ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С РАЗДЕЛЕННЫМИ ПОТОКАМИ ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ СБОРКИ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЫ
GAS TURBINE EXHAUST SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к общей области систем, используемых для обеспечения выпуска газа из газовой турбины, в частности авиационных газовых турбин с раздельными потоками, т.е. газовых турбин с протекающими через них по меньшей мере двумя различными потоками (главным потоком или «центральным» потоком, и вторичным потоком или «пускаемым в обход» потоком). Более конкретно изобретение относится к выхлопным системам таких газовых турбин, содержащим главное сопло (сопло внутреннего контура) и вторичное сопло (сопло наружного контура), которые разработаны так, чтобы располагаться концентрически на выходе такой газовой турбины.
Уровень техники
На фиг.1 показан местный схематический вид выхлопной системы для авиационного двигателя, обеспечивающего отдельные потоки, содержащей главное сопло 10, расположенное внутри вторичного сопла 20, состоящего из двух частей, а именно верхнего по потоку вторичного сопла 21 и нижнего по потоку вторичного сопла 22 (здесь термины «выше/верхний по потоку» и «ниже/нижний по потоку» использованы в отношении направления течения потока газа через двигатель). Внутри главного сопла 10 имеется центральное тело или «заглушка» 30.
Главное сопло 10 предназначено для присоединения к выхлопному патрубку двигателя посредством радиального фланца 11, в то время как вторичное сопло 20 прикреплено своим верхним по потоку участком 21 к главному соплу 10 при помощи опор 12. В этой конфигурации вторичное сопло 20 полностью поддерживается главным соплом 10, которое посредством своего радиального фланца 11 воспринимает все механические нагрузки, которые проходят через оба сопла.
Следовательно, главное сопло 10, которое соответствует элементу конструкции выхлопной системы, который необходим для поддержки вторичного сопла и для того, чтобы выдерживать механические и тепловые нагрузки, должно быть изготовлено из жаропрочного материала, который обладает достаточной прочностью для того, чтобы выдерживать все эти напряжения. Обычно главное сопло изготавливают из металлического материала, такого как инконель.
Этот тип конструкции выхлопной системы имеет тот недостаток, что главное сопло подвергается воздействию высоких механических нагрузок, в результате чего уменьшается его срок службы и значительно увеличиваются затраты на техническое обслуживание.
Кроме того, в этой конфигурации выхлопная система имеет относительно высокую общую массу, консольно опирающуюся внутри двигателя, за счет чего увеличивается механическая нагрузка на фланец выхлопного патрубка сопла.
Из уровня техники известны гибкое соединение трубопроводов, используемых для отвода продуктов сгорания в авиационных двигателях, раскрытое в публикации US 2,613,087 А, и авиационная реактивная тяговая силовая установка, раскрытая в публикации US 2,580,207 А. Решения, предложенные в указанных патентных документах, обладают вышеперечисленными недостатками.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить новую конструкцию для выхлопной системы газовой турбины с раздельными потоками, служащую для ограничения механических нагрузок, воздействию которых подвергается главное сопло, без ослабления общей прочности системы.
Для достижения этого настоящим изобретением предусмотрена выхлопная система для газовой турбины с раздельными потоками, содержащая направляющее поток сопло и выхлопной патрубок, предназначенный для соединения направляющего сопла с выходом газовой турбины, при этом указанное направляющее сопло содержит главное сопло, прикрепленное к выхлопному патрубку, и вторичное сопло, расположенное вокруг главного сопла, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства для прикрепления вторичного сопла непосредственно к выхлопному патрубку, при этом указанное вторичное сопло поддерживается выхлопным патрубком независимо от главного сопла.
