Сопловой аппарат турбины высокого давления газотурбинного двигателя Российский патент 2021 года по МПК F01D9/02 F01D5/18 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к конструкциям сопловых аппаратов турбины высокого давления (далее ТВД) и трактам воздушного охлаждения сопловых лопаток авиационных газотурбинных двигателей (далее ГТД).

Известен сопловой аппарат ТВД ГТД, содержащий наружное и внутреннее кольца соплового аппарата, соединенные с наружным и внутренним корпусом камеры сгорания соответственно, венец сопловых лопаток (далее СЛ) с наружными и внутренними полками, соединенными с наружным и внутренним кольцами соплового аппарата соответственно, причем в пере каждой из сопловых лопаток выполнен продольный охлаждающий канал, сообщенный с полостью, образованной наружным кольцом соплового аппарата и наружным корпусом камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха, а также с полостью подвода воздуха к аппарату закрутки, образованной во внутреннем кольце соплового аппарата.

(см. чертеж турбины двигателя АЛ-31Ф по ссылке: https://vmasshtabe.ru/wp-content/uploads/2014/12/212321-vms-GOTOVYIY-AL-31F.jpg в сети Интернет).

Известная конструкция выбрана в качестве прототипа.

Недостатки известного соплового аппарата ТВД ГТД:

В результате нагрева наружного и внутреннего корпуса камеры сгорания (далее КС) взаимное перемещение стыковочных фланцев этих корпусов в осевом направлении может быть различным. Если в какой-то момент работы изделия осевое перемещение точек фиксации наружных и внутренних полок СЛ будет значительным, то это приведет к разрушению СЛ.

Наружная полка СЛ крепится к наружному кольцу при помощи винтов ввернутых в приливы расположенные на внешней поверхности полки. При таком способе фиксации СЛ полка под приливами не охлаждается должным образом. В этих местах на поверхности полки образуются трещины, что приведет к выходу из строя СЛ и снизит надежность соплового аппарата в целом.

При тепловом расширении коробки внутренней полки СЛ увеличивается ее осевой размер, в результате чего может происходить изгиб крышки внутреннего кольца СВ. После этого возможна потеря герметичности стыка и утечка охлаждающего воздуха, что снижает характеристики турбины.

Внутренняя полка СЛ представляет собой коробку с окном в передней части. Площадь этого окна ограничена. Охлаждающий воздух вынужден проходить не только сквозь окно с ограниченной площадью, но и при входе в переднюю полость СЛ поворачивать под девяносто градусов. Это приводит к потере давления и отрицательно влияет на охлаждение передней кромки пера СЛ. Все это может привести к затеканию газа в переднюю полость пера и прогару передней стенки СЛ.

Внутреннее кольцо СВ слишком металлоемкое, т.к. в его конструкцию входит крышка, закрепленная на внутреннем кольце винтами.

Технические результаты изобретения: повышение надежности СА, снижение веса и упрощение конструкции СА.

