СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1996 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в сопловых лопатках авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), работающих при высоких температурах газового потока.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является, выбранная в качестве прототипа, лопатка газовой турбины, содержащая тонкостенную профилированную оболочку. На входной кромке по высоте лопатки выполнены поперечные прорези, заканчивающиеся отверстиями. Подрезка входной кромки позволяет разгрузить кромку от температурных напряжений сжатия. Аналогичное конструктивное мероприятие, но выполненное на перегородке, позволит снизить отрицательное влияние перегородки на напряженно деформированное состояние профиля лопатки.

Целью изобретения является повышение надежности сопловой лопатки газовой турбины путем снижения температурных напряжений в ней как на установившихся режимах, так и на неустановившихся режимах газотурбинного двигателя (ГТД).

Это достигается тем, что в двухполостной сопловой лопатке газовой турбины, содержащей тонкостенную профилированную оболочку аэродинамической формы, разделительную перегородку, выполненную за одно целое с профильной частью, два вставных дефлектора, разделительная перегородка выполнена с поперечными прорезями по высоте лопатки, при этом расстояние между прорезями l не превышает 0,3 от высоты перегородки h.

Нарушение герметичности воздушных полостей в связи с выполнением разделительной перегородки дискретной по высоте лопатки устраняется путем установки специальным образом спрофилированных дефлекторов и полых трубочек.

Распределение нормальных температурных напряжений в поперечном сечении лопатки, вызванных неравномерностью температурного поля в этом сечении, описывается формулой, основанной на гипотезе плоских сечений
σ_т= EK + Y + X - (1)
где σ_т нормальные температурные напряжения;
X, Y координаты точек сечения лопатки, отсчитываемые в главных приведенных осях;
E модуль упругости;
ε^т температурная деформация;
F площадь поперечного сечения лопатки.

Второй и третий члены выражения (1) определяют составляющие напряжений от моментов внутренних сил, обусловленных стеснением температурных деформаций в связи с неравномерным нагревом сечения относительно главных приведенных осей X, Y (фиг. 1). Т. е. распределение температуры в сечении вызывает изгиб лопатки, так как сечение лопатки представляет собой фигуру с несимметрично распределенным "весом".

Первый и четвертый члены определяют составляющие температурных напряжений, обусловленных упругой силовой деформацией от действующих в материале лопатки напряжений и его температурных расширений.

Неравномерность температурного поля в сечении лопатки обуславливает возникновение в ней температурных напряжений. Возникновение температурных напряжений в неравномерно нагретой лопатке обусловлено наличием поперечных связей между волокнами материала. В более нагретых частях лопатки (входная, выходная кромки) возникают сжимающие температурные напряжения, в менее нагретых растягивающие. Выполненная за одно целое с профильной частью лопатки и имеющая самую низкую температуру в сечении лопатки разделительная перегородка является той поперечной связью, которая сдерживает температурные деформации более нагретой профильной части лопатки. Поэтому одним из направлений снижения температурных напряжений в лопатке является устранение или снижение влияния разделительной перегородки на температурные деформации профиля лопатки. В данном случае предлагается обеспечить возможность свободы температурных деформаций конструкции лопатки путем снижения жесткости конструкции, а именно жесткости конструкции разделительной перегородки. То есть позволить ей деформироваться аналогично температурным деформациям профиля лопатки.

εт1

σ_Т1F₁= -σ_T2F₂.

Решение уравнения (2) относительно напряжений дает
σ_т1= K_сдE₁εт1

Таким образом, обеспечить свободу температурных деформаций профильной части лопатки можно путем снижения жесткости конструкции перегородки (E₂F₂₎.

Снижение жесткости конструкции перегородки можно обеспечить путем распространения явления краевого эффекта на всю высоту перегородки. Явление краевого эффекта (Сен-Венана) свидетельствует о том, что вблизи свободных от закрепления торцовых поверхностей напряжения отсутствуют. Но возникающие на этих поверхностях касательные напряжения постепенно на расстоянии порядка размера сечения от свободного торца конструкции восстанавливают плоскость сечения, а следовательно, появляются и напряжения в конструкции.

Распространить явление краевого эффекта на всю высоту перегородки можно путем выполнения в перегородке поперечных прорезей (фиг. 2) на расстоянии друг от друга, соответствующем расстоянию распространения краевого эффекта.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемой сопловой лопатки; на фиг. 2 участок разделительной перегородки предлагаемого конструктивного решения; на фиг. 3 зависимость коэффициента стеснения деформаций (K_СД) лопатки от степени дискретизации перегородки (h/l); на фиг. 4 кинетика термонапряженного состояния поверхности сопловой лопатки на участке входной кромки на режиме пробы приемистости (I со сплошной перегородкой; II с дискретизированной перегородкой) фиг. 5 к расчету термоциклической долговечности лопаток исходной и модифицированной конструкции для условий теплового нагружения соответствующих пробе приемистости.

