ВЫХЛОПНОЙ КОЖУХ ДЛЯ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТАКИМ ВЫХЛОПНЫМ КОЖУХОМ ДЛЯ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА
EXHAUST CASING FOR EXHAUST GAS OF GAS TURBINE ENGINE AND GAS TURBINE ENGINE WITH SUCH EXHAUST CASING FOR EXHAUST GAS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к технологии газотурбинных двигателей. Оно относится к выхлопному кожуху для отработавшего газа газотурбинного двигателя согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Оно дополнительно относится к газотурбинному двигателю с таким выхлопным кожухом  для отработавшего газа.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Документ EP 2565400 A2 раскрывает газовый канал для газотурбинного двигателя, причем газовый канал образован концентрическими внутренним кожухом и внешним кожухом, который концентрически охватывает внутренний кожух на расстоянии, и через который отработавшие газы отводятся из газотурбинного двигателя наружу. Внутренний кожух и внешний кожух соединены посредством множества радиальных опорных стоек. Опорные стойки, внешний кожух и внутренний кожух снабжены в каждом случае жаропрочной обкладкой для защиты от горячего отработавшего газа. Легкая доступность и экстенсивное снижение тепловых напряжений достигается обкладками опорных стоек внешнего кожуха и внутреннего кожуха, разделенными в каждом случае на множество отдельных сегментов, которые закреплены на опорной конструкции таким образом, что возможно отдельное тепловое расширение отдельных сегментов.
Однако для крепления сегментов используются несущие балки. Эти несущие балки и специальная «звездообразная» форма внутреннего/наружного фланцев подвержены воздействию высоких температур и напряжений в установившемся режиме и, следовательно, некоторые параметры малоцикловой усталости (LCF) и пластической деформации опорной конструкции не выполняются.
Более того, соединительные болты подвержены воздействию основного газового потока. Высокая температура болтов и соединяемых частей и изменения температуры как в переходном, так и в установившемся режиме может привести к пластической деформации материала болта и, следовательно, к потере предварительного натяжения болта.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение новой конструкции выхлопного кожуха для отработавшего газа, которая исключает недостатки известной конструкции, и которая компенсирует тепловое расширение и устойчива к динамическим нагрузкам.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение газотурбинного двигателя с таким выхлопным кожухом  для отработавшего газа.
Эти и другие задачи достигаются выхлопным кожухом  для отработавшего газа по п.1 и газотурбинным двигателем по п.15.
Выхлопной кожух для отработавшего газа газотурбинного двигателя согласно изобретению содержит кольцевой внутренний корпус и кольцевой внешний корпус, которые расположены концентрически вокруг оси машины упомянутого газотурбинного двигателя, чтобы образовать между ними кольцевой канал для отработавшего газа, в результате чего упомянутый внутренний корпус и/или упомянутый внешний корпус состоят из множества сегментов, которые прикреплены к опорной конструкции.
Она отличается тем, что упомянутые сегменты прикреплены к упомянутой опорной конструкции в некоторых точках крепления, которые распределены по площади упомянутых сегментов, так что упомянутые сегменты прикреплены к упомянутой опорной конструкции в течение всего термического цикла двигателя, не препятствуя тепловому расширению.
Согласно варианту выполнения оригинального выхлопного кожуха для отработавшего газа, все сегменты содержат центральную точку крепления, где упомянутые сегменты прикреплены к упомянутой опорной конструкции, так что предотвращается перемещение упомянутых сегментов в осевом, радиальном и тангенциальном направлениях.
Конкретно, упомянутые сегменты прикреплены в упомянутой центральной точке крепления посредством крепежного болта, который ввинчен через держатель на обратной стороне упомянутых сегментов в крепежный штифт, закрепленный на упомянутой опорной конструкции.
Более конкретно, упомянутый крепежный штифт закреплен на упомянутой опорной конструкции посредством крепежной трубки, которая прикреплена одним концом к упомянутой опорной конструкции и принимает на другом конце упомянутый крепежный штифт.
