Улитка для выхлопных газов газотурбинного двигателя
SCROLL CASING FOR EXHAUST GASES OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к конструкциям авиационных газотурбинных двигателей, в частности к улиткам для отвода горячих газов и продуктов горения газотурбинных двигателей, используемых в качестве привода в газоперекачивающих агрегатах - ГПА и в энергетических установках, в окружающее пространство.
Известна улитка для выхлопных газов газотурбинного двигателя, содержащая осерадиальный диффузор, корпус (газосборник).
(Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев С.В., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. «Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения». Самара, 2004, с. 70-73).
Недостатки:
- повышенное аэродинамическое сопротивление улитки, увеличенная пульсация газового потока на выходе улитки и, как следствие, недостаточная прочность конструкции улитки и ненадежность ее в работе.
- высокая температура на наружной обшивке стенок улитки, в связи с чем, становится невозможным производить осмотр и обслуживание улитки в зоне возможного контакта обслуживающего персонала;
- разрушение лакокрасочного покрытия и образование очагов коррозии наружной обшивки улитки по причине резкого перепада температуры при работе газоперекачивающего агрегата, на границе зон с низкой температурой и локальными зонами с повышенной температурой;
- низкая циклическая прочность элементов каркасов выхлопных шахт по причине отсутствия в них температурных развязок и наличия узлов с жестко связанными деталями, что приводит к образованию значительных внутренних напряжений в сварных соединениях несущих элементов.
Известна улитка для выхлопных газов газотурбинного двигателя по патенту РФ на полезную модель №116910, МПК F02C 1/00, опубл. 10.06.2012 г., прототип.
Эта улитка для выхлопных газов газотурбинного двигателя содержит корпус с передней, задней и боковой стенками, в котором между передней и задней стенками корпуса размещен осерадиальный диффузор, содержащий внутреннюю и наружную обечайки с фланцами и имеющий полость для размещения выходного узла газотурбинного двигателя, - в улитке каждый из фланцев внутренней и наружной обечаек диффузора выполнен составным в виде кольца и кольцевой обечайки, соединенных между собой сваркой, при этом кольцо фланца внутренней обечайки диффузора изготовлено из полой металлической трубы, а кольцо фланца наружной обечайки диффузора изготовлено из металлического прутка круглого поперечного сечения, кольцевые обечайки фланцев внутренней и наружной обечаек диффузора выполнены из листового металлического материала, крепление наружной обечайки диффузора с его внутренней обечайкой выполнено сваркой дугами, изготовленными из металлического прутка круглого поперечного сечения.
Недостатки прототипа:
- деформация листов наружной обшивки (образование продольных и поперечных трещин) выхлопных шахт в процессе эксплуатации по причине неравномерности прогрева каркасов стенок элементов улитки, которые приводят к несогласованным деформациям жестко связанных деталей (внутренней и наружной обшивки стенки) в результате чего появляются трещины в сварных швах и листах обшивки;
- перетекание выхлопных газов газотурбинного двигателя (ГТД) из внутренней полости улитки наружу по причине возникновения при работе газоперекачивающего агрегата внутренних напряжений, которые способствуют отклонению от плоскостности фланцевых соединений.
Задача создания изобретения: увеличение циклической прочности и ресурса улитки.
Достигнутый технический результат: увеличение циклической прочности и ресурса улитки.
Решение указанной задачи достигнуто в улитке для выхлопных газов газотурбинного двигателя, содержащей корпус с передней, задней и боковыми стенками, размещенный между передней и задней стенками корпуса осерадиальный диффузор, имеющий полость для размещения в ней выходного узла газотурбинного двигателя, а также содержащий внутреннюю и наружную обечайки с фланцами, при этом в улитке каждый из фланцев внутренней и наружной обечаек диффузора выполнен составным в виде кольца и кольцевой обечайки, соединенных между собой сваркой, кольцо фланца внутренней обечайки диффузора изготовлено из полой металлической трубы, а кольцо фланца наружной обечайки диффузора изготовлено из металлического прутка круглого поперечного сечения, кольцевые обечайки фланцев внутренней и наружной обечаек диффузора выполнены из листового металлического материала, каждые из которых соединены методом сварки с соответствующими кольцами фланцев обечаек диффузора, причем крепление наружной обечайки с внутренней обечайкой диффузора выполнено сваркой дугами, изготовленными из металлического прутка круглого поперечного сечения, тем, что передняя, задняя и боковые стенки выполнены из внутренней обшивки, несущего каркаса и наружной обшивки, а соотношение толщин внутренней и наружной обшивок может быть выполнено:
1
2
δ/δ=2,0÷4,0,
1
где: δ - толщина внутренней обшивки,
2
δ - толщина наружной обшивки.
