×
10.04.2019
219.016.fedf

Результат интеллектуальной деятельности: Ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (варианты), узел соединения вала ротора с диском ТНД, тракт воздушного охлаждения ротора ТНД и аппарат подачи воздуха на охлаждение лопаток ротора ТНД

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения. Ротор ТНД двигателя содержит вал РНД с цапфой и рабочее колесо ТНД, включающее диск и лопаточный венец с системой рабочих лопаток. Диск рабочего колеса снабжен аппаратом подачи воздуха на охлаждение лопаток, содержащим напорное кольцо с воздухозаборной крыльчаткой. С тыльной стороны ступица диска выполнена за одно целое с консольным кольцевым элементом, выполненным с полифункциональным аэропрозрачным фланцем. Указанный фланец наделен отверстиями под крепежные элементы для разъемного соединения с цапфой, размещенными через одно с каналами тракта воздушного охлаждения ротора ТНД. С фронтальной стороны ступица диска наделена фланцем для разъемного соединения с кольцевым элементом ротора, огибающим ступицу диска и создающим совместно со ступицей пролонгированный канал тракта охлаждения ротора ТНД. Лопатка рабочего колеса ротора ТНД включает хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем. Полость лопатки выполнена на полную длину пера лопатки и открыта на проток потока воздуха. Полость пера в средней наиболее теплонапряженной части наделена регулярной совокупностью стержней, наделенных функцией высокопроводной перемычки между стенками пера лопатки. Технический результат состоит в повышении эффективности охлаждения теплонапряженных элементов ТНД, надежности и ресурса ТНД и двигателя в целом. 5 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно, к роторам турбины низкого давления стационарного газотурбинного двигателя авиационного типа в составе газоперекачивающих агрегатов.

Известен ротор турбины низкого давления газотурбинного двигателя, включающий вал и рабочее колесо с трактом воздушного охлаждения теплонапряженных элементов - диска и лопаток рабочего колеса. Лопатки выполнены пространственной формы с выпукло-вогнутым профилем пера с охлаждаемой полостью и хвостовиком, включающим елочный замок. Полость лопатки снабжена стержневыми перемычками (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 495-522).

Известен ротор турбины низкого давления газотурбинного двигателя, включающий вал и рабочее колесо с трактом воздушного охлаждения теплонапряженных элементов - диска и лопаток рабочего колеса. Охлаждаемая лопатка содержит перо, расположенное в направлении потока между передней и задней кромками и ограниченное стенками. Между стенками в полости расположены поперечно направлению потока воздуха стрежневые элементы (RU 2538978 С2, опубл. 10.01.2015)

К недостаткам известных решений относятся повышенная конструктивная сложность турбины, недостаточная конструктивная проработанность системы охлаждения наиболее теплонапряженных участков рабочего колеса турбины, неадаптированность конкретно к техническим решениям ГТД газоперекачивающего агрегата, сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД и ресурса двигателя с одновременным повышением компактности и снижением материало- и энергоемкости.

Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в повышении эффективности охлаждения элементов рабочего колеса ротора ТНД, ресурса и надежности турбины и двигателя в целом, используемого в составе газоперекачивающих агрегатов.

Поставленная задача решается тем, что ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (ГТД) в составе газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), согласно изобретению содержит вал ротора низкого давления (РНД) с цапфой и рабочее колесо ТНД, включающее диск и лопаточный венец с системой рабочих лопаток, размещенных с угловой частотой γл.=(12,1÷17,2) [ед/рад], диск рабочего колеса выполнен в виде моноэлемента, включает ступицу с центральным отверстием, полотно с ободом и снабжен аппаратом подачи воздуха на охлаждение лопаток, содержащем тыльное напорное кольцо, консольно прикрепленное к полотну диска с образованием кольцевого напорного кармана и наделенное воздухозаборной крыльчаткой, причем с тыльной стороны диск рабочего колеса ТНД снабжен выполненным за одно целое со ступицей консольным кольцевым элементом с полифункциональным аэропрозрачным радиальным фланцем для разъемного соединения с ответным фланцем цапфы вала ротора ТНД, наделенным отверстиями под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой, размещенными через один с каналами тракта воздушного охлаждения ротора ТНД с угловой частотой γотв.ф.т.=(4,8÷7,3) [ед/рад], а с фронтальной стороны ступица диска в том же радиальном диапазоне наделена цилиндрическим фланцем для разъемного соединения с кольцевым элементом ротора, огибающим ступицу диска, кроме того ступица диска рабочего колеса выполнена массивной с центральным отверстием радиусом, достаточным для свободного пропуска задней опоры ТВД и вала РНД, при этом максимальная осевая ширина ступицы с консольными элементами кольцевых фланцев выполнена не менее чем в 1,24 раза меньшей радиуса центрального отверстия ступицы, а полотно диска в корневом поперечном сечении имеет осевую ширину, меньшую не более чем в 1,8 раза ширины ступицы без консольных элементов кольцевых фланцев, при этом полотно диска рабочего колеса ТНД выполнено с градиентом Gп.д. убывания осевой толщины В полотна от ступицы к ободу, по меньшей мере, на большей части радиуса ΔR диска, определенным в диапазоне значений

Gп.д.=(Вп.к.п.п./ΔR=(0,13÷0,18), где Вп.к. и Вп.п.- осевая толщина полотна в прикорневой части над кольцевым элементом ротора и периферийной части под цилиндрическим фланцем крепления напорного кольца; ΔR=(Rп.п.-Rп.кк), где Rп.к. и Rп.п. - радиус полотна диска в прикорневой и периферийной части полотна; а высота проточной части лопаточного венца ротора ТНД выполнена в радиальном диапазоне ΔRп.ч.л.в. рабочего колеса, определенном из выражения

ΔRп.ч.л.в.=(Rmax п.ч.-Rmin п.ч.)/Rmax п.ч.=(0,26÷0,37), где Rmax п.ч. и Rmin п.ч. - максимальный и минимальный радиусы проточной части ротора ТНД, равные периферийному и корневому радиусам лопатки лопаточного венца рабочего колеса ротора ТНД.