Согласно другому варианту выполнения изобретения все сегменты содержат направляющую в осевом направлении точку крепления, расположенную на осевой линии упомянутых сегментов, где упомянутые сегменты закреплены на упомянутой опорной конструкции, так что предотвращается перемещение упомянутых сегментов в тангенциальном направлении.
Конкретно, упомянутые сегменты прикреплены в упомянутой направляющей в осевом направлении точке крепления посредством осевого направляющего штифта, который закреплен на держателе с обратной стороны упомянутых сегментов и скользяще зацепляет крепежный штифт, закрепленный на упомянутой опорной конструкции.
Более конкретно, упомянутый крепежный штифт закреплен на упомянутой опорной конструкции посредством крепежной трубки, которая прикреплена одним концом к упомянутой опорной конструкции и принимает на другом конце упомянутый крепежный штифт.
Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения упомянутый выхлопной кожух для отработавшего газа может быть разделен на две части по линии разъема, и все упомянутые сегменты, за исключением этих сегментов с линией разъема упомянутого внутреннего корпуса, опирающихся на упомянутую линию разъема, содержат четыре боковые точки крепления, расположенные на четырех кромках упомянутых сегментов, где упомянутые сегменты закреплены на упомянутой опорной конструкции, так что предотвращается перемещение упомянутых сегментов в радиальном направлении, но обеспечивается возможность теплового расширения, состоящего из осевого и тангенциального компонентов.
Конкретно, упомянутые сегменты прикреплены в упомянутых боковых точках крепления посредством крепежного болта, который ввинчен через держатель на обратной стороне упомянутых сегментов в крепежный штифт, закрепленный на упомянутой опорной конструкции, в результате чего упомянутый держатель содержит вытянутое отверстие с определенной ориентацией и длиной.
Более конкретно, упомянутый крепежный штифт закреплен на упомянутой опорной конструкции посредством крепежной трубки, которая прикреплена одним концом к упомянутой опорной конструкции и принимает на другом конце упомянутый крепежный штифт.
Согласно еще одному варианту выполнения изобретения упомянутый внутренний корпус и внешний корпус соединены посредством множества радиальных стоек, и каждая из упомянутых стоек содержит радиальное ребро, которое закрыто передним и задним сегментами стойки, имеющими переднюю кромку и заднюю кромку, которые каждый передний и задний сегменты стоек закреплены на упомянутом радиальном ребре во множестве точек крепления, распределенных вдоль упомянутых передних и задних кромок.
Конкретно, каждый из упомянутых переднего и заднего сегментов стойки имеет три точки крепления, содержащие среднюю точку крепления, точку крепления со стороны втулки и точку крепления со стороны вершины.
Более конкретно, в средней точке крепления переднего сегмента стойки крепежный болт используется для крепления упомянутого переднего сегмента стойки в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях, в то время как в точках крепления со стороны втулки и вершины обеспечена возможность теплового расширения в радиальном направлении.
Более конкретно, в средней точке крепления заднего сегмента стойки используется фиксатор для крепления упомянутого заднего сегмента стойки, таким образом обеспечивая возможность теплового расширения только в осевом направлении, в то время как в точках крепления со стороны втулки и вершины обеспечена возможность теплового расширения в радиальном и осевом направлениях.
Газотурбинный двигатель согласно изобретению содержит компрессор, по меньшей мере одну камеру сгорания и одну турбину, и выхлопной кожух для отработавшего газа, через который  горячие отработавшие газы выходят из упомянутого газотурбинного двигателя.
