Узел соединения соплового аппарата турбины высокого давления с концевой частью жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя
CONNECTION ASSEMBLY OF NOZZLE APPARATUS OF HIGH-PRESSURE TURBINE WITH END PART OF FLAME TUBE OF COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к газотурбинным двигателям (далее ГТД), преимущественно к элементам соединения сопловых аппаратов турбины с камерами сгорания.
Известен узел соединения соплового аппарата (далее СА) турбины высокого давления с концевой части жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя содержащий наружный и внутренний кольцевые промежуточные элементы, со стороны торцов которых, обращенных к концевой части жаровой трубы, выполнено по кольцевой канавке, в которые заведены концевые участки наружного и внутреннего кольца жаровой трубы.
(см. чертеж камеры сгорания и турбины двигателя АЛ-31Ф по ссылке https://vmasshtabe.ru/mashinostroenie-i-mehanika/teplotexnika-mashinostroenie-i-mehanika/turbiny/chertezh-kameryi-sgoraniya-i-turbinyi-dvigatelya-al-31f.html в сети Интернет).
Известная конструкция выбрана в качестве прототипа.
Наружное газосборное кольцо с отверстиями для охлаждения наружных полок сопловых лопаток (далее СЛ) и кольцевым пазом для стыковки (соединение типа шип-паз) с камерой сгорания (далее КС) установлено на наружном кольце соплового венца (далее СВ) ТВД и зафиксировано на нем винтами. Винты зафиксированы на наружном кольце контровочными шайбами. Внутреннее газосборное кольцо является узлом, состоящим из нескольких деталей. На наружную поверхность внутреннего кольца СВ ТВД установлено и зафиксировано штифтами первое кольцо с окнами (на его вертикальной части) для охлаждения СЛ. На наружной поверхности вертикальной части этого кольца имеются пазы для образования пелены охлаждающего воздуха над внутренними полками СЛ. Для предотвращения утечки охлаждающего воздуха в вертикальной части первого кольца над окнами и под ними в кольцевых пазах установлены уплотнения. На наружной поверхности указанного кольца установлено и зафиксировано винтами второе кольцо с кольцевым пазом на торце для стыковки с КС (соединение типа шип-паз) и с пазами (на внутренней стороне) для подвода охлаждающего воздуха к окнам первого кольца. Винты второго кольца зафиксированы контровочными шайбами.
Для стыковки СА с КС и охлаждения СЛ в прототипе применена слишком сложная конструкция газосборных колец, состоящая из множества деталей со значительным дополнительным весом, что ухудшает технологичность турбины так как требует большого количества операций механической обработки и сборки. Для охлаждения С Л воздух вынужден проходить не только сквозь окна внутреннего газосборного кольца с ограниченной площадью, но и при входе в переднюю полость СЛ поворачивать под девяносто градусов. Это приводит к потере давления на входе в указанную полость и отрицательно влияет на охлаждение передней кромки пера СЛ.
Кроме того в случае повреждения только некоторой зоны любого из газосборных колец необходимо менять газосборное кольцо целиком, что отрицательно сказывается на ремонтопригодности известного узла.
