Колесо радиальной турбины для газотурбинного двигателя
Колесо радиальной турбины газотурбинного двигателя содержит ступицу, имеющую заднюю поверхность, расположенную вокруг оси вращения, и множество турбинных лопаток, расположенных на ступице с постоянным интервалом и с формированием в указанной задней поверхности дугообразных углублений. Радиус дугообразного углубления, заданный как отрезок между осью вращения и наружной поверхностью ступицы у дугообразного углубления, и радиус горна пера лопатки, заданный как отрезок между осью вращения и торцом пера каждой из множества турбинных лопаток, выбраны такими, что отношение радиуса дугообразного углубления к радиусу торца пера составляет менее 0,6, при этом радиус-дугообразного углубления равен 5,28 см, а радиус торца пера равен 9,68 см. Изобретение позволяет снизить сжимающие и растягивающие тепловые напряжения во время запуска и остановки турбины. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Изобретение относится к газотурбинному двигателю и, более конкретно, к турбинному колесу, которое может быть использовано, например, во вспомогательной силовой установке (ВСУ).
Уровень техники
ВСУ часто используют в качестве дополнения к главным тяговым двигателям для выработки электрической и/или пневматической мощности, а также для запуска главных тяговых двигателей. Типичная ВСУ представляет собой газотурбинный двигатель, который содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. Турбинные колеса радиальных турбин ВСУ подвергаются во время запуска и выключения высоким растягивающим и сжимающим напряжениям.
В US 2941780 описано колесо турбины, имеющее заднюю поверхность, на которой сформированы дугообразные углубления между торцами лопаток. Радиус углублений составляет менее 75% радиуса торца лопатки.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является снижение сжимающих и растягивающих тепловых напряжений во время запуска и остановки турбины. Указанная задача решена изобретением согласно п.1 формулы.
Колесо радиальной турбины для газотурбинного двигателя согласно изобретению содержит множество турбинных лопаток, расположенных с постоянным интервалом на ступице турбинного колеса с формированием дугообразных углублений в задней поверхности ступицы.
Согласно предпочтительному варианту осуществления колесо радиальной турбины для газотурбинного двигателя содержит:
- ступицу, имеющую заднюю поверхность, расположенную вокруг оси вращения, и
- множество турбинных лопаток, расположенных на ступице с постоянным интервалом и с формированием в указанной задней поверхности дугообразных углублений, причем радиус дугообразного углубления, заданный как отрезок между осью вращения и наружной поверхностью ступицы у дугообразного углубления, и радиус торца пера лопатки, заданный как отрезок между осью вращения и торцом пера каждой из множества турбинных лопаток, выбраны такими, что отношение радиуса дугообразного углубления к радиусу торца пера составляет менее 0,6, при этом радиус дугообразного углубления равен 5,28 см, а радиус торца пера равен 9,68 см.
В одном варианте осуществления дугообразное углубление имеет вогнутый профиль, обращенный радиально внутрь указанной задней поверхности.
Согласно одному варианту дугообразное углубление обеспечивает плавный переход задней кромки каждой турбинной лопатки в ступицу на ее задней поверхности.
Согласно другому варианту осуществления множество турбинных лопаток выступает вперед относительно задней поверхности.
Колесо турбины предпочтительно содержит вал, который проходит от турбинного колеса через компрессорное колесо.
Краткое описание чертежей
Различные признаки изобретения станут ясны специалистам из нижеследующего подробного описания неограничивающего варианта изобретения, которое сопровождается прилагаемыми чертежами.
На фиг.1, на общем виде, в перспективном изображении представлен пример вертолета, в котором использован неограничивающий вариант изобретения.
На фиг.2 иллюстрируется силовая система вертолета, контур которого показан частично штрихпунктирной линией.
На фиг.3 представлена, в продольном разрезе, вспомогательная силовая установка.
На фиг.4 в перспективном изображении, на виде сзади, показано турбинное колесо.
На фиг.5 турбинное колесо представлено, в перспективном изображении, на виде спереди.
На фиг.6 в увеличенном масштабе, на виде сзади, представлено дугообразное углубление турбинного колеса.
Осуществление изобретения
Фиг.1 схематично иллюстрирует вертолет 10 с системой 12 главного ротора. Вертолет 10 содержит корпус 14 с вытянутым хвостом 16, который несет систему 18 парирования крутящего момента. Система 12 главного ротора приводится во вращение вокруг оси R через коробку 20 передач (фиг.2) от многодвигательной силовой системы 22 - в данном варианте имеющей три двигательные установки ENG1, ENG2, ENG3, а также вспомогательную силовую установку (ВСУ) 24 (фиг.3). Многодвигательная силовая система 22 генерирует мощность, используемую для осуществления полета, и подает эту мощность системе 12 главного ротора через коробку 20 передач. Хотя в данном описании иллюстрируется и рассматривается конкретный вариант вертолета, от использования изобретения получат выигрыш и другие конфигурации и/или машины, такие как высокоскоростной комбинированный летательный аппарат с дополнительными системами продольной тяги, система с двумя противовращающимися коаксиальными роторами, турбовинтовые самолеты, летательные аппараты с наклоняемым ротором и жестким крылом, а также наземные транспортные средства.
На фиг.3-5 показано турбинное колесо 30Т согласно одному неограничивающему варианту, имеющее ступицу 32 и множество турбинных лопаток 34, расположенных с постоянным интервалом на ступице 32.