Она отличается тем, что выхлопной кожух для отработавшего газа является выхлопным кожухом  для отработавшего газа согласно изобретению.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь настоящее изобретение подлежит более подробному описанию посредством различных вариантов выполнения и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 показывает частичное сечение газотурбинного двигателя типа GT24/26, которая может использовать выхлопной кожух для отработавшего газа настоящего изобретения;
Фиг. 2 показывает на виде в перспективе различные сегменты (с их точками крепления) выхлопного кожуха для отработавшего газа согласно варианту выполнения изобретения;
Фиг. 3 показывает точки крепления (в этом примере, шесть) сегмента внутреннего выхлопного кожуха для отработавшего газа согласно Фиг. 2;
Фиг. 4 показывает точки крепления (в этом примере, шесть) сегмента внешнего выхлопного кожуха для отработавшего газа согласно Фиг. 2;
Фиг. 5 и 6 показывают конфигурацию центрального средства крепления сегмента внутренней с Фиг. 3, которое закрепляет сегмент в радиальном, осевом и тангенциальном (или периферическом) направлениях;
Фиг. 7 показывает конфигурацию расположенного на четырех кромках средства крепления сегмента внутренней с Фиг. 3, которое закрепляет сегмент в радиальном направлении, но обеспечивает возможность теплового расширения как в осевом, так и тангенциальном направлениях;
Фиг. 8 и 9 показывают конфигурацию направляющего в осевом направлении средства крепления сегмента внутренней с Фиг. 3, которое закрепляет сегмент в тангенциальном (или периферическом) направлении, но обеспечивает возможность теплового расширения в радиальном и осевом направлениях;
Фиг. 10 показывает верхнюю половину опорной конструкции, используемой для поддерживания сегментов выхлопного кожуха для отработавшего газа согласно Фиг. 2;
Фиг. 11 показывает стойку выхлопного кожуха для отработавшего газа согласно Фиг. 2 с его передним и задним сегментами и их точками крепления (в этом случае, три);
Фиг. 12 показывает конфигурацию центрального средства крепления заднего сегмента с Фиг. 11, которое закрепляет сегмент в периферическом направлении, но обеспечивает возможность теплового расширения в радиальном и осевом направлениях;
Фиг. 13 показывает конфигурацию центрального средства крепления переднего сегмента с Фиг. 11, которое закрепляет сегмент в периферическом, радиальном и осевом направлениях; и
Фиг. 14 показывает конфигурацию средства крепления переднего сегмента со стороны втулки и вершины с Фиг. 11, которое закрепляет сегмент в периферическом и осевом направлениях, но обеспечивает возможность теплового расширения в радиальном направлении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает частичное сечение газотурбинного двигателя типа GT24/26, которая может использовать выхлопной кожух для отработавшего газа настоящего изобретения. Газотурбинный двигатель 10 с Фиг. 1 является типом с промежуточным перегревом пара, содержащая последующее сжигание. Она имеет ротор 11, который окружен кожухом 12 и вращается вокруг оси A машины. Компрессор 13 сжимает воздух, который используется в первой камере 14 сгорания для сжигания топлива, для того чтобы создать горячий газ. Горячий газ из первой камеры 14 сгорания, который по-прежнему содержит кислород, приводит в движение турбину 15 высокого давления (ВД) и затем используется для сжигания топлива во второй камере 16 сгорания. Перегретый горячий газ второй камеры 16 сгорания затем приводит в движение турбину 17 низкого давления (НД) и, в конечном счете, выходит из газотурбинного двигателя 10 через выхлопной кожух 18 для отработавшего газа.
Выхлопной кожух 18 для отработавшего газа соосно с осью A машины содержит (Фиг. 2) внутренний корпус 21 и внешний корпус 19, которые соединены множеством радиальных стоек 20 и равномерно распределены по окружности.
Настоящее изобретение теперь рассматривает принцип крепления различных кольцевых сегментов (22, 23 и 26, 27 и 28 на Фиг. 2) и спрямляющих поток стоек (24, 25 на Фиг. 2) к кожуху и его опорной конструкции (см. Фиг. 10). Конструкция средства крепления различных сегментов должна компенсировать тепловое расширение и быть устойчивой к динамическим нагрузкам.
В общем, различные сегменты внутреннего и внешнего корпуса 19, 21 и стоек 20 прикреплены к опорной конструкции контролируемым предварительным натяжением болта в холодном состоянии. Согласно настоящему изобретению, части закреплены в течение всего термического цикла двигателя, но по-прежнему обеспечивается возможность их свободного теплового расширения.
Как показано в варианте выполнения с Фиг. 2, имеется десять стоек 20. Одна стойка расположена в положении на 6 часов. Каждая стойка 20 имеет левый и правый сегменты 22, 23 внешней, левый и правый сегменты 26, 27 внутренней, и передний и задний сегменты 24, 25 стойки.
