Переходный канал газотурбинного двигателя и способ его изготовления, а также газотурбинный двигатель
Переходный канал для соединения камеры сгорания и турбинной части газотурбинного двигателя содержит оболочку, включающую первую и вторую поверхности. Первая и вторая поверхности оболочки соединены пробиванием, а оболочка переходного канала выполнена по меньшей мере из одного листа, отштампованного в форму, образующую переходный канал с двойной оболочкой. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанный выше переходный канал. При изготовлении указанного выше переходного канала образуют оболочку, содержащую первую и вторую поверхности, и выполняют соединение пробиванием, соединяющее указанные поверхности. Группа изобретений позволяет упростить изготовление переходного канала. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение относится к переходному каналу, расположенному между камерой сгорания и турбинной частью газотурбинного двигателя. Кроме того, изобретение относится к газотурбинному двигателю, содержащему по меньшей мере один переходный канал, и способу изготовления переходного канала.
Газотурбинные двигатели с множеством трубчатых камер сгорания содержат переходные каналы, образующие каналы для текучей среды, которые перемещают горячие газы из камер сгорания к входному отверстию газотурбинного двигателя. Камеры сгорания обычно является круглыми, а входное отверстие турбины - кольцевым. Каждый переходный канал направляет горячие газы в участок кольцевого входного отверстия турбины. Таким образом, корпусы переходных каналов содержат круглые входные отверстия и выходное отверстие, которое образует сегмент кольцевого пространства, который по форме может быть по существу близким к прямоугольному.
Существующая конструкция переходного канала изготовлена посредством двух противоположных оболочек, которые штампуют в основную форму и затем обрабатывают вручную. Для окончательного соединения применяют сварные соединения встык. Это обычно ручной и медленный процесс, который требует точной ручной работы. К тому же используемый материал является твердым и поэтому трудным для обработки во время изготовления.
В патенте США №7047615 B2 раскрыт способ гидроформовки одного или более корпусов переходных каналов между двумя пресс-формами в гидроформовочном прессе. Это может обеспечить изготовление корпусов переходных каналов без продольных сварных швов.
Настоящее изобретение стремится уменьшить указанные недостатки.
Эта задача решается посредством независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты описывают предпочтительные варианты осуществления и модификации изобретения.
В соответствии с изобретением создан переходный канал для соединения камеры сгорания с турбинной частью газотурбинного двигателя, содержащий оболочку переходного канала, причем оболочка переходного канала содержит первую поверхность, вторую поверхность и соединение пробиванием, соединяющее первую поверхность со второй поверхностью.
Переходный канал выполнен с возможностью направления текучей среды от входного конца переходного канала к его выходному концу.
Соединение может быть выполнено таким образом, что оно соединяет открытые концы для образования замкнутого контура с возможностью направления текучей среды без утечки и по существу без вихревого движения от входного конца к выходному концу переходного канала.
Переходной канал в соответствии с изобретением обеспечивает более простое изготовление таких переходных каналов, повышенную автоматизацию и меньшую ручную работу.
В предпочтительном варианте осуществления оболочка переходного канала может быть отформована в форму, образующую входной конец - который может быть по существу круглым - переходного канала, выполненный с возможностью соединения с камерой сгорания, и образующую выходной конец - который может представлять собой сегмент кольцевого канала, который может считаться по существу прямоугольным - переходного канала, выполненный с возможностью соединения с турбинной частью.
В другом предпочтительном варианте осуществления соединение пробиванием, соединяющее первую поверхность с второй поверхностью, может представлять собой по существу продольное соединение от входного конца до выходного конца. «Продольное» значит параллельное основному направлению перемещения текучей среды, по существу прямолинейному, так что в текучей среде, которая перемещается вдоль соединения пробиванием, или вдоль участка, где первая поверхность сходится со второй поверхностью, вихревое движение возникает лишь незначительное, либо вообще не возникает.
