КОЛЬЦЕВОЙ УЗЕЛ ТУРБИНЫ, ПОДДЕРЖИВАЕМЫЙ ФЛАНЦАМИ Российский патент 2020 года по МПК F01D11/08 F01D25/24 

Область и уровень техники

Настоящее изобретение относится к газотурбинным авиационным двигателям. Тем не менее, изобретение может применяться и в других газотурбинных двигателях, например, промышленных турбинах.

Известны материалы композитов с керамической матрицей (ККМ), сохраняющие свои механические свойства при высоких температурах, что позволяет их применять при создании жаропрочных конструктивных элементов.

В газотурбинных авиационных двигателях необходимость повышения эффективности и снижения количества вредных выбросов приводит к стремлению все более повышать рабочую температуру. При использовании колец турбины, изготовленных целиком из металла, необходимо охлаждать все элементы узла и, в частности, кольцо турбины, на которое воздействуют очень горячие потоки, типично имеющие температуру, превышающую температуру, которую могут выдерживать металлические материалы. Такое охлаждение оказывает существенное влияние на характеристики двигателя, поскольку применяемый охлаждающий поток отбирается от основного потока, идущего сквозь двигатель. Кроме того, использование металла для изготовления кольца турбины ограничивает потенциал повышения температуры в турбине, даже если это позволило бы повысить характеристики авиационного двигателя.

Поэтому уже возникли предложения использовать ККМ для различных горячих участков двигателей, в частности, поскольку ККМ имеют дополнительные преимущества в плотности, которая ниже, чем плотность обычно используемых жаростойких металлов.

Так, изготовление секторов кольца турбины, состоящих из одной детали, описана, в частности, в документе US 2012/0027572. Секторы кольца содержат кольцевое основание, имеющее внутреннюю поверхность, определяющую внутреннюю поверхность кольца турбины, и наружную поверхность, от которой отходят два участка, образующих лапки, концы которых находятся в зацеплении с корпусом металлической конструкции, поддерживающей кольцо.

Применение секторов кольца из ККМ позволяет существенно уменьшить степень вентиляции, необходимой для охлаждения кольца турбины. Тем не менее, удержание секторов кольца на месте остается проблемой, в частности, ввиду разного расширения, которое может возникнуть между металлической поддерживающей конструкцией и секторами кольца из ККМ. Кроме того, другая проблема заключается в напряжении, возникающем в результате перемещений. Кроме того, секторы кольца нужно удерживать в положении даже в случае контакта между торцем лопатки ротора с внутренними поверхностями секторов кольца.

Цель и краткое описание изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение таких недостатков и, для этого, предлагается кольцевой узел турбины, содержащий множество секторов кольца, изготовленных из материала композита с керамической матрицей, образующих кольцо турбины, а также конструкцию поддержки кольца, имеющую первый и второй кольцевые фланцы, при этом каждый сектор кольца имеет участок, образующий кольцевое основание с внутренней стороной, определяющей внутреннюю сторону кольца турбины, и внешней стороной, от которой радиально отходят первая и вторая лапки, при этом лапки каждого сектора кольца удерживаются между двумя кольцевыми фланцами конструкции поддержки кольца, при этом каждая из первой и второй лапок секторов кольца имеет кольцевую канавку в поверхности, соответственно обращенной к первому кольцевому фланцу и ко второму кольцевому фланцу конструкции поддержки кольца, при этом каждый из первого и второго кольцевых фланцев конструкции поддержки кольца имеет кольцевой выступ на поверхности, обращенной к одной из лапок сектора кольца, при этом кольцевой выступ первого фланца вставлен в кольцевую канавку первой лапки каждого сектора кольца, а кольцевой выступ второго фланца вставлен в кольцевую канавку второй лапки каждого сектора кольца, при этом между кольцевым выступом первого фланца и кольцевыми канавками первых лапок, и между кольцевым выступом второго фланца и кольцевыми канавками вторых лапок находится по меньшей мере один упругий элемент. Каждый упругий элемент расположен между верхними стенками канавок, имеющихся в первых лапках или, соответственно, во вторых лапках секторов кольца, и верхней стенкой кольцевого выступа первого фланца или, соответственно, второго фланца конструкции поддержки кольца; или каждый упругий элемент расположен между нижними стенками канавок, выполненных в первых лапках или, соответственно, вторых лапках секторов кольца, и нижней стенкой кольцевого выступа первого фланца или, соответственно, второго фланца конструкции поддержки кольца. Каждый упругий элемент служит для удержания секторов кольца на месте на конструкции поддержки кольца в радиальном направлении кольца турбины.

Используя вышеописанную геометрию крепления для секторов кольца, и помещая упругий элемент между выступами фланцев и канавками в лапках секторов кольца, обеспечивается удержание секторов кольца на месте даже в случае разного расширения секторов и поддерживающей конструкцией, при этом такое расширение компенсируется за счет упругости удержания.

