СИСТЕМА ВОЗДУШНО-ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК СТУПЕНЕЙ ТУРБИНЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
TURBOJET TURBINE STAGE BLADES AIR-LIQUID COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области авиадвигателе строения газовых турбин, а именно к охлаждению турбин турбореактивных двигателей, в частности к охлаждению лопаток спрямляющего аппарата, лопаток турбины и рабочего колеса, предназначенным преимущественно для работы в области высоких температур.
Задачей изобретения является повышение мощности двигателя, эффективности и экономичности турбины при ее работе на переменных и максимальных режимах, обеспечения охлаждение лопаток спрямляющего аппарата, лопаток турбины и рабочего колеса, забортным воздухом и увеличения ресурс эксплуатации двигателя.
Список литературы
1. А.с. 1152289 ССР, МПК F01D 5/18. Охлаждаемая лопатка газовой турбины / В.М. Брегман, В.А. Мальков (СССР) - заявка 833532826/06, 07.01.1983.
2. Стационарные газотурбинные установки / Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов и др.: Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние 1989. - 543 с.
3. A.M. Дроконов. Оптимизация расхода охлаждающего воздуха в ГТД. // Совершенствование транспортных машин [Текст] + [Электронный ресурс]: сб. науч. тр. / под ред. В.В. Рогалева. - Брянск: БГТУ, 2018 - с. 147…151.
4. Газотурбинные установки. Конструкция и расчет: Справочное пособие / Под общ. ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние 1978. - 232 с.
5. Патент 2268763, МПК F01D 5/18. Компонент газовой турбины / Й. Фербер, П.В. Лалетин; патентообладатель «Альстом Технолоджи ЛТД (СН)» - №2014103219/06; заявл. 30.01.2014; опубл. 10.08.2015, бюл. №22.
6. Патент США N 4807433, НКИ 60-39.29, опубл. 1989 г.
7. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. С. Тихонов, А.П. Герасимов, И.И. Прохорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.
Источники информации
1. Патент США N 4275990, НКИ 416-95, опубл. 1981 г.
Известны различные конструкции газовых турбин турбореактивных двигателей, в которых охлаждающий воздух проходит через сопловые и рабочие решетки, при этом газ может иметь температуру, близкую или даже превышающую точку плавления материала лопатки. Внутреннее охлаждение лопаток турбин реализуется в виде системы открытого и закрытого типов. При этом следует учитывать, что отбор даже 1% воздуха из компрессора на охлаждение проточной части турбины с температурой газа от 1300 до 1500 градусов Цельсия приводит к повышению расхода топлива агрегатом приблизительно 0,6%, что снижает эффективность работы турбины.
Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, входная часть которого имеет в зоне кромки, на спинке и корыте отверстия и размещенные в полости пера поперечные перегородки, разделяющие лопатку на ряд отдельных полостей, подключенных к источнику охлаждающей среды. При этом в полости входной части дополнительно установлены продольные перегородки, образующие со спинкой и корытом каналы, изолированные от упомянутой полости, и соединительные отверстия на спинке и корыте с одной из последующих полостей ряда.
Недостатком данной охлаждаемой лопатки газовой турбины является невозможность регулирования подачи охлаждающего воздуха, что снижает эффективность работы турбины на переходных режимах. Недостатком этого устройства является невозможность автоматического регулирования подачи охлаждающего воздуха к лопатке и перехода с пленочного на беспленочное охлаждение кромок лопатки, что снижает эффективность работы турбины на переходных режимах ее работы.
Известна полая охлаждаемая лопатка с радиальными каналами для охлаждения сжатым воздухом (патент US №5947687). Недостатком известной лопатки является сложность в изготовлении из-за коробления, смещения стержня, оформляющего внутреннюю полость при отливке лопатки, а также трудность вытравливания стержня только через полость в замковой части лопатки.
7
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо с радиальными каналами во внутренней полости и с заглушкой (патент RU №2106499). Недостатком конструкции, принятой за прототип, является сложность в изготовлении, недостаточная надежность лопатки турбомашины. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является охлаждаемая турбина, содержащая 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 лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости с транзитным дефлектором, образующим вдоль внутренних поверхностей стенок пера охлаждающие каналы, сообщенные с проточной частью турбины, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке лопатки с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с воздушным коллектором, транзитным дефлектором раздаточной полости, транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины. RU №2196239, МПК F02C 7/12, опубликовано 10.01.2001 г.
