СБОРКА ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ СТАТОР, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ДАННУЮ СБОРКУ Российский патент 2012 года по МПК F01D9/02 

Настоящее изобретение относится, в целом, к газотурбинным двигателям и более точно, к сборке турбинной лопатки указанного двигателя и его статору.

По меньшей мере несколько известных газотурбинных двигателей сжигают топливовоздушную смесь в сборке камеры сгорания и производят поток рабочего газа, который подводится к турбинной сборке через тракт горячего газа. Сжатый воздух подводится к сборке камеры сгорания посредством компрессорной сборки. Сборки камер сгорания типично включают в себя сборки топливных лопаток, которые способствуют доставке топлива и воздуха в зону сгорания сборки камеры сгорания. Турбинная сборка преобразует тепловую энергию потока рабочего газа в механическую энергию, которая вращает вал турбинной сборки. Продукт турбинной сборки может быть использован в силовой машине, например электрогенераторе или насосе.

Известна сборка турбинной лопатки для газотурбинного двигателя, содержащая кожух стороны низкого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и выпуклую поверхность между ними, и кожух стороны высокого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и вогнутую поверхность между ними, при этом передняя кромка кожуха стороны низкого давления и передняя кромка кожуха стороны высокого давления поддерживаются относительно близко друг к другу (см. патент США 5584652, 1996).

Известен газотурбинный статор, содержащий сборку лопатки, содержащую лопатку и заглушку, при этом лопатка проходит радиально от заглушки и содержит кожух стороны высокого давления и отдельный кожух стороны низкого давления (см. патент США 5584652,1996).

Известные сборки лопаток включают в себя множество деталей, изготовленных из различных материалов, которые сложны для производства. Одним из таких материалов является ламинированный керамический матричный композит. Типично ламинированный керамический матричный композит имеет различные толщины ламинирования. Подходящая толщина ламината обеспечивает эффективную работу сборки топливной лопатки. Помимо этого ламинированный керамический матричный композит имеет ограниченную возможность достижения относительно небольшого радиуса изгиба без растрескивания. Более того, присоединение наклонной части аэродинамической поверхности лопатки к лопаточной платформе является сложной процедурой. Керамическая матричная композитная лопатка также может быть сложной для проверки после установки лопатки.

Многие известные сборки турбинных лопаток включают в себя разнообразие деталей, изготовленных в соединении с платформами газотурбинного двигателя. Лопатка из ламинированного керамического матричного композита может быть сложной для структурного крепления к платформам газотурбинного двигателя, если используются нецелые платформы. Межслойные напряжения при растяжении в закраинах существуют при переходе лопатки в платформы, если используются цельные платформы. Более того, ламинированный керамический матричный композит делает трудным контроль резонансных частот. Важно минимизировать межслойные напряжения посредством поддержания плоскостной нагрузки, где только возможно.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению создана сборка турбинной лопатки для газотурбинного двигателя, содержащая кожух стороны низкого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и выпуклую поверхность между ними, кожух стороны высокого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и вогнутую поверхность между ними, при этом каждая из выпуклой и вогнутой поверхностей образует радиальную внешнюю кромку и радиальную внутреннюю кромку, радиальную внешнюю торцевую заглушку для соединения с радиальными внешними кромками кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления, радиальную внутреннюю торцевую заглушку для соединения с радиальными внутренними кромками кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления и зажимной элемент, расположенный между внешней торцевой заглушкой и внутренней торцевой заглушкой и предназначенный для поддержания кожуха стороны высокого давления и кожуха стороны низкого давления в, по существу, фиксированной ориентации относительно друг друга и относительно внешней торцевой заглушки и внутренней торцевой заглушки, причем передняя кромка кожуха стороны низкого давления и передняя кромка кожуха стороны высокого давления поддерживаются относительно близко друг к другу.

По меньшей мере один из кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления может быть выполнен из керамического матричного композита.

Радиальная внутренняя торцевая заглушка может быть предназначена для соединения с продольно ориентированным пазом статора турбины, и радиальная внешняя торцевая заглушка предназначена для соединения с другим продольно ориентированным пазом статора турбины.

Передние и задние кромки кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления могут содержать соответствующую сопряженную поверхность для образования извилистой траектории между ними, включающей, по меньшей мере, один из следующих элементов: перекрытие, выступ, паз, шевронная форма и уплотнительный элемент.

