RU163785U1

RU163785U1 - GAS-TURBINE ENGINE TURBINE NOZZLE DEVICE

Info

Publication number: RU163785U1
Application number: RU2016100543/06U
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Григорьев; Анатолий Александрович Елтаренко; Михаил Юрьевич Илюшин; Ирина Витальевна Осокина; Александр Иванович Якунин
Original assignee: Акционерное общество "Климов"
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2016-08-10

Abstract

Сопловой аппарат турбины высокого давления, содержащий закрепленные в наружном корпусе 1 пустотелые лопатки 2 с внутренней разделительной перегородкой 3 и двумя радиальными ребрами 4, 7 на нижней полке, направленными к оси турбины, причем переднее ребро 4, являющееся продолжением внутренней перегородки 3 и закрепленное на верхнем опорном фланце 5 корпуса внутреннего 6, ограничивает совместно с другим радиальным ребром 7, расположенным на внутренней поверхности нижней полки в районе выходной кромки 8 лопатки, серединную часть нижней полки 9 с выполненными в ней отверстиями 10, выходящими в проточную часть и сообщенными на входе с полостью 11, сформированной внутренней поверхностью серединной части нижней полки лопатки и отстоящей от нее с необходимым зазором обечайкой 12, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами 4, 7 и торцевыми стыками лопатки 14, отличающийся тем, что внутренняя поверхность серединной части нижней полки 9 выполнена гладкой, а в обечайке 12 выполнены отверстия 13, оси которых направлены по нормали к внутренней гладкой поверхности серединной части нижней полки, при этом отверстия 13 в обечайке 12 сообщены на входе с дополнительной полостью 15, ограниченной наружной поверхностью 16 обечайки с отверстиями 12, внутренней поверхностью 17, отстоящей от нее с необходимым зазором дополнительной обечайки 18, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами 4, 7 и торцевыми стыками лопатки 14, а также боковыми поверхностями 19, 20 ребер, причем дополнительная полость 15 сообщена на входе через пазы 21 в переднем ребре 4 с внутренней кольцевой полостью 22 вторичного воздуха камеры сгорания.A nozzle apparatus of a high pressure turbine, comprising hollow blades 2 fixed in the outer casing 1 with an internal dividing wall 3 and two radial ribs 4, 7 on the lower flange, directed to the turbine axis, the front rib 4 being a continuation of the internal partition 3 and fixed on the upper the supporting flange 5 of the housing of the inner 6, together with another radial rib 7, located on the inner surface of the lower shelf in the region of the outlet edge 8 of the blade, limits the middle part of the lower shelf 9 s the openings 10 made therein, extending into the flowing part and communicated at the entrance with a cavity 11 formed by the inner surface of the middle part of the lower shelf of the scapula and separated by a shell 12 that is tightly fastened around the perimeter with ribs 4, 7 and end joints of the scapula 14, characterized in that the inner surface of the middle part of the lower shelf 9 is made smooth, and in the casing 12 holes 13 are made, the axes of which are directed normal to the inner smooth surface of the middle part of the lower there are holes, while the holes 13 in the shell 12 are communicated at the inlet with an additional cavity 15 bounded by the outer surface 16 of the shell with holes 12, the inner surface 17 spaced from it with the necessary clearance of the additional shell 18, tightly fastened around the perimeter with ribs 4, 7 and the butt joints of the blade 14, as well as the side surfaces 19, 20 of the ribs, the additional cavity 15 being communicated at the inlet through the grooves 21 in the front rib 4 with the inner annular cavity 22 of the secondary air of the combustion chamber.

Description

Полезная модель относится к области турбостроения, в частности, к устройству турбины высокого давления газотурбинного двигателя, обеспечивающему охлаждение отдельных частей ее сопловых лопаток, и может быть использовано в транспортном и энергетическом машиностроении.The utility model relates to the field of turbine construction, in particular, to the device of a high pressure turbine of a gas turbine engine, which provides cooling of certain parts of its nozzle blades, and can be used in transport and power engineering.

