книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Глава 8. Турбины ГТД

Основная часть воздуха поступает в радиаль­ ный канал б, поворачивает вниз по радиальному каналу 7 и снова вверх в радиальный канал 8, от­ куда через отверстия 9 на корыте перед выходной кромкой выходит в проточную часть. Часть возду­ ха по пути выходит в отверстия 10 (из полости 7) и 77 (из полости 8) пленочного охлаждения.

Воздух низкого давления по каналу 2 охлаж­ дает спинку и выходит через отверстие 12 в попе­ речный канал 13 в бандажной полке, из которого через два раздаточных канала 14 и 15 поступает в систему отверстий, обеспечивающих конвек­ тивное охлаждение полки и выпуск воздуха в заднюю и боковые торцевые поверхности бан­ дажной полки.

Внутренние стенки лопатки в полостях высо­ кого давления (за исключением спинки в полости б) имеют пристеночные ребра 16 для интенсифи­ кации теплообмена. Стенки, прилегающие к по­ лости 2, не оребрены, так как тепловой поток к охлаждающему воздуху и так достаточен за счет более высокой разности температур стенки и воздуха низкого давления.

Отверстия пленочного охлаждения

Отверстия пленочного охлаждения имеют ус­ ложненную пространственную форму с расши­ рением на выходе - для снижения скорости воз­ духа на выходе из отверстий. Отверстия пленоч­ ного охлаждения обычно делают с наклоном к поверхности в направлении движения газового потока (в идеале угол не более 30 градусов). Это улучшает прилегание струи к поверхности и уве­ личивает внутреннюю поверхность канала охла­ ждения в стенке лопатки за счет увеличения его длины. Технология выполнения отверстий пле­ ночного охлаждения для рабочих лопаток ТВД имеет свои особенности (см. рис. 8.104). В облас­ ти входной кромки из-за недостатка места отвер­ стия пленочного охлаждения могут иметь наклон только в вертикальном направлении и обеспечи­ вают прилегание струи с помощью центробеж­ ных сил.

У лопаток с петлевой многоходовой схемой движения воздуха (см. рис. 8.98) из узких внут­ ренних полостей 8 отверстия пленочного охлаж­ дения тоже могут быть выполнены с необходи­ мым малым углом наклона только в радиальном направлении. Отверстия в этих лопатках обычно наклонены к поверхности профиля под углом 30...45 градусов в вертикальной плоскости. Для наклона к поверхности в горизонтальной плоско­ сти (в направлении движения потока) недостаточ­ но места для размещения инструмента снаружи и существует опасность повреждения внутренних стенок. Наклон в вертикальной плоскости дает

А-А

Рис. 8.105. Рабочая лопатка ТВД:

1 - вертикальный канал входной кромки;

2- отверстия на входной кромке;

3- отверстия на спинку; 4- вертикальный канал; 5- отверстия срасширением на спинку; 6- отверстия срасширением на корыто; 7, 8- отверстия срасширением на корыто; 9- отверстия на корыто; 10- вертикальный канал выходной

кромки

возможность улучшить прилегание пленки и уве­ личить поверхность охлаждения даже в условиях крайне ограниченного пространства в плоскости сечения лопатки.

Еще одним способом улучшения эффективно­ сти системы пленочного охлаждения лопатки яв­ ляется выполнение конусообразного расширения на выходе из отверстий. Обычно это делается для тех мест выпуска, в которых достаточно велико отношение давлений воздуха и газа. Этот прием позволяет существенно повысить эффективность пленки за счет уменьшения скорости воздуха на выходе из отверстий и увеличения площади при­ крываемой струей поверхности. Технология вы­ полнения отверстий расширяющейся формы дос­ таточно сложная и дорогостоящая.

На рис. 8.105 показано сечение рабочей ло­ патки первой ступени ТВД с пленочным охлаж­ дением. На входной кромке лопатки (в месте ми­ нимального отношения давлений) из радиально­ го канала 7 три ряда отверстий 2 на входной кромке и один ряд 3 на спинку выполнены в виде обычных круглых отверстий. Из вертикального канала 4 в области более низкого давления воз­ дух выходит уже через ряды отверстий 5 и б

с расширением. Далее ряды отверстий 7 и 8 тоже выполнены с расширением. Однако отверстия 9 из канала 10 перед выходной кромкой - обычные круглые, так как давление воздуха в канале 10 уже значительно понижено для контролируемого выпуска в выходную кромку.

Конструкция рабочих лопаток второй ступени ТВД

Система охлаждения рабочих лопаток вто­ рой ступени ТВД достаточно полно представле­ на лопаткой ТВД двигателя Е3 GE [8.4.3] на рис. 8.106.

