RU2801413C1 - Ротор компрессора газотурбинного двигателя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения, в частности к роторной системе отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора. Ротор компрессора газотурбинного двигателя, содержащий рабочие колеса и систему отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора, включающей окна отбора воздуха и кольцевую полость отбора воздуха, соединенную с проточной частью компрессора через кольцевую щель между передним и задним рабочими колесами и расположенную перед находящимися между болтами крепления рабочих колес окнами отбора воздуха. Форма кольцевой полости представляет собой в поперечном разрезе полости форму, подобную треугольнику, без кольцевого консольного выступа на заднем рабочем колесе. Отношение высоты Н кольцевой полости от проточной части к ширине кольцевой щели L составляет 1,5…5,5, а отношение площади конусной поверхности перед окнами отбора воздуха заднего рабочего колеса F1 к площади окон отбора воздуха F2 составляет 1,5…4,5. Изобретение позволяет снизить вибронапряжения на лопатках компрессора, устранить их поломки, а также уменьшить пульсации и потери в системе отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора, повысить устойчивость компрессора, что повышает ресурс и надежность двигателя. 3 ил.

Description

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения, в частности к роторной системе отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора.

Одним из важных элементов конструкции является обеспечение минимальных потерь давления воздуха в системе отбора наряду с обеспечением равномерности отбора воздуха из проточной части компрессора.

Известен ротор компрессора газотурбинного двигателя, в котором окна для отбора воздуха выполнены на фланце заднего колеса между болтами с выходом их в проточную часть компрессора (патент RU 2451840, МПК F04D 29/58, F01D 5/08, F02C 7/12, F01D 25/12, опубл. 27.05.2012). Недостатком известной конструкции является то, что отбор воздуха из проточной части компрессора выполнен через окна, а не кольцевую щель, что создает неравномерность отбора по окружности, снижая надежность и ресурс двигателя.

Известен ротор компрессора газотурбинного двигателя, в котором отбор воздуха из проточной части компрессора выполнен сразу же через окна без кольцевой полости (патент US 9145772, МПК F01D 5/02, F01D 5/08, F01D 25/12, опубл. 29.09.2015). Недостатком такой конструкции является то, что пазы отбора воздуха, расположенные сразу же за рабочими лопатками, создают неравномерность потока, что ухудшает вибросостояние лопаток компрессора.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является ротор компрессора газотурбинного двигателя, в котором кольцевая полость отбора, выполненная перед окнами для отбора воздуха, соединена на входе с проточной частью компрессора через кольцевую щель между передним и задним рабочими колесами, а на выходе - с окнами для отбора воздуха с расположением их между болтами крепления рабочих колес (патент RU 189794, МПК F02C 7/12, F04D 29/58, F01D 5/08, F01D 25/12, опубл. 04.06.2019). Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является то, что отбор воздуха из проточной части компрессора выполнен через увеличенную кольцевую полость, которая снижает устойчивость компрессора, при этом в кольцевом консольном выступе заднего рабочего колеса в поле центробежных сил появляются увеличенные напряжения, а прогиб консоли в радиальном направлении приводит к задеванию по кольцам статорных направляющих лопаток, снижая ресурс и надежность двигателя.

Техническими проблемами, решение которых обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, являются увеличенные потери отбираемого воздуха для охлаждения ротора турбины и повышенные вибрации лопаток компрессора, приводящие к их поломке, что снижает ресурс работы и надежность двигателя.

Целью настоящего изобретения является оптимизация формы и размера кольцевой полости отбора воздуха, соединенной с проточной частью компрессора через кольцевую щель между передним и задним рабочими колесами ротора компрессора и расположенной перед окнами отбора воздуха, предназначенными для подачи охлаждающего воздуха из ротора компрессора в ротор турбины.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении ресурса работы и надежности двигателя, за счет снижения вибронапряжений на лопатках, устранения их поломок, а также уменьшения пульсаций и потерь в системе отбора воздуха, увеличения его расхода, повышения устойчивости компрессора.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в роторе компрессора газотурбинного двигателя, содержащем рабочие колеса и роторную систему отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора, включающей окна отбора воздуха и кольцевую полость отбора воздуха, соединенную с проточной частью компрессора через кольцевую щель между передним и задним рабочими колесами и расположенную перед находящимися между болтами крепления рабочих колес окнами отбора воздуха, согласно изобретению, форма кольцевой полости представляет собой в поперечном разрезе полости форму, подобную треугольнику, без кольцевого консольного выступа на заднем рабочем колесе, при этом отношение высоты Н кольцевой полости от проточной части к ширине кольцевой щели L составляет 1,5…5,5, а отношение площади конусной поверхности перед окнами отбора воздуха заднего рабочего колеса F1 к площади окон отбора воздуха F2 составляет 1,5…4,5.

Соединенная через кольцевую щель с проточной частью компрессора кольцевая полость отбора воздуха треугольной формы улучшает равномерность отбора воздуха из ротора компрессора для охлаждения ротора турбины, увеличивает расход воздуха, снижает вибронапряжения на рядом расположенных лопатках компрессора, устраняет их поломку. Так же треугольная форма кольцевой полости отбора позволяет убрать кольцевой консольный выступ (по сравнению с прототипом) и связанные с ним увеличенные нагрузки на заднее рабочее колесо, снизить массу. Вместе с этим треугольная форма уменьшает аэродинамические потери за счет кольцевого отбора.

Устранение кольцевого консольного выступа заднего рабочего колеса ротора компрессора уменьшает общий объем кольцевой полости отбора воздуха, что повышает газодинамическую устойчивость компрессора.

