RU74166U1

RU74166U1 - TURBINE OPERATING WHEEL

Info

Publication number: RU74166U1
Application number: RU2007147036/22U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Елтаренко; Николай Борисович Кузнецов; Алексей Владимирович Родионов; Анатолий Максимович Субботин; Виталий Александрович Тяглый
Original assignee: Открытое акционерное общество "Климов"
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2008-06-20
Also published as: UA37009U

Abstract

Рабочее колесо турбины содержит основной диск, лопатки, закрепленные в ободе основного диска, и два покрывных диска, первый впереди основного диска, второй за основным диском. Покрывные диски установлены с примыканием их внешних кромок встык к кромкам нижних полок лопаток таким образом, что в рабочих условиях возможно образование в местах стыка сплошной стенки, которая отгораживает от проточной части турбины полость, сформированную между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха. Рабочее колесо отличается тем, что нижние полки лопаток у внешней кромки второго покрывного диска выполнены со срезанным с одной стороны углом. В местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой второго покрывного диска, образованы отверстия, соединяющие полость между основным и вторым покрывным дисками с проточной частью турбины. Новое техническое решение обеспечивает увеличение ресурса рабочего колеса турбины за счет уменьшения механических напряжений в полотне покрывного диска.The turbine impeller contains a main disk, blades fixed in the rim of the main disk, and two cover disks, the first in front of the main disk and the second behind the main disk. Covering disks are mounted adjacent their outer edges abutting to the edges of the lower shelves of the blades in such a way that under working conditions a solid wall can form at the junction of the wall, which encloses a cavity formed between the main and cover disks for the passage of cooling air from the turbine flow section. The impeller is characterized in that the lower shelves of the blades at the outer edge of the second cover disk are made with an angle cut off on one side. In places of cut corners, between two adjacent shelves and the outer edge of the second cover disk, holes are formed connecting the cavity between the main and second cover disks with the turbine flow part. The new technical solution provides an increase in the resource of the impeller of the turbine by reducing mechanical stresses in the canvas of the casing disk.

Description

Полезная модель относится к области турбостроения, в частности к устройству охлаждаемого рабочего колеса турбины компрессора в газотурбинном двигателе, и может быть использована в транспортном и энергетическом машиностроении.The utility model relates to the field of turbine engineering, in particular to a device for a cooled impeller of a compressor turbine in a gas turbine engine, and can be used in transport and power engineering.

В газотурбинных двигателях турбина компрессора работает в наиболее тяжелых условиях. Для нормальной работы двигателя требуется охлаждение конструктивных элементов турбины: дисков рабочих колес, рабочих и сопловых лопаток, корпусов, опор. Применяемая система охлаждения должна обеспечивать поддержание температуры элементов в допустимых пределах, защищать их от газовой коррозии, вызываемой действием горячих газов, способствовать снижению термических напряжений в элементах. В газотурбинных двигателях наиболее широко в качестве охладителя используется воздух, отбираемый за компрессором или из промежуточных ступеней компрессора.In gas turbine engines, the compressor turbine operates under the most severe conditions. For normal engine operation, cooling of the turbine structural elements is required: impeller disks, impellers and nozzle blades, housings, bearings. The cooling system used must ensure that the temperature of the elements is within acceptable limits, protect them from gas corrosion caused by the action of hot gases, and help reduce thermal stresses in the elements. In gas turbine engines, air is most widely used as a cooler, taken from the compressor or from the intermediate stages of the compressor.

Для охлаждения дисков рабочих колес используются разные конструктивные приемы, позволяющие снизить разность температур по радиусу диска и уровень температурных напряжений.To cool the impeller disks, various design methods are used to reduce the temperature difference along the radius of the disk and the level of temperature stresses.

