Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя
COOLED TURBINE OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к системам охлаждения турбин газотурбинных двигателей.
Известна охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, содержащая сопловые лопатки, аэродинамический профиль каждой из которых выполнен в виде конструктивного элемента, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками лопатки, включающие входную кромку, выходную кромку с каналами охлаждения выходной кромки и внутреннюю разделительную перегородку, разделяющую внутренний объем профильной части лопатки на переднюю и заднюю полости, снабженные дефлекторами, каждый из которых образует вдоль вогнутой и выпуклой стенок лопатки внутренние каналы охлаждения, при этом дефлектор передней полости лопатки установлен в ней с образованием двух полостей подвода охладителя, верхняя из которых выполнена сообщенной с отверстиями пленочного охлаждения входной кромки лопатки, а нижняя полость подвода охладителя сообщена с внутренними каналами охлаждения стенок передней полости лопатки и отверстиями пленочного охлаждения последних, в дефлекторе задней полости лопатки расположена задняя полость подвода охладителя и выполнены перфорационные отверстия, сообщенные с внутренними каналами охлаждения задней полости, причем верхняя и нижняя полости подвода охладителя и задняя полость лопатки выполнены сообщенными с проточной частью турбины и с, по меньшей мере, одним источником охладителя (см. патент RU №2686430, МПК F01D 5/18, опубл. 25.04.2019 г.).
Недостатком известного решения является то, что охлаждение самой теплонапряженной части лопатки - выходной кромки - осуществляется максимально нагретым охладителем, который предварительно охлаждает всю заднюю полость лопатки. В связи с этим увеличивается вероятность перегрева выходной кромки лопатки, что приводит к снижению надежности и ресурса лопатки и турбины в целом. Для устранения указанного перегрева выходной кромки необходимо увеличить расход теплоносителя, что приведет к снижению экономичности охлаждения лопатки и, как следствие, турбины в целом.
Задача изобретения - повышение экономичности и надежности турбины и, как следствие, двигателя в целом.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в снижении расхода охладителя за счет более полного использования хладоресурса охладителя и, как следствие, повышении эффективности охлаждения сопловых лопаток турбины и турбины в целом.
Технический результат достигается тем, что в охлаждаемой турбине газотурбинного двигателя, содержащей сопловые лопатки, аэродинамический профиль каждой из которых выполнен в виде конструктивного элемента, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками лопатки, включающие входную кромку, выходную кромку с каналами охлаждения выходной кромки и внутреннюю разделительную перегородку, разделяющую внутренний объем профильной части лопатки на переднюю и заднюю полости, снабженные дефлекторами, каждый из которых образует вдоль вогнутой и выпуклой стенок лопатки внутренние каналы охлаждения, при этом дефлектор передней полости лопатки установлен в ней с образованием двух полостей подвода охладителя, верхняя из которых выполнена сообщенной с отверстиями пленочного охлаждения входной кромки лопатки, а нижняя полость подвода охладителя сообщена с внутренними каналами охлаждения стенок передней полости лопатки и отверстиями пленочного охлаждения последних, в дефлекторе задней полости лопатки расположена задняя полость подвода охладителя и выполнены перфорационные отверстия, сообщенные с внутренними каналами охлаждения задней полости, причем верхняя и нижняя полости подвода охладителя и задняя полость лопатки выполнены сообщенными с проточной частью турбины и с, по меньшей мере, одним источником охладителя, каждая лопатка содержит соединительный канал, образуемый дефлектором задней полости лопатки вдоль внутренней разделительной перегородки, снабженной, по меньшей мере, одним рядом перепускных отверстий, в концевой части дефлектора задней полости выполнена система выходных щелей, обращенных к выходной кромке лопатки, при этом задняя полость подвода охладителя сообщена с проточной частью турбины, с одной стороны, через перфорационные отверстия и систему выходных щелей в дефлекторе задней полости и каналы охлаждения выходной кромки лопатки, а с другой стороны последовательно через сообщенные друг с другом посредством соединительного канала внутренние каналы охлаждения стенок задней полости лопатки, по меньшей мере, один ряд перепускных отверстий во внутренней разделительной перегородке, сообщенных с внутренним каналом охлаждения выпуклой стенки передней полости лопатки, и через отверстия пленочного охлаждения последней.