Указанные технические результаты достигаются тем, что сопловой аппарат ТВД ГТД, содержит наружное и внутреннее кольца соплового аппарата, соединенные с наружным и внутренним корпусом камеры сгорания соответственно, венец сопловых лопаток с наружными и внутренними полками, соединенными с наружным и внутренним кольцами соплового аппарата соответственно, причем в пере каждой из сопловых лопаток выполнен продольный охлаждающий канал, сообщенный с полостью, образованной наружным кольцом соплового аппарата и наружным корпусом камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха, а также с полостью подвода воздуха к аппарату закрутки, выполненной во внутреннем кольце соплового аппарата, при этом, согласно настоящему изобретению, с полостью, образованной наружным кольцом соплового аппарата и наружным корпусом камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха, охлаждающий канал каждой из лопаток сообщен посредством двух втулок, соединенных между собой телескопически, с возможностью радиального смещения друг относительно друга, одна из которых установлена в отверстии наружного кольца соплового аппарата и зафиксирована относительно наружного кольца соплового аппарата посредством выполненных на ее наружной поверхности двух диаметрально расположенных выступов, заведенных в кольцевые пазы наружного кольца соплового аппарата, выполненные со стороны наружного диаметра последнего, а также контровочной шайбы, а другая втулка выполнена со стороны наружной поверхности наружной полки сопловой лопатки, за одно целое с ней, при этом с полостью подвода воздуха к аппарату закрутки, выполненной во внутреннем кольце соплового аппарата, охлаждающий канал каждой из сопловых лопаток сообщен посредством трубчатого элемента, закрепленного в отверстии внутреннего кольца соплового аппарата посредством шарнирного соединения и втулки, выполненной со стороны внутренней поверхности внутренней полки сопловой лопатки, за одно целое с ней, и соединенной с трубчатым элементом посредством шарнирного соединения, кроме того наружные полки венца сопловых лопаток зафиксированы в наружном кольце соплового аппарата в радиальном направлении посредством выполненного на наружной поверхности каждой из наружных полок лопаток, со стороны выходной кромки пера, Г-образного выступа, вставленного концевым участком в кольцевой паз наружного кольца, выполненный со стороны внутреннего диаметра последнего, а также выполненных на наружной поверхности каждой из наружных полок лопаток, со стороны входной кромки пера, двух П-образных выступов, разнесенных друг относительно друга в окружном направлении, в пазы которых заведена торцовая часть наружного кольца, а от проворота наружных полок относительно оси втулки, выполненной со стороны наружной поверхности наружной полки сопловой лопатки, в каждой наружной полке установлен штифт, заведенный в осевой паз наружного кольца, при этом на наружном диаметре внутреннего кольца соплового аппарата выполнен кольцевой паз, а со стороны внутренней поверхности каждой из внутренних полок венца сопловых лопаток выполнено по ответному пазу, в которых установлен кольцевой упругий элемент, перекрывающий поток воздуха из компрессора высокого давления в проточную часть турбины высокого давления.

Для исключения образования трещин на наружных полках СЛ отсутствуют приливы с резьбовыми гнездами для винтов. Вместо винтового соединения предложен новый способ фиксации СЛ на наружном кольце. В средней части наружной полки расположена цилиндрическая втулка, которая одновременно выполняет две функции. Она не только служит силовым элементом фиксации СЛ в осевом и окружном направлении, но также формирует канал для прохода охлаждающего воздуха сквозь центральную часть пера СЛ и в совокупности с дополнительной втулкой, телескопически соединенной с ней, образует, достаточно герметичный воздушный канал, сообщенный с каналом в теле СЛ. Это исключает трещины и в дальнейшем прогар верхней полки СЛ, что повышает надежность соплового аппарата в целом.

При этом фиксация дополнительной втулки относительно наружного кольца соплового аппарата осуществляется посредством выполненных на ее наружной поверхности двух диаметрально расположенных выступов, заведенных в кольцевые пазы наружного кольца соплового аппарата, выполненные со стороны наружного диаметра последнего, а также контровочной шайбы. Это позволяет обеспечить удобную сборку/разборку данного узла.

Разработанная конструкция СВ отличается от прототипа тем, что силовое воздействие на сопловые лопатки в основном оказывает только поток газа. Это обеспечено за счет установки податливого упругого кольцевого элемента, расположенного между венцом СЛ и внутренним кольцом СВ в соответствующих радиальных пазах. Так как разница взаимных осевых перемещений наружного и внутреннего корпуса КС не слишком велика, то упругий кольцевой элемент принимает форму конуса в пределах упругой деформации и за счет действующего на него значительного перепада давления надежно обеспечивает герметичность стыков на всех режимах работы изделия, что исключает негативное влияние на характеристики турбины в целом. Кроме перечисленных улучшений, применение упругого кольцевого элемента в конструкции СВ позволяет снизить вес изделия и повысить его технологичность (за счет исключения крышки с фланцевым соединением).

Предложенная конструкция СЛ отличается от прототипа тем, что ее внутренняя полка не имеет коробку, которая препятствует прохождению охлаждающего воздуха напрямую в переднюю полость пера и значительно усложняет конструкцию лопатки. Наличие втулки, выполненной со стороны внутренней поверхности внутренней полки сопловой лопатки, за одно целое с ней позволяет исключить коробку с окном в ее передней стенке. Вновь разработанное конструкторское решение обеспечивает беспрепятственный вход воздуха в переднюю полость пера без потери давления, что приводит к более эффективному охлаждению передней кромки СЛ и повышает надежность СА в целом. Кроме того, отсутствие припаянной к нижней полке СЛ дополнительной нижней крышки снижает вес лопатки и обеспечивает свободный доступ воздуха к полке.