В другом варианте осуществления соединение пробиванием может быть также образовано так, что первая поверхность может представлять собой первую перпендикулярную поверхность, перпендикулярную - т.е. по существу радиально наружу - относительно смежной первой части оболочки переходного канала, вторая поверхность может представлять собой вторую перпендикулярную поверхность, перпендикулярную к смежной второй части оболочки переходного канала, при этом соединение пробиванием может соединять первую перпендикулярную поверхность со второй перпендикулярной поверхностью. Первая перпендикулярная поверхность и вторая перпендикулярная поверхность - например, выполненные в виде выступа, фланца - могут находиться в по существу плоском контакте друг с другом.
Это позволяет самому соединению пробиванием не контактировать с текучей средой, перемещающейся через переходной канал. Таким образом, даже без шлифования или полирования соединения, поверхности переходного канала для направления текучей среды могут быть очень гладкими, так что вихревое движение не создается оболочкой переходного канала, которая направлена по траектории перемещения текучей среды.
В другом предпочтительном варианте осуществления оболочка переходного канала может быть выполнена из по меньшей мере одного листа металла - предпочтительно одного листа - отштампованного в форму, образующую переходной канал с одной оболочкой. «Переходный канал с одной оболочкой» означает, что только один слой металла образует переходный канал. Если используется больше одного листа металла, то листы могут быть соединены посредством любого способа соединения до или после осуществления штамповки в форму.
В качестве альтернативы в другом предпочтительном варианте осуществления оболочка переходного канала выполнена из по меньшей мере одного листа металла, отштампованного в форму, образующую переходный канал с двойной оболочкой. «Переходный канал с двойной оболочкой» означает, что первый слой металла образует внутренний канал для текучей среды переходного канала, а второй слой металла образует наружную поверхность переходного канала. Предпочтительно между первым и вторым слоем металла предусмотрен зазор. Если используется больше одного слоя металла, листы могут быть соединены посредством любого способа соединения до или после осуществления штамповки в форму. Количество листов металла может зависеть от машин, используемых для формования металла в требуемую форму.
Если используется больше одного листа металла, предпочтительно оболочка переходного канала может содержать первый один из по меньшей мере одного листа, второй один из по меньшей мере одного листа и сварное соединение встык, соединяющее первый один из по меньшей мере одного листа и второй один из по меньшей мере одного листа.
В другом предпочтительном варианте осуществления между первой перпендикулярной поверхностью и смежной первой частью оболочки переходного канала может быть предусмотрен первый край, а между второй перпендикулярной поверхностью и смежной второй частью оболочки переходного канала может быть предусмотрен противоположный второй край. Первый и второй края могут быть расположены так, что углубление между первым краем и вторым краем обеспечивает безвихревой переход по существу текучей среды во время работы газотурбинного двигателя. Первый и второй края могут быть расположены под углом, предпочтительно равным 90 градусов.
Кроме того, в соответствии с изобретением создан способ изготовления переходного канала, при этом переходный канал, в частности, выполнен в соответствии с одним из предыдущих параграфов, причем упомянутый способ включает этапы:
- образования оболочки переходного канала, причем оболочка переходного канала содержит первую поверхность и вторую поверхность, и
- образования соединения пробиванием, соединяющего первую поверхность со второй поверхностью.
Необходимо отметить, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные объекты патентования. В частности, некоторые варианты осуществления описаны со ссылкой на пункты типа устройства, а другие варианты осуществления описаны со ссылкой на пункты типа способа. Однако специалисту в данной области техники из упомянутого выше и приведенного ниже описания будет понятно, что если не указано иное, то в дополнение к любому сочетанию признаков, относящихся к одному типу объекта патентования, также любое сочетание признаков, относящихся к другим объектам патентования, в частности сочетание признаков пунктов типа устройства и признаков пунктов типа способа, рассматривается как раскрытое данной заявкой.
Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения очевидны из примеров варианта осуществления, описанного ниже в данном документе, и объяснены со ссылкой на примеры варианта осуществления.