Существенные признаки могут иметь развитие и дополнение.
Каждая лопатка снабжена перепускным каналом, размещенным в передней полости лопатки, и сообщенным через, по меньшей мере, один ряд перепускных отверстий во внутренней разделительной перегородке с соединительным каналом, с внутренним каналом охлаждения и отверстиями пленочного охлаждения вогнутой стенки передней полости лопатки.
Наличие соединительного канала, образуемого дефлектором задней полости лопатки вдоль внутренней разделительной перегородки, снабженной, по меньшей мере, одним рядом перепускных отверстий, а также сообщение внутренних каналов охлаждения стенок задней полости лопатки друг с другом посредством соединительного канала и с внутренним каналом охлаждения выпуклой стенки передней полости лопатки через, по меньшей мере, один ряд перепускных отверстий в разделительной перегородке, позволяет в большей части задней полости и на выпуклой стенке передней полости лопатки реализовать противоточную схему течения охладителя, при которой направление течения охладителя противоположно направлению течения наружного газа, что является благоприятным фактором для достижения эффективного охлаждения выпуклой и части вогнутой стенок лопатки, а в сочетании с тем, что охладитель, охладивший часть выпуклой и часть вогнутой стенки профиля задней полости лопатки, после прохождения перепускных отверстий в разделительной перегородке поступает в отверстия пленочного охлаждения в выпуклой стенке передней полости лопатки и создает пленочное охлаждение указанной стенки, обеспечивается эффективное комбинированное конвективно-пленочное охлаждение лопатки. Таким образом, осуществляется более полное использование хладоресурса охладителя и, в результате, увеличение общей эффективности охлаждения лопатки.
Снабжение лопаток системой выходных щелей, расположенных в концевой части дефлектора задней полости и обращенных к выходной кромке лопатки в дополнение к перфорационным отверстиям в дефлекторе задней полости, а также их сообщение с каналами охлаждения выходной кромки позволяет подавать для охлаждения выходной кромки лопатки охладитель непосредственно из задней полости подвода охладителя, не имеющий предшествующего подогрева, что существенно увеличивает эффективность внутреннего конвективного охлаждения одного из наиболее теплонапряженных участков профиля - выходной кромки, а также позволяет увеличить проходную площадь выхода охладителя из задней полости подвода охладителя, благодаря чему уменьшаются гидравлические потери давления охладителя и, в результате, повышается эффективность внутреннего конвективного охлаждения.
Снабжение лопаток перепускным каналом, размещенным в передней полости лопатки, и сообщенным через, по меньшей мере, один ряд перепускных отверстий во внутренней разделительной перегородке с соединительным каналом, а также с внутренним каналом охлаждения и отверстиями пленочного охлаждения вогнутой стенки передней полости лопатки позволяет при сохранении полного расхода охладителя в отверстия пленочного охлаждения на вогнутой стенке передней полости лопатки подавать в указанные отверстия часть охладителя, прошедшего через перепускные отверстия во внутренней разделительной перегородке и благодаря этому, по меньшей мере, частично заменить расход охладителя, поступающего через нижнюю полость подвода охладителя к указанным отверстиям пленочного охлаждения на вогнутой стенке передней полости лопатки. В результате этого может быть достигнуто снижение общего расхода охладителя на лопатку и, как следствие, повышение экономичности турбины и двигателя в целом.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлены:
на фиг. 1 - продольный разрез охлаждаемой турбины;
на фиг. 2 - сечение А-А сопловой лопатки;
на фиг. 3 - сечение А-А сопловой лопатки с перепускным каналом.
Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя (фиг. 1) содержит ротор и статорные элементы с сопловыми лопатками 1 (фиг. 2). Аэродинамический профиль каждой из сопловых лопаток 1 выполнен в виде конструктивного элемента, ограниченного вогнутой 2 и выпуклой 3 стенками лопатки 1. Сопловые лопатки 1 включают входную кромку 4, выходную кромку 5 с каналами 6 охлаждения выходной кромки 5 и внутреннюю разделительную перегородку 7, разделяющую внутренний объем профильной части лопатки 1 на переднюю 8 и заднюю 9 полости, снабженные дефлекторами 10 и 11, каждый из которых образует вдоль вогнутой 2 и выпуклой 3 стенок лопатки 1 соответственно внутренние каналы 12, 13 охлаждения передней полости 8, и внутренние каналы 14, 15 охлаждения задней полости 9.
Дефлектор 10 передней полости 8 лопатки 1 установлен в ней с образованием двух полостей 16, 17 подвода охладителя. Верхняя полость 16 подвода охладителя выполнена сообщенной с отверстиями 18 пленочного охлаждения входной кромки 4 лопатки 1, а нижняя полость 17 подвода охладителя сообщена с внутренними каналами 12, 13 охлаждения передней полости 8 лопатки 1 и отверстиями 19, 20 пленочного охлаждения.
В дефлекторе 11 задней полости 9 лопатки 1 расположена задняя полость 21 подвода охладителя и выполнены перфорационные отверстия 22, сообщенные с внутренними каналами 14, 15 охлаждения задней полости 9.
Верхняя и нижняя полости 16, 17 подвода охладителя, а также задняя полость 21 подвода охладителя выполнены сообщенными с проточной частью 23 турбины и с, по меньшей мере, одним источником 24 охладителя.
Каждая сопловая лопатка 1 содержит соединительный канал 25, образуемый дефлектором 11 задней полости 9 лопатки 1 вдоль внутренней разделительной перегородки 7, снабженной, по меньшей мере, одним рядом перепускных отверстий 26.
В концевой части 27 дефлектора 11 задней полости 9 выполнена система выходных щелей 28, обращенных к выходной кромке 5 лопатки 1.
Задняя полость 21 подвода охладителя сообщена с проточной частью 23 турбины, с одной стороны, через перфорационные отверстия 22 и систему выходных щелей 28 в дефлекторе 11 задней полости 9 и каналы 6 охлаждения выходной кромки 5 лопатки 1, а с другой стороны последовательно через сообщенные друг с другом посредством соединительного канала 25 внутренние каналы охлаждения 14 и 15 задней полости 9 лопатки 1, по меньшей мере, один ряд перепускных отверстий 26 во внутренней разделительной перегородке 7, сообщенных с внутренним каналом 13 охлаждения выпуклой стенки 3 передней полости 8 лопатки 1, и через отверстия 20 пленочного охлаждения.
Для охлаждаемой турбины в частном случае (фиг. 3) сопловая лопатка 1 снабжена перепускным каналом 29, размещенным в передней полости 8 лопатки 1, и сообщенным через, по меньшей мере, один ряд перепускных отверстий 26 во внутренней разделительной перегородке 7 с соединительным каналом 25, с внутренним каналом 12 охлаждения и отверстиями 19 пленочного охлаждения вогнутой стенки 2 передней полости 8 лопатки 1.
Охлаждение турбины осуществляется следующим образом:
Охладитель от источника 24 охладителя поступает в верхнюю 16 и нижнюю 17 полости подвода охладителя, образованные дефлектором 10 передней полости 8, а также в дефлектор И задней полости 9 лопатки 1, в котором расположена задняя полость 21 подвода охладителя. В качестве источника охладителя 24 возможны варианты использования воздуха вторичной зоны камеры сгорания, воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления или воздуха, проходящего теплообменник.