Таким образом, за счет прикрепления вторичного сопла напрямую к выхлопному патрубку независимо от главного сопла с главного сопла снимается его роль по поддержанию вторичного сопла, благодаря чему появляется возможность уменьшить механические усилия, действующие на главное сопло. В предлагаемой конструкции механические усилия разделяются между главным соплом и вторичным соплом, каждое из которых прикреплено к выхлопному патрубку. Усилия, которым подвергаются главное и вторичное сопла, поглощаются выхлопным патрубком, который по своей природе является прочной конструкцией. Тем самым увеличиваются надежность и, как следствие, срок службы выхлопной системы.
При этой конфигурации предложенной выхлопной системы внутреннее главное сопло более не выполняет конструкционной роли, так как более не служит опорой вторичному соплу. Оно выполняет только направляющую функцию (служит жаровой трубой) для главного или «горячего» потока. Следовательно, может быть значительно уменьшена масса главного сопла, в частности, за счет применения вместо металлического материала композитного материала с керамической матрицей (керамического матричного композита).
В одном аспекте изобретения вокруг верхнего по потоку конца главного сопла распределено множество гибких соединительных элементов, которые прикреплены к наружной стенке главного сопла и к фланцу выхлопного патрубка. В отличие от выхлопных систем предшествующего уровня техники, в которых главное сопло жестко прикреплялось к выхлопному патрубку, применение гибких соединений между главным соплом и выхлопным патрубком дает возможность компенсации дифференциальных расширений между патрубком и главным соплом, в частности, когда эти два элемента изготовлены из материалов с различными коэффициентами расширения.
Вторичное сопло состоит из верхнего по потоку вторичного сопла, прикрепленного к выхлопному патрубку, и нижнего по потоку вторичного сопла, прикрепленного к тому концу верхнего по потоку вторичного сопла, который противоположен концу указанного сопла, прикрепленному к патрубку, так что при этом появляется возможность изготавливать два вторичных сопла из материалов с различными коэффициентами расширения. В частности, верхнее по потоку вторичное сопло изготовлено из металлического материала, а нижнее по потоку вторичное сопло изготовлено из композитного материала с керамической матрицей.
В частном варианте выполнения краевой участок верхнего по потоку вторичного сопла и краевой участок нижнего по потоку вторичного сопла входят один в другой с малым зазором или без зазора, и одно из вторичных сопел имеет вдоль своего входящего в контакт края ряд язычков, которые отделены друг от друга прорезями и образованы как единое целое со вторичным соплом, при этом указанные вторичные сопла собраны вместе за счет взаимного скрепления посредством по меньшей мере некоторых язычков. Таким образом, функция гибкого соединения для компенсации дифференциальных расширений между верхним по потоку и нижним по потоку вторичными соплами встроена непосредственно в одно из двух вторичных сопел, в результате чего упрощается сборка между собой двух вторичных сопел.
Язычки образованы предпочтительно (но этим не исключаются и другие варианты) в верхнем по потоку вторичном сопле, которое имеет бóльший коэффициент расширения.
Настоящее изобретение также предусматривает газовую турбину с раздельными потоками для авиационного двигателя, которая включает охарактеризованную выше выхлопную систему.
Настоящее изобретение также предусматривает способ сборки выхлопной системы, содержащей направляющее поток сопло и выхлопной патрубок, предназначенный для соединения направляющего сопла с выходом газовой турбины, причем указанное направляющее сопло содержит главное сопло, прикрепленное к выхлопному патрубку, и вторичное сопло, расположенное вокруг главного сопла, отличающийся тем, что вторичное сопло прикрепляют непосредственно к выхлопному патрубку, так что указанное вторичное сопло поддерживается выхлопным патрубком независимо от главного сопла.
Главное сопло может быть изготовлено из композитного материала с керамической матрицей и может быть прикреплено к выхлопному патрубку посредством множества гибких соединительных элементов, размещенных вокруг верхнего по потоку конца главного сопла.
Вокруг верхнего по потоку конца главного сопла может быть размещено множество гибких соединительных элементов с обеспечением их прикрепления к наружной стенке главного сопла и к фланцу выхлопного патрубка.
