УЗЕЛ, СОСТОЯЩИЙ ИЗ ЛОПАТКИ И РУБАШКИ ОХЛАЖДЕНИЯ, И НАПРАВЛЯЮЩИЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ДАННЫЙ УЗЕЛ, СПОСОБ УСТАНОВКИ И РЕМОНТА ЭТОГО УЗЛА
ASSEMBLY CONSISTING OF BLADE AND COOLING JACKET, AND GUIDE VANE OF GAS TURBINE ENGINE, WHICH CONTAINS THIS ASSEMBLY, AND INSTALLATION AND REPAIR METHOD OF THIS ASSEMBLY

Изобретение относится к узлу, состоящему из лопатки и рубашки охлаждения лопатки, в направляющем сопловом аппарате газотурбинного двигателя.
Газотурбинный двигатель содержит ступени ротора - компрессора и (или) турбины, - разделяемые между собой направляющими сопловыми аппаратами турбины, которые включают в себя множество неподвижных лопаток, предназначенных для направления потока газов. Неподвижные лопатки располагаются в газовоздушном тракте между внешним и внутренним кольцами. Принимая во внимание температуру газов, обтекающих лопатки, в частности, в разделяющих ступени турбины направляющих сопловых аппаратах, считается, что лопатки эксплуатируются в тяжелых режимах. В связи с этим существует необходимость их охлаждения в основном путем принудительной циркуляции воздуха и воздействия воздуха внутри лопаток.
Для охлаждения путем воздействия воздухом можно использовать продольно расположенные рубашки охлаждения с множеством просверленных в них отверстий. Эти рубашки обычно изготавливаются из жаропрочных сплавов, например, на основе хрома (Cr), кобальта (Co) и никеля (Ni). Такая рубашка охлаждения размещается в продольном направлении в полости лопатки, в которую на уровне внешнего кольца подается охлаждающий воздух. В связи с разницей давления во внутренней полости рубашки охлаждения и полости, образованной между рубашкой и лопаткой, часть воздуха выводится через просверленные в рубашке охлаждения отверстия и подается на внутреннюю стенку лопатки, обеспечивая тем самым ее охлаждение. В последующем этот воздух удаляется вдоль ребра обтекания лопатки через просверленные в газовоздушном тракте отверстия одинакового размера. Остаток воздуха выводится через внутреннее кольцо для охлаждения других частей двигателя, в частности, диска рабочего колеса турбины и подшипников.
Полость лопатки образует два отверстия во внутренней и внешней площадках. Рубашка охлаждения, как правило, крепится с внешней стороны к стенке внешнего отверстия, например, методом припаивания или приваривания. Таким образом, удается получить соединение методом припаивания к направляющей. Рубашка охлаждения, кроме того, на уровне другой части своего края подается во внутреннее отверстие, стенка которой образует направляющую и позволяет компенсировать возникающую при расширении разницу размеров рубашки и лопатки.
В соответствии с наиболее предпочтительным техническим решением, рубашка охлаждения на своей внешней стороне содержит воротник, припаянный к направляющему сопловому аппарату. Рубашка охлаждения с воротником известна из патента US 2002/0028133. По сравнению с рубашками, в которых внешняя часть припаивается на уровне направляющей, рубашка охлаждения с воротником обладает многими преимуществами, в том числе она позволяет упростить ее установку в лопатке, обеспечивая при этом четкое радиальное расположение, а также облегчить процесс и обеспечить визуальный контроль за припаиванием воротника на направляющем сопловом аппарате.
