным камерой 10 сгорания и сопловым аппаратом 20, винтами 153, проходящими через отверстия, предусмотренные в секторах 152а и в стенке 22, завинченными в глухие резьбовые отверстия, высверленные в радиальном направлении в перьях 21, и упирающимися в выступы 153а, предусмотренные на секторах 152а полок.

Кроме того, разделенная на секторы полка 152 содержит радиальный фланец 156, аналогичный фланцу 56 по фиг.1-3, который совместно с фланцем 36 удерживает кольцевую уплотнительную прокладку 37 и предотвращает разворот соплового аппарата 20 вокруг оси 11 при помощи запирающих выступов 38, входящих в углубления 156а, предусмотренные во фланце 156.

Внешние соединительные элементы содержат металлические лапки 160, одним концом соединенные с внешней оболочкой 40, а другим концом жестко скрепленные с разделенной на секторы полкой 162.

Первый конец каждой из металлических лапок 160 может быть прикреплен к внешней оболочке 40 напрямую или, как показано на чертежах, при помощи обода, образующего кольцо 161. Кольцо 161 содержит отверстия, через которые проходят резьбовые шпильки 49, жестко соединенные с оболочкой 40, на которые навинчены гайки 49а.

Полка 162 образована кольцевыми секторами 162а, которые расположены на наружной поверхности стенки 23, практически от места соединения со стенкой 13 до заднего края соплового аппарата 20. Секторы 162а полки несколько разнесены по окружности аналогично секторам 152а полки 152.

Секторы 162а полки соединены с узлом, образованным камерой 10 сгорания и сопловым аппаратом 20, винтами 163, проходящими через отверстия, предусмотренные в секторах 162а и в стенке 23, завинченными в глухие резьбовые отверстия, высверленные в радиальном направлении в перьях 21, и упирающимися в выступы 163а, предусмотренные на секторах 162а полок.

Винты 163, так же как и винты 153, могут быть выполнены из материала CMC, например, аналогичного материалу, из которого изготовлены стенки 22, 23 и перья 21, или из металла.

Кроме того, разделенная на секторы полка 162 содержит радиальный фланец 166, аналогичный фланцу 66 по фиг.1-3, который совместно с фланцем 46 удерживает кольцевую уплотнительную прокладку 47.

Лапки 160, кольцо 161 и разделенная на секторы полка 162 в оптимальном варианте изготовлены в виде единой детали, так же как лапки 150, кольцо 151 и разделенная на секторы полка 152.

В разделенной на секторы полке 152 и в стенке 22, а также в разделенной на секторы полке 162 и в стенке 23 могут быть предусмотрены сквозные отверстия (не представлены), обеспечивающие охлаждение перьев 21 лопаток и внутренних поверхностей стенок 22, 23 соплового аппарата путем инжекции воздуха, поступающего из пространств 33 и 43.

Металлические лапки 150, 160 имеют искривленную или изогнутую форму, например форму буквы S, сообщающую им способность к упругой деформации, необходимую для компенсации разницы расширения узла, образованного камерой 10 сгорания и сопловым аппаратом 20 турбины, и металлического корпуса. Вариант осуществления изобретения по фиг.8-10 может быть использован вместо варианта осуществления по фиг.1-4, если соединительные пластины из материала CMC не обладают достаточной для такой компенсации гибкостью.

Турбомашина содержит кольцевую камеру сгорания с внутренней и внешней стенками, выполненными из композитного материала с керамической матрицей, и сопловой аппарат турбины высокого давления, жестко прикрепленный к заднему краю камеры сгорания. Сопловой аппарат турбины высокого давления содержит перья направляющих лопаток, расположенные между внутренней стенкой и внешней стенкой кольцевого канала течения газов, поступающих из камеры сгорания, через сопловой аппарат. Задние края внутренней и внешней стенок камеры сгорания продолжены до заднего края соплового аппарата и образуют внутреннюю стенку и внешнюю стенку кольцевого канала течения газов через сопловой аппарат. Перья направляющих лопаток выполнены из композитного материала с керамической матрицей и прикреплены методом пайки к стенкам кольцевой камеры сгорания. Изобретение позволяет упростить конструкцию турбомашины, а также снизить ее массу. 21 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Турбомашина, содержащая кольцевую камеру (10) сгорания с внутренней стенкой (12) и с внешней стенкой (13), выполненными из композитного материала с керамической матрицей, и сопловой аппарат (20) турбины высокого давления, жестко прикрепленный к заднему краю камеры сгорания и содержащий перья (21) направляющих лопаток, расположенные между внутренней стенкой (22) и внешней стенкой (23) кольцевого канала (24) течения газов, поступающих из камеры сгорания, через сопловой аппарат,
отличающаяся тем, что задние края внутренней стенки (12) и внешней стенки (13) камеры (10) сгорания продолжены до заднего края соплового аппарата (20) и образуют внутреннюю стенку (22) и внешнюю стенку (23) кольцевого канала (24) течения газов через сопловой аппарат, причем указанные перья (21) выполнены из композитного материала с керамической матрицей и прикреплены методом пайки к стенкам кольцевой камеры сгорания.