Каждый сегмент (внутренней и внешней) имеет в общей сложности шесть точек 29a-c и 30a-c крепления/соединения (см. Фиг. 3 и 4) с опорной конструкцией, за исключением сегментов 28 с линией разъема на внутреннем корпусе 21, которые достаточно узкие и не содержат пространства для полного комплекта креплений, но взамен используют три точки крепления.
Сегменты 23, 27 присоединены в их шести точках 29a-c и 30a-c крепления/соединения к опорной конструкции (31 на Фиг. 10) по следующему принципу крепления сегментов и способностью к тепловому расширению:
1. Центральное крепление (точка крепления) 29b или 30b (см. Фиг. 5 и 6) предотвращает перемещение во всех трех направлениях (x: осевом, R: радиальном и Ф: тангенциальном; смотри соответствующие обозначения на Фиг. 5 и 6).
2. Боковые крепления 29a, 30a (смотри Фиг. 3, 4 и 7) предотвращают перемещение в радиальном направлении, но обеспечивают возможность теплового расширения сегментов 23, 27, состоящего из осевого и тангенциального компонентов (x и Ф; Фиг. 7(c)). Поскольку разница температур на одном сегменте (среднее по времени в осевом направлении по сравнению с тангенциальным направлением) не такое значительное, температурные деформации в обоих направлениях считаются одновременными и линейно зависимыми от средней температуры сегмента. Свобода перемещения достигнута вытянутым отверстием (54 на Фиг. 7(c)) на держателе 33a сегмента с определенной ориентацией и длиной. Болтовое соединение (крепежный болт 35a) с контролируемым предварительным натяжением гарантирует контакт между сегментом и креплением в течение всего термического цикла, создавая силу трения, противодействующую тепловому расширению/увеличению.
3. Осевая направляющая шпонка (30c на Фиг. 3, 8 и 9) предотвращает перемещение в тангенциальном направлении (Ф). Направляющая с осевым направляющим штифтом 35c, расположенная на осевой линии сегмента, должна удерживать сегменты в симметричных положениях во время термического цикла, что важно для удержания под контролем изменения размеров межсегментных зазоров во время цикла.
В центральной точке 29b, 30b (1) крепления держатель 33b приварен к обратной стороне сегмента 27 непосредственно под отверстием 32b (Фиг. 5, 6). Опорная пластина 34b усиливает основание держателя 33b. Крепежный болт 35b ввинчен через канал в держателе 33b и опорной пластине 34b в крепежный штифт 36b. Крепежный штифт 36b принят в и приварен к крепежной трубке 37b, которая закреплена на опорной конструкции 31. Высота крепежного штифта 36b может быть отрегулирована путем его смещения относительно крепежной трубки 37b до сварки. Фиг. 6 показывает сечение вдоль линии A1-A1 на Фиг. 5.
В боковых точках 29a, 30a (2) крепления держатель 33a приварен к обратной стороне сегмента 27 непосредственно под отверстием 32a (Фиг. 7). Опорная пластина 34a усиливает основание держателя 33a. Крепежный болт 35a ввинчен через канал вытянутого отверстия 54 в держателе 33a и опорной пластине 34a в крепежный штифт 36a. Крепежный штифт 36a принят в и приварен к крепежной трубке 37a, которая закреплена на опорной конструкции 31. Высота крепежного штифта 36a может быть отрегулирована путем его смещения относительно крепежной трубки 37a до сварки. Фиг. 7(b) и Фиг. 7(c) показывают сечения вдоль линии A2-A2 и A3-A3 на Фиг. 7(a).
В направляющей в осевом направлении точке 29c, 30c (3) крепления держатель 33c приварен к обратной стороне сегмента 27 непосредственно под отверстием 32c (Фиг. 8 и 9). Опорная пластина 34c усиливает основание держателя 33c. Осевой направляющий штифт 35c скользяще зацепляет крепежный штифт 36c. Крепежный штифт 36c принят в и приварен к крепежной трубке 37c, которая закреплена на опорной конструкции 31. Высота крепежного штифта 36c может быть отрегулирована путем его смещения относительно крепежной трубки 37c до сварки. Фиг. 9 показывает сечение вдоль линии A4-A4 на Фиг. 8.
