ОХЛАЖДАЕМАЯ ТУРБИНА
COOLED TURBINE

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к охлаждению турбин авиационных газотурбинных двигателей.
Наиболее близкой к заявленной является охлаждаемая турбина, содержащая рабочее колесо с установленными на нем рабочими лопатками с двумя контурами охлаждения, последовательно соединенные с воздушными каналами в рабочем колесе, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами, образованными на поверхности рабочего колеса, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки и транзитными воздуховодами на их входе, сопловые лопатки, каждая из которых выполнена в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками, и пространства между ними, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке сопловой лопатки с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с воздушным коллектором и раздаточной полостью /RU №2387846, МПК F01D 5/18, опубликовано 27.04.2010 г./.
Недостатком известной охлаждаемой турбины является, во-первых, то, что транзит охлаждающего воздуха, подаваемого к рабочей лопатке турбины, не изолирован от воздействия горячего воздуха проточной части турбины, что при потребной для охлаждения рабочей лопатки турбины температуре охлаждающего воздуха требует дополнительного снижения температуры этого воздуха в теплообменнике. Во-вторых, охлаждение пера сопловой лопатки и транзит охлаждающего воздуха к рабочей лопатке турбины осуществляется совместно от одного источника охлаждающего воздуха, что исключает возможность использования автономного источника охлаждающего воздуха или использования воздуха, отбираемого от более низкой ступени компрессора, для охлаждения пера сопловой лопатки турбины, что приводит к ухудшению экономичности двигателя в целом.
Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения и экономичности турбины.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности охлаждения турбины, а также повышение экономичности турбины за счет понижения температуры газа перед турбиной и обеспечения оптимального расхода и температуры охлаждающего воздуха, подаваемого для охлаждения пера сопловой лопатки турбины.
Заявленный технический результат достигается тем, что охлаждаемую турбину, содержащую рабочее колесо с установленными на нем рабочими лопатками с двумя контурами охлаждения, последовательно соединенными с воздушными каналами в рабочем колесе, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами, образованными на поверхности рабочего колеса, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки и транзитными воздуховодами на их входе, сопловые лопатки, каждая из которых выполнена в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками, и пространства между ними, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке сопловой лопатки - с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с воздушным коллектором и раздаточной полостью, по предложению, охлаждаемую турбину снабжают раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха, охлаждающим дефлектором и двумя транзитными дефлекторами, установленными в раздаточной полости вдоль ее оси с зазором относительно друг друга и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов, охлаждающий дефлектор выполнен с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, установлен в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки и направлен стенками с перфорационными отверстиями в направлении вогнутой и выпуклой стенок пера сопловой лопатки, в верхней и нижней полках сопловой лопатки выполнены воздуховоды, соединенные на выходе с проточной частью турбины, раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха соединен с источником воздуха, с входом воздуховода верхней полки и с входом охлаждающего дефлектора, а вход воздуховода в нижней полке соединен с выходом охлаждающего дефлектора, при этом воздушный коллектор соединен с входом транзитных дефлекторов, а раздаточная полость соединена с проточной частью турбины.
Кроме того, раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха может быть соединен по меньшей мере с одной из ступеней компрессора.
Кроме того, охлаждающая турбина дополнительно может быть снабжена автономным источником воздуха, соединенным с раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха.
Кроме того, в зазоре между охлаждающим и транзитными дефлекторами могут быть выполнены направляющие элементы.
Кроме того, в охлаждающих каналах могут быть выполнены центрирующие элементы.
Кроме того, в стенках транзитных дефлекторов могут быть выполнены перфорационные отверстия.
Кроме того, на вогнутой и/или выпуклой стенках раздаточной полости могут быть выполнены перфорационные отверстия.
Снабжение охлаждаемой турбины раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха и охлаждающим дефлектором, выполненным с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, позволяет дополнительно охладить сопловую лопатку воздухом другого термодинамического уровня (по температуре и давлению), что приводит к понижению температуры газа перед турбиной и улучшает экономичность двигателя в целом.
Снабжение охлаждаемой турбины охлаждающим дефлектором и двумя транзитными дефлекторами, установка их в раздаточной полости вдоль ее оси с зазором относительно друг друга и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки, с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов, позволяет охлаждающему воздуху омывать внутренние поверхности пера сопловой лопатки, что, с одной стороны, создает более эффективное охлаждение пера самой лопатки, а с другой - изолирует транзитные дефлекторы от горячего воздуха проточной части, тем самым уменьшая подогрев охлаждающего воздуха, проходящего через транзитные дефлекторы, улучшая охлаждение рабочих лопаток турбины.
