ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТУРБИН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С БАНДАЖНОЙ ПОЛКОЙ

Ле Тиен Зыонг¹, Нестеренко В.Г.²

¹Аспирант, ²кандидат технических наук

Московский авиационный институт

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТУРБИН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С БАНДАЖНОЙ ПОЛКОЙ

Аннотация

На основании результатов проведенных исследований, двухмерных и трехмерных расчетов теплонапряженного состояния бандажированных лопаток ТВД, сформулированы рекомендации по их оптимальному проектированию. Особенно актуально проведенное исследование для современных высокотемпературных ТВД, в которых бандажные полки на рабочих лопатках турбин практически не применяются. Показано, что при эффективной системе конвективно-плёночного охлаждения критичных участков пера лопатки и самой полки её можно установить на лопатках ТВД, тем самым обеспечив повышение КПД и уровня её надёжности и ресурса.

Ключевые слова: рабочая лопатка, бандажная полка, турбина высокого давления, температура, напряжение, пленочное охлаждение.

Le Tien Ziong¹, Nesterenko V.G.²

¹Postgraduate student, ²PhD in Engineering

Moscow Aviation Institute

FEATURES OF DESIGN OF COOLED BLADES OF HIGH-TEMPERATURE HIGH-PRESSURE TURBINES WITH PLATFORMS

Abstract

The recommendations on the optimal design of shrouded blades of a turbo-propeller engine are formulated based on the results of the conducted studies with two-dimensional and three-dimensional calculations of the heat-stressed state of shrouded turbo-propeller engine blades. This study is particularly relevant for modern high-temperature turbo-propeller engines, in which platforms on turbine blades are practically not used. It is shown that with an effective system of convective-film cooling of critical sections of the blade airfoil and the shelf itself, it can be installed on the blades of turbo-propeller engines, thereby ensuring an increase in efficiency and the level of its reliability and life cycle.

Keywords: working blade, platform, high pressure turbine, temperature, strain, film cooling.

Актуальность данной работы состоит в том, что в охлаждаемых лопатках ТВД имеются высокие дополнительные потери энергии газа, связанные с необходимостью утолщения профильной части лопаток из-за размещения каналов охлаждения. Как известно, постановка бандажной полки позволяет уменьшить концевые гидравлические потери из-за потерь энергии газа при его перетекании в радиальном зазоре с корыта на спинку профиля. Установка бандажных полок исключает эти перетекания [1]. Однако, появляются новые, так называемые вторичные потери энергии газа, связанные с перетечками газа на нижней стороне полки с корыта на спинку профиля [2].

Кроме того, появляются дополнительные напряжения растяжения в несущей части лопатки от действия центробежных сил, связанных с постановкой самой полки [3]. Поэтому при установке бандажной полки одновременно надо решить две дополнительные задачи. Первая заключается в том, что надо обеспечить прочность самой полки от действия изгибных напряжений, для чего места её заделки на корыте и спинки профильной части лопатки, на её периферии, необходимо интенсивно охлаждать[4], [5]. Кроме того, необходимо исключить наличие перегревов всех частей полки от действия температуры газа, омывающую её внутреннюю и наружную сторону, что особенно сложно обеспечить на концах гребней лабиринтных уплотнений.

Рис. 1 а) и в) - лопатки без бандажной полки и с бандажной полкой;

б) зависимость потери КПД ступени турбин от величины относительного радиального зазора для бандажированных и не бандажированных лопаток;

  - относительный радиальный зазор (%); Δη - потери КПД ступени (%)

Саму несущую часть лопатки также требуется дополнительно охлаждать, применить более эффективное теплозащитное покрытие или более высокопрочный материал лопатки с целью компенсации повышенных напряжений, возникающих в критическом сечении пера лопатки вследствие установки бандажной полки [6, 7, 8]. Все эти задачи рассмотрены в данной работе и сформулированы рекомендации, которые способствуют применению бандажной полки на вновь проектируемых лопатках высокотемпературных ТВД. Ниже, на рис. 1(б) представлены данные по сравнительной эффективности бандажированных [9], рис. 1(а) не бандажированных, рис. 1(в) бандажированных лопаток ТВД.

