ОСЕВАЯ ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE AXIAL FLOW TURBINE

Изобретение относится к осевым турбинам газотурбинных двигателей авиационного или наземного применения, в частности к устройствам регулирования зазора между торцом рабочей лопатки и статором турбины.
Известен ряд решений, направленных на уменьшение радиального зазора между торцом подвижной рабочей лопатки и элементами статора турбины с использованием поджатия элементов статора к торцам рабочей лопатки.
Известно устройство для уплотнения зазора ступени паровой турбины (RU 2211975, опубл. 10.09.2003 г., МПК F16J 15/44, F01D 11/08), содержащее обечайку статора с кольцевой камерой, установленные в камере сегменты уплотнения - надроторные вставки и пружины, поджимающие надроторные вставки к торцам рабочих лопаток.
Недостатком предложенного решения является, во-первых, наличие пружин, работающих при температурах выше температуры отпуска материала пружин. В современных турбинах газотурбинных двигателей температура рабочих газов достигает 1500 К и более, температура охлаждающего воздуха на входе в кольцевую камеру для первых ступеней турбины составляет более 600 К. При этом детали, образующие проточную часть, нагреваются до 900 К и более, а максимальная рабочая температура у современных металлических пружин составляет 500-600 К, для некоторых материалов - кратковременно 700 К.
Во-вторых, предложенный способ уменьшения истирания торцов лопаток и надроторных вставок на переходных и критических режимах путем разъединения кольцевой полости с пространством перед рабочими лопатками и соединения кольцевой полости с пространством за рабочими лопатками работает тогда, когда рабочая лопатка уже коснулась надроторной вставки и ее торец движется по поверхности надроторной вставки. При этом сброс давления в кольцевой полости происходит не мгновенно, а за некоторое время. И все это время надроторная вставка прижата с некоторым усилием к торцу лопатки, в ходе чего происходит износ контактных поверхностей, что увеличивает радиальный зазор между торцом и надроторной вставкой на основных режимах работы турбины.
В варианте устройства динамического контроля радиального зазора компрессора (WO 9607018, опубл. 07.03.96, МПК F01D 5/20, 11/08) надроторные вставки поджимаются к торцам лопаток, в том числе воздухом, обеспечивая тем самым номинальное значение радиального зазора. Регулирование радиального зазора на переходных и критических режимах работы осевой турбины осуществляется изменением давления в районе торца лопатки: специальная выемка на торце лопатки изменяет направление силы, возникающей от динамического давления, и тем самым смещает надроторную вставку, что приводит к увеличению радиального зазора; при величине радиального зазора больше номинального значения возрастает расход воздуха через радиальный зазор, при этом уменьшается динамическое давление, что приводит к уменьшению радиального зазора.
Недостатком предложенного устройства применительно к осевым газовым турбинам является то, что компрессорная лопатка за счет подводимой работы сжимает поток, за счет чего возрастает динамическое давление, используемое для смещения надроторной вставки в сторону увеличения радиального зазора. Турбинная лопатка воспринимает энергию потока, при этом динамический напор уменьшается, что не позволяет противодействовать более высокому давлению, прижимающему надроторные вставки к торцам лопаток.
Задачей изобретения является повышение межремонтного срока службы газотурбинного двигателя.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является обеспечение малых зазоров на всех режимах, учитывая погрешность изготовления деталей, разницу тепловых расширений деталей и эксцентриситета ротора турбины, и при этом сохранение малого износа торцов рабочих лопаток и надроторных вставок, тем самым увеличение времени эксплуатации турбины с максимальным КПД и мощностью.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известной осевой турбине газотурбинного двигателя, содержащей наружный корпус с установленными в нем неподвижными лопатками и надроторными вставками, образующими с корпусом по меньшей мере одну полость наддува, соединенную с системой подвода охлаждающего воздуха, а также ротор с рабочими лопатками, имеющими профильную часть, ограниченную вогнутой и выпуклой поверхностями, по предложению надроторная вставка в своей проекции, перпендикулярной к рабочей лопатке, выполнена в форме параллелограмма, у которого две параллельные стороны имеют длину (0,3…1,1)b и перпендикулярны оси ротора турбины, а другие стороны наклонены от оси ротора турбины на угол 30…80° в сторону вращения рабочих лопаток, где b - максимальное расстояние между вогнутыми поверхностями рабочих лопаток в их плоскости вращения.
С целью снижения повреждаемости рабочих лопаток и надроторных вставок на торце рабочей лопатки осевой турбины со стороны выпуклой поверхности профильной части и, по меньшей мере, на участке максимального прогиба профиля может быть выполнен уклон протяженностью (1…5)h вдоль толщины профиля лопатки, где h - высота уклона вдоль высоты рабочей лопатки.