При этом напорное кольцо аппарата подачи воздуха может быть установлено на тыльном кольцевом элементе полотна диска и совмещает не менее трех функций, а именно, первую функцию - рабочего органа, наделенного крыльчаткой для подачи охлаждающего воздуха в обод диска и в полость охлаждаемой лопатки; вторую функцию - кольцевого диска, совмещенного с держателем лабиринта, отделяющего полость тракта воздушного охлаждения ротора ТНД от проточной части турбины, и третью функцию - кольцевого диска, снабженного расположенным с нерабочей стороны лабиринта балансировочным кольцом с пазом для локального размещения балансировочных грузиков.

Поставленная задача решается тем, что по второму варианту ротор турбины низкого давления ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА, согласно изобретению содержит вал РНД с цапфой и рабочее колесо ТНД, включающее диск и лопаточный венец с системой рабочих лопаток ТНД, размещенных с угловой частотой γл.=(12,14÷17,2) [ед/рад]; диск рабочего колеса выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно с ободом, а вал РНД соединен со ступицей диска с тыльной стороны через консольный кольцевой элемент, выполненный за одно целое со ступицей и снабженный полифункциональным аэропрозрачным радиальным фланцем, разъемно соединенным с ответным фланцем цапфы вала РНД, при этом лопатка содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем стенок, сопряженных входной и выходной кромками, а в ободе диска выполнены пазы под елочные замки хвостовика лопатки с радиальной плоскостью симметрии, проходящей через ось двигателя, причем перо лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте угол ϕуст.л. установки профиля пера, определенный как угол между хордой, проведенной по центрам входной и выходной кромок, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, при этом угол ϕу.п. установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом Gу.п. изменения угла ϕу.п., определенном из выражения в диапазоне значений

Gу.п.=(ϕу.п.к.у.п.п.)/Нл.=(0,47÷0,62) [рад/м],

где ϕу.п.к. и ϕу.п.п. - угол установки профиля в корневом и периферийном сечениях пера лопатки; Нл. - средняя высота пера лопатки; кроме того перо лопатки выполнено с отрицательной парусностью по высоте лопатки, определяемой градиентом Gпар.л. парусности лопатки

Gпар.л=(Впар.л.п.пар.л.к.)/Нл.=[-(3,4÷4,8)×10-2] [м/м]

где Впар.л.к. и Впар.л.п. - соответственно корневая и периферийная хорды пера, проведенные по центрам входной и выходной кромок профиля пера; а внутренняя полость пера в средней ее части снабжена совокупностью выполненных за одно целое с оболочкой пера лопатки стержневых элементов с поперечными и продольными рядами, наделенных функцией высокотеплопроводной перемычки между стенками пера лопатки.

При этом периферийный торец лопатки может быть выполнен с бандажной полкой, наделенной, по меньшей мере, одним зубом лабиринтного уплотнения и имеющей Z-образные контактные торцы зацепления с бандажными полками смежных лопаток в бандажном кольце, а хвостовик лопатки с фронтальной стороны наделен пазом для заведения разрезного кольца, фиксирующего лопатки от осевых смещений, причем тракт воздушного охлаждения лопатки ротора ТНД на входе в полость лопатки проложен через хвостовик лопатки, включая последовательные участки канала тракта в елочном замке, ножке и полке к диффузорному выходу из полости в проточную часть турбины через каналы в периферийном торце, выполненные с площадью проходного сечения не менее чем в 3,35 раза превышающей площадь проходное сечение каналов на входе в полость лопатки.

Поставленная задача в части узла соединения вала ротора с диском рабочего колеса ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА решается тем, что согласно изобретению узел соединения образован сочетанием двух кольцевых элементов - радиального фланца тыльного консольного кольцевого элемента, выполненного за одно целое со ступицей диска и ответного фланца цапфы вала РНД, при этом фланцевое соединение выполнено полифункциональным, совмещающем конструктивную функцию разъемного силового соединения двух указанных элементов с функцией аэропрозрачного многоканального переходного участка тракта воздушного охлаждения теплонапряженных элементов рабочего колеса ротора ТНД, при этом для выполнения первой из указанных функций фланец наделен отверстиями под крепежные элементы разъемного соединения с валом РНД, выполненными с угловой частотой γотв.ф.т.=(4,8÷7,3) [ед/рад], а для выполнения второй функции в указанном фланцевом соединении выполнены каналы тракта воздушного охлаждения, размещенные с регулярным чередованием не менее чем через одно отверстие под крепежные элементы, с суммарной выходной площадью Fвых. поперечного сечения указанного участка тракта воздушного охлаждения ротора, составляющую не менее одной пятой части от суммарной площади входных отверстий Fвх., выполненных в образующем канал подвода охлаждающего воздуха кольцевом элементе, огибающим ступицу диска ротора ТНД и сообщенном на входе через фронтальную промежуточную полость с расположенным под сопловым венцом лопаток соплового аппарата ТНД транзитным коллектором тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.

