РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
MOVING BLADE OF GAS-TURBINE ENGINE TURBINE

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, а именно к рабочим лопаткам турбины.
Известны полочные лопатки турбины, контактирующие между собой по боковой поверхности верхних полок.
Известна рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая профильную часть, ограниченную выпуклой и вогнутой поверхностями, замок, нижнюю полку и верхнюю торцевую бандажную полку с размещенным на ней, по меньшей мере, одним зубцом лабиринтного уплотнения и имеющая сквозную полость для охлаждающего воздуха, бандажная полка выполнена в виде параллелограмма, две стороны которого ориентированы в направлении вращения, а две другие имеют противоположно направленные вырезы с контактными поверхностями и охватывающими их компенсаторами напряжений. См. А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. Газотурбинные двигатели.  Пермь, ОАО «Авиадвигатель», 2007, с.470-473.
В известной рабочей лопатке расход охлаждающего воздуха через лопатку определяется радиальным зазором между вершинами второго и третьего зубцов лабиринта. Поэтому нельзя увеличить расход воздуха с целью улучшения охлаждения пера лопатки без увеличения радиального зазора. При увеличении радиального зазора его гидравлическое сопротивление уменьшается и становится меньше, чем гидравлическое сопротивление зазора между боковыми зигзагообразными поверхностями бандажной полки. Из-за этого уменьшается расход охлаждающего воздуха через боковые зазоры и возможен подсос горячих газов основного потока, что приведет к перегреву бандажной полки и особенно контактных площадок. Тем самым снизится надежность работы контактных площадок и при увеличенном радиальном зазоре снизится герметичность трехзубого лабиринтного уплотнения до эффективности однозубого лабиринтного уплотнения.
Наличие дополнительных гребней приводит к увеличению нагрузки в корневых сечениях лопатки, что приводит к увеличению массы лопатки и диска. При выполнении маневров летательным аппаратом на лопатку будут действовать дополнительные инерционные нагрузки, что приводит к деформациям ротора. Для предотвращения касаний ротора о статор необходимо в первую очередь увеличить радиальные зазоры над рабочими лопатками либо увеличить жесткость ротора путем увеличения толщин, а следовательно, массы. При увеличении радиального зазора эффективность трех зубцов лабиринтного уплотнения на бандажной полке снижается до эффективности однозубого лабиринтного уплотнения.
Таким образом, применение одного зубца лабиринтного уплотнения с приемлемым гидравлическим сопротивлением является обоснованным при увеличении интенсивности охлаждения самой лопатки и уменьшении ее массы с целью уменьшения деформации всего ротор, что актуально для высоконагруженных газотурбинных двигателей маневренных летательных аппаратов. Однако применение одного зубца лабиринтного уплотнения негативно сказывается на охлаждении контактных поверхностей бандажной полки и, как следствие, уменьшается ресурс работы рабочей лопатки, что требует снятие двигателя с самолета и его переборку.
Задачей изобретения является повышение межремонтного срока службы двигателя.
Ожидаемым техническим результатом является повышение ресурса работы вращающейся лопатки за счет эффективности охлаждения ее бандажной полки.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известная рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая профильную часть, ограниченную выпуклой и вогнутой поверхностями, замок, нижнюю полку и верхнюю торцевую бандажную полку с размещенным на ней, по меньшей мере, одним зубцом лабиринтного уплотнения, имеющая сквозную полость для охлаждающего воздуха, бандажная полка выполнена в виде параллелограмма, две стороны которого ориентированы в направлении вращения, а две другие имеют противоположно направленные вырезы с контактными поверхностями и охватывающими их компенсаторами напряжений, по предложению бандажная полка снабжена подпорным и управляющим ребрами, подпорное ребро выполнено между компенсаторами напряжений длиной (0,7…0,9)H и на расстоянии (0,1…0,9)L от вершины выреза, а управляющее ребро выполнено по боковой кромке бандажной полки со стороны выпуклой поверхности профильной части между компенсатором напряжения и зубцом лабиринтного уплотнения высотой (0,7…0,85)h высоты зубца уплотнения, при этом высота компенсаторов напряжения и подпорного ребра соответственно составляет (1…2)d и (1,5…3)d, где H - расстояние между компенсаторами напряжений; L - расстояние от вершины выреза до задней стороны бандажной полки, ориентированной в направлении вращения; h - высота зубца уплотнения; d - толщина бандажной полки.