В современных газотурбинных двигателях сопловые лопатки турбины высокого давления являются самым теплонапряженным местом, среднемассовая температура рабочих газов перед турбиной высокого давления, например, может достигать 1850-1900 К, а с учетом окружной и радиальной неравномерности, локальная температура, которая и воздействует на сопловые лопатки, превосходит 2000 К.In modern gas turbine engines, nozzle blades of a high-pressure turbine are the most heat-stressed place, the average mass temperature of the working gases in front of a high-pressure turbine, for example, can reach 1850-1900 K, and taking into account the circumferential and radial unevenness, the local temperature, which affects the nozzle blades, exceeds 2000 K.

Дальнейшее совершенствование двигателей, увеличение их экономичности возможно за счет повышения температуры газов перед турбиной. Для поддержания самых высоких температур в разрабатываемых двигателях используют новые жаропрочные и жаростойкие материалы и конструктивные решения, обеспечивающие наиболее эффективное охлаждение элементов, формирующих проточную часть, в частности, нижних полок сопловых лопаток.Further improvement of the engines, an increase in their efficiency is possible due to an increase in the temperature of the gases in front of the turbine. To maintain the highest temperatures in the engines under development, new heat-resistant and heat-resistant materials and design solutions are used that provide the most efficient cooling of the elements forming the flow part, in particular, the lower shelves of nozzle blades.

Целью полезной модели является повышение надежности соплового аппарата.The purpose of the utility model is to increase the reliability of the nozzle apparatus.

Известна выбранная в качестве прототипа турбина газотурбинного двигателя (пат. РФ №138296, F02C 7/12, F01D 9/02 от 10.02.2014), сопловой аппарат которой содержит сопловые лопатки, наружный и внутренний корпуса. Сопловые лопатки пустотелые, охлаждаемые.Known as a prototype is a turbine of a gas turbine engine (US Pat. RF No. 138296, F02C 7/12, F01D 9/02 of 02/10/2014), the nozzle apparatus of which contains nozzle blades, the outer and inner bodies. Nozzle vanes are hollow, cooled.

Внутренняя полость лопаток разделена пустотелой перегородкой, переходящей на выходе из пера лопатки в сплошное радиальное ребро, направленное к оси турбины, на две полости - переднюю и заднюю. Передняя полость с двух сторон запитана вторичным воздухом соответственно из наружной и внутренней кольцевых полостей камеры сгорания с последующим выходом через перфорацию на наружную поверхность пера лопатки с образованием защитной пленки, задняя полость и полость разделительной перегородки запитаны вторичным воздухом только из наружного кольцевого канала камеры сгорания.The inner cavity of the blades is divided by a hollow partition passing at the outlet of the feather of the blade into a continuous radial rib directed to the axis of the turbine into two cavities - front and rear. The front cavity on both sides is supplied with secondary air, respectively, from the outer and inner annular cavities of the combustion chamber with subsequent exit through perforation to the outer surface of the blade feather with the formation of a protective film, the rear cavity and the cavity of the separation partition are fed with secondary air only from the outer annular channel of the combustion chamber.

Сопловая лопатка выполнена с двумя направленными к оси турбины сплошными ребрами на нижней полке, одно из которых являющееся продолжением пустотелой перегородки, ограничивает со вторым, расположенным в районе выходной кромки лопатки, серединную часть нижней полки лопатки.The nozzle blade is made with two solid ribs directed to the axis of the turbine on the lower flange, one of which is a continuation of the hollow partition, which limits the middle part of the lower flange of the blade with the second, located in the region of the outlet edge of the blade.