Поставленная задача в части тракта воздушного охлаждения ротора ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА решается тем, что согласно изобретению тракт воздушного охлаждения на входе включает узел подачи охлаждающего воздуха из воздухо-воздушного теплообменника (ВВТ) во входной коллектор соплового аппарата (СА) ТНД, размещенный в полом корпусе наружного кольца СА, функционально совмещенного с входным узлом тракта воздушного охлаждения сопловых лопаток СА, при этом входной коллектор наделен не менее чем двумя входными отверстиями, а тракт охлаждения ротора ТНД продолжен совокупностью транзитных трубок, пропущенных через центральную часть полости средней лопатки соплового блока с угловой частотой γт.т. в сопловом венце, определенной в диапазоне значений γт.т.=(1,43÷2,34) [ед/рад], и выведенных в промежуточный транзитный коллектор тракта, образованный внутренним кольцом СА, разъемно соединенным с элементами корпуса подшипника задней опоры ТВД, включая выполненную, по меньшей мере, частично за одно целое с ним фронтальную коническую диафрагму, наделенную кольцевым рядом напорных отверстий, и тыльную коническую диафрагму - крышку коллектора, имеющую ряд пропускных отверстий тракта, выполненных с угловой частотой γотв.к., определенной в диапазоне значений γотв.к.=(1,59÷2,86) [ед/рад], причем тракт воздушного охлаждения ротора ТНД пролонгирован каналом, который образован кольцевым элементом, огибающем ступицу диска рабочего колеса ТНД, запитан на входе охлаждающим потоком через ряд пропускных отверстий, выполненных в кольцевом элементе с угловой частотой γо.к.э., определенной в диапазоне значений γо.к.э.=(3,82÷5,73) [ед/рад], и на выходе сообщен через аэропрозрачное полифункциональное фланцевое соединение ступицы диска и цапфы вала ротора ТНД с примыкающей к диску ТНД промежуточной тыльной кольцевой полостью, посредством которой тракт сообщен с аппаратом подачу воздуха, подаваемого на охлаждение лопаток рабочего колеса ротора ТНД, включающим напорное кольцо, выполненное в виде моноколеса, наделенное с внутренней стороны крыльчаткой, образованной системой воздухозаборных лопаток, дифференцированных по конфигурации и длине, а также наделено функциями консольного держателя лабиринта и балансировочного кольца, расположенных с тыльной стороны кольца, при этом аппарат подачи воздуха сообщен с совокупностью входных каналов тракта охлаждения лопаток ТНД, выполненных в ободе диска рабочего колеса с плоским клиновидным расширением ко входу в полость лопатки с угловой частотой γк.о.д., определенной в диапазоне значений γк.о.д.=(12,1÷17,2) [ед/рад], а завершен тракт воздушного охлаждения ротора ТНД в полых лопатках рабочего колеса, открытых на проток по торцам, наделенным каждый парой разнесенных по ширине пера лопатки каналов с выходом нагретого воздуха в проточную часть турбины.

Поставленная задача части аппарата подачи воздуха в тракта воздушного охлаждения лопаток ротора ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА, решается тем, что аппарат подачи воздуха согласно изобретению включает напорное кольцо, прикрепленное посредством цилиндрического фланца к полотну диска рабочего колеса дискретными крепежными элементами с угловой частотой γк.э.а.з., определенной в диапазоне значений γк.э.а.з.=(7,64÷11,46) [ед/рад], причем напорное кольцо выполнено в виде моноколеса, наделенного со стороны, обращенной к диску рабочего колеса ротора крыльчаткой, состоящей из системы наклонных воздухозаборных лопаток, дифференцированных по конфигурации и длине, а также конструктивно и функционально совмещено с кольцевым консольным держателем лабиринта и с балансировочным кольцом, расположенным с внешней стороны последнего, при этом лопатки в напорном кольце аппарата подачи воздуха выполнены двух типов, различающихся по длине и по форме, расположены с чередованием через одну с одинаковым наклоном в сторону вращения рабочего колеса под углом ϕл.а.х. с вершиной в точке пересечения касательной к контуру напорного кольца с осью более длинной лопатки, выполненной с постоянной шириной поперечного сечения, и/или с биссектрисой угла между гранями другой более короткой лопатки, выполненной клиновидной, а угол ϕл.а.з. в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя, определен в диапазоне значений ϕл.а.з.=(0,42÷0,64) [рад], причем длина L1 более длинных лопаток выполнена достаточной для пересечения под указанным углом полной радиальной ширины напорного кольца, а длина L2 более коротких клиновидных лопаток принята не менее 0,4 длины L1 более длинных лопаток L2>0,4L1 кроме того угол между гранями клиновидных лопаток принят обеспечивающим параллельность смежных граней длинной и более короткой лопатки крыльчатки аппарата подачи воздуха.

При этом аппарат подачи воздуха может быть сообщен с совокупностью входных каналов воздуха, подаваемого в тракт охлаждения лопаток рабочего колеса ротора ТНД, выполненных в ободе диска рабочего колеса с угловой частотой γк.о.д., определенной в диапазоне значений γк.о.д.=(12,14÷17,2) [ед/рад].

Технический результат, достигаемый группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, заключается в повышении эффективности охлаждения рабочего колеса ротора ТНД, ресурса и надежности ТНД за счет улучшения аэродинамических и конструктивных параметров элементов ротора турбины, а именно, пространственной конфигурации диска и лопаток, обеспечивающих возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части турбины, а также выполнения диска рабочего колеса с радиальным фланцем, совмещающем конструктивную функцию силового соединения с валом РНД с функцией многоканального переходного участка тракта воздушного охлаждения ротора ТНД, конструктивной проработанности аппарата подачи воздуха во внутреннюю полость лопатки, достигая тем самым повышения жесткости турбины и снижения утечек воздуха, а также повышения эффективности охлаждения теплонапряженных элементов ротора ТНД в процессе работы двигателя, и как следствие, повышение КПД, надежности и ресурса турбины, а также технологической простоты изготовления без увеличения материало- и энергоемкости и технического обслуживания в процессе эксплуатации и двигателя.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен ротор турбины низкого давления с сопловым аппаратом ГТД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса ТНД с аппаратом подачи воздуха, подаваемого в полость лопатки, продольный разрез;

на фиг. 3 - вид по А на фиг. 2, фрагмент полифункционального аэропрозрачного радиального фланца ступицы диска рабочего колеса ротора ТНД, вид спереди;

на фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг. 3;

на фиг. 5 - вид по В-В на фиг. 2, фрагмент обода диска рабочего колеса ротора ТНД и аппарата подачи воздуха с крыльчаткой в разрезе; на фиг. 6 - лопатка рабочего колеса ротора ТНД, вид сбоку; на фиг. 7 - лопатка рабочего колеса ротора ТНД, продольный разрез.