Втулки на нижней полке С Л не имеют жесткой связи с внутренним кольцом СВ, так как между ними установлены трубчатые элементы, которые за счет сферических наконечников имеют возможность поворачиваться при различном осевом перемещении наружного и внутреннего корпусов КС. Трубчатые элементы не препятствуют различному радиальному перемещению лопаточного венца и внутреннего кольца в процессе работы ГТД. Они служат для подачи проходящего через центральный канал СЛ охлаждающего воздуха непосредственно к аппарату его закрутки. Все это исключает разрушение СА в процессе работы ГТД и повышает его надежность.

Внутреннее кольцо СВ ТВД более легкое и более технологичное, чем внутреннее кольцо прототипа. Конструкция кольца не предусматривает наличие крышки, зафиксированной на нем винтами. Это обеспечивает герметичность стыка, снижает вес узла и исключает отрицательное влияние головок винтов в полости между ротором и статором из-за торможения протекающего в полости воздуха, что снижает КПД турбины.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На Фигуре 1 изображен продольный разрез соплового аппарата ТРД ГТД.

На Фигуре 2 - увеличенный фрагмент А.

На Фигуре 3 - вид Б.

Сопловой аппарат ТВД ГТД, содержит наружное и внутреннее кольца 1 и 2, соединенные с наружным и внутренним корпусом 3 и 4 камеры сгорания соответственно, венец сопловых лопаток 5 с наружными и внутренними полками 6 и 7, соединенными с наружным и внутренним кольцами 1 и 2 соплового аппарата соответственно.

В пере каждой из сопловых лопаток 5 выполнен продольный охлаждающий канал 8, сообщенный с полостью 9, образованной наружным кольцом 1 соплового аппарата и наружным корпусом 3 камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха 10, а также с полостью подвода воздуха 11 к аппарату закрутки, образованной во внутреннем кольце 2 соплового аппарата.

С полостью 9, образованной наружным кольцом 1 соплового аппарата и наружным корпусом 3 камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха 10 охлаждающий канал 8 каждой из лопаток 5 сообщен посредством двух втулок 12 и 13, соединенных между собой телескопически (труба в трубе), с возможностью их радиального смещения друг относительно друга, ограниченного длиной посадочного пояска 14, выполненного на концевом участке втулки 13.

Одна из упомянутых втулок 12 установлена в отверстии наружного кольца 1 соплового аппарата и зафиксирована в радиальном направлении относительно наружного кольца 1 соплового аппарата посредством выполненных на ее наружной поверхности двух диаметрально расположенных выступов 15 и 16, заведенных в кольцевые пазы 17 наружного кольца 1 соплового аппарата, выполненные со стороны наружного диаметра последнего, а в окружном направлении посредством контровочных шайб 18, установленных под каждой из втулок 12.

Другая из упомянутых втулок 13 выполнена со стороны наружной поверхности наружной полки 6 сопловой лопатки 5, за одно целое с ней.

С полостью подвода воздуха 11 к аппарату закрутки, выполненной во внутреннем кольце 2 соплового аппарата, охлаждающий канал 8 каждой из сопловых лопаток 5 сообщен посредством трубчатого элемента 19, закрепленного в отверстии внутреннего кольца 2 соплового аппарата посредством шарнирного соединения 20 (контактные поверхности выполнены сферическими) и втулки 21, выполненной со стороны внутренней поверхности внутренней полки 7 сопловой лопатки 5, за одно целое с ней и соединенной с трубчатым элементом 19 посредством шарнирного соединения 22 (контактные поверхности выполнены сферическими).