Технические результаты изобретения: повышение ремонтопригодности узла, упрощение конструкции узла, повышение надежности узла.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном узле соединения соплового аппарата турбины высокого давления с концевой частью жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащем наружный и внутренний кольцевые промежуточные элементы, со стороны торцов которых, обращенных к концевой части жаровой трубы, выполнено по кольцевой канавке, в которые заведены концевые участки наружного и внутреннего кольца жаровой трубы, согласно настоящему изобретению, каждый из кольцевых промежуточных элементов выполнен в виде набранных в окружном направлении идентичных деталей, причем каждая из идентичных деталей наружного кольцевого промежуточного элемента соединена с соответствующей ей наружной полкой сопловой лопатки, а каждая из идентичных деталей внутреннего кольцевого промежуточного элемента соединена с соответствующей ей внутренней полкой сопловой лопатки, при этом со стороны торца наружного кольцевого промежуточного элемента, обращенного к наружной полке сопловой лопатки, выполнена кольцевая канавка, в которую заведены с осевым зазором выступы, каждый из которых выполнен на торце наружной полки сопловой лопатки, до контакта торцов наружного и внутреннего выступов наружного кольцевого промежуточного элемента, образующих кольцевую канавку, с торцами наружных полок сопловых лопаток, при этом в наружном выступе каждой из идентичных деталей и в выступе наружной полки сопловой лопатки выполнено по соосному отверстию под штифт, над которыми в наружном кольце соплового аппарата со стороны его торца, обращенного к жаровой трубе, выполнено по продольному пазу, в каждом из которых установлена с осевым зазором верхняя часть штифта, причем между торцом нижней части штифта и наружной поверхностью внутреннего выступа наружного кольцевого промежуточного элемента образован зазор, причем на каждом из штифтов, между внутренней поверхностью продольного паза и наружной поверхностью наружного выступа наружного кольцевого промежуточного элемента выполнены два бурта, диаметр наружного из которых больше чем ширина продольного паза, а внутреннего - чем диаметр отверстия под штифт, при этом внутренняя поверхность внутреннего бурта и наружная поверхность наружного выступа наружного кольцевого промежуточного элемента сопряжены, а между наружным буртом и наружным кольцом соплового аппарата выполнен радиальный зазор, кроме того со стороны внутренней поверхности каждой из идентичных деталей внутреннего кольцевого промежуточного элемента и соответствующей ей внутренней полки сопловой лопатки выполнены радиальные выступы, контактирующие по близлежащим поверхностям и зафиксированные друг относительно друга посредством резьбового соединения, при этом на упомянутых близлежащих поверхностях радиальных выступов идентичных деталей внутреннего кольцевого промежуточного элемента выполнены осевые выступы в виде кольцевых сегментов, заведенные с осевым зазором в соответствующие им пазы, выполненные в радиальных выступах внутренних полок сопловых лопаток.
В предложенной конструкции разработана более рациональная и простая схема стыковки СА с жаровой трубой КС за счет отсутствия газосборных колец.
Выполнение наружного и внутреннего кольцевых промежуточных элементов в виде набранных в окружном направлении идентичных деталей, соединенных с полками сопловых лопаток посредством разъемных соединений, позволяет при необходимости заменить любой из них, а не все газосборное кольцо как в прототипе, что повышает ремонтопригодность заявленного узла.
К наружной полке СЛ наружная идентичная деталь крепится штифтом, который одновременно выполняет две функции. Нижней цилиндрической частью штифт фиксирует сегмент на полке, а за счет наружной цилиндрической части, которая находится в продольном пазу наружного кольца СВ ТВД, предотвращает поворот СЛ вокруг ее вертикальной оси. Это упрощает конструкцию относительно прототипа за счет отсутствия нескольких фиксирующих болтов для каждой сопловой лопатки.
Наличие между внутренними идентичными деталями и внутренними полками сопловых лопаток соединений типа шип-паз вкупе с резьбовым соединением позволяет гарантированно предотвратить смещение этих деталей относительно друг друга во всех направлениях, что повышает надежность узла.
В случае невозможности состыковать венец сопловых лопаток с наружным кольцом СА из-за продольных пазов наружного кольца, смещенных в окружном направлении относительно осей соосных отверстий в наружном выступе каждой из идентичных деталей и в выступе наружной полки сопловой лопатки (в результате неблагоприятного сочетания допусков при механической обработке деталей), предусмотрен специальный штифт. На верхнем участке штифта, расположенном в продольном пазу наружного кольца, выполнены две противолежащие грани, сопряженные с боковыми внутренними стенками продольного паза. В указанном случае необходимо использовать штифт из комплекта штифтов с двухгранной верхней частью (с эксцентриситетом по отношению ко всей его нижней цилиндрической части). Грани образованы из срезанной с двух противоположных сторон его верхней цилиндрической части (грани параллельны друг другу).
Преимущественно, резьбовое соединение выполнено в виде винта с гайкой, зафиксированных от проворота посредством стопорной шайбы и осевого выступа, выполненного на торце радиального выступа внутренней полки сопловой лопатки соответственно, причем гайка зафиксирована в осевом направлении на радиальном выступе внутренней полки сопловой лопатки.
