ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ГТД-25СТА, КОМПРЕССОР, КАМЕРА СГОРАНИЯ, ТУРБИНА ГАЗОГЕНЕРАТОРА, СВОБОДНАЯ ТУРБИНА

Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения.
7
Известен газотурбинный двигатель, состоящий из модуля газогенератора и модуля свободной турбины на собственных рамах, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, свободную турбину, опоры подшипников, вспомогательные системы (см. Патент №31816 RU, МПК F02C 3/00, F02C 7/00, F04D 17/00, F04D 29/00, F23R 3/00, опубликовано 27.08.2003 г.).
Недостатком данного газотурбинного двигателя являются высокие значения параметров термодинамического цикла, которые определяют применение дорогих материалов узлов турбины, что приводит к высокой стоимости двигателя.
7
Известны опоры газотурбинного двигателя, содержащие шарнирно установленные на основании стойки с цапфами, для крепления двигателя (см. Патент №2226643 RU, C2, МПК F16M 5/00, опубликовано 10.04.2004 г.).
Недостатком данной конструкции является, что при разогреве двигателя в процессе работы происходит изменение положения оси двигателя.
Известен компрессор газотурбинного двигателя, содержащий ротор с валом, диски с рабочими лопатками, статор с регулируемым направляющим аппаратом и клапанами перепуска воздуха (см. Двигатель НК-16СТ «Руководство по технической эксплуатации, книга 2», стр.57, рис.6.15).
Недостатком является использование в исполнительных механизмах направляющего аппарата и клапанов перепуска масла из маслосистемы двигателя, которое подается посредством установки дополнительного насоса, отбирающего полезную мощность от газотурбинного двигателя.
Известна одноконтурная форсунка (горелка) камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ, содержащая корпус завихрителя, корпус форсунки, лопаточный завихритель, смесительную втулку (сопло), шайбу дроссельную, кольца уплотнительные и гайку корончатую (шлицевую), для крепления форсунки к газораспределительному устройству (головке кольцевой камеры сгорания), (см. Двигатель НК-16-18СТ серия 2, «Руководство по технической эксплуатации», стр.126, рис.6.32).
Недостатком указанного устройства является, отсутствие возможности регулировки параметров характеристики температурного поля, при испытаниях на камерном стенде, без съема форсунок и частичной разборки камеры сгорания, что приводит к значительным материальным затратам и увеличению времени по доводке характеристики температурного поля.
Известна так же кольцевая камера сгорания, содержащая наружный и внутренний корпуса, кольцевую жаровую трубу с охлаждаемыми наружной и внутренней стенками, концентрично расположенными в передней части жаровой трубы топливными горелками с отдельными форсунками, закрепленными на наружном корпусе, топливные коллектора (см. материалы - Семинар по камерам сгорания в ЦИАМ 14-16.12.2004 г., Камеры сгорания промышленных ГТД, ОАО НПО «Сатурн», А.В.Охлабыстин и другие «Опыт доводки экологических характеристик камер сгорания». Камера сгорания ГТД - 4РМ, стр.3, 6).
Основным недостатком указанной кольцевой камеры сгорания, является наличие выносных форсунок, закрепленных на наружном корпусе, что увеличивает гидравлическое сопротивление жаровой трубы и массу наружного корпуса, из-за применения усиленного кольца для крепления форсунок.
Известно уплотнение стыка камеры сгорания и статора турбины газотурбинного двигателя с подвеской концов оболочек жаровой трубы на кольцевых выступах статора турбины, включающее в себя кольцо уплотнительное наружное камеры сгорания, кольцо наружное соплового аппарата первой ступени, кольцо уплотнительное внутреннее жаровой трубы камеры сгорания и козырек соплового аппарата первой ступени, закрепленный с помощью заклепок к внутреннему корпусу статора турбины с установленным плавающим кольцом, обеспечивающее между сопрягаемыми деталями в холодном состоянии радиальные зазоры и демпфирующим устройством для стабилизации зазоров, установленным фланцевым соединением на наружном корпусе камеры сгорания (см. «Руководство по технической эксплуатации двигателя» НК-16-18СТ серия 2, стр.101/102, рис.6.26, 1998 г.).
Однако из-за разных температурных расширений сопрягаемых деталей при работе двигателя, происходит неравномерное изменение радиальных и осевых зазоров в уплотнении. Осевой зазор, предусмотренный между уплотняющими элементами конструкции, нарушает картину пленочного охлаждения, что приводит к недопустимому увеличению расхода охлаждающего воздуха и как следствие к снижению КПД турбины в целом.