Предлагаемая лопатка газовой турбины содержит профилированную оболочку 1 аэродинамической формы, с которой за одно целое выполнена разделительная перегородка 2, дефлекторы 5, 6 и полые трубочки 3, 7, 8, 9. В разделительной перегородке по высоте лопатки выполнены прорези 4 на расстоянии, соответствующем 0,3 высоты перегородки. Герметизация воздушных полостей, нарушенная в результате подрезки перегородки, осуществляется путем установки специальным образом спрофилированных дефлекторов и полых трубочек (фиг. 1).

Предлагаемая сопловая лопатка газовой турбины работает следующим образом.

При запуске или приемистости ГТД резко повышается температура газа и начинается прогрев лопатки. Оболочка лопатки, непосредственно соприкасающаяся с высокотемпературным газовым потоком, быстро прогревается. Разделительная перегородка, омываемая потоками охлаждающего воздуха, имеет минимальную температуpу в сечении лопатки. Под действием высоких температур оболочка лопатки деформируется. В связи с тем, что жесткость конструкции перегородки снижена за счет выполнения ее с поперечными прорезями, при тех же значениях параметров внешнего нагружения перегородки, вызванных температурными деформациями оболочки, деформация перегородки увеличивается, т. е. температурным деформациям оболочки будет следовать деформация перегородки. Коэффициент К_сдвыражения (3) снизится, следовательно снизятся и нормальные температурные напряжения в оболочке лопатки. Однако подрез перегородки не устраняет полностью связь профильной части лопатки с перегородкой, которая проявляется через поток касательных напряжений, возникающих в месте соединения оболочки с перегородкой, что не позволяет полностью устранить влияние разделительной перегородки на температурные деформации оболочки.

Экспериментальные исследования на физической модели фрагмента лопатки перегородки с участками профильной части лопатки в местах сопряжения с перегородкой, изготовленной из упругопластического материала, с соблюдением подобия геометрического и напряженного состояния с реально существующими лопатками авиационных ГТД, позволили выявить характер зависимости коэффициента стеснения деформаций (K_сд) от степени дискретизации перегородки h/l являющейся отношением высоты перегородки h к расстоянию между прорезями l.

Результаты модельного эксперимента (фиг. 3) свидетельствуют, что повышение степени дискретизации перегородки более 3 нецелесообразно. Дальнейшее ее увеличение сказывается не столько на снижение влияния перегородки на напряженно деформированное состояние оболочки лопатки, сколько на снижение жесткости конструкции перегородки.

Снижение уровня температурных напряжений и уменьшение их размаха за цикл теплового нагружения подтверждается вычислительным экспериментом, результаты которого отражены в зависимостях, представленных на фиг. 4.

В качестве базового объекта рассматривается двухполостная сопловая лопатка дефлекторного типа с конвективно-пленочным охлаждением газовой турбины ТРДД Д-18Т.

Надежность предлагаемой сопловой лопатки повышается за счет снижения уровня температурных напряжений в лопатке на установившихся и нестановившихся режимах ГТД, что достигается снижением влияния разделительной перегородки на температурные деформации оболочки лопатки путем выполнения в перегородке поперечных прорезей.

Из сравнения размаха напряжений за цикл теплового нагружения для базового объекта и предлагаемого технического решения (фиг. 4) следует, что при снижении жесткости конструкции перегородки в 2 раза размах температурных напряжений снижается с 465 до 370 мПа. Расчетное число циклов температурных напряжений, приводящее к разрушению лопатки, увеличивается при этом в 9,2 раза (фиг. 5), а ожидаемый ресурс лопатки, выполненной в соответствии с предлагаемым решением, увеличивается на 50.60%

Использование: в авиационных газотрубинных двигателях. Сущность изобретения: лопатка содержит тонкостенную перфорированную оболочку аэродинамической формы, с которой за одно целое выполнена разделительная перегородка. В разделительной перегородке по высоте лопатки выполнены поперечные прорези с отношением высоты перегородки к расстоянию между прорезями не превышающим 3. Это позволяет повысить надежность лопатки путем снижения уровня температурных напряжений в ее поперечном сечении. 5 ил.

СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, содержащая тонкостенную перфорированную оболочку аэродинамической формы, разделенную перегородкой на переднюю и заднюю внутренние полости, в которых размещены вставные дефлекторы с зазором, отличающаяся тем, что лопатка снабжена уплотняющими трубочками, установленными в передней полости в зазоре между дефлектором и оболочкой, а перегородка выполнена с поперечными прорезями, причем отношение высоты перегородки к расстояние между прорезями не должно превышать 3.