В варианте кольцевого узла турбины по настоящему изобретению каждый упругий элемент сформирован разрезной втулкой, установленной с упругим преднапряжением между одним из кольцевых выступов и соответствующими канавками.

В другом варианте кольцевого узла турбины по настоящему изобретению каждый упругий элемент образован по меньшей мере одной полосой жесткого материала, имеющего волнистого форму. В таких обстоятельствах упругий элемент может быть изготовлен из волнистого листа.

Конкретным признаком кольцевого узла турбины по настоящему изобретению является то, что выступы двух кольцевых фланцев конструкции поддержки кольца прилагают напряжение на кольцевые канавки в лапках секторов кольца, при этом один из фланцев конструкции поддержки кольца является упруго деформируемым в осевом направлении кольца турбины.

За счет удержания секторов кольца между фланцами, которые прилагают напряжение к лапкам секторов через свои выступы, при том, что фланцы конструкции удержания кольца являются упруго деформируемыми, дополнительно улучшается контакт и, следовательно, улучшается уплотнение между фланцами и лапками, даже когда эти на эти элементы воздействуют высокие температуры. Более конкретно, способность одного из фланцев конструкции поддержки кольца к упругой деформации позволяет компенсировать разницу в расширении между лапками секторов кольца из ККМ и фланцами металлической конструкции поддержки кольца без существенного увеличения напряжения, которое возникает, когда "холодные" фланцы взаимодействуют с лапками на секторах кольца.

В частности, упруго деформируемый фланец конструкции поддержки кольца может иметь толщину меньшую, чем толщина другого фланца конструкции поддержки кольца.

Согласно другому аспекту кольцевого узла турбины по настоящему изобретению, он далее содержит множество штифтов, входящих и по меньшей мере в один из кольцевых фланцев конструкции поддержки кольца, и в те стороны лапок секторов кольца, которые обращены к этому по меньшей мере одному фланцу. Эти штифты служат для предотвращения поворота секторов кольца в конструкции поддержки кольца.

Согласно другому аспекту кольцевого узла турбины по настоящему изобретению, упруго деформируемый фланец конструкции поддержки кольца имеет множество крюков, распределенных по поверхности напротив стороны, обращенной к лапкам секторов кольца. Наличие крюков способствует отходу упруго деформируемого фланца для установки лапок секторов кольца между фланцами без необходимости прилагать силу, чтобы вставить лапки между фланцами.

В другом варианте кольцевого узла турбины по настоящему изобретению, конструкция поддержки кольца содержит кольцевую удерживающую ленту, установленную на кожухе турбины, при этом кольцевая удерживающая лента кольцевую полосу, образующую один из фланцев конструкции поддержки кольца. Лента имеет первую серию зубьев, распределенных по окружности на этой ленте, а кожух турбины имеет вторую серию зубьев, распределенных по окружности этого кожуха, при этом зубья первой серии и зубья второй серии совместно образуют периферийную кулачковую муфту поворотного замка. Такое соединение с помощью кулачковой муфты поворотного замка позволяет легко монтировать и снимать секторы кольца.

Согласно другому аспекту кольцевого узла турбины по настоящему изобретению кожух турбины содержит кольцевой выступ, проходящий между бандажным ободом кожуха и лентой конструкции поддержки кольца. Это предотвращает утечки от входа к выходу между кожухом и лентой.

Краткое описание чертежей

Далее следует более подробное описание не ограничивающего примера настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 - радиальное сечение варианта кольцевого узла турбины по настоящему изобретению;

Фиг. 2-4 - схемы, иллюстрирующие, как сектор кольца устанавливается в конструкцию поддержки кольца кольцевого узла с фиг. 1;

Фиг. 5 - частичное сечение, иллюстрирующее вариант кольцевого узла турбины с фиг. 1;

Фиг 6 - радиальное сечение, иллюстрирующее элемент кольцевого узла турбины по настоящему изобретению;

Фиг. 7-11 - схемы, иллюстрирующие, как сектор кольца монтируется в конструкцию поддержки кольцевого узла с фиг. 6; и

Фиг. 12 - схематический вид в перспективе удерживающей ленты с фиг. 6 и 8-11.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 показан кольцевой узел для турбины высокого давления, содержащий кольцо 1 турбины, изготовленное из материала композита с керамической матрицей (ККМ) и металлическую конструкцию 3 поддержки кольца. Кольцо 1 окружает набор вращающихся лопаток 5. Кольцо 1 изготовлено из множества секторов 10 кольца и на фиг. 1 представлено радиальное сечение в плоскости, проходящей между двумя смежными секторами кольца. Стрелкой Da показано осевое направление относительно кольца 1, а стрелкой Dr показано радиальное направление относительно кольца 1.

Каждый сектор 10 кольца имеет сечение, которое по существу имеет форму перевернутой литеры "п" с кольцевым основанием 12, имеющим внутреннюю поверхность, покрытую слоем 13 истираемого материала, определяющую проход для потока газа через турбину. Передние и задние лапки 14 и 16 отходят от внешней поверхности кольцевого основания 12 в радиальном направлении Dr. Термины "передний" и "задний" используются в настоящем описании относительно направления потока газа через турбины (показанного стрелкой F).

