КВАЗИАДИАБАТНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению, в частности к сопловым лопаткам газовой турбины.

Известен сопловой аппарат газовой турбины [1], состоящий из периферийного керамического кольца, корневого керамического кольца, керамических сопловых лопаток, периферийного металлического несущего кольца, корневого металлического несущего кольца.

Недостатком такой конструкции является выполнение каждой пустотелой керамической сопловой лопатки заодно с полками (периферийной и корневой), при стыковке которых образуются разрезные периферийное и корневое керамические кольца, установленные во внешней и внутренней металлических обоймах, являющихся металлическими несущими периферийным и корневым кольцами. В керамических лопатках, выполненных заодно с полками, температурное поле отличается большой неравномерностью, что, как показал опыт, приводит к возникновению трещин в местах соединения пера лопатки с полками и, следовательно, обусловливает ненадежность соплового аппарата газовой турбины.

Конструкция [1] принята в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности керамического соплового аппарата.

Поставленная задача достигается за счет того, что
во-первых, периферийное и корневое керамические кольца выполнены разрезными с образованием отдельных секторов-полок между разрезами, причем попарно сопрягаемые правый и левый концы секторов-полок снабжены углублениями "спинка" и "корытце", образующими при стыковке смежных секторов-полок профилированную полость, идентичную по форме соответствующему концу пера керамической сопловой лопатки;
во-вторых, керамическая сопловая лопатка выполнена в виде сплошного профилированного пера с профилированными периферийным и корневым концами;
в-третьих, керамическая сопловая лопатка выполнена в виде пустотелого профилированного пера с профилированными периферийным и корневым концами;
в-четвертых, профилированные концы сопловых лопаток свободно установлены в соответствующих профилированных полостях в периферийном и корневом керамических кольцах;
в-пятых, в зонах контактов сопрягаемых керамических элементов установлены высокотемпературные эластичные прокладки;
в-шестых, периферийное металлическое несущее кольцо выполнено из соединенных крепежными изделиями симметричных левого и правого колец с установкой вставленных и зажатых между ними дистанцирующих металлических проставок-шайб, а корневое металлическое несущее кольцо имеет снаружи паз типа "ласточкин хвост" и поперечные монтажные прорези, а с внутренней стороны по меньшей мере один фиксирующий кольцо зуб;
в-седьмых, между левым и правым кольцами свободно установлены локальные керамические выступы-опоры, принадлежащие периферийному керамическому разрезному кольцу;
в-восьмых, периферийное керамическое разрезное кольцо имеет на наружной поверхности керамические локальные выступы-опоры;
в-девятых, на дистанцирующей проставке-шайбе свободно установлена металлическая серьга-опора с пазом типа "ласточкин хвост" со стороны цилиндрической поверхности, сопрягаемой с наружной поверхностью периферийного керамического разрезного кольца;
в-десятых, периферийное керамическое разрезное кольцо имеет на наружной поверхности керамические локальные выступы-опоры в виде "ласточкина хвоста";
в-одиннадцатых, корневое керамическое разрезное кольцо имеет на внутренней поверхности керамические локальные выступы-опоры в виде "ласточкина хвоста";
в-двенадцатых, подвижные соединения типа "ласточкин хвост" содержат уплотнение;
в-тринадцатых, на периферийном металлическом несущем кольце установлены свободно вращающиеся на крепежных изделиях талрепы и что левое и правое кольца периферийного металлического несущего кольца со стороны внутренней цилиндрической поверхности имеют полуцилиндрические выфрезеровки-отверстия, расположенные над разрезами периферийного керамического разрезного кольца;
в-четырнадцатых, керамические разрезные кольца зафиксированы от проворачивания под действием газовых сил, приложенных к сопловым лопаткам.

Изобретение поясняется соответствующими конструктивными схемами, которые представлены в следующем виде:
фиг.1 - продольный разрез соплового аппарата;
фиг.2 - узел I;
фиг.3 - узел II;
фиг.4 - узел III;
фиг.5 - модификация узла II;
фиг.6 - Вид А
фиг.7 - узел IV.