Важным также является обеспечение хорошей изоляции рубашки охлаждения на лопатке на уровне воротника. Действительно, если этого не удается добиться, то возникает утечка в одном или другом направлениях, которая в обоих случаях может нанести существенный ущерб. Таким образом, если давление с внешней стороны внешнего кольца направляющего соплового аппарата выше, чем давление в полости между рубашкой охлаждения и лопаткой, то воздух будет проникать в эту полость, что приводит к повышению давления снаружи рубашки. В связи с этим уменьшается возможность подачи на лопатку воздуха, находящегося внутри рубашки охлаждения, что снижает эффективность ее охлаждения. И наоборот, если давление в полости между рубашкой охлаждения и лопаткой выше, чем с внешней стороны внешнего кольца направляющего соплового аппарата, то использованный и нагретый при охлаждении лопатки воздух выбрасывается из полости и нарушает процесс охлаждения внешней стороны направляющего соплового аппарата турбины. Данную проблему частично можно было бы решить путем увеличения на данном уровне объема охлаждающего воздуха. Однако увеличение объема в одном месте означает его уменьшение в другом.
Ни один из этих вариантов не может рассматриваться как удовлетворительный, и, следовательно, необходимо добиваться соответствующего уровня герметичности соединения на уровне воротника.
Такое соединение может быть обеспечено путем припаивания. Однако, даже в случае возможности осуществлять визуальный контроль за процессом припаивания на уровне воротника, существует опасность неполного припаивания или припаивания с дефектами, в результате чего остаются места, через которые возможна утечка воздуха.
Задачей настоящего изобретения является разработка узла, включающего в себя лопатку и рубашку охлаждения лопатки, в котором обеспечена герметичность на уровне крепления воротника.
Задача решается тем, что в узел, состоящий из лопатки и рубашки охлаждения лопатки, предусмотренных в направляющем сопловом аппарате газотурбинного двигателя, причем лопатка содержит центральную полость по меньшей мере с первым отверстием, через которое осуществляется размещение рубашки, а рубашка охлаждения содержит воротник, который крепится на круговом выступе отверстия, согласно изобретению, содержит на краю воротника периферийный элемент изоляционного слоя между стенкой рубашки охлаждения и стенкой отверстия.
Такой элемент изоляционного слоя приводит к потере давления. Под понятием «потеря давления» понимается не только обычная потеря давления, возникающая в результате сужения сечения канала истечения воздуха или установки препятствия, но и потеря давления - бесконечная, - возникающая в герметичном соединении.
Комбинация воротника, который крепится к круговому выступу, и элемента изоляционного слоя, устанавливаемого по краю данного воротника, позволяет избежать утечки воздуха, или по меньшей мере такая потенциальная утечка не будет существенной, а возможные разрывы в пайке не приведут к возникновению проблем. Действительно, после прикрепления воротника возможная утечка воздуха могла бы происходить только через незначительный зазор между воротником и круговым выступом. Кроме того, такие утечки через небольшую щель невозможны ни в одном, ни в другом направлениях в связи с наличием элемента изоляционного слоя, создающего потерю давления.
При решении данной конкретной проблемы заявитель также обнаружил, что имеется возможность существенно упростить монтаж узла. Действительно, наличие элемента изоляционного слоя на краю воротника так эффективно влияет на утечку воздуха, что отсутствует необходимость очень хорошо припаивать воротник на направляющем сопловом аппарате. Теперь можно просто закрепить (путем выполнения точечной сварки между воротником и круговым выступом) рубашку охлаждения на лопатке, а утечка будет исключена благодаря наличию элемента изоляционного слоя. При этом удается добиться значительного выигрыша во времени и снижения себестоимости производства по сравнению с припаиванием по всей окружности воротника.
Элемент изоляционного слоя может играть роль препятствия и (или) герметичного соединения.
Предпочтительно, чтобы центральная полость образовывала второе отверстие, а рубашка охлаждения содержала расположенную напротив воротника часть края, вводимую во второе отверстие, стенка которой в этом контексте образует направляющую.
В этом случае преимущественно между рубашкой и стенкой первого отверстия образуется зазор.
Предпочтительно, чтобы элемент изоляционного слоя содержал периферийное кольцо, образующее препятствие.
Предпочтительно, чтобы элемент изоляционного слоя содержал гибкую пластинку.