В частном случае реализации между внутренними поверхностями идентичных деталей наружного кольцевого промежуточного элемента и наружных полок сопловых лопаток, а также между наружными поверхностями идентичных деталей внутреннего кольцевого промежуточного элемента и внутренних полок сопловых лопаток, образованы плавные переходы из одной поверхности в другую. Т.е. фактически, внутренние поверхности идентичных деталей наружного кольцевого промежуточного элемента и наружных полок сопловых лопаток, а также наружные поверхности идентичных деталей внутреннего кольцевого промежуточного элемента и внутренних полок сопловых лопаток, образуют единые внутреннюю и наружную аэродинамические поверхности соответственно. Плавная совместная поверхность перехода идентичных деталей промежуточного элемента к соответствующей полке СЛ обеспечивает плавное течение потока газа, что повышает КПД турбины в целом, по сравнению с прототипом, где на стыке наружного и внутреннего газосборного кольца с наружными и внутренними полками лопаток образованы значительные уступы, нарушающие плавное течение потока газа и отрицательно влияющие на характеристики турбины.
Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.
На Фигуре 1 изображен продольный разрез заявленного узла.
На Фигуре 2 изображен элемент Б.
На Фигуре 3 изображен элемент В.
На Фигуре 4 изображен вид А.
На Фигуре 5 изображено сечение Г-Г.
На Фигуре 6 изображен вариант исполнения штифта, описанного в зависимом пункте 2 формулы, вид сверху.
Узел соединения соплового аппарата турбины высокого давления с концевой частью жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащий наружный и внутренний кольцевые промежуточные элементы, каждый из которых выполнен в виде набранных в окружном направлении идентичных деталей 1 и 2 соответственно. Со стороны торцов наружного и внутреннего кольцевых промежуточных элементов, обращенных к концевой части жаровой трубы, выполнено по кольцевой канавке 3 и 4, в которые заведены с радиальными и осевым зазорами (на чертежах не показаны) концевые участки наружного и внутреннего кольца 5 и 6 жаровой трубы.
Каждая из идентичных деталей 1 наружного кольцевого промежуточного элемента соединена с соответствующей ей наружной полкой 7 сопловой лопатки 8, а каждая из идентичных деталей 2 внутреннего кольцевого промежуточного элемента соединена с соответствующей ей внутренней полкой 9 сопловой лопатки 8.
Со стороны торца наружного кольцевого промежуточного элемента, обращенного к наружной полке 7 сопловой лопатки 8, выполнена кольцевая канавка 10, в которую заведены с осевым зазором 11 выступы 12, каждый из которых выполнен на торце наружной полки 7 сопловой лопатки 8, до контакта торцов наружного и внутреннего выступов 13, 14 наружного кольцевого промежуточного элемента, образующих кольцевую канавку 10. В наружном выступе 13 каждой из идентичных деталей 1 и в выступе 12 наружной полки 7 сопловой лопатки 8 выполнено по соосному отверстию 15 и 16 под штифт 17, над которыми в наружном кольце 18 соплового аппарата со стороны его торца, обращенного к жаровой трубе, выполнено по продольному пазу 19.
В каждом продольному пазу 19 установлена с осевым зазором 20 верхняя часть штифта 17, причем между торцом нижней части штифта 17 и наружной поверхностью внутреннего выступа 14 наружного кольцевого промежуточного элемента образован радиальный зазор 21.
На каждом из штифтов 17, между внутренней поверхностью продольного паза 19 и наружной поверхностью наружного выступа 13 наружного кольцевого промежуточного элемента выполнены два бурта 22 и 23, диаметр наружного 23 из которых больше чем ширина продольного паза 19, а внутреннего 22 - чем диаметр отверстия 15 в наружном выступе 13 каждой из идентичных деталей 1 под штифт 17.
Внутренняя поверхность внутреннего бурта 22 и наружная поверхность наружного выступа 13 наружного кольцевого промежуточного элемента сопряжены, а между наружным буртом 23 и наружным кольцом 18 соплового аппарата выполнен радиальный зазор 24.
Со стороны внутренней поверхности каждой из идентичных деталей 2 внутреннего кольцевого промежуточного элемента и соответствующей ей внутренней полки 9 сопловой лопатки 8 выполнены радиальные выступы 26 и 25, контактирующие по близлежащим поверхностям и зафиксированные друг относительно друга посредством резьбового соединения.