Стойки 20 закрыты передним (передняя кромка LE) и задним (задняя кромка ТЕ) сегментами 24, 25 стоек, которые в конечном счете (после сборки с опорной конструкцией) привариваются посередине стойки. Каждый сегмент 24 и 25 имеет три точки 40-42 и 43-45 крепления (Фиг. 11). Все точки крепления кожуха стойки лежат в одной плоскости.
Принцип крепления с учетом теплового расширения состоит в следующем:
1. Точка крепления размещается на LE стороне (сегмента 24 стойки), посередине газового канала, заставляя кожух стойки равномерно расширяться в радиальном направлении по направлению к втулке и вершине. Крепежный болт 51 (Фиг. 13) размещается на LE (сегмент 24) посередине стойки 20 (точка 41 крепления), чтобы предотвратить осевое, радиальное и тангенциальное перемещение (x, R и Ф). Фиг. 13(b) сечение вдоль линии A5-A5 на Фиг. 13(a). Крепежный болт 51 ввинчен через канал в соединительной пластине 50 сегмента 24 стойки в крепежный штифт 52, который ввинчен в и приварен к ребру 39 опорной конструкции 31 или 38.
2. Крепления на LE со стороны втулки и вершины (точки 40 и 42 крепления) обеспечивают возможность теплового расширения в радиальном направлении (R, с трением, вызванным предварительным натяжением болта), но предотвращают перемещение в осевом и тангенциальном направлениях (x и Ф). Конфигурация показана на Фиг. 14. Свобода перемещения достигнута вытянутым отверстием 54’ на сегменте, ориентированном радиально (Фиг. 14(a)). Крепежный болт 48 ввинчен через вытянутое отверстие 54’ в соединительной пластине 47 сегмента 24 стойки в крепежный штифт 52, который ввинчен в и приварен к ребру 39 опорной конструкции 31 или 38. Во всех случаях для болта используется шайба 53.
3. Крепежный штифт посередине (точка 44 крепления) ТЕ (сегмент 25) совпадает по радиальному положению с точкой крепления на стороне LE (сегмент 24) и обеспечивает возможность теплового перемещения только в осевом направлении.
4. Крепежные штифты (46 на Фиг. 12) ТЕ (сегмент 25) стороны втулки и вершины (точки 43 и 45 крепления) обеспечивают возможность теплового расширения в радиальном и осевом направлениях (R и x). Крепежный штифт 46 ввинчен в или приварен к ребру 39. Он продолжается через радиальное вытянутое отверстие 54’ в соединительной пластине 47 сегмента 25 стойки. Фиг. 12(b) сечение Фиг. 12(a).
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 газотурбинный двигатель (например, GT26)
11 ротор
12 кожух
13 компрессор
14, 16 камера сгорания
15 турбина высокого давления (HP)
17 турбина низкого давления (LP)
18 выхлопной кожух для отработавшего газа
19 внешний корпус
20 стойка
21 внутренний корпус
22, 23 сегмент (внешний корпус) или внешний сегмент
24, 25 сегмент стойки
26, 27 сегмент (внутренний корпус) или внутренний сегмент
28 сегмент с линией разъема
29a-c точка крепления (соединения) (внешний сегмент)
30а-с точка крепления (соединения) (внутренний сегмент)
31 опорная конструкция
32а-с отверстие
ЗЗа-с держатель
34а-с опорная пластина
35а, b крепежный болт
35с осевой направляющий штифт
З6а-с крепежный штифт
37а-с крепежная трубка
38 половина опорной конструкции
39 ребро (стойка)
40-42 точка крепления (передняя кромка LE)
43-45 точка крепления (задняя кромка ТЕ)
46 крепежный штифт
47 соединительная пластина
48 крепежный болт
49 крепежный штифт
50 соединительная пластина
51 крепежный болт
52 крепежный штифт
53 шайба
54, 54’ вытянутое отверстие
А ось машины