Сопловый аппарат турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (ГТД) (варианты) и лопатка соплового аппарата ТНД (варианты)
NOZZLE ASSEMBLY OF LOW-PRESSURE TURBINE (LPT) OF GAS TURBINE ENGINE (GTE) (VERSIONS) AND BLADE OF LPT NOZZLE ASSEMBLY (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно, к сопловым аппаратам турбины низкого давления газотурбинного двигателя в составе газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата.
Известен сопловый аппарат турбины, включающий наружное и внутреннее кольца, сопловые лопатки с опорными полками. Внутреннее кольцо крепится к корпусу подшипника диафрагмой. Лопатки выполнены с выпуклой и вогнутой стенками пера. Стенки лопатки выполнены с оребрением и содержат дефлекторы с образованием охлаждающих каналов. Охлаждающий дефлектор выполнен с перфорационными отверстиями (Н.Н. Сиротин, А.С.Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 547-552).
Известен сопловый аппарат турбины, включающий сопловые лопатки с внутренними полостями, сообщенными с системой охлаждения. В сопловых лопатках размещены дефлекторы. Коллектор канала охлаждения междисковой полости турбин высокого и низкого давления отделен от внутренних полостей сопловых лопаток и соединен с входным коллектором через транзитные трубки, установленные во внутренних полостях лопаток. Сопловые лопатки сгруппированы в блоки. Транзитные трубки установлены по одной на каждый блок (RU 2450142 С1, опубл. 10.05.2012).
Известен сопловый аппарат, включающий сопловую лопатку охлаждаемой турбины, выполненную в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками. Лопатки выполнены с вогнутой и выпуклой стенками пера, содержат раздаточные полости и дефлектор с образованием охлаждающих каналов. Охлаждающий дефлектор выполнены с перфорационными отверстиями (RU 2514818 С1, опубл. 10.05.2014).
К недостаткам известных решений относятся повышенная конструктивная сложность соплового аппарата турбины, недостаточная конструктивная проработанность системы охлаждения наиболее теплонапряженных участков соплового аппарата, неадаптированность конкретно к техническим решениям ГТД газоперекачивающего агрегата, сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД и ресурса двигателя с одновременным повышением компактности и снижением материало- и энергоемкости.
Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в повышении эффективности работы и ресурса соплового аппарата ТНД стационарного газотурбинного двигателя авиационного типа в составе газоперекачивающих агрегатов для транспортировки газа или в газотурбинной электростанции.
с.л
н.к.фл.1
н.к.фл.1
Поставленная задача решается тем, что сопловый аппарат турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (ГТД) в составе газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), согласно изобретению, содержит сопловый венец, образованный из сопловых блоков, компактно смонтированных между наружным и внутренним силовыми кольцами, соединенными полыми силовыми спицами с образованием каркаса обода СА, при этом каждый из сопловых блоков собран не менее, чем из трех жестко соединенных частей, каждая из которых содержит, по меньшей мере, одну полую сопловую лопатку, выполненную за одно целое с малой и большой полками, а объединенные в блоках лопатки размещены в сопловом венце (СВ) с угловой частотой, определенной в диапазоне значений γ.=(4,46÷6,37) [ед/рад], при этом корпус наружного кольца СА выполнен полым, составным из герметично соединенных кольцевых элементов с образованием входного коллектора тракта воздушного охлаждения СА, причем два кольцевых элемента корпуса выполнены цилиндрическими, соосными с осью двигателя и разноудаленными от оси двигателя, образуют соответственно внешний и внутренний элементы корпуса, соединенные по торцам многоветвевыми в поперечном сечении фронтальным и тыльным кольцевыми элементами; фронтальный кольцевой элемент наделен двумя внешними ответвлениями, диагонально соединенными с двумя внутренними, причем одно из внешних ответвлений выполнено цилиндрическим, соосным с осью двигателя, и включает радиальный фланец для разъемного соединения с ответными фланцами наружного кольца СА ТВД и промежуточного корпуса камеры сгорания (КС) газогенератора, наделенный отверстиями под дискретные крепежные элементы, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(19,4÷27,4) [ед/рад]; другое внешнее ответвление фронтального кольцевого элемента выполнено радиальным, обращенным к оси двигателя, и снабжено открытым к сопловому венцу кольцевым пазом под ответный кольцевой выступ большой полки блоков СА ТНД, а два внутренних ответвления выполнены для соединения с внутренним и внешним кольцевыми элементами корпуса наружного кольца, при этом внешний цилиндрический элемент корпуса наружного кольца снабжен не менее чем двумя отверстиями для пропуска во входной коллектор охлаждающего воздуха, а внутренний цилиндрический элемент корпуса снабжен не менее чем одиннадцатью отверстиями для пропуска охлаждающего воздуха из входного коллектора в надэкранную часть полости под наружным кольцом и через аэропрозрачный экран к большой полке СА и в полость сопловых лопаток, причем внутреннее кольцо СА выполнено цилиндрическим, с Т-образным фронтальным и Г-образным тыльным радиальными торцевыми элементами для ограниченно подвижного соединения с торцами малой полки СВ с возможностью возвратных радиальных смещений для компенсации радиальных тепловых деформаций элементов СА, кроме того цилиндрические кольцевые элементы наружного и внутреннего колец снабжены проемами для пропуска силовых спиц и трубок транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.
