Охлаждение лопаток и дисков турбин.

В настоящее время в высокотемпературных турбинах ГТД наиболь­шее применение нашли охлаждаемые рабочие лопатки, где используются два основных принципа охлаждения - лопатки с внутренним (конвективным) воздушным охлаждением (рис.2.4.2.1, а и б) и лопатки с пленочным охлаждением (рис.2.4.2.1,в). Возможны также лопатки с проникающим охлаждением, в которых по всей поверхности полого пера расположены поры или отверстия для выпуска воздуха, образующего защитный слой на поверхности лопатки. Однако такие лопатки не нашли в настоящее время реального конструктивного воплощения.

Рисунок 2.4.2.1Лопатки с внутренним воздушным охлаждением могут иметь радиальное (рис. 2.4.2.1,а) петлевое или полупетлевое (рис. 2.4.2.1,б) течение охлаждающего воздуха. Для осуществления заданного по скорости и направлению течения воздуха во внутреннюю полость пера лопатки часто помещается дефлектор, который может быть перфорированным. Для изменения направления течения воздуха во внутренней полости пера охлаждаемой лопатки размещаются направляю­щие перегородки (рис. 2.4.2.1,а и 2.4.2.1, в).

Пленочное охлаждение лопаток турбины более эффективно, чем внутреннее воздушное, однако, выпуск большого количества охлаж­дающего воздуха для создания защитной пелены на поверхности ло­патки приводит к заметному увеличению потерь и снижению КПД турбины.

При дальнейшем повышении температуры газа перед рабочим ко­лесом турбины для сохранения температуры поверхности лопатки и интенсивности ее охлаждения на прежнем уровне необходимо пониже­ние температуры воздуха, используемого для охлаждения турбины. Это можно выполнить в топливовоздушном или воздухо-воздушном теплообменниках, или за счет предварительной закрутки охлаждающего воздуха в направлении вращения рабочего колеса турбины.

Схема подвода воздуха с предварительной закруткой, в зави­симости от окружной скорости и угла потока на выходе из сопел, позволяет снизить температуру охлаждающего воздуха на 100...170 °С, и при возбуждении резонансных колебаний потока в охлаждающих кана­лах лопатки возможна существенная интенсификация охлаждения.

Вследствие большого преимущества схема с предварительной закрут­кой получила широкое распространение в ГТД.

Диски турбин. Диски турбин служат для размещения рабочих лопаток и переда­чи от них на вал крутящего момента и осевой силы.

Диск состоит из трех основных частей: обода, полотна диска и ступица.

Охлаждение дисков турбины преследует следующие цели:

1. Общее снижение температуры дисков, то есть снижение терми­ческих напряжений в них.

2. Получение приемлемой разницы температур между ободом и ступицей, особенно на переходных режимах работы двигателя.

3. Стабилизацию радиального зазора турбины на переходных ре­жимах.

Воздух для охлаждения дисков обычно отбирается от компрессора двигателя или из камеры сгорания (смесительный воздух).

В настоящее время применяются в основном две схемы охлаждения:

а) с радиальным течением воздуха от центра к периферии диска (или наоборот);

б) струйная подача из сопел, равномерно расположенных по окружности.

Теплонапряженные детали турбины (диски, хвостовики и бандаж­ные полки рабочих лопаток) охлаждаются смесительным воздухом ка­меры сгорания на двигателе АИ-25. К диску турбины высокого давления (ТВД) воздух поступает через отверстие во внутреннем корпусе соплового аппарата. Через отверстие в контровочном кольце воздух попадает в полость между диском ТВД и диском турбины низкого дав­ления (ТНД), затем через зазор между валом ТНД и диском второй ступени ТНД воздух попадает с полость между дисками второй и третьей ступеней турбины, со стороны реактивного сопла диск третьей ступени турбины охлаждается воздухом, поступающим от третьей ступени компрессора высокого давления через трубопровод, проходящий внутри обоймы корпуса задней опоры. На различных режимах работы двигателя требуется разное количество охладителя. В этих целях в ряде двигателей используются системы охлаждения, в которых сечение проходного канала изменяется с помощью подвижной диафрагмы в зависимости от режима работы двигателя.

Для лучшей организации радиального течения охлаждающего воз­духа по радиусу диска и улучшения теплообмена между охладителем и диском турбина высокого давления (а иногда и последующие диски) снабжаются дефлекторами, которые могут быть вращающимися или неподвижными.

Струйная подача охладителя из сопел позволяет снизить темпе­ратуру и давление охладителя, то есть повысить эффективность теплообмена на кольцевом элементе диска в месте выхода струй из сопел. Струйная подача позволяет в какой-то степени влиять на температурное поле по радиусу диска. Применение закрутки охлаж­дающего воздуха по вращению диска или против в зависимости от ра­диуса и окружных скоростей позволяет оптимизировать схему охлаж­дения диска.

 

 

28 Крепление сопловых лопаток.

В сопловых аппаратах стремятся осуществить двухопорное крепление сопловых лопаток в кольцевых деталях корпуса, желая обеспечить значительную изгибную жесткость и прочность. Однако такой вид крепления применим только для коротких лопаток, и позволяет избежать термических напряжений и короблений вследствие неодинаковости нагрева соединяемых в узел СА деталей.

Сопловые лопатки из-за их теплопряженности в качестве силовой связи между силовыми корпусами, как правило, не используются. Конструктивные элементы силовой связи размещаются внутри пустотелых охлаждаемых лопаток 1 (рис. 1, е, ж).