В группе изобретений ротор турбины низкого давления газогенератора газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА включает вал 1 ротора низкого давления (РНД) с цапфой 2 и рабочее колесо 3 турбины.

Рабочее колесо 3 содержит диск 4 и лопаточный венец с системой лопаток 5, размещенных с угловой частотой ул, определенной в диапазоне значений γл. =Nл./2π=(12,1÷17,2) [ед/рад], где N„.- число лопаток в лопаточном венце рабочего колеса ТНД. Диск 4 рабочего колеса 3 выполнен в виде моноэлемента и включает ступицу 6 с центральным отверстием, полотно 7 с ободом 8. Диск 4 рабочего колеса 3 снабжен аппаратом 9 подачи воздуха на охлаждение лопатки. Аппарат 9 подачи воздуха включает тыльное напорное кольцо 10, которое консольно прикреплено к полотну 7 диска 4 с образованием кольцевого напорного кармана 11. Напорное кольцо 10 наделено крыльчаткой, состоящей из системы наклонных воздухозаборных лопаток 12 и 13, дифференцированных по конфигурации и длине. С тыльной стороны диск 4 рабочего колеса 3 снабжен выполненным за одно целое со ступицей 6 консольным кольцевым элементом 14 с полифункциональным аэропрозрачным радиальным фланцем 15 для разъемного соединения с ответным радиальным фланцем 16 цапфы 2 вала 1 ротора ТНД. Фланец 15 наделен отверстиями 17 под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой 2, размещенными через один с каналами 18 тракта воздушного охлаждения ротора ТНД с угловой частотой γотв.ф.т., определенной в диапазоне значений γотв.ф.т.=Nотв.ф.т./2π=(4,84÷7,3) [ед/рад],

где Nотв.ф.т. - число отверстий во фланце 16 под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой 2.

С фронтальной стороны ступица 6 диска 4 в том же радиальном диапазоне наделена цилиндрическим фланцем 19 для разъемного соединения с кольцевым элементом 20 ротора, огибающем ступицу 6 диска ТНД.

Ступица 6 диска 4 рабочего колеса ТНД выполнена массивной с центральным отверстием радиусом, достаточным для свободного пропуска задней опоры 21 ТВД и вала 1 РНД. Максимальная осевая ширина ступицы 6 с консольными элементами кольцевых фланцев 15 и 19 выполнена не менее чем в 1,24 раза меньшей радиуса центрального отверстия ступицы 6. Полотно 7 диска 4 в корневом поперечном сечении имеет осевую ширину, меньшую не более чем в 1,8 раза ширины ступицы 6 без консольных элементов кольцевых фланцев 15 и 19.

Полотно 7 диска 4 рабочего колеса ТНД выполнено с градиентом Gп.д. убывания осевой толщины В полотна от ступицы к ободу, по меньшей мере, на большей части радиуса ΔR диска, определенным в диапазоне значений

Gп.д.=(Вп.к.-Вп.п.)/ΔR=(0,13÷0,18),

где Вп.к. и Вп.п. - осевая толщина полотна в прикорневой части над кольцевым элементом 20 ротора и периферийной части под цилиндрическим фланцем 22 крепления напорного кольца 10 аппарата подачи воздуха на охлаждение лопаток;

ΔR=(Rп.п.-Rп.кк), где Rп.к. и Rп.п. - радиус полотна 7 диска в прикорневой и периферийной части полотна.

Высота проточной части лопаточного венца ротора ТНД выполнена в радиальном диапазоне ARn.4^.B. рабочего колеса 3, определенном из выражения

ΔRп.ч.л.в.=( Rmax п.ч.-Rmin п.ч.)/Rmax п.ч.=(0,26÷0,37),

где Rmax п.ч. и Rmin п.ч. - максимальный и минимальный радиусы проточной части ротора ТНД, равные периферийному и корневому радиусам лопатки 5 лопаточного венца рабочего колеса ротора ТНД.

Лопатка 5 рабочего колеса ротора ТНД содержит хвостовик 23 и перо 24 с выпукло-вогнутым профилем стенок, сопряженных входной и выходной кромками 25 и 26. В ободе 8 диска 4 выполнены пазы под елочные замки 27 хвостовика 23 лопатки с радиальной плоскостью симметрии, проходящей через ось двигателя.

Перо 24 лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте угол ϕуст.л. установки профиля пера, определенный как угол между хордой, проведенной по центрам входной и выходной кромок 25 и 26, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца. Угол ϕуст.п. установки профиля пера 24 выполнен убывающим по высоте лопатки 5 с градиентом Gуст.п изменения угла ϕуст.п, определенном из выражения в диапазоне значений

Gуст.п.=(ϕуст.п.к.уст.п.п.)/Нл.=(0,47÷0,62) [рад/м],

где ϕуст.п.к..и ϕуст.п.п. - угол установки профиля в корневом и периферийном сечении пера лопатки; Нл. - средняя высота пера лопатки.

