PL217602B1 - Urządzenie wieszaka tarczy wzmacniającej turbiny do gazowego silnika turbinowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie wieszaka tarczy wzmacniającej turbiny do gazowego silnika turbinowego, w szczególności wynalazek dotyczy urządzenia do zapobiegania zatykaniu się otworów chłodzących w sekcjach turbiny takich silników.

Typowy gazowy silnik turbinowy zawiera rdzeń wirnika mający wysokoprężny kompresor, zespół komory spalania i wysokoprężną turbinę w szeregowej zależności przepływowej. Rdzeń jest uruchamiany w znany sposób w celu generowania głównego przepływu gazu. Wysokoprężna turbina zawiera jeden lub więcej wirników, które odzyskują energię z głównego przepływu gazu. Każdy wirnik zawiera pierścieniowy układ łopatek lub czarek podtrzymywanych na obrotowej tarczy. Tor przepływu przez wirnik jest określony w części przez tarczę wzmacniającą, która jest konstrukcją nieruchomą otaczającą obwodowo końcówki łopatek lub czarek. Tarcza wzmacniająca pracuje w środowisku ekstremalnie wysokiej temperatury i musi być chłodzona przepływem powietrza dla zapewnienia odpowiedniej trwałości działania. Zwykle, powietrze używane do chłodzenia jest odprowadzane (upuszczane) z kompresora.

W typowej praktyce, powietrze chłodzące jest doprowadzane do tarcz wzmacniających turbiny przez ich urządzenia podtrzymujące, potocznie nazywane „wieszakami. Wieszaki zawierają kanały powietrzne o małej średnicy, które mogą być zatykane przez metalowe i niemetalowe cząstki porywane z przepływem chłodzącego powietrza. Gdy są wystarczająco zatkane, te małe kanały powietrzne nie będą dostarczały powietrza do tarczy wzmacniającej turbiny. Powstały brak chłodzącego powietrza może spowodować znaczne zniszczenie lub uszkodzenie tarczy wzmacniającej.

Te i inne wady wcześniejszego stanu techniki są rozwiązane przez niniejszy wynalazek, który zapewnia wieszak do tarczy wzmacniającej turbiny, który jest odporny na zablokowanie przez zanieczyszczenia.

Według wynalazku, urządzenie wieszaka tarczy wzmacniającej turbiny do gazowego silnika turbinowego, zawierające łukowy wieszak tarczy wzmacniającej mający przynajmniej jeden otwór chłodzący przechodzący przez niego przelotowo, a ten otwór chłodzący ma wlot i wylot; charakteryzuje się tym, że zawiera filtr podtrzymywany przez wieszak tarczy wzmacniającej i usytuowany przed wlotem otworu chłodzącego, przy czym filtr ma wiele otworów w nim ukształtowanych przelotowo, które mają wymiary pozwalające na przepływ powietrza przez otwór chłodzący, przy jednoczesnym zapobieganiu wejściu cząstek zanieczyszczeń większych niż o ustalonym z góry rozmiarze do otworu chłodzącego.

Tarcza wzmacniająca korzystnie zawiera łukowy segment, przy czym ten segment tarczy wzmacniającej i wieszak tarczy wzmacniającej razem określają komorę sprężonego powietrza tarczy wzmacniającej, która jest połączona do przepływu płynu z wylotem tego co najmniej jednego otworu chłodzącego.

Wieszak tarczy wzmacniającej korzystnie zawiera łukowy korpus, kołnierze przedni i tylny wystające od promieniowo zewnętrznej powierzchni korpusu i haki przedni i tylny wystające od promieniowo wewnętrznej powierzchni korpusu.

W przedniej powierzchni czołowej wieszaka tarczy wzmacniającej może być ukształtowany łukowy rowek, który łączy się z otworem chłodzącym, a w rowku jest umieszczony filtr.

Wokół obrzeża rowka korzystnie jest usytuowany występ, a filtr jest zamontowany przy występie.

Filtr może być zamocowany do wieszaka tarczy wzmacniającej poprzez spawanie, lutowanie twarde lub ich kombinacje.

Filtr korzystnie ma wypukły kształt przekroju poprzecznego.

