Закрепление рабочих лопаток в диске (от перемещения вдоль паза) производится несколькими способами (см. Рис. 8.4.2.1_2).

Прежде всего, замок 1 лопатки фиксируется от перемещений соседними деталями ротора – ободной частью дефлекторов 2, промежуточных дисков 3, лабиринтов 4. Каждая деталь фиксирует замок от перемещения в одном направлении. Одновременно все эти детали могут служить защитой от газового потока и создавать полости для подвода охлаждающего воздуха и улучшения охлаждения обода диска и замкового соединения.

Для фиксации от перемещения в двух противоположных направлениях замок может фиксироваться специальными пластинами 5 и 6, которые одновременно служат уплотнением замкового соединения от перетекания газа через зазоры между замком лопатки и выступом диска.

Наиболее простым элементом фиксации замка служат пластинчатые замки – двусторонние 7 и односторонние 8.

8.4.3 - Охлаждение рабочих лопаток

Схемы охлаждения лопаток отличаются большим разнообразием. В основном, выбор схемы охлаждения определяется температурой газа

âконкретной турбине. Выбор должен быть оптимизирован по расходу охлаждающего воздуха, характеристикам турбины и долговечности лопатки - с точки зрения характеристик двигателя и себестоимости конструкции.

Рабочие лопатки первой ступени ТВД

Для рабочих лопаток первой ступени турбины практически исключительное применение нашла петлевая многоходовая схема охлаждения,п- ример которой приведен на Рис. 8.4.3_1. Эта лопатка имеет два канала, по которым охлаждающий воздух подается в переднюю 1 и заднюю 2 внутренние полости. Поток из канала 1 поступает

âдостаточно просторный (для снижения потерь давления и равномерного распределения давления по длине) радиальный канал 3, который является раздаточным. Из канала 3 воздух через систему отверстий 4 (изготовленных литьем) реализует струйное натекание на внутреннюю поверхность входной кромки в полости 5. Из полости 5 входной кромки воздух через пять рядов отверстий 6 пленочного охлаждения выходит на поверхность, создавая так называемое «душевое» пленочное охлаждение. Принято считать, что примерно одинаковый вклад в эффективность охлаждения входной кром-

ки вносят конвективное струйное охлаждение внутренней поверхности; конвективный теплообмен в отверстиях пленочного охлаждения (в стенке лопатки) и само пленочное охлаждение.

Охлаждающий воздух из полости 2 поступает в раздаточный радиальный канал 7, размеры которого обеспечивают равномерное распределение давления по длине. Часть воздуха поступает в среднюю часть лопатки в систему из 4-х радиальных каналов 8, весь воздух из которых выходит в проточ- ную часть через несколько рядов отверстий пленочного охлаждения корыта и спинки. Сечения охлаждающих каналов 8 имеют относительно малое гидравлическое сопротивление, так как охлаждающему воздуху необходим запас по давлению для выхода в проточную часть и исключения затекания газа в отверстия пленочного охлаждения.

Другая часть воздуха из радиального канала 7 проходит последовательно радиальные полости 9 и 10 через систему отверстий 11 и 12 в стенках между ними и выходит через длинные каналы 13 на поверхность лопатки перед выходной кромкой. Система гидравлических сопротивлений управляет расходом воздуха в выходную кромку, в которую воздух уходит под действием значительной разницы давлений. Этот воздух создает пленку на поверхности корыта вблизи выходной кромки. Вверху и внизу пазы 14 увеличенных размеров – для удержания литейного стержня.

При течении воздуха в радиальных раздаточ- ных каналах 3 и 7, а также в радиальных каналах 8 организована пристеночная турбулизация пограничного слоя потока и увеличение теплообмена за счет поперечных пристеночных ребер 15.

Нижняя полка 16 лопатки тоже имеет отверстия для пленочного охлаждения. На длинной ножке 17 видны выступы 18 для удержания демпфера. Замок 19 лопатки имеет 4 зуба в «елочном» замке.

