Рабочее колесо турбины
Рабочее колесо турбины содержит основной диск, лопатки, закрепленные в ободе основного диска, и два покрывных диска, первый впереди основного диска, второй за основным диском. Покрывные диски установлены с примыканием их внешних кромок встык к кромкам нижних полок лопаток таким образом, что в рабочих условиях возможно образование в местах стыка сплошной стенки, которая отгораживает от проточной части турбины полость, сформированную между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха. Рабочее колесо отличается тем, что нижние полки лопаток у внешней кромки второго покрывного диска выполнены со срезанным с одной стороны углом. В местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой второго покрывного диска, образованы отверстия, соединяющие полость между основным и вторым покрывным дисками с проточной частью турбины. Новое техническое решение обеспечивает увеличение ресурса рабочего колеса турбины за счет уменьшения механических напряжений в полотне покрывного диска.
Полезная модель относится к области турбостроения, в частности к устройству охлаждаемого рабочего колеса турбины компрессора в газотурбинном двигателе, и может быть использована в транспортном и энергетическом машиностроении.
В газотурбинных двигателях турбина компрессора работает в наиболее тяжелых условиях. Для нормальной работы двигателя требуется охлаждение конструктивных элементов турбины: дисков рабочих колес, рабочих и сопловых лопаток, корпусов, опор. Применяемая система охлаждения должна обеспечивать поддержание температуры элементов в допустимых пределах, защищать их от газовой коррозии, вызываемой действием горячих газов, способствовать снижению термических напряжений в элементах. В газотурбинных двигателях наиболее широко в качестве охладителя используется воздух, отбираемый за компрессором или из промежуточных ступеней компрессора.
Для охлаждения дисков рабочих колес используются разные конструктивные приемы, позволяющие снизить разность температур по радиусу диска и уровень температурных напряжений.
С целью снижения перепада температур по радиусу диска используется обдув его обода и продувка воздуха через монтажные зазоры елочных замков в соединении рабочих лопаток с диском. Интенсивный теплообмен в монтажных зазорах дает значительное снижение разности температур обода и центральной части диска. Обдув боковых поверхностей диска обеспечивает снижение среднего уровня нагрева диска и температурного перепада по радиусу диска.
Наиболее эффективно охлаждение диска происходит в рабочем колесе, содержащем помимо основного покрывные диски (вращающиеся дефлекторы). В таком рабочем колесе продувка воздуха осуществляется между основным и покрывным диском.
Известно рабочее колесо турбины, содержащее основной диск с неохлаждаемыми рабочими лопатками и покрывной диск. Между основным диском и покрывным образована полость. Покрывной диск выполнен по периферии глухим, без отверстий (М.М.Масленников, Ю.И.Шальман. Авиационные газотурбинные двигатели. - Москва: Машиностроение, 1975, стр.396). В замковых соединениях елочного типа, с помощью которых лопатки крепятся к ободу основного диска, предусмотрены зазоры, имеющие с одной стороны сообщение с полостью между основным диском и покрывным, а с другой - с проточной частью турбины. В условиях работы турбины охлаждающий воздух проходит в полости, образованной основным и покрывным дисками, в направлении от центра к периферии. На периферии воздух из полости пропускается через зазоры в замковых соединениях, интенсивно охлаждая обод основного диска и хвостовики лопаток, и выходит с задней стороны основного диска в проточную часть турбины. Конструкция рабочего колеса позволяет иметь в полости между основным и покрывным дисками высокие скорости движения охлаждающего воздуха при экономичном его расходе. Однако из-за одностороннего обдува основного диска охлаждение является недостаточно эффективным.
Известно выбранное в качестве прототипа рабочее колесо турбины, содержащее основной диск, лопатки, закрепленные в ободе основного диска, и два покрывных диска (дефлектора). Первый покрывной диск установлен впереди основного диска, а второй - сзади. Каждый из покрывных дисков установлен с примыканием встык плоскости его внешней кромки к кромкам нижних полок лопаток таким образом, что в рабочих условиях в месте стыка образуется сплошная стенка, которая отгораживает от проточной части турбины полость, сформированную между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха (А.Д.Богданов, Н.П.Калинин, А.И.Кривко. Турбовальный двигатель ТВ3-117 ВМ. - Москва: Воздушный транспорт, 2000, стр.99 и 119). Второй покрывной диск выполнен с отверстиями, которые расположены на периферийной его части. Отверстия размещены равномерно по окружности и предназначены для сброса в проточную часть турбины отработанного охлаждающего воздуха.
