Турбинный кольцевой узел, содержащий множество кольцевых секторов, выполненных из композитного материала с керамической матрицей
Изобретение относится к турбинному кольцевому узлу, содержащему множество кольцевых секторов, выполненных из керамического матричного композитного материала, вместе с кольцевой опорной конструкцией, при этом каждый кольцевой сектор имеет участок, образующий кольцевое основание с внутренней поверхностью, определяющей внутреннюю поверхность турбинного колеса и внешнюю поверхность, от которой отходят по меньшей мере два образующих выступы участка, при этом кольцевая опорная конструкция имеет по меньшей мере два крепежных выступа, а продолжающиеся радиально выступы каждого кольцевого сектора захватывают крепежные выступы кольцевой опорной конструкции по крайней мере по радиально внутренним концам упомянутых крепежных выступов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к турбинному кольцевому узлу, содержащему множество кольцевых секторов, выполненных из керамического матричного композитного материала, вместе с кольцевой опорной конструкцией.
В турбинных кольцевых узлах, которые полностью выполнены из металла, необходимо охлаждать все элементы узла, и, в частности, турбинное кольцо, которое подвержено воздействию максимально высоких тепловых потоков. Это охлаждение оказывает значительное влияние на характеристики двигателя, поскольку охлаждающий поток, который при этом используется, отводится от основного потока двигателя. Кроме того, использование металла для турбинного кольца ограничивает возможность увеличения температуры внутри турбины, даже если это было бы благоприятно для повышения характеристик авиационных двигателей.
В попытках решить эти проблемы секторы турбинного кольца предлагалось изготавливать из керамического матричного композитного (КМК) материала, чтобы избегать использования металлического материала.
КМК материалы обладают хорошими механическими свойствами, которые делают их пригодными для построения конструктивных элементов, и эти свойства они благополучно сохраняют при высоких температурах. Использование КМК материалов благоприятно позволяет уменьшить требуемый во время работы охлаждающий поток и таким образом - повысить характеристики турбинных двигателей. Более того, использование КМК материалов благоприятно способствует уменьшению веса турбинных двигателей и уменьшению эффекта температурного расширения, имеющего место в металлических частях.
Тем не менее, существующие решения, которые уже были реализованы, могут включать в себя узел кольцевого КМК сектора с металлическими соединительными участками кольцевой опорной конструкции, причем эти соединительные участки подвергаются воздействию тепловых потоков. Следовательно, эти сборочные решения можно продолжить, потребовав применения охлаждающего потока, по крайней мере для охлаждения упомянутых соединительных участков, которые выполнены из металла. Кроме того, этим металлическим соединительным участкам при высокой температуре свойственно расширяться, что может привести к тому, что кольцевые КМК сектора будут подвергаться механическим напряжениям и ослабляться.
Кольцевые турбинные узлы раскрыты также в документах US 2014/0271145, US 2004/0047726, US 6.435.824 и GB 2.344.140.
Таким образом, существует потребность в том, чтобы усовершенствовать существующие кольцевые турбинные узлы, которые используют КМК материалы, для того чтобы еще более уменьшить количество требуемого охлаждающего газа.
Кроме того, существует также потребность в том, чтобы усовершенствовать существующие кольцевые турбинные узлы, которые используют КМК материалы, для того чтобы уменьшить величину механических напряжений, которым подвергаются кольцевые КМК сектора во время работы.
Цель и сущность изобретения
С этой целью в своем первом объекте изобретение предлагает турбинный кольцевой узел, содержащий множество кольцевых секторов, выполненных из керамического матричного композитного материала, вместе с кольцевой опорной конструкцией, при этом каждый кольцевой сектор имеет участок, образующий кольцевое основание с внутренней поверхностью, определяющей внутреннюю поверхность турбинного колеса, и внешней поверхностью, от которой отходят по меньшей мере два образующих выступы участка, а кольцевая опорная конструкция имеет по меньшей мере два крепежных выступа, продолжающихся радиально, выступы каждого кольцевого сектора захватывают крепежные выступы кольцевой опорной конструкции по крайней мере по радиально внутренним концам упомянутых крепежных выступов.
