Турбина газотурбинного двигателя
Изобретение относится к турбинам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Турбина газотурбинного двигателя включает сопловые лопатки, установленные в наружном кольце расположенными со стороны входной и выходной кромок соединениями типа «шип-паз». Соединение со стороны выходной кромки выполнено с контактной конической поверхностью, внешней от проточной части турбины. Шип лопатки с конической поверхностью направлен в сторону входной кромки, а угол образующей конуса составляет 40…80° к оси турбины. Изобретение позволяет повысить надежность и коэффициент полезного действия турбины путем исключения паразитных утечек охлаждающего воздуха в зоне выходной кромки сопловой лопатки. 2 ил.
Изобретение относится к турбинам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.
Известна турбина газотурбинного двигателя, в которой сопловые лопатки крепятся своими верхними полками к наружному кольцу соплового аппарата с помощью винтов. (С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Москва: «Машиностроение», стр.183, рис.4.41а).
Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за взаимных термических перемещений полки сопловой лопатки и наружного кольца, к которому крепятся лопатки.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция турбины газотурбинного двигателя, в которой сопловые лопатки установлены в наружном кольце соединениями типа «шип-паз» с выполненными по цилиндрической поверхности контактными поверхностями, расположенными с внешней стороны от входной и выходной кромок сопловой лопатки, и зафиксированы радиальными штифтами (патент RU №2151884).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая ремонтопригодность из-за необходимости высверливания радиальных штифтов при ремонте турбины, а также низкая надежность и КПД турбины из-за паразитных утечек охлаждающего воздуха через радиальные зазоры между сопловой лопаткой и кольцом при работе турбины, причем зазоры необходимы для сборки соединений типа «шип-паз» с контактными поверхностями, выполненными по цилиндру. Особенно велики утечки через радиальные зазоры в зоне выходной кромки лопатки, так как перепад давления охлаждающего воздуха по отношению к протекающему в проточной части турбины газу в зоне выходной кромки максимален и может быть сверхзвуковым.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности и КПД турбины путем исключения паразитных утечек охлаждающего воздуха в зоне выходной кромки сопловой лопатки.
Сущность изобретения заключается в том, что в турбине газотурбинного двигателя, в которой сопловые лопатки установлены в наружном кольце расположенными со стороны входной и выходной кромок соединениями типа «шип-паз», согласно изобретению, соединение со стороны выходной кромки выполнено с контактной конической поверхностью, внешней от проточной части турбины, причем шип лопатки с конической поверхностью направлен в сторону ее входной кромки и угол α образующей конуса составляет 40…80° к оси турбины.
Выполнение соединения типа «шип-паз» со стороны выходной кромки лопатки с конической контактной поверхностью, внешней от проточной части турбины, позволяет ликвидировать или свести к минимуму паразитные утечки охлаждающего воздуха между лопаткой и наружным кольцом на наиболее высокоперепадном по отношению к проточной части участке сопловой лопатки за счет минимизации радиальных зазоров между лопаткой и кольцом, что увеличивает надежность турбины из-за увеличения расхода охлаждающего воздуха через систему охлаждения лопатки с соответствующим понижением ее температуры, а также повышает КПД турбины, так как исключается искажение паразитными утечками углов обтекания газовым потоком последующих за сопловыми рабочих лопаток турбины.
При установке шипа лопатки в сторону ее входной кромки уменьшается потребная строительная высота конструкции, снижается ее вес и повышается надежность турбины.
При угле образующей конуса к оси турбины меньше 40° снижается надежность соединения типа «шип-паз» из-за увеличения действующих в нем сил, а при угле более 80° снижаются усилия, прижимающие лопатку к наружному кольцу, что может привести к образованию зазоров между кольцом и лопаткой в зоне выходной кромки и к увеличению паразитных утечек охлаждающего воздуха.
На фиг.1 - изображен продольный разрез турбины газотурбинного двигателя.
На фиг.2 - элемент 1 на фиг.1 в увеличенном виде.
Турбина 1 газотурбинного двигателя состоит из ротора 2 с рабочими лопатками 3 и статора 4, в котором на наружном кольце 5 установлены верхними полками 6 с помощью соединений типа «шип-паз» 7 и 8 сопловые лопатки 9, расположенные выше по потоку газа 10 от рабочих лопаток 3. Соединение 7, расположенное с внешней стороны от входной кромки 11 сопловой лопатки 9, выполнено с цилиндрическими контактными поверхностями 12 и 13, а соединение 8, расположенное с внешней стороны от выходной кромки 14 лопатки 9, выполнено с цилиндрической внутренней контактной поверхностью 15 и внешней от проточной части 16 турбины 1 конической контактной поверхностью 17 с углом образующей конуса α=40…80° к оси турбины 1. Сопловые лопатки 9 фиксируются в осевом направлении через фланцы 18 разрезного кольца 19 первой ступени радиальным фланцем 20 корпуса 2 турбины 1, а в окружном направлении лопатки 9 фиксируются шлицами 22 внутреннего кольца 23. Охлаждающий воздух 24 поступает во внутренние полости 25 и 26 лопатки 9 из воздушной полости 27 через отверстия 28 и 29 в наружном кольце 5, через стык 30 которого с лопаткой 9 для исключения паразитных утечек воздуха 24 в проточную часть 16 турбины 1 выполнено соединение 8 с конической контактной поверхностью 17. Шип 31 лопатки 9 в соединении 8 направлен в сторону входной кромки 11 лопатки 9.
При сборке турбины 1 за счет поджатия радиального фланца 20 через фланец 18 разрезного кольца 19 сопловая лопатка 9 перемещается от проточной части 16 конической поверхности 17, выбирая тем самым возможные зазоры в стыке 30 между лопаткой 9 и кольцом 5, что ликвидирует паразитные утечки охлаждающего воздуха 24 в проточную часть 16 турбины 1, что повышает надежность и КПД турбины.
При работе турбины 1 верхняя полка 6 лопатки 9 и шип 31 нагреты до большей температуры по сравнению с наружным кольцом 5, поэтому при работе турбины, за счет термических расширений, происходит уплотнение стыка 30, что также повышает надежность и КПД турбины.
Турбина газотурбинного двигателя, сопловые лопатки в которой установлены в наружном кольце расположенными со стороны входной и выходной кромок соединениями типа «шип-паз», отличающаяся тем, что соединение со стороны выходной кромки выполнено с контактной конической поверхностью, внешней от проточной части турбины, причем шип лопатки с конической поверхностью направлен в сторону ее входной кромки и угол образующей составляет 40…80° к оси турбины.