н.к.фл..2
н.к.фл.2
При этом тыльный торцевой оппозитный фронтальному элемент корпуса наружного кольца СА может содержать в поперечном сечении три ветви, одна из которых соединена с внешним цилиндрическим элементом корпуса и образует тыльную торцевую стенку коллектора, другая ветвь дополняет внутренний цилиндрический элемент корпуса, а третья ветвь кольцевого элемента содержит узел посадочного зацепления кольцевым пазом ответного кольцевого выступа большой полки блоков СА ТНД и узел разъемного соединения наружного кольца СА с корпусом опоры ТНД посредством фланца, наделенного отверстиями под дискретные крепежные элементы, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой γ определенной в диапазоне γ=(10,8÷15,3) [ед/рад], при этом отверстия во фланце наружного кольца СА ТНД для разъемного соединения с ответными фланцами наружного кольца СА ТВД и промежуточного корпуса КС выполнены под крепежные элементы типа болтов, стягивающих элементы фланцевого соединения, болтов-кронштейнов для крепления закрывающего стык фланцев кожуха и призонных болтов для центрирования стыка, количественно принятых в соотношении, определенном в диапазоне значений
где  - общее количество отверстий под крепежные элементы во фланце
1нк
2нк
3нк
наружного кольца СА; N, N, N - количество отверстий под крепежные элементы типа болтов стягивающих элементы фланцевого соединения, под болты-кронштейны и призонные болты; а отверстия в тыльном фланце наружного кольца СА ТНД для разъемного соединения с ответными фланцем корпуса опоры ТНД выполнены под крепежные элементы типа болтов, стягивающих элементы фланцевого соединения, и призонных болтов для центрирования стыка фланцев, количественно принятых в соотношении, определенном в диапазоне значений
4нк
5нк
где  - общее количество отверстий под крепежные элементы в тыльном фланце наружного кольца СА; N, N - количество отверстий под
крепежные элементы типа болтов стягивающих элементы фланцевого соединения и под призонные болты.
с.л
в.к.фл.1
в.к.фл.1
в.к.фл.2
в.к.фл.2
Поставленная задача решается тем, что сопловый аппарат турбины низкого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА по второму варианту, согласно изобретению, содержит сопловый венец, образованный из сопловых блоков, компактно смонтированных между наружным и внутренним силовыми кольцами, соединенными полыми силовыми спицами с образованием каркаса обода СА, при этом каждый из сопловых блоков собран не менее, чем из трех жестко соединенных частей, каждая из которых содержит, по меньшей мере, одну полую сопловую лопатку, выполненную за одно целое с малой и большой полками, а объединенные в блоках лопатки размещены в сопловом венце с угловой частотой, определенной в диапазоне значений γ.=(4,46÷6,37) [ед/рад], при этом корпус наружного кольца СА выполнен полым, составным из герметично соединенных кольцевых элементов с образованием коллектора тракта воздушного охлаждения СА, а внутреннее кольцо СА выполнено цилиндрическим, с Т-образным фронтальным и Г-образным тыльным радиальными торцевыми элементами, причем Т-образный фронтальный элемент в периферийной части снабжен кольцевым уплотнением с примыканием к фронтальному торцу малой полки блоков СВ с возможностью возвратных радиальных смещений для компенсации разницы радиальных тепловых деформаций элементов СА, в средней части Т-образный элемент выполнен с кольцевым углублением под разъемное фланцевое соединение с кольцевым держателем крышки лабиринта с возможностью заведения торцевого бортика радиального фланца фронтальной конической диафрагмы, выполненной за одно целое с корпусом подшипника опоры ТВД, при этом отверстия под дискретные крепежные элемента разнесены по периметру указанного элемента с угловой частотой γ определенной в диапазоне γ=(5,73÷7,96) [ед/рад], а торцевая часть Т-образного элемента, обращенная к оси двигателя, выполнена образующей другое фланцевое соединение с фронтальной конической диафрагмой и снабжена отверстиями под дискретные крепежные элемента, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(5,41÷7,64) [ед/рад]; тыльный Г-образный элемент внутреннего кольца СА выполнен с радиальной полкой с двойным фланцевым соединением, периферийным из которых разъемно скреплен дискретными крепежными элементами с автономным радиальным кольцевым элементом, наделенным кольцевым уплотнением, примыкающим к тыльному торцу малой полки сопловых блоков с возможностью компенсации упомянутых возвратных смещений элементов блока СВ, а вторым фланцевым соединением радиальная полка Г-образного элемента соединена дискретными крепежными элементами со съемной конической диафрагмой - крышкой промежуточного коллектора транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД, образованного совместно с крышкой внутренним кольцом СА, фронтальной конической диафрагмой и частью корпуса подшипника опоры ТВД, причем цилиндрическая полка Г-образного элемента внутреннего кольца СА снабжена не менее двадцатью двумя отверстиями для подпитки охлаждающим воздухом полости под малой полкой блоков СА из промежуточного коллектора, кроме того цилиндрические кольцевые элементы наружного и внутреннего колец снабжены проемами для пропуска силовых спиц и трубок транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.
н.к.фл.1
н.к.фл.3
н.к.фл.4
н.к.фл.1
При этом отверстия во фланце Г-образного элемента внутреннего кольца СА для разъемного соединения с радиальным кольцевым элементом могут быть выполнены под крепежные элементы типа болтов, стягивающих элементы фланцевого соединения, разнесенными по периметру фланца с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(4,78÷6,85) [ед/рад], а отверстия во фланце Г-образного элемента внутреннего кольца СА для разъемного соединения с крышкой промежуточного коллектора выполнены под крепежные элементы разнесенными по периметру фланца с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(6,05÷8,60) [ед/рад], кроме того крышка промежуточного коллектора дополнительно наделена фланцем, которым разъемно соединена с внешней стороны с кольцевым держателем крышки лабиринта, динамически отделяющего с наддувом промежуточную полость транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД от негативных потерь рабочего тела из проточной части ТНД.
с.л.