Перо 24 лопатки 5 выполнено с отрицательной парусностью по высоте лопатки, определяемой градиентом Gпар.л. парусности лопатки

Gпар.л=(Впар.л.п.пар.л.к.)/Нл.=[-(3,4÷4,8)×10-2] [м/м]

где Впар.л.к. и Впар.л.п. - соответственно корневая и периферийная хорды пера, проведенные по центрам входной и выходной кромок профиля пера.

Внутренняя полость 28 пера 24 лопатки 5 в средней ее части снабжена совокупностью выполненных за одно целое с оболочкой пера лопатки стержневых элементов 29 с поперечными и продольными рядами, наделенных функцией высокотеплопроводной перемычки между стенками пера лопатки.

Периферийный торец 30 лопатки 5 выполнен с бандажной полкой 31, имеющей Z-образные контактные торцы 32 зацепления с бандажными полками смежных лопаток в бандажном кольце. Бандажная полка 31 лопатки наделена, по меньшей мере, одним зубом 33 лабиринтного уплотнения для уменьшения радиального зазора между ротором и статором ТНД. Хвостовик 23 лопатки 5 с фронтальной стороны наделен пазом 34 для заведения разрезного кольца, фиксирующего лопатки 5 от осевых смещений.

Тракт воздушного охлаждения лопатки 5 ротора ТНД на входе в полость 28 лопатки проложен через хвостовик 23 лопатки, включая последовательные участки канала 35 тракта в елочном замке 27, ножке 36 и полке 37 к диффузорному выходу из полости 28 в проточную часть турбины через каналы 38 в периферийном торце 30 пера 24. Выходные каналы 38 в периферийном торце 30 пера выполнены с площадью проходного сечения не менее чем в 3,35 раза превышающей площадь проходное сечение каналов 39 на входе в полость 28 лопатки.

Узел соединения вала 1 ротора с диском 4 рабочего колеса 3 ТНД образован сочетанием двух кольцевых элементов - радиального фланца 15 тыльного консольного кольцевого элемента 14, выполненного за одно целое со ступицей 6 диска 4, и ответного фланца 16 цапфы 2 вала РНД. Фланцевый узел выполнен полифункциональным, совмещающем конструктивную функцию разъемного силового соединения фланцев 15 и 16 с функцией аэропрозрачного многоканального переходного участка тракта воздушного охлаждения теплонапряженных элементов рабочего колеса 3 ротора ТНД.

Для выполнения первой из указанных функций фланец 14 наделен отверстиями 17 под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой 2 вала РНД, выполненными с угловой частотой γотв.ф.т.=(4,8÷7,3) [ед/рад].

Для выполнения второй функции во фланцевом соединении выполнены каналы 18 тракта воздушного охлаждения, размещенные с регулярным чередованием не менее чем через одно отверстие 17 под крепежные элементы. Суммарная выходная площадь Fвых. поперечного сечения указанного участка тракта воздушного охлаждения ротора составляет не менее одной пятой части от суммарной площади Fвх. входных отверстий 40, выполненных в образующем канал подвода охлаждающего воздуха кольцевом элементе 20, огибающим ступицу 6 диска 4 ротора ТНД и сообщенном на входе через фронтальную промежуточную полость 41 с расположенным под сопловым венцом лопаток 42 соплового аппарата 43 ТНД транзитным коллектором 44 тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.

Предлагаемый изобретением тракт воздушного охлаждения ротора ТНД на входе включает узел подачи охлаждающего воздуха из ВВТ во входной коллектор 45 соплового аппарата 43 ТНД. Входной коллектор 45 размещен в полом корпусе наружного кольца 46 СА, наделен не менее чем двумя входными отверстиями и функционально совмещен с входным узлом тракта воздушного охлаждения сопловых лопаток 42 СА.

Тракт воздушного охлаждения ротора ТНД продолжен совокупностью транзитных трубок (на чертежах не показано), пропущенных через центральную часть полости средней лопатки 42 трехлопаточного соплового блока СА с угловой частотой утт.в сопловом венце, определенной в диапазоне значений

γт.т.=Nт.т./2π=(1,43÷2,34) [ед/рад],

где Nт.т. - количество транзитных трубок.

Транзитные трубки выведены в транзитный коллектор 44 тракта охлаждения. Коллектор 44 образован внутренним кольцом 47 СА, разъемно соединенным с элементами корпуса 48 подшипника задней опоры 21 ТВД, включая выполненную, по меньшей мере, частично за одно целое с ним фронтальную коническую диафрагму 49 и тыльную коническую диафрагму -крышку 50 транзитного коллектора 44. Фронтальная диафрагма 49 наделена кольцевым рядом напорных отверстий 51. Крышка 50 коллектора 44 наделена рядом пропускных отверстий 52, сообщающих транзитный коллектор 44 с промежуточной полостью 41 тракта охлаждения и выполненных с угловой частотой γотв.к., определенной в диапазоне значений

γотв.к.=Nотв.к./2π=(1,59÷2,86) [ед/рад],

где Nотв.к. - количество отверстий в крышке транзитного коллектора.

Тракт воздушного охлаждения пролонгирован каналом 53, который образован кольцевым элементом 20, огибающим ступицу 6 диска 4 рабочего колеса ротора ТНД. Канал 53 тракта запитан на входе охлаждающим потоком через ряд пропускных входных отверстий 40, выполненных в кольцевом элементе 20 с угловой частотой γо.к.э., определенной в диапазоне значений

γо.к.э.=Nо.к.э./2π=(3,82÷5,73) [ед/рад],

где Nо.к.э. - количество пропускных отверстий в кольцевом элементе 20.

