CC BY
0ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.438
СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПРОТИВОВРАЩЕНИЕМ С
ВНУТРЕННИМИ КОММУНИКАЦИЯМИ
Карпов Ф.В.,
Публичное акционерное общество «ОДК-Сатурн», Россия, 152903, г. Рыбинск, проспект Ленина, д. 163
Поткин А.Н., к.т.н. Публичное акционерное общество «ОДК-Сатурн», Россия, 152903, г. Рыбинск, проспект Ленина, д. 163
Немтырева И.А., к.т.н. Публичное акционерное общество «ОДК-Сатурн», Россия, 152903, г. Рыбинск, проспект Ленина, д. 163
LOW-PRESSURE TURBINE NOZZLE UNIT WITH COUNTERBALANCE WITH INTERNAL
COMMUNICATIONS
F. V. Karpov
UEC-Saturn,
Russia, 152903, Rybinsk, 163 Lenina St
A.N. Potkin
Candidate of Sciences (Engineering) UEC-Saturn,
Russia, 152903, Rybinsk, 163 Lenina St I.A. Nemtyreva,
Candidate of Sciences (Engineering) UEC-Saturn,
Russia, 152903, Rybinsk, 163 Lenina St
АННОТАЦИЯ
Представлена конструкция соплового аппарата турбины низкого давления с противовращением (турбина низкого давления вращается в сторону противоположную турбине высокого давления) с расположенными внутри него коммуникациями. Предложенная конструкция соплового аппарата позволяет повысить уровень эффективности турбины низкого давления за счет снижения потерь кинетической энергии в нем, так как сопловой аппарат в турбине с противовращением совершает меньший поворот потока по сравнению с сопловым аппаратом турбины спутного вращения, и одновременно может работать в качестве стойки с внутренними коммуникациями.
ABSTRACT
The design of the low-pressure turbine nozzle apparatus with anti-rotation is presented (the low-pressure turbine rotates towards the opposite of the high-pressure turbine) with communications located inside it. Proposed design of nozzle apparatus makes it possible to increase level of efficiency of low-pressure turbine due to reduction of kinetic energy losses in it, since nozzle apparatus in turbine with anti-rotation makes smaller turn of flow compared to nozzle apparatus of satellite rotation turbine, and at the same time can operate as rack with internal communications.
Ключевые слова: сопловой аппарат, турбина низкого давления, противовращение, потери кинетической энергии, коммуникации.
Keywords: nozzle, low-pressure turbine, anti-rotation, loss of kinetic energy, communication.
В представленной работе рассматривается конструкция соплового аппарата турбины низкого давления с противовращением с расположенными внутри него коммуникациями. Предлагаемая конструкция реализована в турбине низкого давления двигателя, на нее получен патент на полезную модель [1].
Из-за ограничений по массо-габаритным характеристикам проточная часть турбины выполнена без межтурбинного переходного канала между
турбиной низкого давления (ТНД) и силовой турбиной (СТ), и для прокладки коммуникаций и элементов опоры возникла необходимость в проектировании широкохордного соплового аппарата (СА) турбины низкого давления.
Предварительные расчеты показали, что при использовании в двигателе ТНД спутного вращения относительно турбины высокого давления (ТВД), СА ТНД имеет высокие потери кинетической энергии из-за большого поворота потока (~1__). вследствие чего получается более
низкий уровень эффективного коэффициента полезного действия (КПД) ТНД. ТНД с противовращением имеет более высокий КПД вследствие того, что СА совершает меньший
поворот потока (~1__) по сравнению с С А
турбины спутного вращения, и, следственно, имеет меньшие потери.
Рисунок 1 - Широкохордный сопловой аппарат в турбине низкого давления спутного вращения (а) и с
противовращением (б)
По результатам проектных работ получено, что в ТНД двигателя с противовращением расчетный уровень аэродинамической
эффективности на 2...3% выше, чем в ТНД со спутным вращением. При этом проложить коммуникации в сопловом аппарате турбины с противовращением является более сложной задачей по сравнению с классическими сопловым
аппаратом. Из-за меньшего поворота потока в межлопаточном канале профиль выполняется более тонким.
В практике проектирования турбин лопатки статора турбомашины иногда используют в качестве стойки с расположенными внутри нее коммуникациями. Примером реализации такой задачи является изобретение [2] (рисунок 2).
Рисунок 2 - Лопатка статора с волнообразным выступом на корыте
Здесь рассматривается лопатка статора турбомашины, содержащая перо с волнообразным выступом (утолщением) на корыте, причем волнообразный выступ расположен в прикорневой части пера, а его вершина расположена от входной кромки на расстоянии, составляющем 0,15-0,3 хорды пера.
