УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРА СО СВОБОДНОЙ ТУРБИНОЙ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована в газотурбинных двигателях.
Основными элементами газотурбинного двигателя являются газогенератор и свободная турбина. Применение свободной турбины без существенных доработок возможно лишь в составе газотурбинного двигателя, для которого она была спроектирована, и это обеспечивает стыковку с газогенератором и ее надежную работу, и работу газотурбинного двигателя в целом.
Известен газотурбинный двигатель НК-37 содержащий газогенератор, состыкованный со свободной турбинной (см. свидетельство на полезную модель №31818, МКП F02C 3/00, опубликованное 27.08.2003, фиг.1).
В настоящее время в сложившейся экономической ситуации в России, возникла необходимость создания узла соединения со свободной турбиной - основного элемента газотурбинного двигателя промышленного применения, способного стыковаться и обеспечивать надежную работу с газогенераторами различных типов и исполнений.
Задачей полезной модели является создание такого узла соединения свободной турбины способного не только стыковаться и работать с газогенераторами различных типов и исполнений, но и повысить КПД газотурбинного двигателя.
Указанная задача решается выполнением узла соединения в виде диффузора, содержащего наружный корпус, выполненный в виде усеченного конуса, состоящего из двух частей разной длины, сваренных между собой и трех наружных фланцев, переднего и заднего, расположенных по краям малого и большого оснований усеченного конуса, среднего фланца, расположенного на наружной поверхности стыка усеченных конусов, при этом усеченный конус большей длины имеет шесть продольных пазов, расположенных под углом 5-45° относительно продольной оси наружного корпуса, а средний и задний фланцы имеют диаметрально расположенные отверстия для стыковки, внутренний корпус, выполненный в виде цилиндра, состоящего из двух частей разной длины, сваренных между собой и трех внутренних фланцев, переднего и заднего, расположенных по краям цилиндра и среднего фланца, расположенного на внутренней поверхности стыка цилиндров, при этом цилиндр большей длины имеет шесть продольных пазов, расположенных под углом 5-45° относительно продольной оси внутреннего корпуса, а средний и задний фланцы имеют диаметрально расположенные отверстия для стыковки, шесть стоек, каждая из которых выполнена в виде обтекаемой лопатки, имеющей с одного конца фланец прямоугольной формы с двумя отверстиями для соединения с помощью болтов с наружным кольцом, а с другого конца - опору прямоугольной формы с центральным пазом для уменьшения массы конструкции и с боковыми отверстиями для стыковки с помощью штифтов и болтов с внутренним кольцом, при этом наружное кольцо имеет цилиндрическую форму с одинаковыми кольцевыми фланцами, передним и задним, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, а в цилиндрической части наружного кольца выполнены парные отверстия для крепления стоек, при этом внутреннее кольцо имеет цилиндрическую форму с одинаковыми фланцами, передним и задним, для соединения с опорой с помощью штифтов и болтов, переднюю стенку, представляющую собой усеченный конус с двумя фланцами, передним и задним, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, переднего фланца передней стенки с средним фланцем внутреннего корпуса и заднего фланца передней стенки с передним фланцем внутреннего кольца, с помощью болтов, цилиндрическую заглушку, установленную встык с помощью болтов с задним фланцем передней стенки для устранения перетекания газа от газогенератора во внутреннюю полость свободной турбины, заднюю стенку, представляющую собой усеченный конус с двумя фланцами, передним и задним, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, переднего фланца задней стенки с задним фланцем внутреннего кольца и заднего фланца задней стенки с задним фланцем внутреннего корпуса, с помощью болтов, опорное кольцо, выполненное в виде цилиндра с внутренним сферическим посадочным пояском с одного конца, для телескопического соединения внутреннего корпуса диффузора и внутреннего корпуса соплового аппарата свободной турбины, а с другого конца, имеющего фланец, выполненный в виде усеченного конуса с отверстиями для стыковки с задним фланцем задней стенки и задним фланцем внутреннего корпуса, с помощью болтов, кольцо, выполненное в виде усеченного конуса с кольцевыми цилиндрическими фланцами на концах, передним и задним, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, среднего фланца