Предпочтительно также, чтобы элемент изоляционного слоя содержал периферийную рессору.
Настоящее изобретение относится также к направляющему сопловому аппарату газотурбинного двигателя, содержащему множество узлов, которые были представлены выше, и к газотурбинному двигателю, включающему в себя такой направляющий сопловой аппарат.
Изобретение также относится к описанному выше упрощенному способу установки рубашки охлаждения в полой лопатке направляющего соплового аппарата газотурбинного двигателя для создания узла согласно предлагаемому изобретению, при этом лопатка содержит центральную полость по меньшей мере с первым отверстием, а рубашка охлаждения - воротник, согласно которому:
- рубашка охлаждения помещается в полость лопатки путем ввода через первое отверстие таким образом, чтобы периферийный элемент изоляционного слоя разместился между стенкой рубашки охлаждения и стенкой первого отверстия;
- воротник крепится на круговом выступе точечной сваркой.
Использование элемента изоляционного слоя, согласно предлагаемому изобретению, позволит применять рубашки охлаждения с воротником в промышленности, снижая при этом риск утечки воздуха. При ремонте направляющего соплового аппарата и даже узла в соответствии с настоящим изобретением для демонтажа и повторной установки рубашки охлаждения лопатки имеется возможность применять способ, согласно которому:
- воротник рубашки охлаждения срезают до уровня кругового выступа, при этом элемент изоляционного слоя не срезается;
- из центрального тела лопатки через отверстие извлекают рубашку охлаждения;
- на рубашку охлаждения надевают новый воротник;
- рубашку охлаждения с новым воротником через первое отверстие помещают в полости лопатки таким образом, чтобы периферийный элемент изоляционного слоя расположился между рубашкой и стенкой первого отверстия;
- воротник крепят на круговом выступе.
Преимуществом такого способа является простота его реализации.
Следует отметить, что настоящее изобретение особенно успешно применяется в конструкциях, в которых рубашка охлаждения имеет открытые с двух сторон края, при этом стенка части края, расположенной напротив воротника и вводимой в отверстие, образует направляющую. В то же время представляется понятным, что изобретение может применяться и в отношении конструкции, в которой рубашка охлаждения открыта только со стороны воротника без необходимости направления в направляющую своим другим краем.
Изобретение в дальнейшем поясняется описанием наиболее предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на фигуры чертежей, в числе которых:
- Фиг.1 изображает вид в изометрии части направляющего соплового аппарата согласно предлагаемому изобретению.
- Фиг.2 - вид в разрезе узла согласно предлагаемому изобретению.
- Фиг.3 - вид в разрезе элемента изоляционного слоя согласно первому варианту применения узла в соответствии с предлагаемым изобретением.
- Фиг.4 - вид в разрезе элемента изоляционного слоя согласно второму варианту применения узла в соответствии с предлагаемым изобретением.
- Фиг.5 - вид в разрезе элемента изоляционного слоя согласно третьему варианту применения узла в соответствии с предлагаемым изобретением.
Согласно фиг.1 и 2 направляющий сопловой аппарат 1 содержит множество неподвижных лопаток 2, образующих решетку, спрямляющую поток воздуха, проходящего в газо-воздушном тракте двигателя. На фиг.2 стрелкой показано направление циркуляции газов из передней части в заднюю. Данный газо-воздушный тракт ограничен внешним кольцом 3 и внутренним кольцом 4, удерживающим лопатку 2.
Каждая лопатка 2 является полой и содержит центральную полость 5, внутрь которой вводится рубашка охлаждения 6. Для лучшего понимания формы различных элементов на фиг.1 крайняя левая рубашка охлаждения 6 представлена частично выходящей из полости 5 своей приемной лопатки 2. В дальнейшем будет приведено описание, в частности, узла, включающего в себя лопатку 2 и рубашку охлаждения 6 и расположенного, как и все состоящие из элементов 2 и 6 узлы направляющего соплового аппарата 1, которые конструктивно идентичны.