Со стороны внутренней поверхности серединной части нижней полки, испещренной выполненной на ней литьем сложной системой каналов, имеется полость, образованная внутренней поверхностью нижней полки и обечайкой, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами и торцевыми стыками лопаток. Образованная полость сообщена с внутренней полостью разделительной перегородки на входе и проточной частью через перфорацию в нижней полке на выходе. Снаружи сопловые лопатки прикреплены к корпусу наружному, а изнутри ребрами, являющимися продолжением разделительных перегородок, к верхнему опорному фланцу корпуса внутреннего.On the side of the inner surface of the middle part of the lower flange, streaked with a complex system of channels made by casting, there is a cavity formed by the inner surface of the lower flange and a shell sealed tightly around the perimeter with ribs and butt joints of the blades. The formed cavity is in communication with the internal cavity of the dividing wall at the inlet and the flowing part through perforation in the lower shelf at the outlet. Outside the nozzle vanes are attached to the outer casing, and from the inside with ribs, which are a continuation of the dividing walls, to the upper supporting flange of the inner casing.

Охлаждение серединной части нижней полки сопловой лопатки осуществляется вторичным воздухом, отбираемым из наружной кольцевой полости камеры сгорания, с дальнейшей транспортировкой через полость разделительной перегородки к полости под нижней полкой, пройдя систему каналов в которой, выводится в проточную часть через перфорацию в нижней полке.The middle part of the lower flange of the nozzle blade is cooled by secondary air taken from the outer annular cavity of the combustion chamber, with further transportation through the cavity of the dividing wall to the cavity under the lower flange, passing through the channel system in which it is discharged into the flowing part through perforation in the lower flange.

Проведенные испытания двигателя с повышенной температурой газов на входе в сопловой аппарат турбины высокого давления выявили недостаточную эффективность охлаждения серединной части нижней полки сопловой лопатки, проявившуюся в виде выгораний и растрескиваний ее наружной поверхности.The tests of an engine with a high temperature of gases at the inlet to the nozzle apparatus of a high-pressure turbine revealed insufficient cooling efficiency of the middle part of the lower shelf of the nozzle blade, which manifested itself in the form of burnouts and cracking of its outer surface.

Причиной недостаточности охлаждения явилось использование не самой эффективной разновидности схем конвективного охлаждения, основанной на интенсификации теплоотдачи на внутренней поверхности серединной части нижней полки путем создания гидравлических сопротивлений в виде сложной системы каналов, наличие которых, интенсифицирует теплообмен и в то же время порождает разнотолщинность серединной части нижней полки, и, следовательно, температурную неравномерность, приводящую, в свою очередь, к возникновению термических напряжений.The reason for the lack of cooling was the use of not the most effective type of convective cooling schemes, based on the intensification of heat transfer on the inner surface of the middle part of the lower shelf by creating hydraulic resistances in the form of a complex system of channels, the presence of which intensifies heat transfer and at the same time gives rise to the thickness of the middle part of the lower shelf , and, consequently, temperature non-uniformity, leading, in turn, to the occurrence of thermal stresses.

Кроме того, отбор вторичного воздуха из наружной кольцевой полости камеры сгорания с последующей его транспортировкой через полость разделительной перегородки к полости под нижней полкой приводит к подогреву охлаждающего воздуха и непроизводительным потерям давления, то есть, к снижению хладоресурса и напорности охлаждающего воздуха.In addition, the selection of secondary air from the outer annular cavity of the combustion chamber with its subsequent transportation through the cavity of the separation wall to the cavity under the lower shelf leads to heating of the cooling air and unproductive pressure loss, that is, to a decrease in the cold resource and the pressure of the cooling air.

Задачей полезной модели является повышение надежности соплового аппарата турбины высокого давления путем повышения эффективности охлаждения серединной части нижней полки сопловой лопатки, что достигается устранением вышеуказанных недостатков прототипа, а именно, использованием самой эффективной из всех схем конвективного охлаждения - струйной, когда струи из отверстий в промежуточной стенке натекают на противостоящую гладкую поверхность и обеспечивают очень высокую теплоотдачу в пятне контакта, а также использованием в качестве охладителя вторичного воздуха из внутренней кольцевой полости камеры сгорания, запитка которым схемы струйного охлаждения осуществляется практически без потерь напора и хладоресурса.The objective of the utility model is to increase the reliability of the nozzle apparatus of a high-pressure turbine by increasing the cooling efficiency of the middle part of the lower flange of the nozzle blade, which is achieved by eliminating the aforementioned disadvantages of the prototype, namely, by using the most effective of all convective cooling schemes — jet, when the jets are made from openings in the intermediate wall leak onto the opposing smooth surface and provide a very high heat transfer in the contact spot, as well as using as secondary air cooler from the inner annular cavity of the combustion chamber, which is fed by the jet cooling circuit with virtually no loss of pressure and coolant.

