УЗЕЛ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ УСТАНОВКИ И УПЛОТНЕНИЯ СОПЛОВОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ СИСТЕМЫ
UNIT (VERSIONS) AND METHOD FOR MOUNTING AND SEALING NOZZLE ELEMENT FOR GAS TURBINE SYSTEM

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Изобретение, раскрытое в настоящем документе, относится к газотурбинным системам, в частности к узлу для установки и уплотнения соплового элемента, а также к способам установки и уплотнения подобных сопловых элементов.
[0002] Сопловые узлы обычно включают множество разнесенных по окружности лопаток, проходящих между радиальной внутренней частью и радиальной внешней частью газотурбинной системы. Топливно-воздушные смеси, воспламеняемые в секции камер сгорания газотурбинной системы, направляются в секцию турбины через множество разнесенных по окружности лопаток. Для поддержания эффективной и производительной работы всей системы требуется соответствующая установка и уплотнение сопловых узлов в радиальной внутренней части и радиальной внешней части. Различные конструкции для установки и уплотнения были задействованы в попытках удовлетворить данные требования, как раскрыто, например, в заявке на патент США №2007/0154305; однако напряжения, воздействующие на сопловые узлы во время работы газотурбинной системы, часто приводят к возникновению условий, вызывающих многочисленные структурные проблемы, такие как, например, растрескивание компонентов и неэффективное уплотнение. Тем не менее, средств, которые способны уменьшить эти напряжения, в указанном выше техническом решении предложено не было.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения узел для установки и уплотнения соплового элемента для газотурбинной системы содержит сопловой элемент, имеющий заднюю кромку наружного бандажа и паз для штифта, предотвращающего поворот. Также имеется стопорное кольцо, проходящее в окружном направлении вокруг наружной поверхности наружного бандажа и содержащее штифт, предотвращающий поворот, и отверстие для штифта, предотвращающего поворот, при этом указанный штифт выполнен с возможностью посадки в осевой ориентации в указанном пазу и в указанном отверстии. Также имеется пластина уплотнения, расположенная в углублении наружного бандажа и выполненная с возможностью удержания указанного штифта в указанном пазу для штифта, предотвращающего поворот. Кроме того, имеется шайба, расположенная в отверстии пластины уплотнения, при этом отверстие выровнено с отверстием в стопорном кольце, причем в стопорное кольцо через отверстие проходит механический крепеж для функционального соединения пластины уплотнения со стопорным кольцом.
[0004] В соответствии с другим аспектом изобретения узел для установки и уплотнения соплового элемента для газотурбинной системы включает сопловой элемент, имеющий наружный бандаж, сформированный как единое целое с радиальной внешней частью по меньшей мере одной лопатки, при этом наружный бандаж имеет переднюю кромку и заднюю кромку. Также имеется стопорное кольцо, взаимодействующее с наружной поверхностью наружного бандажа и проходящее в окружном направлении вокруг него, при этом стопорное кольцо содержит штифт, предотвращающий поворот, и отверстие для штифта, предотвращающего поворот, при этом указанный штифт выполнен с возможностью посадки в пазу для штифта, предотвращающего поворот, и в отверстии для штифта, предотвращающего поворот. Также имеется пластина уплотнения, имеющая переднюю сторону, заднюю сторону, радиальный внутренний край и радиальный внешний край, при этом радиальный внутренний край расположен вдоль наружной поверхности наружного бандажа, тем самым удерживая штифт. Также имеется ступенчатое отверстие, расположенное в пластине уплотнения вблизи радиального внешнего края, при этом ступенчатое отверстие содержит первое отверстие вблизи задней стороны и второе отверстие вблизи передней стороны, при этом первое отверстие имеет больший диаметр, чем второе отверстие, причем в ступенчатом отверстии расположена чашеобразная шайба для вмещения механического крепежа, проходящего в стопорное кольцо, для крепления пластины уплотнения к стопорному кольцу.