Полость 5 лопатки 2 образует внешнее отверстие 7 и внутреннее отверстие 8 соответственно во внешнем кольце 3 и внутреннем кольце 4 направляющего соплового аппарата. Для установки в лопатке 2 рубашка охлаждения 6 вводится через внешнее отверстие 7.
Рубашка охлаждения 6 содержит полое тело 9 с просверленными, в данном случае спереди, отверстиями 10, через которые на внутреннюю стенку лопатки 2 подается воздух, поступающий в тело 9 рубашки 6 на уровне патрубка подачи 11, расположенного на краю внешнего отверстия 7 лопатки 2. В данном примере для лучшего охлаждения лопатки 2 известным специалистам способом во внутренней стенке лопатки 2, напротив отверстий 10, предусмотрено множество лопаток 11, образующих источник помех. Кроме того, на внешней поверхности рубашки охлаждения 6 содержится множество выступов 12 (также схематично показанных на фиг.2, хотя последняя изображена в разрезе), основным предназначением которых является обеспечение размещения рубашки охлаждения в полости 5 лопатки 2.
На внешней стороне рубашки охлаждения 6 расположен воротник 13. В данном случае воротник 13 изготовлен путем расплющивания листового железа, используемого при производстве рубашки 6. Он может также крепиться на рубашке охлаждения. Воротник 13 монтируется с возможностью упора в круговой выступ 14, образованный направляющим сопловым аппаратом вокруг внешнего отверстия 7 полости 5 лопатки 2. Воротник 13 крепится к круговому выступу 14 методом припаивания или приваривания (более детально рассмотренного ниже).
С внутренней стороны рубашки охлаждения 6 содержится часть края 15, которая является продолжением своего корпуса 6 и вводится в образованное лопаткой 2 внутреннее отверстие 8, стенка 8′ которой представляет собой направляющую для ввода данной части края 15 известным специалистам способом. Имеющаяся свобода движения может нивелировать возникающую в результате теплового расширения разницу между лопаткой 2 и рубашкой охлаждения 6.
Узел, состоящий из лопатки 2 и рубашки охлаждения 6, дополнительно содержит размещенный по краю воротника 13 элемент изоляционного слоя 16. Данный элемент изоляционного слоя 16 предназначен для создания потери давления на краю воротника 13 для исключения или по меньшей мере ограничения потери воздуха в одном или другом направлениях. Этот элемент изоляционного слоя 16 расположен по периметру рубашки охлаждения 6. Он может прочно крепиться или к рубашке 6, или к направляющему сопловому аппарату 1. Он располагается на краю воротника 13, т.е. в зоне, в которой его воздействие может сочетаться с воздействием воротника 13. Другими словами, потеря давления, возникающая в результате использования элемента изоляционного слоя 16, должна быть достаточной для того, чтобы не допустить утечки воздуха через возможные щели между воротником 13 и круговым выступом 14. В данном случае элемент изоляционного слоя 16 размещается под воротником 13 на уровне стенки 7′ внешнего отверстия 7, продолжением которого является круговой выступ 14, где крепится воротник 13.
Далее со ссылкой на фиг.3-5 будет приведено описание трех вариантов выполнения элемента изоляционного слоя. В этих трех вариантах элемент изоляционного слоя 16 крепится к рубашке охлаждения 6, однако, само собой разумеется, что специалист может легко обращаться и с элементом изоляционного слоя 16, который будет крепиться к стенке 7′ внешнего отверстия 7, образованного лопаткой 2. На всех трех фигурах элемент изоляционного слоя обозначен одной ссылочной позицией 16.
