ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области турбостроения, в частности к устройству турбины газотурбинного двигателя, обеспечивающему охлаждение отдельных частей ее сопловых и рабочих лопаток, и может быть использована в транспортном и энергетическом машиностроении.
В современных газотурбинных двигателях турбина является самым теплонапряженным местом: температура рабочих газов перед турбиной высокого давления, например, может достигать 1800 К. Дальнейшее совершенствование двигателей, увеличение их экономичности возможно за счет повышения температуры газа перед турбиной. Для поддержания самых высоких температур в разрабатываемых двигателях используют новые жаростойкие материалы и конструктивные решения, обеспечивающие эффективное охлаждение элементов, формирующих проточную часть, в частности нижних полок сопловых и рабочих лопаток.
Известна турбина газотурбинного двигателя, содержащая сопловые и рабочие лопатки, наружный и внутренний корпуса соплового аппарата. Во внутреннем корпусе размещена полость, имеющая сообщение с источником охлаждающего воздуха и выход на внутреннюю поверхность нижних полок сопловых лопаток (пат. РФ №2035594, F01D 9/02, F01D 5/08, оп. 20.05.1995). Охлаждение в турбине производится при помощи вторичного воздуха камеры сгорания. Воздух на обдув внутренней поверхности нижней полки сопловой лопатки поступает из вышеуказанной полости через отверстия перфорации, выполненные в обечайке, входящей в состав внутреннего корпуса соплового аппарата. Отверстия перфорации обечайки расположены напротив серединной части нижней полки сопловой лопатки, в зоне межлопаточных каналов. Далее, после обдува, воздух через отверстия в нижней полке сопловой лопатки вытекает в проточную часть турбины и создает дополнительное охлаждение. При этом, однако, нижняя полка сопловой лопатки со стороны ее выходной кромки не имеет охлаждения. Недостаток охлаждения негативно отражается на механической устойчивости указанного участка сопловой лопатки к воздействию высоких температур и в целом делает турбину ненадежной в работе.
Известна выбранная в качестве прототипа турбина газотурбинного двигателя, содержащая сопловые и рабочие лопатки, наружный и внутренний корпуса соплового аппарата. Во внутреннем корпусе расположена полость, имеющая сообщение с источником охлаждающего воздуха и выход на внутреннюю поверхность нижних полок сопловых лопаток со стороны выходных кромок лопаток (пат. РФ №2443882, F02C 7/12, оп. 27.02.2012). Сопловая лопатка выполнена с полым, направленным к оси турбины радиальным ребром на нижней полке со стороны ее выходной кромки. Внутренняя полость радиального ребра на выходе соединена с проточной частью турбины через перфорацию в нижней полке лопатки, за ее выходной кромкой. Каналы перфорации на выходе ориентированы по течению газа в проточной части турбины. Конец ребра зажат между плоскими частями кольцевых элементов внутреннего корпуса. Внутренняя полость радиального ребра следует непосредственно за полостью внутреннего корпуса соплового аппарата; вход внутренней полости радиального ребра одновременно является и выходом из полости внутреннего корпуса. Такое конструктивное исполнение обеспечивает контакт охлаждающего воздуха с торцем радиального ребра, являющимся частью внутренней поверхности нижней полки сопловой лопатки, и поступление охлаждающего воздуха в полость радиального ребра.
Недостаток выбранной за прототип турбины заключается в ее низкой надежности. Сопловые и рабочие лопатки быстро выходят из строя: на нижней полке сопловой лопатки со стороны выходной кромки лопатки образуются коробления и растрескивания, на нижней полке рабочей лопатки - растрескивания в районе ее стыка с соседней полкой.
Задачей полезной модели является повышение надежности турбины газотурбинного двигателя за счет предотвращения разрушительных и деформационных процессов в материале нижней полки сопловой лопатки со стороны выходной кромки лопатки и нижней полки рабочей лопатки в районе ее стыка с соседней полкой.
Предотвращение деформационных и разрушительных процессов в нижних полках сопловых и рабочих лопаток достигается тем, что в турбине газотурбинного двигателя, содержащей сопловые и рабочие лопатки, а также наружный корпус соплового аппарата и внутренний с расположенной в нем полостью, имеющей сообщение с источником охлаждающего воздуха и выход на внутреннюю поверхность нижних полок сопловых лопаток со стороны выходных кромок лопаток, согласно полезной модели, полость ограничена исключительно стенкой внутреннего корпуса, которая сформирована с кольцевым участком, размещенным под нижними полками сопловых лопаток со стороны их выходных кромок лопаток с образованием между кольцевым участком и нижними полками кольцевой щели, открытой в сторону нижних полок рабочих лопаток, при этом в указанном участке стенки равномерно по окружности выполнены каналы, имеющие наклон в направлении, сходном с заданным направлением движения рабочих лопаток в турбине.
Ограничение полости, имеющей сообщение с источником охлаждающего воздуха и выход на нижние полки сопловых лопаток, исключительно стенкой внутреннего корпуса позволяет весь поступающий воздух направлять на полки, т.е. устранить характерные для прототипа утечки, что обеспечивает заданный расход воздуха. В прототипе полость ограничена помимо стенки внутреннего корпуса еще и нижними полками сопловых лопаток; и утечки обусловлены негерметичностью соединения боковых поверхностей радиальных ребер нижних полок сопловых лопаток с плоскими частями кольцевых элементов внутреннего корпуса: из-за наличия допусков при изготовлении лопаток боковые поверхности не лежат в одной плоскости. Утечки в прототипе также происходят через стыки между нижними полками сопловых лопаток. Отсутствие утечек в новой турбине является гарантией более эффективного по сравнению с прототипом охлаждения нижней полки сопловой лопатки.
