УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОТОКА В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2013 года по МПК F01D5/06 F01D5/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Раскрытое здесь изобретение относится к тепловой реакции рабочих колес турбомашины. а более конкретно к разделенной на части крыльчатке, расположенной на смежных рабочих колесах турбомашины и предназначенной для согласования тепловой реакции соседних рабочих колес.

Предпосылки создания изобретения

На фиг.1 показана турбомашина 1, известная из уровня техники. В турбомашине 1 между соседними рабочими колесами 2, 3, установленными на роторе 8 компрессора, выполнено пазовое соединение 4. Вследствие высоких разрушающих напряжений, встречающихся в процессе пуска турбомашины 1, пазовое соединение 4 может давать трещины. Исследования проблемы появления трещин указывают на то, что высокое разрушающее напряжение в значительной степени обусловлено разностью тепловых реакций двух рабочих колес 2, 3. Тепловая реакция данного конкретного рабочего колеса выражается в изменении его средней по объему температуры во время работы на переходном режиме. Разность тепловых реакций представлена разностью объемных температур двух рабочих колес 2, 3. В этой турбомашине только на рабочем колесе 2 машинной обработкой выполнена крыльчатка 5, и за счет этого рабочее колесо 2 нагревается быстрее, чем рабочее колесо 3. Следовательно, охватываемая часть 6 пазового соединения 4 нагревается быстрее, чем его охватывающая часть 7. Разница скоростей нагрева вызывает высокие нагрузки в пазах указанного соединения и, тем самым, высокое разрушающее напряжение в пазовом соединении 4, что может привести к растрескиванию. Понятно, что площадь теплопередачи для рабочего колеса 2 превышает площадь теплопередачи для рабочего колеса 3.

Известно устройство для перемещения потока в турбомашине, имеющей турбину, компрессор и ротор, расположенный между турбиной и компрессором, содержащее первое рабочее колесо турбомашины, второе рабочее колесо турбомашины, расположенное смежно с указанным первым рабочим колесом, пазовое соединение, образованное между указанными первым и вторым рабочими колесами, и разделенную на части крыльчатку, расположенную на указанных первом и втором рабочих колесах (см. заявку на патент США №2006/222499).

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на уменьшение разности теплового расширения рабочих колес и тем самым уменьшение нагрузки в пазах и связанных с ней напряжений, действующих на пазовое соединение.

Указанная задача решается тем, что предложено устройство для перемещения потока в газотурбинном двигателе, имеющем рабочее колесо первой ступени и рабочее колесо второй ступени, содержащее верхнюю часть крыльчатки, расположенную на рабочем колесе первой ступени, нижнюю часть крыльчатки, расположенную на рабочем колесе второй ступени, и пазовое соединение, расположенное между указанными верхней и нижней частями крыльчатки и обеспечивающее увеличенную площадь контакта между верхней и нижней частями крыльчатки.

В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения предложено устройство для перемещения потока в роторе газотурбинного двигателя, имеющего первое рабочее колесо турбомашины и второе рабочее колесо турбомашины, содержащее рабочее колесо первой ступени, имеющее верхнюю часть крыльчатки, рабочее колесо второй ступени, имеющее нижнюю часть крыльчатки, и пазовое соединение, расположенное между указанными верхней и нижней частями крыльчатки, которые образуют разделенную на части крыльчатку, которая распределяет тепловой поток, имеющий место во время работы турбомашины на переходном режиме, по рабочему колесу первой ступени и рабочему колесу второй ступени.

Пазовое соединение может иметь охватывающую часть, расположенную на рабочем колесе первой ступени, и охватываемую часть, расположенную на рабочем колесе второй ступени. Предпочтительно, чтобы нагрев этих рабочих колес, возникающий во время работы на переходном режиме, распределялся по существу поровну на охватывающей и охватываемой частях пазового соединения, а разрушающее напряжение между этими колесами в пазовом соединении было существенно уменьшено по длине указанного соединения.

Рабочие колеса первой и второй ступеней могут представлять собой рабочие колеса компрессора.

Эти и другие преимущества и отличительные признаки более очевидны из нижеследующего описания, взятого в сочетании с чертежами.

Краткое описание чертежей

Объект изобретения особо охарактеризован и объем его притязаний четко изложен в формуле изобретения, приведенной после описания. Вышеизложенные и прочие отличительные признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, приведенного в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:

фиг.1 изображает известную турбомашину;

фиг.2 изображает турбомашину, содержащую предложенную разделенную на части крыльчатку согласно предпочтительному варианту выполнения;

фиг.3 изображает пример графика разности объемных температур в зависимости от времени,

В подробном описании посредством примера со ссылками на чертежи рассмотрены варианты выполнения изобретения вместе с его преимуществами и отличительными признаками.

