СТАТОРНОЕ КОЛЕСО ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТУРБИНА ИЛИ КОМПРЕССОР, СОДЕРЖАЩИЕ ТАКОЕ СТАТОРНОЕ КОЛЕСО
TURBINE ENGINE STATOR WHEEL AND TURBINE OR COMPRESSOR CONTAINING SUCH STATOR WHEEL

Уровень техники
Изобретение относится к статорному колесу для турбинного двигателя, в частности авиационного газотурбинного двигателя на промышленной турбине, в котором такое статорное колесо образует сопловой аппарат турбины или диффузор компрессора.
Улучшение эффективности турбинных двигателей и уменьшение их вредных выбросов ведет к предвидению постоянного повышения рабочих температур.
Таким образом, для элементов в горячих частях турбинных двигателей были сделаны предложения по использованию композитных материалов с керамической матрицей (ceramic matrix composite (CMC)). Такие материалы имеют отличные теплоконструкционные свойства, то есть механические свойства, которые делают их подходящими для составления конструктивных элементов вместе с возможностью сохранения этих механических свойств при высоких температурах.
К тому же, CMC-материалы имеют гораздо меньшую плотность, чем металлические материалы, обычно используемые для изготовления элементов в горячих частях турбинных двигателей.
Таким образом, в документах WO 2010/061140, WO 2010/116066 и WO 2011/080443 описано изготовление лопаток турбинного двигателя с встроенными внутренними и наружными платформами. Использование CMC-материала, в частности, для сопел турбины также было предложено в частности в документе WO 2010/146288.
Традиционные металлические сопловые аппараты турбины обычно составляются посредством сборки вместе ограниченного количества секторов, полученных посредством литья, причем каждый сектор имеет довольно большое количество лопаток. Сложная форма таких секторов делает их сложными для получения в виде единого куска CMC-материала. Следовательно, для того, чтобы получить сопловой аппарат турбины, выполненный из CMC-материала, было необходимо предусмотреть сборку вместе относительно большого количества отдельных элементов, или лопаток, причем каждая лопатка имела только небольшое количество аэродинамических поверхностей, и, возможно, только одну аэродинамическую поверхность. Это ведет к проблеме простого и экономичного изготовления сборки лопаток соплового аппарата при достижении удовлетворительной герметизации, в частности, с целью исключения утечек между проходом потока газа через турбину и наружной частью соплового аппарата.
Такая же проблема возникает при изготовлении диффузоров компрессора турбинного двигателя, как с использованием СМС-материалов в ступенях компрессора ниже по потоку, которые подвержены воздействию более высоких температур, так и с использованием или композитных материалов с органической матрицей (organic matrix composite (ОМС)), по меньшей мере в ступенях компрессора выше по потоку.
Задача и краткое изложение сущности изобретения
Задачей изобретения является разработка решения этой проблемы, для чего в изобретении предложено статорное колесо турбинного двигателя, содержащее множество лопаток, выполненных из композитного материала, причем каждая лопатка содержит внутреннюю платформу, наружную платформу, имеющую крепежные лапки снаружи, и по меньшей мере одну аэродинамическую поверхность, продолжающуюся между внутренней и наружной платформами и прикрепленную к ним, причем лопатка и наружная платформа вместе с крепежной лапкой образуют единый элемент композитного материала, причем статорное колесо содержит металлическое сборочное кольцо, в котором зацеплены крепежные лапки лопаток, причем металлическое кольцо поддерживает все лопатки, продолжается непрерывно вдоль наружных платформ множества смежных лопаток, и образует отдельную сборочную часть между лопатками и корпусом.
Таким образом, металлическое сборочное кольцо служит как для объединения лопаток статорного колеса, так и для обеспечения герметизации посредством продолжения вдоль наружных платформ лопаток.
Предпочтительно, металлическое кольцо выполнено из листового металла и, таким образом, может иметь возможность деформации, подходящую для дифференциальных размерных изменений теплового происхождения.