С целью снижения перепада температур по радиусу диска используется обдув его обода и продувка воздуха через монтажные зазоры елочных замков в соединении рабочих лопаток с диском. Интенсивный теплообмен в монтажных зазорах дает значительное снижение разности температур обода и центральной части диска. Обдув боковых поверхностей диска обеспечивает снижение среднего уровня нагрева диска и температурного перепада по радиусу диска.In order to reduce the temperature difference along the radius of the disk, blowing its rim and blowing air through the mounting clearances of Christmas-tree locks in the connection of the working blades with the disk are used. Intensive heat transfer in mounting gaps gives a significant reduction in the temperature difference between the rim and the central part of the disk. Blowing the side surfaces of the disk reduces the average level of heating of the disk and the temperature difference along the radius of the disk.

Наиболее эффективно охлаждение диска происходит в рабочем колесе, содержащем помимо основного покрывные диски (вращающиеся дефлекторы). В таком рабочем колесе продувка воздуха осуществляется между основным и покрывным диском.The most effective cooling of the disk occurs in the impeller, which contains, in addition to the main cover disks (rotating deflectors). In such an impeller, air is purged between the main and the cover disk.

Известно рабочее колесо турбины, содержащее основной диск с неохлаждаемыми рабочими лопатками и покрывной диск. Между основным диском и покрывным образована полость. Покрывной диск выполнен по периферии глухим, без отверстий (М.М.Масленников, Ю.И.Шальман. Авиационные газотурбинные двигатели. - Москва: Машиностроение, 1975, стр.396). В замковых соединениях елочного типа, с помощью которых лопатки крепятся к ободу основного диска, предусмотрены зазоры, имеющие с одной стороны сообщение с полостью между основным диском и покрывным, а с другой - с проточной частью турбины. В условиях работы турбины охлаждающий воздух проходит в полости, образованной основным и покрывным дисками, в направлении от центра к периферии. На периферии воздух из полости пропускается через зазоры в замковых соединениях, интенсивно охлаждая обод основного диска и хвостовики лопаток, и выходит с задней стороны основного диска в проточную часть турбины. Конструкция рабочего колеса позволяет иметь в полости между основным и покрывным дисками высокие скорости движения охлаждающего воздуха при экономичном его расходе. Однако из-за одностороннего обдува основного диска охлаждение является недостаточно эффективным.A turbine impeller is known comprising a main disk with uncooled impellers and a cover disk. A cavity is formed between the main disk and the coverslip. The cover disk is made on the periphery deaf, without holes (M.M. Maslennikov, Yu.I. Shalman. Aviation gas turbine engines. - Moscow: Mechanical Engineering, 1975, p. 396). In the herringbone-type lock joints, with which the blades are attached to the rim of the main disk, there are gaps that have a message on the one hand with a cavity between the main disk and the cover, and on the other with the flow part of the turbine. Under turbine operating conditions, cooling air flows in the cavity formed by the main and cover discs in the direction from the center to the periphery. At the periphery, air from the cavity is passed through gaps in the castle joints, intensively cooling the rim of the main disk and the shanks of the blades, and leaves the back of the main disk in the flow part of the turbine. The design of the impeller allows you to have in the cavity between the main and cover disks high speeds of cooling air at its economical flow rate. However, due to one-sided blowing of the main disk, cooling is not efficient enough.

Известно выбранное в качестве прототипа рабочее колесо турбины, содержащее основной диск, лопатки, закрепленные в ободе основного диска, и два покрывных диска (дефлектора). Первый покрывной диск установлен впереди основного диска, а второй - сзади. Каждый из покрывных дисков установлен с примыканием встык плоскости его внешней кромки к кромкам нижних полок лопаток таким образом, что в рабочих условиях в месте стыка образуется сплошная стенка, которая отгораживает от проточной части турбины полость, сформированную между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха (А.Д.Богданов, Н.П.Калинин, А.И.Кривко. Турбовальный двигатель ТВ3-117 ВМ. - Москва: Воздушный транспорт, 2000, стр.99 и 119). Второй покрывной диск выполнен с отверстиями, которые расположены на периферийной его части. Отверстия размещены равномерно по окружности и предназначены для сброса в проточную часть турбины отработанного охлаждающего воздуха.It is known that the turbine impeller, selected as a prototype, contains a main disk, blades fixed in the rim of the main disk, and two cover disks (deflectors). The first cover disk is installed in front of the main disk, and the second in the back. Each of the casing disks is installed with the butt end of the plane of its outer edge adjacent to the edges of the lower shelves of the blades in such a way that under working conditions a solid wall is formed at the junction that encloses a cavity formed between the main and the casing disks for the passage of cooling air from the turbine’s flow part ( A.D. Bogdanov, N.P. Kalinin, A.I. Krivko Turbojet engine TV3-117 VM. - Moscow: Air transport, 2000, pp. 99 and 119). The second cover disk is made with holes that are located on its peripheral part. The holes are evenly spaced around the circumference and are intended for discharge into the flow part of the turbine exhaust cooling air.