наружного корпуса с задним фланцем кольца, с помощью болтов, две одинаковые стенки, расположенные напротив друг друга относительно наружного кольца, каждая из которых выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрическими кольцевыми фланцами, передним и задним, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, переднего фланца задней стенки с задним фланцем наружного кольца, и переднего фланца кольца с задним фланцем стенки, с помощью болтов, первую проставку, представляющую собой цилиндрическую оболочку, с расположенными по ее краям кольцевыми фланцами, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки с помощью болтов, а на цилиндрической части первой проставки с ее внутренней стороны закреплены с помощью двух, расположенных напротив друг друга колец, теплоизоляционный мат для снижения температуры проставки, причем кольца закреплены на первой проставке с помощью заклепок, при этом наружная сторона цилиндрической части оболочки снабжена двумя фланцами, расположенными напротив друг друга параллельно горизонтальной оси, и в которые установлены цапфы для передачи усилий от веса свободной турбины и от воздействия газодинамических сил на раму, свободной турбины, причем фланцы закреплены на поверхности цилиндрической оболочки с помощью заклепок, а проставка соединена с задним фланцем стенки с помощью болтов, вторую проставку для установки хомута, выполненную цилиндрической формы с кольцевыми сотовыми вставками для уплотнения хомута и кольцевым фланцем с отверстиями для соединения второй проставки с задним фланцем второй стенки и фланца первой проставки с помощью болтов, третью проставку, представляющую собой усеченный конус с фланцами, передним и задним, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, с передним фланцем стенки и задним фланцем стенки с фланцем первой проставки, с помощью болтов, фланец цилиндрической формы, имеющий с одной стороны кольцевой фланец с диаметрально расположенными отверстиями для стыковки и прямоугольный паз, а с другой стороны - паз, выполненный в виде кольцевой проточки, в который вставлен передний фланец наружного корпуса, плавающее кольцо цилиндрической формы, на наружной поверхности которого выполнены три ребра жесткости, а плавающее кольцо кольцевым выступом установлено в прямоугольный паз, прижимное кольцо, имеющее диаметрально расположенные отверстия для стыковки, с фланцем фланца кольцевой формы и с передним фланцем третьей проставки, с помощью болтов, а стыковка диффузора выполнена по внутреннему корпусу соплового аппарата свободной турбины с помощью фланца цилиндрической формы, имеющего паз, в который вставлено кольцевым выступом плавающее кольцо, и с помощью прижимного кольца, имеющего диаметрально расположенные отверстия для стыковки с помощью болтов, а плавающее кольцо обеспечивает телескопическое соединение с посадочным пояском опорного кольца диффузора, по наружному корпусу соплового аппарата свободной турбины с помощью фланца, который состыкован с задним фланцем наружного корпуса диффузора (соединение жесткое болтовое), путем соединения оболочки свободной турбины с помощью хомута, состоящего из двух полухомутов, представляющих собой ленты прямоугольного сечения со стяжными сегментами по краям, а полухомуты установлены на сотовые вставки для закрытия наружной полости свободной турбины путем стягивания по горизонтальной оси винтами попарно с двух сторон хомута, а стыковка диффузора с газогенератором может быть выполнена с помощью цилиндрической кольцевой проставки, имеющей фланец, который состыкован с фланцем оболочки турбины газогенератора с помощью болтового соединения посадочного пояска и плавающего кольца диффузора (телескопическое соединение), или с помощью цилиндрической проставки, имеющей фланцы, передний и задний, с диаметрально расположенными отверстиями для соединения с помощью болтов фланца оболочки турбины газогенератора с задней цилиндрической проставкой и фланцем кольцевой формы диффузора (соединение жесткое болтовое).
Предлагаемый узел соединения газогенератора со свободной турбиной газотурбинного двигателя иллюстрируется чертежами представленными на фиг.1-9.
На фиг.1 изображен узел соединения газогенератора со свободной турбиной, продольный разрез;
на фиг.2 - узел соединения, (диффузор) аксонометрия;
на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3;
на фиг.5 - узел В на фиг.1;
на фиг.6 - узел Г на фиг.1;
на фиг.7 - узел Д на фиг.1;
на фиг.8 - узел Е на фиг.1, телескопическое соединение;
на фиг.9 - узел Е на фиг.1, жесткое болтовое соединение.