Конструкция 3 поддержки кольца закреплена на кожухе 30 турбины, и имеет передний кольцевой радиальный фланец 32 с выступом 34 на поверхности, обращенной к передним лапкам 14 секторов 10 кольца, при этом выступ 34 вставлен в кольцевую канавку 140, имеющуюся на внешних поверхностях 14а передних лапок 14. На задней стороне конструкция поддержки кольца имеет задний кольцевой радиальный фланец 36 с выступом 38 на его поверхности, обращенной к задним лапкам 16 секторов 10 кольца, при этом выступ 38 вставлен в кольцевую канавку 160, имеющуюся на внешней поверхности 16а задних лапок 16.

Как будет подробно описано ниже, лапки 14 и 16 каждого сектора 10 кольца установлены с предварительным напряжением между кольцевыми фланцами 32 и 36 так, чтобы по меньшей мере в "холодном" состоянии, т.е., при температуре окружающей среды прибл. 25°С, фланцы прилагали напряжение к лапкам 14 и 16.

Кроме того, в описываемом примере секторы 10 кольца также удерживаются блокирующими штифтами. Точнее, и как показано на фиг. 1, штифты 40 вставлены и в кольцевой передний радиальный фланец 32 конструкции поддержки кольца, и в передние лапки 14 секторов 10 кольца. Для этого каждый штифт 40 пропущен сквозь соответствующее отверстие 33, сформированное в кольцевом переднем радиальном фланце 32, и сквозь соответствующее отверстие 15, сформированное в передней лапке 14, а отверстия 33 и 15 совмещены при монтаже секторов 10 кольца на поддерживающей конструкции 3. Аналогично, штифты 41 вставлены и в кольцевой задний радиальный фланец 36 конструкции 3 поддержки кольца, и в задние лапки 16 секторов 10 кольца. Для этого каждый штифт 41 пропущен сквозь соответствующее отверстие 37, выполненное в кольцевом заднем радиальном фланце 36, и соответствующее отверстие 17, выполненное в задней лапке 16, и отверстия 37 и 17 совмещены при монтаже секторов 10 на поддерживающей конструкции 3.

Кроме того, имеется уплотнение между секторами, создаваемое уплотняющими язычками, вставленными в канавки, которые обращены друг к другу и выполнены в обращенных друг к другу поверхностях двух соседних секторах кольца. Язычок 22а проходит почти по всей длине кольцевого основания 12 в его средней части. Другой язычок 22b проходит вдоль лапки 14 и по части кольцевого основания 12. Еще один язычок 22с проходит вдоль лапки 14 и по части кольцевого основания 12. Одним концом язычок 22с упирается в язычок 22a и в язычок 22b. Язычки 22а, 22b и 22c изготовлены, например, из металла и установлены в свои корпуса без зазоров в холодном состоянии чтобы создавать уплотнение при рабочей температуре.

Известным образом вентиляционные отверстия 32а, выполненные во фланце 32 позволяют подавать охлаждающий воздух для охлаждения кольца 10 турбины изнутри.

Согласно настоящему изобретению между каждым выступом кольцевых фланцев конструкции поддержки кольца и каждой кольцевой канавкой в лапках секторов кольца расположен по меньшей мере один упругий элемент. Точнее, в описываемом варианте между верхними стенками 142 канавок 140, выполненных в наружных поверхностях 12а передних лапок 14 секторов 10 кольца и верхней поверхностью 32с выступа 34 переднего кольцевого радиального фланца 32 установлен разрезной кольцевой элемент 60, а между верхними стенками 162 канавок 160, выполненных в наружных поверхностях 16а задних лапок 16 секторов 10 кольца и верхней поверхностью 38с выступа 38 заднего кольцевого фланца 36 установлен разрезной кольцевой элемент 70. Разрезные кольцевые элементы 60 и 70 образуют упругие элементы, поскольку когда они находятся в свободном состоянии, т.е., перед монтажом, они имеют радиус больший, чем радиус, определенный верхними стенками 142 и 162 кольцевых канавок 140 и 160 соответственно. Разрезные кольцевые элементы 60 и 70 могут быть изготовлены, например, из сплава René 41. Перед монтажом элементы 60 и 70 подвергаются упругому напряжению, чтобы их сжать и уменьшить радиус так, чтобы их можно было вставить в канавки 140 и 160. После установки в канавки е140 и 160 элементы 60 и 70 расширяются и прижимаются к верхним стенкам 142 и 162 кольцевых канавок 140 и 160. Элементы 60 и 70, таким образом, удерживают секторы 10 кольца на месте на конструкции 3 поддержки кольца. Точнее, элементы 60 и 70 прилагают удерживающую силу Fm к секторам 10 кольца, которая направлена в радиальном направлении Dr и которая обеспечивает контакт, во-первых, между нижними стенками 143 канавок 140 передних лапок 14 с нижней поверхностью 34b выступа 34 переднего кольцевого радиального фланца 32, и, во-вторых, между нижними стенками 163 канавок 160 задних лапок 16 с нижней поверхностью 38b выступа 38 заднего кольцевого радиального фланца 36 (фиг. 1).