Радиальное направление соответствует направлению вдоль радиуса турбинного колеса (прямая линия, соединяющая центр турбинного колеса с его периферией). Радиально-внутренний конец крепежного выступа соответствует концу упомянутого крепежного выступа, который находится прямо на пути прохождения потока газа.
В настоящем изобретении крепежные выступы кольцевой опорной конструкции по меньшей мере частично принимаются между выступами кольцевых секторов. Таким образом, эти крепежные выступы защищены от горячего потока кольцевым КМК сектором, который захватывает их в осевом направлении и который имеет низкую теплопроводность, тем самым формируя тепловой барьер для упомянутых крепежных выступов. Так что кольцевой КМК сектор делает возможным тепловую развязку между внутренней поверхностью турбинного колеса и крепежными выступами, которые он захватывает. Таким образом, конфигурация изобретения позволяет сократить количество газа, который необходим для охлаждения крепежных выступов кольцевой опорной конструкции и, следовательно, ведет к повышению характеристик двигателя.
Выступы кольцевых секторов в меридиональном сечении имеют наклонные участки, направленные в сторону крепежных выступов кольцевой опорной конструкции, каковые наклонные участки образуют относительно радиального направления и относительно осевого направления соответствующие ненулевые углы.
Осевое направление соответствует направлению вдоль оси вращения турбинного колеса и направлению прохождения потока газа в проходе.
Использование таких наклонных участков благоприятно служит для того, чтобы вызвать скольжение выступов кольцевых секторов по крепежным выступам кольцевой опорной конструкции в случае их относительного расширения и, следовательно, - для того, чтобы компенсировать разницу в расширении между крепежными выступами и выступами кольцевого сектора, а также для того, чтобы уменьшить механические напряжения, которым подвергаются кольцевые сектора. Таким образом, наличие наклонных участков позволяет добиться скольжения кольцевых секторов в случае радиального и (или) осевого расширения крепежных выступов, тем самым позволяя избегать какого бы то ни было радиального или осевого замятия кольцевых секторов и, таким образом, - избегать воздействия на них слишком больших механических напряжений. Наличие наклонных участков особенно благоприятно, когда крепежные выступы принимаются между выступами кольцевых секторов, так что, как следствие, крепежные выступы при этом имеют относительно ограниченное пространство для расширения, что могло бы приводить к прилагаемым к выступам кольцевых секторов значительным механическим напряжениям, если бы они не были обеспечены такими наклонными участками.
В одном варианте осуществления выступы кольцевых секторов могут захватывать крепежные выступы по длине, которая меньше, чем длина выступов кольцевых секторов.
В одном варианте выступы кольцевых секторов могут захватывать крепежные выступы по длине, которая равна длине выступов кольцевых секторов.
Этот вариант осуществления благоприятно позволяет увеличить площадь опорных поверхностей между выступами кольцевых секторов и крепежных выступов и уменьшить присутствие локальных сил в опорных поверхностях.
В одном варианте осуществления наклонные участки могут образовывать с радиальным направлением угол, находящийся в диапазоне от 30° до 60°.
Выступы кольцевых секторов по своим радиально-внешним концам могут иметь углубления, каковые углубления продолжаются в тангенциальном направлении.
Радиально внешний конец выступа кольцевого сектора соответствует концу упомянутого выступа, который расположен удаленно от прохода для прохождения потока газа. Тангенциальное направление соответствует окружному направлению турбинного кольца.
Наличие таких вырезов благоприятно способствует тому, чтобы уменьшать механические напряжения, воздействию которых кольцевые секторы подвергается во время работы.