При работе турбины первая часть охлаждающего воздуха через отверстия цилиндрического пояса основного диска и отверстия в ступице покрывного диска поступает в полость между первым покрывным диском и основным диском. В полости она перемещается от центра к периферии, обдувая основной диск спереди, и, распределившись по зазорам в замковых соединениях, с помощью которых лопатки крепятся к ободу основного диска, и каналам между верхними частями хвостовиков лопаток, проходит их. Миновав зазоры и каналы, воздух напрямую через отверстия второго покрывного диска выводится в проточную часть турбины. Вторая часть воздуха через отверстия в ступице второго покрывного диска поступает из полости турбины в полость между основным диском и вторым покрывным диском, охлаждает заднюю поверхность основного диска и также как первая часть воздуха выходит через отверстия на периферии второго покрывного диска в проточную часть турбины.When the turbine is operating, the first part of the cooling air through the holes of the cylindrical belt of the main disk and the holes in the hub of the cover disk enters the cavity between the first cover disk and the main disk. In the cavity, it moves from the center to the periphery, blowing the main disk in front, and, distributed over the gaps in the castle joints, with which the blades are attached to the rim of the main disk, and the channels between the upper parts of the shanks of the blades, passes them. Having passed the gaps and channels, air directly through the openings of the second cover disk is discharged into the flow part of the turbine. The second part of the air through the holes in the hub of the second cover disk enters from the turbine cavity into the cavity between the main disk and the second cover disk, cools the rear surface of the main disk and, like the first part of the air, goes through the holes on the periphery of the second cover disk into the turbine flow part.

Недостатком рабочего колеса турбины является его небольшой ресурс. Ресурс ограничен сроком службы покрывного диска с отверстиями, связанным с продолжительностью его работы до появления первых признаков разрушения.The disadvantage of the turbine impeller is its small resource. The resource is limited by the service life of the cover disk with holes associated with the duration of its operation until the first signs of destruction.

Задачей полезной модели является увеличение ресурса рабочего колеса турбины за счет уменьшения механических напряжений в полотне покрывного диска.The objective of the utility model is to increase the resource of the turbine impeller by reducing mechanical stresses in the sheet of the covering disk.

Уменьшение механических напряжений в полотне покрывного диска достигается тем, что в рабочем колесе турбины, содержащем основной диск, лопатки, закрепленные в ободе основного диска, и два покрывных диска, первый впереди основного диска, второй за основным диском, которые установлены с примыканием их внешних кромок встык к кромкам нижних полок лопаток таким образом, что в рабочих условиях возможно образование в местах стыка сплошной стенки, которая отгораживает от проточной части турбины полость, сформированную между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха, согласно полезной модели, нижние полки лопаток у внешней кромки второго покрывного диска выполнены со срезанным с одной стороны углом, при этом в местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой второго покрывного диска, образованы отверстия, соединяющие полость между основным и вторым покрывным дисками с проточной частью турбины.The reduction of mechanical stresses in the sheet of the covering disk is achieved by the fact that in the turbine impeller containing the main disk, the blades are fixed in the rim of the main disk, and two covering disks, the first in front of the main disk and the second behind the main disk, which are installed with their outer edges adjoining end-to-end to the edges of the lower shelves of the blades in such a way that under working conditions it is possible to form a solid wall at the junction that encloses a cavity formed between the main and disks for the passage of cooling air, according to a utility model, the lower shelves of the blades at the outer edge of the second covering disk are made with an angle cut off on one side, while holes are formed in the places of the cut corners between two adjacent shelves and the outer edge of the second covering disk between the main and second cover discs with the flow part of the turbine.