Задача решается тем, что в сопловом аппарата турбины высокого давления, содержащем закрепленные в наружном корпусе пустотелые лопатки с внутренней разделительной перегородкой и двумя радиальными ребрами на нижней полке, направленными к оси турбины, причем переднее ребро, являющееся продолжением внутренней перегородки и закрепленное на верхнем опорном фланце корпуса внутреннего, ограничивает совместно с другим радиальным ребром, расположенным на внутренней поверхности нижней полки в районе выходной кромки лопатки, серединную часть нижней полки с выполненными в ней отверстиями, выходящими в проточную часть и сообщенными на входе с полостью, сформированной внутренней поверхностью серединной части нижней полки сопловой лопатки и отстоящей от нее с необходимым зазором обечайкой, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами и торцевыми стыками лопатки, согласно полезной модели, внутренняя поверхность серединной части нижней полки выполнена гладкой, а в обечайке выполнены отверстия, оси которых направлены по нормали к внутренней гладкой поверхности серединной части нижней полки, при этом отверстия в обечайке сообщены на входе с дополнительной полостью, ограниченной наружной поверхностью обечайки с отверстиями, внутренней поверхностью, отстоящей от нее с необходимым зазором, дополнительной обечайки, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами и торцевыми стыками лопатки, а также боковыми поверхностями ребер, причем дополнительная полость сообщена на входе через пазы в переднем ребре с внутренней кольцевой полостью вторичного воздуха камеры сгоранияThe problem is solved in that in the nozzle apparatus of a high-pressure turbine containing hollow blades fixed in the outer casing with an internal dividing baffle and two radial ribs on the lower flange, directed to the turbine axis, the front rib being a continuation of the inner baffle and mounted on the upper supporting flange the inner case, together with another radial rib located on the inner surface of the lower shelf in the region of the outlet edge of the blade, limits the middle part of bottom shelf with openings made in it, extending into the flowing part and communicated at the entrance with a cavity formed by the inner surface of the middle part of the lower shelf of the nozzle blade and a shell separated from it by the necessary gap, tightly fastened around the perimeter with ribs and end joints of the blade, according to utility model, the inner surface of the middle part of the lower shelf is smooth, and holes are made in the rim, the axes of which are directed normal to the inner smooth surface of the middle parts of the lower shelf, while the holes in the shell are communicated at the inlet with an additional cavity bounded by the outer surface of the shell with holes, the inner surface spaced from it with the necessary clearance, an additional shell sealed around the perimeter with ribs and end joints of the blade, and the lateral surfaces of the ribs, the additional cavity being communicated at the entrance through grooves in the front rib with the inner annular cavity of the secondary air of the combustion chamber

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:The essence of the utility model is illustrated by drawings, on which are presented:

фиг. 1 Сопловой аппарат турбины высокого давления, продольный разрез;FIG. 1 Nozzle apparatus of a high-pressure turbine, longitudinal section;

фиг. 2 Фрагмент А на фиг. 1;FIG. 2 Fragment A in FIG. one;

фиг. 3 Разрез Б-Б на фиг. 2;FIG. 3 Section BB in FIG. 2;