Из верхней полости 16 подвода охладителя охладитель через отверстия 18 пленочного охлаждения, выполненные во входной кромке 4 лопатки 1, выдувается в проточную часть турбины 23, осуществляя при этом эффективное конвективно-пленочное охлаждение входной кромки 4, и одновременно из нижней полости подвода охладителя 17 охладитель через отверстия пленочного охлаждения 19 и 20, выполненные на вогнутой 2 и выпуклой 3 стенках передней полости 8 лопатки 1, выдувается в проточную часть турбины 23, осуществляя при этом пленочное охлаждение вогнутой 2 и выпуклой 3 стенок лопатки 1.
Из дефлектора 11 задней полости 9 охладитель выходит через перфорационные отверстия 22 и систему выходных щелей 28, расположенную в концевой части 27 дефлектора 11, без предшествующего подогрева и с увеличенной общей выходной площадью для выхода охладителя, что обеспечивает уменьшение гидравлических потерь давления охладителя, увеличение перепада давления и повышение эффективности внутреннего конвективного охлаждения лопатки 1.
Далее весь расход охладителя разделяется на две части: меньшая часть охладителя (например, 30%) проходит через каналы 6 охлаждения выходной кромки 5 и выдувается в проточную часть турбины 23; большая часть охладителя (например, 70%) поступает во внутренние каналы 14, 15 охлаждения задней полости 9 лопатки 1 и протекает в них, обеспечивая эффективное внутреннее конвективное охлаждение вогнутой 2 и выпуклой 3 стенок задней полости 9 лопатки 1. Далее через соединительный канал 25 и перепускные отверстия 26 во внутренней разделительной перегородке 7 охладитель поступает во внутренний канал 13 охлаждения выпуклой стенки 3 передней полости 8 лопатки 1, и, соединяясь с охладителем, поступившим из нижней полости 17 подвода охладителя, осуществляет конвективное охлаждение выпуклой стенки 3 передней полости 8 лопатки 1, а затем через отверстия пленочного охлаждения 20 в выпуклой стенке 3 передней полости 8 лопатки 1 выдувается в проточную часть турбины 23, обеспечивая пленочное охлаждение всей выпуклой стенки 3 лопатки 1, включая выходную кромку 5.
Это позволяет частично заменить расход охладителя, поступающего через нижнюю полость 17 подвода охладителя к отверстиям 20 пленочного охлаждения передней полости 8 лопатки 1. В результате этого может быть достигнуто снижение общего расхода охладителя на лопатку 1 и, как следствие, повышение экономичности турбины и двигателя в целом. Также при такой конструкции охлаждающего тракта лопатки осуществляется противоточная схема охлаждения - направление течения охладителя противоположно направлению течения наружного газа, что является благоприятным фактором для получения эффективного внутреннего конвективного охлаждения. При этом сочетание эффективного внутреннего конвективного охлаждения с наружным пленочным охлаждением лопатки обеспечивает увеличение общей эффективности охлаждения.
Для частной формы реализации охлаждаемой турбины по п. 2 формулы изобретения охладитель, прошедший через перепускные отверстия 26 во внутренней разделительной перегородке 7 и перепускной канал 29, размещенный в передней полости 8 лопатки 1, поступает во внутренние каналы 12, 13 охлаждения вогнутой 2 и выпуклой 3 стенок передней полости 8 лопатки 1, соединяясь с охладителем, поступающим из нижней полости 17 подвода охладителя, выдувается в проточную часть турбины 23 через отверстия 19, 20 пленочного охлаждения. Благодаря этому снижается общий расход охладителя на лопатку 1 и увеличивается общая эффективность охлаждения лопатки 1.
Таким образом, изобретение позволяет снизить расход охладителя за счет организации противоточной схемы течения охладителя в сочетании с пленочным охлаждением, а также за счет охлаждения более холодным охладителем выходной кромки лопатки, что приводит к повышению экономичности, надежности и ресурса охлаждаемой турбины и газотурбинного двигателя в целом.