7
Известна охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, содержащая рабочее колесо с дополнительным диском, сопловой аппарат закрутки, где дополнительный диск соединен с диском рабочего колеса, образуя кольцевую полость сообщенную с безлопаточным диффузором (см. Патент RU 2196233, С1, МПК F01D 5/08, опубликовано 10.01.2003 г.).
Однако такая система охлаждения турбины предопределяет низкую ремонтопригодность и сложность технологии изготовления.
7
Известен ротор двухступенчатой турбины, содержащий рабочие колеса с лопатками, промежуточные диски между основными дисками, статор с сопловыми аппаратами (см. Патент RU №2151883, МПК F01D 5/08, опубликовано 27.06.2000 г.).
Однако такая конструкция очень сложная в изготовлении и имеет низкую надежность шлицевого соединения.
Известна так же турбина газотурбинного двигателя, содержащая турбины высокого и низкого давлений, рабочее колесо с выполненными в диске каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам с выпуском охлаждающего воздуха по торцу бандажной полки в зону лабиринтного уплотнения, включающая в себя внутренний корпус статора турбины, в котором входящими сборочными единицами и деталями организован ресивер сварной конструкции. На выходе из ресивера установлены лопатки в профильные пазы и припаяны тугоплавким припоем, образуя, таким образом, аппарат закрутки охлаждающего воздуха, для того, чтобы на выходе из аппарата получить более низкую температуру, давление воздуха и повысить эффективность охлаждения рабочей лопатки и замковую часть диска. Далее проходя через лопатку, воздух охлаждает перо и через отверстия выбрасывается в проточную часть (см. Газотурбинный двигатель НК-38СТ «Руководство по технической эксплуатации», 1996 г., стр.79/80, рис.7.20).
Недостатком известной системы охлаждения рабочих лопаток первой ступени турбины, включая замковую часть обода диска и замков рабочих лопаток, является не разборная, сварная конструкция, предопределяющая низкую ремонтопригодность, сложность технологии изготовления.
Известен переходной канал с узлом соединения корпусов газогенератора и свободной турбины, содержащий наружный и внутренний корпуса, фланцы крепления к турбине газогенератора и силовой турбине, включающий компенсатор-сильфон (см. Патент RU №2354839, МПК F02C 7/20, F02C 7/28, опубликовано 10.05.2009 г.).
Недостатком данной конструкции является сложность конструкции, монтажа и большая трудоемкость технологии изготовления.
В паровых турбинах, при отношениях среднего диаметра рабочей лопатки d последней ступени к высоте лопатки 1 в диапазоне d/l=3…4, соответствующем среднему уровню нагрузок (например, паровая турбина К-200-130-7, Ленинградского металлического завода - ЛМЗ (см. Трухний А.Д. «Стационарные паровые турбины», Москва, Энергоатомиздат, 1990 г.), в диапазоне d/l=2.7…3 (например, паровая турбина К-210-130-4, ЛМЗ) с высокими уровнями нагрузок и диапазоне d/l=2.4…2.7 с крайними нагрузками (например, паровая турбина К-1200-240-3, ЛМЗ), для устранения вибрационных напряжений и для обеспечения динамической прочности наряду с применением бандажных, демпфирующих полок на периферии рабочих лопаток, применяют дополнительно кольцевые проволочные связи или кольцевые вставки в один или даже два ряда по высоте лопатки.
Недостаток данной конструкции приводит к большим гидравлическим потерям и снижению адиабатического КПД турбины.
8
Известна система измерения частоты вращения ротора свободной турбины газотурбинных двигателей НК-36СТ, НК-38СТ, имеющих циркуляционную систему смазки подшипниковых опор, включающую системы подачи масла и суфлирования, каналы, смазки которых выполнены в ребрах опоры газотурбинного двигателя, содержащая бесконтактный датчик частоты вращения (см. Патент RU №2416731, С 1, МПК F02C 9/28, опубликовано 20.04.2011 г.).
Недостатком системы является то, что расположение датчика частоты вращения рядом с деталями турбины, имеющими высокую температуру, приводят к снижению надежности системы и точности замера сигнала.
Технической задачей данной полезной модели является повышение надежности работы узлов двигателя, повышение эффективности охлаждения турбины, обеспечение КПД порядка 36,0 и назначенного ресурса 100000 часов.
Указанная техническая задача на газотурбинный двигатель, состоящий из модуля газогенератора и модуля свободной турбины на собственных рамах, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, свободную турбину, опоры подшипников, вспомогательные системы, достигается тем, что газогенератор установлен на собственную раму при помощи опоры, содержащей цапфу для крепления двигателя и корпус опоры, который выполнен в виде крестообразного цилиндрического шарнира.
