Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя
COOLED TURBINE OF BYPASS GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области охлаждения турбореактивных двигателей, а именно к способам охлаждения рабочих колес высокотемпературных турбин многорежимных авиационных двигателей.
Известна охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая сопловой аппарат турбины с сопловыми лопатками, диск с рабочими лопатками, установленными в проточной части турбины, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, входная полость которого сообщена с источником охлаждающего воздуха, а выходная полость соединена, с одной стороны, через дополнительный аппарат закрутки статора, дополнительный безлопаточный диффузор и дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, а с другой стороны, через аппарат закрутки статора, безлопаточный диффузор и воздушные каналы с остальной полостью каждой рабочей лопатки (патент РФ №2387846, МПК F01D 5/18, опубл. 27.04.2010 г.).
Недостатком данного изобретения является то, что безлопаточный и дополнительный безлопаточный диффузоры соединены с диском турбины и находятся в поле центробежных сил. Это усложняет конструкцию крепления элементов безлопаточных диффузоров к диску турбины, снижает их запасы прочности и надежности, создает проблему уплотнения этих элементов с целью минимизации утечек охлаждающего воздуха в проточную часть турбины. Также для обеспечения требуемых запасов прочности и ресурса самих безлопаточных диффузоров требуется увеличить их массу, а следовательно, и массу самого диска турбины, что повышает металлоемкость конструкции и, следовательно, увеличиваются затраты на изготовление узлов турбины.
Задача изобретения - повышение эффективности производства двигателя.
Ожидаемый технический результат - снижение массы и металлоемкости конструкции узла турбины, упрощение технологии ее изготовления и сборки, повышение запасов прочности и ресурса двигателя при сохранении эффективности охлаждения рабочих лопаток турбины.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в охлаждаемой турбине двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащей сопловой аппарат турбины с сопловыми лопатками, диск с рабочими лопатками, установленными в проточной части турбины, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, входная полость которого сообщена с источником охлаждающего воздуха, а выходная полость соединена, с одной стороны, через дополнительный аппарат закрутки статора, дополнительный безлопаточный диффузор и дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, а с другой стороны, через аппарат закрутки статора, безлопаточный диффузор и воздушные каналы с остальной полостью каждой рабочей лопатки, согласно изобретению безлопаточный диффузор и дополнительный безлопаточный диффузор размещены на сопловом аппарате турбины и выполнены в виде каналов, входные полости которых соединены с аппаратом закрутки статора и дополнительным аппаратом закрутки статора соответственно, выходная полость канала дополнительного безлопаточного диффузора соединена через дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, а выходная полость канала безлопаточного диффузора соединена через воздушные каналы с остальной полостью каждой рабочей лопатки, при этом выходные полости каналов образуют между собой кольцевой зазор, оснащенный подвижным уплотнением, и отделены дополнительными подвижными уплотнениями от проточной части турбины и от полости, образованной аппаратом закрутки статора и диском с рабочими лопатками.
Размещение безлопаточного диффузора и дополнительного безлопаточного диффузора на сопловом аппарате турбины обеспечивает его неподвижность и отсутствие влияния центробежных сил диска. В этом случае упрощается технология крепления безлопаточных диффузоров, технология их производства, поскольку безлопаточные диффузоры возможно изготовить из листового материала, применяя более дешевые и простые операции. Снижается их масса, а следовательно, и всего узла турбины в целом.
Выполнение безлопаточного диффузора и дополнительного безлопаточного диффузора в виде каналов обеспечивает однозначность их геометрии и независимость подводов охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины.
Для безлопаточного диффузора известно, что максимальная степень повышения давления охлаждающего воздуха при его торможении в безлопаточном диффузоре реализуется до момента достижения равенства скорости охлаждающего воздуха и скорости диска турбины. В этом случае охлаждающий воздух входит в каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам с минимальными потерями и высоким давлением.
В случае, когда безлопаточные диффузоры неподвижны, это условие остается справедливым. Таким образом, в неподвижных безлопаточных диффузорах также обеспечивается повышение давления потока охлаждающего воздуха за вычетом потерь на трение о неподвижные стенки каналов.
Соединение входных полостей каналов с аппаратом закрутки статора и дополнительным аппаратом закрутки статора соответственно позволяет подать охлаждающий воздух в безлопаточный диффузор и дополнительный безлопаточный диффузор с более низкой температурой, чем в источнике охлаждающего воздуха, поскольку воздух выходит из выходных каналов аппаратов закрутки статора с большой скоростью, что обеспечивает снижение его температуры.