Узел соединения газогенератора 1 со свободной турбиной 2 (фиг.1) выполнен в виде диффузора, содержащего наружный корпус 3, выполненный в виде усеченного конуса, состоящего из двух частей, разной длины сваренных между собой и трех наружных фланцев, переднего фланца 4 и заднего фланца 5, расположенных по краям малого и большого оснований усеченного конуса, среднего фланца 6, расположенного на наружной поверхности стыка усеченных конусов, при этом усеченный конус большей длины имеет шесть продольных пазов 7, (фиг.1, 3), расположенных под углом 5-45° относительно продольной оси наружного корпуса 3, а средний и задний фланцы 6, 5 имеют диаметрально расположенные отверстия для стыковки, внутренний корпус 8, выполненный в виде цилиндра, состоящего из двух частей разной длины, сваренных между собой и трех внутренних фланцев переднего фланца 9 и заднего фланца 10, расположенных по краям цилиндра и среднего фланца 11, расположенного на внутренней поверхности стыка цилиндров, при этом цилиндр большей длины имеют шесть продольных пазов 12 (фиг.1, 4), расположенных под углом 5-45° относительно продольной оси внутреннего корпуса 8, а передний фланец 11 и задний фланец 10 имеют диаметрально расположенные отверстия для стыковки, шесть стоек 13, каждая из которых выполнена в виде обтекаемой лопатки, имеющей с одного конца фланец 14 прямоугольной формы с двумя отверстиями для соединения с помощью болтов с наружным кольцом 15, а с другого конца - опору 16 прямоугольной формы с центральным пазом 17 для уменьшения массы конструкции и с боковыми отверстиями для стыковки с помощью штифтов 18 и болтов 19 с внутренним кольцом 20. Наружное кольцо 15 имеет цилиндрическую форму с одинаковыми кольцевыми фланцами, передним фланцем 21 и задним фланцем 22, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, а в цилиндрической части наружного кольца 15 выполнены парные отверстия для крепления стоек 13. Внутреннее кольцо 20 имеет цилиндрическую форму с одинаковыми фланцами, передним фланцем 23 и задним фланцем 24 для соединения с опорой 16 с помощью штифтов 18 и болтов 19. Диффузор содержит переднюю стенку 25, представляющую собой усеченный конус с двумя фланцами, передним фланцем 26 и задним фланцем 27, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, переднего фланца 26 передней стенки 25 с средним фланцем 11 внутреннего корпуса 8 и заднего фланца 27 передней стенки 25 с передним фланцем 23 внутреннего кольца 20, с помощью болтов, цилиндрическую заглушку 28, установленную встык с помощью болтов с задним фланцем 27 передней стенки 25 для устранения перетекания газа от газогенератора 1 во внутреннюю полость свободной турбины 2. Диффузор содержит заднюю стенку 29, представляющую собой усеченный конус с двумя фланцами, передним фланцем 30 и задним фланцем 31, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки переднего фланца 30 задней стенки 29 с задним фланцем 24 внутреннего кольца 20 и заднего фланца 31 с задним фланцем 10 внутреннего корпуса 8, с помощью болтов, опорное кольцо 32, выполненное в виде цилиндра с внутренним сферическим посадочным пояском 33 с одного конца, для телескопического соединения внутреннего корпуса 8 и внутреннего корпуса 34 соплового аппарата свободной турбины 2, а с другого конца, имеющего фланец 35 выполненный в виде усеченного конуса с отверстиями для стыковки с задним фланцем 31 задней стенки 29 и задним фланцем 10 внутреннего корпуса 8, с помощью болтов. Кольцо 36, выполненное в виде усеченного конуса с кольцевыми цилиндрическими фланцами на концах, передним фланцем 37 и задним фланцем 38, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, среднего фланца 6 наружного корпуса 3 с задним фланцем 38 кольца 36, с помощью болтов, две одинаковые стенки 39, расположенные напротив друг друга относительно наружного кольца 15, каждая стенка 39 выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрическими кольцевыми фланцами, передним фланцем 40 и задним фланцем 41, имеющим диаметрально расположенные отверстия для стыковки, переднего фланца 40 задней стенки 39 с задним фланцем 22 наружного кольца 15 и переднего фланца 37 кольца 36 с задним фланцем 41 задней стенки 39, с помощью болтов.