Далее следует описание способа сборки кольцевого узла турбины для узла, показанного на фиг. 1.

Каждый вышеописанный сектор 10 кольца изготовлен из материала композита с керамической матрицей (ККМ) путем изготовления волоконной преформы, имеющей форму, близкую к форме сектора кольца, и путем уплотнения этого сектора кольца керамической матрицей.

Для изготовления преформы можно использовать пряжу, изготовленную из керамических волокон, например, пряжу из волокон SiC, например, такую, которая продается японским поставщиком Nippon Carbon под наименованием "Nicalon", или пряжу, изготовленную из углеродных волокон.

Волоконная преформа преимущественно изготавливается трехмерным тканьем или многослойным тканьем, с образованием зон, в которых отсутствует связывание, чтобы части преформы, соответствующие лапками 14, 16 можно было отвести от секторов 10.

Тканье может быть тканьем интерлочного типа, как показано. Можно использовать и другие типы трехмерного или многослойного тканья, например, парусинового (multi-plain) или атласного (multi-satin) типа. Они описаны в документе WO 2006/136755.

После тканья заготовке можно придать форму для получения преформы сектора кольца, консолидированной и уплотненной керамической матрицей и уплотнение можно производить с помощью известного способа химической инфильтрации из паровой фазы.

Подробный пример изготовления секторов кольца из ККМ описан, в частности, в документе US 2012/0027582.

Конструкция 3 поддержки кольца изготовлена из металлического материала, такого как сплав Waspaloy® или Inconel 718.

Изготовление кольцевого узла турбины продолжается установкой секторов е10 кольца на конструкцию 3 поддержки кольца. Как показано на фиг. 2, расстояние Е между концом 34а кольцевого выступа 34 переднего кольцевого фланца 32 и концом 38а кольцевого выступа 38 заднего кольцевого радиального фланца 36 в "состоянии покоя", т.е., когда сектор кольца не установлен между фланцами, меньше, чем расстояние D между концевыми стенками 141 и 161 кольцевых канавок 140 и 160, соответственно, в передней и задней лапках 14 и 16 секторов кольца.

За счет того, что расстояние Е между выступами фланцев конструкции поддержки кольца меньше, чем расстояние D между концевыми стенками канавок в лапках, имеется возможность монтировать секторы кольца с предварительным напряжением между фланцами конструкции поддержки кольца. Тем не менее, чтобы не допустить повреждения лапок секторов кольца из ККМ во время монтажа, согласно настоящему изобретению, и в соответствии с настоящим изобретением, конструкция поддержки кольца содержит по меньшей мере один кольцевой фланец, который является упруго деформируемым в осевом направлении Da кольца. В описываемом примере упруго деформируемым является задний кольцевой радиальный фланец 36. Более конкретно, кольцевой задний радиальный фланец 36 конструкции 3 поддержки кольца имеет малую толщину по сравнению с толщиной переднего кольцевого радиального фланца 32 и именно это придает ему упругость.

Перед монтажом секторов 10 кольца на конструкцию 3 поддержки кольца к верхним стенкам 34с и 38с выступов 34 и 38 кольцевых радиальных фланцев 32 и 36 прижимают разрезные элементы 60 и 70.

Затем секторы 10 кольца монтируют один за другим на конструкции 3 поддержки кольца. При монтаже сектора 10 кольца задний кольцевой радиальный фланец 36 оттягивают в направлении Da, как показано на фиг. 3 и 4 для увеличения расстояния между фланцами 32 и 36, чтобы можно было вставить выступы 34 и 38, имеющиеся на фланцах 32 и 36, в канавки 140 и 160, имеющиеся в лапках 14 и 16 без риска повредить сектор 10 кольца. После того, как выступы 34 и 38 фланцев 32 и 36 будут вставлены в канавки 140 и 160 лапок 14 и 16, и после того как эти лапки 14 и 16 будут выставлены так, чтобы отверстия 33 и 15, а также отверстия 17 и 37, совпали, фланец 36 отпускают. Соответствующие выступы 34 и 38 фланцев 32 и 36 затем создают осевое удерживающее напряжение (направление Da) на лапках 14 и 16 сектора кольца, а элементы 60 и 70 создают радиальное напряжение (направление Dr) на лапках 14 и 16 этих секторов. Для того чтобы облегчить оттягивание заднего кольцевого радиального фланца 36, на нем выполнено множество крюков 39, распределенных по его поверхности 39а, которая является противоположной поверхности 36b фланца 36, которая обращена к задним лапкам 16 секторов 10 кольца (фиг. 3). В этом примере оттягивание упруго деформируемого фланца 36 в осевом направлении Da кольца осуществляется с помощью инструмента 50, имеющего по меньшей мере один рычаг 51, и на конце которого имеется крюк 510, который находится в зацеплении с крюком 39, имеющимся на внешней поверхности 36а фланца 36.