Podczas pracy turbiny, filtr zapobiega wchodzeniu zanieczyszczeń do otworów chłodzących i blokowaniu ich, wskutek czego zapewnia stały przepływ powietrza chłodzącego do segmentów tarczy wzmacniającej. To zabezpiecza segmenty tarczy wzmacniającej przed zniszczeniem i skraca czas obsługi.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 jest schematycznym widokiem przekroju sekcji turbiny gazowego silnika turbinowego zawierającej wieszak tarczy wzmacniającej skonstruowany według aspektu niniejszego wynalazku; Fig. 2 jest widokiem perspektywicznym częściowego przekroju wieszaka tarczy wzmacniającej pokazanego na Figurze 1, mającego zainstalowany filtr zanieczyszczeń; Fig. 3 jest widokiem z boku wieszaka tarczy wzmacniającej pokazanego na Fig. 2; Fig. 4 jest częściowym widokiem perspektywicznym wieszaka tarczy wzmacniającej pokazanego na Fig. 2 z usuniętym filtrem dla ukazania wnętrza wieszaka tarczy

PL 217 602 B1 wzmacniającej; i Fig. 5 jest częściowym widokiem perspektywicznym wieszaka tarczy wzmacniającej pokazanego na Figurze 2 z zamontowanym filtrem.

Odnosząc się do rysunków, na których identyczne oznaczenia liczbowe oznaczają te same elementy na różnych widokach, Fig. 1 ukazuje część wysokoprężnej turbiny, która jest częścią gazowego silnika turbinowego znanego typu. Funkcją wysokoprężnej turbiny jest odbieranie energii ze sprężonych gazów spalinowych o wysokiej temperaturze z umieszczonej przed nią komory spalania 10 i przekształcanie tej energii na pracę mechaniczną, w znany sposób. Wysokoprężna turbina napędza usytuowany przed nią kompresor (niepokazany) poprzez wał tak, aby dostarczać sprężone powietrze do komory spalania 10.

W zilustrowanym przykładzie, silnik jest silnikiem turbowentylatorowym i za wysokoprężną turbiną 10 będzie usytuowana niskoprężna turbina i połączona z wałem napędzającym wentylator i opcjonalnie niskoprężny kompresor lub „silnik wspomagający. Jednak zasady tu opisane są jednakowo stosowalne do silników turbośmigłowych, turboodrzutowych i turbowałowych, jak również silników turbinowych używanych do innych pojazdów lub w zastosowaniach stacjonarnych.

Wysokoprężna turbina zawiera dyszę 12, która ma układ obwodowo rozmieszczonych, ukształtowanych w postać płata, pustych wewnątrz łopatek 14, które są podtrzymywane pomiędzy łukowym, segmentowym zewnętrznym łącznikiem 16 i łukowym, segmentowym wewnętrznym łącznikiem 18. Łopatki 14, zewnętrzny łącznik 16 i wewnętrzny łącznik 18 są ułożone w wiele stykających się obwodowo segmentów dyszowych, które łącznie tworzą cały zespół 360°. Zewnętrzne i wewnętrzne łączniki 16 i 18 określają odpowiednio zewnętrzne i wewnętrzne granice toru przepływu dla strumienia gorącego gazu przepływającego przez dyszę 12. Łopatki 14 są skonfigurowane tak, że optymalnie kierują gazy spalinowe do wirnika 20.

Wirnik 20 zawiera układ ukształtowanych w postać płata łopatek turbinowych 22 wystających na zewnątrz od tarczy 24, która obraca się wokół osi środkowej silnika. Tarcza wzmacniająca zawierająca wiele łukowych segmentów 26 tarczy wzmacniającej jest usytuowana tak, że ciasno otacza łopatki turbinowe 22 i przez to określa zewnętrzną promieniową granicę toru przepływu dla strumienia gorących gazów przepływających przez wirnik 20.

Segmenty 26 tarczy wzmacniającej są podtrzymywane przez łukowe wieszaki 28 tarczy wzmacniającej, które są z kolei zamontowane do pierścieniowej obudowy 30. Każdy wieszak 28 tarczy wzmacniającej jest zamontowany do obudowy 30 za pomocą przednich i tylnych kołnierzy 32, 34, które sprzęgają dopasowujące się cechy mechaniczne obudowy 30. Każdy wieszak 28 tarczy wzmacniającej zawiera uszczelkę płytkową 38 znanego typu podtrzymywana przez zewnętrzny łącznik 16 dyszy 12 przedniej turbiny.