Недостатком такой охлаждаемой турбины является то, что транзит охлаждающего воздуха к сопловому аппарату закрутки и охлаждение пера сопловой лопатки турбины высокого давления осуществляется совместно через общий дефлектор, что, с одной стороны, приводит к подогреву охлаждающего воздуха, идущего к сопловому аппарату закрутки, а с другой стороны, к зависимости количества охлаждающего воздуха, идущего к сопловому аппарату закрутки и количества охлаждающего воздуха, отобранного на охлаждение сопловой лопатки турбины высокого давления друг от друга, снижая тем самым эффективность охлаждения как самой сопловой лопатки турбины высокого давления, так и рабочей лопатки турбины, повышая тем самым требуемый уровень расхода охлаждающего воздуха, что приводит к ухудшению экономичности двигателя в целом.
охл
Повысить эффективность турбины и перечисленных видов охлаждения лопаток можно, используя предварительно охлажденный воздух, например, в специальных теплообменниках, расположенных во втором контуре ТРДД (АЛ-31) Однако установка теплообменников во втором контуре ухудшает его гидравлические характеристики и в итоге увеличивает удельный расход топлива. Кроме того, подача холодного воздуха на нагретые поверхности может вызвать значительные термические напряжения из-за больших перепадов температур., отбираемым из-за компрессора двигателя, существенно увеличивает удельный расход топлива за счет того, что на сжатие охлаждающего воздуха затрачивается часть работы цикла, а работы этот воздух совершает меньше, чем мог бы совершить, проходя через проточную часть турбины, так как при протекании по каналам охлаждения теряет часть своей энергии. Рост степени повышения давления в современных газотурбинных двигателях приводит к повышению температуры охлаждающего воздуха и уменьшению температурного напора. Ориентировочно можно считать, что в зависимости от КПД узлов двигателя отбора воздуха на охлаждение турбины увеличивает удельный расход топлива на 0,5-0,7. Отбор воздуха на охлаждение турбины на современных двигателях составляет G 10...12%, что приводит к значительному увеличению удельного расхода топлива.
Другим недостатком способа охлаждения турбины воздухом, отбираемым из-за компрессора или вторичным воздухом камеры сгорания, является то, что в этом воздухе присутствует значительное количество посторонних частиц от выработки уплотнений компрессора, сажи, кокса от неполного сгорания топлива, а также пыли, попадающей на вход в компрессор двигателя. Попадание посторонних частиц внутрь лопаток и налипание их на стенки, уменьшая диаметр охлаждающих отверстий спрямляющего аппарата и лопаток турбины, значительно снижает теплоотвод от стенки к воздуху за счет роста температурного градиента в стенке лопатки, что увеличивает температуру лопатки. Следует отметить, что это явление особенно присуще вертолетным двигателям и в меньшей степени проявляется на силовых установках самолетов. Влияние отложений усугубляется при больших ресурсах двигателей.
Техническим результатом изобретения является, увеличение мощности, срока эксплуатации и улучшение характеристик двигателя.
Техническим результат достигается тем, что воздух для охлаждения лопаток турбины и рабочего колеса забирается снаружи летательного аппарата, в рабочие колеса первой и второй ступени турбины встроены центробежные компрессора, в которые поступает отфильтрованный забортный воздух. Перед поступлением в спрямляющие и турбинные лопатки турбины воздух дожимается лопатками центробежного компрессора и лопатками повышения давления охлаждающей воздушно-жидкостной смеси, и спрямляющими лопатками охлаждающей воздушно-жидкостной смеси. Охлаждающий очищенный воздух охлаждает все элементы турбины. При работе двигателя на максимальном режиме и при включенном форсаже, в центробежный компрессор турбин дополнительно подаётся охлаждающая жидкость (вода).
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на:
Фиг. 1. Система охлаждения воздушно-жидкостного лопаток ступеней турбины турбореактивного двигателя.