Каждая опора газогенератора снабжена механизмом регулирования положения оси газогенератора, относительно стыковочных центрирующих элементов рамы, в виде винтовой пары.
Компрессор, содержащий ротор с валом, диски с рабочими лопатками, статор с регулируемым направляющим аппаратом и клапанами перепуска воздуха, при этом для привода исполнительных механизмов направляющего аппарата и клапанов перепуска воздуха использован пневмопривод с отбором сжатого газа из газовой магистрали.
Блок камеры сгорания, содержащий наружный и внутренний корпуса, кольцевую камеру сгорания с пленочным охлаждением наружного и внутреннего кожухов, топливные коллектора, топливные горелки, при этом наружный корпус состоит из 2-х частей, между которыми установлено кольцо подвески камеры сгорания, которое в задней части имеет демпфирующую подвеску.
Над отверстиями пленочного охлаждения приварены экраны.
Фронтовое устройство содержит наружный и внутренний топливные коллектора, для подвода газа через отверстия в полых лопатках горелки в камеру смешения, при этом внутри корпуса горелки установлен жиклер.
Уплотнение стыка камеры сгорания и соплового аппарата турбины, содержит уплотнительное кольцо камеры сгорания, козырек соплового аппарата, закрепленный на внутреннем корпусе, снабженном кольцом фиксирующим с установленным плавающим кольцом, а уплотнительное кольцо камеры сгорания и козырек соплового аппарата образуют кольцевой зазор, для организации подвода воздуха для пленочного охлаждения трактовых поверхностей, при этом на плавающем кольце выполнен упорный бурт, а козырек соплового аппарата снабжен направляющим кольцом, образующим кольцевой зазор с внутренней поверхностью козырька соплового аппарата, при этом торцевая часть козырька прилегает к бурту кольца плавающего.
Фиксирующее кольцо выполнено подвижным в осевом направлении, а между кольцом плавающим и кольцом фиксирующим установлена гофрированная пружина.
Турбина газогенератора, включающая турбины высокого и низкого давлений, статор с сопловыми аппаратами, устройство разгрузки от осевых сил, систему охлаждения с устройством закрутки охлаждающего воздуха, ротора турбин высокого и низкого давления с рабочими лопатками, диски с дефлектором, при этом, турбина высокого давления состоит из двух ступеней с ротором, образованным валом турбины высокого давления, соединенным одной стороной с компрессором, а другой с дисками первой и второй ступеней, между которыми установлена экран-проставка, а диск первой ступени, ступица экрана-проставки и диск второй ступени к фланцу вала присоединены стяжными болтами.
Турбина газогенератора снабжена устройством закрутки охлаждающего воздуха, установленном в разъемном ресивере на внутреннем корпусе соплового аппарата, сообщенным с полостью подачи вторичного воздуха камеры сгорания и представляющее собой кольцевой корпус с фланцами для крепления к внутреннему корпусу соплового аппарата первой ступени, в котором размещены конические сопла-отверстия под углом к оси двигателя, сообщающиеся с разгрузочной полостью, приемными отверстиями на левом дефлекторе диска и с каналами охлаждаемых рабочих лопаток.
Разгрузочную полость от осевых сил формируют с помощью нижнего лабиринта, установленного на фланце вала турбины высокого давления, полотна диска первой ступени турбины, верхнего лабиринта, расположенного на дефлекторе диска и внутреннем корпусе соплового аппарата.
На фланце вала турбины высокого давления выполнены радиальные пазы, а на нижнем лабиринте выступы, которые при сборке совмещают с пазами вала и взаимно фиксируют от окружного смещения, при этом верхний лабиринт выполнен совместно с дефлектором.
Между валом ротора турбины высокого давления и валом ротора турбины низкого давления установлен межвальный подшипник, а вал ротора турбины низкого давления установлен в подшипник, расположенный в опоре турбины низкого давления, при этом узлы межвального подшипника и подшипника опоры турбины низкого давления размещены за ротором высокого давления, и тем самым вынесены в зону пониженных температур.
Переходный канал от турбины газогенератора к свободной турбине, содержит наружный и внутренний корпуса, фланцы крепления к турбине газогенератора и свободной турбине, при этом наружный корпус выполнен с двухсторонним жестким фланцевым соединением, обеспечивающим герметичность стыков наружного корпуса с кольцами турбин газогенератора и свободной турбины, а внутренний корпус переходного канала, состоит из двух частей, одна из которых соединена фланцевым соединением с задней опорой, другая фланцевым соединением с внутренним корпусом соплового аппарата первой ступени свободной турбины и между собой эти части соединены телескопическим соединением.
