СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к высокотемпературным турбинам газотурбинных двигателей для летательных аппаратов, силовых агрегатов морских судов, приводных агрегатов в энергетической и газодобывающей отраслях.
CA
Известен сопловой аппарат турбины газотурбинного двигателя, содержащий четное количество (z) равномерно распределенных по окружности неподвижных (статорных) лопаток, образующих осевой зазор с подвижными (роторными) лопаточными венцами газовой турбины, расположенными как вверх, так и вниз по течению.
Основным недостатком такой конструкции является то, что распределение линий частотного спектра возбуждения от четных и кратных гармоник лопаток статора, воспринимаемого лопатками ротора на отдельных частотах вращения, может быть весьма интенсивным. Следовательно, совпадение собственных частот роторных лопаток при данной частоте вращения с одной из указанных линий, может привести к появлению резонансных колебаний и вызвать поломку роторных лопаток.
Известен сопловой аппарат турбины, содержащий четное число лопаток с двухгрупповой разношагостью одинакового количества лопаток в каждой группе (Динамика авиационных газотурбинных двигателей. Под редакцией И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра. М.: Машиностроение, 1981. С. 126-128).
1
2
Наиболее близким является сопловой аппарат турбины, содержащий z лопаток, расположенных в окружном направлении с двухгрупповой разношагостью, при этом в одной его половине расположена группа с четным числом z лопаток, а во второй половине - группа с числом z лопаток, (описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №274956, МПК F01D 9/02, опубл. 23.02.86. Бюл. №7).
Применение групповой разношагости во многих случаях не устраняет доминирующую гармонику и требует проведения подбора шага в группах, что зачастую затруднено или невозможно при доводке двигателя.
CA
Задачей полезной модели является создание конструкции соплового аппарата, позволяющей изменить вид и интенсивность доминирующей возбуждающей гармоники (равной z), а именно предотвратить резонанс рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя.
Техническим результатом полезной модели является снижение уровня вибронапряженности лопаток рабочего колеса турбины газотурбинного двигателя, за счет изменения количества лопаток соплового аппарата с четного на простое число с использованием двух групп, формируемых по количеству лопаток, а не по шагу расстановки. При этом одна из групп также содержит простое число сопловых лопаток.
1
2
2
2
Технический результат достигается тем, что в сопловом аппарате турбины, содержащем z лопаток, расположенных в окружном направлении с двухгрупповой разношагостью, при этом в одной его половине расположена группа с четным числом z лопаток, а во второй половине - группа с числом z лопаток, в отличие от известного, во второй половине расположена группа с нечетным числом z лопаток, при этом z и z - простые числа.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг .1 - схема расстановки лопаток соплового аппарата турбины;
фиг. 2 - спектр пульсаций статического давления на выходной кромке вышестоящей рабочей лопатки;
фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика перепада статического давления, действующего на профиль вышестоящей рабочей лопатки.
1
2
Сопловой аппарат турбины (фиг. 1) содержит количество z сопловых лопаток, где z - простое число. Лопатки разделены на две группы с четным и нечетным количеством лопаток. Лопатки установлены по окружности соплового аппарата с неравномерным расположением - двухгрупповая разношагость. При этом в одной половине соплового аппарата расположена группа с четным z числом лопаток, а в другой половине - группа с простым числом z лопаток.
При работе турбины изменение количества и распределения статорных лопаток (неподвижных источников возмущения) в лопаточном венце позволяет модифицировать частотный спектр воспринимаемого ротором возбуждения, вызываемого неподвижными источниками возмущения. Происходит разложение резонансного пика на несколько составляющих и, как следствие, снижение общего уровня вибронапряженности лопаток рабочего колеса.
Предлагаемая полезная модель была разработана для газотурбинного двигателя ГТД-110 для исключения резонансных вибраций по 48 гармонике. Сопловой аппарат (фиг. 1) содержит 47 лопаток с двухгрупповой разношагостью, при этом в одной половине лопаточного венца установлено 24 лопатки, а в другой - 23 лопатки.
Для технической реализации предлагаемой полезной модели необходимо для части лопаточного венца с простым количеством лопаток доработать существующий корпус с целью их монтажа. Конструктивно лопатки монтируются в две половины корпуса, левую и правую соответственно.
При внедрении полезной модели в конструкцию статорных (неподвижных) венцов газовой турбины изменяется частота возбуждающей силы, вызывающая резонансные колебания в роторных венцах газовой турбины, что позволяет избежать разрушения рабочих лопаток. Данный факт подтверждается численным моделированием нестационарных явлений в газотурбинных двигателях.
По результатам численного моделирования нестационарных явлений при использовании данной полезной модели получено снижение амплитуды пульсаций статического давления и амплитуды колебаний газодинамической нагрузки на 40% (фиг. 2, фиг. 3).
Полезная модель позволяет снизить вибронапряженность роторных лопаток без модификации их конструкции или геометрии, а только за счет изменения количества и распределения статорных лопаток (неподвижных источников возмущения) таким образом, чтобы в результате модифицировать частотный спектр воспринимаемого ротором возбуждения, вызываемого неподвижными источниками возмущения. Благодаря данной полезной модели нет необходимости делать ротор несимметричным. За счет этого облегчается проектирование и изготовление устройства в том отношении, что не возникает трудностей, связанных с вращением несимметричного ротора. В отличие от ротора, комплект источников возмущения является статичным и легко может быть выполнен несимметричным без создания особых проблем при проектировании или изготовлении.