1. Роторный вал;
2. Корпус 1 рабочего колеса, первой ступени лопаток турбины;
3. Корпус 2 рабочего колеса первой ступени лопаток турбины;
4. Лопатки центробежного компрессора первой ступени турбины;
5. Кольцевая камера сгорания;
6. Спрямляющие лопатки первой ступени турбины;
7. Лопатки первой ступени турбины;
8. Спрямляющие лопатки второй ступени турбины;
9. Лопатки второй ступени турбины;
10. Корпус обтекателя;
11. Узел крепления двигателя;
12. Трубопровод охлаждающей жидкости (воды);
13. Воздухопроводный патрубок;
14. Очищенный воздух;
15. Нагнетающий насос охлаждающей жидкости (воды) с реверсивным электродвигателем;
16. Резервуар охлаждающей жидкости (воды);
17. Фильтр тонкой очистки забортного воздуха;
18. Воздухопроводный патрубок;
19. Выход загрязнённого воздуха;
20. Центробежный фильтр;
21. Забортный воздух;
22. Воздухопроводный патрубок;
23. Лопатки центробежного компрессора второй ступени турбины;
24. Корпус 1 рабочего колеса, второй ступени лопаток турбины;
25. Корпус 2 рабочего колеса, второй ступени лопаток турбины;
26. Корпус забортного охлаждающего воздуха;
27. Стойка крепления форсунки охлаждающей жидкости (воды);
28. Форсунка охлаждающей жидкости (воды);
29. Охлаждающая воздушно-жидкостная смесь.
Фиг. 2. Система охлаждения воздушно-жидкостного лопаток ступеней турбины турбореактивного двигателя.
3. Корпус 2 рабочего колеса первой ступени лопаток турбины;
4. Лопатка центробежного компрессора первой ступени турбины;
6. Лопатка спрямляющего аппарата лопатки первой ступени турбины;
7. Лопатки второй ступени турбины;
8. Спрямляющие лопатки второй ступени турбины;
23. Лопатки центробежного компрессора второй ступени турбины;
24. Корпус 1 рабочего колеса, второй ступени лопаток турбины;
25. Корпус 2 рабочего колеса, второй ступени лопаток турбины;
29. Охлаждающая воздушно-жидкостная смесь;
30. Спрямляющая лопатка охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени компрессора;
31. Торцевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины;
32. Средний канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины;
33. Концевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины;
34. Лопатка повышения давления охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени турбины;
35. Кольцевая полка с бандажными уплотнителями первой ступени турбины;
36. Выход охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) из лопаток спрямляющего аппарата второй ступени турбины;
37. Спрямляющая лопатка охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) второй ступени компрессора;
38. Торцевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток второй ступени турбины;
39. Лопатка повышения давления охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) второй ступени турбины;
40. Средний канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток второй ступени турбины;
41. Концевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток второй ступени турбины;
42. Кольцевая полка с бандажными уплотнителями второй ступени турбины;
43. Выход охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) из лопаток второй ступени турбины;
44. Выход охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) из лопаток первой ступени турбины;
45. Движение охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) спрямляющих лопаток первой ступени турбины;
46. Полость охлаждающей воздушно-жидкостной смеси спрямляющих лопаток первой ступени турбины;
47. Выход охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) из лопаток спрямляющего аппарата первой ступени турбины;
48. Движение охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) спрямляющих лопаток второй ступени турбины;
49. Полость охлаждающей воздушно-жидкостной смеси спрямляющих лопаток второй ступени турбины;
50, 51, 52. Отверстия в кольцевой полки с бандажными уплотнителями первой ступени турбины;
53, 54, 55. Отверстия в кольцевой полки с бандажными уплотнителями второй ступени турбины.
Работа системы охлаждения воздушно-жидкостного лопаток ступеней турбины турбореактивного двигателя осуществляется следующим образом: При вращении рабочих колёс первой и второй ступени турбины (которые состоят: первая ступень турбины - из корпуса 1 рабочего колеса, первой ступени лопаток турбины 2 и корпус 2 рабочего колеса первой ступени лопаток турбины 3, между которыми установлены и закреплены лопатки центробежного компрессора первой ступени турбины 4 которые образуют центробежный компрессор первой ступени, вторая ступень турбины - из корпуса 1 рабочего колеса, второй ступени лопаток турбины 24, корпус 2 рабочего колеса, второй ступени лопаток турбины 25, между которыми установлены и закреплены лопатки центробежного компрессора второй ступени турбины 23, которые образуют центробежный компрессор второй ступени), за счёт возникновения центробежных сил в центробежных компрессорах первой и второй ступеней турбины происходит засасывание охлаждающего забортного воздуха 21, который проходит через центробежный фильтр 20, где крупные частицы воздуха удаляются в атмосферу через патрубок загрязнённого воздуха 19, по воздухопроводному патрубку 18, воздух поступает в фильтр тонкой очистки забортного воздуха 17, для окончательной очистка воздуха, далее воздух поступает по воздухопроводному патрубку 13 и  воздухопроводному патрубку 22 в корпус 26.