Поставленная задача решается тем, что сопловый аппарат турбины низкого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА по третьему варианту, согласно изобретению, содержит сопловый венец, образованный из сопловых блоков, компактно смонтированных между наружным и внутренним силовыми кольцами, соединенными полыми силовыми спицами с образованием каркаса обода СА, при этом каждый из сопловых блоков собран не менее, чем из трех жестко соединенных частей, каждая из которых содержит, по меньшей мере, одну полую сопловую лопатку, выполненную за одно целое с малой и большой полками, а объединенные в блоках лопатки размещены в сопловом венце с угловой частотой, определенной в диапазоне значений γ=(4,46÷6,37) [ед/рад], а количество спиц в каркасе обода СА принято в два раза превышающем число установленных в сопловом венце блоков, изолированных от радиальных усилий в спицах каркаса с возможностью скользящей компенсации возвратных радиальных тепловых деформаций блоков СА, причем наружное кольцо СА обода выполнено с полым корпусом, наделенным двумя функциями - входного коллектора тракта воздушного охлаждения СА и бандажного силового элемента обода СА, совмещенного с опорой ТВД, к которому жестко разъемно прикреплен периферийный конец каждой спицы посредством дискретных крепежных элементов и внешней накладной плашки-втулки, конгруэнтно примыкающей к внешней поверхности ответного элемента кольца и конгруэнтно заведенной втулочной частью в соосное со спицей глухое (несквозное) углубление в указанном элементе, кроме того в наружном кольце СА полость спицы, по меньшей мере, одним поперечным отверстием сообщена с полостью входного коллектора по охлаждающему воздуху с образованием малого проходного канала тракта воздушного охлаждения спицы, при этом каждая силовая спица пропущена через наружное и внутреннее кольца, большую и малую полки СВ и через среднюю часть полости каждой крайней лопатки блока СВ, а через центральную зону полости средней лопатки каждого блока пропущена трубка транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД, кроме того каждая силовая спица на радиальном расстоянии, достаточном для размещения блока СВ, разъемно соединена корневым концом с опорным элементом внутреннего кольца СА посредством втулки с кольцевыми днищем и внешним опорным бортиком, разъемно зафиксированной в проеме опорного элемента внутреннего кольца СА, по меньшей мере, крепежным элементом типа защищенной от самораскучивания фигурной гайки и двух пар сферических шайб, установленных по обе стороны кольцевого днища втулки, при этом указанное соединение наружного и внутреннего колец СА с силовыми спицами выполнено необходимым и достаточным для совместного осуществления кольцами функции обода СА ТНД и опоры ТВД, для чего обод СА конструктивно и функционально выполнен совмещенным внутренним кольцом СА с фронтальной конической диафрагмой, выполненной за одно целое с корпусом подшипника опоры ТВД и тыльной конической диафрагмой-крышкой, совместно образующими промежуточный коллектор транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.
с.л.
о.н.
о.н.
п.д.
Поставленная задача решается тем, что лопатка соплового аппарата турбины низкого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА, согласно изобретению, выполнена полой, с аэродинамическим профилем, включающем вогнутое корыто и выпуклую спинку, сопряженные посредством входной и выходной кромок, а также выполнена за одно целое с малой и большой полками, причем сопловые лопатки объединены в сопловые блоки не менее, чем по три и размещены в сопловом венце с угловой частотой, определенной в диапазоне значений γ=(4,46÷6,37) [ед/рад], при этом лопатки установлены в сопловом блоке под углом ω навстречу потоку рабочего тела, определенным в диапазоне значений ω=(0,09÷0,13) [рад], лопатка имеет парусность, определяемую разностью между величинами хорды профиля пера прикорневого и периферийного сечений лопатки с градиентом G расхождения значений хорды, по меньшей мере, на большей части высоты лопатки - в интервале высот входной кромки, определенным в диапазоне значений
х.п.
х.к.
л
з.п.л.
где В и В - длина хорды профиля прикорневого и периферийного сечений лопатки соответственно, Н - высота большей части входной кромки лопатки; кроме того лопатка выполнена с угловой закруткой профиля, по меньшей мере, на большей части высоты лопатки в пределах интервала высот входной кромки, определяемой разностью углов хорды прикорневого и периферийного сечений относительно оси двигателя в проекции на условную плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центр миделя прикорневого сечения лопатки, определяемой через градиент G угловой закрутки проекций
х.п.
х.к.
л
где β и β - угол хорды профиля пера прикорневого и периферийного сечений лопатки соответственно, Н. - высота пера лопатки, при этом лопатка выполнена с увеличением высоты проточной части и выходной кромки относительно входной кромки в (1,35÷1,76) раза, кроме того лопатка выполнена в осевом направлении с оребрением внутренней поверхности входной кромки и стенок спинки и корыта лопатки для опирания дефлектора с образованием стабилизированной высоты канала тракта воздушного охлаждения лопатки между ее стенками и дефлектором.
вх.кр.л.
Cm
Cm
вх.кр.л.
При этом входная кромка лопатки может быть выполнена в поперечном сечении с относительным радиусом R, меньшим радиуса R миделя указанного поперечного сечения пера лопатки в N раз, определенный в диапазоне значений N=R/R=(4,2÷5,9), при этом стенки лопатки выполнены дифференцированной толщины - стенка корыта выполнена с местным уменьшением толщины в поперечном сечении до 23%, а обе стенки выполнены с убыванием толщины от входной до выходной кромки в (2,1÷3,0) раза.
сл.
м.р.
м.р.
