СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области турбостроения, в частности, к устройству турбины высокого давления газотурбинного двигателя, обеспечивающему охлаждение отдельных частей ее сопловых лопаток, и может быть использовано в транспортном и энергетическом машиностроении.
В современных газотурбинных двигателях сопловые лопатки турбины высокого давления являются самым теплонапряженным местом, среднемассовая температура рабочих газов перед турбиной высокого давления, например, может достигать 1850-1900 К, а с учетом окружной и радиальной неравномерности, локальная температура, которая и воздействует на сопловые лопатки, превосходит 2000 К.
Дальнейшее совершенствование двигателей, увеличение их экономичности возможно за счет повышения температуры газов перед турбиной. Для поддержания самых высоких температур в разрабатываемых двигателях используют новые жаропрочные и жаростойкие материалы и конструктивные решения, обеспечивающие наиболее эффективное охлаждение элементов, формирующих проточную часть, в частности, нижних полок сопловых лопаток.
Целью полезной модели является повышение надежности соплового аппарата.
Известна выбранная в качестве прототипа турбина газотурбинного двигателя (пат. РФ №138296, F02C 7/12, F01D 9/02 от 10.02.2014), сопловой аппарат которой содержит сопловые лопатки, наружный и внутренний корпуса. Сопловые лопатки пустотелые, охлаждаемые.
Внутренняя полость лопаток разделена пустотелой перегородкой, переходящей на выходе из пера лопатки в сплошное радиальное ребро, направленное к оси турбины, на две полости - переднюю и заднюю. Передняя полость с двух сторон запитана вторичным воздухом соответственно из наружной и внутренней кольцевых полостей камеры сгорания с последующим выходом через перфорацию на наружную поверхность пера лопатки с образованием защитной пленки, задняя полость и полость разделительной перегородки запитаны вторичным воздухом только из наружного кольцевого канала камеры сгорания.
Сопловая лопатка выполнена с двумя направленными к оси турбины сплошными ребрами на нижней полке, одно из которых являющееся продолжением пустотелой перегородки, ограничивает со вторым, расположенным в районе выходной кромки лопатки, серединную часть нижней полки лопатки.
Со стороны внутренней поверхности серединной части нижней полки, испещренной выполненной на ней литьем сложной системой каналов, имеется полость, образованная внутренней поверхностью нижней полки и обечайкой, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами и торцевыми стыками лопаток. Образованная полость сообщена с внутренней полостью разделительной перегородки на входе и проточной частью через перфорацию в нижней полке на выходе. Снаружи сопловые лопатки прикреплены к корпусу наружному, а изнутри ребрами, являющимися продолжением разделительных перегородок, к верхнему опорному фланцу корпуса внутреннего.
Охлаждение серединной части нижней полки сопловой лопатки осуществляется вторичным воздухом, отбираемым из наружной кольцевой полости камеры сгорания, с дальнейшей транспортировкой через полость разделительной перегородки к полости под нижней полкой, пройдя систему каналов в которой, выводится в проточную часть через перфорацию в нижней полке.
Проведенные испытания двигателя с повышенной температурой газов на входе в сопловой аппарат турбины высокого давления выявили недостаточную эффективность охлаждения серединной части нижней полки сопловой лопатки, проявившуюся в виде выгораний и растрескиваний ее наружной поверхности.
Причиной недостаточности охлаждения явилось использование не самой эффективной разновидности схем конвективного охлаждения, основанной на интенсификации теплоотдачи на внутренней поверхности серединной части нижней полки путем создания гидравлических сопротивлений в виде сложной системы каналов, наличие которых, интенсифицирует теплообмен и в то же время порождает разнотолщинность серединной части нижней полки, и, следовательно, температурную неравномерность, приводящую, в свою очередь, к возникновению термических напряжений.
Кроме того, отбор вторичного воздуха из наружной кольцевой полости камеры сгорания с последующей его транспортировкой через полость разделительной перегородки к полости под нижней полкой приводит к подогреву охлаждающего воздуха и непроизводительным потерям давления, то есть, к снижению хладоресурса и напорности охлаждающего воздуха.
Задачей полезной модели является повышение надежности соплового аппарата турбины высокого давления путем повышения эффективности охлаждения серединной части нижней полки сопловой лопатки, что достигается устранением вышеуказанных недостатков прототипа, а именно, использованием самой эффективной из всех схем конвективного охлаждения - струйной, когда струи из отверстий в промежуточной стенке натекают на противостоящую гладкую поверхность и обеспечивают очень высокую теплоотдачу в пятне контакта, а также использованием в качестве охладителя вторичного воздуха из внутренней кольцевой полости камеры сгорания, запитка которым схемы струйного охлаждения осуществляется практически без потерь напора и хладоресурса.
