ГАЗОГЕНЕРАТОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE GAS GENERATOR

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может найти применение при разработке высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.
Для охлаждения рабочих лопаток высокотемпературных газогенераторов используются два принципиальных вида отборов охлаждающего воздуха: отбор от промежуточной ступени компрессора; отбор из вторичной зоны камеры сгорания (за компрессором).
Выбор места отбора определяется потребной напорностью (перепадом давления в тракте охлаждения) рабочей лопатки и располагаемым хладоресурсом (разностью температур газа и охладителя).
Отбор воздуха из зоны вторичного воздуха камеры сгорания позволяет реализовать высоконапорные схемы охлаждения, в том числе и конвективно-пленочные, но обладает сниженным хладоресурсом из-за высокой температуры воздуха. Этот недостаток может быть устранен размещением в трассе подвода воздуха к рабочей лопатке теплообменника, обдуваемого потоком воздуха II контура, что реализовано в газогенераторе турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой АЛ-31Ф (Турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой АЛ-31Ф / Учебное пособие, под редакцией А.П.Назарова, издание ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1987 г., стр. 128-130). Это, в свою очередь, приводит к частичной потере напорности охладителя, а также к загромождению II контура и дополнительному весу. Дополнительным недостатком такого отбора является снижение экономичности газогенератора из-за энергетических затрат на сжатие воздуха.
Отбор воздуха от промежуточной ступени компрессора реализован в турбореактивном двухконтурном двигателе НК-56 (Учебное издание: Системы отбора воздуха из компрессора и транспортирование к потребителю: методические указания / составитель Н.Н. Старцев. - Самара: Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета, 2011 г., стр. 45-46), в котором между трактовым кольцом пятой ступени компрессора высокого давления и диском пятой ступени организована кольцевая щель, через которую отбирается воздух внутрь ротора и подается через вал турбины на охлаждение рабочей лопатки турбины среднего давления, так как его напорности недостаточно для охлаждения рабочей лопатки турбины высокого давления.
Наиболее близким к заявленному является турбореактивный двухконтурный двигатель РД-33 (А.С. Виноградов, конструкция ТРДД РД-33, Электронное учебное пособие, Министерство образования и науки РФ. Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета им.С.П. Королева, Самара, 2013), в котором охлаждающий воздух отбирается от пятой ступени компрессора высокого давления внутрь ротора и далее транспортируется внутри вала, попадая через отверстия во фланце диска турбины высокого давления в кольцевой зазор между дисками покрывным и основным, откуда после поджатия, благодаря наличию радиальных ребер на покрывном диске, поступает к охлаждаемым рабочим лопаткам.
Недостатком прототипа является ограниченная напорность, препятствующая применению перспективных схем охлаждения рабочих лопаток и вместе с этим форсированию газогенератора, а также ограниченный ресурс диска покрывного из-за наличия радиальных ребер.
Задачей настоящего изобретения является повышение напорности системы охлаждения рабочих лопаток турбины высокого давления при отборе от промежуточной ступени компрессора путем использования смеси воздуха, отбираемого от промежуточной ступени компрессора, с воздухом, отбираемым из зоны вторичного воздуха камеры сгорания, а также повышения ресурса диска покрывного с одновременным снижением его массы за счет исключения ребер.
Поставленная задача решается тем, что в газогенераторе газотурбинного двигателя, включающего в себя осевой компрессор, камеру сгорания, турбину с охлаждаемыми рабочими лопатками и диском основным с выполненными на его фланце отверстиями и несущим на себе диск покрывной с образованием между ними кольцевой полости, сообщенной с внутренними полостями охлаждаемых рабочих лопаток на выходе, а на входе через отверстия во фланце диска основного, сообщенной с подходящей по уровню давления проточной частью промежуточной ступени компрессора через внутреннюю полость вала, соединяющего роторы компрессора и турбины, согласно изобретению между диском покрывным и фланцем диска основного выполнен радиальный кольцевой зазор, в полости которого размещен аппарат спутной закрутки, сообщенный с зоной вторичного воздуха камеры сгорания на входе и полостью радиального кольцевого зазора на выходе, переходящей в междисковую кольцевую полость рабочего колеса.
Выполнение на входе в междисковую кольцевую полость радиального кольцевого зазора между диском покрывным и фланцем диска основного позволяет разместить в нем аппарат спутной закрутки и осуществить выпуск закрученного высокоэнергетического потока воздуха, отобранного из зоны вторичного воздуха камеры сгорания, непосредственно в междисковую кольцевую полость, при смешении которого с воздухом, отобранным от промежуточной ступени компрессора, повышается напорность воздуха, отбираемого от промежуточной ступени компрессора.
По сути, высокоэнергетический закрученный поток воздуха, вышедший из аппарата спутной закрутки, эжектирует поток воздуха, отбираемый от промежуточной ступени компрессора, и обеспечивает их интенсивное смешение.
Степень эжекции и напорность смеси зависит от соотношения расходов высокоэнергетического и низконапорного потоков воздуха.
Варьируя этими величинами для каждого конкретного газогенератора, возможно подобрать их оптимальное соотношение, удовлетворяющее необходимой напорности и температуре смеси.
Проведенное вычислительное моделирование при различных соотношениях в смеси расходов воздуха как отбираемого от промежуточной ступени, так и высокоэнергетического воздуха, отбираемого из вторичной зоны камеры сгорания, показало повышение напорности смеси по сравнению с прототипом даже при исключении подкачивающих ребер на диске покрывном.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении эффективности охлаждения рабочих лопаток и ресурса диска покрывного, с одновременным снижением его массы за счет исключения ребер. Это, в свою очередь, приводит к меньшей подгрузке диска основного, несущего диск покрывной, что повышает ресурс, и диска основного.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема газогенератора с отбором охлаждающего воздуха от промежуточной ступени компрессора, а на фиг. 2 приведен увеличенный фрагмент фиг. 1.
Газогенератор включает в себя осевой компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину высокого давления с охлаждаемыми рабочими лопатками 4 и диском основным 5 с выполненными на его фланце 6 отверстиями 7 и несущим на себе диск покрывной 8 с образованием между ними кольцевой полости 9, сообщенной на выходе с внутренними полостями рабочих лопаток 4, а на входе через отверстия 7 во фланце 6 диска основного 5 сообщенной с подходящей по давлению проточной частью промежуточной ступени 10 компрессора через внутреннюю полость вала 11, соединяющего роторы компрессора 1 и турбины, при этом между диском покрывным 8 и фланцем 6 диска основного 9 выполнен радиальный кольцевой зазор 12, в котором размещен аппарат спутной закрутки 13, сообщенный на входе с зоной вторичного воздуха 3 камеры сгорания 2, а на выходе с полостью радиального кольцевого зазора 12, сообщенной на выходе с междисковой полостью 9.
В работе воздух, отобранный от промежуточной ступени 10 компрессора 1, двигаясь по стрелке А внутрь ротора компрессора, охлаждает ступицы дисков последних ступеней компрессора и вал 11, соединяющий роторы компрессора и турбины. Проходя через отверстия 7 во фланце 6 диска основного 5 турбины высокого давления, охлаждающий воздух частично закручивается по вращению. При выходе из отверстий в радиальный кольцевой зазор 12 охлаждающий воздух дополнительно закручивается спутным высокоперепадным потоком воздуха, отбираемым из зоны вторичного воздуха камеры сгорания и подводимым к аппарату спутной закрутки. Последующее движение воздуха осуществляется в радиальном направлении к рабочим лопаткам 4 из междисковой кольцевой полости 9.