Варианты осуществления изобретения будут описаны ниже, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в разрезе участка известного газотурбинного двигателя;
Фиг.2 - вид в перспективе множества переходных каналов газотурбинного двигателя;
Фиг.3 - два вида в перспективе переходного канала в соответствии с изобретением;
Фиг.4 - виды в перспективе соединения пробиванием переходного канала в соответствии с изобретением;
Фиг.5 - виды в перспективе соединения пробиванием переходного канала с двойной оболочкой в соответствии с изобретением.
На чертежах представлены схематичные изображения. Отмечается, что для подобных или одинаковых элементов на разных чертежах использованы одинаковые ссылочные позиции.
Некоторые признаки и особенно преимущества будут объяснены для газотурбинного двигателя в сборе, однако очевидно, что признаки могут быть также применены к отдельным элементам газотурбинного двигателя, но могут демонстрировать преимущества, только в сборе и во время работы. Однако при объяснении посредством газотурбинного двигателя во время работы ни одна из деталей не должна быть ограничена газотурбинным двигателем при работе.
Как показано на фиг.1, газотурбинный двигатель 10 может обычно включать в себя компрессорную часть 12, топочную часть 14 и турбинную часть 16. Ротор 18, расположенный в центре, может проходить через три данных части. Турбинная часть 16 может включать в себя чередующиеся ряды лопастей 20 и вращающихся лопаток 22. Каждый ряд лопаток 22 может включать в себя множество аэродинамических поверхностей, прикрепленных к диску 24, расположенному на роторе 18. Ротор 18 может содержать множество аксиально разнесенных дисков 24. Лопатки 22 могут продолжаться радиально наружу из дисков 24. Каждый ряд лопастей 20 может быть образован посредством прикрепления множества лопастей 20 к неподвижной опорной конструкции в турбинной части 16. Например, лопасти 20 могут быть закреплены на обойме 26, которая прикреплена к наружному корпусу 28. Лопасти 20 могут продолжаться радиально внутрь из обоймы 26.
В процессе работы компрессорная часть 12 может всасывать окружающий воздух и может сжимать его. Сжатый воздух 32 из компрессорной части 12 может входить в камеру 34, ограничивающую топочную часть 12. Затем сжатый воздух 32 может распределяться в множество камер 36 сгорания (из которых показана только одна). В каждой из камер 36 сгорания сжатый воздух 32 может быть смешан с топливом. Топливно-воздушная смесь может быть подвергнута сжиганию с возможностью образования горячего рабочего газа 38. Горячий газ 38 может быть направлен с турбинную часть 16 через переходный канал 42. Перемещаясь через ряды лопастей 20 и лопаток 22, газ 38 может расширяться и генерировать мощность, которая может приводить в движение ротор 18. Затем расширенный газ 40 может быть выпущен из турбинной части 16.
На фиг.2 более подробно показан трехмерный вид нескольких переходных каналов. Каждый из переходных каналов 42 содержит первый, преимущественно трубчатый, основной корпус 110, содержащий первый и второй концы 102 и 104. При этом первый конец 102 является по существу круглым, а второй конец 104 представляет собой сегмент кольцевого канала и близок к прямоугольной форме. Первый конец 102 является входным концом переходного канала 42, который должен быть соединен с (не показано) выходом камеры сгорания газотурбинного двигателя. Второй конец 104 является выходным концом переходного канала 42, который должен быть соединен с (не показано) входом турбинной части газотурбинного двигателя. Направление перемещения текучей среды через переходный канал 42 показано стрелкой 150. Текучая среда направляется через основной корпус 110 в качестве оболочки переходного канала.
На фиг.3A и 3В схематично показаны перспективные виды переходного канала 42. На данных чертежах также показаны первый и второй концы 102, 104 и направление перемещения (стрелка 150).
Корпус переходного канала 42 выполнен из оболочки 210 переходного канала, которая может представлять собой один лист металла, который отштампован в основную форму переходного канала 42. На первом конце листа металла образован фланец в виде первой поверхности 200. На втором конце листа металла образован другой фланец в виде второй поверхности 201. Во время изготовления оба фланца, т.е. первую и вторую поверхности 200, 201, соединяют друг с другом посредством соединения 220 пробиванием.