Każdy wieszak 28 tarczy wzmacniającej jest zamontowany do obudowy 30 za pomocą przedniego i tylnego kołnierza 32 i 34, które sprzęgają dopasowujące się cechy mechaniczne obudowy 30. Każdy wieszak 28 tarczy wzmacniającej także zawiera uszczelkę wargową 36, która styka się z uszczelką płytkową 38 znanego typu podtrzymywana przez zewnętrzny łącznik 16 dyszy 12 przedniej turbiny.

Każdy segment 26 tarczy wzmacniającej zawiera łukową podstawę mającą rozciągające się promieniowo na zewnątrz przednie i tylne szyny, które podtrzymują rozciągające się osiowo, odpowiednio przednie i tylne kołnierze montażowe 40 i 42. Przednie kołnierze montażowe 40 sprzęgają się z przednimi hakami 44 wieszaków 28 tarczy wzmacniającej. Tylne kołnierze montażowe 42 są zaciśnięte przy tylnych hakach 46 wieszaków 28 tarczy wzmacniającej za pomocą członów utrzymujących 48 ogólnie określonych jako zaciski w kształcie C.

Po zmontowaniu, tylna strona segmentów 26 tarczy wzmacniającej i wieszaki 28 tarczy wzmacniającej współpracują tworząc komorę 50 sprężonego powietrza tarczy wzmacniającej. Wiele otworów chłodzących 52 rozciąga się przez każdy wieszak 28 tarczy wzmacniającej. Otwory chłodzące 52 są ogólnie osiowo ułożone i służą do przeprowadzania chłodzącego powietrza z komory 54 dyszy (która sama jest zasilana ze źródła takiego, jak powietrze upuszczane z kompresora) przez wieszak 28 tarczy wzmacniającej do komory 50 sprężonego powietrza tarczy wzmacniającej, gdzie jest ono używane do chłodzenia konwencyjnego, uderzeniowego i/lub warstewkowego segmentu 26 tarczy wzmacniającej, jak potrzeba, w zwykły sposób.

Wieszaki 28 tarczy wzmacniającej mogą być skonstruowane z materiału takiego, jak znany kobalt, nikiel lub superstopy na bazie stali, które mają akceptowalną wytrzymałość w podwyższonych temperaturach pracy w turbinowym silniku gazowym. Różne superstopy są handlowo dostępne pod nazwami handlowymi takimi jak INCONEL, HASTELLOY i RENE. Wieszaki 28 tarczy wzmacniającej

PL 217 602 B1 mogą być ukształtowane z odlewów, które są następnie obrabiane mechanicznie do końcowych wymiarów.

W przeciwieństwie do wcześniejszego stanu techniki wieszaki 28 tarczy wzmacniającej są wyposażone w filtry 60 zamontowane na rowkach 58 dla zapobiegania zatykaniu otworów chłodzących 52 przez zanieczyszczenia. Każdy filtr 60 ma postać ściany lub płyty z ukształtowanymi w niej wieloma otworami 62. Wielkość i liczba otworów 62 jest dobrana tak, aby były wystarczająco małe do wykluczenia zanieczyszczeń uważanych za powodujące ryzyko blokowania otworów chłodzących 52 i wystarczająco duże, aby były rozsądne do wytwarzania i przepuszczały wystarczający przepływ powietrza bez nadmiernej liczby otworów. Ogólnie, otwory 62 będą mniejsze niż otwory chłodzące 52 o około 0,1 mm (0,005 cala) do około 0,25 mm (0,010 cala). W zilustrowanym przykładzie, średnica otworów 62 może być w zakresie około 1 mm (0,040 cala) do około 1,3 mm (0,050 cala).

W zilustrowanym przykładzie filtr 60 ma wypukły na zewnątrz, zakrzywiony kształt. Innymi słowy, środek filtra 60 jest wybrzuszony osiowo do przodu względem jego obrzeża. Stwierdzono, że ten kształt minimalizuje różnice ciśnienia w otworach chłodzących 52, które w przeciwnym razie będą miały tendencję do utrzymywania zanieczyszczeń przy filtrze 60, i efektywnie umożliwia przepływowi powietrza chłodzącego o wysokiej szybkości na usuwanie zanieczyszczeń z przedniej powierzchni czołowej filtra 60, a nie utrzymywanie zanieczyszczeń na miejscu przy filtrze 60 jednak, zależnie od szczególnego zastosowania, filtr 60 może także być płaski.