Между радиально внутренними концами крепежных выступов кольцевой опорной конструкции и кольцевым основанием кольцевого сектора, предпочтительно, может присутствовать упругий демпфирующий элемент, имеющий выступы, захватывающие упомянутые крепежные выступы.
Наличие таких демпфирующих элементов благоприятно способствует тому, чтобы демпфировать радиальные движения кольцевых секторов и таким образом - способствовать удержанию кольцевых секторов на крепежных выступах во время работы.
В одном варианте осуществления демпфирующие элементы могут содержать отверстия. Наличие одного или более отверстий может благоприятно обеспечивать возможность охлаждения кольцевых секторов.
В одном варианте осуществления кольцевые секторы присутствуют в секции, которая является по существу π-образной.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает также турбинный двигатель, включающий в себя турбинный кольцевой узел в том виде, как он определен выше.
В одном варианте осуществления турбинный кольцевой узел может составлять часть турбинного сопла в турбинном двигателе.
Турбинный кольцевой узел может составлять часть авиационного газотурбинного двигателя, или же в варианте исполнения она может составлять часть промышленной газовой турбины.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фигура 1 представляет собой вид меридионального сечения, показывающий вариант осуществления кольцевого турбинного узла по настоящему изобретению;
фигура 2 показывает отдельный кольцевой сектор, используемый в кольцевом турбинном узле по фигуре 1;
фигура 3 показывает один из кольцевых секторов, устанавливаемых на кольцевую опорную конструкцию, для того чтобы получить кольцевой турбинный узел по фигуре 1;
фигура 4 представляет собой общий вид кольцевого турбинного узла по фигуре 1, когда все кольцевые секторы собраны; и
фигура 5 представляет собой вид меридионального сечения, показывающий еще один вариант осуществления кольцевого турбинного узла по настоящему изобретению;
Подробное описание вариантов осуществления
Фигура 1 показывает кольцевой сектор 1 турбины и корпус 2, выполненный из металлического материала, образующий кольцевую опорную конструкцию. Набор кольцевых секторов 1 собран на корпусе 2 таким образом, что они образуют турбинное кольцо, которое окружает набор вращающихся лопаток 3. Стрелка F показывает направление потока газа через турбину. Кольцевые секторы 1 выполнены в виде цельных элементов из керамического матричного композитного (КМК) материала. Использование КМК материала для изготовления кольцевых секторов 1 является предпочтительным, для того чтобы снизить требования к продувке кольца. Эти кольцевые секторы 1 имеют сечение, которое является по существу π-образным, при этом кольцевое основание 5 имеет свою внутреннюю поверхность 6 относительно радиального направления R, покрытую слоем 7 истираемого материала, определяющего направление пути прохождения потока газа через турбину. Кроме того, кольцевое основание 5 имеет внешнюю поверхность 8 относительно радиального направления R, от которой отходят выступы 9a и 9b.
Каждый из вышеописанных кольцевых секторов 1 выполнен из КМК материала посредством изготовления волоконной преформы, имеющей форму, которая близка к форме кольцевого сектора, и уплотнения сектора кольца керамической матрицей.
Для того чтобы изготовить волоконную преформу, можно использовать прядильные нити, образованные из керамических волокон, то есть, прядильные нити, образованные из волокон SiC, таких как продаваемые японским поставщиком компании Nippon Carbon под торговой маркой "Nicalon", или же пряжу из карбоновых волокон.
Волоконная преформа, предпочтительно, изготовлена трехмерным тканиевым плетением или многослойным тканиевым плетением, обеспеченным зонами отсутствующих внутренних связей, введенных для того, чтобы обеспечить извлечение участков преформы, которые соответствуют выступам 9a и 9b, из участка преформы, который соответствует основанию 5.
Тканиевое плетение может быть интерлочного типа. Могут использоваться и другие типы трехмерного или многослойного тканиевого плетения, такие как тканиевое плетение с предварительным натягом или атласное плетение. Можно обратиться к документу WO 2006/136755.