Как это показано на фиг.3, элемент изоляционного слоя 16 содержит, согласно первому варианту применения, периферийное кольцо 16 или периферийную пластинку, которые крепятся под воротником 13 вокруг рубашки охлаждения 6. Это кольцо 16 изготовлено из металла, имеет радиальное расположение и занимает пространство, меньшее, чем существующее в этом месте расстояние между стенкой рубашки охлаждения 16 и стенкой 7′ внешнего отверстия 7, предпочтительно, заподлицо с последней. Под понятием «радиальное» понимается радиальное расположение относительно общей оси рубашки охлаждения, т.е. в продольном направлении, от воротника 13 до части края 15. Возникающая таким образом потеря давления является достаточной для того, чтобы не допустить или в необходимой степени ограничить утечку воздуха между воротником 13 и круговым выступом 14. Согласно данному варианту применения элемент изоляционного слоя образует препятствие для воздушных потоков по всей периферии рубашки охлаждения 6.
Как показано на фиг.4, элемент изоляционного слоя 16 содержит, согласно второму варианту, периферийную пластинку 16, обладающую определенной гибкостью. Радиальный размер этой пластинки, которая изготовлена из металла, в некоторых случаях может быть больше среднего расстояния между стенкой рубашки 6 и стенкой 7′ внешнего отверстия 7 в этом месте. Недостаточно хорошая центровка рубашки охлаждения 6 относительно отверстия 7 не нанесет большого вреда во время ее ввода в отверстие 7. В определенных точках, в которых рубашка 6 будет больше всего приближаться, пластинка 16 упрется в стенку 7′ отверстия 7 и при вводе рубашки охлаждения 6 изогнется в направлении внешней стороны, компенсируя тем самым зазор. Могут быть также предусмотрены такие размеры пластинки 16, при которых она соприкасается со стенкой 7′ отверстия 7 по всему периметру рубашки 6, образуя тем самым герметичное соединение.
Такой вариант выполнения позволяет образовать зазор между рубашкой охлаждения 6 и стенкой 7′ внешнего отверстия 7. Такой зазор обеспечивает возможность более простой установки рубашки 6. Рубашка охлаждения 6 во время ее введения в лопатку 2 на уровне части ее края 15 подается на направляющую 8, расположенную с внутренней стороны лопатки 2. Процесс такого направления осуществляется свободно, т.к. отсутствует необходимость учитывать погрешности установки по прямой линии внутреннего отверстия 8 и внешнего отверстия 7 ввиду наличия зазора на уровне последнего отверстия. При установке такой зазор не нанесет вреда, поскольку он компенсируется свойствами гибкости пластинки 16. Таким образом, пластинка 16 может вводиться в отверстие 7 и выполнять свою функцию ограничителя утечки воздуха. Благодаря пластинке 16, наличие зазора не повлечет за собой утечку; пластинка 16 обусловливает возможность существования зазора и обеспечивает использование его преимуществ.
В этом варианте выполнения элемент изоляционного слоя 16 может выполнять или функцию препятствия, или герметичного соединения, или сразу обе функции в зависимости от того, соприкасается ли он со стенкой 7′ внешнего отверстия 7 (функция соединения) или не соприкасается (функция препятствия). В обоих случаях на своем уровне возникает потеря давления. Когда речь идет о выполнении обеих функций, то элемент изоляционного слоя 16 на определенных участках, где пластинка 16 не соприкасается со стенкой 7′ отверстия 7, выполняет функцию препятствия, а на других участках, где пластинка 16 соприкасается со стенкой 7′ отверстия 7, - функцию герметичного соединения.
Как это показано на фиг.5, элемент изоляционного слоя 16 содержит, в соответствии с третьим вариантом выполнения, периферийную рессору. Данная рессора 16 изготовлена из металла и включает в себя пластинку, края которой прикреплены к поверхности рубашки 6, при этом сечение пластинки имеет форму буквы U, расширяющейся между двумя закрепленными краями. Как и в предыдущих случаях, такой элемент в виде рессоры 16 позволяет компенсировать возможный зазор на уровне внешнего отверстия 7 и может, в зависимости от зон рубашки охлаждения 6, выполнять или функцию герметичного соединения и (или) препятствия с учетом того, соприкасается или нет рессора 16 со стенкой 7′ отверстия 7.