Выполнение нижних полок лопаток у внешней кромки второго покрывного диска со срезанным с одной стороны углом и образование в местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой покрывного диска, отверстий, соединяющих полость между основным и вторым покрывным дисками с проточной частью турбины, позволяет отказаться от применения покрывного диска, выполненного с отверстиями на периферийной его части. Такой второй покрывной диск, с отверстиями, использован в прототипе. Как известно, отверстия в полотне The implementation of the lower shelves of the blades at the outer edge of the second cover disk with a corner cut off on one side and the formation of cut corners between two adjacent shelves and the outer edge of the cover disk, holes connecting the cavity between the main and second cover disks with the turbine flow part, allows from the use of a cover disk made with holes on its peripheral part. Such a second cover disk, with holes, is used in the prototype. As you know, holes in the canvas

диска являются концентраторами механических напряжений и способствуют ускорению разрушительных процессов, особенно в условиях высоких температур. Кроме того, в прототипе местоположение отверстий на полотне покрывного диска негативно влияет на интенсивность движения охлаждающего воздуха в кольцевой зоне полости, наиболее удаленной от центра и размещенной за отверстиями покрывного диска. Наличие в предлагаемом рабочем колесе турбины отверстий в местах срезанных углов полок позволяет выводить охлаждающий воздух в проточную часть через эти отверстия и использовать покрывной диск без отверстий на периферийной части, при этом обеспечивается интенсивная продувка воздуха по всему пространству полости, что улучшает охлаждение ободной части покрывного диска. Благодаря этому снижается уровень механических напряжений в полотне покрывного диска и, следовательно, замедляются процессы его разрушения, что, в итоге, увеличивает срок службы диска и повышает межремонтный ресурс рабочего колеса.discs are concentrators of mechanical stresses and contribute to the acceleration of destructive processes, especially at high temperatures. In addition, in the prototype, the location of the holes on the canvas of the covering disk adversely affects the intensity of movement of cooling air in the annular zone of the cavity farthest from the center and placed behind the holes of the covering disk. The presence in the proposed impeller of the turbine of the holes in the places of the cut corners of the shelves allows the cooling air to be discharged into the flowing part through these holes and to use the cover disk without holes on the peripheral part, while intensive air blowing is provided throughout the cavity, which improves cooling of the rim of the cover disk . Due to this, the level of mechanical stresses in the sheet of the covering disk is reduced and, therefore, the processes of its destruction are slowed down, which, as a result, increases the service life of the disk and increases the overhaul life of the impeller.

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

Фиг.1. Часть ротора турбины с предлагаемыми рабочими колесами, продольный разрез;Figure 1. Part of the turbine rotor with the proposed impellers, longitudinal section;

Фиг.2. Разрез А-А на фиг.1;Figure 2. Section AA in figure 1;

Фиг.3. Фрагмент Б на фиг.1.Figure 3. Fragment B in figure 1.

На фиг.1 показана часть ротора турбины компрессора для газотурбинного двигателя, содержащая два рабочих колеса предлагаемой конструкции.Figure 1 shows a part of the rotor of the compressor turbine for a gas turbine engine, containing two impellers of the proposed design.