Подробное описание изобретения

Обратимся теперь к чертежам, в частности к фиг.2, где показана турбомашина, которая в целом обозначена номером 10 позиции и в состав которой входит разделенная на части крыльчатка с конфигурацией в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения. Турбомашина 10 содержит секцию 12 компрессора и секцию 14 турбины. Секция 12 компрессора содержит внешний фиксированный, или неподвижный, элемент 16 и ротор 18, соединенный с первым рабочим колесом 70 турбомашины (далее - рабочее колесо 70), которое соединено со вторым рабочим колесом 80 турбомашины (рабочее колесо 80), при этом на рабочих колесах 70, 80 установлены компрессорные лопатки (не показаны). Рабочие колеса 70, 80 могут представлять собой рабочие колеса компрессора. Воздух сжимается вдоль кольцеобразной траектории движения потока, обозначенной стрелкой 22, и протекает в секцию 14 турбины.

Секция 14 турбины содержит фиксированный, или неподвижный, элемент 24 и несколько турбинных ступеней, каждая из которых включает направляющие лопатки 26 и рабочие лопатки 28, расположенные с возможностью вращения на рабочем колесе 30 турбины, образующем часть ротора 32 турбины. На стыкующихся концах ротора 18 компрессора и ротора 32 турбины выполнены фланцы (не показаны), которые сопряжены при помощи пазов и выступов и стянуты друг с другом при помощи болтов (не показаны), так что образуют вращающийся узел внутри полости 38, окруженной неподвижным элементом, например внутренним цилиндром 39.

Понятно, что в турбомашине 10 вокруг ротора 18 компрессора предусмотрены различные охлаждающие и уплотнительные устройства, расположенные в области, в целом обозначенной номером 40 позиции. Например, от нагнетаемого компрессором воздуха, протекающего в кольцеобразном канале, показанном стрелкой 22, происходит отбор воздуха с обеспечением его протекания в область 40 в роторе 18 компрессора. Для подачи в область 40 отбираемого воздуха могут быть выполнены один или более протоков 42 для отбираемого воздуха. Для протекания отобранного из компрессора воздуха из области 40 в полость 38 около ротора 18 компрессора могут быть выполнены дополнительные каналы 44. Кольцеобразный проток 46 для протечек между неподвижным элементом 39 и ротором 18 компрессора снабжен уплотнением 48 против протечек, которое может включать, например, лабиринтные уплотнения или щеточные уплотнения, либо комбинацию лабиринтных/щеточных уплотнений, либо другие типы уплотнений. Каждый из выходных концов каналов 44 может включать одну или несколько направляющих лопаток, имеющих закручивающий аппарат 50. Понятно, что существуют различные охлаждающие и уплотнительные устройства, предполагаемые в иллюстративных вариантах выполнения.

В иллюстративных вариантах выполнения рабочие колеса 70, 80 содержат пазовое соединение 90, расположенное между рабочими колесами 70, 80, и разделенную на части крыльчатку, имеющую нижнюю часть 75 и верхнюю часть 85. В иллюстративных вариантах выполнения нижняя часть 75 крыльчатки выполнена при помощи механической обработки на рабочем колесе 70, а верхняя часть 85 крыльчатки выполнена при помощи механической обработки на рабочем колесе 80 компрессора. Отсюда становится ясно, что крыльчатка выполнена разделенной на части и расположена на каждом из рабочих колес 70, 80. В иллюстративных вариантах выполнения пазовое соединение 90 может иметь охватываемую часть 92 и охватывающую часть 91, которые расположены соответственно на рабочем колесе 70 и рабочем колесе 80. Понятно, что в других иллюстративных вариантах выполнения охватываемая часть 92 может быть расположена на рабочем колесе. 80, а охватывающая часть 91 может быть расположена на рабочем колесе 70. Понятно, что в разделенной на части крыльчатке, имеющей верхнюю часть 85 и нижнюю часть 75, как здесь описано, нагрев в течение переходного режима распределяется по существу поровну между двумя рабочими колесами 70, 80. Снова обращаясь к фиг.1, отметим, что в известных из уровня техники конфигурациях крыльчатка 5 выполнена на одном рабочем колесе 2, что приводит к пониженному контакту в месте пазов между рабочими колесами 2, 3 в пазовом соединении 4. Выполнение крыльчатки на одном рабочем колесе вызывает то, что рабочие колеса в неравной мере подвергаются воздействию отбираемого воздуха и, за счет этого, возникает неодинаковая тепловая реакция рабочих колес 2, 3. Еще одним следствием этого является резкое расширение отобранного воздуха на траектории движения воздуха, как показано стрелкой 9, по мере того как воздух движется вдоль этой траектории. Отбор воздуха для охлаждения лопаток может выполняться турбомашиной 1 на той ступени, которая включает рабочее колесо 2. Поток отобранного воздуха движется через крыльчатку 5, выполненную на рабочем колесе 2, как показано стрелкой 9.