«Пробивание» означает, что фланцы соединяют посредством выполнения пробивания - т.е. заклепывания - листа металла в зоне первой поверхности 200, так что множество секторов из первой поверхности 200 вытесняются из своей плоскости и вклиниваются во вторую поверхность 201, так что первая и вторая поверхности 200, 201 входят в зацепление. Кроме того, параллельно или вскоре после этапа пробивания первая и вторая поверхности 200, 201 соединяются в одно целое, например, посредством применения тепла или посредством холодного расплющивания - этапа сварки. Сектор предпочтительно может иметь прямоугольную форму, однако могут быть предпочтительными другие формы, например треугольная или круглая.
Соединение 220 пробиванием предпочтительно выполнено снаружи переходного канала 42, так что оно не влияет на перемещение текучей среды через переходный канал 42. Предпочтительно соединение 220 пробиванием заканчивается в одном из углов прямоугольного второго конца 104 переходного канала 42. При этом перемещение текучей среды в переходном канале 42 не подвергается влиянию. Данный эффект обеспечивается наличием совершенно прямолинейного соединения 220 пробиванием, начинающегося от первого конца 102 и заканчивающегося во втором конце 104, которое всегда параллельно направлению перемещения текучей среды в переходном канале 42. Это считается продольным соединением между первой поверхностью 200 и второй поверхностью 201.
На фиг.4A, 4B и 4C схематично показаны перспективные виды соединения пробиванием переходного канала 42. Показана только часть переходного канала 42, если смотреть от расположенного выше по потоку конца переходного канала 42, т.е. входного конца или первого конца 102. Когда первая и вторая поверхности 200, 201 соединены, как показано на фиг.4A, 4B и 4C, соединение 220 пробиванием может быть перпендикулярным относительно смежной первой части 230 оболочки переходного канала и смежной второй части 240 оболочки переходного канала. Соединение 220 пробиванием и его смежные зоны дальше к концу листа металла могут быть в виде закругления и могут иметь поперечное сечение, которое может иметь Т-образную или Y-образную форму (которую можно видеть на фиг.4C).
Первый край 260 между первой поверхностью 200 и смежной первой частью 230 оболочки переходного канала и противоположный второй край 250 между второй поверхностью 201 и смежной второй частью 240 оболочки переходного канала могут быть оба расположены под углом 90 градусов. Кроме того, оба края 250, 260 могут быть расположены так, что углубление между первым краем 260 и вторым краем 250 обеспечивает по существу безвихревой переход текучей среды через переходный канал 42 во время работы газотурбинного двигателя. Это показано на фиг.4A и 4B и более конкретно на фиг.4C, где показана совершенно гладкая и круглая внутренняя поверхность переходного канала 42, даже в зоне первого и второго краев 260, 250. В зоне соединения 220 пробиванием на внутренней стороне оболочки переходного канала (данная зона показана ссылочной позицией 280 на фиг.4C) отсутствует зазор или уступ.
На фиг.4A и 4B заклепанные сектора 270 показаны в виде прямоугольников. На фиг.4A можно видеть углубление секторов 270 во вторую поверхность 201, а на фиг.4B - возвышение из первой поверхности 200.
Во всех вышеописанных вариантах осуществления был показан переходный канал с одной оболочкой, который может быть выполнен из одного листа металла. После образования формы одна поверхность одного листа металла обращена к внутренней стороне переходного канала, находящейся в контакте с горячей текучей средой горения, перемещающейся через переходный канал во время работы, а противоположная поверхность одного листа металла обращена к внешней стороне переходного канала, не находящейся в контакте с горячей текучей средой горения. При необходимости охлаждающий воздух может быть направлен к наружной поверхности переходного канала.
Ниже будут описаны другие варианты осуществления, относящиеся к переходному каналу с двойной оболочкой. Двойная оболочка означает конфигурацию, в которой один лист металла образует внутреннюю поверхность переходного канала, а второй лист металла - или тот же лист металла, но приведенный в форму в данном положении - образует наружную поверхность переходного канала. Поверхности разделены небольшим зазором или каналом между поверхностями, возможно, с некоторыми соединениями между поверхностями для стабилизации. Конфигурация с двойной оболочкой может быть предпочтительной с точки зрения устойчивости, веса, охлаждения, акустического демпфирования.