Установка охлаждающего дефлектора в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки и направление его стенками с перфорационными отверстиями в направлении вогнутой и выпуклой стенок пера сопловой лопатки позволяет задействовать наибольшую длину охлаждающего канала для прохождения охлаждающего воздуха и тем самым увеличивает эффективность охлаждения внутренних полостей пера сопловой лопатки.
Выполнение в верхней и нижней полках сопловой лопатки воздуховодов, соединенных на выходе с проточной частью турбины, а также соединение входа воздуховода верхней полки с раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха, а входа воздуховода в нижней полке с выходом охлаждающего дефлектора позволяет дополнительно улучшить охлаждение верхней и нижней полок за счет использования воздуха другого термодинамического уровня и обеспечения максимального перепада давлений на верхней и нижней полках.
Соединение раздаточного коллектора для охлаждающего воздуха с источником воздуха или с одной из ступеней компрессора позволяет обеспечить различную температуру и давление охлаждающего воздуха, а выбор в качестве источника воздуха автономного источника воздуха обеспечивает более комфортные условия по параметрам подаваемого охлаждающего воздуха, в частности существенно снижает температуру последнего.
Соединение воздушного коллектора с входом транзитных дефлекторов, а транзитных воздуховодов с выходом транзитных дефлекторов и сопловыми аппаратами закрутки, соединенными с кольцевыми диффузорными каналами, позволяет транспортировать к рабочей лопатке турбины более холодный воздух из теплообменника.
Соединение раздаточной полости с проточной частью турбины обеспечивает максимальный перепад давлений в охлаждаемых каналах, что повышает эффективность охлаждения внутренних полостей пера сопловой лопатки.
Выполнение в зазоре между охлаждающим и транзитными дефлекторами направляющих элементов обеспечивает фиксацию и облегчает установку охлаждающего и транзитных дефлекторов в раздаточной полости. Выполнение в охлаждающих каналах центрирующих элементов позволяет обеспечить гарантированный зазор и облегчает установку охлаждающего и транзитных дефлекторов в раздаточной полости при сборке сопловой лопатки.
Выполнение в стенках транзитных дефлекторов перфорационных отверстий улучшает эффективность охлаждения пера сопловой лопатки и позволяет ликвидировать места перегрева элементов пера сопловой лопатки.
Выполнение на вогнутой и/или выпуклой стенках пера сопловой лопатки перфорационных отверстий обеспечивает снижение температуры лопатки в зонах перегрева за счет образования завесы охлаждающего воздуха.
На фиг.1 показан продольный разрез охлаждаемой турбины;
на фиг.2 показано поперечное сечение сопловой лопатки;
на фиг.3 показано сечение А-А по сопловой лопатке;
на фиг.4 показано сечение Б-Б по сопловой лопатке;
на фиг.5 показано поперечное сечение сопловой лопатки с направляющими элементами и с перфорированными транзитными дефлекторами.
Охлаждаемая турбина содержит рабочее колесо 1 с установленными на нем рабочими лопатками 2 с двумя контурами охлаждения 3, последовательно соединенные с воздушными каналами 4 в рабочем колесе 1, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами 5, образованными на поверхности рабочего колеса 1, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки 6 и транзитными воздуховодами 7 на их входе.
Также охлаждаемая турбина содержит сопловые лопатки 8, каждая из которых выполнена в виде конструктивного элемента 9, ограниченного верхней 10 и нижней 11 полками, и пространства 12 между ними, ограниченного вогнутой 13 и выпуклой 14 стенками пера сопловой лопатки 8, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора 15 входной кромки и раздаточной полости 16.
Раздаточный коллектор 15 входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания 17, а на выходе через перфорационные отверстия 18 во входной кромке 19 сопловой лопатки 8 - с проточной частью 20 турбины.
Турбина снабжена теплообменником 21, соединенным на входе с воздушной полостью камеры сгорания 17, а на выходе последовательно сообщенным с воздушным коллектором 22 и раздаточной полостью 16.
Охлаждаемая турбина снабжена также раздаточным коллектором 23 для охлаждающего воздуха, охлаждающим дефлектором 24 и двумя транзитными дефлекторами 25, установленными в раздаточной полости 16 вдоль ее оси с зазором 26 относительно друг друга и с зазором между вогнутой 13 и выпуклой 14 стенками пера сопловой лопатки 8 с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов 27.