По окончании тканиевого плетения заготовке может быть придана соответствующая форма для получения преформы сектора кольца, которую затем отверждают и уплотняют посредством керамической матрицы, при этом уплотнение может быть осуществлено, в частности, как это хорошо известно, химической инфильтрацией из паровой фазы (CVI). Подробный пример изготовления кольцевых секторов посредством CVI описан, в частности, в документе US 2012/0027572.
Корпус 2 имеет крепежные выступы 11a и 11b, которые продолжаются радиально в направлении пути прохождения потока газа, при этом выступы 9a и 9b кольцевых секторов 1 плотно захватывают крепежные выступы 11a и 11b в осевом направлении. Выступы 9a и 9b кольцевых секторов создают в крепежных выступах 11a и 11b корпуса 2 давление вдоль осевого направления. Выступы 9a и 9b кольцевых секторов 1 отсутствуют между крепежными элементами кольцевой опорной конструкции 2. Наоборот, между выступами 9a и 9b кольцевых секторов 1 присутствуют крепежные выступы 11a и 11b кольцевой опорной конструкции 2. Кольцевая опорная конструкция 2 не захватывает выступы 9a и 9b кольцевых секторов 1. Тот факт, что выступы 9a и 9b кольцевых секторов 1 захватывают крепежные выступы 11a и 11b кольцевой опорной конструкции 2, обуславливает возможность быть уверенным в том, что кольцевые секторы 1 скреплены с опорной конструкцией 2. Кольцевой турбинный узел не имеет элементов кольцевой опорной конструкции 2, которые предназначены для захвата выступов 9a и 9b кольцевых секторов 1. Выступы 9a и 9b кольцевых секторов 1 захватывают крепежные выступы корпуса 2 и тогда, когда холодно (то есть, при температуре в 20°С), и тогда, когда тепло (то есть, во время работы).
Крепежные выступы 11a и 11b корпуса 2 принимаются, как это показано, между выступами 9a и 9b кольцевых секторов 1 частично (то есть, между выступами 9a и 9b принимается только участок длины каждого крепежного выступа 11a и 11b). В частности, между выступами 9a и 9b захватываются радиально-внутренние концы 14a и 14b крепежных выступов 11a и 11b. Тот факт, что выступы 9a и 9b захватывают крепежные выступы 11a и 11b в осевом направлении, благоприятствует тому, чтобы защитить крепежные выступы 11a и 11b от протекающего в проходе потока газа, поскольку кольцевой сектор 1 противостоит высоким температурам и образует тепловой барьер. Наличие явления относительного расширения может также благоприятно способствовать сохранению плотности соединения между кольцевыми секторами 1 и крепежными выступами 11a и 11b корпуса 2. Более конкретно, осевое расширение крепежных выступов 11a и 11b обуславливает воздействие небольшого давления на выступы 9a и 9b кольцевых секторов 1, тем самым способствуя сохранению плотности соединения.
Крепежные выступы 11a и 11b захвачены в осевом направлении между наклонными участками 12a и 12b, определенными выступами 9a и 9b кольцевого сектора 1. Как это показано, наклонные участки 12a и 12b расположены таким образом, что направлены в сторону крепежных выступов 11a и 11b и давят на упомянутые крепежные выступы 11a и 11b, чтобы захватить их. Эти наклонные участки 12a и 12b находятся в контакте с крепежными выступами 11a и 11b. Как это показано, каждый из наклонных участков 12a и 12b продолжается по прямой линии, образуя ненулевой угол α1 относительно радиального направления R и ненулевой угол α2 относительно осевого направления А. Таким образом, эти наклонные участки 12a и 12b могут быть прямолинейными по форме, если смотреть в меридиональном сечении. Как упоминалось выше, использование этих наклонных участков 12a и 12b позволяет благоприятно компенсировать относительное расширение между крепежными выступами 11a и 11b и выступами 9a и 9b кольцевых секторов 1, а также уменьшить механические напряжения, которым подвергаются кольцевого сектора 1. В показанном примере кольцевой сектор 1, таким образом, соединен с крепежными выступами 11a и 11b корпуса 2 посредством соединения, которое называется "молотковым соединением". В качестве примера, угол α1 может находиться в диапазоне от 30° до 60°. В меридиональном сечении крепежные выступы 11a и 11b также представляют собой наклонные участки, которые образуют ненулевые углы с радиальным и осевым направлениями, каковы углы могут, например, находиться в диапазоне от 30° до 60°.