Сборка может дополнительно содержать радиальную внешнюю платформу, содержащую продольно ориентированный паз для приема радиальной внешней торцевой заглушки, и радиальную внутреннюю платформу, содержащую продольно ориентированный паз для приема радиальной внутренней торцевой заглушки, при этом передняя и задняя кромки кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления содержат соответствующую сопряженную поверхность для образования извилистой траектории между ними, включающей, по меньшей мере, один из элементов: перекрытие, выступ и паз, шевронная форма и уплотнительный элемент.

В другом варианте выполнения изобретения сборка турбинной лопатки для газотурбинного двигателя содержит кожух стороны низкого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и выпуклую поверхность между ними, образующую радиальную внешнюю кромку и радиальную внутреннюю кромку, и включающий радиальный внешний фланец, проходящий от радиальной внешней кромки, и радиальный внутренний фланец, проходящий от радиальной внутренней кромки, кожух стороны высокого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и вогнутую поверхность между ними, образующую радиальную внешнюю кромку и радиальную внутреннюю кромку, и включающий радиальный внешний фланец, проходящий от радиальной внешней кромки, и радиальный внутренний фланец, проходящий от радиальной внутренней кромки, радиальную внутреннюю платформу, содержащую множество продольно ориентированных пазов для приема радиальных внутренних фланцев кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления, и радиальную внешнюю платформу, содержащую множество продольно ориентированных пазов для приема радиальных внешних фланцев кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления.

Согласно изобретению создан газотурбинный статор, содержащий сборку лопатки, содержащую лопатку, радиальную внешнюю торцевую заглушку, радиальную внутреннюю торцевую заглушку, зажимной элемент, расположенный между радиальной внешней торцевой заглушкой и радиальной внутренней торцевой заглушкой, при этом лопатка проходит радиально между указанными заглушками и содержит кожух стороны высокого давления и отдельный кожух стороны низкого давления, зажимной элемент предназначен для поддержания кожуха стороны высокого давления и кожуха стороны низкого давления в, по существу, фиксированной ориентации относительно друг друга и относительно внешней торцевой заглушки и внутренней торцевой заглушки, и платформу для приема сборки лопатки.

Кожух стороны высокого давления может содержать переднюю кромку, заднюю кромку и вогнутую поверхность между ними, кожух стороны низкого давления может содержать переднюю кромку, заднюю кромку и выпуклую поверхность между ними, при этом передняя кромка кожуха стороны низкого давления и передняя кромка кожуха стороны высокого давления поддерживаются относительно близко друг к другу, и, по меньшей мере, один из кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления выполнен из керамического матричного композита.

Далее изобретение более подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 - схематичный вид типичного газотурбинного двигателя;

фиг.2 - поперечное сечение типичной газотурбинной сборки с трехступенчатой форсункой, которая может использоваться с газотурбинным двигателем по фиг.1;

фиг.3 - схематический вид сборки керамической матричной композитной турбинной лопатки, которая может быть использована с газотурбинным двигателем по фиг.1;

фиг.4 - схематический вид альтернативного варианта осуществления сборки керамической матричной композитной турбинной лопатки, которая может быть использована с газотурбинным двигателем по фиг.1.

На фиг.1 показан типичный газотурбинный двигатель 100, включающий в себя компрессор 102 и камеру 104 сгорания. Камера 104 сгорания включает в себя зону 105 сгорания и сборку 106 топливных форсунок. Двигатель 100 также включает в себя турбину 108 и общий для компрессора и турбины вал 110 (иногда упоминаемый как ротор 110). В одном из вариантов осуществления двигателем 100 является двигатель MS7001FB, иногда указываемый как двигатель 9FB, серийно выпускаемый компанией General Electric, Гринвиль, Южная Каролина. Настоящее изобретение не ограничено любым одним конкретным двигателем и может быть внедрено в связи с другими двигателями, включая, например, MS7001FA (7FA) и MS9001FA (9FA) модели двигателей компании General Electric.

В действии воздушные потоки через компрессор 102 и сжатый воздух подаются в камеру 104 сгорания. Конкретно сжатый воздух подается в сборку 106 топливных форсунок, которая является составной частью камеры 104 сгорания. Сборка 106 сообщена с зоной 105 сгорания. Сборка 106 топливных форсунок также сообщена с источником топлива (не показан на фиг.1) и каналами топлива и воздуха в зоне 105 сгорания. Камера 104 сгорания воспламеняет и сжигает топливо. Камера 104 сгорания связана с турбиной 108, для которой тепловая энергия газового потока преобразуется в энергию механического вращения. Турбина 108 связана с возможностью вращения и приводит в движение ротор 110. Компрессор 102 также связан с возможностью вращения с валом 110. В типичном варианте осуществления используются множество камер 104 сгорания и сборок 106 топливных форсунок. В последующем описании, если не указано иначе, будет рассмотрен только один из каждого компонента.