Количество крюков 39, распределенных по поверхности 36а фланца 36 определяется как функция количества точек оттягивания, которое желательно создать на фланце 36. Это количество зависит в основном от упругости фланца. Разумеется, в рамках настоящего изобретения можно предусмотреть и другие формы и варианты расположения средств, позволяющих оттягивать фланцы конструкции поддержки кольца в осевом направлении.

После того, как сектор 10 будет вставлен и позиционирован между фланцами 32 и 36, штифты 40 вставляют в совмещенные отверстия 33 и 15, сформированные, соответственно, в кольцевом переднем радиальном фланце 32 и в передней лапке 14, а штифты 41 вставляют в совмещенные отверстия 37 и 17, сформированные, соответственно, в кольцевом заднем радиальном фланце 36 и в задней лапке 16. Каждая лапка 14 или 16 сектора кольца может иметь одно отверстие или более для установки блокирующих штифтов.

В измененном варианте элементы 60 и 70 могут устанавливаться между нижними стенками канавок в лапках секторов кольца и нижними поверхностями выступов на кольцевых радиальных фланцах. На фиг. 5 показан такой вариант для передних лапок 14 секторов 10 кольца на кольцевых радиальных фланцах. На фиг. 5 элемент 60 расположен между нижней стенкой 143 канавки 140 в передней лапке 14 сектора 10 кольца и нижней поверхностью 34b выступа 34 переднего кольцевого радиального фланца 32 конструкции 3 поддержки кольца. Элемент 60 прилагает удерживающую силу Fm, направленную в радиальном направлении Dr и обеспечивающую контакт, во-первых, между верхней стенкой 142 канавки 140 в передней лапке и верхней поверхностью 34с выступа 34 переднего кольцевого радиального фланца 32.

На фиг. 6 показан кольцевой узел для турбины высокого давления согласно другому варианту настоящего изобретения. Как было описано выше, кольцевой узел турбины высокого давления содержит кольцо 101 турбины, изготовленное из материала композита с керамической матрицей (ККМ) и металлическую конструкцию 103 поддержки кольца. Кольцо 101 турбины состоит из множества секторов 110 кольца, и на фиг. 6 представлено сечение в плоскости, проходящей между двумя смежными секторами. Стрелкой Da показано осевое направление относительно кольца 101 турбины, а стрелкой Dr показано радиальное направление относительно кольца 101 турбины.

Каждый сектор 110 кольца имеет сечение, по существу имеющее форму перевернутой литеры "п". с кольцевым основанием 112, на внутренней поверхности которого нанесен слой 113 из истираемого материала, определяющий проход для потока газа через турбину. От внешней поверхности кольцевого основания 12 в радиальном направлении Dr отходят передние и задние лапки 114 и 116. Термины "передний" и "задний", применяемые в настоящем описании, относятся к направлению потока газа через турбину (стрелка F).

Конструкция 103 поддержки кольца состоит из двух частей, а именно, из первой части, соответствующей переднему кольцевому радиальному фланцу 132, который предпочтительно сформирован интегрально с кожухом 130 турбины, и из второй части, соответствующей кольцевой удерживающей ленте 150, установленной на кожух 130 турбины. Передний кольцевой радиальный фланец 132 имеет выступ 134 на его поверхности, обращенной к передним лапкам 114 секторов 110 кольца, при этом выступ 134 вставлен в кольцевые канавки 1140, имеющиеся во внешних поверхностях 114а передних лапок 114. На задней стороне лента 150 содержит кольцевую полосу 157, которая образует задний кольцевой радиальный фланец 154, имеющий выступ 155, расположенный на поверхности, обращенной к задним лапкам 116 секторов 110 кольца, при этом этот выступ вставлен в кольцевую канавку 160, имеющуюся во внешних поверхностях 116а задних лапок 116. Лента 150 содержит кольцевое тело 151, проходящее аксиально и содержащее на своей передней стороне кольцевую полосу 157, а на задней стороне первую серию зубьев 152, распределенных по окружности по полосе 150 и разнесенных друг от друга первыми зацепляющими проходами 153 (фиг. 9 и 12). На задней стороне кожух 130 турбины имеет вторую серию зубьев 135, отходящих радиально от внутренней поверхности бандажного обода 138 кожуха 130 турбины. Зубья 135 распределены по окружности на внутренней поверхности 138а бандажного обода 138 и разнесены друг от друга вторыми зацепляющими проходами 136 (фиг. 9). Зубья 152 и 135 взаимодействуют друг с другом для формирования проходящей по окружности кулачковой муфты поворотного замка.

Как более подробно описывается ниже, лапки 114 и 116 каждого сектора 110 кольца установлены с предварительным напряжением между кольцевыми фланцами 132 и 154 так, чтобы по меньшей мере в "холодном" состоянии, т.е., при температуре окружающей среды, приблизительно равной 25°С, фланцы прилагали напряжение к лапкам 114 и 116.