2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что первые радиальные концы перьев (21) припаяны к углублениям (22а), предусмотренным во внутренней или во внешней стенке канала (24) течения газов.

3. Турбомашина по п.2, отличающаяся тем, что вторые радиальные концы перьев (21) вставлены в отверстия (23а), предусмотренные во внутренней или во внешней стенке канала (24) течения газов.

4. Турбомашина по п.3, отличающаяся тем, что вторые радиальные концы перьев (21) припаяны к указанным отверстиям (23а).

5. Турбомашина по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что узел, образованный камерой (10) сгорания и сопловым аппаратом (20) турбины, поддерживается внутри металлического корпуса, содержащего внутреннюю металлическую оболочку (30) и внешнюю металлическую оболочку (40), внутренними и внешними соединительными элементами, связывающими указанный узел соответственно с внутренней и с внешней оболочками,
причем соединительные элементы содержат:
внутренние соединительные пластины (50), выполненные из композитного материала с керамической матрицей, каждая из которых имеет первый конец, соединенный с внутренней металлической оболочкой (30), и второй конец, соединенный с узлом, образованным камерой (10) сгорания и сопловым аппаратом (20) турбины,
и внешние соединительные пластины (60), выполненные из композитного материала с керамической матрицей, каждая из которых имеет первый конец, соединенный с внешней металлической оболочкой (40), и второй конец, соединенный с узлом, образованным камерой (10) сгорания и сопловым аппаратом (20) турбины.

6. Турбомашина по п.5, отличающаяся тем, что вторые концы соединительных пластин (50, 60) жестко скреплены с внутренним или с внешним кольцевыми ободами (52, 62), выполненными из композитного материала с керамической матрицей и соединенными с наружными поверхностями продолжения стенок камеры сгорания, образующими соответственно внутреннюю стенку (22) и внешнюю стенку (23) канала (24) течения газов через сопловой аппарат (20) турбины.

7. Турбомашина по п.6, отличающаяся тем, что вторые радиальные концы перьев (21) припаяны также к одному (62) из указанных кольцевых ободов.

8. Турбомашина по п.6, отличающаяся тем, что внутренний обод (52) или внешний обод (62) содержит часть (56, 66), которая совместно с фланцем (36, 46), жестко скрепленным с внутренней металлической оболочкой (30) или с внешней металлической оболочкой (40), удерживает уплотнительную прокладку (37, 47), обеспечивающую герметичность заднего края кольцевого пространства (33, 43), расположенного между узлом, образованным камерой (10) сгорания с сопловым аппаратом (20) турбины, и внутренней или внешней металлической оболочкой.

9. Турбомашина по п.5, отличающаяся тем, что первые концы внутренних соединительных пластин (50) и внешних соединительных пластин (60) прикреплены непосредственно к внутренней металлической оболочке (30) и к внешней металлической оболочке (40) соответственно.

10. Турбомашина по п.5, отличающаяся тем, что первые концы внутренних соединительных пластин (50) и внешних соединительных пластин (60) прикреплены соответственно к внутренней металлической оболочке (30) и к внешней металлической оболочке (40) при помощи гибких металлических лапок (70, 80).

11. Турбомашина по п.10, отличающаяся тем, что гибкие металлические лапки (70, 80) имеют первые концы, соединенные с соединительными пластинами (50, 60), выполненными из композитного материала с керамической матрицей, и вторые концы, жестко скрепленные с ободом (72, 82), прикрепленным к металлической оболочке.

