Конструктивно-схемные решения сопловых аппаратов

Сопловые аппараты. Сопловые лопатки, собранные в решетку для каждой ступени, образуют сопловой аппарат (СА). Сопловые лопатки в зависимости от температуры газа Т, которая в данной ступени всегда выше, чем температура газа в каналах рабочего колеса Т, выполняются охлаждаемыми или неохлаждаемыми. При этом учитывается, что у сопловых лопаток более высокая температура нагрева допустима, поскольку они в отличие от рабочих лопаток не нагружены центробежными силами.

В зависимости от компоновочных требований, например, если предусматривается расположение внутри полости лопатки каких либо конструктивных элементов (силовой связи с помощью болтов, шпилек, стоек либо магистралей подвода или отвода масла, воздуха и т.п.), относительная толщина профиля С мах/b - значительно увеличивается и может достигать Cмах/b- = 10...25%. В зависимости от требуемого значения Cmax значительно увеличивается и длина хорды b, а следовательно, при сохранении рекомендуемых значений - для решеток СА число лопаток сокращается.

Уменьшение числа лопаток и выполнение их в блоках в принципе является положительным фактором, особенно с позиций экономического обоснования - снижения затрат на дефицитные жаропрочные материалы и изготовление. В осевом направлении ширина лопаток S=(0,43-tgC(*+0,52)b.

При проектировании СА предусматривают, а в дальнейшем, при изготовлении и сборке, обеспечивают строго оговоренную величину проходного сечения на выходе из СА. Разброс величины этого сечения определяется в основном углом установки выходных кромок лопаток а,. Этот угол согласно рекомендациям на первых ступенях выполняется равным а = 18...25° и на последних - равным a=14°. При этом учитывается, что при нагреве СА от холодного до горячего состояния проходная площадь несколько изменяется - увеличивается на 2...5% от расчетной в холодном состоянии.

При комплектовании СА величину выходного сечения контролируют и обеспечивают в пределах допуска -=1% путем подбора лопаток, либо изменением угла а, их установки на выходе из СА путем поворота лопаток на небольшой угол а_х.

Сопловые лопатки выполняют как с полками на их концах, так и без них. Если лопатки с полками, то они образуют проточную часть и используются для крепления лопаток в корпусах.

При проектировании охлаждаемых лопаток используются те же конструктивно-схемные решения, что и для рабочих лопаток.

При охлаждаемых лопатках СА первой ступени подвод охлаждающего воздуха может быть выполнен как со стороны наружного силового корпуса, так и со стороны внутреннего корпуса. При этом подвод воздуха может быть раздельным, т.е. подаваться в переднюю и заднюю внутренние полости лопаток с различными значениями Р'^ и T*_ti Сопловые аппараты газовых турбин представляют собой ряд равномерно расположенных по окружности лопаток, установленных между внутренним и наружным кольцом. Сопловые лопатки должны обеспечить заданную степень расширения газа, выход газового потока под определенным углом и иметь возможность для теплового расширения. Основными элементами сопловых лопаток в зависимости от компоновки являются перо, наружная полка и внутренняя полка. Общий принцип закрепления сопловых лопаток базируется на том положении, чтобы в сопловом аппарате не возникало добавочных напряжений, не происходило его коробления; лопатки жестко крепятся к одному из колец, предоставляя другому концу свободу температурных удлинений. По способу закрепления лопатки соплового аппарата можно классифицировать на:

1. Неразъемные (сварные).

2.Разъемные (с помощью полок).

3.Разъемные (с помощью болтов).

Каждая из этих конструкций может быть выполнена с неохлаждаемыми и охлаждаемыми лопатками. Преимущество неразъемных соединений заключается в большой жесткости, сравнительной простоте и технологичности конструкций. Однако в этом случае практически исключается возможность замены дефектных лопаток, возникает трудность контроля качества сварных швов.

Сопловые лопатки проходят через профилированные прорези в кольцах. К наружному кольцу перо лопатки приварено, во внугреннее кольцо перо проходит с зазором. Для уменьшения ширины внутреннего кольца сделаны уступы во входной и выходной кромках сопловой лопатки. Зазор необходим для обеспечения свободных температурных деформаций лопаток. Жесткая заделка лопаток в разборных сопловых аппаратах обычно выполняется в наружном бандажном кольце или корпусе турбины винтами, пропускаемыми через полку лопатки, либо с помощью полки, входящей в проточки разъемного бандажного кольца и фиксируемой относительно корпуса радиальными штифтами, воспринимающими осевое и окружное усилие.

Разборные сопловые аппараты с болтовой фиксацией сопловых лопаток предусматривают наличие следующих элементов: пустотелых лопаток, распорных втулок, стяжных болтов, верхних и нижних башмаков и болтов для крепления башмаков (сопловой аппарат первой ступени двигателя РД-9Б). Связь между внутренним кольцом и корпусом соплового аппарата осуществляется стяжными болтами, пропускаемыми внутри сопловых лопаток и втулок.

Концентричность расположения корпуса соплового аппарата и внутреннего кольца достигается установкой распорных втулок. Ориентация сопловых лопаток производится башмаками, верхний из которых присоединен болтами к корпусу соплового аппарата, а нижний - к внутреннему кольцу.

Термины и определения.Сопловая лопатка - лопатка соплового аппарата турбины.

Сопловой аппарат ступени турбины СА - неподвижный лопаточный венец, устанавливаемый перед рабочим колесом турбины ГТД, и предназначенный для разгона и подвода потока газа под определенным углом к рабочим лопаткам.

Сектор сопловых лопаток - группа лопаток СА ступени турбины, выполненная в виде единой отливки.

Характеристика секторов(блоков) лопаток. Изготовление секторов (блоков) лопаток соплового аппарата, выгодное с позиций снижения расходов на их изготовление, в ряде случаев может войти в противоречие с требованиями по многоцикловой и малоцикловой (термической) усталости по причине температурного взаимодействия, сложности формы и напряженного состояния и ограничений по выбору материала и покрытий.

 

Рис. 1. Сопловые охлаждаемые лопатки: а - лопатка первой ступени ТРДД «Конуэй»; б - лопатка первой ступени ТРДД JT9D-7.
1 - корыто. 7 - щель.

2,3 - полки. 8 - отверстия в области входной кромки.

4- цилиндрические пояски. 9 — система отверстий в дефлекторе.

5- кольцевые выступы. 10 - щелевой канал в выходной кромке.

6— вставная трубка. 11 - интенсификаторы охлаждения.

12 -дефлектор.