Filtr 60 może być zamontowany w rowku 58 za pomocą dowolnej metody, która zapewni utrzymywanie go podczas pracy silnika. Przykłady znanych odpowiednich metod obejmują spawanie obrzeża filtru 60 do wieszaka 28 tarczy wzmacniającej przy użyciu albo spoin czepnych albo ściegu, lutowania twardego lub ich kombinacji. Jak najlepiej widać na Figurach 4 i 5, wokół obrzeża rowka 58 jest ukształtowany występ 64 do umieszczania filtra 60. Występ 64 służy do pozycjonowania filtra i do zapewnienia powierzchni przylgowej dla operacji spajania.

W szczególnym przykładzie, filtry 60 są skonstruowane z stosu blach o grubości około 0,25 mm (0,010 cala). Nieograniczający przykładem odpowiedniego stopu do tego celu jest stop na bazie kobaltu znany handlowo jako L-605.

Podczas pracy, filtr 60 zapobiega wchodzeniu zanieczyszczeń do otworów chłodzących 52 blokowaniu ich, wskutek czego zapewnia stały przepływ powietrza chłodzącego do segmentów 26 tarczy wzmacniającej. Zanieczyszczenia są usuwane z przedniej czołowej powierzchni filtra za pomocą powietrza o wysokiej prędkości, które wychodzi z komory 54 dyszy przez tor przepływu, który nie ma kanałów o krytycznej małej średnicy. To zabezpiecza segmenty 26 tarczy wzmacniającej przed zniszczeniem i skraca czas obsługi.

W poprzedzającym opisano wieszak tarczy wzmacniającej turbiny do gazowego silnika turbinowego. Chociaż opisano szczególne przykłady wykonania niniejszego wynalazku, będzie oczywiste dla osób biegłych w dziedzinie, że mogą być dokonane różne modyfikacje stanu techniki bez odchodzenia od idei i zakresu wynalazku. Odpowiednio, poprzedzający opis korzystnego przykładu wykonania wynalazku i najlepszego sposobu realizacji wynalazku są podane jedynie dla celów ilustracyjnych a nie dla celów ograniczenia.

Claims (7)

1. Urządzenie wieszaka tarczy wzmacniającej turbiny do gazowego silnika turbinowego, zawierające łukowy wieszak (28) tarczy wzmacniającej mający przynajmniej jeden otwór chłodzący (52) przechodzący przez niego przelotowo, a ten otwór chłodzący (52) ma wlot i wylot, znamienne tym, że zawiera filtr (60) podtrzymywany przez wieszak (28) tarczy wzmacniającej i usytuowany przed wlotem otworu chłodzącego (52), przy czym filtr (60) ma wiele otworów (62) w nim ukształtowanych przelotowo, które mają wymiary pozwalające na przepływ powietrza przez otwór chłodzący (52), przy jednoczesnym zapobieganiu wejściu cząstek zanieczyszczeń większych niż o ustalonym z góry rozmiarze do otworu chłodzącego (52).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tarcza wzmacniająca zawiera łukowy segment (26), przy czym ten segment (26) tarczy wzmacniającej i wieszak (28) tarczy wzmacniającej razem określają komorę (50) sprężonego powietrza tarczy wzmacniającej, która jest połączona do przepływu płynu z wylotem tego co najmniej jednego otworu chłodzącego (52).

PL 217 602 B1

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że wieszak (28) tarczy wzmacniającej zawiera łukowy korpus (56), kołnierze przedni i tylny (32, 34) wystające od promieniowo zewnętrznej powierzchni korpusu (56) i haki przedni i tylny (44, 46) wystające od promieniowo wewnętrznej powierzchni korpusu (56).

4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że w przedniej powierzchni czołowej wieszaka (28) tarczy wzmacniającej jest ukształtowany łukowy rowek (58), który łączy się z otworem chłodzącym (52), a w rowku (58) jest umieszczony filtr (60).

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że wokół obrzeża rowka (58) jest usytuowany występ (64), a filtr (60) jest zamontowany przy występie (64).

6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że filtr (60) jest zamocowany do wieszaka (28) tarczy wzmacniającej poprzez spawanie, lutowanie twarde lub ich kombinacje.

7. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że filtr (60) ma wypukły kształt przekroju poprzecznego.