ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК F01D9/02 F01D11/02 

Изобретение относится к двухступенчатым турбинам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известна двухступенчатая турбина газотурбинного двигателя, сопловые лопатки второй ступени в которой по внутренним полкам зафиксированы между собой радиальными цапфами, телескопически установленными в бандажном кольце. (С.А.Вьюнов. «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей». Москва, «Машиностроение», стр.183, рис.4.41а).

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за износа радиальных цапф и бандажного кольца при вибрации сопловых лопаток второй ступени.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция двухступенчатой турбины газотурбинного двигателя, в которой внутренние полки сопловых лопаток второй ступени выполнены в форме четырехстенных коробок, зафиксированных между собой контактными площадками, расположенными на задней по течению потока газа боковой сплошной стенке коробки, а междисковая полость уплотнена с помощью переднего и заднего по потоку газа промежуточных дисков (патент RU №2151884).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за наклепа и износа контактных площадок сопловых лопаток и повышенной температуры промежуточных дисков, омываемых по периферии высокотемпературным газом.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности двухступенчатой турбины газотурбинного двигателя путем снижения температуры контактных площадок сопловых лопаток второй ступени и обода промежуточных дисков.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухступенчатой турбине газотурбинного двигателя, внутренние полки охлаждаемых сопловых лопаток второй ступени в которой выполнены в форме четырехстенных коробок с контактными площадками, а междисковая полость уплотнена передним и задним по потоку воздуха промежуточными дисками, образующими с коробками лабиринтное уплотнение, согласно изобретению, уплотнение разделено на переднее между гребешками переднего промежуточного диска и ответной поверхностью передней боковой стенки коробки с увеличенным радиальным зазором Н и на заднее уплотнение, при этом контактные площадки выполнены на передней по потоку боковой стенке коробки и по всей высоте этой стенки, а передняя полость двуполостной сопловой лопатки на выходе соединена через канал между контактными площадками соседних лопаток со щелевой полостью переднего лабиринтного уплотнения, при этом H/h=2…5, где:

Н - радиальный зазор по переднему лабиринтному уплотнению;

h - радиальный зазор по заднему лабиринтному уплотнению.

Разделение лабиринтного уплотнения на переднее между гребешками переднего промежуточного диска и ответной поверхностью передней боковой стенки коробки с увеличенным радиальным зазором и на заднее уплотнение позволяет уменьшить зависимость расхода охлаждающего воздуха через переднюю полость второй сопловой лопатки от величины радиального зазора в лабиринтном уплотнении, так как в случае существенного уменьшения радиального зазора по заднему лабиринтному уплотнению (например, при работе на переходных режимах) охлаждающий воздух может истекать через переднее лабиринтное уплотнение с увеличенными радиальными зазорами, что повышает надежность двухступенчатой турбины газотурбинного двигателя.

Выполнение контактных площадок на передней по потоку боковой стенке коробки и по всей высоте этой стенки позволяет снизить паразитные утечки газа через осевые зазоры между внутренними полками соседних сопловых лопаток второй ступени, так как контактные площадки в этом случае работают как уплотнительные элементы, что повышает КПД и надежность турбины.

Соединение на выходе передней полости лопатки через канал между контактными площадками соседних лопаток со щелевой полостью переднего лабиринтного уплотнения позволяет организовать наддув лабиринтного уплотнения между внутренней полкой сопловой лопатки второй ступени и промежуточными дисками охлаждающим воздухом высокого давления, что значительно снижает расход высокотемпературного газа через лабиринтное уплотнение с соответствующим снижением температуры обода промежуточных дисков и повышением их надежности. Одновременно снижается температура контактных площадок, наддуваемых охлаждающим воздухом. Такое многократное использование охлаждающего воздуха позволяет наиболее полно использовать его хладоресурс и минимизировать ухудшение параметров газотурбинного двигателя при отборе воздуха на охлаждение турбины.

При H/h<2 возможно «запирание» расхода охлаждающего воздуха, протекающего через переднюю полость сопловой лопатки второй ступени, особенно на переходных режимах работы газотурбинного двигателя, что может вызвать перегрев и поломку сопловой лопатки второй ступени.

При H/h>5 снижается надежность двухступенчатой турбины газотурбинного двигателя из-за увеличенного подмешивания высокотемпературного газа к охлаждающему воздуху, с разогревом и снижением надежности промежуточных дисков.

На фиг.1 изображен продольный разрез двухступенчатой турбины газотурбинного двигателя.

На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

На фиг.3 - элемент 1 на фиг.1 в увеличенном виде.