Кроме того, в описываемом примере секторы 110 также удерживаются блокирующими штифтами. Точнее, и как показано на фиг. 6, штифты 140 находятся в зацеплении и с передним кольцевым радиальным фланцем 132 конструкции 103 поддержки кольца, и с передними лапками 114 секторов 110 кольца. Для этого каждый штифт 140 проходит сквозь соответствующее отверстие 133, сформированное в переднем кольцевом радиальном фланце 132 и соответствующее отверстие 115, сформированное в передней лапке 114, при этом отверстия 133 и 115 совмещают при монтаже секторов 110 кольца на конструкцию 103 поддержки кольца. Аналогично, штифты 141 вставлены и в задний кольцевой радиальный фланец 154 ленты 150, и в задние лапки 116 секторов 110 кольца. Для этого каждый штифт 141 проходит сквозь соответствующее отверстие 156, сформированное в заднем кольцевом радиальном фланце 154 и соответствующее отверстие 117, сформированное в задней лапке 116, при этом отверстия 156 и 117 совмещают при монтаже секторов 110 кольца на конструкцию 103 поддержки кольца.

Дополнительно, уплотнение между секторами обеспечивается уплотняющими язычками, вставленными в канавки, которые обращены друг к другу в обращенных друг к другу поверхностях двух соседних секторов кольца. Язычок 122а проходит почти по всей длине кольцевого основания 112 в его средней части. Другой язычок 122b проходит вдоль лапки 114 и на участке кольцевого основания 112. Другой язычок 112с проходит по лапке 116. Одним концом язычок 122с упирается в язычок 122а и в язычок 122b. Например, язычки 122а, 122b и 122с изготовлены из металла и установлены в свои гнезда с зазором в холодном состоянии, чтобы выполнять функцию уплотнения при рабочих температурах.

Известным образом, вентиляционные отверстия 132а, сформированные во фланце 132, служат для подачи охлаждающего воздуха для охлаждения кольца 110 турбины изнутри.

Дополнительно, уплотнение между передней и задней частью кольцевого узла турбины обеспечивается кольцевым выступом 131, отходящим радиально от внутренней поверхности 138а бандажного обода 138 кожуха 130 турбины, и свободный конец которого находится в контакте с поверхностью тела 151 ленты 150.

Согласно настоящему изобретению между каждым выступом кольцевых фланцев и каждой кольцевой канавкой в лапках секторов кольца установлен по меньшей мере один упругий элемент. Точнее, в описываемом варианте между верхними стенками 1142 канавок 1140, имеющихся во внешних поверхностях 114а передних лапок 114 секторов 110 кольца и верхней поверхностью 143с выступа 134 переднего кольцевого радиального фланца 132, установлен разрезной кольцевой волнистый лист 170, а между верхними стенками 1162 канавок 160, имеющихся во внешних поверхностях 116а задних лапок 116 секторов 110 кольца и верхней поверхностью 155с выступа 155 заднего кольцевого радиального фланца 154 установлен разрезной кольцевой волнистый лист 180. Кольцевые волнистые листы 170 и 180 являются упругими элементами. Они, в частности, могут быть изготовлены из металлического материала, такого как сплав René 41, или из композитного материала, такого как материал типа А500, образованный армирующим углеродным волокном, которое уплотнено самовосстанавливающейся матрицей SiC/B. Волнистые листы 170 и 180 контактируют поочередно с кольцевыми канавками 1140 и 1160 и с выступами 134 и 155. Волнистые листы 170 и 180, таким образом, удерживают секторы 110 кольца на месте на конструкции 103 поддержки кольца. Точнее, волнистые листы 170 и 180 удерживают секторы 110 кольца упруго в радиальном направлении Dr чередующимися точками контакта, во-первых, между верхними стенками 1142 канавок 1140 передних лапок 114 и верхней поверхностью 134с выступа 134 переднего кольцевого радиального фланца 132 (для листа 170) и, во-вторых, между верхними стенками 1162 канавок 160 задних лапок 116 и верхней поверхность. 155с выступа 155 заднего кольцевого радиального фланца 154 (для листа 180).

Далее следует описание способа изготовления кольцевого узла турбины, показанного на фиг. 6.

Каждый вышеописанный сектор 110 кольца изготовлен из материала композита с керамической матрицей (ККМ) путем изготовления волоконной преформы, имеющей форму, близкую к форме сектора кольца, и путем уплотнения этого сектора кольца керамической матрицей.

Для изготовления преформы можно использовать пряжу, изготовленную из керамических волокон, например, пряжу из волокон SiC, например, такую, которая продается японским поставщиком Nippon Carbon под наименованием "Nicalon", или пряжу, изготовленную из углеродных волокон.

Волоконная преформа преимущественно изготавливается трехмерным тканьем или многослойным тканьем, с образованием зон, в которых отсутствует связывание, чтобы части преформы, соответствующие лапками 114, 116 можно было отвести от секторов 110.