Воздух поступает в лопатку через два больших радиальных канала 1 (в районе входной кромки) и 2 (в районе выходной кромки). Таким образом, наиболее холодный воздух охлаждает наиболее нагретые области (кромки) лопатки. Воздух из ка­ нала 1 затем движется вниз и вверх соответствен­ но по радиальным каналам 3 и 4, выходя в проточ­ ную часть через передний паз в верхней части ко­ рыта. Воздух из радиального канала 2 совершает аналогичные передвижения вниз и вверх по кана­ лам 5 и 6, выходя в проточную часть через задний паз на корыте. Шесть радиальных каналов обеспе­ чивают значительную поверхность теплообмена и увеличенную скорость воздуха, необходимую

для эффективной теплоотдачи на внутренней по­ верхности лопатки.

Для интенсификации теплообмена примене­ ны пристеночные ребра 7(на внутренней поверх­ ности наружных стенок) и 8 (на межполостных стенках-ребрах).

Количество радиальных каналов в рабочей лопатке может составлять от трех до семи с рас­ ходом охлаждающего воздуха от 0,7 до 3 %. Для высокотемпературных турбин может быть вы­ полнен дополнительный радиальный канал на входной кромке, из которого обеспечивается пленочное охлаждение входной кромки.

В отличие от вышеприведенной конструкции, на внутренних стенках-ребрах интенсификаторы теплообмена часто не выполняют, так как они и так являются относительно холодными и до­ полнительный отвод тепла от них к воздуху уве­ личивает температурные напряжения в попереч­ ном сечении лопатки.

Типичная конструкция рабочей лопатки вто­ рой ступени ТВД приведена на рис. 8.107.

Выпуск охлаждающего воздуха производится на корыто в пазы / перед выходной кромкой. Ножка лопатки 2 в основном повторяет форму профиля корневого сечения лопатки, что позво­ ляет минимизировать массу. Под нижней полкой

Глава 8. Турбины ГТД

Рис. 8.110. ТНД RB211-535Е4 (Rolls-Royce):

1 - наружный корпус; 2- полки сопловых лопаток; 3- вставки с сотами; 4- теплоизоляция; 5,6- РЛ; 7,8- фланцы; 9- РЛ; 10- вспомогательный фланец; 11 - кожух; 12- зацепы; 13 - внутренние фланцы корпуса; 14- «ножки» лопаток СА; 15- сегменты (разрезных) колец; 16- болты

Работающие в непосредственном контакте с высокотемпературной газовой средой вставки (рис. 8.108) крепятся зацепами 1 за фланцы на­ ружного корпуса. Вставки изготовлены из монокристаллического литья, имеют систему конвек­ тивно-пленочного охлаждения с выпуском воз­ духа в отверстия 2 на боковых контактных поверхностях. В случае применения прирабаты­ ваемой пары лопатка-корпус на их рабочую по­ верхность 3 наносится истираемое керамическое покрытие.

Именно «двойной» корпус обеспечивает от­ носительную удаленность наружных корпусов турбины от высоких температур проточной час­ ти и возможность достаточно эффективного ох­ лаждения деталей, образующих наружную гра­ ницу проточной части.

Кроме того, «двойной» корпус обеспечивает относительную независимость основного несу­ щего корпуса от температуры в проточной части

исинхронизацию тепловых деформаций корпуса

иротора. По заявлению Rolls-Royce [8.5.1] это очень важно для стабильности характеристик турбины в эксплуатации (рис. 8.109).

(ТНД CF6-80C2, см. рис. 8.89), но часто заполняют­ ся теплоизоляционным материалом (RB211-535E4, рис. 8.110). ТНД на рис. 8.110 имеет силовой на­ ружный корпус 1 и внутренний контур проточной части, состоящий из наружных полок 2 сопловых лопаток и тонких вставок 3 с сотовыми уплотне­ ниями (набираемых из отдельных сегментов) над полками рабочих лопаток. Полости между корпу­ сом 1 и вставками 3 заполнены теплоизоляцион­ ным материалом 4, позволяющим снизить тепло­ вую нагрузку на наружный корпус и несколько повысить тепловую инерцию этого корпуса, необ­ ходимую в «пассивном» регулировании радиаль­ ных зазоров.

«Непробиваемость» корпусов обеспечивается размещением над рабочими лопатками (или с не­ большим смещением назад) фланцевых соедине­ ний корпусов или (при едином для турбины кор­ пусе) - специальных силовых ребер. На рис. 8.84 показан корпус ТВД CF6-80C2, имеющий флан­ цевое соединение 36 корпусов КС и ТВД непо­ средственно над осевым зазором между 1СА и 1РЛ, а также дополнительный (вспомогатель­ ный фланец) 37 над 1РЛ с небольшим сдвигом назад. Над 2РЛ расположено фланцевое соедине­ ние корпусов ТВД и ТНД, скрепленное болта­ ми 38. Над рабочей лопаткой ТВД PW6000 (см. рис. 8.87), ротор которой имеет частоту вра­ щения до 19 000 об/мин, применены два вспомо­ гательных фланца 24. Кроме того, вставки 22 над рабочей лопаткой имеют очень жесткую конст­ рукцию (с толстыми и длинными зацепами), ко­ торая значительно увеличивает «непробивае­ мость» корпуса. На рис. 8.110 корпус ТНД RB211-535Е4 сконструирован так, что над рабо­ чими лопатками 5 и 6 расположены соответст­ венно фланцевые соединения 7 и 8, а над рабочей лопаткой 9 - утолщение (вспомогательный фла­ нец) 10 наружного корпуса.