При работе турбины первая часть охлаждающего воздуха через отверстия цилиндрического пояса основного диска и отверстия в ступице покрывного диска поступает в полость между первым покрывным диском и основным диском. В полости она перемещается от центра к периферии, обдувая основной диск спереди, и, распределившись по зазорам в замковых соединениях, с помощью которых лопатки крепятся к ободу основного диска, и каналам между верхними частями хвостовиков лопаток, проходит их. Миновав зазоры и каналы, воздух напрямую через отверстия второго покрывного диска выводится в проточную часть турбины. Вторая часть воздуха через отверстия в ступице второго покрывного диска поступает из полости турбины в полость между основным диском и вторым покрывным диском, охлаждает заднюю поверхность основного диска и также как первая часть воздуха выходит через отверстия на периферии второго покрывного диска в проточную часть турбины.
Недостатком рабочего колеса турбины является его небольшой ресурс. Ресурс ограничен сроком службы покрывного диска с отверстиями, связанным с продолжительностью его работы до появления первых признаков разрушения.
Задачей полезной модели является увеличение ресурса рабочего колеса турбины за счет уменьшения механических напряжений в полотне покрывного диска.
Уменьшение механических напряжений в полотне покрывного диска достигается тем, что в рабочем колесе турбины, содержащем основной диск, лопатки, закрепленные в ободе основного диска, и два покрывных диска, первый впереди основного диска, второй за основным диском, которые установлены с примыканием их внешних кромок встык к кромкам нижних полок лопаток таким образом, что в рабочих условиях возможно образование в местах стыка сплошной стенки, которая отгораживает от проточной части турбины полость, сформированную между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха, согласно полезной модели, нижние полки лопаток у внешней кромки второго покрывного диска выполнены со срезанным с одной стороны углом, при этом в местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой второго покрывного диска, образованы отверстия, соединяющие полость между основным и вторым покрывным дисками с проточной частью турбины.
Выполнение нижних полок лопаток у внешней кромки второго покрывного диска со срезанным с одной стороны углом и образование в местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой покрывного диска, отверстий, соединяющих полость между основным и вторым покрывным дисками с проточной частью турбины, позволяет отказаться от применения покрывного диска, выполненного с отверстиями на периферийной его части. Такой второй покрывной диск, с отверстиями, использован в прототипе. Как известно, отверстия в полотне
диска являются концентраторами механических напряжений и способствуют ускорению разрушительных процессов, особенно в условиях высоких температур. Кроме того, в прототипе местоположение отверстий на полотне покрывного диска негативно влияет на интенсивность движения охлаждающего воздуха в кольцевой зоне полости, наиболее удаленной от центра и размещенной за отверстиями покрывного диска. Наличие в предлагаемом рабочем колесе турбины отверстий в местах срезанных углов полок позволяет выводить охлаждающий воздух в проточную часть через эти отверстия и использовать покрывной диск без отверстий на периферийной части, при этом обеспечивается интенсивная продувка воздуха по всему пространству полости, что улучшает охлаждение ободной части покрывного диска. Благодаря этому снижается уровень механических напряжений в полотне покрывного диска и, следовательно, замедляются процессы его разрушения, что, в итоге, увеличивает срок службы диска и повышает межремонтный ресурс рабочего колеса.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1. Часть ротора турбины с предлагаемыми рабочими колесами, продольный разрез;
Фиг.2. Разрез А-А на фиг.1;
Фиг.3. Фрагмент Б на фиг.1.
На фиг.1 показана часть ротора турбины компрессора для газотурбинного двигателя, содержащая два рабочих колеса предлагаемой конструкции.
Рабочее колесо 1-ой ступени содержит основной диск 1, лопатки 2, покрывной диск 3, установленный впереди основного диска 1, и установленный за основным диском покрывной диск 4. В рабочее колесо II-ой ступени входят основной диск 5, лопатки 6, передний покрывной диск 7 и покрывной диск 8, расположенный за основным диском 5.