[0005] В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложен способ установки и уплотнения соплового узла в газотурбинной системе. Способ включает размещение стопорного кольца вблизи по меньшей мере одного соплового узла путем осевого ориентирования предотвращающего поворот штифта стопорного кольца в пазу для указанного штифта, расположенном в указанном по меньшей мере одном сопловом элементе. Способ также включает позиционирование пластины уплотнения вдоль наружной поверхности указанного по меньшей мере одного соплового элемента вблизи его задней кромки, а также крепление пластины уплотнения к стопорному кольцу с помощью механического крепежа, проходящего в чашеобразную шайбу, размещенную в отверстии пластины уплотнения, и в отверстие, расположенное в стопорном кольце.
[0006] Таким образом, в результате использования предложенных изобретений обеспечивается решение указанных выше проблем, в частности снижение напряжений, воздействующих на сопловые узлы во время работы газотурбинной системы, предотвращение возникновения условий, вызывающих многочисленные структурные проблемы, такие как растрескивание компонентов и неэффективное уплотнение. Настоящие и другие преимущества и особенности станут более очевидными из рассмотрения следующего описания, совместно с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Настоящее изобретение детально определено и ясно заявлено в формуле изобретения в завершении описания изобретения. Указанные выше и другие особенности и преимущества настоящего изобретения очевидны из следующего подробного описания, взятого совместно с сопроводительными чертежами, на которых:
[0008] на фиг. 1 показан вид сверху в аксонометрии соплового элемента;
[0009] на фиг. 2 показан увеличенный вид в аксонометрии задней кромки соплового элемента, изображенного на фиг. 1;
[0010] на фиг. 3 показан вид в разрезе узла для установки и уплотнения соплового элемента;
[0011] на фиг. 4 показан вид в аксонометрии стопорного кольца и предотвращающего поворот штифта узла для установки и уплотнения соплового элемента;
[0012] на фиг. 5 показан вид в аксонометрии пластины уплотнения, функционально соединенной со стопорным кольцом; и
[0013] на фиг. 6 изображена блок-схема способа установки и уплотнения соплового элемента в газотурбинной системе.
[0014] Подробное описание объясняет варианты выполнения изобретения вместе с преимуществами и особенностями на примерах со ссылками на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] На фиг. 1 и 2 сопловой узел в целом обозначен под номером 10. Сопловой узел 10 содержит по меньшей мере одну лопатку 12, но обычно множество лопаток расположено по окружности вокруг центральной оси газотурбинной системы (не показано). По меньшей мере одна лопатка 12 имеет полностью или частично полый аэродинамический профиль, который проходит между наружным бандажом 14 и внутренним бандажом 16, каждый из которых имеет дугообразную форму. По меньшей мере одна лопатка 12 может представлять собой единое целое с наружным бандажом 14 и внутренним бандажом 16 для образования единой конструкции, в частности соплового узла 10. По меньшей мере одна лопатка 12 имеет боковую стенку 18 повышенного давления и боковую стенку 20 пониженного давления, которые ограничивают охлаждающую полость 22.
[0016] Наружный бандаж 14 имеет переднюю кромку 24 и заднюю кромку 26. Аналогично, внутренний бандаж 16 имеет переднюю кромку 28 и заднюю кромку 30. Также наружный бандаж 14 имеет платформу 32, проходящую между передней кромкой 24 наружного бандажа и задней кромкой 26 наружного бандажа, при этом платформа 32 имеет наружную поверхность 34 и внутреннюю поверхность 36. Задний фланец 38 расположен вблизи задней кромки 26 наружного бандажа и при этом проходит радиально в наружном направлении. Более конкретно, задний фланец 38 проходит радиально в наружном направлении от наружной поверхности 34 наружного бандажа 14. В заднем фланце 38 сформирован паз 40 для штифта, предотвращающего поворот, функция которого будет подробно описана ниже.