На упомянутых близлежащих поверхностях радиальных выступов 26 идентичных деталей 2 внутреннего кольцевого промежуточного элемента выполнены осевые выступы 27 в виде кольцевых сегментов, заведенные с осевым зазором 28 в соответствующие им пазы 29, выполненные в радиальных выступах 25 внутренних полок 9 сопловых лопаток 8.
В случае несовпадения в процессе сборки продольных пазов 19 в окружном направлении относительно осей соосных отверстий 15 и 16 в наружном выступе 13 каждой из идентичных деталей 1 и в выступе 12 наружной полки 7 сопловой лопатки 8, на участке штифта 17, расположенном в продольном пазу 19 выполнены две противолежащие грани 44, 30, сопряженные с боковыми внутренними стенками 31, 32 продольного паза 19.
Резьбовое соединение выполнено в виде винта 33 с гайкой 34, зафиксированных от проворота посредством стопорной (контровочной) шайбы 35 и осевого выступа, выполненного на торце радиального выступа 25 внутренней полки 9 сопловой лопатки 8 соответственно, причем гайка 34 зафиксирована в осевом направлении на радиальном выступе 25 внутренней полки 9 сопловой лопатки 8 за счет развальцовки ее тонкостенного буртика 36 в конической части отверстия в радиального выступа 25 внутренней полки 9.
Внутренние поверхности идентичных деталей 1 наружного кольцевого промежуточного элемента и наружных полок 7 сопловых лопаток 8, а также наружные поверхности идентичных деталей 2 внутреннего кольцевого промежуточного элемента и внутренних полок 9 сопловых лопаток 8, образуют единые наружную и внутреннюю аэродинамические поверхности венца сопловых лопаток 8 соответственно.
Сборка СА начинается с установки каждой идентичной детали наружного кольцевого промежуточного элемента 1 на каждую наружную полку 7 СЛ 8 до упора их торцовых поверхностей. При этом выступы 12 наружных полок 7 С Л 8 вставляются в кольцевые канавки 10 идентичных деталей наружного кольцевого промежуточного элемента 1. Взаимная фиксация идентичных деталей наружного кольцевого промежуточного элемента 1 и наружных полок 7 СЛ 8 осуществляется установкой до упора штифтов 17 цилиндрической формы. Затем каждая идентичная деталь внутреннего кольцевого промежуточного элемента 2 стыкуется с торцевыми поверхностями каждого радиального выступа 25 внутренних полок 9 С Л 8 до упора. При этом осевые выступы 27 идентичных деталей внутреннего кольцевого промежуточного элемента 2 вставляются в пазы 29 радиальных выступов 25 внутренних полок 9. После этого внутренние радиальные выступы 25 и 26 стягиваются при помощи заранее установленной в каждом выступе 25 и зафиксированной в нем путем развальцовки ее тонкостенного буртика 36 гайки 34 и винта 33. Гайка 34 страхуется от проворота буртиком 36 на радиальных выступах 25, а винты 33 - контровочными шайбами 35. Затем все С Л 8, состыкованные с идентичными деталями наружного и внутреннего кольцевых промежуточных элементов 1, 2, устанавливаются во внутреннее кольцо 43. После этого собранный СВ вставляется в наружное кольцо 18, при этом кольцевые выступы 37 каждой СЛ 8 входят в кольцевую канавку 38, расположенную на внутренней поверхности наружного кольца 18, штифты 17 входят в продольные пазы 19 наружного кольца 18, а торцовые поверхности 42 наружного кольца 18 входят в соответствующие кольцевые канавки крюков 39, 40, расположенных с противоположных боковых сторон каждой наружной полки 7 С Л 8. После этого на цилиндрические выступы, расположенные на наружных поверхностях каждой наружной полки 7 СЛ 8, устанавливаются втулки 41 соответствующей формы.
В случае невозможности состыковать венец сопловых лопаток 8 с наружным кольцом 18 СА из-за несовпадения расположения продольных пазов 19 наружного кольца 18 с окружным расположением штифтов 17 (в результате неблагоприятного сочетания допусков при механической обработке деталей) необходимо использовать специальные штифты из комплекта штифтов с двухгранным выступом в их верхней части (выступ с эксцентриситетом его параллельных друг другу противоположных граней 30, 44 по отношению ко всей нижней цилиндрической части штифта).