Сопловой аппарат турбины высокого давления содержит наружный корпус 1, закрепленные в нем пустотелые охлаждаемые сопловые лопатки 2, с внутренней разделительной перегородкой 3 и двумя радиальными ребрами 4 и 7 на нижней полке, направленными к оси турбины, причем переднее ребро 4, являющееся продолжением разделительной перегородки 3 и закрепленное на верхнем опорном фланце 5 корпуса внутреннего 6, ограничивает совместно с другим радиальным ребром 7, расположенным в районе выходной кромки 8 лопатки 2, серединную часть 9 нижней полки с выполненными в ней отверстиями 10, выходящими в проточную часть и сообщенными на входе с полостью 11, сформированной выполненной гладкой внутренней поверхностью серединной части 9 нижней полки лопатки и отстоящей от нее с необходимым зазором обечайкой 12 с выполненными в ней по нормали к внутренней гладкой поверхности серединной части нижней полки отверстиями 13, и герметично скрепленной по всему периметру с ребрами 4 и 7 и торцевыми стыками 14 лопатки (показан один стык).The nozzle apparatus of the high-pressure turbine contains an outer casing 1, hollow cooled cooled nozzle vanes 2 fixed therein, with an internal dividing baffle 3 and two radial ribs 4 and 7 on the lower flange, directed to the axis of the turbine, and the front rib 4, which is a continuation of the dividing baffle 3 and fixed on the upper supporting flange 5 of the housing of the inner 6, together with another radial rib 7 located in the region of the outlet edge 8 of the blade 2, limits the middle part 9 of the lower shelf with with holes 10 in it, extending into the flowing part and communicated at the inlet with a cavity 11 formed by a smooth inner surface of the middle part 9 of the lower shelf of the scapula and a shell 12 separated from it with the necessary clearance and made normal to the inner smooth surface of the middle part the lower shelf with holes 13, and hermetically fastened around the entire perimeter with ribs 4 and 7 and end joints 14 of the scapula (one joint is shown).

Отверстия 13 сообщены на входе с дополнительной полостью 15, ограниченной наружной поверхностью 16 обечайки 12, внутренней поверхностью 17, отстоящей с необходимым зазором от нее, дополнительной обечайкой 18, герметично скрепленной по всему периметру с ребрами 4 и 7 и торцевыми стыками 14 лопатки 2, а также боковыми поверхностями 19 и 20 соответственно ребер 4 и 7.The holes 13 are communicated at the inlet with an additional cavity 15 bounded by the outer surface 16 of the shell 12, the inner surface 17 spaced with the necessary gap from it, the additional shell 18, hermetically fastened around the perimeter with ribs 4 and 7 and the end joints 14 of the blades 2, and also the side surfaces 19 and 20, respectively, of the ribs 4 and 7.

Дополнительная полость 15 сообщена на входе через пазы 21 в переднем ребре 4 с внутренней кольцевой полостью 22 вторичного воздуха камеры сгорания.An additional cavity 15 is communicated at the entrance through the grooves 21 in the front rib 4 with the inner annular cavity 22 of the secondary air of the combustion chamber.

В условиях работы двигателя охлаждение конструктивных элементов соплового аппарата производится вторичным воздухом камеры сгорания.Under engine operating conditions, the structural elements of the nozzle apparatus are cooled by the secondary air of the combustion chamber.