Следует отметить, что практически все лопатки первых ступеней ТВД в компаниях GE Aircraft Engines и Pratt&Whitney имеют аналогичную схему охлаждения. Изменяется только количество радиальных каналов. Расход охлаждающего воздуха для таких лопаток составляет от 4 до 6%.

Конструкция выходной кромки рабочих лопаток ТВД

Выпуск воздуха вблизи выходной кромки может быть реализован по двум схемам – в торец выходной кромки (см. Рис. 8.4.3_2) и на корыто перед выходной кромкой (см. Рис. 8.4.3_1). Выпуск на корыто является более предпочтительным вариантом с точки зрения аэродинамических потерь, (если при этом удается обеспечить оптимальную геометрию кромки), так как толщина вы-

ходной кромки при этом примерно в два раза меньше. Выпуск в торец выходной кромки более предпочтителен с точки зрения эффективности охлаждения, простоты и работоспособности конструкции.

Выпуск воздуха осуществляется в торец 1 выходной кромки через отверстия 2, которые позволяют достаточно точно дозировать расход. Помимо рядов отверстий 3 для пленочного охлаждения входной кромки и нескольких рядов 4 для пленочного охлаждения корыта введен специальный ряд отверстий 5 вдоль профиля на корыте для пленочного охлаждения торца профильной части лопатки. Воздух из ряда 5 под действием разницы давлений между корытом и спинкой перетекает через поверхность торца и охлаждает ее.

С точки зрения эволюции охлаждаемых лопаток показательно сравнение двух лопаток первой ступени ТВД: CF6-80C2 (см. Рис. 8.4.3_2) и GE90 (см. Рис. 8.4.3_3). На лопатке ТВД GE90 применен выпуск охлаждающего воздуха на корыто перед выходной кромкой 1. Воздух выходит из внутрен-

ней полости 2 через каналы в виде литейных пазов 3 в торцевой поверхности, образованной углублениями на корыте перед выходной кромкой. Жесткость конструкции выходной кромки придают ребра 5. В остальных областях система охлаждения лопатки похожа на CF6-80C2 (ряд отверстий 6 для охлаждения торца и ряды 7 отверстий пленоч- ного охлаждения на корыте).

Конструкция торца рабочих лопаток ТВД

Особенностью конструкции рабочих лопаток первой ступени является интенсивное пленочное охлаждение торца рабочей лопатки. Отверстия пленочного охлаждения располагают как на самой торцевой поверхности, так и на корыте лопатки непосредственно у торца. Воздух из отверстий на корыте под действием разницы давлений перетекает на спинку через торец и охлаждает его.

Специальное пленочное охлаждение торца является обязательной чертой современных лопаток, так как окисление, износ и эрозия торца являются характерной особенностью эксплуатации лопаток большого ресурса. Пример охлаждения торца

Рисунок 8.4.3_2 – Рабочая лопатка первой ступени ТВД CF6-80C2 (GE Aircraft Engines)

1- торец выходной кромки;

2- отверстия в выходной кромке;

3- отверстия на входной кромке;

4- отверстия на корыте; 5 - отверстия около верхнего торца лопатки

приведен на Рис. 8.4.3_4. Отверстия пленочного охлаждения выполнены в два ряда – ряд 1 непосредственно на торцевой поверхности и ряд 2 на корыте вдоль торца. В двух рядах вместе около 30 отверстий, причем увеличенного диаметра – по сравнению с отверстиями 3 пленочного охлаждения входной кромки и 4-поверхности корыта. Наиболее интенсивно охлаждаются последние две трети длины профиля (в частности, именно там расположены все отверстия на корыте). Как показывает практика, именно в этом районе окисление и эрозия проявляются (в отличие от первой трети

длины профиля) особенно сильно (вероятно, из-за повышенного уровня скоростей газа).

Аналогичным образом охлаждается и другой распространенный тип конструкции торца – с углублением (канавкой) на торцевой поверхности (см. Рис. 8.4.3_5). Здесь тоже применяются два ряда отверстий – на торцевой поверхности в канавке 1

èна корыте у торца 2 (ряд 5 на Рис. 8.4.3_2).

