СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области турбостроения, в частности к сопловым лопаткам турбины высокого давления (ТВД) двигателя с противоточной камерой сгорания (КС).
Турбина высокого давления в такой схеме находится непосредственно на изгибе выходного патрубка.
Известен сопловой аппарат двухступенчатой ТВД с противоточной камерой сгорания («Технологическое обеспечение проектирования и производства газотурбинных двигателей» под редакцией Б.Н.Леонова и А.С.Новикова, изд. ОАО «Рыбинский Дом печати», 2000 г., рис. 1.26, стр. 28), содержащий сопловые лопатки, разделенные межлопаточными каналами. Для такой конструктивной схемы характерен большой поворот потока на 180° - перед сопловым аппаратом и непосредственно в самом сопловом аппарате первой ступени ТВД (СА1). При этом возникает эффект прилипания потока к корневой области проточной части за счет центробежных сил и гарантированно получается плохой угол натекания на рабочие лопатки (на корыто, вместо входной кромки), что вызывает отрыв потока на спинке рабочей лопатки и является причиной повышенного уровня потерь кинетической энергии. Самые большие потери имеют место в корневом сечении рабочей лопатки. Чем выше потери кинетической энергии, тем ниже КПД турбины.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение КПД турбины высокого давления, за счет снижения потерь кинетической энергии в рабочем колесе.
Технический результат достигается тем, что в сопловом аппарате турбины, содержащем сопловые лопатки, разделенные межлопаточными каналами, в отличие от известного, раскрытие площади горла межлопаточного канала по высоте происходит от периферии ко втулке, при этом эффективный угол корневого сечения в два раза превышает эффективный угол периферийного сечения, за счет увеличенной ширины лопатки в корневом сечении относительно других сечений пера лопатки.
г
Заявляемое решение поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - вид предлагаемой конструкции СА1 ТВД с противоточной КС; фиг. 2 - вид сопловой лопатки; фиг. 3 - схема геометрических размеров профилирования турбинной решетки, где b - хорда, В - ширина, t - шаг решетки, а - минимальное расстояние от выходной кромки до спинки лопатки.
г
эф
г
Сопловой аппарат турбины (фиг. 1) содержит сопловые лопатки 1, разделенные межлопаточными каналами 2. Для снижения потерь кинетической энергии в рабочем колесе (РК), связанных с большим углом поворота потока в сопловом аппарате, предлагается изменить характер изменения раскрытия площади горла в сопловом аппарате, а именно раскрыть площадь горла (F) от периферии 3 ко втулке 4 за счет переменного по высоте эффективного угла (α=f(F)), также увеличивающегося от периферии ко втулке, так как самые большие потери кинетической энергии в РК получаются именно в корневом сечении.
г
Традиционные методы профилирования лопаточных венцов (фиг. 3), такие как постоянство циркуляции окружной скорости или постоянство эффективного угла лопатки по высоте, приводят к тому, что раскрытие площади горла соплового аппарата (а) уменьшается от периферии ко втулке, как с противоточной камерой сгорания, или остается постоянной, как в турбинах с прямоточными камерами сгорания. Поэтому угол потока на выходе из соплового аппарата постоянен по высоте или изменяется незначительно и примерно равен 15…18°.
Для уменьшения угла поворота потока в корневом сечении необходимо изменить характер распределения эффективного угла по высоте за счет раскрытия площади горла от периферии ко втулке. Согласно расчетам, изменение эффективного угла следующим образом:
периф
α - 13°
ср. сеч.
α - 15°
втулка
α - 26°
г втулки
г
периф
приводит к тому, что раскрытие площади горла втулки становится больше раскрытия площади горла периферии примерно в 2 раза - а/а≈2.
Для того, чтобы избежать отрыва потока в корневом сечении 5 СА1 (фиг. 2), оно выполняется с увеличенной шириной относительно остальных сечений, при этом хорды в сечениях примерно одинаковы, что сохраняет аэродинамическое качество лопатки.
г втулки
г
периф
Как показывают расчеты снижение потерь кинетической энергии в рабочем колесе при профилировании сопловых лопаток с отношением раскрытия площади горла на втулке к раскрытию площади горла на периферии приблизительно равным 2 (а/а≈2) составляет ~1% (с 6,8% до 5,7%), что приводит к выигрышу по КПД ТВД в ~0,5%.
Таким образом, предложенная конструкция соплового аппарата позволяет повысить КПД турбины высокого давления.