Соединение выходной полости канала дополнительного безлопаточного диффузора через дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, а выходной полости канала безлопаточного диффузора через воздушные каналы с остальной полостью каждой рабочей лопатки обеспечивает независимое охлаждение как теплонапряженной входной кромки, так и задней и выходной кромки рабочей лопатки турбины, а образование между выходными полостями каналов кольцевого зазора, оснащенного подвижным уплотнением, позволяет более точно разделить потоки охлаждающего воздуха во внутреннюю полость, примыкающую к входной кромке, и остальную полость рабочей лопатки, что также обеспечивает независимость и автономность подводов.
Отделение выходных полостей каналов дополнительными подвижными уплотнениями от проточной части турбины и от полости, образованной аппаратом закрутки статора и диском с рабочими лопатками, обеспечивает минимальные утечки охлаждающего воздуха.
На чертеже показан продольный разрез охлаждаемой турбины.
Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя содержит сопловой аппарат турбины 1 с сопловыми лопатками 2, диск 3 с рабочими лопатками 4, установленными в проточной части турбины 5, многоканальный воздуховод 6, проходящий через внутренние полости 7 сопловых лопаток 2.
Входная полость 8 многоканального воздуховода 6 сообщена с источником охлаждающего воздуха 9, а выходная полость 10 соединена, с одной стороны, через дополнительный аппарат закрутки статора 11, дополнительный безлопаточный диффузор 12 и дополнительные воздушные каналы 13 с внутренней полостью 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15, а с другой стороны, через аппарат закрутки статора 16, безлопаточный диффузор 17 и воздушные каналы 18 с остальной полостью 19 каждой рабочей лопатки 4.
Безлопаточный диффузор 17 и дополнительный безлопаточный диффузор 12 размещены на сопловом аппарате турбины 1 и выполнены в виде каналов 20 и 21, входные полости 22 и 23 которых соединены с аппаратом закрутки статора 16 и дополнительным аппаратом закрутки статора 11 соответственно.
Выходная полость 24 канала 21 дополнительного безлопаточного диффузора 12 соединена через дополнительные воздушные каналы 13 с внутренней полостью 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15, а выходная полость 25 канала 20 безлопаточного диффузора 17 соединена через воздушные каналы 18 с остальной полостью 19 каждой рабочей лопатки 4.
Выходные полости 24 и 25 каналов 21 и 20 образуют между собой кольцевой зазор 26, оснащенный подвижным уплотнением 27, а также отделены дополнительными подвижными уплотнениями 28 и 29 от проточной части турбины 5 и от полости 30, образованной аппаратом закрутки статора 16 и диском 3 с рабочими лопатками 4.
Охлаждение турбины осуществляется следующим образом.
Воздух от источника охлаждающего воздуха 9 поступает во входную полость 8 многоканального воздуховода 6, проходящего через внутренние полости 7 сопловых лопаток 2, на выходе 10 из которого часть потока охлаждающего воздуха направляется в аппарат закрутки статора 16, а часть в дополнительный аппарат закрутки статора 11. Распределение расходов охлаждающего воздуха зависит от площади проходных сечений аппаратов закрутки статора и определяется на стадии проектировочного расчета.
Воздух, выходящий из дополнительного аппарата закрутки статора 11 с температурой, более низкой, чем на входе за счет разгона потока охлаждающего воздуха в нем, направляется по неподвижному каналу 21 дополнительного безлопаточного диффузора 12, где происходит торможение потока охлаждающего воздуха с повышением его давления за вычетом потерь на трение о неподвижные стенки канала 21. Далее воздух с высоким давлением через дополнительные воздушные каналы 13 устремляется во внутреннюю полость 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15, и обеспечивает охлаждение теплонапряженной входной кромки 15.
Одновременно воздух, выходящий из аппарата закрутки статора 16 также с более низкой температурой, чем на входе, поступает в неподвижный безлопаточный диффузор 17, где в результате торможения потока повышается давление на выходе из безлопаточного диффузора 17 и воздух устремляется через воздушные каналы 18 в остальную часть 19 каждой рабочей лопатки 4, где происходит охлаждение выходной кромки и задней части рабочей лопатки турбины.
Через подвижные уплотнения 28 и 29 небольшая часть воздуха поступает в проточную часть турбины 5 и в полость 30, образованную аппаратом закрутки статора 16 и диском 3 с рабочими лопатками 4.
Также происходит перетечка воздуха в кольцевом зазоре 26 между безлопаточными диффузорами 17 и 12 через подвижное уплотнение 27.
Реализация данного изобретения позволяет снизить затраты на изготовление и сборку элементов конструкции узла турбины за счет снижения массы деталей и металлоемкости конструкции, упрощения технологии крепления и сборки узла турбины, повышение запасов прочности и ресурса двигателя в целом при сохранении эффективности охлаждения рабочих лопаток турбины.