Вторичное сопло образуют из верхнего по потоку вторичного сопла, прикрепленного к выхлопному патрубку, и нижнего по потоку вторичного сопла, присоединенного к тому концу верхнего по потоку вторичного сопла, который противоположен концу указанного сопла, прикрепленному к патрубку. Верхнее по потоку вторичное сопло может быть изготовлено из металлического материала, а нижнее по потоку вторичное сопло может быть изготовлено из композитного материала с керамической матрицей.
Гибкие соединения между двумя вторичными соплами могут быть выполнены путем приведения в контакт краевого участка верхнего по потоку вторичного сопла и краевого участка нижнего по потоку вторичного сопла с малым зазором или без зазора, и путем формирования вдоль входящего в контакт края одного из двух вторичных сопел ряда язычков, которые отделены друг от друга прорезями, полученными путем вырезания или механической обработки материала указанного вторичного сопла, при этом вторичные сопла собирают вместе за счет прикрепления по меньшей мере некоторых язычков к краевому участку другого вторичного сопла. Язычки могут быть сформированы в краевом участке верхнего по потоку вторичного сопла.
Краткое описание чертежей
Прочие отличительные признаки и преимущества изобретения станут очевидны из нижеследующего описания конкретных вариантов выполнения изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров, выполненного со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- на фиг.1, описанной выше по тексту, схематически проиллюстрирована выхлопная система газовой турбины с разделенными потоками, известная из предшествующего уровня техники;
- на фиг.2 показан схематический местный вид выхлопной системы газовой турбины с разделенными потоками, представляющей собой вариант выполнения настоящего изобретения;
- на фиг.3 показано объемное покомпонентное изображение, иллюстрирующее соединительные элементы, использованные в показанной на фиг.2 выхлопной системе для прикрепления главного и вторичного сопел к выхлопному патрубку;
- на фиг.4 в увеличенном масштабе показан перспективный вид гибкого соединительного элемента, показанного на фиг.3;
- на фиг.5 в увеличенном масштабе проиллюстрирован участок фиг.2;
- на фиг.6 показан местный разрез вдоль расположенной со сдвигом секущей плоскости VI-VI, обозначенной на фиг.5;
- на фиг.7 и 8 показаны объемные изображения соединительных элементов, показанных на фиг.3, выполненные в увеличенном масштабе;
- на фиг.9 показан местный разрез, в сильно упрощенном виде иллюстрирующий один способ соединения вторичных сопел при помощи гибких соединений;
- на фиг.10 в увеличенном масштабе показан вид, иллюстрирующий участок фиг.2;
- на фиг.11 показано сечение вдоль секущей плоскости XI-XI, обозначенной на фиг.10.
Осуществление изобретения
Частной, но не исключительной областью применения изобретения являются газовые турбины с раздельными потоками для авиационных двигателей. На фиг.2 показана выхлопная система 100 для авиационной газовой турбины с разделенными потоками в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Выхлопная система содержит выхлопной патрубок 110, предназначенный для прикрепления к выходу газовой турбины выше по потоку от камеры сгорания (не показанной) газотурбинного двигателя.
Кроме того, в состав выхлопной системы входит сопло для направления потока из газовой турбины, при этом указанное сопло расположено ниже по потоку от выхлопного патрубка 110 и содержит главное сопло 120 и вторичное сопло 130, причем вторичное сопло состоит из верхнего по потоку участка, образующего стенку, или верхнего по потоку вторичного сопла 131, и нижнего по потоку участка, образующего стенку, или нижнего по потоку вторичного сопла 132, которое является продолжением главного сопла 120 и верхнего по потоку вторичного сопла 131 в направлении вниз по потоку.
Главное сопло 120 между своей внутренней стенкой 121 и центральным телом или элементом или «заглушкой» 140 определяет канал течения для главного потока или «горячего» потока (потока внутреннего контура), который поступает из камеры сгорания турбины.