Изготовление надроторной вставки в виде параллелограмма с двумя сторонами, перпендикулярными оси вращения турбины и имеющими размер, равный (0,3…1,1)b, позволяет использовать разницу давлений газа, возникающую в межлопаточном канале, образованном соседними рабочими лопатками. Изготовление заявленной надроторной вставки со сторонами, имеющими размер меньше указанного диапазона, приведет к необоснованному усложнению конструкции стыков между соседними надроторными вставками. Также наличие многочисленных зазоров между соседними надроторными вставками увеличит перетечки газа по ним из области турбины перед рабочими лопатками в область турбины за рабочими лопатками. При этом перетекаемый газ не будет совершать полезной работы, что приведет к уменьшению мощности и КПД турбины. Изготовление надроторной вставки с рассматриваемыми сторонами и имеющими размер больше указанного диапазона приведет к исчезновению эффекта от разницы давлений в межлопаточном канале, на использовании которого основывается данное изобретение.
Наклон сторон параллелограмма в направлении вращения рабочих лопаток позволяет использовать разницу давлений возле выпуклой и вогнутой поверхностей рабочей лопатки с целью смещения надроторной вставки таким образом, что радиальный зазор между надроторной вставкой и торцом рабочей лопатки, приближающейся к ней, увеличивается на величину, достаточную для предотвращения удара периферии рабочей лопатки о края надроторной вставки. Наклон сторон параллелограмма против направления вращения наоборот приведет к уменьшению радиального зазора в момент подхода рабочей лопатки к надроторной вставке, что может привести к касанию деталей друг о друга, их повышенному износу и, возможно, к поломкам; при этом радиальный зазор в момент схода рабочей лопатки с надроторной вставки увеличивается, что приведет к неоправданным потерям мощности и КПД турбины. Угол наклона сторон надроторной вставки к оси ротора турбины выбирается из диапазона 30…80°. При значении угла больше 80° надроторная вставка получается вытянутой по окружности, что приведет к значительным термическим деформациям и изменению формы надроторной вставки, что, в свою очередь, приведет к растрескиванию этой детали и выходу ее из строя, также возможно заклинивание надроторной вставки между сопряженными с ней деталями статора осевой турбины. Большое значение угла наклона сторон надроторной вставки приведет к сложностям охлаждения острых углов надроторной вставки, их прогару и к возможному разрушению турбины. Изготовление надроторной вставки с наклоном сторон меньше 30° приведет к резкому снижению используемого эффекта от разности давлений вокруг рабочей лопатки до полного его отсутствия у надроторной вставки, имеющей прямоугольную форму проекции в плоскости, перпендикулярной к рабочей лопатке.
Наличие уклона протяженностью (1…5)h на торце рабочей лопатки со стороны выпуклой поверхности профильной части позволяет гарантировать безударное взаимодействие надроторной вставки с набегающей на нее рабочей лопаткой. Для рабочих лопаток, имеющих сильный изгиб профиля, достаточно выполнение уклона только на участке максимальной кривизны профиля. Рабочая лопатка с уклоном протяженностью менее одной высоты данного уклона в работе аналогична рабочей лопатке без уклона, но при этом стоит дороже за счет технологических операций, связанных с выполнением уклона. Создание уклона с протяженностью более пяти высот приводит к тому, что уклон выходит за пределы периферийного профиля рабочей лопатки и увеличивает радиальный зазор между торцом рабочей лопатки и надроторной вставкой.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - схема осевой турбины;
Фиг. 2- схема взаимного расположения рабочих лопаток и надроторных вставок;
Фиг. 3 - схема участков давлений;
Фиг. 4 - схема изменения радиального зазора и вариант исполнения рабочей лопатки.
Осевая турбина газотурбинного двигателя состоит из наружного корпуса 1 и ротора, состоящего из вала 2 турбины, диска 3 и рабочих лопаток 4. К наружному корпусу крепятся неподвижные лопатки 5 и надроторные вставки 6. Наружный корпус 1 и надроторные вставки 6 образуют кольцевую полость наддува 7, соединенную с системой подвода охлаждающего воздуха при помощи труб 8. Профильная часть рабочей лопатки 4 ограничена выпуклой поверхностью 9, вогнутой поверхностью 10, поверхностями входной кромки 11 и выходной кромки 12. Также рабочая лопатка на периферии профиля имеет торец 13. В надроторной вставке 6 различают: две параллельные стороны 14, перпендикулярные оси ротора турбины; две параллельные стороны 15, наклоненные к оси ротора турбины под углом α; поверхность 16, обращенную к рабочей лопатке 6, и поверхности 17, обращенные к полости наддува 7. Торец 13 рабочей лопатки 4 и поверхность 16 надроторной вставки 6 образуют радиальный зазор δ. Надроторные вставки 6 устанавливаются в наружный корпус 1 с некоторым зазором η между сторонами 15 соседних надроторных вставок. На торце 13 рабочей лопатки 4, при необходимости, со стороны выпуклой поверхности 9 профиля выполняется уклон 18.