Лопатка с бандажной полкой, показанная на рис. 1(в), имеет охлаждаемое перо и, по существу, не охлаждаемую бандажную полку. Через полку осуществляется выход воздуха, охлаждающего профильную часть пера лопатки. При установке бандажной полки на перо лопаток современных высокотемпературных турбин её также необходимо охлаждать, используя как конвективную, так и плёночную системы охлаждения, в зависимости от уровня температуры поверхности полки. Таким образом, в современных высокотемпературных ТВД бандажные полки также должны охлаждаться, аналогично тому, как охлаждается профильная часть пера лопатки, омываемая горячим газом. Охлаждение бандажной полки струями холодного воздуха, направляемыми из объема корпуса через «плавающую» ставку, расположенную над кромками пера лопатки не целесообразно, поскольку для этих целей требуется большое количество охлаждающего воздуха, а её эффективность низкая.

Кривые 1-а и 1- б рисунка 1 относятся к не бандажированным лопаткам турбин. При этом, верхняя кривая 1-б относится к лопаткам, у которых внедрены мероприятия по снижению величины перетекания газа в радиальном зазоре. Например, когда лопатка в радиальном направлении выполняется S-образной, с наклоном на спинку профиля, увеличивается давление газа на спинке профиля и уменьшается градиент давления и перетекание газа в радиальном зазоре. Таким образом спроектирована лопатка ТВД ТРДД SAM 146 (рис. 2).

Рис. 2 – Рабочая лопатка ТВД ТРДД SAM 146 с наклоненной S-образной профильной частью пера

Другая задача, связанная с установкой бандажной полки, относится к увеличению центробежной нагрузки на перо лопатки, что может быть недопустимо в критическом сечении пера лопатки, где возникает минимальный запас прочности [10]. Обычно это сечение находится на расстоянии, примерно равном одной трети от высоты пера в нижней части лопатки. На рис. 3 показано распределение напряжений растяжений от действия центробежных сил на режиме «максимал» - Н = 0, М = 0, по высоте охлаждаемой лопатки турбины, геометрия которой близка к реальной лопатке ТРДДф РД 33, при отсутствии бандажной полки и при её наличии. Как видно из приведенного примера, уровень напряжений по высоте этой лопатки увеличивается значительно. Следует обратить внимание на то, что в сечении пера лопатки, на высоте 15 мм от корня, рост этих напряжений составил значительную величину, примерно 70 % от исходного значения. Очевидно, что эту часть лопатки необходимо более существенно охлаждать, например, ввести плёночное или щелевое охлаждение. Что касается остальных частей лопатки, находящихся сверху и снизу от критического, то эти области допускают какое-то увеличения напряжений растяжения, т.е. проектируемую лопатку можно сделать более равнопрочной, имеющую допустимую величину запаса прочности по всей её высоте.

Рис. 3 – Напряжение растяжения по высоте лопаток турбин

На рис. 4 показаны различные конфигурации охлаждаемых лопаток рабочего колеса ТВД, интенсивность охлаждения которых зависит также от используемого расхода охлаждающего воздуха. В настоящее время

Другим способом является увеличение расхода охлаждающего воздуха. Однако конструктивно предельная величина охлаждающего воздуха ограничивается размерами корневых сечений рабочей лопатки ТВД.

Рис. 4 – Эффективность охлаждения рабочих лопаток высокотемпературных ТВД

Рис. 5 – Полочные лопатки ТВД с конвективно плёночным охлаждением профильной части пера и полки, отличающиеся местоположением каналов входа и выхода охлаждающего воздуха

 

На рис. 5 показаны две лопатки, в которых дополнительный подвод охлаждающего воздуха осуществляется через торец замка и боковые каналы, выполненные на переходной полке, рис. 5(а). На рис. 5(б) охлаждающий воздух подводится через дополнительный канал, выполненный на переднем торце замка.