Свободная турбина, состоит из сопловых аппаратов, ротора с дисками, рабочими лопатками, опоры свободной турбины и имеет циркуляционную систему суфлирования масла, при этом проточная часть турбины выполнена с углом раскрытия проточной части турбины в меридиональном сечении 13° и соответственно в соотношении среднего диаметра рабочего колеса последней ступени силовой турбины к высоте рабочей лопатки на выходе из турбины 3.5, а минимальная толщина полотна диска последней ступени турбины, равна ширине пера рабочей лопатки последней ступени силовой турбины в корневом сечении.
Система суфлирования масла совмещена с системой измерения оборотов ротора турбины, при этом кабель от датчика, размещен внутри трубки.
Трубка размещена в проходящей через стойку опоры свободной турбины, суфлирующей трубе, которая является корпусом преобразователя частоты вращения.
Газотурбинный двигатель поясняется чертежами:
На фиг.1 представлен газотурбинный двигатель, установленный на раме. На фиг.2 - цапфа генератора с опорой, а на фиг.3 - вид опоры сбоку, на котором показаны регулировочные элементы. На фиг.4 - компрессор высокого давления, а на фиг.5 - пневмопривод регулируемого направляющего аппарата и клапанов перепуска. На фиг.6 - блок камеры сгорания, на фиг.7 - фрагмент жаровой трубы, а на фиг.8 - фрагмент блока камеры сгорания с форсунками и топливными коллекторами. На фиг.9 - уплотнение внутреннего и наружного стыка камеры сгорания и статора турбины, а на фиг.10 - фрагмент внутреннего стыка в увеличенном виде. На фиг.11 - ротор двухступенчатой турбины высокого давления, на фиг.12 - показана изоляция дисков от воздействия высоких температур с каналами продувок воздухом. На фиг.13 - дана охлаждаемая турбина, на фиг.14 - фрагменты устройства закрутки охлаждающего воздуха. На фиг.15 - фрагмент взаимной фиксации лабиринта и вала турбины высокого давления и фрагмент подшипникового узла турбины высокого и низкого давления. На фиг.16 - переходной канал от газогенератора к свободной турбине. На фиг.17 - фрагмент свободной турбины с преобразователем частоты вращения. На фиг.18 - фрагмент свободной турбины (снижение динамических напряжений).
Газотурбинный двигатель 1 (Фиг.1) содержит компрессор 2, камеру сгорания 3, турбину 4, свободную турбину 5, раму газогенератора 6. Двигатель разделен на два модуля - модуль газогенератора 7 и модуль свободной турбины 8. Рама 6 газотурбинного двигателя 1 состоит из двух частей, из рамы газогенератора 9 и рамы свободной турбины 10.
Опора 11 содержит цапфу 12 (фиг.2, 3) жестко установленную на двигателе, корпус опоры 13 жестко установленную на подмоторной раме, вкладыш 14, для соединения цапфы 12 и корпуса опоры 13, винты 15, 16 и контрогайку 17, контровочная проволока 18.
Компрессор 2 (Фиг.4) газотурбинного двигателя 1 содержит ротор с валом 19, диски 20, рабочие лопатки 21, статор 22 с регулируемым направляющим аппаратом 23, клапанами перепуска 24 и пневмопривод 25.
Пневмопривод 25 (Фиг.5) состоит из корпуса 26, поршня 27 со штоком 28 и рычагов 29, 30.
Блок камеры сгорания 3 (Фиг.6, 7, 8) содержит корпус наружный передний 31, корпус наружный задний 32, корпус внутренний 33, камеру сгорания 34 с пленочным охлаждением наружного 35 и внутреннего 36 кожухов, топливные коллектора 37, топливные горелки 38, содержат корпус 50, сопло 51, пустотелые лопатки 52, жиклер 53, шлицевую гайку 54, уплотнительные кольца 55, заглушка 56 с уплотнительным кольцом 57, кольцо подвески 39, болтовое соединение 40, демпфирующие устройства 41, шток 42, тарельчатые пружины 43, разрезное опорное кольцо 44, кожуха 35 и 36 снабжены экранами 45, 46 с охлаждающими отверстиями 47, 48, кольцевую головку 49, уплотнительное кольцо кожуха наружного 58.