Работа осевой турбины с регулированием радиального зазора заключается в следующем.
2
2
2
1
2
1
2
Для охлаждения элементов статора турбины, а также для регулирования радиального зазора δ между надроторной вставкой 6 и торцом 13 рабочей лопатки 4, в кольцевую полость 7 подается охлаждающий воздух. Давление охлаждающего воздуха распределено равномерно по всем поверхностям кольцевой полости 7, в том числе и по поверхностям 17 надроторной вставки 6. Возникающая при этом сила прижимает надроторную вставку к торцу 13 рабочей лопатки 4 и уменьшает радиальный зазор δ. Со стороны проточной части турбины на поверхность 16 надроторной вставки 6 действует давление газа, результирующая сила от которого направлена на увеличение радиального зазора δ. Надроторная вставка, находящаяся в равновесии под действием описанных сил, занимает некоторое номинальное положение, соответствующее линии 20, при этом устанавливается номинальное значение радиального зазора δ. За счет изменения давления охлаждающего воздуха в кольцевой полости 7 возможна регулировка номинального значения радиального зазора δ в зависимости от режимов работы турбины. Локальное изменение радиального зазора должно учитывать отклонения от номинальных размеров и форм деталей осевой турбины, изгиб ротора за счет допустимых значений дисбаланса, переходные режимы работы турбины и ряд других частных факторов. Компенсация этого изменения осуществляется следующим образом. В межлопаточном канале, образованном рабочими лопатками 4, поток газа имеет различное давление, вследствие чего возникает результирующая сила, действующая на рабочую лопатку и создающая крутящий момент на валу 2 ротора осевой турбины. Давление газа в межлопаточном канале распределено следующим образом: возле выпуклой поверхности 9 рабочей лопатки 4 давление газа ниже, чем возле вогнутой поверхности 10. В межлопаточном канале можно выделить условную границу 19, разделяющую зону высокого давления газа, расположенную на входе в межлопаточный канал и возле вогнутой поверхности 10 рабочей лопатки, от зоны низкого давления газа, расположенной возле выпуклой поверхности 9 соседней рабочей лопатки и на выходе из межлопаточного канала. Отношение средних значений давлений в выделенных зонах для современных осевых турбин равно, примерно, двум и более. Форма надроторной вставки 6 такова, что две параллельные между собой стороны расположены вдоль условной границы 19 и при этом имеют угол наклона α к оси ротора. При нахождении торца 13 рабочей лопатки (для дальнейшего удобства объяснения работы обозначим эту рабочую лопатку k) примерно по середине поверхности 16 надроторной вставки (обозначим надроторную вставку n) на участок поверхности 16, расположенный у входа в межлопаточный канал, будет действовать разница между высоким и низким давлениями - избыточное давление ΔР. Сила, образованная избыточным давлением ΔР, приведет к смещению точки приложения силы от давления газов относительно точки приложения силы от давления охлаждающего воздуха. Возникающий при этом момент будет смещать участок надроторной вставки n от номинального расположения 20 таким образом, что радиальный зазор между торцом 13 рабочей лопатки k при заходе ее на надроторную вставку n будет увеличен. Что предотвратит удар лопатки k о надроторную вставку n. При дальнейшем движении рабочей лопатки вдоль надроторной вставки момент будет изменяться от нулевых значений, когда надроторная вставка находится сразу над двумя рабочими лопатками, до максимального значения, зависящего от размеров надроторной вставки и разницы давлений в межлопаточном канале, соответствующего положению рабочей лопатки посередине надроторной вставки. Смещение надроторной вставки под действием момента происходит вокруг оси, расположенной вдоль профиля торца рабочей лопатки.
1
2
Наличие уклона 18 на торце лопатки позволяет уменьшить повреждения рабочей лопатки и надроторной вставки в случаях, когда радиальный зазор между торцом 13 рабочей лопатки k при заходе ее на надроторную вставку n будет слишком мал или отсутствовать полностью, что, например, возможно при заедании надроторной вставки в корпусе 1 турбины.
Таким образом, применение конструктивных усовершенствований в турбине позволяет обеспечить малые зазоры на всех режимах, учитывая погрешность изготовления деталей, разницу тепловых расширений деталей и эксцентриситета ротора турбины, и при этом сохранить малый износ торцов рабочих лопаток и надроторных вставок, тем самым увеличить время эксплуатации турбины с максимальным КПД и мощностью.