Âслучае плоского торца бесполочной лопатки наиболее часто реализуемым вариантом конструкции является так называемая «прирабатываемая пара»: лопатки с нанесенными (пайкой или другим способом) на поверхность торца абразивными износостойкими частицами и вставки над рабочей лопаткой с керамическим слоем. Износостойкие частицы 1 (см. Рис. 8.4.3_6) «вырабатывают» соответствующую дорожку в керамическом покрытии корпуса, исключая влияние отклонений формы корпуса от идеальной и приводя величину радиального зазора на расчетном режиме к минимально возможной. Отверстия 2 обеспечивают пленочное охлаждение торца.

Рабочие лопатки первой ступени ТВД с бандажной полкой

Несмотря на то, что большинство рабочих лопаток ТВД в настоящее время не имеют бандажной полки, существует одно успешное направление в конструкции рабочих лопаток первой ступени ТВД с бандажной полкой – это лопатки фирмы Rolls-Royce. Преимущества бандажной полки оче- видны – это значительное уменьшение перетеканий газа через радиальный зазор и, соответственно, увеличенное к.п.д. Однако дополнительные затраты воздуха на охлаждение полки и охлаждение самой лопатки – для увеличения несущей способности профиля (который должен выдерживать дополнительную нагрузку от полки) – не должны превышать выигрыша от полки. Эту же дополнительную нагрузку должны выдержать замковое соединение лопатки и диска, а также сам диск.

На Рис. 8.4.3_7 приведена схема охлаждения рабочей лопатки ТВД Trent 800 – самого мощного в семействе трехвальных двигателей Trent [8.4.4.2]. В дополнение к уже рассмотренным конструкциям рабочих лопаток первой ступени ТВД в этой полочной лопатке есть особенности:

- отсутствие контактных граней на бандажной полке для зацепления с соседними лопатками;

- система охлаждения полки; - использование двух потоков воздуха для ох-

лаждения лопатки: основного потока воздуха высокого давления из-за КВД и потока более низкого давления (с соответственно более низкой – на 100îÑ

– температурой).

У лопаток с петлевой многоходовой схемой движения воздуха (см. Рис. 8.4.3_1) из узких внутренних полостей 8 отверстия пленочного охлаждения тоже могут быть выполнены с необходимым 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 плоскости (в направлении движения потока) недостаточно места для размещения инструмента снаружи и существует опасность повреждения внутренних стенок. Наклон в вертикальной плоскости дает возможность улучшить прилегание пленки и увеличить поверхность охлаждения даже в условиях крайне ограниченного пространства в плоскости сечения лопатки.

Еще одним способом улучшения эффективности системы пленочного охлаждения лопатки является 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 прикрываемой струей поверхности. Технология выполнения отверстий расширяющейся формы достаточ- но сложная и дорогостоящая.

На Рис. 8.4.3_8 показано сечение рабочей лопатки первой ступени ТВД с пленочным охлаждением. На входной кромке лопатки (в месте минимального отношения давлений) из радиального канала 1 три ряда отверстий 2 на входной кромке и один ряд 3 на спинку выполнены в виде обыч- ных круглых отверстий. Из вертикального канала 4 в области более низкого давления воздух выходит уже через ряды отверстий 5 и 6 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 второй ступени ТВД достаточно полно представлена лопаткой ТВД двигателя E3 GE [8.4.4.3] íà Ðèñ. 8.4.3_9.

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 нагре-

тые области (кромки) лопатки. Воздух из канала 1 затем движется вниз и вверх соответственно по радиальным каналам 3 и 4, выходя в проточную часть через передний паз в верхней части корыта. Воздух из радиального канала 2 совершает аналогич- ные передвижения вниз и вверх по каналам 5 и 6, выходя в проточную часть через задний паз на корыте. Шесть радиальных каналов обеспечивают значительную поверхность теплообмена и увели- ченную скорость воздуха, необходимую для эффективной теплоотдачи на внутренней поверхности лопатки.

Рисунок 8.4.3_10 – Рабочая лопатка второй ступени ТВД PW2000 (Pratt&Whitney) 1 – пазы на корыте выходной кромки; 2 – ножка; 3 – нижняя полка; 4 – выступы; 5 – демпфер