Поставленная задача решается тем, что лопатка соплового аппарата турбины низкого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА по второму варианту, согласно изобретению, выполнена полой, с аэродинамическим профилем, включающем вогнутое корыто и выпуклую спинку, сопряженные посредством входной и выходной кромок, а также выполнена за одно целое с малой и большой полками, причем сопловые лопатки объединены в сопловые блоки не менее, чем по три и размещены в сопловом венце с угловой частотой, определенной в диапазоне значений γ=(4,46÷6,37) [ед/рад], кроме того лопатка включает в осевом направлении не менее четырех видов внутреннего оребрения для опирания дефлектора с образованием стабилизированной ширины канала тракта воздушного охлаждения между стенками лопатки и дефлектора, а именно: фронтальное оребрение, охватывающее изнутри входную кромку и головную часть спинки и корыта, в котором фронтальная часть корпуса наделена внутри системой подковообразных радиационно-конвекторных ребер, ориентированных вдоль плоскостей, параллельных к оси турбины и выполненных на входную высоту лопатки с шаговым расстоянием, не менее диаметра фронтальной выходных отверстий дефлектора; причем промежуточное оребрение выполнено в виде системы продолговатых ребер типа аэродинамически обтекаемых выступов высотой на толщину воздушной прослойки между смежными стенками лопатки и дефлектора, расположенных в составе внутренней поверхности стенки лопатки высотными рядами с последовательным уменьшением длины ребер от фронтального ряда к тыльному, со смещением по высоте в смежных рядах не менее, чем на половину высотного шага ребер, и ориентированных по ходу охлаждающего потока, однонаправленных по вектору с вектором потока рабочего тела в межлопаточных каналах СА; оребрения внутренних стенок спинки и корыта в составе вихревой матрицы в полости лопатки, расположенной по ходу охлаждающего потока непосредственно за дефлектором, при этом ребра матрицы в стенках корыта и спинки взаимно наклонены на угол β, составляющий при взаимном наложении плоских разверток полуматриц спинки и корыта, определенный в диапазоне значений β=(0,66÷0,94) [рад], и расположенный за матрицей на внутренней поверхности одной из стенок -спинки или корыта на выходе из полости лопатки турбулизатор, дополнительно увеличивающий теплосъем и наделенный системой не менее, чем из двух высотно ориентированных рядов, разнонаправленных в смежных рядах ребер типа продолговатых выступов и размещенных до щелевидного выхода из тракта воздушного охлаждения лопатки.
вых.п.л.
При этом промежуточное оребрение внутренней поверхности стенки спинки на осевой длине дефлекторного участка поперечного сечения полости лопатки может включать не менее тридцати шести ребер, расположенных не менее чем трех высотно ориентированных рядах, а промежуточное оребрение внутренней поверхности стенки корыта лопатки включает не менее двадцати пяти ребер, размещенных не менее чем в двух рядах, кроме того разнонаправленные ребра турбулизатора выполнены с взаимным наклоном осей ребер к оси турбины в смежных рядах под углом β=(107÷151)°, расположены по меньшей мере, на одной из стенок лопатки и выполнены с убыванием высоты ребер к выходу из полости лопатки.
Технический результат, достигаемый группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, заключается в повышении эффективности работы и ресурса соплового аппарата ТНД за счет улучшения аэродинамических и конструктивных параметров элементов СА, многоканального тракта воздушного охлаждения наиболее теплонапряженных элементов СА и транзитного тракта охлаждающего воздуха, направленного на охлаждение роторов ТНД и ТВД, а также конструктивной проработанности элементов СА, включая наружное и внутреннее кольца, соединенные спицами с образованием силового каркаса СА и образующих входной и промежуточный коллекторы, и сопловых лопаток, выполненных с внутренним оребрением для опирания дефлектора с образованием стабилизированной ширины канала тракта воздушного охлаждения между стенками лопатки и дефлектора, чем достигают повышения жесткости соплового аппарата при большей точности соблюдения углов установки сопловых лопаток, снижения утечек воздуха и, как следствие, повышения КПД и ресурса соплового аппарата и ТНД в целом, а также технологической простоты изготовления без увеличения материало- и энергоемкости и технического обслуживания в процессе эксплуатации.
Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен сопловый аппарат ТНД ГТД, продольный разрез;
на фиг. 2 - блок соплового аппарата ТНД, вид спереди по ходу рабочего тела;
на фиг. 3 - большая полка блока соплового аппарата ТНД, вид сверху;
на фиг. 4 - малая полка блока соплового аппарата ТНД, вид от оси ТНД;
на фиг. 5 - фрагмент соплового аппарата ТНД, на котором изображено наружное кольцо СА, находящееся в зацеплении с силовой спицей, продольный разрез;
на фиг. 6 - фрагмент соплового аппарата ТНД с транзитной трубкой, продольный разрез;
на фиг. 7 - лопатка соплового аппарата ТНД, поперечный разрез;
на фиг. 8 - дефлектор лопатки соплового аппарата ТНД, поперечный разрез;
на фиг. 9 - фрагмент лопатки соплового аппарата ТНД с вихревой матрицей и турбулизатором, поперечный разрез.
Сопловый аппарат 1 турбины 2 низкого давления (фиг. 1) газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА группы изобретений, объединенных единым творческим замыслом, включает сопловый венец. Сопловый венец образован из сопловых блоков 3. Сопловые блоки 3 компактно смонтированы между наружным и внутренним силовыми кольцами 4 и 5. Силовые кольца 4 и 5 соединены полыми силовыми спицами 6 с образованием каркаса обода СА. Каждый из сопловых блоков 3 (фиг. 2) собран не менее чем из трех жестко соединенных частей. Каждая часть содержит полую сопловую лопатку 7. Каждая лопатка 7, входящая в блок 3, выполнена за одно целое с малой и большой полками 8 и 9 (фиг. 3, фиг. 4) и снабжена дефлектором 10. Объединенные в блоках 3 лопатки 7 размещены в сопловом венце с угловой частотой, определенной в диапазоне значений
с.л
с.л.
γ.=N/2π=(4,46÷6,37) [ед/рад],
с.л
где N. - число лопаток в сопловом венце.
Корпус наружного кольца 4 СА (фиг. 5) выполнен полым, составным из герметично соединенных кольцевых элементов 11, 12, 13 и 14 с образованием входного коллектора 15 тракта воздушного охлаждения СА. Два кольцевых элемента образуют соответственно внешний и внутренний элементы 11 и 12 соответственно корпуса наружного кольца 4, выполнены цилиндрическими, соосными с осью 16 двигателя и разноудаленными от оси 16 двигателя. Кольцевые элементы 11 и 12 соединены по торцам многоветвевыми в поперечном сечении фронтальным и тыльным кольцевыми элементами 13 и 14.