Формирование стенки внутреннего корпуса с кольцевым участком, размещенным под нижними полками сопловых лопаток со стороны выходных кромок лопаток с образованием щели, открытой в сторону нижних полок рабочих лопаток, и выполнение в кольцевом участке равномерно по окружности каналов, имеющих наклон в направлении, сходном с заданным направлением движения рабочих лопаток в турбине, обеспечивает образование в щели закрученного воздушного потока, равномерно омывающего внутреннюю поверхность нижней полки сопловой лопатки со стороны выходной кромки, с присущим таким потокам высоким коэффициентом теплоотдачи. При этом на выходе из щели начинается объединение этого потока с закрученным в том же направлении рабочим колесом воздухом, утекающим через лабиринтные уплотнения после аппарата закрутки. Характерное для прототипа разрушение воздушного потока, закрученного рабочим колесом, под воздействием выбрасываемых из каналов перфорации дискретных струй воздуха здесь отсутствует. Объединенный поток натекает с небольшой относительной скоростью на внешнюю поверхность нижней полки рабочей лопатки и защищает ее от перегрева, вызывающего растрескивание в районе стыка с соседней полкой.
В отличие от прототипа, где проходящий через каналы перфорации охлаждающий воздух создает в материале нижней полки сопловой лопатки со стороны выходной кромки лопатки температурную неравномерность, характеризуемую шагом расположения этих каналов, в предлагаемой турбине, благодаря движению воздушного потока по щели, в указанной зоне создается равномерное температурное поле. Равномерность поля и высокий коэффициент теплоотдачи потока воздуха способствуют исключению деформационных и разрушительных процессов в материале.
Следует также отметить, что в известной турбине на нижней полке сопловой лопатки со стороны выходной кромки лопатки имеются торцовки. Нанесение торцовки на полку в данном случае необходимо для последующего выполнения каналов перфорации в ней. Новое конструктивное решение не предусматривает наличие торцовок на нижней полке сопловой лопатки со стороны выходной кромки. Торцовки, как известно, являются концентраторами напряжений. В условиях высоких температур отсутствие торцовок благоприятно влияет на устойчивость материала к разрушениям.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1. Турбина высокого давления турбореактивного двигателя, продольный разрез;
фиг.2. Фрагмент А на фиг.1;
фиг.3. Сечение Б-Б на фиг.2.
Турбина высокого давления турбореактивного двигателя содержит наружный корпус 1 соплового аппарата, внутренний корпус 2 соплового аппарата, сопловые лопатки 3 с выходной кромкой 4 и рабочие лопатки 5 с входной кромкой 6, установленные на диске 7 рабочего колеса. Верхние полки 8 сопловых лопаток 3 установлены в наружном корпусе 1, включающем сам корпус, корпус верхней завесы, кольцо верхней завесы (на чертежах не обозначены). Нижние полки 9 сопловых лопаток 3 размещены во внутреннем корпусе 2, в состав которого входят корпус коллектора, стенка коллектора, первый и второй корпуса завесы (на чертежах не обозначены). Во внутреннем корпусе 2 соплового аппарата расположена полость 10, имеющая для забора воздуха на охлаждение сообщение с воздушной полостью камеры сгорания, которая находится в двигателе между корпусом камеры сгорания и жаровой трубой. Стенка внутреннего корпуса 2 имеет кольцевой участок 11, размещенный под нижними полками 9 сопловых лопаток 3 со стороны выходных кромок 4 с образованием щели 12, открытой в сторону нижних полок 13 рабочих лопаток 5. Для выхода охлаждающего воздуха из полости 10 на внутреннюю поверхность нижних полок сопловых лопаток 3 со стороны выходных кромок 4 в кольцевом участке 11 стенки выполнены каналы 14, имеющие наклон в направлении, сходном с заданным направлением движения рабочих лопаток 5.
В условиях работы двигателя охлаждение конструктивных элементов газовой турбины высокого давления производится с помощью вторичного воздуха камеры сгорания. Часть вторичного воздуха после обтекания жаровой трубы направляется через каналы, выполненные в болтовых соединениях, в полость 10, для охлаждения нижних полок 9 сопловых лопаток 3 со стороны выходных кромок 4 и нижних полок 13 рабочих лопаток 5 со стороны входных кромок 6. Из полости 10 воздух по наклонным каналам 14 поступает в щель 12 под углом к внутренней поверхности нижних полок 9 сопловых лопаток 3. В щели 12 воздух образует закрученный воздушный поток, характеризуемый высоким коэффициентом теплоотдачи. Наличие воздушного потока в щели 12 обеспечивает эффективное охлаждение нижних полок 9 сопловых лопаток 3 со стороны выходных кромок 4. Постоянно выходящая из щели 12 часть этого потока объединяется с закрученным в этом же направлении рабочим колесом воздухом, представляющим собой утечки через лабиринтное уплотнение после аппарата закрутки. Объединенный поток натекает с небольшой относительной скоростью на внешнюю поверхность нижних полок 13 рабочих лопаток 5 со стороны входных кромок 6, обеспечивая надежную защиту от перегрева.
Длительные испытания предлагаемой турбины в составе турбореактивного двигателя подтвердили высокую устойчивость нижних полок сопловых лопаток со стороны выходной кромки лопатки к короблениям и растрескиваниям и нижних полок рабочих лопаток в районе их стыка к растрескиваниям.