СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК F01D9/02 F01D5/08 

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению и может быть использовано в турбинах авиационных двигателей.

Известна конструкция соплового аппарата первой ступени турбины газотурбинного двигателя Д-30КУ, в которой воздух на охлаждение пера лопатки подается со стороны верхней полки в переднюю и заднюю полости лопатки [1]
Однако эта конструкция имеет существенный недостаток, который заключается в том, что она не исключает возможности затекания газа внутрь лопатки в сечениях, примыкающих к верхней полке.

Снижение потерь в магистралях подвода охлаждающего воздуха (раскрытие площади подвода, уменьшение поворотов и т.д.) позволяет увеличивать давление воздуха внутри лопатки и не приводит к ухудшению охлаждения других элементов лопатки. Одним из эффективных мероприятий, позволяющих увеличить площадь входа охлаждающего воздуха в сопловую лопатку примерно в два раза и тем самым снизить потери, является двусторонний подвод охлаждающего воздуха.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция соплового аппарата первой ступени турбины двигателя CF 6 [2] в которой сопловые лопатки первой ступени объединены в блоки по две лопатки, а каждая лопатка выполнена по двуполостной схеме. В заднюю полость воздух подается со стороны верхней полки, через дефлектор обдувая внутреннюю поверхность лопатки, вытекает в щель на выходной кромке. В переднюю полость лопатки воздух попадает со стороны нижней полки, через дефлектор обдувает внутреннюю поверхность передней полости, охлаждая ее и вытекая через отверстие на входной кромке лопатки, что создает дополнительное пленочное охлаждение. Тем же воздухом охлаждается и нижняя полка.

Данная конструкция имеет ряд существенных недостатков: высокое давление охлаждающего воздуха под нижней полкой приводит к увеличению утечек его в стыки по боковым поверхностям полок соседних лопаток;
давление газа над полками в области отверстий перфорации ниже, чем давление газа в области входной кромки (перфорация на полках снесена в осевом направлении от входной кромки в сторону выходной, и вследствие сужающегося межлопаточного канала давление понижается).

Вышеуказанные недостатки, являющиеся следствием особенностей данной конструкции, приводят к снижению КПД узла турбины, ухудшению параметров двигателя и, как следствие, к снижению его надежности и экономичности.

Техническая задача, заключающаяся в снижении утечек охлаждающего воздуха и расхода воздуха на охлаждение нижней полки, успешно может быть решена при использовании предлагаемой конструкции соплового аппарата турбины.

На фиг. 1 изображен фронтальный разрез соплового аппарата первой ступени турбины; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 схема подвода охлаждающего воздуха в переднюю полость лопатки со стороны нижней полки; на фиг. 4 стык по боковым поверхностям нижних полок.

Сопловой аппарат первой ступени турбины содержит сопловую лопатку 1, наружное 2 и внутреннее 3 кольца газосборника, опору 4 соплового аппарата, обечайку 5. Для образования полости подвода охлаждающего воздуха в полость лопатки (полость с высоким давлением) на общей сборке устанавливается оболочка 6 под крышку 7. Внутренняя поверхность нижней полки лопатки 1 и обечайка 5 образуют между собой кольцевую полость 8. Обечайка 5 и внутреннее кольцо опоры 4 соплового аппарата образуют между собой замкнутую кольцевую полость 9. Патрубок 10, герметично соединенный с лопаткой 1, установлен в отверстия, выполненные в деталях 4 и 5, и обеспечивает подвод воздуха высокого давления из полости 11 в переднюю полость 12 сопловой лопатки 1. В полость 11 воздух попадает из полости 13 через отверстие 14 в опоре 4 соплового аппарата. В полости 13 находится вторичный воздух камеры сгорания. Воздух в полость 12 попадает также и из полости 15 со стороны верхней полки.