Сложной и ответственной технической задачей является обеспечение прочности самой бандажной полки, устанавливаемой на торце лопатки ТВД. Полка требует охлаждения. Наиболее эффективно пленочное охлаждение, осуществляемое в месте полки, где возникают максимальные напряжения. Для этого охлаждающий воздух должен выходить не в перпендикулярном направлении относительно бандажной полке, а «омывать» ее поверхность, т.е. необходимо конструктивно обеспечить ее пленочное охлаждение. Максимальные напряжения бандажной полки возникают в переходной части от пера лопатки к полке. Там возникают изгибные напряжения, которые зависят от объема полки, расположенной со стороны корыта или спинки профиля лопатки.

Рис. 6 – Изгиб бандажной полки рабочей лопатки турбин от действий центробежных сил

На рис. 6 показано поперечное сечение бандажной полки и приложенные центробежные силы, имеющиеся со стороны корыта и спинки профиля, которые создают изгибающие напряжения, максимальные в переходной части пера лопатки к бандажной полке. Именно в этом месте необходимо иметь минимальную температуру металла, с учетом того, что на вогнутой стороне всегда температуры газа выше чем на его выпуклой стороне. Поэтому бандажная полка с вогнутой стороны профильной поверхности пера лопатки должна иметь максимальное охлаждение. Кроме того сама форма бандажной полки должна быть таковой, чтобы на горячей стороне полки имела место минимальная центробежная сила, зависящая от того как эта полка спроектирована.

На рис. 7 представлены варианты проектирования бандажной полки лопатки ТВД, отличающиеся массы полки, расположенной со стороны корыта и спинки профиля, а также местоположения контактной поверхности, по которым индивидуальные лопатки соединяются в не разрывное кольцо, имитирующего «заделку» балки и снижающую уровень вибрации лопаточного аппарата. Показаны выходные отверстия каналов конвективного охлаждения полки, через которые охлаждающий воздух выходит на критичные поверхности бандажной полки и обеспечивает ее работоспособность.

Действующий уровень напряжения и запас прочности по описанной выше методике могут обеспечить возможность использования бандажных полок в лопатках ТВД современных и перспективных ГТД.

На рис. 8 показаны разновидности бандажных полок охлаждаемых рабочих лопаток ТВД, где на рис. 8(а) показана полная полка, обеспечивающая одновременно контакт лопаток между собой и полное перекрытие радиального зазора между ротором со статором ГТД. На рис. 8(б), эта полка облегчена, она имеет вырезы со стороны корыта и спинки пера лопатки, поэтому эта бандажная полка не в полном мере перекрытие радиального зазора.

Рис. 7 – а) Разновидности бандажной полки, отличающиеся: площадью поверхности и массой полки со стороны корыта и спинки (1); 2 – профиль периферийного сечения рабочей лопатки турбины; 3- контактные поверхности сопрягаемых полок; t – шаг между профилями периферийного сечения пера лопатки; Р₂ и Р₁ – силы; а₂ – горло решётки; 4 - профиль лопатки; б) и в) варианты расчетов температурного состояния бандажной полки и подполочного сечения пера лопатки со стороны корыта и спинки бандажированной лопатки ТВД

На фигуре 8(в) показана лопатка с интенсивным охлаждением, однако ее бандажная полка сокращена до минимума, остался не большой кусочек полки, разделяющий вогнутую и выпуклую сторону профильной поверхности лопатки, и тем сам несколько уменьшающий количества газа, перетекающего через открытый радиальный зазор. Как мы видим, гребней лабиринтного уплотнения на этой полке нет, поэтому ее уплотняющая способность уменьшается.