Между основным диском 1 и покрывными дисками 3 и 4 образованы соответственно полости 9 и 10, а между основным диском 5 и покрывными 7 и 8 - соответственно полости 11 и 12.
Каждая лопатка 2 имеет нижнюю полку 13, лопатка 6 - нижнюю полку 14. Лопатки в ободах основных дисков 1 и 5 закреплены с помощью замковых соединений елочного типа. В этих соединениях между ободом и нерабочей частью зубцов хвостовика лопатки предусмотрены зазоры (на чертежах не показаны) для продувки охлаждающего воздуха. Зазоры на входе соединены с полостью между основным и передним покрывным дисками, на выходе - с полостью между основным и задним покрывным диском. Полости 9 и 10 соединены между собой также через каналы (на чертежах не обозначены), образованные между верхними частями хвостовиков, под нижними полками лопаток 2. Такое же соединение имеют полости 11 и 12.
Каждый из покрывных дисков установлен с примыканием встык его внешней кромки к кромкам нижних полок лопаток: кромки покрывных дисков 3 и 4 с разных сторон примыкают к кромкам нижних полок 13, а кромки покрывных дисков 7 и 8 - к кромкам нижних полок 14. Установка дисков произведена таким образом, что в местах стыков образуется сплошная стенка, отгораживающая от проточной части полость, которая сформирована между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха. Нижние полки 13 и 14 выполнены со срезанным с одной стороны углом. В местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой покрывного диска образованы отверстия: в рабочем колесе I-ой ступени отверстия 15, в рабочем колесе II-ой ступени отверстия 16. Отверстия 15 соединяют с проточной частью полость 10, а отверстия 16 - полость 12.
В условиях работы газотурбинного двигателя охлаждение рабочих колес в турбине производится с помощью воздушного обдува внешних
поверхностей покрывных дисков и продувкой воздуха через полости 9, 10, 11 и 12.
Продувка осуществляется следующим образом.
Первый поток охлаждающего воздуха поступает в полость 9 из внутренней полости ротора турбины компрессора через специальные отверстия (на чертежах не обозначены), выполненные в цилиндрическом поясе основного диска 1 и в ступице покрывного диска 3. Сначала он проходит по полости 9 от центра к ее периферии, охлаждая переднюю поверхность основного диска 1, потом по зазорам замковых соединений и каналам между верхними частями хвостовиков лопаток 2 выходит в полость 10 и далее через отверстия 15 выводится в проточную часть.
Через полость 10 продувается второй поток воздуха, поступающий в нее из внутренней полости турбины через отверстия (на чертеже не обозначены) в ступице покрывного диска 4. Второй поток воздуха охлаждает заднюю поверхность основного диска 1. Из полости 10 через отверстия 15 воздушный поток выводится в проточную часть.
Продувка полости 11 для охлаждения передней поверхности основного диска 5 производится третьим потоком охлаждающего воздуха, который поступает в нее через отверстия (на чертежах не обозначены) в ступице покрывного диска 7 из той же внутренней полости турбины, что и второй поток в полость 10. Воздух из периферийной части полости 11 проходит в периферийную часть полости 12 по каналам между верхними частями хвостовиков лопаток и зазорам замковых соединений, а затем выбрасывается в проточную часть турбины через отверстия 16.
Четвертый поток охлаждающего воздуха поступает для охлаждения задней поверхности основного диска 5 в полость 12 по лыскам стяжных болтов и фрезеровкам в посадочных поясах (на чертежах не обозначены) основного диска 5, проходит от центра к периферии полости 12 и выходит в проточную часть через отверстия 16.
Рабочее колесо турбины, содержащее основной диск, лопатки, закрепленные в ободе основного диска, и два покрывных диска, первый впереди основного диска, второй за основным диском, которые установлены с примыканием их внешних кромок встык к кромкам нижних полок лопаток таким образом, что в рабочих условиях возможно образование в местах стыка сплошной стенки, которая отгораживает от проточной части турбины полость, сформированную между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха, отличающееся тем, что нижние полки лопаток у внешней кромки второго покрывного диска выполнены со срезанным с одной стороны углом, при этом в местах срезанных углов между двумя смежными полками и внешней кромкой второго покрывного диска образованы отверстия, соединяющие полость между основным и вторым покрывным дисками с проточной частью турбины.
