Надроторная вставка газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно к надроторным вставкам газотурбинных двигателей, и может быть использована в конструкциях высокотемпературных газовых турбин и компрессоров.
Форсирование удельных параметров турбин авиационных газотурбинных двигателей и стационарных установок вызывает повышенные требования к системам охлаждения (СО) турбинных лопаток и дальнейшее усложнение СО.
В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используются СО, где рабочим телом служит воздух, отбираемый из-за компрессора и поступающий в каналы различной конфигурации, расположенные в пере лопатки. Наибольшее распространение получили так называемые «конвективно-пленочные» СО, где сочетается организация защитной пелены воздухом, вытекающим из отверстий перфорации, и конвективное охлаждение воздухом в соответствующих каналах внутри пера лопатки. В такой СО охлаждающий воздух, двигаясь по каналам СО, в результате конвективного охлаждения внутренних стенок лопатки нагревается, затем часть его отводится через отверстия перфорации, создавая защитную пелену наружной поверхности лопатки, часть вытекает через торцевые отверстия и часть выходит через щели выходной кромки. Воздух, вытекающий из отверстий перфорации должен преодолевать давление газа, обтекающего профиль пера лопатки. Этот воздух отбирается из-за последних ступеней компрессора высокого давления и имеет соответственно высокую температуру, что снижает его хладоресурс, необходимый для конвективного охлаждения. При этом его температура достаточно низкая для создания защитной пелены по сравнению с температурой газа, обтекающего профиль лопатки. Воздух для конвективного охлаждения внутренних стенок лопатки должен иметь температуру как можно более низкую, но при этом давление будет также соответственно низким, что приводит к возникновению проблемы отвода охлаждающего воздуха. Для решения этой проблемы СО должна быть выполнена по меньшей мере двухконтурной, один из контуров которой обеспечивает возможность отвода охлаждающего воздуха низкого давления за пределы проточной части в область пониженного давления через торец лопатки за корпус турбины.
Известен уплотнительный узел газовой турбины (RU 2455497, 2012 г.), выполненный в виде плоского кольца, включающего основание и стенки, закрепленные на противоположных торцах основания, причем стенки параллельны между собой и направлены в сторону оси вращения ротора и образуют П-образный кольцевой канал. В известном техническом решении П-образный кольцевой канал предназначен для размещения уплотнения, выполненного в виде листовых пластин.
Известна надроторная вставка газотурбинного двигателя, включающая крышку (RU 124312, 2013 г.), представляющую собой основание, выполненное в виде плоского кольца, состоящего из двух последовательно соосно расположенных частей, установленных с возможностью осевого перемещения, средство крепления кольца, выполненное в виде фланцев, расположенных на обращенных друг к другу торцах соответствующих частей кольца и направленных в сторону, противоположную оси вращения ротора и предназначенных для жесткого соединения частей кольца между собой, причем части кольца образуют при соединении между собой канал, предназначенный для размещения конца лопатки ротора турбины. В известном техническом решении крышка предназначена для размещения в ней системы для подвода воздуха, а канал выполнен в виде желоба, предназначенного для размещения бандажной полки лопатки.
Существенным недостатком известных технических решений является невозможность их использования для отвода охлаждающего воздуха через торец полой охлаждаемой лопатки ротора турбины.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является надроторная вставка газотурбинного двигателя (RU 2169846, 2001 г.), включающая крышку, представляющую собой основание, выполненное в виде плоского кольца со сквозными отверстиями, расположенными по его окружности, и установленного с возможностью осевого перемещения, и средство крепления кольца. В известном техническом решении плоское кольцо представляет собой набор сегментов с размещенными в стыках герметизирующими уплотнениями. Средство крепления плоского кольца выполнено в виде Г-образных ребер с выступами, предназначенными для взаимодействия со средством крепления кольца. Герметичность крышки обеспечивается уплотнениями, размещенными в стыках между сегментами кольца, и кольцевым уплотнением, размещенным в пазу, образованном выступами Г-образных ребер и средством крепления кольца. Один из вариантов выполнения известного технического решения предполагает наличие П-образного кольцевого канала, предназначенного для размещения конца полой охлаждаемой лопатки ротора турбины, образованного размещенными симметрично относительно основания неподвижными лопатками, закрепленными на статоре двигателя. При этом каждая лопатка статора имеет конструкцию, играющую роль кожуха, окружающего концы рабочих полых охлаждаемых лопаток ротора турбины.
Наличие зазоров между неподвижными лопатками статора приводит к снижению эффективности отвода части охлаждающего воздуха низкого давления через торец полой лопатки за пределы проточной части в область пониженного давления корпуса турбины. Выполнение кольца в виде набора сегментов с дополнительными герметизирующими уплотнениями значительно усложняет конструкцию, что приводит к увеличению трудоемкости сборки. Кроме того, в известном техническом решении не рассматривается вопрос установки замыкающего сегмента кольца.