Несущий каркас может быть выполнен из фасонного проката в виде нержавеющих жаропрочных профильных труб или профильного проката, выполненного из гнутого плоского листа.
Внутренняя обечайка может быть выполнена выступающей над верхним фланцем.
Длина выступа внутренней обечайки над верхним фланцем может быть выбрана в диапазоне:
L=220÷270 мм.
Внутренняя и наружная обшивки выполнены из нержавеющего жаропрочного листового проката.
В верхнем фланце выполнена канавка прямоугольного поперечного сечения, в которой размещен уплотнительный шнур.
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1÷5, где:
- на фиг. 1 приведена улитка в ракурсе 1/2,
- на фиг. 2 приведен разрез А-А,
- на фиг. 3 приведена выступающая часть типа «рыбий хвост»,
- на фиг. 4 приведен график температуры по толщине стенки, первый вариант,
- на фиг. 5 приведен график температуры по толщине стенки, второй вариант,
На фиг. 1 представлена улитка для выхлопных газов газотурбинного двигателя в разрезе, в ракурсе .
Улитка содержит корпус (фиг. 1), состоящий из передней стенки 1, задней стенки 2 и боковых стенок 3, состоящих из внутренней обшивки 4 из нержавеющей жаропрочной стали, несущего каркаса 5, выполненного из профиля 6 (из фасонного или плоского проката) и наружной обшивки 7 (фиг. 2). Профиль 6 соединен с внутренней обшивкой 4 при помощи сварочных швов 8, а с наружной обшивкой 7 при помощи сварных электрозаклепок 9.
Толщина листа внутренней обшивки 4 может быть выполнена из соотношения:
1
2
δ=(2÷4)*δ
1
где, δ - толщина внутренней обшивки 4. Рекомендуемая толщина внутренней обшивки 4 из нержавеющей жаропрочной стали от 4 до 8 мм.
2
δ - толщина наружной обшивки 7. Рекомендуемая толщина наружной обшивки 7 из нержавеющей жаропрочной стали от 1 до 4 мм.
Это увеличит циклическую прочность и ресурс улитки.
Между внутренней обшивкой 4 и наружной обшивкой 7 выполнен зазор (фиг. 2).
Величина этого зазора 50÷60 мм.
В качестве фасонного проката могут быть использованы только нержавеющие жаропрочные профильные трубы или гнутый плоский листовой прокат.
Между передней 1 и задней 2 стенками корпуса улитки установлен осерадиальный диффузор 10, состоящий из внутренней обечайки 11 и наружной обечайки 12, выполненных из штампованного листового проката по толщине, соответствующей толщине внутренней обшивки стенок, и соединенных между собой сваркой с помощью дуг 13, выполненных из металлического прутка поперечного круглого сечения толщиной от 16 до 30 мм.
Внутренняя 11 и наружная 12 обечайки осерадиального диффузора 10 имеют составные фланцы. Составной фланец наружной 12 обечайки осерадиального диффузора 10 выполнен из полой металлической трубы 14 в виде кольца и кольцевой обечайки 15, соединенных между собой методом сварки.
Составной фланец внутренней обечайки И диффузора 10 выполнен в виде кольца из полой металлической трубы 16 прямоугольного поперечного сечения, соединенного методом сварки с кольцевой обечайкой 17, выполненной из металлического листового материала. Крепление наружной обечайки 12 осерадиального диффузора 10 с его внутренней обечайкой 11 выполнено сваркой дугами 13, изготовленными из металлического прутка круглого поперечного сечения толщиной от 16 до 30 мм.