На выходе канал 53 сообщен через аэропрозрачное полифункциональное соединение посредством фланцев 15 и 16 ступицы 6 диска 4 и цапфы 2 вала РНД с примыкающей к диску 4 ТНД тыльной промежуточной кольцевой полостью 54. Посредством тыльной полости 54 тракт охлаждения ротора ТНД сообщен с аппаратом 9 подачи воздуха, подаваемого на охлаждение лопаток 5 рабочего колеса 3 ротора ТНД. Завершен тракт воздушного охлаждения ротора ТНД в полых лопатках 5 рабочего колеса 3 ротора ТНД, открытых на проток по торцам, наделенным каждый парой разнесенных по ширине пера лопатки каналов 39 на входе и каналов 38 в периферийном торце 30 пера лопатки с выходом нагретого воздуха в проточную часть турбины.

Заявленный аппарат подачи воздуха в тракт воздушного охлаждения лопатки ротора ТНД включает напорное кольцо 10, прикрепленное посредством цилиндрического фланца 55 к полотну 7 диска 4 рабочего колеса 3 дискретными крепежными элементами 56 с угловой частотой γк.э.а.з., определенной в диапазоне значений

γк.э.а.з.=Nк.э.а.з./2π=(7,64π11,46) [ед/рад],

где Nк.э.а.з. _ количество крепежных элементов фланцевого соединения аппарата подачи воздуха.

Напорное кольцо 10 выполнено в виде моноколеса, наделенного со стороны, обращенной к диску 4 рабочего колеса ротора воздухозаборной крыльчаткой, а также конструктивно и функционально совмещено с кольцевым консольным держателем 57 лабиринта и с балансировочным кольцом 58, расположенным с внешней стороны последнего.

Крыльчатка состоит из системы наклонных воздухозаборных длинных и коротких лопаток 12 и 13, дифференцированных по конфигурации и длине. Длинные лопатки 12 выполнены с постоянной шириной поперечного сечения, короткие лопатки 13 выполнены клиновидной формы. Лопатки 12 и 13 расположены с чередованием через одну с одинаковым наклоном в сторону вращения рабочего колеса 3 под углом ϕл.а.з. с вершиной в точке пересечения касательной к контуру напорного кольца 10 с осью более длинной лопатки 12 и/или с биссектрисой угла между гранями другой более короткой лопатки 13. Угол ϕл.а.з. в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя определен в диапазоне значений ϕл.а.з.=(0,42÷0,64) [рад]. Длина L1 длинных лопаток 12 выполнена достаточной для пересечения под указанным углом ϕл.а.з. полной радиальной ширины напорного кольца 10 ротора ТНД. Длина L2 коротких клиновидных лопаток 13 принята не менее 0,4 длины Li длинных лопаток L2≥0,4L1. Угол между гранями клиновидных лопаток 13 принят обеспечивающим параллельность смежных граней длинной и короткой лопаток 12 и 13 напорного кольца 10 аппарата 9 подачи воздуха на охлаждение лопаток.

Аппарат 9 подачи воздуха сообщен с совокупностью каналов 59 воздуха, подаваемого на охлаждения лопаток 5 рабочего колеса ротора ТНД, выполненных в ободе 8 диска 4 рабочего колеса с плоским клиновидным расширением ко входу в полость 28 лопатки с угловой частотой γк.о.д., определенной в диапазоне значений γк.о.д.=(12,1÷17,2) [ед/рад].

Напорное кольцо 10 совмещает не менее трех функций, а именно, первую функцию рабочего органа, наделенного крыльчаткой для подачи охлаждающего воздуха в обод 8 диска и в полость 28 охлаждаемой лопатки 5; вторую функцию - кольцевого диска, совмещенного с держателем 57 лабиринта, отделяющего полость 54 тракта воздушного охлаждения ротора ТНД от проточной части турбины, и третью функцию кольцевого диска, снабженного расположенным с нерабочей стороны лабиринта балансировочным кольцом 58 с пазом для локального размещения балансировочных грузиков.

Технический результат группы изобретений достигают совокупностью разработанных в изобретении аэродинамических конструктивных и аэродинамических решений и геометрических параметров основных элементов рабочего колеса ТНД, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода с каналом подачи воздуха в полость лопатки, принятого сочетания тонкого полотна и осевой ширины ступицы с консольными элементами кольцевых фланцев, компенсирующей ослабление полотна диска центральным отверстием, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия в ступице принят достаточным для свободного пропуска вала РНД и задней опоры ТВД. Литая конструкция лопаток, выполненных со спиральной закруткой с соблюдением парусности пера по высоте и объемной решеткой во внутренней полости лопатки из высокотеплопроводных стрежней, обладая высокой жесткостью, обеспечивает стабильность установки лопатки и снижение утечек воздуха. Технический результат достигают при выполнении лопаток с заявленным диапазоном градиента Gyст.п. осевой закрутки пера лопатки и градиентом Gпар.л. парусности лопатки, выход за пределы интервала в большую или меньшую сторону приводит к рассогласованию эффективности работы лопатки в периферийной и при корневой зонах лопатки и к снижению эффективности охлаждения лопатки. Конструктивные параметры многофункционального напорного кольца аппарата подачи воздуха на охлаждение лопаток, установленного на тыльном кольцевом элементе полотна диска, также обладая высокой жесткостью, обеспечивает стабильность и эффективность работы ТНД.

Рабочее колесо ротора ТНД выполняют следующим образом. Диск 4 рабочего колеса выполняют в виде моноэлемента, включающего ступицу 6 с центральным отверстием и консольными кольцевыми элементами 15 и 19, полотно 7 с ободом 8. Рабочая лопатка 5 ТНД - литая, охлаждаемая с радиальным течением охлаждающего воздуха. Во внутренней полости 28 размещают высокотеплопроводные стержни 29. Периферийная бандажная полка 31 обеспечивает уменьшение радиального зазора, что ведет к повышению КПД турбины. За счет трения контактных поверхностей бандажных полок соседних рабочих лопаток происходит снижение вибрационных нагрузок. Перо 24 лопатки 5 отделено от замковой части полкой 37 в хвостовике 23, формирующей границу потока и защищающую диск от нагрева. Для осевой фиксации лопатки от перемещения против потока на ней выполнен зуб 33. Для осевой фиксации лопатки от перемещения по потоку в хвостовике лопатки выполнен паз, в который входит разрезное кольцо 60 со вставкой.