Рис. 8 – Разновидности бандажных полок рабочих лопаток ТВД а) полная бандажная полка; б) частичная облегченная бандажная полка; в) частичная бандажная полка, не имеющая соединения с соседними лопатками, предназначенная для снижения перетекания в радиальном зазоре

Выводы и рекомендации:

Рассмотренные примеры проектирования и результаты вариантных расчетов по оптимизации системы охлаждения и конфигурации бандажных полок роторных лопаток ТВД показали, что бандажная полка в ряде случаев может быть установлена в полном или не полном виде на этих лопатках, в результате чего повышается уровень КПД, надежности и ресурса проектируемой ТВД.

Список литературы/ References

1. Вьюнов С. А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей / С. А. Вьюнов, Ю .И. Гусев, А. В. Карпов и др.; под общ. ред. д-ра техн. наук Хронина Д. В. – М.: Машиностроение, 1989, 368 с.
2. Иноземцев А. А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник для ВУЗов. В 5 т. Т. 2. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства / А. А. Иноземцев, М. А. Нихамкин, В. Л. Сандрацкий. – М.: Машиностроение, 2008. – 365 с.
3. Крюков А. И. Некоторые вопросы проектирования ГТД / А.И. Крюков. – М.: МАИ. 1993. – 336 с.
4. Ле Т. З. Методы обеспечения конструкционной прочности бандажных полок и оптимизации числа охлаждаемых лопаток высокотемпературных турбин газогенераторов современных авиационных двигателей / Т. З. Ле, В. Г. Нестеренко // Сборник Научно-технической конференции. – Т. 2. – Рыбинск: РГАТУ имени П. А. Соловьева. 2015. С. 77–80.
5. Ле Т. З. Оптимизация системы конвективно-плёночного охлаждения бандажных полок рабочих лопаток высокотемпературных ТВД / Т. З. Ле, В. Г. Нестеренко // Сборник тезисов Международной конференции «Авиация и космонавтика». – М.: МАИ. 2016. С. 302–303.
6. Ле Т. З. Конструктивное совершенствование критичных узлов и деталей современных и перспективных авиационных двигателей летательных аппаратов / Т. З. Ле, В. И. Богданович, Ревант Редди Аббаварам // Сборник тезисов докладов Международной конференции «Гагаринские чтения». Т. 3. – М.: МАИ. 2016. – С. 50–51.
7. Ле Т. З. Методика проектирования профильной части бандажированных лопаток ротора турбины высокого давления ГТД / Т. З. Ле, В. Г. Нестеренко // Научно-технический вестник Поволжья. – 2017. – №4. – С. 54–57.
8. Матушкин А. А. Методика проектирования рабочей лопатки турбины высокого давления ГТД с щелевым охлаждением / А. А. Матушкин, В. Г. Нестеренко // Научно-технический вестник Поволжья. – 2012. – № 6. – С. 307–310.
9. Bunker R. P. Axial turbine blade tips: Function, design, durability/ R. S Bunker// Journal of propulsion and power. – 2006. – Vol. 22. – № 2. – P. 271-285.
10. Манушин Э. А. Конструирование и расчет на прочности турбомашин газотурбинных и комбинированных установок / Э. А Манушин, И. Г. Суровцев. – М.: Машиностроение, 1990. – 400 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. V'junov P. A. Konstrukcija i proektirovanie aviacionnyh gazoturbinnyh dvigatelej [The construction and design of aircraft gas turbine engines] / P. A. V'junov, Ju .I. Gusev, A. V. Karpov andothers; edited by PhD in Engineering Hronina D. V. – M.: Mashinostroenie, 1989, 368 p. [in Russian]