Наклонные участки крепежных выступов 11a и 11b расположены таким образом, что направлены в сторону наклонных участков 12a и 12b выступов 9a и 9b кольцевых секторов 1. Наклонные участки 12a и 12b выступов 9a и 9b давят на крепежные выступы 11a и 11b посредством наклонных участков упомянутых крепежных выступов 11a и 11b. В показанном примере наклонные участки крепежных выступов 11a и 11b имеют ту же самую форму, что и наклонные участки 12a и 12b выступов 9a и 9b кольцевых секторов 1.
В примере, показанном на фигуре 1, каждый из выступов 9a и 9b представляет один наклонный участок 12a или 12b, образующий ненулевой угол относительно радиального направления R и относительно осевого направления А. За рамки объема настоящего изобретения не выходила бы и конфигурация, при которой каждый из выступов секторов кольца имел бы множество наклонных участков, как это подробно описано далее. Как показано на фигуре 1, выступы 9a и 9b секторов кольца захватывают крепежные выступы 11a и 11b на длине le, которая короче, чем длина lр выступов 9a и 9b кольцевого сектора 1. Как это показано, длины le и lр измеряют перпендикулярно внешней поверхности 8 кольцевого основания 5 кольцевого сектора 1. В качестве примера, - длина le может быть меньшей, чем или равной 0,75 от длины lр.
Фигура 1 показывает вариант осуществления, в котором между выступами 9a и 9b захвачена только часть длины каждого крепежного выступа 11a и 11b. В варианте исполнения, который не показан, выступы сектора кольца - такой длины, которая достаточна для захвата по существу всей длины крепежных выступов.
В примере, показанном на фигуре 1, между радиально внутренними концами 14a и 14b крепежных выступов 11a и 11b и кольцевым основанием 5 кольцевого сектора 1, имеющим свои выступы 9a и 9b, захватывающие упомянутые крепежные выступы 11a и 11b, присутствует упругий демпфирующий элемент 15. В качестве примера, этот упругий демпфирующий элемент 15 может быть в форме пластины, например, выполненный из металлического материала. Демпфирующий элемент 15 может содержать одно или более отверстий. Присутствие этих отверстий является благоприятным для того, чтобы обеспечить охлаждение кольцевого сектора 1.
Фигура 2 показывает отдельный кольцевой сектор 1 в том виде, как он используется в турбинному кольцевому узлу по фигуре 1. Как показано на фигуре, выступы 9a и 9b кольцевого сектора 1 по своим радиально-внешним концам 16a и 16b имеют углубления 17a и 17b, причем, когда кольцевой сектор 1 прикреплен к опорной конструкции кольца, эти углубления продолжаются по касательной. Как упоминалось выше, присутствие вырезов 17a и 17b благоприятно влияет на уменьшение механических напряжений, которым во время работы подвержен кольцевой сектор 1. Кроме того, кольцевой сектор 1 может включать в себя одну или более уплотнительных полосок 18. Когда все кольцевого сектора 1 собраны на кольцевой опоре, эти уплотнительные полоски 18 служат для уменьшения или даже исключения протечек воздуха между кольцевыми секторами 1.