н.к.фл.1
Фронтальный кольцевой элемент 13 наделен двумя внешними ответвлениями 17 и 18, диагонально соединенными с двумя внутренними ответвлениями 19 и 20. Внешние ответвление 17 фронтального кольцевого элемента 13 выполнено цилиндрическим, соосным с осью двигателя, и включает радиальный (торцевой) фланец 21 для разъемного соединения с ответными фланцем 22 соответственно наружного кольца СА ТВД и фланцем 23 промежуточного корпуса камеры сгорания (КС) газогенератора. Фланец 21 наделен отверстиями 24 под дискретные крепежные элементы, разнесенные по периметру фланца 21 с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
н.к.фл.1
фл.1
γ=N/2π=(19,4÷27,4) [ед/рад],
фл.1
где N - число отверстий во фланце 21.
Внешнее ответвление 18 фронтального кольцевого элемента 13 выполнено радиальным, обращенным к оси 16 двигателя, и снабжено открытым к сопловому венцу кольцевым пазом под ответный кольцевой выступ 25 большой полки 9 блоков СА ТНД. Внутреннее ответвление 19 кольцевого элемента 13 выполнено для соединения с внутренним цилиндрическим элементом 12 корпуса наружного кольца 4. Другое внутреннее ответвление 20 кольцевого элемента 13 выполнено для соединения с радиальным кольцевым элементом внешнего цилиндрического элемента 11 корпуса наружного кольца 4. Внешний цилиндрический элемент 11 корпуса наружного кольца 4 снабжен не менее чем двумя отверстиями (на чертежах не показано) для пропуска во входной коллектор 15 охлаждающего воздуха. Внутренний цилиндрический элемент 12 корпуса снабжен не менее чем одиннадцатью отверстиями (на чертежах не показано) для пропуска охлаждающего воздуха из входного коллектора 15 в надэкранную часть 26 полости под наружным кольцом 4 и через аэропрозрачный экран 27 к большой полке 9 блока и в полость сопловых лопаток 7.
н.к.фл.2
Тыльный торцевой элемент 14 корпуса наружного кольца 4 СА, оппозитный фронтальному элементу 13, содержит в поперечном сечении три ветви. Одна ветвь 28 соединена с внешним цилиндрическим элементом 11 корпуса и образует тыльную торцевую стенку коллектора 15. Другая ветвь 29 дополняет внутренний цилиндрический элемент 12 корпуса наружного кольца 4. Третья ветвь 30 кольцевого элемента 14 содержит узел посадочного зацепления кольцевым пазом ответного кольцевого выступа 31 большой полки 9 блоков СА ТНД и узел разъемного соединения наружного кольца 4 СА посредством фланца 32 с ответным фланцем 33 корпуса опоры ТНД. Фланец 32 наделен отверстиями 34 под дискретные крепежные элементы, разнесенные по периметру фланца 32 с угловой частотой γ, определенной в диапазоне  [ед/рад],
фл.2
где N - число отверстий во фланце 32.
Отверстия 24 во фланце 21 наружного кольца 4 СА для разъемного соединения с ответными фланцами 22 и 23 соответственно наружного кольца СА ТВД и промежуточного корпуса КС выполнены под три типа крепежных элементов, а именно типа болтов, стягивающих элементы фланцевого соединения, болтов-кронштейнов для крепления закрывающего стык фланцев кожуха и призонных болтов для центрирования стыка, количественно принятых в соотношении, определенном в диапазоне значений
i=(1÷3)
lнк
2нк
3нк
ΣN:N:N:N=1:(0,65÷0,86):(0,09÷0,13):(0,12÷0,16),
i=(1÷3)
lнк
2нк
3нк
где ΣN - общее количество отверстий под крепежные элементы во фланце наружного кольца СА; N, N, N - количество отверстий под крепежные элементы типа болтов стягивающих элементы фланцевого соединения, под болты-кронштейны и призонные болты соответственно.
Отверстия 34 в тыльном фланце 32 наружного кольца 4 СА для разъемного соединения с ответными фланцем 33 корпуса опоры ТНД выполнены под два типа крепежных элементов - типа болтов, стягивающих элементы фланцевого соединения, и призонных болтов для центрирования стыка фланцев, количественно принятых в соотношении, определенном в диапазоне значений
i=(4÷5)
4нк
5нк
ΣN:N:N=1:(0,59÷0,78):(0,26÷0,37),
i=(4÷5)
4нк
5нк
где ΣN - общее количество отверстий под крепежные элементы в тыльном фланце наружного кольца СА; N, N - количество отверстий под крепежные элементы типа болтов стягивающих элементы фланцевого соединения и под призонные болты соответственно.
в.к.фл.1
Сопловый аппарат ТНД по второму варианту группы изобретений содержит внутреннее кольцо 5 (фиг. 1), которое выполнено цилиндрическим, с Т-образным фронтальным и Г-образным тыльным радиальными торцевыми элементами 35 и 36 соответственно. Т-образный фронтальный элемент 35 в периферийной части снабжен кольцевым уплотнением 37 с примыканием к фронтальному торцу малой полки 8 блоков СВ с возможностью возвратных радиальных смещений для компенсации разницы радиальных тепловых деформаций элементов СА. В средней части Т-образный элемент 35 выполнен с кольцевым углублением под разъемное фланцевое соединение с кольцевым держателем 38 крышки лабиринта, а также с возможностью заведения торцевого бортика радиального фланца 39 фронтальной конической диафрагмы 40, выполненной за одно целое с корпусом 41 роликового подшипника 42 задней опоры турбины 43 высокого давления. Отверстия под дискретные крепежные элементы 44 разнесены по периметру Т-образного элемента 35 с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
в.к.фл.1
γ=(5,73÷7,96) [ед/рад];
фл.1
где N - число отверстий в средней части Т-образного элемента 35.