Вместе с тем сама геометрическая форма кольцевой полости, представляющая собой в поперечном разрезе полости форму подобную треугольнику, влияет на параметры отбора воздуха (потери давления, температуру) и на параметры самого компрессора, его устойчивость и уровень вибронапряжений в находящихся рядом с отбором лопатках компрессора. Оптимальные свойства были получены при одновременном соблюдении следующих отношений: H/L=1,5…5,5 и F1/F2=1,5…4,5 (фиг. 1), где Н - высота кольцевой полости отбора воздуха от проточной части, соединенной с проточной частью компрессора через кольцевую щель между передним и задним рабочими колесами ротора компрессора и расположенной перед окнами отбора воздуха, предназначенными для подачи охлаждающего воздуха из ротора компрессора в ротор турбины, L - ширина кольцевой щели между передним и задним рабочими колесами ротора компрессора, F1 - площадь конусной поверхности, образованной стороной треугольной кольцевой полости отбора воздуха расположенной перед окнами отбора воздуха заднего рабочего колеса, F2 - суммарная площадь окон отбора воздуха, которые расположены между болтами крепления рабочих колес ротора компрессора.

При отношении H/L меньше 1,5 значительно растут потери давления воздуха, повышается температура охлаждающего воздуха в системе отбора воздуха от компрессора к турбине и значительно растут вибронапряжения в рядом расположенных лопатках компрессора. При отношении H/L больше 5,5 значительно увеличивается размер соединенной с проточной частью компрессора полости, что ведет к снижению устойчивости компрессора, уменьшению жесткости ротора высокого давления и увеличению его массы.

При отношении F1/F2 меньше 1,5 значительно растут потери давления охлаждающего воздуха в системе отбора воздуха от компрессора к турбине, повышается его температура, увеличиваются неравномерность потока и его пульсации, растут вибронапряжения в лопатках компрессора. При отношении F1/F2 больше 4,5 значительно возрастают габариты и масса конструкции, увеличивается размер полости, соединенной с проточной часть компрессора, и соответственно, снижается устойчивость компрессора.

Конструкция устройства успешно прошла экспериментальные испытания и в настоящее время реализована на одном из газотурбинных двигателей. До внедрения расположенной перед окнами отбора воздуха кольцевой полости (размеры полости определяются соотношениями H/L и F1/F2) в рабочих лопатках, находящихся непосредственно перед окнами отбора воздуха, появлялись трещины, и они разрушались. Было выявлено, что наличие окон отбора воздуха в большей степени нагружает выходную кромку находящихся перед окнами рабочих лопаток, а наличие перемычек между окнами нагружает их входную кромку. Уровни вибронапряжений по выходным кромкам у рабочих лопаток, расположенных напротив окон отбора, выше, чем у лопаток, расположенных между окнами на 3…26%, а уровни вибронапряжений по входным кромкам у лопаток, расположенных между окнами выше на 5…38%, чем у лопаток, расположенных напротив окон отбора.

После внедрения кольцевой полости с формой в поперечном разрезе полости, подобной треугольнику, сообщающейся через кольцевую щель с проточной частью компрессора и расположенной перед окнами отбора воздуха, как показали аэродинамические расчеты, улучшилась равномерность отбора воздуха более чем в 6 раз, с увеличением расхода воздуха, проходящего через отбор на охлаждение турбины, более чем на 16%. Как показали испытания на двигателе, устранились вибронапряжения на находящихся перед кольцевой щелью отбора направляющих лопатках по гармонике числа окон отбора. Значительно снизились вибронапряжения по рабочим лопаткам компрессора, расположенным перед окнами отбора воздуха, устранились их поломки.

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами на фиг. 1-3, где на фиг. 1 представлен продольный разрез ротора компрессора газотурбинного двигателя, на фиг. 2 - поперечный разрез (сечение А-А), на фиг. 3 - вид сверху (вид Б).

Ротор 1 компрессора газотурбинного двигателя состоит из переднего рабочего колеса 2 и заднего рабочего колеса 3 с расположенной между ними системой отбора охлаждающего воздуха, состоящей из трубок 4 отбора для направления охлаждающего воздуха в турбину, окон 5 для отбора воздуха, кольцевой полости 6 и кольцевой щели 7. В рабочем колесе 3 перед окнами 5 отбора воздуха кольцевая полость 6 соединена с проточной частью компрессора через кольцевую щель 7, расположенную между передним 2 и задним 3 рабочими колесами.

При работе двигателя воздух отбирается из проточной части компрессора через кольцевую щель 7 в кольцевую полость с формой в поперечном разрезе полости, подобной треугольнику 6, затем через окна 5 направляется в трубки 4 и далее в сторону турбины.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить вибронапряжения на лопатках компрессора, устранить их поломки, а также уменьшить пульсации и потери в системе отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора, повысить устойчивость компрессора, что повышает ресурс и надежность двигателя.

Claims (1)

1. Ротор компрессора газотурбинного двигателя, содержащий рабочие колеса и систему отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора, включающей окна отбора воздуха и кольцевую полость отбора воздуха, соединенную с проточной частью компрессора через кольцевую щель между передним и задним рабочими колесами и расположенную перед находящимися между болтами крепления рабочих колес окнами отбора воздуха, отличающийся тем, что форма кольцевой полости, представляющая собой в поперечном разрезе полости форму, подобную треугольнику без кольцевого консольного выступа на заднем рабочем колесе, при этом отношение высоты Н кольцевой полости от проточной части к ширине кольцевой щели L составляет 1,5…5,5, а отношение площади конусной поверхности перед окнами отбора воздуха заднего рабочего колеса F1 к площади окон отбора воздуха F2 составляет 1,5…4,5.