Преимущественно, металлическое кольцо имеет несущие поверхности в форме усеченного конуса, способствующие удерживанию лопаток в радиальном и осевом направлении, в это же время также позволяя более легко вмещать размерные изменения.
В варианте осуществления металлическое кольцо имеет сечение, которое является, по существу, Ω-образным и открытым наружу, имеющее перемычку и фланцы, оканчивающиеся концевыми частями, образующими крюки для прикрепления к корпусу, причем несущие поверхности в форме усеченного конуса, соприкасающиеся с крепежными лапками лопаток, расположены на наружных сторонах фланцев кольца.
Преимущественно, наружная платформа каждой лопатки имеет ребро, выступающее наружу и радиально упирающееся в часть поверхности металлического кольца, таким образом, способствуя противодействию наклонению лопаток. Ребро также выполняет функцию элемента жесткости. Оно может продлять аэродинамическую поверхность лопатки, когда лопатка имеет только одну аэродинамическую поверхность.
Предпочтительно, металлическое кольцо содержит единственный элемент и имеет окно для вставления лопатки. В таких обстоятельствах, статорное колесо может дополнительно включать в себя по меньшей мере одну защелку для блокирования на месте лопатки, установленной на уровне окна для вставления.
Для того, чтобы дополнительно улучшить герметизацию, герметизирующие пластины могут быть расположены на наружных сторонах наружных платформ лопаток, причем каждая пластина накрывает по меньшей мере часть соединения между наружными платформами двух смежных лопаток.
В изобретении также разработаны турбина или компрессор для турбинного двигателя, включающие в себя по меньшей мере одно статорное колесо, как определено выше.
Преимущественно, когда турбинный двигатель дополнительно содержит роторное колесо вблизи статорного колеса и содержит лопатки, снабженные на своих концах щетками, обращенными к истираемому материалу, поддерживаемому посредством кольца, причем установлено дополнительное металлическое кольцо между истираемым поддерживающим кольцом и наружными платформами лопаток статорного колеса с упором в них.
Это дополнительное металлическое кольцо способствует улучшению герметизации. Оно может быть выполнено из листового металла. Дополнительное металлическое кольцо предпочтительно выполнено как единый элемент.
Краткое описание чертежей
Изобретение может быть лучше понято при прочтении последующего описания, данного в качестве неограничивающего примера, и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 представляет собой местный вид в разрезе турбины низкого давления турбинного двигателя, включающей в себя сопловой аппарат в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе лопатки соплового аппарата турбины с Фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой местный вид в перспективе металлического сборочного кольца соплового аппарата с Фиг. 1.
Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе защелки, используемой для сборки соплового аппарата с Фиг. 1.
Фиг. 5-11 представляют собой местные виды в разрезе и/или в перспективе, на которых показаны последовательные этапы сборки соплового аппарата турбины с Фиг. 1.
Фиг. 12 представляет собой местный вид в перспективе и в частичном разрезе, на котором показан альтернативный вариант осуществления соплового аппарата турбины изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения
Многоступенчатая турбина низкого давления турбинного двигателя, как показано частично на Фиг. 1, содержит множество статорных колес, образующих сопловые аппараты 10, которые чередуются с роторами 30 и которые установлены в корпусе 40 турбины.
Каждый ротор 30 содержит множество лопаток 32, каждая из которых имеет внутреннюю платформу 34, наружную платформу 36, и аэродинамическую поверхность 38, продолжающуюся между платформами 34 и 36. Под платформой 34 лопатка продолжается хвостовиком, который зацеплен в корпусе в диске 33. Снаружи, наружная платформа 36 поддерживает щетки 37, обращенные к истираемому материалу 41, поддерживаемому разделенным на секторы кольцом 42.
Лопатки 32 могут быть обычными металлическими лопатками, или они могут быть лопатками, выполненными из СМС-материала, например, полученными как описано в упомянутых выше документах WO 2010/061140, WO 2010/116066 или FR 2953885.