в.к.фл.2
Торцевая часть Т-образного элемента 35, обращенная к оси 16 двигателя, выполнена образующей другое соединение с фронтальной конической диафрагмой 40 посредством фланца 45. Фланец 45 снабжен отверстиями под дискретные крепежные элементы 46, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
в.к.фл.2
фл.2
γ=N/2π=(5,41÷7,64) [ед/рад];
фл.2
где N - число отверстий во фланце 45.
в.к.фл.3
Тыльный Г-образный элемент 36 внутреннего кольца 5 СА выполнен с радиальной полкой с двойным фланцевым соединением. Г-образный элемент 36 периферийным фланцевым соединением (на чертежах не показано) разъемно скреплен дискретными крепежными элементами с автономным радиальным кольцевым элементом 47. При этом кольцевой элемент 47 наделен кольцевым уплотнением 48, примыкающим к тыльному торцу малой полки 8 сопловых блоков с возможностью компенсации возвратных смещений элементов блока соплового венца. При этом отверстия во фланце 49 Г-образного элемента 36 для разъемного соединения с радиальным кольцевым элементом 47 выполнены под крепежные элементы типа болтов, стягивающих элементы фланцевого соединения, равноразнесенными по периметру фланца с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
в.к.фл.3
фл.3
γ=N/2π=(4,78÷6,85) [ед/рад],
фл.3
где N - число отверстий во фланце 49 для разъемного соединения с радиальным кольцевым элементом 47.
в.к.фл.4
Вторым фланцевым соединением полка Г-образного элемента 36 соединена дискретными крепежными элементами 50 со съемной конической диафрагмой - крышкой 51 промежуточного коллектора 52 транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД, образованного совместно с крышкой 51, внутренним кольцом 5 СА, фронтальной конической диафрагмой 40 и частью корпуса 41 роликового подшипника 42 задней опоры ТВД. Отверстия во фланце 49 Г-образного элемента 37 внутреннего кольца 5 для разъемного соединения с крышкой 51 промежуточного коллектора 52 выполнены под три типа крепежных элементов: болтов, стягивающих элементы фланцевого соединения, штифтов для взаимной фиксации в окружном направлении кольца и конической диафрагмы и цековки для стягивания крышки срывными болтами. При этом отверстия под указанные типы крепежных элементов 50 выполнены разнесенными по периметру фланца 49 с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
в.к.фл.4
фл.4
γ=N/2π=(6,05-8,60) [ед/рад].
фл.4
где N - число отверстий во фланце 49 для разъемного соединения с крышкой 51 промежуточного коллектора 52.
(22 шт, ∅4
Цилиндрический кольцевой элемент 53 внутреннего кольца 5 СА снабжена не менее чем двадцатью двумя отверстиями 54 ) для подпитки охлаждающим воздухом полости 55 под малой полкой 8 блоков СА из промежуточного коллектора 52.
Кроме того крышка 51 промежуточного коллектора 52 дополнительно наделена фланцем 56, которым разъемно соединена с внешней стороны с кольцевым держателем 57 крышки лабиринта, динамически отделяющего с наддувом промежуточную полость транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД от негативных потерь рабочего тела из проточной части ТНД.
Цилиндрические кольцевые элементы 11, 12 наружного кольца 4 и кольцевой элемент 53 внутреннего кольца 5 СА снабжены проемами для пропуска силовых спиц 6 и трубок 58 транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД. При этом количество спиц 6 в каркасе обода соплового аппарата, заявленного по третьему объекту группы изобретений, принято в два раза превышающем число установленных в сопловом венце блоков, изолированных от радиальных усилий в спицах 6 каркаса с возможностью скользящей компенсации возвратных радиальных тепловых деформаций блоков СА.
Наружное кольцо 4 СА обода выполнено с полым корпусом, наделенным двумя функциями - входного коллектора 15 тракта воздушного охлаждения СА и бандажного силового элемента обода СА, совмещенного с опорой ТВД. При этом к наружному кольцу 4 периферийный конец каждой спицы 6 жестко разъемно прикреплен посредством дискретных крепежных элементов 59 и внешней накладной плашки-втулки 60 (фиг. 5). Плашка-втулка 60 выполнена конгруэнтно примыкающей к внешней поверхности ответного внешнего элемента 11 кольца 4 и конгруэнтно заведенной втулочной частью в соосное со спицей 6 глухое (несквозное) углубление в указанном элементе. В наружном кольце 4 СА полость 61 спицы 6, по меньшей мере, одним поперечным отверстием 62 сообщена с полостью входного коллектора 15 по охлаждающему воздуху с образованием малого проходного канала тракта воздушного охлаждения спицы 6. Каждая силовая спица 6 пропущена через наружное и внутреннее кольца 4 и 5, малую и большую полки 8 и 9 блока СВ и через среднюю часть полости каждой крайней лопатки блока СВ. Через центральную зону полости средней лопатки каждого блока пропущена трубка 58 транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД. Каждая силовая спица 6 на радиальном расстоянии, достаточном для размещения блока СВ, разъемно соединена корневым концом с опорным цилиндрическим элементом 53 внутреннего кольца 5 СА посредством втулки 63. Втулка 63 выполнена с кольцевыми днищем 64 и внешним опорным бортиком 65, разъемно зафиксированной в проеме опорного элемента внутреннего кольца 5, по меньшей мере, крепежным элементом 66 типа защищенной от самораскучивания фигурной гайки и двух пар сферических шайб 67, установленных по обе стороны кольцевого днища 64 втулки 63. Указанное соединение наружного и внутреннего колец 4 и 5 СА с силовыми спицами 6 выполнено необходимым и достаточным для совместного осуществления кольцами функции обода СА ТНД и опоры ТВД. Для чего обод СА конструктивно и функционально выполнен совмещенным внутренним кольцом 5 СА с фронтальной конической диафрагмой 40, выполненной за одно целое с корпусом 41 подшипника 42 опоры ТВД и крышкой 51, совместно образующими промежуточный коллектор 52 транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.