Диффузор содержит первую проставку 42, которая представляет собой цилиндрическую оболочку, с расположенными по ее краям кольцевыми фланцами 43 и 44, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки с помощью болтов, а на цилиндрической части первой проставки 42 с ее внутренней стороны закреплен с помощью двух, расположенных на против друг друга, колец 45, теплоизоляционный мат 46 для снижения температуры проставки 42, причем кольца 45 закреплены на проставке 42 с помощью заклепок, а наружная сторона цилиндрической части оболочки снабжена двумя фланцами 47, расположенными напротив друг друга параллельно горизонтальной оси, и в которые установлены две цапфы 48 для передачи усилий от веса свободной турбины 2 и от воздействия газодинамических сил на раму свободной турбины 2, при чем фланцы 47 закреплены с помощью заклепок, а проставка 42 соединена с заднем фланцем 41 задней стенки 39 с помощью болтов, вторую проставку 49 для установки хомута 50, выполненную цилиндрической формы с кольцевыми сотовыми вставками 51 для уплотнения хомута 50 и кольцевым фланцем 52 с отверстиями для соединения второй проставки 49 с задним фланцем 41 второй стенки 39 и фланца 44 первой проставки 42 с помощью болтов, третью проставку 53, представляющую собой усеченный конус с фланцами, передним фланцем 54 и задним фланцем 55, имеющими диаметрально расположенные отверстия для стыковки, с передним фланцем 40 задней стенки 39 с фланцем 43 первой проставки 42, с помощью болтов. Диффузор содержит (фиг.1, 2, 7, 8) фланец 56 цилиндрической формы, имеющий с одной стороны кольцевой фланец 57 с диаметрально расположенными отверстиями для стыковки и прямоугольный паз 58, с другой стороны - паз 59, выполненный в виде кольцевой проточки, в который вставлен передний фланец 4 наружного корпуса 3, плавающее кольцо 60 цилиндрической формы, на наружной поверхности которого выполнены три ребра жесткости 61, а плавающее кольцо 60 установленно кольцевым выступом 62 в прямоугольный паз 58, прижимное кольцо 63, имеющее диаметрально расположенные отверстия для стыковки, с фланцем 56 фланца кольцевой формы 57 и с передним фланцем 54 третьей проставки 53, с помощью болтов, а стыковка диффузора выполнена по внутреннему корпусу 34 соплового аппарата свободной турбины 2 с помощью фланца 64 цилиндрической формы, имеющего паз 65, в который вставлено кольцевым выступом 66 плавающее кольцо 67 и с помощью прижимного кольца 68, имеющего диаметрально расположенные отверстия для стыковки с помощью болтов, а плавающее кольцо 67 обеспечивает телескопическое соединение с посадочным пояском 33 опорного кольца 32 диффузора, по наружному корпусу 69 соплового аппарата свободной турбины 2 с помощью фланца 70, который состыкован с задним наружным корпусом 3 диффузора фланцем 5 (соединение жесткое болтовое), путем соединения оболочки 71 свободной турбины 2 с помощью хомута 50, состоящего из двух полухомутов 72 и 73, представляющих собой ленты прямоугольного сечения со стяжными сегментами 74 по кроям, а полухомуты 72 и 72 установлены на сотовые вставки 51 и 75 для закрытия наружной плоскости свободной турбины 2 путем стягивания по горизонтальной оси винтами 76 попарно с двух сторон хомута 50, а стыковка диффузора с газогенератором 1 (фиг.2, 8) может быть выполнена с помощью цилиндрической кольцевой проставки 77 газогенератора 1, имеющей фланец 78, который состыкован с фланцем 79 цилиндрической формы оболочки турбины 80 газогенератора 1 с помощью болтового соединения, посадочного пояска 81 и плавающего кольца 60 диффузора (телескопическое соединение), или (фиг.9) с помощью цилиндрической проставки 82, имеющей фланцы, передней фланец 83 и задней фланец 84 с диаметрально расположенными отверстиями для соединения с помощью болтов фланца 79 оболочки турбины 80 газогенератора 1 и заднего фланца 84 цилиндрической проставки 82 и фланца 57 кольцевой формы диффузора (соединение жесткое болтовое).