Уплотнение стыка камеры сгорания и соплового аппарата турбины (Фиг.9, 10 - в увеличенном виде), состоит из кольца уплотнительного внутреннего камеры сгорания 59, кольца плавающего 60, кольца фиксирующего 61, внутреннего корпуса 62 соплового аппарата, козырька 63, направляющего кольца 64, гофрированной пружины 65 и болтовых соединений 66, 67.
На (фиг.11, 12) изображен двухступенчатый ротор с промежуточным диском, состоящий из вала 68, на котором установлены диски первой 69 и второй 70 ступеней с рабочими лопатками первой 72 и второй 73 ступеней. Между дисками установлен промежуточный диск (экран-проставка) 71. Для передачи крутящего момента, в приливах полотна дисков и с обоих сторон ступицы промежуточного диска 71, выполнены проточки, где размещены втулки 77. С задней стороны на приливе полотна диска 70 второй ступени, установлено кольцо лабиринтное 76. Вал ротора турбины 68, кольцо лабиринтное 76, диски первой 69 и второй 70 ступеней, промежуточный диск 71 установленный между ними, имеют соосные отверстия и крепятся между собой стяжными болтами 74, затяжкой гаек 75 с определенным усилием, создавая необходимую герметичность и плотность всех стыков.
Охлаждаемая газовая турбина 4 содержит, рабочее колесо с диском 69 (Фиг.13, 14), сопловой аппарат 78 турбины с разгрузочной полостью 79, образованной ресивером 80, нижним лабиринтным уплотнением 81 и верхним лабиринтным уплотнением 82. Ресивер 80 содержит, съемное устройство закрутки 83 охлаждающего воздуха, конические отверстия 84 устройства закрутки 83, дефлектора дисков правый 85 с отверстиями 90, левый 86 с отверстиями 92, сквозной канал по дну зама диска 91, прокладки 87, болты крепления 88, сопла 89 и бандажную полку 93.
Между валом 68 ротора турбины высокого давления и валом ротора низкого давления 95, установлен межвальный подшипник 96 (Фиг.15), а вал ротора низкого давления 95 установлен в подшипник 97, который находится в задней опоре 98 турбины.
Переходный канал 99 (Фиг.16) от турбины газогенератора 7 к свободной турбине 8, содержит наружный 100 и внутренний 101 корпуса с фланцами крепления к турбине газогенератора 7 и свободной турбине 8 с телескопическим соединением внутреннего корпуса и опорным кольцом 102.
Свободная турбина 5, (Фиг.17) состоит из сопловых аппаратов 103, ротора с дисками 104, рабочими лопатками 105, опоры свободной турбины 106, переходного канала 99 с проточной частью 107.
Система измерения частоты вращения ротора турбины (Фиг.18) состоит из двух преобразователей частоты вращения 113, каждый из которых содержит бесконтактный датчик 114, электрический кабель 115, трубчатый корпус 116 внутри которого дополнительно проложена трубка 117.
Газотурбинный двигатель 1 работает следующим образом: Воздух сжимается компрессором 2 и подается в камеру сгорания 3, куда подается и природный газ, полученная при сгорании газа тепловая энергия в турбине 4 и в свободной турбине 5 преобразуется в механическую энергию. Турбина газогенератора 4 приводит во вращение компрессор 2, а свободная турбина 5 используется для вращения нагнетателя природного газа.
Цапфа 12 газогенератора 7 входит во вкладыш 14 опоры 13 (Фиг.2, 3) и образует крестообразный шарнир, позволяющий при температурных расширениях перемещаться в осевом и в поперечном направлениях.
Для совмещения стыковочных поверхностей модуля газогенератора 7 и модуля свободной турбины 8, винтами 15 и 16, газогенератор 7 перемещается как в поперечном так, и в осевом направлениях. После совмещения поверхностей винты 15 и 16 фиксируются контрогайками 17 и контровочной проволокой 18.
При работе компрессора 2 (Фиг.4) сжатый газ с высоким давлением из газовой магистрали по команде подводится в полость В пневмопривода 25 (Фиг.5). Одновременно полость Б соединяется с дренажной системой с низким давлением, при этом поршень 27 перемещается поступательно, поворачивая лопатки регулируемого направляющего аппарата 23, открывая клапана перепуска воздуха 24 с помощью штока 28 и рычагов 29, 30.