С целью уменьшения массы рабочей лопатки по углам верхней торцевой бандажной полки могут быть выполнены скосы.
Для улучшения истечения охлаждающего воздуха через зазор между соседними бандажными полками направляющее ребро выполняется наклонным от радиального направления ротора турбины на угол α не более, чем 30° в сторону выпуклой поверхности лопатки.
Наличие подпорного ребра между компенсаторами напряжений позволяет сформировать потоки охлаждающего воздуха, выходящего из внутренней сквозной полости лопатки, таким образом, чтобы поток омывал компенсаторы напряжений и тем самым охлаждал их. Для этого подпорное ребро выполняется длиной 0,7…0,9 расстояния между компенсаторами напряжений, тем самым образует проемы между подпорным ребром и компенсатором. В данные проемы и направляется охлаждающий воздух. При этом если увеличить ширину проемов, т.е. сократить длину ребра до размеров меньше 0,7H, то скорость потока, омывающего компенсаторы с внешней стороны, будет недостаточно высокой, что скажется на уменьшении коэффициента теплоотдачи и эффективности охлаждения компенсаторов. При увеличении длины подпорного ребра свыше 0,9H проемы уменьшаются и возрастают их гидравлическое сопротивление и потери энергии потока, при этом большая часть охлаждающего воздуха перетекает через ребро и не участвует в охлаждении компенсаторов. Высота подпорного ребра также влияет на поток воздуха, омывающего компенсаторы напряжений: при выполнении ребра высотой ниже 1,5 толщины d бандажной полки гидравлическое сопротивление над ребром будет незначительным и воздух пойдет в этом направлении. При увеличении высоты подпорного ребра выше 3d возможны касания ребром статора турбины, приводящие к разрушению лопатки, масса ребра возрастает при незначительном росте охлаждения компенсаторов напряжений. Также увеличение высоты подпорного ребра приведет к росту гидравлического сопротивления и уменьшению расхода охлаждающего воздуха через лопатку, что приведет к ее перегреву. Расстояние от вершины выреза до подпорного ребра выбрано таким образом, чтобы направление потока воздуха максимально повторяло кривизну поверхности компенсаторов напряжений и при этом скорость этого потока возле омываемых поверхностей была неизменной, что гарантирует равномерность охлаждения и отсутствие термических напряжений в конструкции. При размещении ребра на расстоянии, меньшем чем 0,1L, омываемая поверхность компенсаторов напряжений будет недостаточно большой для охлаждения. Также расположение проема, образованного подпорным ребром и компенсатором напряжений, выполненным со стороны выпуклой поверхности профиля лопатки, не обеспечит затекание охлаждающего воздуха в него со стороны задней кромки бандажной полки. А при увеличении расстояния более 0,9L потоки вдоль поверхностей компенсаторов напряжений не формируются.
Управляющее ребро служит для организации охлаждения поверхностей, образующих зазор между соседними бандажными полками, путем создания необходимого гидравлического сопротивления в зазоре, образованном самим ребром и статором турбины, а также дополнительным сжатием охлаждающего воздуха в районе зазора, образованного соседними бандажными полками. Дополнительное сжатие уменьшает перепад давления газов между полостью над бандажной полкой и под ней - в основном тракте турбины. Управляющее ребро выполняется высотой 0,7…0,85 от высоты h зубца уплотнения. При выполнении управляющего ребра больше указанного диапазона значительно возрастает сопротивление потоку над бандажной полкой, что приводит к снижению КПД турбины. При этом возможно касание ребром статора турбины, а так как ребро расположено вдоль оси вращения, то касание будет происходить по всей длине ребра, что будет сопровождаться суммарной ударной нагрузкой, приводящей к поломке всей бандажной полки и выходе из строя лопатки с последующей поломкой всего двигателя. При выполнении управляющего ребра ниже 0,7h гидравлическое сопротивление над ребром будет ниже, чем гидравлическое сопротивление зазора между соседними бандажными полками, и противодавления основного потока в межлопаточном канале, вследствие чего охлаждающий воздух пойдет над ребром и не будет проникать в зазор.