Узел соединения (диффузор) собирают следующим образом. Фланец 6 наружного корпуса 3 стыкуют с задним фланцем 38 кольца 36, затем проводят монтаж шести стоек 13, которые вставляют фланцем 14 в паз 12 внутреннего корпуса 8 и паз 7 наружного корпуса 3, внутренним кольцом 20 передним фланцем 23 и передним фланцем 30 стягивают опоры 16 шести стоек 13 и фиксируют их штифтами 18. К переднему фланцу 23 внутреннего кольца 20 с помощью болтов 19 стыкуют задний фланец 27 передней стенки 25, далее ее передний фланец 26 с помощью болтов стыкуют с передним фланцем 11 внутреннего корпуса 8. С другой стороны к заднему фланцу 24 внутреннего кольца 20 с помощью болтов 19 закрепляют передний фланец 30 задней стенки 29, которую стыкуют задним фланцем 31 с задним фланцем 10 внутреннего корпуса 8 и с фланцем 35 опорного кольца 32 с помощью болтов. Далее передний фланец 40 стенки 39 стыкуют с передним фланцем 37 кольца 36, затем устанавливают задний фланец 22 наружного кольца 15 и стыкуют с помощью болтов с передним фланцем 40 стенки 39 и с передним фланцем 37 кольца 36. Далее устанавливают первую проставку 42, которую собирают с помощью болтов с задним фланцем 41 стенки 39, а с другой стороны в этот же стык устанавливают фланцем 52 вторую проставку 49. Затем устанавливают третью проставку 53, которую стыкуют задним фланцем 55 с передним фланцем 21 наружного кольца 15. Стык завершает стенкой 39, которую монтируют передним фланцем 40 с помощью болтового соединения с задним фланцем 55 третьей проставки 53 и передним фланцем 21 наружного кольца 15. Другим задним фланцем 41 стенку 39 с помощью болтового соединения стыкуют с фланцем 43 первой проставки 42. Сборку диффузора завершают стыковкой кольцевого фланца 57 фланца 56 с передним фланцев 54 проставки 53. В паз 59 фланца 56 устанавливают передний фланец 4 наружнего корпуса 3, а в прямоугольный паз 58 устанавливают плавающее кольцо 62 и фиксируют с помощью установки прижимного кольца 63 в стыке с кольцевым фланцем 57 и передним фланцем 54 третей проставки 53. При монтаже модуля свободной турбины 2 с установленным узлом соединения (диффузором), проставку 77 газогенератора 1 вставляют в плавающее кольцо 60, тем самым обеспечивают телескопическое соединение.
Стыковка узла соединения газогенератора 1 со свободной турбиной 2 может выполняться при помощи жесткого болтового соединения, тогда установку плавающего кольца 60 и прижимного кольца 63 не производят и проставку 53 не устанавливают. При жестком болтовом соединении в стык с кольцевым фланцем 57 и передним фланцем 54 устанавливают проставку 82, которая связывает узел соединения с оболочкой турбины газогенератора 80.
Для обеспечения монтажа узла соединения (диффузора) с модулем свободной турбины 2 плавающее кольцо 67 кольцевым выступом 66 устанавливают в цилиндрический паз 65 фланца 64 внутреннего корпуса 34 соплового аппарата свободной турбины 2, которое фиксируют прижимным кольцом 68 стянутым при помощи болтового соединения с фланцем 64. Опорное кольцо 32 сферическим посадочным пояском 33 входит в плавающее кольцо 67, обеспечивая телескопическое соединение по внутренним корпусам. По наружным корпусам стыковка производится при помощи болтового соединения, стягивая задний фланец 5 наружного корпуса 3 узла соединения (диффузора) с фланцем 70 наружного корпуса 69 соплового аппарата свободной турбины 2. Наружную полость свободной турбины 2 закрывают хомутом 50, установленным на кольцевые сотовые вставки 51 и 75 расположенные на второй проставке 49 и оболочке 71 свободной турбины 2. Хомут 50 собирают из двух полухомутов 72 и 73 стянутых в районе горизонтальной оси с помощью стяжных сегментов 74 и винтов 76.
От газогенератора 1 рабочее тело (газ) поступает на вход узла соединения (диффузора) со свободной турбиной 2 проходит через стойки 13, выполненные в виде лопаток, установленных под углом α=5°…45°, которые обеспечивают необходимую закрутку потока, тем самым создают безотрывное течение потока перед диффузором, образованным наружным корпусом 69 и внутренним корпусом 34 соплового аппарата свободной турбины 2, что позволяет повысить надежность и КПД свободной турбины и улучшить ее рабочие параметры, а, следовательно, и газотурбинного двигателя. В настоящее время изготовлен промышленный образец узла соединения (диффузора), который позволяет легко стыковаться с газогенераторами и свободными турбинами различных типов и исполнений, повышает мощность, КПД и рабочие параметры газотурбинного двигателя.
Во второй половине 2009 г. планируется серийный выпуск диффузоров, работающих в составе двигателей промышленного применения, устанавливаемых не только на раме, но и имеющих возможность установки их с помощью ленточных подвесов.