Тканье может быть тканьем интерлочного типа, как показано. Можно использовать и другие типы трехмерного или многослойного тканья, например, парусинового (multi-plain) или атласного (multi-satin) типа. Они описаны в документе WO 2006/136755.

После тканья заготовке можно придать форму для получения преформы сектора кольца, консолидированной и уплотненной керамической матрицей и уплотнение можно производить с помощью известного способа химической инфильтрации из паровой фазы.

Подробный пример изготовления секторов кольца из ККМ описан, в частности, в документе US 2012/0027582.

Конструкция 3 поддержки кольца изготовлена из металлического материала, такого как сплав Waspaloy® или Inconel 718.

Изготовление кольцевого узла турбины продолжается путем монтажа секторов 110 кольца на конструкцию 103 поддержки кольца. Как показано на фиг. 7 и 8, секторы 110 кольца сначала крепят за их передние лапки 114 к переднему кольцевому радиальному фланцу 132 конструкции 103 поддержки кольца штифтами 140, вставленными в отверстия 133 и 115, выполненными, соответственно в переднем кольцевом радиальном фланце 132 и в передних лапках 114, при этом кольцевой волнистый лист 170 заранее устанавливается так, чтобы прижиматься к верхней поверхности 134с выступа 134 переднего кольцевого радиального фланца 132. Выступ 134, имеющийся на фланце 132, вставлен в канавки 1140, имеющиеся в лапках 114.

После того, как все секторы 110 кольца будут закреплены описанным выше способом на переднем кольцевом радиальном фланце 132, устанавливают кольцевую удерживающую ленту 150, помещая кулачковую муфту поворотного замка между кожухом 103 турбины и задними лапками 116 секторов 110 кольца. В описываемом варианте расстояние Е между передним кольцевым радиальным фланцем 154, образованным кольцевой полосой 157 ленты 150 и внешними поверхностями 152а зубьев 152 этой ленты больше, чем расстояние D между концевыми стенками 1161 канавок 160 в задних лапках 116 секторов кольца и внутренними поверхностями 135b зубьев 135 на кожухе 130 турбины (фиг. 8).

Благодаря тому, что расстояние Е между передним кольцевым радиальным фланцем и внешними поверхностями зубьев ленты больше, чем расстояние D между концевыми стенками канавок в задних лапках секторов кольца и внутренними поверхностями зубьев на кожухе турбины, имеется возможность монтировать секторы кольца с предварительным напряжением между фланцами конструкции поддержки кольца. Тем не менее, чтобы избежать повреждения лапок из материала ККМ секторов кольца во время монтажа, и согласно настоящему изобретению, конструкция поддержки кольца содержит по меньшей мере один кольцевой фланец, упруго деформируемый в осевом направлении Da кольца. В описываемом примере таким упруго деформируемым фланцем является задний кольцевой радиальный фланец 154, имеющийся на ленте 154. Более конкретно, кольцевая полоса 157, образующая задний кольцевой радиальный фланец 154 конструкции 103 поддержки кольца, имеет небольшую толщину по сравнению с толщиной переднего кольцевого радиального фланца 132, что придает ему некоторую упругость.

Как показано на фиг. 9, 10 и 11, лента 150 установлена на кожухе 130 турбины за счет прижима волнистого металлического листа 180 к верхней поверхности 155с выступа 155 переднего кольцевого радиального фланца 154 ленты 150 и введения выступов 155 в зацепление с канавками 1160 в задних лапках 116. Для закрепления ленты 150 кулачковой муфтой поворотного замка зубья 152 ленты 150 сначала позиционируют так, чтобы они были обращены к проходам 136 на кожухе турбины, которые, в свою очередь, должны быть обращены к проходам 153 между зубьями 152 на ленте 150. Поскольку расстояние Е больше, чем расстояние D, необходимо приложить осевую силу Fa к ленте 150 в направлении, показанном на фиг. 10, чтобы зубья 152 зашли за зубья 135 и ленту 150 можно было повернуть в направлении R на угол, соответствующий по существу ширине зубьев 135 и 152. После такого поворота ленту 150 отпускают, и она удерживается под действием осевого напряжения между задними лапками 116 секторов 110 кольца и внутренними поверхностями 153b зубьев 135 кожуха 130 турбины.

Когда лента таким способом будет установлена на место, штифты 141 вставляют в совмещенные отверстия 156 и 117, сформированные, соответственно, в заднем кольцевом радиальном фланце 154 и в задних лапках 116. Каждая лапка 114 или 116 сектора кольца может иметь одно или более отверстие для установки блокирующего штифта.