[0017] На фиг. 3, дополнительно к фиг. 2, показано по меньшей мере одно отверстие 44 для охлаждения, которое проходит через наружный бандаж 14 вблизи его задней кромки 26. Как показано, указанное по меньшей мере одно отверстие 44 обычно представляет собой множество отверстий для охлаждения, разнесенных по окружности друг от друга и проходящих в относительно параллельных направлениях. Указанное по меньшей мере одно отверстие 44 может быть ориентировано под многими углами, как это показано в иллюстрируемом примере. Независимо от точного угла указанное по меньшей мере одно отверстие 44 проходит в непосредственной близости, но радиально во внутреннем направлении, от наружной поверхности 34 наружного бандажа 14. Указанное по меньшей мере одно отверстие 44 обеспечивает охлаждение задней кромки 26 наружного бандажа во время работы газотурбинной системы. Работа газотурбинной системы вызывает направление горячей воздушно-топливной смеси через канал, ограниченный наружной полосой 14 и внутренней полосой 16. Горячая воздушно-топливная смесь проходит по указанной по меньшей мере одной лопатке 12 и далее вниз по течению. Во время прохода горячей воздушно-топливной смеси по указанной по меньшей мере одной лопатке 12 и вдоль внутренней поверхности 36 наружного бандажа 14 в наружном бандаже 14 возникают термические напряжения. Источник охлаждения (не показан) обеспечивает охлаждающим потоком области вблизи наружной поверхности 34 для предотвращения воздействий горячей воздушно-топливной смеси. Задняя кромка 26 наружного бандажа охлаждается, в частности, охлаждающим потоком, проходящим через указанное по меньшей мере одно отверстие 44. Указанное по меньшей мере одно отверстие 44 также уменьшает воздействие протечек при всасывании горячей воздушно-топливной смеси в области вблизи наружной поверхности 34 наружного бандажа 14, а также задней кромки 26 наружного бандажа.
[0018] Стопорное кольцо 50 расположено радиально снаружи от наружного бандажа 14 соплового узла 10 и в непосредственной близости к заднему фланцу 38. Стопорное кольцо 50 проходит по окружности вокруг по меньшей мере части наружной поверхности 34 наружного бандажа 14 и включает штифт 52, предотвращающий поворот, и отверстие 53 для штифта, предотвращающего поворот, при этом штифт 52 выполнен с возможностью расположения внутри паза 40 для штифта, предотвращающего поворот, расположенного в заднем фланце 38 соплового узла 10. Штифт 52 выполнен с возможностью осевого выравнивания относительно продольной оси газотурбинной системы, когда он расположен в пазу 40 заднего фланца 38. Штифт 52 обеспечивает правильное расположение по окружности соплового узла 10 по отношению к стопорному кольцу 50 во время установки. Штифт 52 после установки в паз 40 взаимодействует и функционально соединяет стопорное кольцо 50 с сопловым узлом 10 и, в частности, с наружным бандажом 14. Штифт 52 входит в паз 40 с осевым зазором 54, расположенным между штифтом 52 и сопловым узлом 10. Также, обеспечен радиальный зазор 55, расположенный между задним фланцем 38 соплового узла 10 и стопорным кольцом 50, который тем самым обеспечивает небольшую свободу поворота соплового узла 10 по отношению к стопорному кольцу 50 и снижает термические индуцированные напряжения, действующие на сопловой узел 10 и стопорное кольцо 50, во время работы газотурбинной системы.
[0019] Для осевого удержания штифта 52 имеется пластина 60 уплотнения, установленная вдоль наружной поверхности 34 наружного бандажа 14 вблизи задней кромки 26 наружного бандажа. Пластина 60 имеет переднюю сторону 62, заднюю сторону 64, радиальный внутренний край 68 и радиальный наружный край 70. Пластина 60 установлена вдоль радиального внутреннего края 68, при этом передняя сторона 62 расположена вдоль стопорного кольца 50, тем самым образуя между ними место 72 сопряжения. Передняя сторона 62 обеспечивает поддерживающую поверхность для удержания штифта 52 внутри паза 40 и отверстия 53. Стопорное кольцо 50 имеет по меньшей мере одну канавку 74 для охлаждения, но обычно указанная по меньшей мере одна канавка 74 представляет собой множество канавок для охлаждения, которые разнесены в радиальном направлении друг от друга и проходят по окружности вокруг стопорного кольца 50. Указанная по меньшей мере одна канавка 74 расположена в пределах стопорного кольца 50 и в месте 72 сопряжения между стопорным кольцом 50 и передней стороной 62 пластины 60.