Согласно изобретению по меньшей мере один из соплового аппарата, например сопловой аппарат 10 на Фиг. 1, составлено из множества лопаток 12 соплового аппарата из СМС-материала, которые собраны вместе с помощью сборочного кольца 20.
В показанном примере (Фиг. 1 и 2) каждая лопатка 12 представляет собой лопатку с единственной аэродинамической поверхностью с внутренней платформой 14, наружной платформой 16 и одной аэродинамической поверхностью 18, продолжающейся между платформами 14 и 16 и прикрепленной к ним.
Наружные стороны платформ 14, 34 и внутренние стороны платформ 16, 36 образуют проход 50 потока газа через турбину.
На своих внутренних сторонах внутренние платформы 14 лопаток 12 имеют ребра 141, 142 для установки кольца 15, поддерживающего истираемый материал 151, обращенный к щеткам 35, поддерживаемым диском 33. Кольцо стираемого материала может быть составлено, например, полосой сотового материала, который свернут в рулон и расположен между ребрами 141 и 142.
Щетки 35 взаимодействуют с истираемым материалом 151 для обеспечения герметизации внутри, тогда как щетки 37 взаимодействуют с истираемым материалом 41 для обеспечения герметизации у вершин лопаток 32.
Снаружи каждая наружная платформа 16 лопатки 12 имеет крепежные лапки 162, 164, которые выступают наружу, соответственно, на сторонах выше по потоку и ниже по потоку. Термины "выше по потоку" и "ниже по потоку" используются в настоящем описании относительно направления потока газа вдоль прохода 50. Крепежная лапка 162 выше по потоку имеет концевую часть 162а, которая загнута ниже по потоку, чтобы представлять внутреннюю опорную поверхность 162b в форме усеченного конуса. Крепежная лапка 164 ниже по потоку имеет концевую часть 164а, которая загнута выше по потоку, чтобы представлять внутреннюю опорную поверхность 164b в форме усеченного конуса.
Снаружи каждая наружная платформа 16 лопатки 12 также имеет ребро 166, которое продолжается в продольном (осевом) направлении платформы 16 и которое составляет элемент жесткости для платформы. Ребро 166 может быть образовано удлинением аэродинамической поверхности 18.
4
Каждая лопатка 12 выполнена как единый элемент из СМС-материала. Для этого возможно использовать способ, описанный в документе WO 2010/14 6288 или в документе WO 2011/080443, причем содержимое этих документов включено в этот документ по ссылке. Вкратце, волокнистая заготовка выполнена из многослойного или трехмерного тканья с использованием нитей, выполненных из керамических волокон, например, силикон-карбидных (silicon carbide (SiC)) волокон или углеродных волокон. Волокнистая заготовка формуется так, чтобы получить волокнистую преформу, имеющую форму, близкую к форме изготавливаемой лопатки. Преформа затвердевает в своей форме, например, посредством пропитывания смолой углеродного или керамического прекурсора, с последующей вулканизацией и после этого пиролизом смолы, с удерживанием преформы в оснастке. Затвердевшая преформа сразу после извлечения из оснастки уплотняется керамической матрицей, например, посредством химической инфильтрации из паровой фазы (chemical vapor infiltration (CVI)). В качестве примера, матрица может быть выполнена из SiC или она может быть самовосстанавливающейся матрицей, имеющей фазы матрицы, выполненные из карбида бора BC или из третичной системы Si-B-C. Приготовление таких самовосстанавливающихся матриц описано, в частности, в документах US 5246756 и US 5965266.

Лопатки 12 собираются для образования осесимметричного соплового аппарата 10 турбины с помощью кругового сборочного кольца 20 (Фиг. 1, 3). Кольцо 20 преимущественно выполнено из металлического листа. Материал, составляющий кольцо 20, представляет собой металл, подходящий для выдерживания температур, которые возникают во время работы, например металл или металлический сплав, который обычно используется в корпусах турбины низкого давления (low pressure (LP)), такой как сплав, главным образом, на основании никеля и хрома, известный под названием Inconel или Waspaloy.