Внутри лопатки (рисунок 2) проходят коммуникации 7. Чтобы обеспечить достаточное пространство для расположения коммуникации 7 в прикорневой части 4 пера 1 выполнен выступ 2. Выступ 2 выполнен волнообразным. Выполнение волнообразного выступа только в прикорневой части пера по мнению авторов изобретения позволяет снизить потери при обтекании профиля.
В нашем случае сложились особые условия для проектирования соплового аппарата турбины низкого давления. Как уже говорилось, лопатка статора должна быть выполнена с противовращением. С целью обеспечения требуемой пропускной способности ТНД потребовалось значительное раскрытие периферийной образующей проточной части (больше 300). Из-за большого угла раскрытия аксиальная площадь на входе в СА ТНД получилась равной площади горла этого соплового аппарата. То есть, работы расширения в СА не происходит, фактически он играет роль направляющего аппарата. На входе в сопловой
аппарат скорость газового потока составляет Х0~0.5. Аналогичная величина скорости и на выходе из СА Я,1~0.5. Конфузорность канала составила ~1.0, то есть аксиальная площадь на входе в сопловой аппарат 5акс была равна площади горла ^горла СА (или п • Бсрбх • Ь« / Ьвых • аг ~1.0). Межлопаточный же канал соплового аппарата турбины низкого давления спутного вращения является расширяющимся, что характерно для всех СА турбин, в которых осуществляется работа расширения рабочего тела.
Проложить коммуникации в СА турбины с противовращением является более сложной задачей по сравнение с классическими СА. Как уже говорилось, из-за меньшего поворота потока в межлопаточном канале профиль выполняется более тонким. Необходимо было выполнить широкохордный СА с увеличенной максимальной толщиной профиля в турбине с противовращением для прокладки коммуникаций и элементов опоры. Кроме того, утолщение должно было быть выполнено не волнообразно, а плавно от точки сопряжения с входной кромкой до линии горла, причем по всей поверхности пера по высоте лопатки.
В результате проектирования был разработан сопловой аппарат следующей конструкции (рисунок 3).
Рисунок 3 - Сопловой аппарат турбины низкого давления с противовращением с проложенными внутри
него коммуникациями
Между корпусами 1, 2 установлены полые лопатки 3. Каждая из лопаток 3 выполнена с увеличением максимальной толщины Стах поперечного сечения профиля пера 4. В программных средствах по профилированию лопаточных венцов отсутствует возможность сделать выпуклым не только спинку, но и корыто пера лопатки. Для достижения этого эффекта каждое сечение наращивалось в графическом комплексе UG со стороны корыта для увеличения максимально возможной в профиляторе толщины профиля до требуемой величины Стах.
Внутри полых лопаток 4 проходят коммуникации 5 (показаны условно), например системы масляных трубопроводов и элементы опоры.
Сопловой аппарат турбины работает следующим образом. Газовый поток поступает на вход 6 соплового аппарата, проходит через межлопаточный канал лопаток 3 и выходит на выходном участке соплового аппарата 7. Из-за большого угла раскрытия аксиальная площадь на входе в сопловой аппарат равна площади горла, и работы расширения в нем не происходит, фактически сопловой аппарат играет роль направляющего аппарата и эффективно перенаправляет газовый поток в рабочее колесо, в котором и происходит преобразование
потенциальной энергии в кинетическую энергию с минимальными потерями.
Таким образом, можно подытожить: предложенная конструкция соплового аппарата турбины позволяет повысить уровень КПД турбины низкого давления за счет снижения потерь кинетической энергии соплового аппарата турбины, так как сопловой аппарат в турбине с противовращением совершает меньший поворот потока по сравнению с сопловым аппаратом турбины спутного вращения, и одновременно может работать в качестве стойки с расположенными внутри нее коммуникациями. При этом согласно расчетам уровень аэродинамической эффективности турбины низкого давления с предложенной конструкцией соплового аппарата вырос на 2...3 % по сравнению с применением турбины низкого давления спутного вращения.
Список литературы
1. Заваркин В.Н., Карпов Ф.В., Немтырева И.А., Воронин А.Ю. Сопловой аппарат турбины // Патент РФ №219909. Патентообладатель ПАО «ОДК-Сатурн».
2. Анисимов Е.А., Мамаев Б.И. Лопатка статора турбомашины // Патент РФ №8Ш231964А1.