Наклон управляющего ребра в сторону выпуклой поверхности лопатки позволяет повысить плавность затекания охлаждающего воздуха в зазор между соседними бандажными полками, что уменьшает потери энергии охлаждающего воздуха. Увеличение наклона на угол более 30° приводит к значительному увеличению протяженности боковой поверхности со стороны выпуклой поверхности лопатки, что приведет к уменьшению локальной прочности зубца уплотнения и сколу участка зубца.
Изобретение поясняется графически:
Фиг.1 Схема рабочей лопатки с бандажной полкой.
Фиг.2 Бандажная полка. Вид сбоку.
Фиг.3 Расположение рабочих лопаток в венце. Вид сверху на бандажную полку.
Фиг.4 Вариант исполнения бандажной полки. Вид сверху.
Фиг.5 Схема течений в надбандажной полости.
Рабочая лопатка турбины состоит из профильной части 1, образованной выпуклой 2 и вогнутой 3 поверхностями, замка 4, нижней полки 5, верхней торцевой бандажной полки 6. Рабочая лопатка внутри себя имеет каналы и полости, проходящие насквозь через профильную часть, вход в которые располагается на замке лопатки, а, по крайней мере, один выход 7 располагается на внешней поверхности бандажной полки. Боковые поверхности 8 бандажной полки имеют z-образную форму, образованную вырезами с размещенными в них контактными поверхностями 9. В местах контактных поверхностей бандажная полка имеет утолщения - компенсаторы напряжений 10. На бандажной полке вдоль направления вращения лопатки размещен зубец 11 лабиринтного уплотнения. Между компенсаторами напряжений располагается подпорное ребро 12, а между зубцом лабиринтного уплотнения и компенсатором напряжения со стороны выпуклой поверхности профильной части лопатки располагается управляющее ребро 13. Бандажная полка может иметь скосы 14 на передней и задней части.
При работе турбины профильную часть 1 рабочей лопатки, ее нижнюю полку 5 и внутреннюю поверхность верхней торцевой бандажной полки 6 омывает поток высокотемпературных газов 15. По внутренним полостям лопатки течет охлаждающий воздух 16, который выдувается через выход 7 в надбандажную полость, образованную наружной поверхностью бандажной полки, зубцом 11 лабиринтного уплотнения и корпусом турбины 17. С учетом вращения рабочей лопатки и трения о корпус турбины выдуваемый охлаждающий воздух в надбандажной полости течет против вращения относительно рабочей лопатки. Подпорное ребро 12 препятствует выходу охлаждающего воздуха из надбандажной полости вдоль оси вращения. Часть охлаждающего воздуха устремляется в проем, образованный подпорным ребром и компенсатором напряжений 10, расположенным со стороны вогнутой поверхности 3 рабочей лопатки, и охлаждает его. Часть этого воздуха уходит в проточную часть турбины, а часть попадает в проем, образованный подпорным ребром и компенсатором напряжений, расположенным со стороны выпуклой поверхности 2 рабочей лопатки, охлаждая его. Часть охлаждающего воздуха, выдуваемого из выхода 7 полости охлаждения лопатки, течет вдоль зубца 11 лабиринтного уплотнения. За счет гидравлического сопротивления зазора между корпусом турбины и управляющим ребром 13, а также за счет локального увеличения давления воздуха перед управляющим ребром часть охлаждающего воздуха устремляется в зазор, образованный боковыми поверхностями 8 бандажных полок соседних лопаток. Этот воздух охлаждает омываемые боковые поверхности 8 и образует тепловую завесу на внутренней поверхности бандажной полки, тем самым препятствует подводу тепла от высокотемпературных газов к контактным поверхностям 9.
Таким образом, представленная конструкция бандажной полки рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя за счет наличия и расположения ребер на внешней поверхности бандажной полки позволяет организовать необходимое охлаждение контактных поверхностей и компенсаторов напряжений, что увеличивает ресурс работы лопатки турбины двигателя при сохранении потребного расхода воздуха через систему охлаждения рабочей лопатки и несущественном увеличении массы как бандажной полки, так и рабочей лопатки в целом.