Из корпуса 26 воздух поступает в центробежный компрессор первой ступени турбины повышая его давление и продвигается по каналам:
- торцевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины 31;
- средний канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины 32.;
- концевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины 33;
Проходя по каналам 31, 32, 33 происходит охлаждение внутренней полости лопатки первой ступени турбины 7 вышедший под давлением воздух из выходных отверстий охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) из лопаток первой ступени турбины 44, препятствует повышению температуры лопаток первой ступени турбины 7.
Воздух, проходящий по каналам 31, 32, 33 поступает через отверстия 50, 51, 52 в кольцевой полки с бандажными уплотнителями первой ступени турбины 35, на лопатки повышения давления охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени турбины 34 и спрямляющие лопатки охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени компрессора 30.
Лопатки повышения давления охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени турбины 34 и спрямляющие лопатки охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени компрессора 30, при вращении выполняют работу осевого компрессора, повышая давление воздуха.
Далее воздух под давлением поступает в полости охлаждающей воздушно-жидкостной смеси спрямляющих лопаток первой ступени турбины 46, охлаждая внутреннею полость спрямляющих лопаток турбины 6. Вышедший под давлением воздух из выходных отверстий охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) 47 препятствует повышению температуры лопаток спрямляющего аппарата лопаток первой ступени турбины 6.
Так же из корпуса 26 воздух поступает в центробежный компрессор второй ступени турбины повышая его давление и продвигается по каналам:
- торцевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины 38;
- средний канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины 40;
- концевой канал охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) лопаток первой ступени турбины 41.
Проходя по каналам 38, 40, 41 происходит охлаждение внутренней полости лопатки второй ступени турбины 9 вышедший под давлением воздух из выходных отверстий охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) из лопаток первой ступени турбины 43, препятствует повышению температуры лопаток второй ступени турбины 9.
Воздух, проходящий по каналам 38, 40, 41 поступает через отверстия 53, 54, 55 в кольцевой полки с бандажными уплотнителями второй ступени турбины 42, на лопатки повышения давления охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) второй ступени турбины 39 и спрямляющие лопатки охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени компрессора 37.
Лопатки повышения давления охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) второй ступени турбины 39 и спрямляющие лопатки охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) первой ступени компрессора 37, при вращении выполняют работу осевого компрессора, повышая давление воздуха.
Далее воздух под давлением поступает в полости охлаждающей воздушно-жидкостной смеси спрямляющих лопаток второй ступени турбины 48, охлаждая внутреннею полость спрямляющих лопаток турбины 8. Вышедший под давлением воздух из выходных отверстий охлаждающей воздушно-жидкостной смеси (воды) 36 препятствует повышению температуры лопаток спрямляющего аппарата лопаток второй ступени турбины 8.
Охлаждающий забортный воздух 21 проходя между корпусом 1 рабочего колеса, первой ступени лопаток турбины 2 и корпусом 2 рабочего колеса первой ступени лопаток турбины 3 и лопатками центробежного компрессора первой ступени турбины 4 - охлаждает рабочее колесо первой ступени турбины.
Охлаждающий забортный воздух 21 проходя между корпусом 1 рабочего колеса и второй ступени лопаток турбины 24 и корпусом 2 рабочего колеса, второй ступени лопаток турбины 25 лопатками центробежного компрессора второй ступени турбины 23 - охлаждает рабочее колесо второй ступени турбины.
При увеличении оборотов двигателя с крейсерских до максимальных и влечении форсажа из резервуара охлаждающей жидкости (воды) 16, жидкость поступает в нагнетающий насос охлаждающей жидкости (воды) с реверсивным электродвигателем 15 (Количество охлаждающей жидкости регулируется реверсивным электродвигателем обеспечивая благоприятные условия работы лопаток турбины), по трубопроводу охлаждающая жидкости(воды) 12, поступает в форсунку охлаждающей жидкости (воды) 28, распыляясь смешивается с потоком охлаждающим воздухом образуя воздуха-жидкостную смесь, которая под давления поступает на лопатки турбины обеспечивая нормальную работу двигателя  при изменении оборотов двигателя до максимальных и включение форсажа.
Предложенное техническое решение не известно из доступных источников информации о системы охлаждения воздушно-жидкостного лопаток ступеней турбины и рабочего колеса турбореактивного двигателя, из которого следует, что может быть практически реализовано в производстве, то есть способствует критериям патентоспособности.