Верхнее по потоку вторичное сопло 131 между своей внутренней стенкой 133 и наружной стенкой 122 главного сопла 120 ограничивает кольцевую полость для течения, в которой протекает обходной поток или «холодный» поток (поток наружного контура), поступающий от вентилятора (не показанного) на входе турбины, и служащий, в частности, в качестве охлаждающего потока, в особенности для наружной стенки 122 главного сопла.
Согласно настоящему изобретению главное сопло 120 и вторичное сопло 130, а точнее говоря верхнее по потоку вторичное сопло 131, прикреплены каждое к выхлопному патрубку 110 при помощи соответствующих крепежных средств. Как показано на фиг.3 и 4, главное сопло 120 прикреплено к патрубку 110 посредством множества гибких соединительных элементов 150, которые равномерно распределены на наружной стенке 122 главного сопла поблизости от его верхнего по потоку конца. Как показано на фиг.4, каждый гибкий соединительный элемент 150 содержит основание 151, предназначенное для прикрепления к наружной стенке 122 главного сопла 120 и имеющее отверстие 1510 для прохода болтовых крепежей 154 (фиг.6). Каждое отверстие 1510 взаимодействует с отверстием 1200, образованным в главном сопле 120. Гибкий соединительный элемент 150 имеет по две крепежные лапки 152 и 153, при этом свободный конец каждой из них отогнут для образования соответствующих участков 1520 и 1530, предназначенных для крепления к выхлопному патрубку. С этой целью участки 1520 и 1530 имеют соответствующие отверстия 152а и 153а, которые взаимодействуют с отверстиями 1110, образованными в крепежном фланце 111 выхлопного патрубка 110, и подходят для прохода болтовых крепежей 155 (фиг.6).
Прикрепление элементов 150 к главному соплу 120 и к крепежному фланцу 111 может быть выполнено с помощью крепежных деталей любого подходящего типа, иного, чем болтовые крепежи (например, с использованием заклепок).
Гибкие соединительные элементы 150 дают возможность компенсировать дифференциальные расширения, которые могут возникать между главным соплом 120 и выхлопным патрубком 110. Может быть предусмотрена любая другая форма элемента, позволяющая осуществить гибкое соединение между патрубком и главным соплом и подходящая для компенсации дифференциальных расширений.
Вторичное сопло 130 прикреплено к выхлопному патрубку посредством своего верхнего по потоку вторичного сопла 131 при помощи множества соединительных элементов 160, которые равномерно распределены на внутренней стенке 133 верхнего по потоку вторичного сопла поблизости от его верхнего по потоку конца. Как показано на фиг.7 и 8, каждый соединительный элемент 160 содержит первый участок 161, выполненный с возможностью прикрепления на внутренней стенке 133 верхнего по потоку вторичного сопла и имеющий два отверстия 1610 для прохода болтовых крепежей 164 (фиг.6). Отверстия 1610 взаимодействуют с соответствующими отверстиями 1310, образованными в верхнем по потоку вторичном сопле 131.
Каждый соединительный элемент 160 имеет второй участок 162, по существу перпендикулярный его первому участку 161 и выполненный с возможностью прикрепления к крепежному фланцу 111 выхлопного патрубка. Каждый из вторых участков 162 имеет отверстие 1620, которое взаимодействует с отверстием 1110, образованным в крепежном фланце 111 выхлопного патрубка 110, и подходит для прохода болтовых крепежей 155 (фиг.6). Конструкция соединительных элементов 160 усилена соединительными плечами 163, которые проходят между свободными концами первого и второго участков 161 и 162. Кроме того, соединительные элементы 160 объединены кольцом 165. Тем не менее, соединительные элементы могут быть независимы друг от друга.