12. Турбомашина по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что узел, образованный камерой (10) сгорания и сопловым аппаратом (20) турбины, поддерживается внутри металлического корпуса, содержащего внутреннюю металлическую оболочку (30) и внешнюю металлическую оболочку (40), внутренними и внешними соединительными элементами, связывающими указанный узел соответственно с внутренней и внешней оболочками, причем соединительные элементы содержат внутренние металлические соединительные лапки (150) и внешние металлические соединительные лапки (160), каждая из которых имеет первый конец, соединенный соответственно с внутренней металлической оболочкой (30) или с внешней металлической оболочкой (40), и второй конец, соединенный с узлом, образованным камерой (10) сгорания и сопловым аппаратом (20) турбины.

13. Турбомашина по п.12, отличающаяся тем, что вторые концы металлических соединительных лапок жестко скреплены с разделенными на секторы внутренней металлической полкой (152) или внешней металлической полкой (162), прикрепленными к продолжениям стенок камеры сгорания, образующим соответственно внутреннюю стенку (22) и внешнюю стенку (23) канала (24) течения газов через сопловой аппарат турбины.

14. Турбомашина по п.13, отличающаяся тем, что разделенные на секторы полки (152, 162) механически соединены с узлом, образованным камерой (10) сгорания и сопловым аппаратом (20) турбины, при помощи винтов (153, 163), проходящих через продолжения стенок камеры сгорания, образующие внутреннюю стенку (22) и внешнюю стенку (23) канала (24) течения газов через сопловой аппарат турбины, и завинченных в перья (21) лопаток.

15. Турбомашина по п.14, отличающаяся тем, что винты выполнены из металла.

16. Турбомашина по п.14, отличающаяся тем, что винты выполнены из композитного материала с керамической матрицей.

17. Турбомашина по п.13, отличающаяся тем, что разделенная на секторы внутренняя металлическая полка (152) или разделенная на секторы внешняя металлическая полка (162) содержит часть (156, 166), которая совместно с фланцем (36, 46), жестко скрепленным с внутренней оболочкой (30) или с внешней оболочкой (40), удерживает уплотнительную прокладку (37, 47), герметизирующую задний край кольцевого пространства (33, 43), расположенного между узлом, образованным камерой (10) сгорания и сопловым аппаратом (20) турбины, и внутренней или внешней металлической оболочкой.

18. Турбомашина по п.12, отличающаяся тем, что первые концы внутренних металлических соединительных лапок (150) или внешних металлических соединительных лапок (160) жестко скреплены с соответствующим ободом (151, 161), прикрепленным соответственно к внутренней металлической оболочке (30) или к внешней металлической оболочке(40).

19. Турбомашина по любому из пп.6-11, отличающаяся тем, что для предотвращения разворота соплового аппарата (20) турбины относительно, по меньшей мере, одной из металлических оболочек (30, 40), предусмотрены средства блокировки разворота, отличные от соединительных элементов, обеспечивающие возможность избежать передачи соединительным элементам вращательных усилий, прикладываемых газовым потоком, поступающим из камеры сгорания, к перьям соплового аппарата.

20. Турбомашина по п.19, отличающаяся тем, что средства блокировки разворота содержат запирающие элементы (38), блокирующие разворот, по меньшей мере, одного из внутреннего кольцевого обода (52) и внешнего кольцевого обода (62) относительно фланца (36, 46), жестко скрепленного с соответствующей внутренней или внешней металлической оболочкой.

21. Турбомашина по любому из пп.13-18, отличающаяся тем, что для предотвращения разворота соплового аппарата (20) турбины относительно, по меньшей мере, одной из металлических оболочек (30, 40), предусмотрены средства блокировки разворота, отличные от соединительных элементов, обеспечивающие возможность избежать передачи соединительным элементам вращательных усилий, прикладываемых газовым потоком, поступающим из камеры сгорания, к перьям соплового аппарата.

22. Турбомашина по п.21, отличающаяся тем, что средства блокировки разворота содержат запирающие элементы (38), блокирующие вращение, по меньшей мере, одной из разделенных на секторы внутренней полки (152) и внешней полки (162) относительно фланца (36, 46), жестко скрепленного с соответствующей внутренней или внешней металлической оболочкой.