В показанном примере кольцо 20 имеет поперечное сечение, которое является Ω-образным и открыто наружу. Оно содержит перемычку 26, удлиненную выше по потоку и ниже по потоку посредством соответствующих фланцев 22, 24, которые имеют, по существу, S-образное сечение. На своих внутренних сторонах фланцы 22 и 24 имеют части поверхности в их соответствующих средних частях 222, 242, причем эти части поверхности образуют несущие поверхности 222а, 242а в форме усеченного конуса. На своих наружных сторонах фланцы 22, 24 также имеют части поверхности в форме усеченного конуса в их соответствующих средних частях 222, 242, которые образуют несущие поверхности 222b, 242b. Фланцы 22, 24 оканчиваются концевыми частями, которые загнуты соответственно выше по потоку и ниже по потоку для образования крюков выше по потоку и ниже по потоку, обозначенных соответствующими обозначениями 224, 244 в целях сборки в корпусе 40 турбины.
Кольцо 20 предпочтительно имеет форму выполненного как единое целое круга и оно имеет отверстие или окно 21, через которое могут быть вставлены крепежные лапки 162, 164 лопаток 12. Ширина окна 21, таким образом, равна или немного больше, чем размер крепежных лапок 162, 164 в окружном направлении. В показанном примере, окно 21 образовано посредством зазора, простирающегося между первым концом 212, расположенными, по существу, у соединения между средней частью 222 и крюком 224, и вторым концом 214, расположенным, по существу, у соединения между перемычкой 26 и средней частью 242. То, как лопатки 12 собраны вместе посредством кольца 20, описано ниже со ссылкой на Фиг. 4-11.
Первый этап состоит из вставления блокирующего средства в кольцо 20 для использования, после того, как последняя лопатка 12 была помещена на место в окне 21 для вставления, для удерживания этой лопатки на месте.
1
2
1
2
В показанном примере, блокирующее средство содержит две защелки 26, 26, как показано на Фиг. 4. Защелки 26, 26 выполнены из металлического материала, который подобен и предпочтительно идентичен материалу кольца 20.
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
1
1
1
2
2
2
Защелки 26, 26 имеют соответствующие подобные тела 262, 262 защелки в форме кольцевых секторов. Вблизи от одного из его окружных концов 263, тело 262 защелки продлено у его вершины посредством блокирующего выступа 264. Подобным образом, вблизи от одного из его окружных концов 261, тело 262 защелки продлено у его вершины посредством блокирующего выступа 264. На его противоположных окружных сторонах тело 262 защелки имеет части поверхности, образующие несущие поверхности 266, 268 в форме усеченного конуса. Таким же образом, на его противоположных окружных сторонах, тело 262 защелки имеет части поверхности, образующие несущую поверхность 266, 268 в форме усеченного конуса.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
Тела 262, 262 защелки имеют размеры и профили, подходящие для того, чтобы зацепляться в кольце 20 посредством прохождения через окно 21 для вставления в часть кольца 20, которая расположена между перемычкой 26 и средними частями фланцев 22, 24, и чтобы обладать возможностью принятия положения, в котором несущие поверхности 266 и 266 в форме усеченного конуса находятся в соприкосновении с несущей поверхностью 222а в форме усеченного конуса, несущие поверхности 268 и 268 в форме усеченного конуса находятся в соприкосновении с несущей поверхностью 242а в форме усеченного конуса, и блокирующие выступы 264, 264 упираются в наружную сторону крюка 224 выше по потоку. На Фиг. 5 показана защелка 26, зацепленная в окне 21 кольца 20. На Фиг. 6 показаны защелки 26, 26, помещенные на место в кольце 20 на каждой стороне окна 21, причем их концевые стороны 263, 261, связанные с блокирующими выступами 264, 264, обращены друг к другу.