Фигура 3 показывает кольцевой сектор 1, собранный с корпусом 2. Перед сборкой кольцевой сектор 1 представлен направленным в сторону выемки в корпусе 2. В одном варианте осуществления кольцевой сектор 1 перед сборкой может быть оснащен демпфирующим элементом 15, как показано на фигуре 1. Кольцевой сектор 1 вставляют в углубление и затем сдвигают в угловом направлении, как показано стрелками на фигуре 3. Фигура 4 представляет собой вид турбинного кольцевого узла по фигуре 1, когда все из секторов кольца собраны. Как показано, множество кольцевых КМК секторов 1 собрано на кольцевой опорной конструкции 2. Турбинный кольцевой узел, кроме того, включает в себя запорный ключ 20, который присутствует на выступе одного из кольцевых секторов, и который служит для того чтобы обеспечивать сцепление между собой кольцевых секторов в узле. Запорный ключ 20 присутствует на выступе последнего из собранных кольцевых секторов.
Фигура 5 показывает вариант осуществления, в котором выступы 9a' и 9b' кольцевых секторов 1 захватывают крепежные выступы 11a' и 11b' по длине, которая по существу равна длине выступов 9a' и 9b'. В примере по фигуре 5 каждый из выступов 9a' и 9b' имеет первый наклонный участок 12a' и 12b', образующий ненулевые углы с радиальным направлением и с осевым направлением, вместе со вторым наклонным участком 12a'' и 12b'', образующим ненулевые углы с радиальным направлением и с осевым направлением. Эти первый и второй наклонные участки присутствуют на каждой стороне изгиба С, образованного выступами 9a' и 9b' кольцевого сектора 1'.
Термин "находящийся в диапазоне от … до …" следует понимать как включающий в себя конечные значения диапазона.
1. Турбинный кольцевой узел, содержащий множество кольцевых секторов, выполненных из композитного материала с керамической матрицей и собранных с кольцевой опорной конструкцией, при этом каждый кольцевой сектор имеет участок, образующий кольцевое основание с внутренней поверхностью, определяющей внутреннюю поверхность турбинного кольца, и внешней поверхностью, от которой отходят по меньшей мере два образующих выступ участка, при этом кольцевая опорная конструкция имеет по меньшей мере два крепежных выступа, проходящих радиально, при этом выступы каждого кольцевого сектора находятся в зацеплении в осевом направлении с крепежными выступами кольцевой опорной конструкции по крайней мере у радиально внутренних концов крепежных выступов, при этом выступы кольцевых секторов отсутствуют между крепежными элементами кольцевой опорной конструкции, причем выступы кольцевых секторов в меридиональном сечении имеют наклонные участки, упирающиеся в крепежные выступы кольцевой опорной конструкции, при этом наклонные участки образуют относительно радиального направления и осевого направления соответствующие ненулевые углы.
2. Узел по п. 1, в котором выступы кольцевых секторов захватывают крепежные выступы по радиальной длине, которая меньше, чем длина выступов кольцевых секторов.
3. Узел по п. 1, в котором выступы кольцевых секторов захватывают крепежные выступы по радиальной длине, которая по существу равна длине выступов кольцевых секторов.
4. Узел по п. 1, в котором наклонные участки образуют с радиальным направлением угол, находящийся в диапазоне от 30° до 60°.
5. Узел по п. 1, в котором выступы кольцевых секторов у своих радиально-внешних концов имеют углубления, проходящие в тангенциальном направлении.
6. Узел по п. 1, в котором между радиально-внутренними концами крепежных выступов кольцевой опорной конструкции и кольцевым основанием кольцевого сектора, имеющего выступы, захватывающие крепежные выступы, присутствует упругий демпфирующий элемент.
7. Узел по п. 6, в котором демпфирующие элементы (15) содержат отверстия.
8. Узел по п. 1, в котором кольцевые секторы имеют сечение, которое является по существу π-образным.
9. Турбинный двигатель, включающий в себя турбинный кольцевой узел по п. 1.