Снова обратимся к фиг.2. В иллюстративных вариантах выполнения за счет разделения крыльчатки на верхнюю часть 85 и нижнюю часть 75 возможен отбор воздуха на ступени турбомашины 10, которая включает рабочее колесо 70 и рабочее колесо 80 для охлаждения присоединенных к рабочим колесам 70, 80 лопаток. Этот отобранный воздух движется через верхнюю часть 85, образованную на рабочем колесе 80, и через нижнюю часть 75, образованную на рабочем колесе 70, как показано стрелкой 95.

Благодаря крыльчатке, имеющей верхнюю часть 85 и нижнюю часть 75, может быть согласована тепловая реакция двух рабочих колес 70, 80 во время переходного режима работы. Согласованная тепловая реакция рабочих колес 70. 80 во время переходного режима обеспечивает описываемые характеристики пазового соединения 90. В иллюстративных вариантах выполнения верхняя часть 85, образованная при помощи механической обработки на рабочем колесе 80, и нижняя часть 75, образованная при помощи механической обработки на рабочем колесе 70, обеспечивают то, что рабочие колеса в равной мере подвергаются воздействию отобранного воздуха, и за счет этого нагрев рабочих колес 70, 80 распределен поровну. В результате этого уменьшается разность тепловой реакции во время работы на переходном режиме между двумя рабочими колесами 70, 80. Распределенная поровну теплопередача является следствием уменьшенной разности объемных температур между двумя рабочими колесами 70, 80, как показано на графике ее зависимости от времени. На фиг.3 проиллюстрирован пример графика 300 зависимости разности объемных температур от времени. На графике 300 проиллюстрированы кривая 305 изменения разности объемных температур между рабочими колесами 2, 3, показанными на фиг.1, и кривая 310 изменения разности объемных температур между рабочими колесами 70, 80, показанными на фиг.2. Понятно, что перепад нагрева пазового соединения 4, показанного на фиг.1, выше, чем перепад нагрева пазового соединения 90, показанного на фиг.2. Более высокий перепад нагрева, к которому приводит конфигурация, представленная на фиг.1, вызывает более высокие нагрузки в соединении и, тем самым, увеличенное разрушающее напряжение, приводящее к возникновению трещин в пазовом соединении 4. В проиллюстрированном на фиг.3 примере уменьшение разности объемных температур реализуется во время прохождения точки перехода. Как таковой температурный анализ выявляет более быструю тепловую реакцию рабочего колеса 80 вследствие увеличенной площади теплопередачи верхней части 85 крыльчатки. Таким образом, разность объемных температур между рабочими колесами 70, 80 уменьшается во время переходного режима примерно на 17°С (30 градусов по шкале Фаренгейта). Таким образом, уменьшается разность теплового расширения двух рабочих колес 70, 80, участвующих в образовании пазового соединения 90, и, следовательно, уменьшается нагрузка в пазах и связанные с ней напряжения, действующие на соединение 90. Кроме того, увеличенная длина соединения 90 обеспечивает увеличенную площадь разрушения и, таким образом, способствует уменьшению напряжений в нем.

Понятно, что на фиг.3 проиллюстрирован только пример изменения разностей объемных температур, что в иных иллюстративных вариантах выполнения учтены возможности других разностей объемных температур. Кроме того, понятно, что разделение крыльчатки на верхнюю часть 85 на рабочем колесе 80 и нижнюю часть 75 на рабочем колесе 70 обеспечивает увеличенную длину соединения 90, что обеспечивает ему большую площадь разрушения, чем в соединении 4, показанном на фиг.1 и тем самым уменьшает разрушающее напряжение в соединении 90. По сути, верхняя часть 85 и нижняя часть 75 обеспечивают согласованную тепловую реакцию рабочих колес 70, 80 и плавное протекание воздуха через верхнюю часть 85 и нижнюю часть 75, как указано стрелкой 95, в противоположность внезапному расширению, имеющему место в известной конструкции.

Понятно, что описанная здесь конфигурация разделенной на части крыльчатки обеспечивает равное тепловое расширение соседних рабочих колес в турбомашинах во время их реакций на работу на переходных режимах. Увеличение длины пазового соединения увеличивает площадь его воспринимающей нагрузку поверхности, тем самым уменьшая появление трещин. Это дополняется постоянной площадью течения для прохода отбираемого воздуха, проходящего через крыльчатку, образованную между соседними рабочими колесами.