Охлаждают ротор ТНД газотурбинного двигателя следующим образом. В процессе работы ГТД охлаждающий воздух из ВВТ через два входных отверстия подают во входной коллектор 45 соплового аппарата 43 ТНД. Из входного коллектора 45 часть потока охлаждающего воздуха (~60%) через одиннадцать транзитных трубок поступает в промежуточный транзитный коллектор 44. Из транзитного коллектора 44 через двенадцать пропускных отверстий 52 в крышке 50 коллектора 44 воздух поступает в промежуточную полость 41, охлаждая с фронтальной стороны диск 4 рабочего колеса ТНД. Далее охлаждающий воздух через тридцать отверстий 40 в кольцевом элементе 20 ротора, огибающем ступицу 6 рабочего колеса поступает в канал 53 тракта охлаждения ротора ТНД. На выходе из канала 53 воздух через каналы 18 во фланце 15 ступицы 6 рабочего колеса и цапфы 2 вала РНД поступает в тыльную промежуточную кольцевую полость 54, охлаждая диск 4 рабочего колеса с тыльной стороны и одновременно направляя поток воздуха в напорное кольцо 10 аппарата 9 подачи воздуха на охлаждение лопаток 5. В напорном кольце 10 воздух, проходя через систему воздухозаборных лопаток 12 и 13 крыльчатки и получая подпор давления, поступает в каналы 35 в хвостовике 23 лопатки и заполняет на проток полость 28 пера 24 лопатки. Охлаждающий воздух проходит через решетку стержней 29, увеличивая теплосъем с пера 24 лопатки в средней наиболее теплонапряженной части лопатки, и через отверстия 38 в периферийном торце 30 пера 24 нагретый теплосъемом воздух выходит в проточную часть турбины. При этом стержни создают в потоке охлаждающего воздуха уменьшение проходного сечения и увеличение теплосъема с пера лопатки.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров элементов ротора ТНД достигают повышение эффективности охлаждения теплонапряженных элементов ТНД, надежности и ресурса ТНД и двигателя в целом, используемого в составе ГТУ ГПА и в том числе на компрессорных станциях нефтегазовой и энергетической промышленности.


Ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (варианты), узел соединения вала ротора с диском ТНД, тракт воздушного охлаждения ротора ТНД и аппарат подачи воздуха на охлаждение лопаток ротора ТНД
Ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (варианты), узел соединения вала ротора с диском ТНД, тракт воздушного охлаждения ротора ТНД и аппарат подачи воздуха на охлаждение лопаток ротора ТНД
Ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (варианты), узел соединения вала ротора с диском ТНД, тракт воздушного охлаждения ротора ТНД и аппарат подачи воздуха на охлаждение лопаток ротора ТНД
Ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (варианты), узел соединения вала ротора с диском ТНД, тракт воздушного охлаждения ротора ТНД и аппарат подачи воздуха на охлаждение лопаток ротора ТНД
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 11-20 of 110 items.
17.02.2018
№218.016.2b11

Устройство для измерения акустического сигнала от деталей турбомашины

Изобретение относится к измерительным устройствам, в частности к устройствам диагностики технического состояния подшипниковых опор авиационных газотурбинных двигателей. Устройство для измерения акустического сигнала от деталей турбомашины содержит трубчатый полый корпус, установленный в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642963
Дата охранного документа: 29.01.2018
04.04.2018
№218.016.3176

Способ испытания авиационного турбореактивного двигателя

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к способам испытаний турбореактивных двигателей (ТРД). Способ испытания ТРД включает подогрев и наддув воздуха на входе в двигатель. Для двигателя, содержащего топливно-масляный теплообменник, предварительно создают математическую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002645066
Дата охранного документа: 15.02.2018
10.05.2018
№218.016.392b

Устройство для сочленения наружной поверхности поворотного реактивного сопла турбореактивного двигателя и мотогондолы самолета

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к конструкции поворотных сопел турбореактивных двигателей в месте сочленения поворотного устройства сопла с мотогондолой самолета. Устройство для сочленения наружной поверхности поворотного реактивного сопла турбореактивного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647018
Дата охранного документа: 13.03.2018
10.05.2018
№218.016.3959

Способ управления газотурбинным двигателем

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам управления газотурбинным двигателем. В известном способе управления газотурбинным двигателем, включающим изменение расхода охлаждающего воздуха подаваемого на турбину в зависимости от режимов работы двигателя, воздух...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647017
Дата охранного документа: 13.03.2018
10.05.2018
№218.016.3ac5

Регулируемое сверхзвуковое сопло турбореактивного двигателя

Регулируемое сверхзвуковое сопло турбореактивного двигателя относится к области авиационного двигателестроения. Сопло содержит корпус, шарнирно прикрепленные к нему дозвуковые и внешние створки, сверхзвуковые створки, шарнирно прикрепленные к дозвуковым створкам и подвижно соединенные с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647266
Дата охранного документа: 15.03.2018
10.05.2018
№218.016.3d2f

Способ испытания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к способам испытаний авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Для типа двигателей, включающих противообледенительную систему, предварительно проводят испытания на выбранном режиме работы, измеряют параметры при выключенной и при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002648197
Дата охранного документа: 22.03.2018
10.05.2018
№218.016.43f4