Следующий этап конструирования соплового аппарата состоит в зацеплении лопаток 12 последовательно в кольце 20. Как показано в разрезе на Фиг. 7 и 8, каждая лопатка зацепляется посредством вставления фиксирующего выступа 162 выше по потоку в окно 21 и затем наклонения так, чтобы заставить лопатку скользить вдоль кольца 20. Формы наружных платформ 16 лопаток 12 и кольца 20 выполнены так, чтобы помещение лопатки 12 на место заставляло несущие поверхности 162b и 222b в форме усеченного конуса вжиматься взаимно друг в друга и также заставляло несущие поверхности 164b и 242b в форме усеченного конуса вжиматься взаимно друг в друга, в то время как ребро 166 жесткости упирается в перемычку 26 кольца 20 (Фиг. 1). Несущие поверхности 222b и 242b в форме усеченного конуса кольца 20 способствуют удерживанию лопаток 12 в радиальном и осевом направлении. Ребро 166 и перемычка кольца 20 преимущественно имеют, по существу, плоские поверхности соприкосновения с радиальным упором ребра 166 в перемычку 26, препятствующим наклонению лопатки 12.
Для того, чтобы собрать последнюю лопатку 12 в окне 21 для вставления, эта лопатка предусмотрена с капсулой 19 для реконструкции кольца 20 в части, соответствующей окну 21 (Фиг. 9). Капсула 19 выполнена из металлического материала, предпочтительно материала, идентичного материалу кольца 20.
1
2
1
2
После того, как последняя лопатка была помещена на место, защелки 26 и 26 перемещаются друг к другу, как показано на Фиг. 10. Затем блокирующие выступы 264, 264 закрываются друг к другу у окна 21, посредством этого предотвращая наклонение защелок, чтобы последняя лопатка была блокирована на своем месте, как показано в разрезе на Фиг. 11.
Сопловой аппарат, составленный таким образом, помещается на место в корпусе турбины посредством крюков 224, 244 таким же образом, как обычное металлический сопловой аппарат.
Функция кольца 20 заключается не только в том, чтобы позволить лопаткам 12 быть установленными и собранными вместе, но также и в том, чтобы ограничить утечку наружу из прохода 50 в сопловом аппарате без того, чтобы предусматривать какое-либо специальное герметизирующее средство в этом примере между соприкасающимися наружными платформами смежных лопаток 12.
Выше по потоку от соплового аппарата 10 секторы кольца 42, поддерживающего истираемый материал 41, могут удерживаться посредством свесов 168, образованных у концов выше по потоку наружных платформ 16 лопаток 12. Тем не менее, предпочтительно, чтобы секторы кольца 42 удерживались посредством круглого кольца 60 (Фиг. 1), например, выполненного в форме листового металла. Кольцо 60 может быть выполнено из металла, который подобен или идентичен металлу кольца 20.
Кольцо 60 предпочтительно имеет форму полного круга. В показанном примере оно имеет часть 62 с сечением канала для прикрепления к корпусу турбины. Часть 62 продлена вовнутрь посредством части 64, с сечением, по существу, С-образного канала, образующей крюк для удерживания секторов кольца 42, следует понимать, что обе части 62 и 64 открыты выше по потоку.
На своей стороне ниже по потоку кольцо 60 упирается в осевом направлении в стороны выше по потоку крепежных лапок 162 выше по потоку лопаток 12 через перемычку части 62 с сечением канала и/или через часть 64. Свесы 168 могут удерживать часть 64 в радиальном направлении посредством упора в нее.
В дополнение к поддерживанию секторов кольца 42, кольцо 60 способствует улучшению герметизации снаружи прохода 50.