Двухступенчатая турбина 1 газотурбинного двигателя состоит из статора 2 с сопловыми лопатками первой ступени 3 и сопловыми лопатками второй ступени 4, а также из ротора 5 с рабочими колесами первой ступени 6 и второй ступени 7, междисковая полость 8 между которыми уплотнена передним по потоку газа 9 промежуточным диском 10 и задним промежуточным диском 11. Перо 12 сопловой лопатки второй ступени 4 выполнено охлаждаемым и разделено радиальной перегородкой 13 на переднюю 14 и заднюю 15 по потоку газа 9 внутренние полости. Задняя внутренняя полость 15 соединена на входе с промежуточной ступенью компрессора (не показано), а передняя внутренняя полость 14 соединена на входе с полостью 16 воздуха высокого давления. Такое раздельное охлаждение сопловой лопатки второй ступени позволяет экономить энергетически дорогой воздух высокого давления, что способствует улучшению параметров газотурбинного двигателя и повышению надежности турбины. Внутренняя полка 17 сопловой лопатки второй ступени 4 выполнена в форме четырехстенной коробки 18, на сплошной передней по потоку 9 стенке 19 которой расположены контактные площадки 20 и 21, выполненные по всей высоте передней стенки 19. Внутренняя поверхность 22 передней стенки 19 образует совместно с уплотнительными гребешками 23 переднего промежуточного диска 10 переднее лабиринтное уплотнение 24, а внутренняя стенка 25 коробки 18 вместе с сотовым уплотнением 26 образуют совместно с уплотнительными гребешками 27 переднего промежуточного диска 10 и заднего промежуточного диска 11 заднее лабиринтное уплотнение 28. Передняя внутренняя полость 14 сопловой лопатки второй ступени 4 на выходе через переходный канал 29 и через канал 30 между контактными площадками 20, 21 соединена со щелевой полостью 31 переднего лабиринтного уплотнения 24. Для компенсации теплового расширения внутренние полки 17 сопловых лопаток второй ступени 4 выполнены с осевыми зазорами 32.

Работает устройство следующим образом.

При работе двухступенчатой турбины 1 газотурбинного двигателя сопловые лопатки второй ступени 4 контактируют между собой контактными площадками 20 и 21, что предотвращает вибрацию и поломку лопаток 4. При длительной эксплуатации на рабочей поверхности контактных площадок 20 и 21 мог бы образоваться наклеп, что привело бы к износу контактных площадок и к появлению вибронапряжений на лопатках 4. Однако этого не происходит, так как охлаждаемые площадки 20 и 21 на протяжении всего ресурса сохраняют высокую твердость, что исключает их наклеп и износ, что, в свою очередь, повышает надежность турбины.

Двухступенчатая турбина газотурбинного двигателя содержит внутренние полки охлаждаемых сопловых лопаток второй ступени, которые выполнены в форме четырехстенных коробок с контактными площадкам. Междисковая полость в турбине уплотнена передним и задним по потоку воздуха промежуточными дисками, образующими с коробками лабиринтное уплотнение. Уплотнение разделено на переднее между гребешками переднего промежуточного диска и ответной поверхностью передней боковой стенки коробки с увеличенным радиальным зазором Н и на заднее уплотнение. Контактные площадки выполнены на передней по потоку боковой стенке коробки и по всей высоте этой стенки. Передняя полость двуполостной сопловой лопатки на выходе соединена через канал между контактными площадками соседних лопаток со щелевой полостью переднего лабиринтного уплотнения, при этом H/h=2…5, где Н - радиальный зазор по переднему лабиринтному уплотнению, ah- радиальный зазор по заднему лабиринтному уплотнению. Изобретение направлено на повышение надежности турбины путем снижения температуры контактных площадок сопловых лопаток второй ступени и обода промежуточных дисков. 3 ил.

Двухступенчатая турбина газотурбинного двигателя, внутренние полки охлаждаемых сопловых лопаток второй ступени в которой выполнены в форме четырехстенных коробок с контактными площадками, а междисковая полость уплотнена передним и задним по потоку воздуха промежуточными дисками, образующими с коробками лабиринтное уплотнение, отличающаяся тем, что уплотнение разделено на переднее между гребешками переднего промежуточного диска и ответной поверхностью передней боковой стенки коробки с увеличенным радиальным зазором Н и на заднее уплотнение, при этом контактные площадки выполнены на передней по потоку боковой стенке коробки и по всей высоте этой стенки, а передняя полость двуполостной сопловой лопатки на выходе соединена через канал между контактными площадками соседних лопаток со щелевой полостью переднего лабиринтного уплотнения, при этом H/h=2…5,
где Н - радиальный зазор по переднему лабиринтному уплотнению,
h - радиальный зазор по заднему лабиринтному уплотнению.