На фиг.5A, 5B и 5C схематично показаны перспективные виды соединения пробиванием переходного канала 42 с двойной оболочкой. Показана только часть переходного канала 42, если смотреть от расположенного выше по потоку конца переходного канала 42, т.е. входного конца или первого конца 102.
На фиг.5A, 5B и 5C показано, как соединение пробиванием используется для скрепления друг с другом внутренних оболочек, а стыковой сварной шов используется для закрепления наружных оболочек переходного канала 42.
Первая поверхность 200 представляет собой участок листа металла между первым бортом 300 в качестве первого края и вторым бортом 301. Каждый из бортов 300 и 301 отворачивает лист металла по существу под углом 90 градусов, так что две смежные части листа металла, примыкающие к первой поверхности 200, представляют собой по существу параллельные поверхности. На фиг.5C борт 300 обращен к внутренней стороне переходного канала 42 и представляет собой по существу острый прямоугольный выступ. На фиг.5C борт 301 обращен к внешней стороне переходного канала 42 и представляет собой по существу участок цилиндра.
Между первым 300 и вторым бортом 301 образована первая поверхность 200 в виде плоской поверхности, которая соединена посредством соединения 220 пробиванием с противоположной второй поверхностью 201. Противоположная вторая поверхность 201, так же как и первая поверхность 200, ограничена бортом 302 в виде первого края, направленного радиально внутрь, и вторым бортом 303, направленным радиально наружу переходного канала.
Первая поверхность 200 и противоположная вторая поверхность 201 находятся в плоском контакте друг с другом между упомянутыми бортами и без зазора, так что текучая среда, протекающая через переходной канал 42 во время работы, не может выходить через соединенную линию между бортами 300 и 302.
Оболочка переходного канала может быть выполнена из по меньшей мере двух листов металла. Первый лист металла может быть использован для образования внутренней поверхности переходного канала 42, первой поверхности 200 и небольшой части наружной поверхности переходного канала 42. Тогда второй лист металла будет образован для наружной стороны переходного канала 42 с двойной оболочкой и будет соединен с концом вышеупомянутой небольшой частью первой поверхности. Данное соединение может быть выполнено посредством стыковой сварки в виде сварного соединения 400 встык.
При данной конфигурации с двумя листами металла может быть образован переходный канал 42 с сплошной двойной оболочкой пробиванием первого листа металла с возможностью образования замкнутого контура металлического листа в виде внутреннего корпуса переходного канала 42 и посредством стыковой сварки двух концов первого листа металла со вторым листом металла, образуя таким образом вторую замкнутую поверхность переходного канала 42.
Независимо от того, выполнен переходный канал 42 с одной или с двумя оболочками, он может содержать только одно соединение пробиванием, однако при сборке из множества листов металла он может также содержать два или множество соединений пробиванием. Например, переходный канал 42 может быть осесимметричным или центросимметричным, в результате чего получаются два соединения пробиванием на противоположных сторонах переходного канала 42, или может быть образован из нескольких сегментов, которые соединены друг с другом пробиванием, в результате чего получается множество соединений пробиванием в различных окружных положениях переходного канала 42.
Помимо упомянутого переходного канала 42, изобретение также относится к способу изготовления такого переходного канала 42. Способ может включать следующие этапы. Во-первых, обеспечение по меньшей мере одного листа металла. Во-вторых, образование оболочки 210 переходного канала из листа металла, причем оболочка 210 переходного канала содержит первую поверхность 200 и вторую поверхность 201. Предпочтительно, первая поверхность 200 и вторая поверхность 201 могут быть выполнены перпендикулярно относительно смежных частей листа металла. В-третьих, пробивание соединения 220 пробиванием, соединяющего первую поверхность 200 со второй поверхностью 201. При необходимости, в-четвертых, стыковая сварка открытых концов листа металла с возможностью образования замкнутой стенки - с одной или с двумя оболочками - переходного канала 42.