Предлагаемая группой изобретений лопатка 7 соплового аппарата ТНД газотурбинного двигателя выполнена полой, с аэродинамическим профилем, включающем выпуклую спинку 68 и вогнутое корыто 69, сопряженные посредством входной и выходной кромок 70 и 71. Сопловая лопатка 7 выполнена за одно целое с малой и большой полками 8 и 9. Сопловые лопатки 7 объединены в сопловые блоки 3 не менее чем по три.
о.н.
о.н.
п.л.
Лопатка 7 установлена в сопловом блоке 3 под углом ω навстречу потоку рабочего тела, определенным в диапазоне значений ω.=(0,09÷0,13) [рад]. Лопатка 7 имеет парусность, определяемую разностью между величинами хорды профиля пера прикорневого и периферийного сечений лопатки с градиентом G расхождения значений хорды, по меньшей мере, на большей части высоты лопатки - в интервале высот входной кромки 70, определенным в диапазоне значений
х.п.
х.к.
л
где В и В - длина хорды профиля прикорневого и периферийного сечений лопатки соответственно, Н - высота большей части входной кромки лопатки.
з.п.л.
Лопатка 7 выполнена с угловой закруткой профиля, по меньшей мере, на большей части высоты лопатки в пределах интервала высот входной кромки 70, определяемой разностью углов хорды прикорневого и периферийного сечений относительно оси турбины в проекции на условную плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центр миделя прикорневого сечения лопатки, определяемой через градиент G угловой закрутки проекций
х.п.
х.к.
л
где β и β - угол хорды профиля пера прикорневого и периферийного сечений лопатки соответственно, Н - высота пера лопатки.
Лопатка 7 выполнена с увеличением высоты проточной части и выходной кромки 71 относительно входной кромки 70 в (1,35÷1,76) раза. Лопатка 7 выполнена в осевом направлении с оребрением внутренней поверхности входной кромки 70 и стенок спинки 68 и корыта 69 лопатки для опирания дефлектора 10 с образованием стабилизированной высоты канала тракта воздушного охлаждения лопатки между ее стенками и дефлектором.
вх.кр.л.
Cm
Cm
вх.кр.л.
Входная кромка 70 лопатки 7 выполнена в поперечном сечении с относительным радиусом R, меньшим радиуса R миделя указанного поперечного сечения пера лопатки в N раз, определенный в диапазоне значений N=R/R=(4,2÷5,9).
Стенки лопатки 7 выполнены дифференцированной толщины - стенка корыта 69 выполнена с местным уменьшением толщины в поперечном сечении до 23%. Обе стенки лопатки выполнены с убыванием толщины от входной кромки 70 до выходной кромки 71 в (2,1÷3,0) раза.
Лопатка 7 соплового аппарата ТНД включает в осевом направлении не менее четырех видов внутреннего оребрения: фронтальное оребрение, промежуточное оребрение на внутренней поверхности стенок лопатки, оребрения стенок лопатки в составе вихревой матрицы 72 и расположенного за матрицей турбулизатора 73, дополнительно увеличивающего теплосъем.
Фронтальное оребрение выполнено охватывающим изнутри входную кромку 70 и головную часть спинки 68 и корыта 69, в котором фронтальная часть лопатки наделена внутри системой подковообразных радиационно-конвекторных ребер 74, ориентированных вдоль плоскостей, параллельных к оси турбины и выполненных на входную высоту лопатки с шаговым расстоянием, не менее диаметра фронтальной выходных отверстий 75 дефлектора 10.
Промежуточное оребрение выполнено в виде системы продолговатых ребер 76 и 77 внутренней поверхности спинки 68 и корыта 69 лопатки. Ребра 76 и 77 выполнены в виде аэродинамически обтекаемых выступов высотой на толщину воздушной прослойки между смежными стенками лопатки 7 и дефлектора 10.
Ребра 76 и 77 на стенках лопатки расположены высотными рядами с последовательным уменьшением длины ребер от фронтального ряда к тыльному, со смещением по высоте в смежных рядах не менее, чем на половину высотного шага ребер, и ориентированных по ходу охлаждающего потока, однонаправленных по вектору с вектором потока рабочего тела в межлопаточных каналах СА. Оребрение на спинке 68 лопатки включает не менее тридцати шести ребер 76, расположенных не менее чем трех высотно ориентированных рядах 78. Оребрение на корыте 69 лопатки включает не менее двадцати пяти ребер 77, размещенных не менее чем в двух рядах 79.
м.р.
м.р.
Оребрения внутренних стенок спинки 68 и корыта 69 в составе вихревой матрицы 72 в полости лопатки 7, расположенной по ходу охлаждающего потока непосредственно за дефлектором 10. Ребра 80 матрицы 72 в стенках спинки 68 и корыта 69 взаимно наклонены на угол β, составляющий при взаимном наложении плоских разверток полуматриц спинки и корыта, определенный в диапазоне значений β=(0,664÷0,94) [рад].
вых
р
л
Турбулизатор 73 наделен системой не менее чем из двух высотно ориентированных рядов ребер 81 в виде продолговатых выступов, разнонаправленных в смежных рядах и размещенных до щелевидного выхода из полости лопатки 7. Ребра 79 турбулизатора 73 выполнены с взаимным наклоном осей ребер к оси турбины в смежных рядах под углом β. .=(107÷151)°, расположены по меньшей мере, на одной из стенок лопатки и выполнены с убыванием высоты ребер к выходу из полости лопатки 7.
Сопловый аппарат ТНД монтируют следующим образом.