Устройство поворота плоского сопла турбореактивного двигателя

Изобретение относится к авиадвигателестроению, конкретно к реактивным плоским соплам газотурбинных двигателей маневренных летательных аппаратов. Устройство поворота плоского сопла турбореактивного двигателя содержит неподвижный корпус, плоское сопло, установленное на подшипнике с возможностью...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649723
Дата охранного документа: 04.04.2018
09.06.2018
№218.016.5b4f

Многозонный термопреобразователь

Изобретение относится к области газовой динамики и может быть использовано для измерения поля температуры газового потока, движущегося с большой скоростью, в частности, в газотурбинных установках и в стендовых системах. Известный многозонный термопреобразователь, содержащий не менее трех...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655734
Дата охранного документа: 29.05.2018
09.06.2018
№218.016.5cbf

Устройство для сочленения наружной поверхности поворотного реактивного сопла двигателя и мотогондолы самолёта

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к конструкции поворотных реактивных сопел авиационных турбореактивных двигателей в месте их сочленения с мотогондолой самолета. Устройство для сочленения наружной поверхности поворотного реактивного сопла двигателя и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656172
Дата охранного документа: 31.05.2018
09.06.2018
№218.016.5d00

Устройство для перекрытия газового потока в корпусе турбореактивного двигателя

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике, а именно к реверсивным устройствам турбореактивного двигателя (далее ТРД). Устройство для перекрытия газового потока в корпусе ТРД, содержащее закрылки, установленные по окружности в корпусе, радиальные оси, установленные вдоль...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656169
Дата охранного документа: 31.05.2018
Showing 11-20 of 403 items.
27.02.2013
№216.012.2c3a

Способ контроля технического состояния и обслуживания двухроторного газотурбинного двигателя при его эксплуатации

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных двигателей, в частности двухконтурных, к контролю технического состояния во время их эксплуатации для принятия решений по их обслуживанию и дальнейшей эксплуатации. В известном способе контроля технического состояния в качестве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476849
Дата охранного документа: 27.02.2013
10.03.2013
№216.012.2e58

Энергосберегающий подшипник скольжения

Изобретение относится к подшипникам скольжения и может быть использовано в авиакосмической, нефтедобывающей, нефтеперекачивающей, нефтеобрабатывающей и иных областях промышленности. Подшипник скольжения включает корпус и смонтированные на корпусе элементы скольжения, поверхности скольжения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477395
Дата охранного документа: 10.03.2013
20.04.2013
№216.012.375d

Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины

Изобретение относится к охлаждению газотурбинного двигателя и, в частности, к усовершенствованию охлаждения профильной части и полок лопатки турбины высокого давления. Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины содержит канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в направлении вдоль...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479726
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.04.2013
№216.012.37ba

Защитная маскирующая система для летательного аппарата, подвергающегося радиолокационному облучению

Изобретение относится к средствам защиты и маскирования объектов от систем радиолокационного облучения и опознавания, захвата, автоматического сопровождения и целеуказания, работающих в радиолокационном диапазоне электромагнитного спектра. Защитная маскирующая система для летательного аппарата,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479819
Дата охранного документа: 20.04.2013
10.05.2013
№216.012.3e7d

Турбореактивный двигатель, способ испытания турбореактивного двигателя, способ производства партии турбореактивных двигателей (варианты), способ эксплуатации турбореактивного двигателя

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным двигателям типа турбореактивных, способам их испытания, опытного и промышленного производства и эксплуатации. В группе изобретений изложены способы испытаний ТРД. При...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481564
Дата охранного документа: 10.05.2013
10.05.2013
№216.012.3e7e

Газотурбинный двигатель. способ испытания газотурбинного двигателя (варианты). способ производства газотурбинного двигателя. способ доводки газотурбинного двигателя. способ промышленного производства газотурбинных двигателей. способ эксплуатации газотурбинного двигателя

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным двигателям типа газотурбинных, к способам их опытного производства, испытания и доводки, а также промышленного производства и эксплуатации. В группе изобретений изложены способы испытания ГТД на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481565
Дата охранного документа: 10.05.2013
20.05.2013
№216.012.40c3

Радиопоглощающий материал

Изобретение относится к радиопоглощающему материалу. Радиопоглощающий материал состоит из полимерного связующего, наполнителя в виде смеси порошкообразного феррита и карбонильного железа с диаметром частиц сферической формы 10-50 мкм и смеси фуллеренов С-60 и С-70. Радиопоглощающий материал...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482149
Дата охранного документа: 20.05.2013
20.05.2013
№216.012.417c

Комбинированный центробежно-шестеренный насос

Изобретение относится к области машиностроения и касается насосов, применяемых в маслосистемах авиационных газотурбинных двигателей для подачи и откачки масла. Насос содержит расположенные в расточках корпуса и находящиеся в зацеплении шестерни, у которых у ножек зубьев выполнены кольцевые...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482334
Дата охранного документа: 20.05.2013
20.05.2013
№216.012.41f9

Газотурбинный двигатель, способ испытания газотурбинного двигателя (варианты), способ производства партии газотурбинных двигателей (варианты), способ эксплуатации газотурбинного двигателя

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным двигателям типа газотурбинных, способам их испытания, опытного и промышленного производства и эксплуатации. В группе изобретений изложены способы испытаний ГТД. Испытания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482459
Дата охранного документа: 20.05.2013
27.05.2013
№216.012.4509

Способ комбинированного охлаждения теплонапряженных элементов (варианты)

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где возникает необходимость увеличения эффективности охлаждения теплонапряженных элементов, в частности к созданию и увеличению ресурса работы малоэмиссионных камер сгорания авиационных газотурбинных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483250
Дата охранного документа: 27.05.2013
+ добавить свой РИД