В обечайке 5 выполнены группы отверстий перфорации 16 для обдува внутренней поверхности нижних полок. Для выпуска охлаждающего воздуха в проточную часть турбины и создания пленочного охлаждения нижние полки сопловых лопаток 1 снабжены отверстиями перфорации 17. Для уплотнения стыков 18 нижних полок по боковым поверхностям в них установлены уплотнительные проставки 19. Патрубки 10 сопловой лопатки 1 с отверстием в опоре 4 соплового аппарата образуют кольцевые зазоры 20. Зазоры между патрубками 10 и отверстием в обечайке 5 назначают минимально возможными из условий собираемости.

Величина зазоров 20 между патрубками 10 лопатки 1 и отверстием в опоре 4 подбирается экспериментально из условия степени необходимости охлаждения нижней полки сопловой лопатки 1 для обеспечения оптимального давления в полости 9.

Устройство работает следующим образом.

Вторичный воздух камеры сгорания из полости 13 через отверстие 14 попадает в кольцевую полость 11, из которой через патрубок 10 он перемещается в переднюю полость 12 сопловой лопатки 1 и наддувает ее. При этом полость 11 с воздухом высокого давления изолирована от полости 8 под внутренней поверхностью нижней полки сопловой лопатки 1. Давление воздуха в полости 8 значительно ниже, чем давление воздуха в полости 11, поэтому утечки охлаждающего воздуха в стыки между нижними полками лопаток уменьшаются. Одновременно в переднюю полость 12 сопловой лопатки 1 поступает вторичный воздух камеры сгорания из полости 15 со стороны верхней полки.

Часть воздуха со стороны нижней полки из полости 11 через зазоры 20 наддувает полость 9, давление в которой ниже, чем в полости 11, т.к. воздух на входе задросселирован площадью зазоров 20.

Из полости 9 через группы отверстий перфорации 16 в обечайке 5 воздух обдувает внутреннюю поверхность нижней полки и тем самым охлаждает ее. Далее воздух через отверстия перфорации 17 в нижней полке сопловой лопатки 1 вытекает в проточную часть турбины и создает дополнительное пленочное охлаждение.

Применение данного технического решения позволяет значительно снизить утечки охлаждающего воздуха в стыки между нижними полками сопловых лопаток, уменьшить расход воздуха на охлаждение нижней полки и тем самым повысить КПД турбины, экономичность и надежность работы.

Использование: в турбостроении. Сущность изобретения: в процессе работы вторичный воздух камеры сгорания из полости 13 через отверстие 14 попадает в кольцевую полость 11, из которой он перемещается в переднюю полость 12 сопловой лопасти 1 и наддувает ее. Одновременно в переднюю полость 12 сопловой лопасти 1 поступает вторичный воздух камеры сгорания из полости 15 со стороны верхней полки. Часть воздуха со стороны нижней полки из полости 11 через кольцевые зазоры наддувает полость, образованную обечайкой и опорой 4 соплового аппарата, давление в которой ниже, чем в полости 11, т.к. воздух на выходе задросселирован площадью кольцевых зазоров. Из полости, образованной обечайкой и опорой 4, перфорации в обечайке воздух обдувает внутреннюю поверхность нижней полки и тем самым охлаждает ее. Далее воздух через отверстия перфорации в нижней полке сопловой лопатки 1 вытекает в прочную часть турбины и создает дополнительное пленочное охлаждение. 4 ил.

СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащий газосборник и сопловые лопатки с двусторонним подводом охлаждающего воздуха в перо, снабженные верхней и нижней полками и установленные в наружном и внутреннем кольцах, причем на боковых поверхностях полок выполнены канавки, а в канавках соседних полок установлены уплотнительные проставки, отличающийся тем, что аппарат снабжен кольцевыми обечайкой и оболочкой, расположенными со стороны нижней полки лопатки и образующими между собой камеру, сообщенную с полостью подвода охлаждающего воздуха, каждая лопатка снабжена патрубком, герметично соединенным с ней, в обечайке и внутреннем кольце выполнены отверстия, патрубок установлен в последних и сообщен с камерой, при этом патрубок установлен в отверстии внутреннего кольца с зазором, а в обечайке выполнены группы отверстий перфорации.