Элемент изоляционного слоя представлен в соответствии с тремя вариантами выполнения, однако, безусловно, могут рассматриваться и другие конструкции, если они занимают пространство между стенкой рубашки охлаждения 6 и стенкой отверстия 7, для образования потери давления. В этом контексте можно комбинировать различными элементами изоляционного слоя и создавать, например, лабиринтное соединение.
Использование элементов изоляционного слоя 16 позволяет если не полностью исключить, то по меньшей мере существенно ограничить утечку воздуха на уровне воротника 13. Воротник 13 может крепиться на круговом выступе 14 методом припаивания. В этом случае возможные разрывы, возникающие в процессе припаивания материала, не являются неустранимыми, поскольку используемый элемент изоляционного слоя позволяет не допустить или ограничить утечку воздуха. Применение элемента изоляционного слоя предоставляет также возможность применять способ особой установки рубашки охлаждения 6 в лопасти 2, в соответствии с которым:
- рубашка охлаждения 6 вводится в полость 5 лопатки 2 через внешнее отверстие 7;
- воротник 13 крепится на круговом выступе 14 методом точечной сварки.
Такой способ установки отличается высокой технологичностью и является недорогостоящим. Действительно, вместо припаивания по всей окружности воротник 13 просто приваривается в определенном количестве точек (обычно говорят о «предварительной сварке»). Узел готов к эксплуатации, т.к. точечная сварка обеспечивает надежное крепление рубашки охлаждения 6 на лопатке 2, а элемент изоляционного слоя 16 - герметичность или по меньшей мере ограничение утечки воздуха на уровне воротника 13. Следует отметить, что крепление рубашки охлаждения 6 с круговым выступом 14 методом точечной сварки является достаточно надежным, поскольку моменты механического напряжения на уровне рубашки охлаждения направляющего соплового аппарата не очень значительны.
Таким образом, метод крепления может свободно выбираться с учетом механических напряжений, с одной стороны, и временных затрат и стоимости установки, с другой стороны. Такая свобода выбора обусловлена наличием между стенкой рубашки охлаждения 6 и стенкой 7′ отверстия 7 элемента изоляционного слоя, который позволяет выбирать между методом припаивания и точечной сварки.
В случае ремонта направляющего соплового аппарата 1 имеется возможность для каждого узла, состоящего из лопатки 2 и рубашки охлаждения 6, применять способ ремонта, в соответствии с которым:
- воротник 13 рубашки охлаждения 6 срезают до уровня кругового выступа 14, при этом элемент изоляционного слоя 16 не срезается;
- из центрального тела 5 лопатки 2 через отверстие 7 извлекают рубашку охлаждения 6;
- на рубашку охлаждения 6 надевают новый воротник;
- рубашку охлаждения 6 с новым воротником через внешнее отверстие 7 помещают в полость 5 лопатки 2 таким образом, чтобы периферийный элемент изоляционного слоя 16 расположился между рубашкой 6 и стенкой 7′ отверстия 7;
- воротник 13 крепят на круговом выступе 14.
Срезание воротника 13 может осуществляться путем обработки или, предпочтительно, методом точения с применением электроэрозионного аппарата (данный тип точения хорошо известен специалистам по аббревиатуре EDM, означающей «Electro-Discharge Machine», т.е. электроэрозионный станок). Необходимое точение производится быстро, поскольку достаточно выполнить точение воротника 13, который, как правило, не обладает большой толщиной. После извлечения рубашки охлаждения 6 из центральной полости 5 лопатки 2 достаточно просто закрепить воротник на корпусе 9 рубашки 6, например, методом сварки для создания новой рубашки охлаждения. После этого последняя может быть вновь введена в центральную полость 5 лопатки 2.