2. Inozemcev A. A. Osnovy konstruirovanija aviacionnyh dvigatelej i jenergeticheskih ustanovok: Uchebnik dlja VUZov. V 5 t. T. 2. Kompressory. Kamery sgoranija. Forsazhnye kamery. Turbiny. Vyhodnye ustrojstva [Design principles of aircraft engines and power plants: Textbook for High Schools. In 5 vol. Vol. 2. Compressors. Combustion chambers. Afterburners. Turbines. Output Devices] / A. A. Inozemcev, M. A. Nihamkin, V. L. Sandrackij. – M.: Mashinostroenie, 2008. – 365 p. [in Russian]
3. Krjukov A. I. Nekotorye voprosy proektirovanija GTD [Some questions about designing a GTE] / A.I. Krjukov. – M.: MAI. 1993. – 336 p. [in Russian]
4. Le T. D. Metody obespechenija konstrukcionnoj prochnosti bandazhnyh polok i optimizacii chisla ohlazhdaemyh lopatok vysokotemperaturnyh turbin gazogeneratorov sovremennyh aviacionnyh dvigatelej [Methods for ensuring the structural strength of the shrouds and optimizing the number of cooled blades in high-temperature turbines of gas generators used in modern aircraft engines] / T. D. Le, V. G. Nesterenko // Sbornik Nauchno-tehnicheskoj konferencii. – T. 2. – Rybinsk: RGATU imeni P. A. Solov'eva [Collection of the Scientific and Technical Conference. - Vol. 2. - Rybinsk: Rybinsk State Aviation Technical University]. 2015. pp. 77–80. [in Russian]
5. Le T. D. Optimizacija sistemy konvektivno-pljonochnogo ohlazhdenija bandazhnyh polok rabochih lopatok vysokotemperaturnyh TVD [Optimization of convective-film cooling system of the turbine blade shroud of the high-temperature HPT] / T. D. Le, V. G. Nesterenko // Sbornik tezisov Mezhdunarodnoj konferencii «Aviacija i kosmonavtika» [Proceedings of the International Conference "Aviation and Cosmonautics"].  – M.: MAI. 2016. pp. 302–303. [in Russian]
6. Le T. D. Konstruktivnoe sovershenstvovanie kritichnyh uzlov i detalej sovremennyh i perspektivnyh aviacionnyh dvigatelej letatel'nyh apparatov [Improvements in construction of critical units and parts of modern and future aviation aircraft engines] / T. D. Le, V. I. Bogdanovich, Revant Reddi Abbavaram // Sbornik tezisov dokladov Mezhdunarodnoj konferencii «Gagarinskie chtenija» [Proceedings of the International Conference "Gagarin Readings"]. V. 3. – M.: MAI. 2016. – pp. 50–51. [in Russian]
7. Le T. D. Metodika proektirovanija profil'noj chasti bandazhirovannyh lopatok rotora turbiny vysokogo davlenija GTD [Design methodology of the shrouded blade profile of the high-pressure turbine rotors of a gas turbine engine] / T. D. Le, V. G. Nesterenko // Nauchno-tehnicheskij vestnik Povolzh'ja [Scientific and Technical Volga Region Bulletin]. – 2017. – № 4. – P. 54–57. [in Russian]
8. Matushkin A. A. Metodika proektirovanija rabochej lopatki turbiny vysokogo davlenija GTD s shhelevym ohlazhdeniem [Method of designing the blades of high-pressure turbines of a GTE with slot cooling] / A. A. Matushkin, V. G. Nesterenko // Nauchno-tehnicheskij vestnik Povolzh'ja [Scientific and Technical Volga Region Bulletin]. – 2012. – № 6. – P. 307–310. [in Russian]
9. Bunker R. P. Axial turbine blade tips: Function, design, durability / R. S Bunker // Journal of propulsion and power. – 2006. – Vol.22. – № 2. – P. 271-285.
10. Manushin Je. A. Konstruirovanie i raschet na prochnosti turbomashin gazoturbinnyh i kombinirovannyh ustanovok [Design and calculation of the strength characteristics of turbo machines like gas turbine and combined power plants] / Je. A Manushin, I. G. Surovcev. – M.: Mashinostroenie, 1990. – 400 p. [in Russian]