Таким образом, существенными недостатками известного технического решения являются ограниченная возможность его применения, обусловленная сложностью конструкции, которая предполагает наличие неподвижных лопаток, закрепленных на статоре, причем в данном случае недостатком является также низкая эффективность отвода охлаждающего воздуха низкого давления через торец полой лопатки за пределы проточной части в область пониженного давления корпуса турбины.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении эффективности надроторной вставки.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в обеспечении возможности охлаждения полой лопатки ротора турбины воздухом с пониженной температурой и давлением.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что надроторная вставка газотурбинного двигателя включает крышку, представляющую собой основание, выполненное в виде плоского кольца со сквозными отверстиями, расположенными по его окружности, и установленного с возможностью осевого перемещения, и средство крепления кольца. Вставка снабжена стенками и фланцами, кольцо выполнено в виде двух последовательно соосно расположенных частей, стенки выполнены на соответствующих частях кольца перпендикулярно основанию и направлены в сторону оси вращения ротора, фланцы расположены на обращенных друг к другу торцах соответствующих частей кольца, направленны в сторону, противоположную оси вращения ротора и предназначены для жесткого соединения частей кольца между собой, причем при соединении частей кольца между собой стенки образуют П-образный кольцевой канал, предназначенный для размещения ребер бандажной полки полой охлаждаемой лопатки ротора турбины.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как выполнение кольца в виде двух последовательно соосно расположенных частей, выполнение стенок на соответствующих частях кольца перпендикулярно основанию и направленных в сторону оси вращения ротора и образование стенками при соединении частей кольца между собой П-образного кольцевого канала, предназначенного для размещения ребер бандажной полки полой охлаждаемой лопатки ротора турбины, снабжение вставки фланцами, расположенными на обращенных друг к другу торцах соответствующих частей кольца, направленных в сторону, противоположную оси вращения ротора и предназначенных для жесткого соединения частей кольца между собой обеспечивает возможность охлаждения полой лопатки ротора турбины воздухом с пониженной температурой и давлением.
Предложенное техническое решение поясняется следующим подробным описанием конструкции надроторной вставки газотурбинного двигателя и ее работы со ссылкой на фиг. 1 и 2, где:
на фиг. 1 изображена схема выполнения надроторной вставки газотурбинного двигателя;
на фиг. 2 изображена крышка (изометрия) надроторной вставки газотурбинного двигателя.
На фиг. 1, 2 приняты следующие обозначения:
1 - основание;
2 - сквозные отверстия;
3 - средство крепления кольца;
4 - П-образный кольцевой канал;
5 - ребра бандажной полки;
6 - полая охлаждаемая лопатка;
7 - части кольца;
8 - стенки;
9 - фланцы;
10 - торцевой канал полой охлаждаемой лопатки.
Надроторная вставка включает крышку, представляющую собой основание 1, выполненное в виде плоского кольца со сквозными отверстиями 2 (см. фиг. 1, 2), которые расположены по окружности кольца. Основание 1 установлено с возможностью осевого перемещения относительно опорной поверхности средства 3 крепления кольца. Надроторная вставка содержит П-образный кольцевой канал 4, предназначенный для размещения ребер 5 бандажной полки полой охлаждаемой лопатки 6 турбины. Кольцо выполнено в виде двух последовательно соосно расположенных частей 7. На основании 1 соответствующих частей 7 кольца расположены стенки 8, параллельные между собой, выполненные перпендикулярно основанию 1 и направленные в сторону оси вращения ротора. На обращенных друг к другу торцах соответствующих частей 7 кольца расположены фланцы 9, направленные в сторону, противоположную оси вращения ротора. Фланцы 9 предназначены для жесткого соединения частей 7 кольца между собой. При этом стенки 8 при соединении частей 7 кольца между собой образуют П-образный кольцевой канал 4.
Надроторная вставка работает следующим образом. Части 7 кольца устанавливают последовательно соосно на наружной поверхности средства 3 крепления и соединяют друг с другом при помощи резьбового соединения (на чертеже не показано) через соответствующие фланцы 9, что значительно упрощает процесс сборки. При этом обеспечивается возможность осевого перемещения основания 1 по наружной поверхности средства 3 крепления. В результате соединения частей 7 кольца стенки 8 образуют П-образный кольцевой канал 4, в котором размещаются ребра 5 бандажной полки полой охлаждаемой лопатки 6. Монтажный зазор в П-образном кольцевом канале 4 между основанием 1, стенками 8 и соответственно ребрами 5 бандажной полки полой охлаждаемой лопатки 6 устанавливается таким, чтобы в процессе работы двигателя на всех расчетных режимах и при соответствующих взаимных перемещениях указанных конструктивных элементов, он оставался в минимально допустимых пределах, исключающих взаимное касание указанных конструктивных элементов. При прохождении охлаждающего воздуха по внутренним каналам лопаток 6 часть воздуха с более низкой температурой и давлением через торцевой канал 10 каждой полой охлаждаемой лопатки 6 поступает в верхнюю часть П-образного кольцевого канала 4 надроторной вставки. Минимальный зазор между стенками 8 и ребрами 5 бандажной полки полой охлаждаемой лопатки 6 препятствует перетеканию воздуха в контур охлаждения с более высокой температурой и давлением, и эта часть воздуха удаляется через сквозные отверстия 2 за пределы проточной части в область пониженного давления корпуса турбины.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает возможность охлаждения полой лопатки ротора турбины воздухом с пониженной температурой и давлением за счет исключения перетекания в контур охлаждения воздуха с более высокой температурой и давлением, что позволяет повысить эффективность надроторной вставки. Кроме того, предложенное техническое решение обеспечивает упрощение конструкции надроторной вставки ГТД за счет исключения секторов, герметизирующих уплотнений и Г-образных ребер с выступами.