В другом варианте волнистые листы 170 и 180 можно поместить между нижними стенками канавок в лапках секторов кольца и нижними поверхностями выступов кольцевых радиальных фланцев. В таких обстоятельствах волнистые листы 170 и 180 обеспечивают упругое удержание секторов 110 кольца в радиальном направлении Dr чередующимися точками контакта, во-первых, между нижними стенками 1143 канавок 1140 передних лапок 114 и нижней поверхностью 134b выступа 134 переднего кольцевого радиального фланца 132 (для листа 170) и, во-вторых, между нижними стенками 1163 канавок 1160 задних лапок 116 и нижней поверхностью 155b выступа 155 заднего кольцевого радиального фланца 154 (для листа 180).

Узел венца диска турбины содержит множество секторов венца, изготовленных из материала композита с керамической матрицей, образующих венец диска турбины, и конструкцию поддержки венца, имеющую первый и второй кольцевые фланцы. Каждый сектор венца содержит первую и вторую лапки, удерживаемые между двумя кольцевыми фланцами конструкции поддержки венца. Каждая из первой и второй лапок секторов венца имеет кольцевую канавку. Каждый из первого и второго кольцевых фланцев имеет кольцевой выступ, вставленный, соответственно, в кольцевую канавку первых лапок или в кольцевую канавку вторых лапок каждого сектора венца. Между кольцевым выступом первого фланца и кольцевыми канавками первых лапок и между кольцевым выступом второго фланца и кольцевыми канавками вторых лапок установлен упругий элемент. Изобретение позволяет обеспечить надежное удержание секторов кольца и компенсировать разницу в тепловом расширении секторов и поддерживающей конструкции. 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Кольцевой узел турбины, содержащий множество секторов кольца, изготовленных из материала композита с керамической матрицей, образующих кольцо турбины, и конструкцию поддержки кольца, имеющую первый и второй кольцевые фланцы, при этом каждый сектор кольца имеет участок, образующий кольцевое основание с внутренней поверхностью, которая определяет внутреннюю сторону кольца турбины, и с наружной поверхностью, от которой радиально отходят первая и вторая лапки, при этом лапки каждого сектора кольца удерживаются между двумя кольцевыми фланцами конструкции поддержки кольца, причем в поверхности каждой из первых и вторых лапок имеется кольцевая канавка, соответственно обращенная к первому кольцевому фланцу и второму кольцевому фланцу конструкции поддержки кольца, при этом каждый из первого и второго кольцевых фланцев конструкции поддержки кольца имеет кольцевой выступ на поверхности, обращенной к одной из лапок сектора кольца, причем кольцевой выступ первого фланца вставлен в кольцевую канавку первой лапки каждого сектора кольца, а кольцевой выступ второго фланца вставлен в кольцевую канавку второй лапки каждого сектора кольца, при этом между кольцевым выступом первого фланца и кольцевыми канавками первых лапок, а также между кольцевым выступом второго фланца и кольцевыми канавками вторых лапок установлен по меньшей мере один упругий элемент,

причем каждый упругий элемент расположен между верхними стенками канавок, имеющихся в первых лапках, или соответственно вторых лапок, секторов кольца, и верхней стенкой кольцевого выступа первого фланца или, соответственно, второго фланца конструкции поддержки кольца, или

каждый упругий элемент расположен между нижними стенками канавок, имеющихся в первых лапках или, соответственно, во вторых лапках секторов кольца, и нижней стенкой кольцевого выступа первого фланца или, соответственно, второго фланца конструкции поддержки кольца;

при этом каждый упругий элемент служит для удержания секторов кольца на месте на конструкции поддержки кольца в радиальном направлении кольца турбины.

2. Узел по п. 1, в котором каждый упругий элемент образован разрезным кольцевым элементом, установленным с упругим предварительным напряжением между одним из кольцевых выступов и соответствующей канавкой.

3. Узел по п. 1, в котором каждый упругий элемент образован по меньшей мере одной полосой из жесткого материала, имеющей волнистую форму.

4. Узел по п. 1, в котором выступы двух кольцевых фланцев конструкции поддержки кольца прилагают напряжение к кольцевым канавкам лапок секторов кольца, причем один из фланцев конструкции поддержки кольца является упругодеформируемым в осевом направлении кольца турбины.

5. Узел по п. 4, в котором упругодеформируемый фланец конструкции поддержки кольца имеет толщину, которая меньше толщины другого фланца конструкции поддержки кольца.

6. Узел по п. 4, в котором упругодеформируемый фланец конструкции поддержки кольца имеет множество крюков, распределенных по его поверхности, расположенной напротив поверхности, обращенной к лапкам секторов кольца.

7. Узел по п. 1, в котором конструкция поддержки кольца содержит кольцевую удерживающую ленту, установленную на кожухе турбины, при этом кольцевая удерживающая лента содержит кольцевую полосу, образующую один из фланцев конструкции поддержки кольца, причем лента имеет первую серию зубьев, распределенных по окружности ленты, а кожух турбины имеет вторую серию зубьев, распределенных по окружности кожуха, при этом зубья первой серии и зубья второй серии совместно образуют периферийную кулачковую муфту поворотного замка.

8. Узел по п. 7, в котором кожух турбины содержит кольцевой выступ, проходящий между бандажным ободом кожуха и лентой конструкции поддержки кольца.