Показанная на фиг.2 турбинная сборка 108 с трехступенчатой форсункой может использоваться с газотурбинным двигателем 100 по фиг.1. Турбинная сборка 108 включает в себя сборку 112 лопатки. Сборка 112 лопатки удерживается в турбинной сборке 108 радиальной внешней платформой 114 и радиальной внутренней платформой 116.

Показанная на фиг.3 сборка 112 турбинной лопатки может быть использована с газотурбинным двигателем 100 по фиг.1. Сборка 112 турбинных лопаток включает в себя кожух 118 стороны низкого давления и кожух 120 стороны высокого давления. В типичном варианте осуществления кожух 118 стороны низкого давления и кожух 120 стороны высокого давления изготовлены из керамического матричного композита. Керамический матричный композит способствует уплотнению лопатки. Кожух 118 стороны низкого давления включает в себя переднюю кромку 122 и заднюю кромку 123. Кожух 120 стороны высокого давления включает в себя переднюю кромку 124 и заднюю кромку 125. Кожух 118 стороны низкого давления включает в себя выпуклую поверхность, и кожух 120 стороны высокого давления включает в себя вогнутую поверхность. Вогнутая и выпуклая поверхности - эргономичные контуры, которые ориентируют или переориентируют поток газообразных продуктов сгорания через лопатку.

Передняя кромка 122 и передняя кромка 124 установлены в относительно тесной близости. Передняя кромка 122 и передняя кромка 124 могут перекрываться, смыкаться или отходить на очень маленькое расстояние между ними. Передняя кромка 122 и передняя кромка 124 содержат сопряженную поверхность, сформированную для формирования извилистой траектории. Эта траектория может быть сформирована, используя, например, но не ограничиваясь, перекрытие, выступ и паз, шевронную форму или уплотнительный элемент.

Задняя кромка 123 и задняя кромка 125 также установлены относительно близко друг к другу. Задняя кромка 123 и задняя кромка 125 могут перекрываться, смыкаться или отходить на очень маленькое расстояние между ними. Задняя кромка 123 и задняя кромка 125 содержат сопряженную поверхность, образованную извилистую траекторию. Эта траектория может быть сформирована, используя, например, но не ограничиваясь, перекрытие, выступ и паз, шевронную форму или уплотнительный элемент.

Кожух 118 стороны низкого давления включает в себя радиальную внешнюю кромку 126 и радиальную внутреннюю кромку 127. Кожух 120 стороны высокого давления включает в себя радиальную внешнюю кромку 128 и радиальную внутреннюю кромку 129. Кожух 120 стороны высокого давления входит в контакт с контурным углублением 130 во внешней торцевой заглушке 132 и во внутренней торцевой заглушке 134, так же как кожух 118 стороны низкого давления входит в контакт с контурным углублением 130 во внешней торцевой заглушке 132 и во внутренней торцевой заглушке 134. Радиальная внешняя кромка 126 совмещена с углублением 130 во внешней торцевой заглушке 132. Радиальная внешняя кромка 128 совмещена с углублением 130 во внешней торцевой заглушке 132. Радиальная внутренняя кромка 127 совмещена с углублением 130 во внутренней торцевой заглушке 134. Радиальная внутренняя кромка 129 совмещена с углублением 130 во внутренней торцевой заглушке 134.