В описываемом здесь варианте выполнения и как более подробно показано на фиг.2 и 5 крепежные лапки 152 и 153 гибких соединительных элементов 150 приведены в контакт с соединительными элементами 160 таким образом, что их сквозные отверстия для прохода болтовых крепежей совмещаются с отверстиями крепежного фланца 111 выхлопного патрубка 110. При этой конфигурации для крепления как лапки элемента 150, так и элемента 160 используется только один болтовой крепеж, за счет чего становится возможным уменьшение общего веса системы. Тем не менее, элементы 160 и 150 равным образом вполне могут быть расположены рядом и крепиться к патрубку посредством крепежных элементов, для которых используют разные отверстия в крепежном фланце 111.
Верхнее по потоку вторичное сопло 131 обычно изготавливают из титана или титанового сплава.
Может быть выгодным изготовление нижнего по потоку вторичного сопла 132, обычно изготавливаемого из жаропрочного металлического материала, такого как инконель, из композитного материала с керамической матрицей, имеющего такие характеристики поведения в условиях высокой температуры, которые позволяют ему без повреждения и без охлаждения выдерживать температуру потока горячего газа, проходящего через эту часть выхлопной системы. Следует отметить, что «холодный» поток, проходящий через кольцевое пространство, образованное между внутренней стенкой 133 верхнего по потоку вторичного сопла 131 и наружной стенкой 122 главного сопла 120, образует защитную прослойку холодного воздуха на верхнем по потоку участке внутренней поверхности нижнего по потоку вторичного сопла 132.
Применение композитного материала с керамической матрицей для нижнего по потоку вторичного сопла дает возможность ограничивать общую потребность в охлаждающем воздухе и, таким образом, иметь простую конструкцию нижнего по потоку вторичного сопла, в то же время значительно снижая массу по сравнению со случаем применения металлического материала.
В действительности композитные материалы с керамической матрицей примечательны в плане своих термоконструкционных свойств и своей способности сохранять эти свойства при высоких температурах. Они образованы с использованием волокнистых армирующих элементов, выполненных из огнеупорных волокон (углеродных или керамических волокон) и уплотненных керамической матрицей, в частности, из карбида, нитрида, жаростойкого оксида и т.д. Типичными примерами композитных материалов с керамической матрицей являются материалы с углеродными волокнами и матрицей из карбида кремния (С-SiC), материалы с волокнами карбида кремния и матрицей из карбида кремния (SiC-SiC), и материалы с углеродными волокнами и матрицей, образованной смесью из углерода и карбида кремния (C-C/SiC). Изготовление деталей из композитных материалов с керамической матрицей хорошо известно. Армирующие элементы в виде волокон могут быть уплотнены с использованием жидкостной технологии (путем пропитывания смолой, которая является прекурсором для керамической матрицы и преобразования ее в керамику путем образования поперечных связей и пиролиза, причем данный процесс может повторяться), или газовой технологии (химической инфильтрацией из газообразной фазы).
Кроме того, так как главное сопло 120 в предложенной выхлопной системе более не выступает в качестве опоры вторичного сопла, то оно не имеет какой-либо конструкционной функции и, следовательно, может служить жаровой трубой, выполняя только лишь функцию направления горячего внутреннего потока. Следовательно, главное сопло 120 может быть изготовлено из материала, который легче, чем жаропрочный металлический материал типа инконеля, который обычно применяется. Главное сопло 120 предпочтительно может быть изготовлено из композитного материала с керамической матрицей, описанного выше для нижнего по потоку вторичного сопла, при этом композитному материалу с керамической матрицей присущи надлежащие механическая и химическая стойкость при высоких температурах, и в то же время он имеет меньшую массу, чем металлический материал.
Когда верхнее по потоку вторичное сопло изготовлено из металлического материала, а нижнее по потоку вторичное сопло изготовлено из композитного материала с керамической матрицей, описанного выше, то, поскольку композитные материалы с керамической матрицей имеют коэффициент расширения, который отличается от коэффициента расширения металлических материалов, и, как правило, значительно ниже, необходимо, чтобы соединение между этими двумя частями имело бы гибкость, необходимую для компенсации разности изменений размеров из-за тепловых эффектов между соединенными друг с другом деталями без повреждения этих деталей или соединения.