Между наружным передним 31 и наружным задним 32 корпусами камеры сгорания 3 (Фиг.6, 7) установлено кольцо подвески 39, которые скреплены между собой болтовым соединением 40. С целью демпфирования задней части наружного кожуха 35 на корпусе наружном заднем 32, равномерно по окружности, установлены восемь демпфирующих устройств 41, выполненных в виде пустотелого корпуса, внутри которого расположены штоки 42, подпружиненные тарельчатыми пружинами 43. Штоки 42, в свою очередь, равномерно обжимает разрезное опорное кольцо 44, которое опирается на уплотнительное кольцо наружного кожуха 58 камеры сгорания 3, обеспечивая, тем самым, гашение радиальных перемещений уплотнительного кольца наружного кожуха 58 камеры сгорания 3 при работе двигателя.
Охлаждение наружного 35 и внутреннего 36 кожухов выполнено пленочным, для чего (Фиг.7) кожуха 35, 36 выполняются с зигами, в которых выполнены охлаждающие отверстия 47, 48. Для увеличения эффективности охлаждения над отверстиями приварены экраны 45, 46, направляющие охлаждающий воздух вдоль стенок кожухов.
Фронтовое устройство камеры сгорания 3 (Фиг.6, 8) выполнено в виде головки кольцевой 49, содержащей наружный 37 топливные коллектора, к которым через четыре штуцера подводится топливный газ. В головке кольцевой 49, выполнено 42 фигурных окна подвода воздуха к топливным горелкам 38, а также 42 центральных отверстия для подвода топливного газа к топливным горелкам, которые представляют собой, паяно-сварную конструкцию, содержащие корпус 50 горелки, сопло 51 и семь пустотелых лопаток 52 с тремя рядами отверстий, выполненных как на спинке, так и на корыте каждой лопатки, причем, эти лопатки образуют завихритель. В корпусе 50 горелки, выполнено центральное отверстие, к которому через сменный жиклер 53 подается газ из топливных коллекторов 37. Топливные горелки крепятся к головке кольцевой 49 с помощью шлицевой гайки 54, а для исключения утечек газа из соединения с обеих сторон центральных отверстий головки кольцевой 49 установлены уплотнительные кольца 55. С целью регулировки параметров характеристики температурного поля без съема горелок с головки кольцевой 49 в гайке шлицевой 54, выполнено сквозное отверстие для демонтажа жиклеров 53 и установки других с большей или меньшей расходностью. Для глушения отверстия в гайке шлицевой 54 установлена заглушка 56 с уплотнительным кольцом 57. При работе двигателя, сжатый воздух через фигурные окна головки кольцевой 49 поступает в топливные горелки 38, где с помощью пустотелых лопаток 52 закручивается. Топливный газ из топливных коллекторов 37, через отверстия в радиальных стойках фигурных окон, поступает в центральные отверстия корпусов 50 горелок, где с помощью жиклеров 53 дросселируется и далее поступает к пустотелым лопаткам 52, через отверстия в лопатках поступает в межлопаточную полость, где смешивается с воздухом и далее топливо-воздушная смесь поступает в камеру смешения для получения гомогенной топливо-воздушной смеси.
Кольцо плавающее 60 (Фиг.9, 10 - в увеличенном виде), установлено в пазу кольца фиксирующего 61, состоящего из двух полуколец. Между плавающим кольцом 60 и фиксирующим кольцом 61, установлена гофрированная пружина 65. В предлагаемом устройстве, плавающее кольцо 60 может «дышать» в диаметральном направлении и с помощью гофрированной пружины 65, обеспечивать постоянный (минимальный) зазор между сопрягаемыми поверхностями при разных режимах работы не зависимо от степени износа деталей, что позволяет кольцу уплотнительному внутреннему камеры сгорания 59, перемещаться вдоль кольца плавающего 60. На внутреннем корпусе 62 соплового аппарата, кольцо фиксирующее 61 закреплено болтовым соединением 66 и имеет возможность перемещения в осевом направлении, для устранения зазора между торцами плавающего кольца 60, козырька 63 и является дополнительным уплотнением стыка. Козырек 63 закреплен болтовым соединением 67 на направляющем кольце 64 внутреннего корпуса 62 соплового аппарата турбины и имеет кольцевую проточку, для размещения переднего бурта направляющего кольца 64, что позволяет обеспечить постоянный кольцевой зазор с наружной поверхностью направляющего кольца 64. Охлаждающий воздух, проходящий через отверстия на плавающем кольце 60 и радиальные отверстия на козырьке 63, по кольцевому каналу, направляется на полки сопловых и рабочих лопаток, создавая пленочное охлаждение, что ведет к поддержанию благоприятного температурного режима трактовых поверхностей полок сопловых и рабочих лопаток с одной стороны, с другой стороны, подача минимально необходимого количества воздуха, что возможно при постоянном кольцевом зазоре, что обеспечивает необходимый ресурс лопаток и увеличивает КПД турбины.