Турбинное колесо 30Т имеет ось А вращения. Вал 36 проходит от турбинного колеса 30Т через компрессорное колесо 30С (фиг.3), т.е. турбинное колесо 30Т и компрессорное колесо 30С являются коаксиальными и связанными между собой. Турбинные лопатки 34 преобразуют энергию давления выхлопных газов секции 42 камеры сгорания (фиг.3) во вращательную энергию турбинного колеса 30Т. Турбинным лопаткам 34 придан такой профиль, что газы сгорания, находящиеся под высоким давлением, ударяют в них при своем прохождении по траектории GF, приводя вал 36 во вращение (на фиг.4 против часовой стрелки), т.е. преобразуя свою теплоту и давление в механическую энергию.
Между турбинными лопатками 34 образуется дугообразное углубление 38, так что задняя поверхность 32Р ступицы 32 является вогнутой радиально внутрь (см. также фиг.6). Другими словами, наличие дугообразного углубления 38 создает вогнутый профиль, обращенный радиально внутрь задней поверхности 32Р. Дугообразное углубление 38 обеспечивает плавный переход задних кромок 34RE каждой смежной пары турбинных лопаток 34 в ступицу 32 на ее задней поверхности 32Р.
В периоды запуска и остановки турбинное колесо 30Т в зоне дугообразных углублений 38 испытывает значительные напряжения на сжатие и растяжение. Во время запуска турбинные лопатки 34 нагреваются быстрее, чем ступица 32, что приводит к значительным сжимающим термическим напряжениям в зонах дугообразных углублений 38. В процессе остановки турбинные лопатки 34 охлаждаются быстрее, чем ступица 32, что приводит к значительным растягивающим термическим напряжениям в зонах дугообразных углублений 38. Уровень этих переходных термических напряжений зависит от градиента температуры между дугообразными углублениями 38 и центром турбинного колеса 30Т, лежащим на оси А. Поскольку температура в пределах данной детали снижается от торца 34Т пера радиально внутрь, уменьшение радиуса SR дугообразного углубления 38 приводит к снижению температуры в зоне этих углублений, что уменьшает разность их переходных температур. Это соответственно уменьшает переходные напряжения, соответственно увеличивая срок службы, ограниченный пластической (малоцикловой) усталостью турбинного колеса 30Т.
Радиус SR дугообразного углубления соответствует отрезку между осью вращения и наружной поверхностью 32Н ступицы 32 у дугообразного углубления между каждой парой лопаток 34 (см. фиг.6). Радиус TR торца пера соответствует отрезку между осью А вращения и торцом 34Т пера каждой лопатки 34. В одном неограничивающем варианте радиус SR дугообразного углубления равен 5,28 см, а радиус TR равен 9,68 см. Следовательно, отношение радиуса SR дугообразного углубления к радиусу TR торца пера составляет менее 0,6, более конкретно, около 0,55, что существенно меньше, чем в традиционных конструкциях. Выбор относительно малого отношения радиусов ослабляет проблемы, связанные с растягивающими и сжимающими термическими напряжениями, возникающими в процессе запуска и остановки, благодаря смещению дугообразного углубления 38 в область, в которой тепловой градиент имеет меньшую величину.
Должно быть понятно, что такие термины, характеризующие положение, как "вперед", "задняя" и т.д. соответствуют нормальным условиям работы, но не должны рассматриваться как вносящие дополнительные ограничения.
Аналогичные обозначения на всех чертежах обозначают идентичные или аналогичные элементы. При этом должно быть понятно, что, хотя в проиллюстрированном варианте представлено определенное расположение компонентов, изобретение является эффективным и при других расположениях.
Приведенное описание имеет иллюстративный, а не ограничивающий характер. В описании раскрыты различные неограничивающие варианты изобретения; однако, специалисту будет понятно, что они допускают модификации, не выходящие за пределы формулы изобретения. Поэтому допустимы различные отклонения от конкретных данных, приведенных в описании, без выхода за границы изобретения, определяемые прилагаемой формулой.
1. Колесо радиальной турбины для газотурбинного двигателя, содержащее:
ступицу, имеющую заднюю поверхность, расположенную вокруг оси вращения, и
множество турбинных лопаток, расположенных на ступице с постоянным интервалом и с формированием в указанной задней поверхности дугообразных углублений, причем радиус дугообразного углубления, заданный как отрезок между осью вращения и наружной поверхностью ступицы у дугообразного углубления, и радиус торца пера лопатки, заданный как отрезок между осью вращения и торцем пера каждой из множества турбинных лопаток, выбраны такими, что отношение радиуса дугообразного углубления к радиусу торца пера составляет менее 0,6, при этом радиус дугообразного углубления равен 5,28 см, а радиус торца пера равен 9,68 см.
2. Колесо турбины по п.1, отличающееся тем, что дугообразное углубление имеет вогнутый профиль, обращенный радиально внутрь указанной задней поверхности.
3. Колесо турбины по п.2, отличающееся тем, что дугообразное углубление обеспечивает плавный переход задней кромки каждой турбинной лопатки в ступицу на ее задней поверхности.
4. Колесо турбины по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что множество турбинных лопаток выступает вперед относительно задней поверхности.
5. Колесо турбины по п.1, отличающееся тем, что содержит вал, который проходит от турбинного колеса через компрессорное колесо.
