СПОСОБ ДОВОДКИ СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR OPERATIONAL DEVELOPMENT OF TURBINE NOZZLE OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, к области разработки газотурбинных двигателей, в частности к способам их доводки до окончательного конструктивного облика.
Доводка является наиболее трудоемким и продолжительным этапом создания газотурбинного двигателя. Необходимость доводки обусловлена, в частности, тем, что математические модели, используемые при производстве, не полностью адекватны процессам, которые они описывают. Поэтому уже при эксплуатации обнаруживается, что в некоторых случаях не обеспечиваются заявленные (расчетные) данные газотурбинного двигателя, например присутствуют повышенные вибрационные напряжения в рабочих лопатках ступени турбины газотурбинного двигателя, приводящие к их разрушению по замковому соединению, что снижает надежность работы двигателя в течение заданного ресурса.
Известен способ доводки двигателя соплового аппарата турбины газотурбинного двигателя (описание изобретения к авторскому свидетельству №234058, МПК F02C, заявлено 07.05.1967, опубликовано 24.12.1969).
Для уменьшения вибрационных напряжений в рабочих лопатках осевых турбомашин изменяют структуру потока, влияющего на расположенные вниз по потоку рабочие лопатки, и вызывающего их вынужденные колебания, за счет вдува воздуха в зоне периферийных сечений за каждой неподвижной лопаткой примерно на 0,1-0,15 ее длины на резонансных режимах.
Кроме того, вдув холодного воздуха в тракт двигателя отрицательно влияет на его эффективность за счет появления дополнительных потерь КПД.
Известен способ доводки соплового аппарата газотурбинного двигателя (описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №274956; МПК F01D 9/02, F01D 5/10; дата подачи заявки 24.02.1969; опубл. 23.02.1986).
Доводка соплового аппарата газотурбинного двигателя вследствие обнаружения возбуждающих колебаний, приводящих к разрушению замкового соединения на рабочих лопатках, осуществляется путем изменения шага расстановки лопаток в сопловом аппарате. Для уменьшения вибрации лопаток рабочего колеса сопловой аппарат турбины с неравномерным по окружности шагом лопаток имеет четное число групп лопаток с одинаковым количеством лопаток в каждой группе и с разным шагом их установки в нечетных и четных группах.
Кроме того, недостатком данного способа является усложнение и удорожание процесса производства газотурбинного двигателя за счет необходимости разработки и внедрения двух литейных пресс-форм при изготовлении сопловых лопаток, устанавливаемых с разным шагом, что нарушает принцип унификации производства.
Наиболее близким является способ доводки соплового аппарата газотурбинного двигателя, включающий установку в окружном направлении двухлопаточных блоков, при котором шаг между лопатками в блоке и шаг между лопатками соседних блоков постоянен (описание изобретения к патенту РФ №2342541, МПК F01D 9/04, дата подачи заявки 04.06.2007, опубл. 27.12.2008, фиг. 2).
Общим недостатком известных способов является то, что возникновение возбуждающих колебаний, вызванных, в том числе, совпадением частоты возбуждающей силы с собственной частотой колебания лопаток, приводит к появлению силы, отрицательно действующей на замковую часть рабочих лопаток и инициирующей в ряде случаев их разрушение по замковому соединению.
Технической задачей, на решение которой направленно предлагаемое решение, является создание способа снижения возбуждающих колебаний, влияние которых приводит к разрушению рабочих лопаток газотурбинного двигателя по замковому соединению, при несущественном изменении конструкции соплового аппарата на этапе доводки газотурбинного двигателя.
Техническим результатом, на достижение которого направленно предлагаемое решение, является повышение надежности работы газотурбинного двигателя в течение заданного ресурса.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе доводки соплового аппарата турбины газотурбинного двигателя, включающем установку в окружном направлении двухлопаточных блоков, при этом шаг между лопатками в блоке и шаг между лопатками соседних блоков постоянен, в отличие от известного, перед установкой блоки разделяют на две группы, первую из которых устанавливают без изменений, а во второй группе перед установкой от одного блока отрезают часть с лопаткой, у оставшихся блоков второй группы при механической обработке удаляют с торцов припуск меньше, чем у блоков первой группы, величину которого устанавливают из условия обеспечения увеличенного равномерного шага между лопатками соседних блоков второй группы по сравнению с первой при их установке, при этом шаг между лопатками в блоке оставляют неизменным, как в первой группе.
Способ поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - схема расстановки двухлопаточных блоков соплового аппарата второй ступени турбины газотурбинного двигателя (вид на входные кромки сопловых лопаток);
фиг. 2 - гистограмма газовых сил при реализации способа.
Способ осуществляют следующим образом.
После определения необходимости доводки соплового аппарата путем изменения количества лопаток определяют вариант модификации исходного варианта конструкции соплового аппарата, заключающийся в изъятии одной лопатки только в одной его половине и последующей расстановке в ней сопловых лопаток с переменным (чередующимся) шагом, при условии сохранения постоянного шага (неизменного относительно исходного варианта конструкции) между лопатками в другой его половине.