Охлаждающий дефлектор 24 выполнен с перфорационными отверстиями 28 на двух его противоположных стенках, установлен в раздаточной полости 16 на стенке 29 раздаточного коллектора 15 входной кромки и направлен стенками с перфорационными отверстиями 28 в направлении вогнутой 13 и выпуклой 14 стенок пера сопловой лопатки 8. В верхней 10 и нижней 11 полках сопловой лопатки 8 выполнены воздуховоды 30 и 31, соединенные на выходе с проточной частью 20 турбины.
Охлаждающая турбина снабжена также раздаточным коллектором 23 для охлаждающего воздуха, соединенным с источником 32 воздуха, с входом воздуховода 30 верхней полки 10 и с входом охлаждающего дефлектора 24. Вход воздуховода 31 в нижней полке 11 соединен с выходом охлаждающего дефлектора 24, при этом воздушный коллектор 22 соединен с входом транзитных дефлекторов 25, а транзитные воздуховоды 7 - с выходом транзитных дефлекторов 25 и сопловыми аппаратами закрутки 6, соединенными с независимыми кольцевыми диффузорными каналами 5. Раздаточная полость 16 соединена с проточной частью турбины 20.
Для охлаждаемой турбины возможны варианты выполнения, в соответствии с которыми:
1. В зазоре 26 между охлаждающим 24 и транзитными дефлекторами 25 могут быть выполнены направляющие элементы 33, а в охлаждающих каналах 27 - центрирующие элементы 34;
2. В стенках транзитных дефлекторов 25 могут быть выполнены перфорационные отверстия 35, а на вогнутой 13 и выпуклой 14 стенках раздаточной полости 16 - перфорационные отверстия 36.
Охлаждение турбины осуществляется следующим образом.
Воздух из раздаточного коллектора 23 для охлаждающего воздуха поступает, в первую очередь, в воздуховод 30 верхней полки 10 и далее в проточную часть 20 турбины, обеспечивая максимальный перепад давлений на верхней полке и тем самым улучшая эффективность ее охлаждения. Во вторую очередь, воздух поступает в охлаждающий дефлектор 24, расположенный в раздаточной полости 16, где он, с одной стороны, через перфорационные отверстия 28 на двух его противоположных стенках поступает в охлаждающие каналы 27, где происходит охлаждение внутренних поверхностей пера сопловой лопатки 8 и изолирование этим воздухом стенок транзитных дефлекторов 25. Далее этот воздух выдувается в проточную часть 20 турбины, что обеспечивает максимальный перепад давления и улучшение эффективности охлаждения внутренних полостей пера сопловой лопатки 8. С другой стороны, воздух транспортируется в воздуховод 31 нижней полки 11 и далее в проточную часть 20 турбины, что также обеспечивает максимальный перепад давлений и улучшение охлаждения нижней полки 11.
Воздух из воздушной камеры сгорания 17 поступает, с одной стороны, в раздаточный коллектор 15 входной кромки, где через перфорационные отверстия 18 во входной кромке 19 сопловой лопатки 8 выдувается в проточную часть 20 турбины. А с другой стороны, воздух поступает в теплообменник 21, где он охлаждается и поступает в воздушный коллектор 22. Из воздушного коллектора 22 воздух, через транзитные дефлекторы 25 в раздаточной полости 16, транзитные воздуховоды 7, сопловые аппараты закрутки 6 и независимые кольцевые диффузорные каналы 5 транспортируется в воздушные каналы 4 рабочего колеса 1 и распределяется в два контура охлаждения 3, обеспечивая требуемое температурное состояние рабочей лопатки 2, за счет использования более холодного воздуха, проходящего через теплообменник 21 и за счет меньшего подогрева охлаждающего воздуха, проходящего через транзитные дефлекторы 25.
Заявленное изобретение позволяет улучшить эффективность охлаждения, с одной стороны, пера сопловой лопатки, за счет прохождения охлаждающего воздуха по максимальной длине охлаждающих каналов внутри сопловой лопатки, используя максимальный перепад давления в тракте. С другой стороны, повышает эффективность охлаждения рабочей лопатки турбины за счет снижения температуры воздуха при его транспортировке через транзитные дефлекторы к сопловым аппаратам закрутки. Дополнительным эффектом является использование для обоих контуров охлаждения рабочей лопатки воздуха, проходящего через теплообменник.
Таким образом, применение изобретения позволяет увеличить ресурс и надежность двигателя, повысить экономичность турбины за счет охлаждения сопловой лопатки турбины воздухом другого термодинамического уровня (по температуре и давлению), что приводит к понижению температуры газа перед турбиной и обеспечивает оптимальный расход и температуру охлаждающего воздуха, подаваемого для охлаждения пера сопловой лопатки турбины.