Корпуса должны обеспечивать возможность установки необходимых проектных радиальных зазоров между ротором и статором и исключение искажения зазоров в эксплуатации за счет конст­ руктивных особенностей корпуса (такой особен­ ностью может стать применение горизонтально­ го разъема корпуса).

Обычно разъемы корпуса делаются перпенди­ кулярно оси двигателя. На рис. 8.133 показано соединение корпуса 1СА ТВД LM2500 с корпу­ сом 2СА и со средним корпусом турбины. Гори­ зонтальные разъемы вдоль оси двигателя приме­ няются редко, несмотря на облегчение сборки турбины. Это объясняется тем, что температур­ ные градиенты и неравномерная жесткость по ок­ ружности могут привести к неравномерности ра­ диальных зазоров в рабочих условиях. Для устра-

Глава S. Турбины ГТД

ификсируются в окружном направлении пазами

ивыступами на кольцевых деталях. В осевом на­ правлении полки лопаток удерживаются распо­ ложенными за ними деталями корпуса.

Возможно крепление и фиксация лопаток с помощью штифтов (которые при ремонте при­ ходится высверливать). Поэтому такая техноло­ гия крепления не является предпочтительной.

Типичная схема крепления охлаждаемой со­ пловой лопатки ТВД (Rolls-Royce) к корпусу приведена на рис. 8.119.

Конструкция неохлаздцаемых СА

Типичная конструкция неохлаждаемых со­ пловых аппаратов ТНД RB211-535E4 (RollsRoyce) показана на рис. 8.110. Лопатки СА этой ТНД неохлаждаемые, однако они выполнены по­ лыми. В авиационных ТНД жесткие требования по массе вынуждают делать полыми даже неох­ лаждаемые лопатки СА.

Типичная конструкция неохлаждаемой сопло­ вой лопатки ТНД приведена на рис. 8.111. Наруж­ ная полка 1лопатки имеет передний фланец 2, ко­ торым она крепится во фланцах корпуса, а по зад­ нему фланцу 3 наружной полки удерживается разрезными кольцами. Нижняя полка 4 имеет фла­ нец 5 для крепления сотового уплотнения.

Системы охлаждения 1СА ТВД

Для современных турбин сложился достаточ­ но узкий диапазон применяемых конструкций охлаждаемых СА. Для сопловой лопатки первой

ступени ТВД, работающей в наиболее теплона­ пряженных условиях, используется конструкция с несколькими полостями и вставными дефлек­ торами.

Типичная конструкция охлаждаемого 1СА ТВД показана на рис. 8.112 - 1СА ТВД RB211-535Е4 (Rolls-Royce).

В переднюю полость 1 лопатки воздух посту­ пает через отверстия 2 в наружной полке, а затем через отверстия в дефлекторе 3 обеспечивает струйное охлаждение внутренних стенок. Де­ флектор с помощью выступов 4 на стенках ло­ патки регулирует расход воздуха на пленочное охлаждение разных частей профиля через отвер­ стия 5 пленочного охлаждения. Воздух в заднюю полость проходит через центральный канал 6

споперечными ребрами 7 и перебрасывается че­ рез поворотный канал 8 в заднюю полость. В зад­ ней полости использован односторонний (пла­ стинчатый) дефлектор 9, дозирующий расход воздуха на выходную кромку. До выходной кромки воздух проходит через штырьковую мат­ рицу 10. Полки имеют конвективное струйное охлаждение через пластинчатый дефлектор 11

сотверстиями. Отверстия пленочного охлажде­ ния на внутренних и наружных полках (в отли­ чие от CF6-80C2, рис. 8.115) отсутствуют, так как полки имеют теплозащитное покрытие.

Использование дефлектора в виде односто­ ронней пластины обусловлено трудностями раз­ мещения дефлектора из-за элементов простран­ ственного профилирования лопатки.

На рис. 8.113 приведена схема сопловой лопат­ ки первой ступени проекта Е3 фирмы General Electric [8.5.1]. Проект Е3 - Energy EfficientEngine- «энергетически эффективный двигатель» - был реализован в первой половине 1980-х гг. ведущими двигателестроительными компаниями США - Pratt&Whitney и GE Aircraft Engines и финанси­ ровался американским правительством. Разрабо­

танные в этом проекте технологии применяются практически во всех современных конструкциях авиационных турбин. К особенностям конструк­ ции лопатки 1СА ТВД (см. рис. 8.113) можно от­ нести:

- радиальное расположение отверстий на входной кромке 7 и на начальном участке коры­ та 2;