Наружные полки 6 венца сопловых лопаток 5 зафиксированы относительно наружного кольца 1 соплового аппарата в радиальном направлении посредством выполненных на одном конце (со стороны выходной кромки пера) наружных поверхностей полок Г-образных выступов 30, концы которых вставлены в кольцевой паз 23 наружного кольца 1, выполненный со стороны внутреннего диаметра последнего, а на другом конце (со стороны входной кромки пера) наружного кольца 1 посредством двух П-образных выступов 28, расположенных на наружной поверхности каждой из полок 6, при этом торцовая часть наружного кольца 1 заведена в пазы 29, образованные выступами 28, а от проворота полок 6 вокруг оси втулки 12 посредством штифтов 24, установленных в наружную полку 6 каждой сопловой лопатки 5 и входящих в соответствующие пазы наружного кольца 1 соплового аппарата. В осевом и окружном направлении наружные полки 6 зафиксированы втулкой 12 вставленной в наружное кольцо 1 и установленной на втулку 13.

При этом на наружном диаметре внутреннего кольца 2 соплового аппарата выполнен кольцевой паз 25, а со стороны внутренней поверхности каждой из внутренних полок 7 венца сопловых лопаток 5 выполнено по ответному пазу 26, в которых установлен кольцевой упругий элемент 27, перекрывающий поток воздуха из компрессора высокого давления в проточную часть турбины высокого давления. Кольцевой упругий элемент 27 выполнен в виде плоского кольца с утолщениями (сферическими буртиками) на концевых участках его торцов в соответствии с формой пазов 25 и 26.

Сборка соплового аппарата ТВД ГТД происходит следующим образом. Во внутреннее кольцо 2, с установленным заранее упругим элементом 27, устанавливаются трубчатые элементы 19 (до упора). Далее все СЛ 5 устанавливаются в радиальном направлении на трубчатые элементы 19, при этом упругий элемент 27 входит в пазы 26 внутренних полок 7 каждой СЛ 5. После этого собранный узел задвигается в наружное кольцо 1 до проникновения Г-образных выступов 30 в кольцевой паз 23 и проникновения торцовой части наружного кольца 1 в пазы П-образных выступов 28. При этом штифты 24 входят в паз наружного кольца 1. Далее в кольцевые пазы 17 наружного кольца 1 устанавливаются контровочные шайбы 18 (через единственный паз в заднем Г-образном выступе наружного кольца 1) и втулки 12 (со стыковкой со втулками 13 наружных полок 6 СЛ 5 и проворотом). После этого втулки 12 фиксируются посредством загиба контровочных шайб 18.

Сопловой аппарат (СА) турбины высокого давления (ТВД) авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) содержит наружное и внутреннее кольца соплового аппарата, соединенные с наружным и внутренним корпусом камеры сгорания соответственно, венец сопловых лопаток с наружными и внутренними полками, соединенными с наружным и внутренним кольцами соплового аппарата соответственно, причем в пере каждой из сопловых лопаток выполнен продольный охлаждающий канал, сообщенный с полостью, образованной наружным кольцом соплового аппарата и наружным корпусом камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха, а также с полостью подвода воздуха к аппарату закрутки, выполненной во внутреннем кольце соплового аппарата, при этом, согласно настоящему изобретению, с полостью, образованной наружным кольцом соплового аппарата и наружным корпусом камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха, охлаждающий канал каждой из лопаток сообщен посредством двух втулок, соединенных между собой телескопически, с возможностью радиального смещения друг относительно друга, одна из которых установлена в отверстии наружного кольца соплового аппарата и зафиксирована относительно наружного кольца соплового аппарата посредством выполненных на ее наружной поверхности двух диаметрально расположенных выступов, заведенных в кольцевые пазы наружного кольца соплового аппарата, выполненные со стороны наружного диаметра последнего, а также контровочной шайбы, а другая втулка выполнена со стороны наружной поверхности наружной полки сопловой лопатки, за одно целое с ней, при этом с полостью подвода воздуха к аппарату закрутки, выполненной во внутреннем кольце соплового аппарата, охлаждающий канал каждой из сопловых лопаток сообщен посредством трубчатого элемента, закрепленного в отверстии внутреннего кольца соплового аппарата посредством шарнирного соединения и втулки, выполненной со стороны внутренней поверхности внутренней полки сопловой лопатки, за одно целое с ней, и соединенной с трубчатым элементом посредством шарнирного соединения, кроме того, наружные полки венца сопловых лопаток зафиксированы в наружном кольце соплового аппарата в радиальном направлении посредством выполненного на наружной поверхности каждой из наружных полок лопаток, со стороны выходной кромки пера, Г-образного выступа, вставленного концевым участком в кольцевой паз наружного кольца, выполненный со стороны внутреннего диаметра последнего, а также выполненных на наружной поверхности каждой из наружных полок лопаток, со стороны входной кромки пера, двух П-образных выступов, разнесенных друг относительно друга в окружном направлении, в пазы которых заведена торцовая часть наружного кольца, при этом на наружном диаметре внутреннего кольца соплового аппарата выполнен кольцевой паз, а со стороны внутренней поверхности каждой из внутренних полок венца сопловых лопаток выполнено по ответному пазу, в которых установлен кольцевой упругий элемент, перекрывающий поток воздуха из компрессора высокого давления в проточную часть турбины высокого давления. Достигается повышение надежности, снижение веса и упрощение конструкции СА. 3 ил.