В отличие от прототипа серединная часть нижней полки сопловой лопатки охлаждается вторичным воздухом камеры сгорания, отобранным из внутренней кольцевой полости 22, откуда охлаждающий воздух через пазы 21 в переднем ребре 4 втекает в полость 15, далее через отверстия 13 натекает на гладкую внутреннюю поверхность серединной части нижней полки, эффективно ее охлаждая, благодаря не только тому, что использована наиболее эффективная разновидность конвективного охлаждения, а именно, струйная, но и благодаря подводу охладителя, отобранного из внутренней кольцевой полости 22 камеры сгорания в полость 15, запитывающую воздухом отверстия 13, практически без потерь давления и его подогрева, то есть, с сохранением хладоресурса и напорности воздуха в месте отбора, что позволило дополнительно повысить эффективность охлаждения нижней полки. Сохранение хладоресурса и напорности охладителя объясняется тем, что полость 15, запитывающая систему струйного охлаждения, отделена от источника охлаждающего воздуха, то есть внутренней кольцевой полости 22 камеры сгорания, только передним ребром 4 и выполненные в нем пазы 21, сообщающие эти полости, имеют протяженность, равную толщине ребра 4, что при достаточной пропускной способности пазов обеспечивает течение воздуха в них практически без потерь давления и подогрева.Unlike the prototype, the middle part of the lower shelf of the nozzle blade is cooled by the secondary air of the combustion chamber selected from the inner annular cavity 22, from where cooling air flows into the cavity 15 through the grooves 21 in the front fin 4, and then flows through the holes 13 onto the smooth inner surface of the middle part of the lower shelves, effectively cooling it, thanks not only to the fact that the most effective type of convective cooling is used, namely, jet, but also due to the supply of a cooler selected from internal light on the internal annular cavity combustion chamber 22 into the cavity 15, air holes 13 is energized, almost no pressure loss and heating, i.e., retaining hladoresursa and pressurized air at the measuring point, allowing further improve the cooling efficiency of the lower flange. The preservation of the cold resource and the pressure of the cooler is explained by the fact that the cavity 15 supplying the jet cooling system is separated from the cooling air source, that is, the inner annular cavity 22 of the combustion chamber, only with the front rib 4 and the grooves 21 made therein, communicating these cavities, have a length of equal to the thickness of the ribs 4, which with sufficient bandwidth of the grooves provides air flow in them with virtually no pressure loss and heating.

Гладкая, в отличие от прототипа, внутренняя поверхность серединной части нижней полки в сочетании с гладкой эквидистантно отстоящей от нее поверхностью проточной части нижней полки обеспечивает равнотолщинность нижней полки, а следовательно, и равномерность ее температуры, что приводит к снижению уровня термических напряжений.Smooth, in contrast to the prototype, the inner surface of the middle part of the lower shelf in combination with the smooth equidistant surface of the flowing part of the lower shelf ensures equal thickness of the lower shelf and, consequently, the uniformity of its temperature, which leads to a decrease in the level of thermal stresses.

Длительные испытания предлагаемого соплового аппарата, выполненного из отдельных литых трехлопаточных блоков, в составе турбореактивноого двигателя подтвердили высокую надежность охлаждения серединной части нижней полки сопловой лопатки.Long tests of the proposed nozzle apparatus, made of separate cast three-bladed blocks, as part of a turbojet engine, confirmed the high reliability of cooling the middle part of the lower shelf of the nozzle blade.

Claims

A nozzle apparatus of a high pressure turbine, comprising hollow blades 2 fixed in the outer casing 1 with an internal dividing wall 3 and two radial ribs 4, 7 on the lower flange, directed to the turbine axis, the front rib 4 being a continuation of the internal partition 3 and fixed on the upper the supporting flange 5 of the housing of the inner 6, together with another radial rib 7, located on the inner surface of the lower shelf in the region of the outlet edge 8 of the blade, limits the middle part of the lower shelf 9 s the openings 10 made therein, extending into the flowing part and communicated at the entrance with a cavity 11 formed by the inner surface of the middle part of the lower shelf of the scapula and separated by a shell 12 that is tightly fastened around the perimeter with ribs 4, 7 and end joints of the scapula 14, characterized in that the inner surface of the middle part of the lower shelf 9 is made smooth, and in the casing 12 holes 13 are made, the axes of which are directed normal to the inner smooth surface of the middle part of the lower there are holes, while the holes 13 in the shell 12 are communicated at the inlet with an additional cavity 15 bounded by the outer surface 16 of the shell with holes 12, the inner surface 17 spaced from it with the necessary clearance of the additional shell 18, tightly fastened around the perimeter with ribs 4, 7 and the butt joints of the blade 14, as well as the side surfaces 19, 20 of the ribs, the additional cavity 15 being communicated at the inlet through the grooves 21 in the front rib 4 with the inner annular cavity 22 of the secondary air of the combustion chamber.