Сопловый аппарат 1 турбины 2 низкого давления имеет тридцать три лопатки 7. Каждая сопловая лопатка 7 - литая, полая, охлаждаемая, с внутренним дефлектором 10. Лопатки 4 выполняют за одно целое с большой и малой полками 5 и 6. Лопатку 7 выполняют с оребрением внутренней поверхности входной кромки 70 и стенок для опирания дефлектора 10 с образованием стабилизированной высоты канала тракта воздушного охлаждения лопатки между ее стенками и дефлектором. С целью повышения жесткости и для уменьшения перетечек газа лопатки спаяны в одиннадцать трехлопаточных блоков 3. Сопловые блоки 3 монтируют между наружным и внутренним силовыми кольцами 4 и 5. Силовые кольца 4 и 5 соединяют полыми силовыми спицами 6, пропущенными через крайние лопатки блока с образованием каркаса обода СА и подключенными каждая малым каналом к тракту воздушного охлаждения СА. Через среднюю лопатку пропускают транзитные трубки для транзитной подачи охлаждающего воздуха на охлаждение ротора ТНД. Для снижения перетеканий рабочего тела между блоками, их стык уплотняют пластинами, вставленными в прорези торцевых стенок блоков. Перо лопатки, малая и большая полки 8 и 9 образуют с пером и полками соседней лопатки проточную часть СА ТНД.
Наружное кольцо 4 СА выполняют составным из герметично соединенных посредством сварки цилиндрических кольцевых элементов 11, 12, и торцевых элементов 13 и 14 с образованием входного коллектора 15 тракта воздушного охлаждения СА. Торцевые элементы 13 и 14 соединяют с большой полкой 9 блока СА взаимным кольцевым зацеплением по типу «зуб-впадина». Наружное кольцо 4 СА с фронтальной стороны посредством фланцевого соединения скрепляют с наружным кольцом СА ТВД и промежуточным корпусом КС газогенератора, с тыльной стороны - с опорой ТНД. Внутреннее кольцо 5 Т-образным фронтальным элементом 35 разъемно соединяют с фронтальной конической диафрагмой 40, предназначенной для разделения полостей между ТВД и ТНД. Фронтальную коническую диафрагму 40 соединяют посредством сварки с корпусом 41 роликового подшипника 42 задней опоры ТВД. Г-образный элемент 36 внутреннего кольца 5 разъемно соединяют с конической диафрагмой - крышкой 51 с образованием совместно с внутренним кольцом 5, фронтальной конической диафрагмой 40 и частью корпуса 41 роликового подшипника 42 задней опоры ТВД промежуточного коллектора 52 транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД. Г-образный элемент 36 периферийным фланцевым соединением скрепляют с автономным радиальным кольцевым элементом 47. При этом Т-образный фронтальный элемент 35 и автономный радиальным кольцевым элементом 47 снабжают кольцевыми уплотнениями 37 и 48, примыкающими к торцам малой полки 8 сопловых блоков с возможностью компенсации возвратных смещений элементов блока соплового венца.
Работа соплового аппарата ТНД осуществляется следующим образом.
В процессе работы ГТД охлаждающий воздух через два входных отверстия подают во входной коллектор 15. Из входного коллектора 15~60% Часть потока охлаждающего воздуха (~60%) через транзитные трубки 58 поступает в промежуточный коллектор 52. Другую часть потока охлаждающего воздуха через выходные отверстия и щелевые проемы между спицами 6 и внутренним цилиндрическим элементом 12 наружного кольца 5 подают в надэкранную полость 26 и через аэропрозрачный экран 27 пропускают на охлаждение большой полки 9 и лопаток 7 соплового блока. Часть потока охлаждающего воздуха пропускают через отверстия 62 в спицах 6 в полость на охлаждение спицы 6, чтобы избежать прослабление резьбовых соединений. Из подэкранной полости охлаждающий поток воздуха поступает в дефлектор 10. Через фронтальные выходные отверстия 26 дефлектора 10 охлаждающий воздух первоначально поступает в головной ряд каналов в полости лопатки 7 с разделением тракта воздушного охлаждения лопатки на два внутренних канала между дефлектором 10 и стенками лопатки 7. Протекая по внутренним каналам в полости лопатки 4 охлаждающий поток получает по ходу подпитку более холодным воздухом через отверстия 82 и 83 в боковых стенках дефлектора 10. Затем охлаждающий воздух последовательно попадает в вихревую матрицу 72 и расположенный за ней турбулизатор 73 потока воздуха для организации направленного течения охлаждающего воздуха. Омывая выходной участок лопатки 7, поток воздуха проходит до щелевидного выхода из полости лопатки 4, через который нагретый теплосъемом воздух направляют в общий поток рабочего тела в проточной части ТНД. В промежуточном коллекторе 52 транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД основной поток охлаждающего воздуха поступает через отверстия 84 в крышке 51 промежуточного коллектора 52 в канал транзитного тракта воздушного охлаждения ротора ТНД и одновременно обеспечивает наддув опор ТВД и ТНД. Второй дополнительный поток охлаждающего воздуха из промежуточного коллектора 53 поступает через отверстия 85 во фронтальной конической диафрагме 40 в канал на охлаждение ротора ТВД, создавая одновременно подпор рабочего тела в проточной части турбины и наддув опоры ТВД. Малый поток охлаждающего воздуха поступает через отверстия 54 во внутреннем кольце 5 СА в полость 55 под малой полкой 5 блока, охлаждая ее.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров СА, сопловых лопаток, выполненных с оребрением, и дефлектора с системой выходных отверстий, достигают повышение эффективности охлаждения теплонапряженных элементов соплового аппарата ТНД и подачу транзитного потока охлаждающего воздуха, направленного на охлаждение роторов ТНД и ТВД, одновременно обеспечивая подпор рабочего тела в турбине и наддув опор ТНД и ТВД. Литая конструкция лопаток, спаянных по три в блоки, обладая высокой жесткостью, обеспечивает стабильность установки лопатки и снижение утечек воздуха. Конструктивные параметры наружного и внутреннего колец, выполненных с образованием входного и промежуточного коллектор, также обладая высокой жесткостью, обеспечивает стабильность и эффективность работы СА, приводит к повышению КПД и ресурса СА и ТНД в целом.