Сопловой аппарат турбины высокого давления газотурбинного двигателя, содержащий наружное и внутреннее кольца соплового аппарата, соединенные с наружным и внутренним корпусом камеры сгорания соответственно, венец сопловых лопаток с наружными и внутренними полками, соединенными с наружным и внутренним кольцами соплового аппарата соответственно, причем в пере каждой из сопловых лопаток выполнен продольный охлаждающий канал, сообщенный с полостью, образованной наружным кольцом соплового аппарата и наружным корпусом камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха, а также с полостью подвода воздуха к аппарату закрутки, выполненной во внутреннем кольце соплового аппарата, отличающийся тем, что с полостью, образованной наружным кольцом соплового аппарата и наружным корпусом камеры сгорания с клапанами перепуска воздуха, охлаждающий канал каждой из лопаток сообщен посредством двух втулок, соединенных между собой телескопически, с возможностью радиального смещения друг относительно друга, одна из которых установлена в отверстии наружного кольца соплового аппарата и зафиксирована относительно наружного кольца соплового аппарата посредством выполненных на ее наружной поверхности двух диаметрально расположенных выступов, заведенных в кольцевые пазы наружного кольца соплового аппарата, выполненные со стороны наружного диаметра последнего, а также контровочной шайбы, а другая втулка выполнена со стороны наружной поверхности наружной полки сопловой лопатки, за одно целое с ней, при этом с полостью подвода воздуха к аппарату закрутки, выполненной во внутреннем кольце соплового аппарата, охлаждающий канал каждой из сопловых лопаток сообщен посредством трубчатого элемента, закрепленного в отверстии внутреннего кольца соплового аппарата посредством шарнирного соединения и втулки, выполненной со стороны внутренней поверхности внутренней полки сопловой лопатки, за одно целое с ней, и соединенной с трубчатым элементом посредством шарнирного соединения, кроме того, наружные полки венца сопловых лопаток зафиксированы в наружном кольце соплового аппарата в радиальном направлении посредством выполненного на наружной поверхности каждой из наружных полок лопаток, со стороны выходной кромки пера, Г-образного выступа, вставленного концевым участком в кольцевой паз наружного кольца, выполненный со стороны внутреннего диаметра последнего, а также выполненных на наружной поверхности каждой из наружных полок лопаток, со стороны входной кромки пера, двух П-образных выступов, разнесенных друг относительно друга в окружном направлении, в пазы которых заведена торцовая часть наружного кольца, а от проворота наружных полок относительно оси втулки, выполненной со стороны наружной поверхности наружной полки сопловой лопатки, в каждой наружной полке установлен штифт, заведенный в осевой паз наружного кольца, при этом на наружном диаметре внутреннего кольца соплового аппарата выполнен кольцевой паз, а со стороны внутренней поверхности каждой из внутренних полок венца сопловых лопаток выполнено по ответному пазу, в которых установлен кольцевой упругий элемент, перекрывающий поток воздуха из компрессора высокого давления в проточную часть турбины высокого давления.