Полость 18 (фиг. 1) осерадиального диффузора 10 предназначена для размещения выходного узла газотурбинного двигателя. В передней 1, задней 2 и боковой 3 стенках корпуса осерадиального диффузора 10 установлена теплоизоляция 19.
Теплоизоляция 19 выполнена из минеральных матов и может быть выполнена в один или несколько слоев. Теплоизоляция 19 может быть выполнена по ГОСТ 21880-2011 и содержать обкладку см. табл. 1.
Из табл. 1 видно, что все виды матов, кроме имеющих обкладку из алюминиевой фольги, выдерживают температуру 450÷700°С.
Известны маты (одеяла), выдерживающие более высокую температуру см. табл. 2
Внутренняя обечайка 11 соединяется с задней стенкой 2 посредством сварки по контуру. Для защиты фланцевого соединения от скоростного потока газов внутренняя обечайка 11 над верхним фланцем 20 выполнена в виде выступающей части 21 типа «Рыбий хвост» (фиг. 3), приваренной сварочным швом 22.
В верхнем фланце 20 выполнена канавка 23 прямоугольного поперечного сечения в котором для исключения перетекания выхлопных газов ГТД выполнен уплотнительный шнур 24 (фиг. 3).
Оптимальна длина L выступающей части 21 (фиг. 3) составляет 220-270 мм.
На фиг. 4 приведен график изменения температуры 25 по толщине стенки с одним слоем теплоизоляции 19, а на фиг. 5 приведен график изменения температуры 26 по толщине стенки с двумя слоями теплоизоляции 19. Скачек температуры 27 возникает из-за контактного термического сопротивления между слоями теплоизоляции 19.
РАБОТА УЛИТКИ ДЛЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ В СОСТАВЕ ГПА
Работает улитка для выхлопных газов следующим образом. Кольцевой газовый поток из газотурбинного двигателя через входное сечение поступает в осерадиальный диффузор 10 в направлении, параллельном продольной оси осерадиального диффузора 10 (вход газового потока) фиг. 1.
В кольцевой полости осерадиального диффузора 10, образованной внутренней обечайкой 11 и наружной обечайкой 12 осерадиального диффузора 10, газовый поток плавно тормозится, изменяет направление на 90°, далее поступает в корпус улитки, где перестраивается в газовую струю прямоугольного сечения.
Выполнение всех стенок, состоящими из внутренней обшивки 4, несущего каркаса 5 из фасонного или плоского проката и наружной обшивки 7 (фиг. 2) позволяет обеспечить циклическую прочность устройства в течение всего ресурса.
При этом оптимальная толщина листа внутренней обшивки 4 должна быть выполнена из соотношения:
1
2
δ=(2÷4)*δ
1
где, δ - толщина внутренней обшивки 4 (от 4 до 8 мм);
2
δ - толщина наружной обшивки 7 (от 1 до 4 мм).
Это обеспечит циклическую прочность при минимальном весе конструкции, обеспечит снижение температуры наружной обшивки 7 и повысит ресурс улитки.
Применение теплоизоляции снижает температуру наружной обшивки 7 до 50° ÷ 70°С.
На фиг. 4 приведен график изменения температуры 25 по толщине стенки с одним слоем теплоизоляции 19, а на фиг. 5 приведен график изменения температуры 26 по толщине стенки с двумя слоями теплоизоляции 19. Скачок температуры 27 возникает из-за контактного термического сопротивления в месте стыка двух слоев теплоизоляции 19. Второй вариант более предпочтителен с точки зрения теплозащиты узлов высокотемпературных ГТД.
Проведенные заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом изобретении «Улитка для выхлопных газов газотурбинного двигателя», изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна» и «изобретательский уровень».
Критерий изобретения «промышленная применимость» подтверждается тем, что предлагаемое изобретение может быть использовано для отвода в окружающее пространство горячих газов и продуктов горения авиационного газотурбинного двигателя при наземном его применении для газоперекачивающих агрегатов или других потребителей механической энергии.
Применение изобретения позволило:
- увеличить ресурс улитки,
- увеличить циклическую прочность.