Зажимной элемент 136 установлен радиально между внешней торцевой заглушкой 132 и внутренней торцевой заглушкой 134. Зажимной элемент 136 способствует удержанию кожуха 120 стороны высокого давления и кожуха 118 стороны низкого давления в прочно фиксированном положении друг относительно друга. В дополнение зажимной элемент 136 несет конструктивную нагрузку на сборку 112 лопатки, чтобы способствовать задействованию кожуха 120 стороны высокого давления и кожуха 118 стороны низкого давления, обеспечивающих аэродинамические контуры. В типичном варианте осуществления радиальная внешняя торцевая заглушка 132 включает в себя крепежную деталь 133. Крепежная деталь 133 соединена резьбой с зажимным элементом 136. Соединение внешней торцевой заглушки 132 и внутренней торцевой заглушки 134 с зажимным элементом 136 удерживает кожух 118 стороны низкого давления, кожух 120 стороны высокого давления, зажимной элемент 136, внешнюю торцевую заглушку 132 и внутреннюю торцевую заглушку 134 в фиксированной ориентации по отношению друг к другу. В альтернативном варианте осуществления зажимной элемент 136 содержит смещенный элемент, например элемент с запоминанием формы, металлический лонжерон и/или пружину. Зажимной элемент 136 может использовать охлаждающий воздух для содействия снижению нагрева зажимного элемента 136 и/или лопатки. Зажимной элемент 136 может включать в себя одну или более перемычек 137, проходящих в продольном направлении от зажимного элемента 136. Перемычка 137 и ее заданное положение способствует снижению вибрации лопатки, что касается специфических критических форм резонансного режима.

Сборка 112 турбинной лопатки включает в себя радиальную внешнюю платформу 114 и радиальную внутреннюю платформу 116. Радиальная внутренняя платформа 116 имеет множество продольно ориентированных пазов 139, расположенных на одной окружности вокруг платформы 116. Радиальная внешняя платформа 114 имеет множество продольно ориентированных пазов 138, расположенных на одной окружности вокруг платформы 114. Паз 138 сконфигурирован для приема радиальной внешней торцевой заглушки 132. Паз 139 сконфигурирован для приема радиальной внутренней торцевой заглушки 134.

На фиг.4 показан альтернативный вариант осуществления сборки 112 турбинной лопатки, которая может быть использована с газотурбинным двигателем 100, показанным на фиг.1. Сборка 112 турбинной лопатки включает в себя кожух 140 стороны низкого давления и кожух 142 стороны высокого давления. В типичном варианте осуществления кожух 140 стороны низкого давления и кожух 142 стороны высокого давления изготовлены из керамического матричного композита. Керамический матричный композит способствует устранению разрывов уплотнения. Кожух 140 стороны низкого давления включает в себя переднюю кромку 160 и заднюю кромку 162. Кожух 142 стороны высокого давления включает в себя переднюю кромку 164 и заднюю кромку 166. Кожух 140 стороны низкого давления включает в себя выпуклую поверхность, и кожух 142 стороны высокого давления включает в себя вогнутую поверхность. Вогнутая поверхность и выпуклая поверхность - эргономичные контуры, которые ориентируют или переориентируют поток через лопатку.

Передняя кромка 160 и передняя кромка 164 расположены в относительно тесной близости. Передняя кромка 160 и передняя кромка 164 могут перекрываться, смыкаться или отходить на очень маленькое расстояние между ними. Передняя кромка 160 и передняя кромка 164 содержат сопряженную поверхность, образующую извилистую траекторию. Эта траектория может быть сформирована, используя, например, но не ограничиваясь, перекрытие, выступ и паз, шевронную форму или уплотнительный элемент.

Задняя кромка 162 и задняя кромка 166 также установлены в относительно тесной близости. Задняя кромка 162 и задняя кромка 166 могут перекрываться, смыкаться или отходить на очень маленькое расстояние между ними. Задняя кромка 162 и задняя кромка 166 содержат сопряженную поверхность, образующую извилистую траекторию. Скрученная траектория может быть сформирована, используя, например, но не ограничиваясь, перекрытие, выступ и паз, шевронную форму или уплотнительный элемент.

Кожух 142 стороны высокого давления включает в себя радиальный внешний фланец 144, проходящий от радиальной внешней кромки 146 вогнутой поверхности, и кожух 142 стороны высокого давления также включает в себя радиальный внутренний фланец 143, проходящий от радиальной внутренней кромки 148 вогнутой поверхности. Кожух 140 стороны низкого давления включает в себя фланец 150, проходящий от радиальной внешней кромки 147 выпуклой поверхности, и кожух 140 стороны низкого давления также включает в себя фланец 151, проходящий от радиальной внутренней кромки 14 9 выпуклой поверхности.

Сборка 112 турбинной лопатки содержит кожух 142 стороны высокого давления и кожух 140 стороны низкого давления. Радиальная внутренняя платформа 174 имеет множество продольно ориентированных пазов 170, расположенных на одной окружности вокруг платформы 174. Радиальная внешняя платформа 176 имеет множество продольно ориентированных пазов 172, расположенных на одной окружности вокруг платформы 176. Паз 172 сконфигурирован для приема радиального внешнего фланца 150 и радиального внешнего фланца 144. Паз 170 сконфигурирован для приема радиального внутреннего фланца 151 и радиального внутреннего фланца 143.