1
Перед установкой двухлопаточные блоки 1 с постоянным шагом Δ между лопатками разделяют на две группы. Первую группу оставляют без изменений, а во второй группе от одного блока отрезают и удаляют часть с одной лопаткой, а у оставшихся блоков второй группы при механической обработке удаляют с торцов блока литейный припуск меньший, чем при обработке у блоков первой группы. Величину снимаемого припуска определяют из условия обеспечения увеличенного равномерного шага между лопатками соседних блоков второй группы по сравнению с первой при их установке, при этом шаг между лопатками в блоке оставляют неизменным, как в первой группе.
1
2
1
1
2
Первую группу двухлопаточных блоков устанавливают в окружном направлении без изменений (как в исходном варианте конструкции) с постоянным шагом Δ между лопатками соседних блоков, равным шагу между лопатками в блоке. Вторую группу двухлопаточных блоков устанавливают в окружном направлении с переменным (чередующимся) шагом Δ между лопатками соседних блоков, при этом между лопатками в блоке шаг Δ. Из фиг. 1 видно, что в одной половине 2 соплового аппарата группа с двухлопаточными блоками установлена как в исходной конструкции соплового аппарата с постоянным шагом Δ между лопатками соседних блоков. В другой половине 3 соплового аппарата группа из блока с одной лопаткой 4 и двухлопаточных блоков установлена с увеличенным шагом Δ между лопатками соседних блоков.
Способ предложен к использованию на ГТД 110М.
Исходная конструкция второй ступени соплового аппарата содержала 24 двухлопаточных блока, установленных как в прототипе с постоянным шагом между лопатками соседних блоков, равным шагу между лопатками в блоке, . Такое расположение блоков приводило к разрушению рабочих лопаток газотурбинного двигателя по замковому соединению. Было принято решение о доводке соплового аппарата по предлагаемому способу.
Из фиг 1. видно, что одна половина соплового аппарата представляет собой группу двухлопаточных блоков, отливаемых заодно, и установленных с постоянным шагом между лопатками соседних блоков, равным шагу между лопатками в блоке . Другая половина соплового аппарата представляет собой группу из блока с одной лопаткой и двухлопаточных блоков, отливаемых заодно, которые установлены с разношагицей, т.к. имеют шаг установки лопаток внутри блока как в исходной конструкции, равный , и увеличенный за счет литейного припуска до  шаг установки лопаток между соседними блоками.
Причем группа лопаток с постоянным шагом больше группы лопаток с разношагицей на 4 блока. Равномерная расстановка (как в исходной конструкции) двух блоков сверху и двух блоков снизу соплового аппарата (симметрично относительно разъема корпуса соплового аппарата) необходима для удобства собираемости конструкции при комплектации турбины, корпус которой состоит из двух половин.
Внедрение в конструкцию турбины ГТД-11ОМ сопловых лопаток второй ступени числом z=47 с разношагицей вместо z=48 с постоянным шагом позволило исключить риск возникновения возбуждающих колебаний по 47 и 48 гармоникам, что подтверждается расчетными исследованиями. Было выполнено нестационарное численное моделирование течения газа во второй ступени турбины на номинальном режиме работы двигателя. По результатам расчета выявлено влияние неравномерной расстановки сопловых лопаток в сопловом аппарате второй ступени на величину газовых сил, действующих на последующий венец рабочих лопаток в осевом направлении. Вследствие чего возникает неравномерность потока, снижающая возбуждающие колебания рабочих лопаток.
На гистограмме газовых сил (фиг. 2), полученной при выходе на установившийся расчетный режим в момент времени, соответствующий полному обороту колеса, четко видна зона прохождения рабочими лопатками области с разношагицей. По результатам расчета суммарная величина газовой силы, действующей на рабочие лопатки второй ступени, проходящие через зону, соответствующую правому полукольцу (с постоянным шагом) соплового аппарата, составила 80808 H. Суммарная величина газовой силы, действующей на рабочие лопатки второй ступени, проходящие через зону, соответствующую левому полукольцу (с переменным шагом) соплового аппарата, составила 85371 H. Из-за близкого расстояния между первым рабочим колесом и вторым сопловым аппаратом аналогичное влияние сопловой решетки профилей распространяется и вверх по потоку.
Предложенный способ позволяет сохранить принцип унификации производства. При этом шаг расстановки лопаток внутри блока остается неизменным, а шаг расстановки лопаток между блоками увеличивается.
Предложенный способ доводки соплового аппарата турбины позволяет достичь снижения возбуждающих колебаний, влияние которых приводит к разрушению рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя по замковому соединению, при несущественном изменении конструкции соплового аппарата на этапе доводки газотурбинного двигателя, что повышает надежность работы газотурбинного двигателя в течение заданного ресурса.