С этой целью верхнее по потоку вторичное сопло и нижнее по потоку вторичное сопло могут быть соединены вместе посредством гибких соединений, которые подходят для компенсации дифференциальных расширений, возникающих между двумя вторичными соплами. Как показано на фиг.9, гибкие соединения реализованы в виде металлических соединительных скоб 240, которые изогнуты таким образом, чтобы иметь возможность упругой деформации. На одном конце каждая соединительная скоба 240 прикреплена, например, при помощи болтового соединения, к фланцу 2310, который прочно закреплен на верхнем по потоку вторичном сопле 231 поблизости от края его нижнего по потоку конца. На другом своем конце каждая соединительная скоба 240 прикреплена, например, при помощи болтового соединения, к стенке нижнего по потоку вторичного сопла 232 в окрестности края его верхнего по потоку конца. Так как между прилегающими кольцевыми краевыми участками сопел 231 и 232 существует зазор, то герметичность обеспечена за счет уплотнительного устройства 250, такого как разрезная металлическая прокладка с «лепестками», прикрепляемыми к нижнему по потоку концу сопла 231.
Тем не менее, применение таких соединительных скоб предполагает некоторое число операций и регулировок в процессе сборки. Кроме того, наличие соединительных скоб и фланца наряду с потребностью в уплотнительном устройстве служит причиной увеличения веса и производственных издержек.
С этой целью, как показано на фиг.2, 10 и 11, функция гибкого соединения может быть встроена непосредственно в одно из двух вторичных сопел таким образом, чтобы упростить сборку.
Более конкретно, нижний по потоку краевой кольцевой участок 131а верхнего по потоку вторичного сопла 131 и верхний по потоку краевой кольцевой участок 132а нижнего по потоку вторичного сопла 132 приведены во взаимный контакт, так что краевой участок 131а охватывает краевой участок 132а.
В краевом участке 131а образованы язычки 170, разделенные прорезями 172, которые получают в металлическом материале верхнего по потоку вторичного сопла 131 либо непосредственно путем вырезания, либо путем механической обработки. Язычки 170 и прорези 172 проходят по существу в осевом направлении от нижнего по потоку конца краевого участка 131а, и прорези оканчиваются закругленными вырезами во избежание концентрации напряжений на концах прорезей.
Сопла 131 и 132 собирают вместе путем соединения болтами, при этом головки болтов 174 упираются во внутреннюю поверхность нижнего по потоку вторичного сопла 132. Скрепление при помощи болтов осуществляют посредством каждого язычка или по меньшей мере некоторых из них. Также можно предусмотреть скрепление заклепками.
Краевые кольцевые участки 132а, 131а предпочтительно входят один в другой без зазора по холодной посадке с натягом, так что взаимный контакт сохраняется при высоких температурах, обычно встречающихся в процессе эксплуатации. За счет обеспечения того, что краевой кольцевой участок 132а вставлен в краевой кольцевой участок 131а на длину, которая не меньше длины прорезей 172, обеспечивается герметичность соединения между верхним по потоку и нижним по потоку вторичным соплом.
Язычки 170 за счет своей способности к упругой деформации позволяют компенсировать дифференциальные расширения между собранными вместе деталями. Также язычки 170 служат для компенсации дефектов или неравномерностей формы в собранных вместе краевых участках. Как показано, краевой участок 131а, в котором образованы язычки 170, может быть тоньше, чем остальная часть стенки верхнего по потоку вторичного сопла 131. Так как способность к упругой деформации металлических материалов, как правило, превышает такую способность у композитных материалов с керамической матрицей, то язычки предпочтительно формировать в части, выполненной из металлического материала. Тем не менее, не исключена возможность изготовления язычков в детали из композитного материала с керамической матрицей.