Хотя изобретение было описано исходя из различных отдельных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники будут осознавать, что изобретение может быть осуществлено на практике с модификацией в пределах сущности и объема формулы изобретения.

Сборка турбинной лопатки содержит кожухи сторон низкого и высокого давления, имеющие переднюю кромку, заднюю кромку и выпуклую или вогнутую поверхность между ними, образующую радиальные внешнюю и внутреннюю кромки, а также радиальные внутреннюю и внешнюю платформы. Каждый кожух включает внешний и внутренний фланцы, проходящие от внешней и внутренней кромки соответственно. Радиальная внутренняя платформа содержит множество продольных пазов для размещения радиальных внутренних фланцев кожухов сторон низкого и высокого давления. Радиальная внешняя платформа содержит множество продольных пазов для размещения радиальных внешних фланцев кожухов сторон низкого и высокого давления. Еще одно изобретение относится к газотурбинному статору, содержащему сборку лопатки и радиальные внутреннюю и внешнюю платформы. Сборка лопатки включает лопатку, радиальные внешнюю и внутреннюю торцевые заглушки и зажимной элемент между ними. Лопатка проходит радиально между заглушками и содержит кожухи сторон высокого и низкого давления. Зажимной элемент поддерживает кожухи сторон высокого и низкого давления в фиксированной ориентации относительно друг друга, а также внешней и внутренней торцевых заглушек. Радиальная внутренняя платформа содержит продольно ориентированный паз для размещения радиальной внутренней торцевой заглушки, а радиальная внешняя платформа содержит продольно ориентированный паз для размещения радиальной внешней торцевой заглушки. Изобретения позволяют упростить изготовление лопатки из керамических композиционных материалов. 2. н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сборка турбинной лопатки для газотурбинного двигателя, содержащая кожух стороны низкого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и выпуклую поверхность между ними, образующую радиальную внешнюю кромку и радиальную внутреннюю кромку, и включающий радиальный внешний фланец, проходящий от радиальной внешней кромки, и радиальный внутренний фланец, проходящий от радиальной внутренней кромки, кожух стороны высокого давления, имеющий переднюю кромку, заднюю кромку и вогнутую поверхность между ними, образующую радиальную внешнюю кромку и радиальную внутреннюю кромку, и включающий радиальный внешний фланец, проходящий от радиальной внешней кромки, и радиальный внутренний фланец, проходящий от радиальной внутренней кромки, радиальную внутреннюю платформу, содержащую множество продольно ориентированных пазов для размещения радиальных внутренних фланцев кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления, и радиальную внешнюю платформу, содержащую множество продольно ориентированных пазов для размещения радиальных внешних фланцев кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления.

2. Газотурбинный статор, содержащий сборку лопатки, содержащую лопатку, радиальную внешнюю торцевую заглушку, радиальную внутреннюю торцевую заглушку, зажимной элемент, расположенный между радиальной внешней торцевой заглушкой и радиальной внутренней торцевой заглушкой, при этом лопатка проходит радиально между указанными заглушками и содержит кожух стороны высокого давления и отдельный кожух стороны низкого давления, зажимной элемент предназначен для поддержания кожуха стороны высокого давления и кожуха стороны низкого давления в, по существу, фиксированной ориентации относительно друг друга и относительно внешней торцевой заглушки и внутренней торцевой заглушки, и платформу для размещения сборки лопатки, содержащую радиальную внутреннюю платформу, содержащую продольно ориентированный паз для размещения радиальной внутренней торцевой заглушки, и радиальную внешнюю платформу, содержащую продольно ориентированный паз для размещения радиальной внешней торцевой заглушки.

3. Газотурбинный статор по п.2, в котором кожух стороны высокого давления содержит переднюю кромку, заднюю кромку и вогнутую поверхность между ними, кожух стороны низкого давления содержит переднюю кромку, заднюю кромку и выпуклую поверхность между ними, при этом передняя кромка кожуха стороны низкого давления и передняя кромка кожуха стороны высокого давления поддерживаются относительно близко друг к другу, и, по меньшей мере, один из кожуха стороны низкого давления и кожуха стороны высокого давления выполнен из керамического матричного композита.