Для предотвращения появления температурных (термических) напряжений и короблений деталей СА лопатки закрепляются, как правило, в наружном силовом корпусе и соединяются с внутренним корпусом, обеспечивая либо свободу температурных деформаций деталей СА, либо незначительный уровень термических напряжений, а это возможно при соединении лопаток СА с внутренним корпусом, обладающим малой жесткостью, либо через податливый конструктивный элемент.

Устанавливают лопатки СА в корпусах таким образом, чтобы между наружными полками и внутренней поверхностью силового корпуса имел место зазор, по которому для предупреждения перегрева корпусных деталей будет продуваться охлаждающий корпус воздух. Часть этого воздуха в ряде случаев используется и на охлаждение лопаток СА как первой, так и последующих ступеней.

Распространенным конструктивно-схемным решением является консольное крепление лопаток на наружном корпусе и подвижное соединение расположенных встык внутренних полок лопаток с внутренним кольцом (бандажом). Разнообразие конструктивных решений показано на рис. 1

 

Рис. 1. Крепление сопловых лопаток в корпусах: а- ТРДФ Р11-30, б- ТРДД

 

Д-30КУ, в- ТРДД АИ-25

Бандажное кольцо 22 может быть как цельным, с отверстиями под цилиндрические цапфы 21, выполненные на внутренних полках (рис. 1, а), так и составным из двух частей с плоскостью разъема в плоскости осей цилиндрических цапф. Цапфы 21 выполняют роль радиально-расположенных штифтов 22, а, следовательно, обеспечивают соосность бандажного кольца 22 и наружного корпуса 20, что необходимо при наличии лабиринтного уплотнения ротор-корпус, не препятствуя свободе расширений наружного корпуса 20, лопаток 1, бандажного кольца 22 и других элементов уплотнений 8 (см. рис.1, б, в, д).

Лопатки 1 крепятся к наружному сопловому корпусу 20, например, с помощью болтов23, ввернутых в резьбовые отверстия наружной полки 2 лопатки 1 (см. рис. 1, а). Во многих двигателях используется установка лопаток 1 во внешнем силовом корпусе 20 по цилиндрическим пояскам (бортикам) с фиксацией от перемещений под действием осевых и окружных газодинамических сил радиальными штифтами 24 (см. рис. 1, б, в, г) либо специальными фиксаторами 6 (рис. 1, д).

Штифты 24 после запрессовки их в отверстия сами фиксируются от смещения обжатием кромок отверстий шариком, например, как показано на рис. 1, в.

Внутреннее бандажное кольцо 22 может удерживаться соосно наружному корпусу 20 и при установке на концах профильных частей лопаток 1, пропущенных в его профильные пазы (см. рис. 1, в). При этом также обеспечивается соосность кольца 8 лабиринтного уплотнения, а перетеканию газа через зазоры лопатка 1 – бандажное кольцо 22 препятствует составленное из двух половин кольцо 9. Соединение лопаток 1 с внутренним бандажном кольцом 22 такого типа используется и в случае крепления самих лопаток с наружным корпусом 20 сваркой, когда лопатки короткие и рассмотренные выше приемы соединения лопаток с наружным корпусом 20 экономически и технологически не обоснованы.

Фиксация внутреннего бандажного кольца 22 от эксцентричного смещения и проворачивания может осуществляться выступами 7 (рис. 1, г, д).

На рис. 1, е, ж показаны конструктивные решения крепления охлаждаемых лопаток, внутренние полости которых использованы для размещения силовых связей и других конструктивных элементов. Так, на рис. 1, е пустотелые лопатки 1 первой ступени двухроторного ТРДФ устанавливаются между внутренним силовым корпусом 16 и корпусом соплового аппарата 11 наружного корпуса 20 и уплотняются по торцу кольцом 19. Каждая лопатка закрепляется винтом 12 в нужном положении и имеет возможность расширения в сторону внутреннего корпуса 16. С помощью винта 12 и эксцентрика 13 («регулировочного сухаря») лопатка может поворачиваться на небольшой угол, т.е. регулируется выходное сечение СА при сборке. Внутри дефлектора 14 установлены силовые стержни 1, закрепленные винтами 10. Такая конструкция обеспечивает силовую связь и соосность корпусных деталей 11 и 16 с лабиринтным кольцом 8.

Воздух, подаваемый на охлаждение лопаток через отверстия 17, обеспечивает охлаждение лопаток 1 и силовых стержней 15.

 

Рис. 1. Крепление сопловых лопаток в корпусах: ж- ТРДД Д-36На рис. 1, ж показан вариант силовой связи внутреннего корпуса 16 опор одноступенчатых турбин РВД и РСД с наружным силовым корпусом 20. Эта связь выполнена через девять овальных в сечении силовых стоек 18, которые размещаются внутри дефлектора 14 средней лопатки блока трех охлаждаемых лопаток 1. Каждый блок устанавливается в наружном силовом корпусе по цилиндрическим пояскам 4 передней и задней частей верхних полок блока и удерживается от углового смещения за пазы 7 выступами на корпусных деталях, стыкуемых с блоками лопаток. Каждый блок лопаток устанавливается кольцевыми выступами 5 внутренних полок блока в кольцевые пазы внутреннего корпуса 16. Силовые стойки 18 надежно удерживаются от смещений в корпусе 20 как в окружном, так и в осевом направлении втулками 7, работающими на срез и смятие, и стягиваются с корпусом 20 болтами 23. Внутренние полости других полых лопаток всех блоков используются для размещения магистралей 25 различного назначения – масляных и воздушных.