Рабочее колесо 1-ой ступени содержит основной диск 1, лопатки 2, покрывной диск 3, установленный впереди основного диска 1, и установленный за основным диском покрывной диск 4. В рабочее колесо II-ой ступени входят основной диск 5, лопатки 6, передний покрывной диск 7 и покрывной диск 8, расположенный за основным диском 5.The impeller of the 1st stage contains the main disk 1, the blades 2, the cover disk 3 installed in front of the main disk 1, and the cover disk 4 installed behind the main disk. The main disk 5, the blades 6, the front cover cover enter the impeller of the 2nd stage disk 7 and cover disk 8 located behind the main disk 5.

Между основным диском 1 и покрывными дисками 3 и 4 образованы соответственно полости 9 и 10, а между основным диском 5 и покрывными 7 и 8 - соответственно полости 11 и 12.Cavities 9 and 10 are formed between the main disk 1 and the cover disks 3 and 4, respectively, and the cavities 11 and 12 are formed between the main disk 5 and the cover disks 7 and 8, respectively.

Каждая лопатка 2 имеет нижнюю полку 13, лопатка 6 - нижнюю полку 14. Лопатки в ободах основных дисков 1 и 5 закреплены с помощью замковых соединений елочного типа. В этих соединениях между ободом и нерабочей частью зубцов хвостовика лопатки предусмотрены зазоры (на чертежах не показаны) для продувки охлаждающего воздуха. Зазоры на входе соединены с полостью между основным и передним покрывным дисками, на выходе - с полостью между основным и задним покрывным диском. Полости 9 и 10 соединены между собой также через каналы (на чертежах не обозначены), образованные между верхними частями хвостовиков, под нижними полками лопаток 2. Такое же соединение имеют полости 11 и 12.Each blade 2 has a lower shelf 13, a blade 6 has a lower shelf 14. The blades in the rims of the main disks 1 and 5 are fixed using Christmas-tree type lock joints. In these joints, gaps (not shown) are provided between the rim and the non-working part of the teeth of the shank of the blade for blowing cooling air. The gaps at the entrance are connected to the cavity between the main and front cover discs, and at the exit, they are connected with the cavity between the main and rear cover disc. The cavities 9 and 10 are also interconnected via channels (not indicated in the drawings) formed between the upper parts of the shanks, under the lower shelves of the blades 2. The cavities 11 and 12 have the same connection.

Каждый из покрывных дисков установлен с примыканием встык его внешней кромки к кромкам нижних полок лопаток: кромки покрывных дисков 3 и 4 с разных сторон примыкают к кромкам нижних полок 13, а кромки покрывных дисков 7 и 8 - к кромкам нижних полок 14. Установка дисков произведена таким образом, что в местах стыков образуется сплошная стенка, отгораживающая от проточной части полость, которая сформирована между основным и покрывным дисками для прохода охлаждающего воздуха. Нижние полки 13 и 14 выполнены со срезанным с одной стороны углом. В местах срезанных углов, между двумя смежными полками и внешней кромкой покрывного диска образованы отверстия: в рабочем колесе I-ой ступени отверстия 15, в рабочем колесе II-ой ступени отверстия 16. Отверстия 15 соединяют с проточной частью полость 10, а отверстия 16 - полость 12.Each of the cover discs is installed with the butt end of its outer edge adjacent to the edges of the lower shelves of the blades: the edges of the cover discs 3 and 4 from different sides adjoin the edges of the lower shelves 13, and the edges of the cover discs 7 and 8 - to the edges of the lower shelves 14. The disks are installed so that at the joints there is formed a continuous wall that encloses a cavity from the flow part, which is formed between the main and cover disks for the passage of cooling air. The lower shelves 13 and 14 are made with a corner cut off on one side. In the places of cut corners, between two adjacent shelves and the outer edge of the casing disk, holes are formed: in the impeller of the first stage of the hole 15, in the impeller of the second stage of the hole 16. Holes 15 connect the cavity 10 to the flowing part, and the holes 16 connect cavity 12.

В условиях работы газотурбинного двигателя охлаждение рабочих колес в турбине производится с помощью воздушного обдува внешних Under the conditions of the gas turbine engine, the cooling of the impellers in the turbine is carried out using air blowing of external

поверхностей покрывных дисков и продувкой воздуха через полости 9, 10, 11 и 12.surfaces of the cover discs and air purging through cavities 9, 10, 11 and 12.