На фиг.1-7 обозначено:
1 - корневое керамическое (разрезное) кольцо (набор секторов-полок 20);
2 - периферийное керамическое (разрезное) кольцо (набор секторов-полок 19);
3 - корневое металлическое несущее кольцо;
4 - металлическое левое кольцо (часть периферийного металлического несущего кольца);
5 - металлическое правое кольцо (часть периферийного металлического несущего кольца);
6 - дистанцирующая проставка-шайба;
7 - шайба стопорная;
8 - крепежное изделие (болт, винт);
9 - уплотнение;
10 - керамическая сопловая лопатка (профилированное перо с периферийным и корневым концами);
11 - высокотемпературная эластичная прокладка;
12 - талреп;
13 - металлическая серьга-опора;
14 - локальный выступ-опора типа "ласточкин хвост";
15 - периферийное металлическое несущее кольцо (левое кольцо 4);
16 - полуцилиндрическая выфрезеровка-отверстие;
17 - локальный керамический выступ-опора;
18 - зуб, фиксирующий кольцо;
19 - периферийная керамическая сектор-полка (часть кольца 2);
20 - корневая керамическая сектор-полка (часть кольца 1).

На фиг.1-7 видно, что корневое керамическое (разрезное) кольцо 1, собранное на корневом металлическом несущем кольце 3 из корневых керамических секторов-полок 20 - с установкой между их концами керамических сопловых лопаток 10, и периферийное керамическое (разрезное) кольцо 2, собранное из периферийных керамических сопловых лопаток 10 и соединенное с левым 4 и правым 5 металлическими кольцами (см. фиг.3 и 5), представляют собой в сборе керамический сопловой аппарат. Принципиальная особенность такой конструкции состоит в том, что все ее керамические детали - сопловые лопатки 10, периферийные 19 и корневые 20 полки - имеют малые определяющие размеры (и, следовательно, объемы) и разделены между собой высокотемпературными эластичными прокладками 11. Такая принципиальная особенность керамического соплового аппарата удовлетворяет всем важным требованиям керамики как конструкционного материала [2,3], в частности требованиям принципа масштабного фактора - необходимости обеспечить минимальные размеры и объем керамических деталей, требованиям принципа сопряжения керамической детали со смежными деталями - необходимости установки между сопрягаемыми деталями эластичной прокладки, требованиям принципа доминирующего нагружения керамической детали напряжениями сжатия, принципа равномерности толщины керамической детали и, наконец, принципов отсутствия в керамической детали концентраторов напряжений и резко выраженных неравномерностей температурных полей.

В связи с изложенным есть основания считать предлагаемый керамический сопловой аппарат (фиг.1-7) надежным узлом высокотемпературной газовой турбины. Испытания подтвердили это.

При работе газовой турбины сопловой аппарат охлаждается спонтанно - путем передачи небольшого количества теплоты вовне теплопроводностью через материал тепловой изоляции, которой окружена газовая турбина. Именно поэтому сопловой аппарат является квазиадиабатным, и в связи с этим его работа происходит с весьма малыми потерями энергии от охлаждения и с равномерными полями температуры [4].

Уплотнение 9 и прокладки 11 обеспечивают отсутствие протечек рабочего тела турбины (газа).

Элементы конструкции 6-8 и 13, 14, 17 обеспечивают надежность соединения колец 1, 4 и 5.

Талрепы 12 предотвращают поворот соплового аппарата и позволяют регулировать зазоры между деталями.

Зуб 18 предотвращает поворот кольца 3.

Выфрезеровки-отверстия 16 уменьшают потоки теплоты и придают кольцам 4 и 5 необходимую эластичность.

Источники информации
1. Патент США (US) 4396349, МКИ F 01 D 11/02. Публикация от 08.02.83 Т. 1033 1. Лопатка соплового аппарата турбины газотурбинного двигателя.

2. Тихоплав В. Ю., Сударев А.В., Орлов А.П. Выбор структуры высокотемпературной газотурбинной установки с керамическими элементами // Пром.теплотехника. 1990. Т. 12. 4. С. 77-89.

3. Кириллов И.И., Сударев А.В., Тихоплав В.Ю. Перспективы повышения экономичности ГТУ // Тяжелое машиностроение. 1992. 3. С. 4-5.

4. Тихоплав В.Ю. О принципе спонтанного охлаждения лопаток "Флокс" высокотемпературной газовой турбины ГТД // Турбины и компрессоры. Выпуск 6, 7 (2, 3-98). Санкт-Петербург: НИКТИТ, 1998. - С. 17-22.