РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и может быть использовано в авиационных газотурбинных двигателях, а также в энергетических газотурбинных установках.

История создания и развития экономичных газотурбинных двигателей и газотурбинных энергетических установок связана с поисками решений, позволяющих повысить эффективность термодинамического цикла. Эффективность термодинамического цикла зависит в первую очередь от параметров термодинамического цикла и, в частности, от температуры газа перед турбиной. Чем выше температура газа перед турбиной, тем выше эффективность термодинамического цикла. При этом возможность достижения высокой температуры газа перед турбиной ограничена особенностями конструкции турбины двигателя, критичным элементом которой являются рабочие лопатки турбины.

Рабочие лопатки турбины испытывают высокие нагрузки в поле центробежных сил и являются одними из наиболее нагруженных элементов газотурбинных двигателей. Кроме того, рабочие лопатки турбины газотурбинного двигателя находятся под воздействием потока горячих газов. Сочетание этих факторов приводит к необходимости совершенствования конструкции турбин и их рабочих лопаток при создании новых модификаций газотурбинных двигателей.

Известна рабочая лопатка турбомашины (RU 2118462) содержащая замок, перо, внутреннюю полку, периферийную полку, соединенные с ними короткие супер оболочки с локальным закреплением или опиранием на полку каждой короткой супер оболочки только в зоне ее периферийного сечения. Как вариант супер оболочка по толщине выполнена составной в виде пакета вставленных одна в другую преимущественно металлических мини оболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой мини оболочки только в зоне ее периферийного сечения. Как вариант супер оболочка содержит скользящие боковые опоры в виде дискретных выступов на ее внутренней поверхности. Как вариант, по меньшей мере, одна мини оболочка и перо имеют на своих поверхностях защитные покрытия.

Известна взятая за прототип охлаждаемая рабочая лопатка турбины, состоящая из хвостовика, рабочей профильной части, имеющей полый профиль с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, выполненный за одно целое с хвостовиком и интенсификаторы охлаждения отличающаяся тем, что рабочая профильная часть выполнена разделенной на две части, из которых прикорневая часть выполнена за одно целое с хвостовиком, а периферийная часть за одно целое с силовым стержнем (RU 2656052).

Недостатком указанных лопаток является уязвимость к воздействию центробежных сил и высоких температур, что не позволяет повышать температуру газа перед турбиной.

Предлагаемое решение направлено на устранение указанных недостатков, а именно на обеспечение возможности повышения экономичности газотурбинного двигателя за счет повышения температуры газа перед турбиной, которое обеспечивается конструкцией рабочих лопаток обеспечивающей рациональное перераспределение напряжений в рабочих лопатках турбины и одновременным применением эффективной системы охлаждения рабочих лопаток турбины.

Применение во внутренней полости профильной части охлаждаемой рабочей лопатки турбины относительно холодного силового стержня, выполненного заодно целое с хвостовиком лопатки и особой конструкции выполненных в виде вихревой матрицы интенсификаторов охлаждения между внутренними стенками профиля и силовым стержнем, позволяет перераспределить нагрузки от элементов рабочей лопатки в поле центробежных сил и усилить охлаждение лопатки, что способствует повышению несущей способности рабочей лопатки турбины.

Согласно предлагаемому изобретению во внутренней полости профильной части охлаждаемой рабочей лопатки турбины расположен относительно холодный силовой стержень, выполненный заодно целое с хвостовиком лопатки, а профильная часть рабочей лопатки разделена на периферийную и прикорневую зоны. При этом в периферийной зоне внутренней полости профильной части рабочей лопатки турбины выполнена механическая связь профиля с силовым стержнем (например, элементы интенсификаторов охлаждения, расположенные на внутренней стенке профиля и на силовом стержне, соединяют профильную часть с силовым стержнем и ребра вихревой матрицы, расположенные на внутренней стенке профиля и на силовом стержне, соприкасаются (пересекаются, превращаясь в единое целое), а в прикорневой зоне внутренней полости профильной части рабочей лопатки турбины механическая связь профиля с силовым стержнем отсутствует и ребра вихревой матрицы не соприкасаются (перекрещиваются, допуская взаимное смещение).

Такая конструкция рабочей лопатки турбины позволяет разгрузить силовой стержень от нагрузки в поле центробежных сил, поскольку только периферийная часть профильной части рабочей лопатки соединена с силовым стержнем (нагрузка только от нее может передаваться силовому стержню, поскольку ребра вихревой матрицы в этой зоне пересекаются, и через них передается нагрузка от периферийной части профиля). При этом корневое сечение профильной части рабочей лопатки также разгружается, поскольку прикорневая часть профиля рабочей лопатки соединена непосредственно с хвостовиком рабочей лопатки турбины, а нагрузку от периферийной части несет силовой стержень. При этом силовой стержень соединен или выполнен заодно целое с замком лопатки или с диском турбины, который, в конечном итоге, воспринимает усилия от рабочих лопаток турбины. Предлагаемое конструктивное решение позволяет при прочих равных условиях понизить общий уровень напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки турбины.