В то время как изобретение подробно описано применительно только к ограниченному числу вариантов выполнения, можно легко понять, что изобретение не ограничено такими раскрытыми вариантами выполнения. Напротив, изобретение может быть модифицировано так, что оно может включать любое число вариаций, переделок, замен или эквивалентных конструкций, не описанных в данном документе, но которые согласуются с сущностью и объемом изобретения. Кроме того, хотя описаны различные варианты выполнения изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать только некоторые из описанных вариантов выполнения. Соответственно, изобретение не следует рассматривать как ограниченное вышеизложенным описанием, а ограничено оно только объемом прилагаемой формулы изобретения.

1 Турбомашина 2 рабочее колесо 3 рабочее колесо 4 пазовое соединение 5 известная крыльчатка 6 охватываемая часть 7 охватывающая часть 8 ротор компрессора 9 стрелка 10 турбомашина 12 секция компрессора 14 секция турбины 16 неподвижный элемент 18 ротор компрессора 22 стрелка 24 неподвижный элемент 26 направляющая лопатка 28 рабочая лопатка 30 рабочее колесо турбины 32 ротор турбины 38 полость 39 внутренний цилиндр 40 область 42 протоки для отбираемого воздуха 44 дополнительные каналы 46 кольцеобразный проток для утечек 48 уплотнение против утечек 50 закручивающий аппарат 70 рабочее колесо 75 нижняя часть крыльчатки 80 рабочее колесо 85 верхняя часть крыльчатки 90 пазовое соединение 91 охватывающая часть 92 охватываемая часть 95 стрелка 300 иллюстративный график 305 кривая 310 кривая

Устройство для перемещения потока в газотурбинном двигателе, имеющем рабочее колесо (70) первой ступени и рабочее колесо (80) второй ступени. Устройство содержит верхнюю и нижнюю части крыльчатки. Верхняя часть (85) крыльчатки расположена на рабочем колесе первой ступени. Нижняя часть (75) крыльчатки расположена на рабочем колесе второй ступени. Пазовое соединение (90) расположено между верхней и нижней частями крыльчатки. Пазовое соединение обеспечивает увеличенную площадь контакта между верхней и нижней частями крыльчатки. В соответствии с вариантом выполнения изобретения разделенная на части крыльчатка распределяет тепловой поток, имеющий место во время работы турбомашины на переходном режиме, по рабочему колесу первой ступени и рабочему колесу второй ступени. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для перемещения потока в газотурбинном двигателе, имеющем рабочее колесо первой ступени и рабочее колесо второй ступени, содержащее:
верхнюю часть крыльчатки, расположенную на рабочем колесе первой ступени,
нижнюю часть крыльчатки, расположенную на рабочем колесе второй ступени, и
пазовое соединение, расположенное между указанными верхней и нижней частями крыльчатки, при этом
пазовое соединение обеспечивает увеличенную площадь контакта между верхней и нижней частями крыльчатки.

2. Устройство по п.1, в котором пазовое соединение имеет охватывающую часть, расположенную на первом рабочем колесе.

3. Устройство по п.2, в котором пазовое соединение имеет охватываемую часть, расположенную на втором рабочем колесе.

4. Устройство по п.3, в котором нагрев первого и второго рабочих колес возникающий во время работы на переходном режиме, распределяется по существу поровну на охватывающей и охватываемой частях пазового соединения.

5. Устройство по п.1, в котором разрушающее напряжение между первым рабочим колесом и вторым рабочим колесом в пазовом соединении существенно уменьшено по длине указанного соединения.

6. Устройство для перемещения потока в роторе газотурбинного двигателя, имеющего первое рабочее колесо турбомашииы и второе рабочее колесо турбомашины, причем устройство содержит:
рабочее колесо первой ступени, имеющее верхнюю часть крыльчатки, рабочее колесо второй ступени, имеющее нижнюю часть крыльчатки, и пазовое соединение, расположенное между указанными верхней и нижней частями крыльчатки, которые образуют разделенную на части крыльчатку, при этом
разделенная на части крыльчатка распределяет тепловой поток, имеющий место во время работы турбомашины на переходном режиме, по рабочему колесу первой ступени и рабочему колесу второй ступени.

7. Устройство по п.6, в котором пазовое соединение имеет охватывающую часть, расположенную на первом рабочем колесе.

8. Устройство по п.7, в котором пазовое соединение имеет охватываемую часть, расположенную на втором рабочем колесе.

9. Устройство по п.8, в котором нагрев первого и второго рабочих колес, возникающий во время работы на переходном режиме, распределяется по существу поровну на охватывающей и охватываемой частях пазового соединения.

10. Устройство по п.6, в котором разрушающее напряжение между первым рабочим колесом и вторым рабочим колесом в пазовом соединении существенно уменьшено по длине указанного соединения.

11. Устройство по п.6, в котором первое рабочее колесо и второе рабочее колесо представляют собой рабочие колеса компрессора.