Посредством упомянутого способа изготовления и нового переходного канала может быть упрощено изготовление и уменьшено время изготовления.
1. Переходный канал (42) для соединения камеры (36) сгорания и турбинной части (16) газотурбинного двигателя (10), отличающийся тем, что содержит оболочку (210) переходного канала, содержащую первую поверхность (200), вторую поверхность (201) и соединение (220) пробиванием, соединяющее первую поверхность (200) со второй поверхностью (201), при этом оболочка (210) переходного канала выполнена из по меньшей мере одного листа, отштампованного в форму, образующую переходный канал (42) с двойной оболочкой.
2. Переходный канал (42) по п.1, отличающийся тем, что оболочка (210) переходного канала сформована в форму, образующую входной конец (102) переходного канала (42), выполненный с возможностью соединения с камерой (36) сгорания, и образующую выходной конец (104) переходного канала (42), выполненный с возможностью соединения с турбинной частью (16).
3. Переходный канал (42) по п.2, отличающийся тем, что соединение (220) пробиванием, соединяющее первую поверхность (200) со второй поверхностью (201), представляет собой по существу продольное соединение от входного конца (102) до выходного конца (104).
4. Переходный канал (42) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что первая поверхность (200) представляет собой первую перпендикулярную поверхность, которая перпендикулярна смежной первой части оболочки (210) переходного канала, а вторая поверхность (201) представляет собой вторую перпендикулярную поверхность, которая перпендикулярна смежной второй части оболочки (210) переходного канала, причем соединение (220) пробиванием соединяет первую перпендикулярную поверхность со второй перпендикулярной поверхностью, при этом первая перпендикулярная поверхность и вторая перпендикулярная поверхность находятся в по существу плоском контакте друг с другом.
5. Переходный канал (42) по п.4, отличающийся тем, что оболочка (210) переходного канала содержит первый один из по меньшей мере одного листа, второй один из по меньшей мере одного листа и стыковое сварное соединение (400), соединяющее первый один из по меньшей мере одного листа со вторым одним из по меньшей мере одного листа.
6. Переходный канал (42) по п.4, отличающийся тем, что как первый край (300) между первой перпендикулярной поверхностью и смежной первой частью оболочки (210) переходного канала, так и противоположный второй край (302) между второй перпендикулярной поверхностью и смежной второй частью оболочки (210) переходного канала расположены так, что углубление между первым краем (300) и вторым краем (302) обеспечивает по существу безвихревой переход текучей среды во время работы газотурбинного двигателя (10).
7. Переходный канал (42) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что оболочка (210) переходного канала содержит первый один из по меньшей мере одного листа, второй один из по меньшей мере одного листа и стыковое сварное соединение (400), соединяющее первый один из по меньшей мере одного листа со вторым одним из по меньшей мере одного листа.
8. Переходный канал (42) по п.7, отличающийся тем, что как первый край (300) между первой перпендикулярной поверхностью и смежной первой частью оболочки (210) переходного канала, так и противоположный второй край (302) между второй перпендикулярной поверхностью и смежной второй частью оболочки (210) переходного канала расположены так, что углубление между первым краем (300) и вторым краем (302) обеспечивает по существу безвихревой переход текучей среды во время работы газотурбинного двигателя (10).
9. Переходный канал (42) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что как первый край (300) между первой перпендикулярной поверхностью и смежной первой частью оболочки (210) переходного канала, так и противоположный второй край (302) между второй перпендикулярной поверхностью и смежной второй частью оболочки (210) переходного канала расположены так, что углубление между первым краем (300) и вторым краем (302) обеспечивает по существу безвихревой переход текучей среды во время работы газотурбинного двигателя (10).
10. Газотурбинный двигатель (10), отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один переходный канал (42) по любому из пп.1-9.
11. Способ изготовления переходного канала (42) по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что:
образуют оболочку (210) переходного канала, содержащую первую поверхность (200) и вторую поверхность (201), и
выполняют соединение (220) пробиванием, соединяющее первую поверхность (200) со второй поверхностью (201).