Предлагаемое решение поясняется следующими рисунками:

Фиг. 1 - двигатель;

Фиг. 2 - турбина;

Фиг. 3 - рабочая лопатка турбины;

на которых

1 - турбина;

2 - рабочая лопатка;

3 - прикорневая часть профиля;

4 - периферийная часть профиля;

5 - ребра вихревой матрицы;

6 - хвостовик рабочей лопатки;

7 - силовой стержень.

В процессе работы газотурбинного двигателя параметры рабочего тела (температура и давление) при перемещении по проточной части меняются в соответствии с особенностями термодинамического цикла, который реализуется в этом двигателе. При этом рабочее тело сжимается, нагревается, а затем расширяется, совершая полезную работу. Эффективность двигателя, в первую очередь, зависит от эффективности термодинамического цикла, а возможность повышения эффективности термодинамического цикла зависит, в частности, от возможности повышения температуры газа перед турбиной.

Турбина 1 находится в условиях постоянного воздействия газа, имеющего высокую температуру. Одним из основных элементов, определяющих надежность и эффективность турбины и двигателя в целом, является рабочая лопатка 2 турбины. Таким образом, способность рабочей лопатки турбины работать в этих условиях определяет экономичность газотурбинного двигателя.

При обтекании профиля рабочей лопатки турбины создается аэродинамическая сила, которая в свою очередь создает крутящий момент на валу турбины. При этом тепловой поток от рабочего тела разогревает элементы конструкции лопатки. Одновременно на конструктивные элементы лопатки действуют центробежные силы. С учетом изложенного возникает необходимость обеспечения работоспособности лопатки в условиях высокого уровня напряжений от центробежных сил и при высокой температуре.

Полная нагрузка от центробежных сил, действующих на прикорневую часть 3 профиля рабочей лопатки 2, воспринимается непосредственно хвостовиком 6, поскольку ребра 5 вихревой матрицы в этой зоне перекрещиваются (не соприкасаются) и через них нагрузка не передается силовому стержню 7. При этом напряженное состояние в этой части профиля существенно снижается за счет укорочения по сравнению с полной высотой профильной части лопатки. Полная нагрузка от центробежных сил, действующих на периферийную часть 4 профиля рабочей лопатки 2, воспринимается силовым стержнем 7, поскольку ребра 5 вихревой матрицы в этой зоне пересекаются (соприкасаются) и через них нагрузка передается силовому стержню 7. При этом напряженное состояние каждой из двух частей рабочей профильной части (прикорневой части 3 профиля и периферийной части 4 профиля) существенно снижается за счет уменьшения высоты каждой из них по сравнению с полной высотой рабочей профильной части лопатки.

Уровень допустимых напряжений в материале зависит от температуры материала в конкретном месте. Причем, чем выше температура материала, тем ниже уровень допустимых напряжений в материале. И наоборот: чем ниже уровень напряжений в материале, тем выше уровень температуры материала, который можно допустить для работы при таких напряжениях в материале. С учетом предложенного решения появляется возможность поднять температуру газа перед турбиной. С повышением температуры газа перед турбиной повышается эффективность термодинамического цикла и экономичность газотурбинного двигателя в целом.

Таким образом, за счет снижения напряженного состояния каждой из двух частей разделенной рабочей профильной части лопатки турбины достигается возможность повышения температуры газа перед турбиной и повышения за счет этого эффективности термодинамического цикла и экономичности двигателя.

Рабочая лопатка газотурбинного двигателя имеет полый профиль с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, интенсификаторы охлаждения, на которые подается охлаждающая среда, и хвостовик. Силовой стержень соединен с хвостовиком. Профиль выполнен разделенным на две части, из которых прикорневая часть выполнена за одно целое с хвостовиком, а периферийная часть за одно целое с силовым стержнем. Расположенные между внутренними стенками профиля и силовым стержнем интенсификаторы охлаждения выполнены в виде вихревой матрицы. В периферийной части профиля ребра вихревой матрицы соприкасаются, а в прикорневой части профиля - расположены на расстоянии друг от друга. Изобретение направлено на повышение экономичности газотурбинного двигателя и повышение эффективности охлаждения рабочих лопаток турбины. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рабочая лопатка газотурбинного двигателя, имеющая полый профиль с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, интенсификаторы охлаждения, на которые подается охлаждающая среда, и хвостовик, причем силовой стержень соединен с хвостовиком, а профиль выполнен разделенным на две части, из которых прикорневая часть выполнена за одно целое с хвостовиком, а периферийная часть за одно целое с силовым стержнем, отличающаяся тем, что расположенные между внутренними стенками профиля и силовым стержнем интенсификаторы охлаждения, выполнены в виде вихревой матрицы, причем в периферийной части профиля ребра вихревой матрицы соприкасаются, а в прикорневой части профиля - расположены на расстоянии друг от друга.

2. Рабочая лопатка турбины по п. 1, отличающаяся тем, что профиль выполнен без поперечного разреза между прикорневой частью и периферийной частью профиля.

3. Газотурбинный двигатель с высокотемпературной охлаждаемой газовой турбиной, отличающийся тем, что газовая турбина двигателя содержит рабочие лопатки по п 1.