Задача решается тем, что в сопловом аппарата турбины высокого давления, содержащем закрепленные в наружном корпусе пустотелые лопатки с внутренней разделительной перегородкой и двумя радиальными ребрами на нижней полке, направленными к оси турбины, причем переднее ребро, являющееся продолжением внутренней перегородки и закрепленное на верхнем опорном фланце корпуса внутреннего, ограничивает совместно с другим радиальным ребром, расположенным на внутренней поверхности нижней полки в районе выходной кромки лопатки, серединную часть нижней полки с выполненными в ней отверстиями, выходящими в проточную часть и сообщенными на входе с полостью, сформированной внутренней поверхностью серединной части нижней полки сопловой лопатки и отстоящей от нее с необходимым зазором обечайкой, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами и торцевыми стыками лопатки, согласно полезной модели, внутренняя поверхность серединной части нижней полки выполнена гладкой, а в обечайке выполнены отверстия, оси которых направлены по нормали к внутренней гладкой поверхности серединной части нижней полки, при этом отверстия в обечайке сообщены на входе с дополнительной полостью, ограниченной наружной поверхностью обечайки с отверстиями, внутренней поверхностью, отстоящей от нее с необходимым зазором, дополнительной обечайки, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами и торцевыми стыками лопатки, а также боковыми поверхностями ребер, причем дополнительная полость сообщена на входе через пазы в переднем ребре с внутренней кольцевой полостью вторичного воздуха камеры сгорания
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 Сопловой аппарат турбины высокого давления, продольный разрез;
фиг. 2 Фрагмент А на фиг. 1;
фиг. 3 Разрез Б-Б на фиг. 2;
Сопловой аппарат турбины высокого давления содержит наружный корпус 1, закрепленные в нем пустотелые охлаждаемые сопловые лопатки 2, с внутренней разделительной перегородкой 3 и двумя радиальными ребрами 4 и 7 на нижней полке, направленными к оси турбины, причем переднее ребро 4, являющееся продолжением разделительной перегородки 3 и закрепленное на верхнем опорном фланце 5 корпуса внутреннего 6, ограничивает совместно с другим радиальным ребром 7, расположенным в районе выходной кромки 8 лопатки 2, серединную часть 9 нижней полки с выполненными в ней отверстиями 10, выходящими в проточную часть и сообщенными на входе с полостью 11, сформированной выполненной гладкой внутренней поверхностью серединной части 9 нижней полки лопатки и отстоящей от нее с необходимым зазором обечайкой 12 с выполненными в ней по нормали к внутренней гладкой поверхности серединной части нижней полки отверстиями 13, и герметично скрепленной по всему периметру с ребрами 4 и 7 и торцевыми стыками 14 лопатки (показан один стык).
Отверстия 13 сообщены на входе с дополнительной полостью 15, ограниченной наружной поверхностью 16 обечайки 12, внутренней поверхностью 17, отстоящей с необходимым зазором от нее, дополнительной обечайкой 18, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами 4 и 7 и торцевыми стыками 14 лопатки 2, а также боковыми поверхностями 19 и 20 соответственно ребер 4 и 7.
Дополнительная полость 15 сообщена на входе через пазы 21 в переднем ребре 4 с внутренней кольцевой полостью 22 вторичного воздуха камеры сгорания.
В условиях работы двигателя охлаждение конструктивных элементов соплового аппарата производится вторичным воздухом камеры сгорания.
В отличие от прототипа серединная часть нижней полки сопловой лопатки охлаждается вторичным воздухом камеры сгорания, отобранным из внутренней кольцевой полости 22, откуда охлаждающий воздух через пазы 21 в переднем ребре 4 втекает в полость 15, далее через отверстия 13 натекает на гладкую внутреннюю поверхность серединной части нижней полки, эффективно ее охлаждая, благодаря не только тому, что использована наиболее эффективная разновидность конвективного охлаждения, а именно, струйная, но и благодаря подводу охладителя, отобранного из внутренней кольцевой полости 22 камеры сгорания в полость 15, запитывающую воздухом отверстия 13, практически без потерь давления и его подогрева, то есть, с сохранением хладоресурса и напорности воздуха в месте отбора, что позволило дополнительно повысить эффективность охлаждения нижней полки. Сохранение хладоресурса и напорности охладителя объясняется тем, что полость 15, запитывающая систему струйного охлаждения, отделена от источника охлаждающего воздуха, то есть внутренней кольцевой полости 22 камеры сгорания, только передним ребром 4 и выполненные в нем пазы 21, сообщающие эти полости, имеют протяженность, равную толщине ребра 4, что при достаточной пропускной способности пазов обеспечивает течение воздуха в них практически без потерь давления и подогрева.
Гладкая, в отличие от прототипа, внутренняя поверхность серединной части нижней полки в сочетании с гладкой эквидистантно отстоящей от нее поверхностью проточной части нижней полки обеспечивает равнотолщинность нижней полки, а следовательно, и равномерность ее температуры, что приводит к снижению уровня термических напряжений.
Длительные испытания предлагаемого соплового аппарата, выполненного из отдельных литых трехлопаточных блоков, в составе турбореактивноого двигателя подтвердили высокую надежность охлаждения серединной части нижней полки сопловой лопатки.