На фланце вала турбины 68 и диска первой 69 ступени, между отверстиями под стяжные болты, выполнены сквозные отверстия А (Фиг.11, 12), для подвода воздуха из-за последней ступени компрессора высокого давления на охлаждение дисков первой 69 и второй 70 ступеней, напротив этих отверстий на левом торце ступицы промежуточного диска (экран-проставки) 71 выполнены пазы Д, соединяющие отверстия с полостью I, а на правом торце пазы Е, соединяющие полость низкого давления I, через сквозные отверстия Ж, выполненные на полотне диска второй 70 ступени и на фланце кольца лабиринтного 76 с разгрузочной полостью за диском 70 второй ступени. Для обеспечения постоянной продувки полотна дисков 69, 70, в полотне промежуточного диска 71 и в коническом ободе, выполнены перепускные отверстия Б, В и Г. На наружной поверхности обода промежуточного диска 71, размещены гребешки лабиринтного уплотнения. Движение воздуха на охлаждение дисков и в разгрузочную полость указано стрелками.
Турбина высокого давления снабжена устройством закрутки 83 (Фиг.13, 14) охлаждающего воздуха, установленном в разъемном ресивере 80, полость которого сообщена с полостью вторичного воздуха камеры сгорания 3, а ресивер 80 своими фланцами крепится к внутреннему корпусу 78 соплового аппарата первой ступени. Устройство закрутки 83 размещено в правой части ресивера 80 в виде кольцевой стенки ресивера. В кольцевой стенке проделаны конические сопла-отверстия 84 под углом к оси двигателя, сообщающиеся с разгрузочной полостью 79 и обеспечивающие закрутку охлаждающего воздуха, с целью снижения температуры и давления в относительном движении, при подаче охлаждающего воздуха через отверстия в левом дефлекторе 85 диска 69 в рабочие лопатки 72 и далее через каналы охлаждаемых рабочих лопаток в лабиринтные уплотнения на бандажной полке 93 рабочих лопаток.
Разгрузочная полость 79 (Фиг.13, 14) от осевых сил сформирована нижним лабиринтом 81, установленным на фланце вала 68 турбины высокого давления, полотном диска 69 первой ступени турбины, верхним лабиринтом, расположенным на дефлекторе 82 диска, стенкой ресивера 80 с устройством закрутки 83 и внутренним корпусом 78 соплового аппарата. На фланце вала 68 турбины высокого давления выполнены радиальные пазы 94 (Фиг.15), а на нижнем лабиринте 81 выступы, которые при сборке располагаются в пазах вала 68 и взаимно фиксируются от окружного смещения, верхний лабиринт выполнен совместно с дефлектором 82. Разгрузочная полость 79 обеспечивает ограничение расхода воздуха, поступающего через нижний лабиринт 81 от последней ступени компрессора 2 под камерой сгорания 3, ограничение утечек воздуха в проточную часть, получения требуемых осевых сил за счет ускорения охлаждающего воздуха в соплах-отверстиях 84, 89 устройства закрутки 83 и понижения давления в разгрузочной полости 79, которое соответствует статическому давлению струи охлаждающего воздуха и этот баланс давления обеспечивается отводом охлаждающего воздуха через рабочие лопатки 72 в полость в лабиринтном уплотнении на бандажной полке 93 рабочих лопаток.
Между валом 68 ротора турбины высокого давления и валом ротора низкого давления 95, установлен межвальный подшипник 96 (Фиг.15), а вал ротора низкого давления 95 установлен в подшипник 97, который находится в задней опоре турбины 98, при этом узлы межвального подшипника 96 и подшипника опоры турбины 97 низкого давления размещены за ротором высокого давления, отстоящие от камеры сгорания 3 на две ступени турбины высокого давления, и тем самым вынесены в зону пониженных давлений и температур, которые имеет воздух, поступающий для наддува лабиринтных уплотнений подшипников от промежуточной ступени компрессора 2 высокого давления, что благоприятно сказывается на температурном состоянии подшипников, исключает коксование масла, повышает надежность и ресурс подшипникового узла.