Дополнительное улучшение герметизации может быть достигнуто посредством помещения герметизирующих пластин 170 на наружные стороны наружных платформ 16 лопаток 12, как показано на Фиг. 12. В качестве примера, пластины 170 выполнены в форме кусков металлического листа с сечением канала с фланцами, упирающимися во внутренние части крепежных лапок 162, 164. Пластины 170 выполнены из металлического материала, подобного или предпочтительно идентичного материалу кольца 20. Каждая пластина накрывает соединение между двумя наружными платформами 16, например, простираясь между ребрами 166 жесткости двух смежных лопаток. Пластины 170 помещаются на место постепенно по мере сборки лопаток 12.
Следует понимать, что факты изготовления кольца 20 из металлического листа так, чтобы оно имело некоторую возможность деформации и взаимного упора между кольцом 20 и лопатками 12, происходящего через поверхности, которые имеют форму усеченного конуса, позволяют вмещать дифференциальное расширение между СМС-материалом лопаток 12 и металлическим материалом кольца 20, в частности, поскольку несущие поверхности расположены снаружи платформ 16 и, таким образом не подвержены непосредственно воздействию потока, текущего в проходе 50.
Приведенное выше описание относится к изготовлению соплового аппарата турбины с использованием лопаток с единственной аэродинамической поверхностью. Естественно, изобретение также может быть осуществлено с лопатками, имеющими более чем одну аэродинамическую поверхность, продолжающуюся между единственной внутренней платформой и единственной наружной платформой, например, с лопатками, имеющими две аэродинамические поверхности или три аэродинамические поверхности.
К тому же, возможно предусмотреть изготовление сборочного кольца 20 из множества секторов, например из двух, трех или четырех секторов, причем каждый сектор накрывает множество смежных лопаток. Тогда возможно упростить сборку лопаток в секторах кольца, поскольку отсутствует необходимость в окне для вставления, закрывающей капсуле, или блокирующих защелках, при сборке полного соплового аппарата при его установке в корпус турбины. Тогда герметизирующие пластины преимущественно расположены между смежными секторами металлического кольца. Подобным образом, кольцо 60, если таковое предусмотрено, также может быть выполнено с использованием множества секторов.
Несмотря на то, что описание относится к кольцу, имеющему сечение, которое является, по существу, Ω-образным, могут быть предусмотрены другие формы при условии, что кольцо имеет части в форме усеченного конуса, позволяющие лопаткам быть удерживаемыми в радиальном и осевом направлении, и части, позволяющие кольцу быть прикрепленным к корпусу турбины.
Приведенное выше подробное описание относится к статорному колесу турбинного двигателя, образующему сопловой аппарат турбины. Изобретение в равной мере применимо к статорному колесу турбинного двигателя, образующему диффузор компрессора. Тогда диффузор компрессора содержит множество лопаток, каждая из которых имеет внутреннюю платформу, наружную платформу, имеющую крепежные лапки снаружи, и по меньшей мере одну аэродинамическую поверхность, продолжающуюся между внутренней и наружной платформами, причем лопатка с наружной платформой и крепежными лапками образует единый кусок композитного материала. Лопатки диффузора компрессора собираются вместе и поддерживаются посредством металлического сборочного кольца, которое продолжается непрерывно вдоль наружных платформ множества смежных лопаток и которое образует отдельную сборочную часть между лопатками и корпусом компрессора, причем лопатки собираются вместе посредством металлического кольца таким же образом, как описано выше для статорного колеса, образующего соплового аппарата турбины.
На ступени (ступенях) компрессора выше по потоку, где возникающие при работе температуры являются самыми низкими в компрессоре, композитный материал лопаток диффузора компрессора может быть композитным материалом с органической матрицей (organic matrix composite (ОМС)), имеющим усилительные волокна, например углеродные, стеклянные, арамидные, или керамические волокна, уплотненные полимерной матрицей, например эпоксидной, бисмалеимидной или полиимидной матрицей. На ступени (ступенях) компрессора ниже по потоку композитный материал лопаток диффузора компрессора может быть СМС-материалом.