Продувка осуществляется следующим образом.Purge is as follows.

Первый поток охлаждающего воздуха поступает в полость 9 из внутренней полости ротора турбины компрессора через специальные отверстия (на чертежах не обозначены), выполненные в цилиндрическом поясе основного диска 1 и в ступице покрывного диска 3. Сначала он проходит по полости 9 от центра к ее периферии, охлаждая переднюю поверхность основного диска 1, потом по зазорам замковых соединений и каналам между верхними частями хвостовиков лопаток 2 выходит в полость 10 и далее через отверстия 15 выводится в проточную часть.The first flow of cooling air enters the cavity 9 from the inner cavity of the compressor turbine rotor through special openings (not indicated in the drawings) made in the cylindrical belt of the main disk 1 and in the hub of the cover disk 3. First, it passes through the cavity 9 from the center to its periphery, cooling the front surface of the main disk 1, then through the gaps of the castle joints and the channels between the upper parts of the shanks of the blades 2 goes into the cavity 10 and then through the holes 15 is discharged into the flow part.

Через полость 10 продувается второй поток воздуха, поступающий в нее из внутренней полости турбины через отверстия (на чертеже не обозначены) в ступице покрывного диска 4. Второй поток воздуха охлаждает заднюю поверхность основного диска 1. Из полости 10 через отверстия 15 воздушный поток выводится в проточную часть.A second air stream is blown through the cavity 10, coming into it from the turbine’s internal cavity through holes (not indicated in the drawing) in the hub of the cover disk 4. The second air stream cools the back surface of the main disk 1. From the cavity 10, the air stream is discharged into the flow through the holes 15 part.

Продувка полости 11 для охлаждения передней поверхности основного диска 5 производится третьим потоком охлаждающего воздуха, который поступает в нее через отверстия (на чертежах не обозначены) в ступице покрывного диска 7 из той же внутренней полости турбины, что и второй поток в полость 10. Воздух из периферийной части полости 11 проходит в периферийную часть полости 12 по каналам между верхними частями хвостовиков лопаток и зазорам замковых соединений, а затем выбрасывается в проточную часть турбины через отверстия 16.The purge of the cavity 11 for cooling the front surface of the main disk 5 is carried out by a third stream of cooling air, which enters it through openings (not indicated in the drawings) in the hub of the cover disk 7 from the same internal cavity of the turbine as the second stream into the cavity 10. Air from the peripheral part of the cavity 11 passes into the peripheral part of the cavity 12 through the channels between the upper parts of the shanks of the blades and the gaps of the castle joints, and then is thrown into the flow part of the turbine through the holes 16.

Четвертый поток охлаждающего воздуха поступает для охлаждения задней поверхности основного диска 5 в полость 12 по лыскам стяжных болтов и фрезеровкам в посадочных поясах (на чертежах не обозначены) основного диска 5, проходит от центра к периферии полости 12 и выходит в проточную часть через отверстия 16.The fourth flow of cooling air enters to cool the rear surface of the main disk 5 into the cavity 12 according to the flats of the coupling bolts and milling in the landing belts (not indicated in the drawings) of the main disk 5, passes from the center to the periphery of the cavity 12 and enters the flow part through the openings 16.

Claims

A turbine impeller containing a main disk, blades fixed in the rim of the main disk, and two cover disks, the first in front of the main disk, the second behind the main disk, which are installed with their outer edges adjoining to the edges of the lower shelves of the blades in such a way that in working conditions, it is possible to form a solid wall at the joints, which encloses a cavity formed between the main and cover disks for the passage of cooling air from the turbine flow path, characterized in that the lower shelves of the blades at the outer edge of the second cover disk, they are made with an angle cut off on one side, and holes are formed in the places of the cut angles between two adjacent shelves and the outer edge of the second cover disk, connecting the cavity between the main and second cover disks with the turbine flow part.