[0020] На фиг. 4 штифт 52 имеет задний в осевом направлении конец 96, расположенный вблизи задней поверхности 97 стопорного кольца 50. Задний конец 96 имеет по меньшей мере одну углубленную часть 98, которая соответствует по меньшей мере одной канавке 74. Указанная по меньшей мере одна углубленная часть 98 содержит выемку, которая образует ступень, такую, что штифт 52 не препятствует течению охлаждающего воздуха через указанную по меньшей мере одну канавку 74.
[0021] На фиг. 5, в дополнение к фиг. 3, показана пластина 60, прикрепленная к стопорному кольцу 50. Пластина 60 имеет отверстие 80, представляющее собой ступенчатое отверстие, при этом отверстие 80 расположено вблизи радиально наружного края 70 пластины 60. Ступенчатое отверстие 80 имеет первую часть 84 и вторую часть 86, где периметр первой части 84 больше, чем периметр второй части. Ступенчатое отверстие 80 выровнено с кольцевой расточкой 94 стопорного кольца, имеющей отверстие 88, расположенное в стопорном кольце 50. Такое расположение облегчает установку шайбы 90, которая может представлять собой чашеобразную шайбу, через которую может быть смонтирован, механический крепеж 92, такой как, например, винт или болт, тем самым прикрепляя пластину 60 к стопорному кольцу 50. Шайба 90 и механический крепеж 92 обеспечивают структурную целостность, требуемую для крепления пластины 60 к стопорному кольцу 50, а также позволяют относительное перемещение между стопорным кольцом 50 и пластиной 60, которое уменьшает вероятность возникновения чрезмерной срезающей нагрузки на механический крепеж 92 во время работы газотурбинной системы. Дополнительно, конфигурация шайбы 90 так же, как описанная ранее по меньшей мере одна надрезанную часть 98 заднего в осевом направлении конца 96 штифта 52, обеспечивает относительно плоскую общую поверхность для эффективной установки к смежному бандажному узлу.
[0022] Рассмотрим вариант выполнения изобретения, содержащий множество пластин уплотнения, при этом пластина 60 расположена в непосредственной близости к смежной пластине 61 уплотнения. Пластина 60 имеет первый край 63, находящийся в окружном направлении рядом с краем 65 смежной пластины 61. Пластина уплотнения имеет часть с надрезом 67 вдоль первого края 63 для улучшения эффективности компонента сопряжения уплотнения и для уменьшения площади стопорного кольца 50, подвергающегося воздействию горячей воздушно-топливной смеси.
[0023] В блок-схеме на фиг. 6, и со ссылкой на фиг. 1-5 также представлен способ установки и уплотнения соплового узла 100. Сопловой узел 10, пластина 60 и стопорное кольцо 50 уже были описаны выше, и нет необходимости описывать более подробно конкретные конструктивные компоненты. Способ установки и уплотнения соплового узла 100 включает расположение стопорного кольца вблизи по меньшей мере одного соплового узла 102. Правильное расположение соплового узла 10 относительно стопорного кольца 50 включает выравнивание штифта, предотвращающего поворот, в пазу 104 для штифта, предотвращающего поворот. Для удержания штифта 52 в пазу 40 пластину уплотнения размещают вдоль наружной поверхности наружного бандажа 106. Позиционирование 106 пластины уплотнения вдоль наружной поверхности обеспечивает уплотнение и зажатие 108 штифта, предотвращающего поворот, передней стороной 62 пластины 60. Установка пластины уплотнения в стопорное кольцо 110 включает установку механического крепежа 92 в шайбу 90, как например упомянутую выше чашеобразную шайбу, где шайбу 90 размещают в пластине 60 и в отверстии 88 стопорного кольца 50.
[0024] Хотя изобретение было подробно описано только в связи с ограниченным числом вариантов выполнения изобретения, должно быть совершенно понятно, что оно не ограничивается такими раскрытыми вариантами его выполнения. Напротив, изобретение может быть модифицировано для включения любого числа вариаций, изменений, замен или эквивалентных мер, ранее не описанных, но которые соответствуют сущности и области изобретения. Кроме того, хотя были описаны различные варианты выполнения изобретения, должно быть понятно, что аспекты изобретения могут включать только некоторые из описанных вариантов выполнения изобретения. Соответственно, изобретение не следует рассматривать как ограниченное приведенным выше описанием, а только как ограниченное объемом прилагаемой формулы изобретения.