Переходной канал 99 (Фиг.16) от турбины газогенератора 7 к свободной турбине 8, содержащий наружный 100 и внутренний 101 корпуса с фланцами крепления к турбине газогенератора 7 и свободной турбине 8, исполнен с оптимизацией наружного и внутреннего обводов канала, для уменьшения газодинамических потерь. Наружный корпус 100 выполнен с двухсторонним жестким фланцевым соединением, обеспечивающим герметичность стыков наружного корпуса 100 с кольцами турбин газогенератора 7 и свободной турбины 8 и предотвращает утечки газа из переходного канала 99. Внутренний корпус 101 переходного канала 99 одновременно является внутренним корпусом соплового аппарата первой ступени свободной турбины и соединяется телескопическим соединением опорным кольцом 102 задней опоры газогенератора 98, которое позволяет компенсировать неравномерность нагрева и осевого расширения наружного 100 и внутреннего 101 корпусов переходного канала 99.
Свободная турбина 5, (Фиг.17) состоящая из сопловых аппаратов 103, ротора с дисками 104, рабочими лопатками 105 и опоры свободной турбины 106, спроектирована таким образом, чтобы получить максимально-возможный мощностной КПД, путем снижения выходной потери скорости рабочего тела. Для этого проточная часть турбины 4 выполнена с углом раскрытия проточной части 107 турбины в меридиональном сечении 13° и соответственно отношении среднего диаметра 108 рабочего колеса последней ступени 110 силовой турбины 5 к высоте 109 рабочей лопатки 105 на выходе из турбины. При таком угле раскрытия проточной части 107 появилась возможность снизить выходную приведенную скорость λ до 0.38…0.39 и поднять мощностной КПД турбины. Однако в такой конструкции турбины появились значительные динамические напряжения в рабочих лопатках последней ступени турбины. Для сохранения высокого КПД турбины и выполнения требований прочности, вместо установки наряду с применением бандажных, демпфирующих полок на периферии рабочих лопаток дополнительных кольцевые проволочные связей или кольцевые вставки (как это делают в паровых турбинах) минимальная толщина полотна диска 111 последней ступени турбины выбрана равной ширине пера 112 рабочей лопатки последней ступени 110 силовой турбины 5 в корневом сечении, что позволило выполнить условия прочности рабочих лопаток. Динамические напряжения в рабочих лопатках турбин, особенно в силовых турбинах и турбинах низкого давления, в значительной мере зависят от толщины полотна диска. В практике проектирования для соблюдения ограничений по динамической прочности толщину полотна диска выбирают из условия отсутствия резонансов облопаченного колеса турбины с опасными гармониками возбуждающих нагрузок. Выбор минимальной толщины 111 диска 110 равной максимальной ширине 112 рабочей лопатки 105 позволяет решить проблему прочности рабочих лопаток последней ступени турбины.
В опоре свободной турбины 5 (Фиг.18) совмещены две системы: одна система измерения частоты вращения ротора турбины, состоящая из двух преобразователей частоты вращения 113 (второй преобразователь частоты вращения проходит через стойку опоры свободной турбины под углом 60 относительно первого), каждый из которых содержит бесконтактный датчик 114, электрический кабель 115, трубчатый корпус 116 преобразователя частоты вращения 113 и вторая система суфлирования масла. В стойке опоры свободной турбины 5 проложен герметичный трубчатый корпус 116 преобразователя частоты вращения 113, внутри которого дополнительно проложена герметично соединенная с бесконтактным датчиком 114 трубка 117, служащая для вывода и проводки электрического кабеля 115 от бесконтактного датчика 114 преобразователя частоты вращения 113 к считывающему устройству. Между трубчатым корпусом 116 и трубкой 117 осуществляется суфлирование масляной системы. Применение двух преобразователей частоты вращения повышает надежность системы измерения частоты вращения ротора (при отказе одного из датчиков, продолжает работать второй датчик). Трубчатый корпус 116 преобразователя частоты вращения 113 и трубка 117 защищают электрический кабель 115, проложенный внутри трубки 117 от воздействия высоких температур окружающей среды в опоре свободной турбины 5. При этом масляно-воздушная смесь суфлирующей массы, которая перемещается между трубками играет роль охлаждающей среды.
Разработанная конструкция двигателя ГТД-25СТА позволила:
- повысить удельные параметры, КПД и надежность двигателя;
- снизить температуру подшипникового узла турбины;
- повысить эффективность охлаждения турбины с одновременной настройкой осевых сил, действующих на ротор высокого давления;
- увеличить ресурс горячей части двигателя, включая лопатки и диски турбин высокого и низкого давления до 100000 часов;
- предотвратить утечки газа из проточной части турбины в переходном канале между газогенератором и свободной турбины, за счет применения жесткого стыка и улучшить условия работы в рабочем отсеке ГПА;
- обеспечить необходимую прочность диска последней ступени от динамических нагрузок;
- сохранить ось двигателя в неизменном положении при работе двигателя.