Сопловой аппарат турбины высокого давления
NOZZLE APPARATUS OF HIGH-PRESSURE TURBINES

Предложение относится к турбостроению и может быть использовано в высокотемпературных газовых турбинах, более конкретно относится к конструкциям сопловых аппаратов турбин высокого давления с температурой перед турбиной Т3* более 1850K.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сопловой аппарат турбины высокого давления, содержащий перо лопатки, ограниченное входной и выходной кромками, наружную и внутреннюю полки, внутреннее кольцо и наружное кольцо, установленные на внутренней полке с образованием между ними кольцевой щели нижней воздушной завесы
/RU 151769 U1, МПК F01D 9/02, Опубликовано: 20.04.2015/.
Недостатком такой сопловой лопатки является охлаждение в районе входной кромки в корневом сечении лопатки. Охлаждение вышеуказанных элементов осуществляется через щель на кольце нижней воздушной завесы и перфорацию на полке. Поскольку газовый поток очень быстро размывает защитную пеленку воздуха, такое охлаждение является недостаточным. Кроме того, щель на кольце нижней воздушной завесы, вследствие температурной деформации колец, изменяет свои размеры, что приводит к неравномерности охлаждения и происходят прогары входной кромки и обгар полки щели на кольце нижней воздушной завесы.
Задача изобретения - разработать усовершенствования, позволяющие эффективно охладить входную кромку сопловой лопатки в корневом сечении и внутреннюю полку в районе входной кромки.
Ожидаемый технический результат - повышение эффективности охлаждения, повышение стойкости нижней полки, оптимизация расхода охлаждающего воздуха.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известный сопловой аппарат турбины высокого давления, содержащий перо лопатки, ограниченное входной и выходной кромками, наружную и внутреннюю полки, внутреннее кольцо и наружное кольцо, установленные на внутренней полке с образованием между ними кольцевой щели нижней воздушной завесы, по предложению, сопловой аппарат снабжен ребрами, выполненными на внутреннем кольце, ребра равномерно установлены по периметру кольцевой щели, при этом отношение площади щели для прохода охлаждающего воздуха к ее общей площади с учетом загромождения площади ребрами равно 0,8…0,9, а отношение высоты ребра к ширине паза между ребрами равно 0,16…0,20. В предложенном решении предложено зафиксировать отношение площади щели для прохода охлаждающего воздуха к суммарной площади с учетом загромождения ребрами, в результате исключаются прогары входной кромки и обгар полки.
Оптимальное отношение площади щели для прохода охлаждающего воздуха к суммарной площади с учетом загромождения ребрами, при котором охлаждение становится оптимальным и прогары практически исключаются, равно 0,8…0,9, при отношении высоты ребра к ширине паза между ребрами, равном 0,16…0,20.
При соотношении менее 0,8 возможно затенение участков на внутренней полке сопловых лопаток, что приведет к их обгару, а при соотношении более 0,9 возможна деформация стенки наружного кольца и уменьшение площади для прохода воздуха. Также установлено, что при отношении высоты ребер к ширине паза между ребрами, меньшем 0,16, происходит прикрытие щели кольцевым пояском наружного кольца, что приводит к прогибу наружного кольца и уменьшению расхода воздуха, подаваемого на охлаждение внутренних полок сопловых лопаток. При отношении большем 0,2 наблюдается повышенный расход воздуха на внутренней полке сопловых лопаток, что приводит к уменьшения расхода воздуха, подаваемого на охлаждение пера сопловых лопаток и рабочих лопаток.
Фиг. 1 - проточная часть соплового аппарата турбины высокого давления.
Фиг. 2 - сечение А-А по ребрам внутреннего кольца.
Сопловой аппарат турбины высокого давления состоит из сопловых лопаток 1 с входной 2 и выходной кромками 3, внутренней полки 4, наружной полки 5 и внутреннего кольца 6, наружного кольца 7, образующие между ними кольцевую щель 8 нижней воздушной завесы. Сопловой аппарат снабжен ребрами 9, выполненными на внутреннем кольце, ребра 9 равномерно установлены по периметру кольцевой щели 8, при этом отношение площади щели для прохода охлаждающего воздуха к ее общей площади с учетом загромождения площади ребрами равно 0,8…0,9, а отношение высоты ребра к ширине паза между ребрами равно 0,16…0,20.
При работе газовый поток проходит в канале, образованном выпуклой кромкой и вогнутой кромкой пера 1, наружной полки 5 и внутренней полки 4. Охлаждающий воздух проходит между ребрами 9 внутреннего кольца 5 и подается на входную кромку 2 и накрывает наружную поверхность внутренней 4 полки в районе входной полки. Отношение площади щели 8 для прохода охлаждающего воздуха к суммарной площади с учетом загромождения ребрами площади, а отношение высоты ребра к ширине паза между ребрами находится в пределах соответственно в пределах h*s*N/πD*h=0,8…0,9 и h/s=0,16…0,20, где h - высота ребра; s - ширина паза между ребрами; N - количество пазов; πD - длина кольцевой щели.
Применение изобретения позволяет повысить эффективность охлаждения, повысить стойкости нижней полки, оптимизировать расхода охлаждающего воздуха и обеспечить устойчивость стенки наружного кольца на всех режимах.