УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУШНЫМИ СТРУЯМИ КАРТЕРА ТУРБИНЫ
TURBO CRANKCASE AIR JET COOLING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области охлаждения картера турбины.
В частности, настоящее изобретение относится к устройству охлаждения воздушными струями картера турбины, предпочтительно турбины низкого давления газотурбинного двигателя.
Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, оснащенному таким устройством.
Уровень техники
Как показано на прилагаемых фиг. 1 и 2, где представлено известное техническое решение, турбина низкого давления газотурбинного двигателя защищена картером С общей расширяющейся формы по существу в виде усеченного конуса. Этот картер охлаждается с использованием технологии принудительного охлаждения.
Картер С оснащен одной или несколькими камерами В питания сжатым воздухом, каждая из которых соединена с несколькими трубопроводами R охлаждения.
В варианте осуществления, представленном на этих фигурах, картер С оснащен двумя камерами В, отстоящими друг от друга примерно на 180° (на фиг. 2 видна только одна камера). Кроме того, каждая камера В оснащена пятью трубопроводами R охлаждения, содержащими по две трубы Т на один трубопровод, при этом каждая труба расположена примерно на 90°.
Как показано в проекции снизу камеры В на прилагаемой фиг. 4, трубы Т, а также камеры В содержат ряд мелких отверстий О, выходящих напротив наружной поверхности картера. Таким образом, сжатый воздух, проходящий через эти отверстия О, обеспечивает принудительную вентиляцию картера С.
Кроме того, как показано на прилагаемой фиг. 3 и на фиг. 4, каждая труба Т соединена с камерой В через цилиндрическую втулку D. Каждая труба Т закреплена во втулке D посредством пайки, и каждая втулка D закреплена в камере В посредством пайки.
Однако как можно заметить на фиг. 4, камера В не имеет отверстий О на своих двух концах, и втулки D тоже не имеют отверстий. Следовательно, с каждой стороны камеры В между первым отверстием О камеры В и первым отверстием О трубы Т существует зона Z1, в которой нет отверстий, следовательно, через нее не происходит нагнетания воздуха, и находящийся напротив кожух картера не охлаждается.
Кроме того, на самой большой части своей длины трубы Т имеют криволинейную (изогнутую) форму, которая по существу следует кривизне картера С. Однако, чтобы обеспечивать правильную пайку трубы Т во втулке D, в зоне Z2 конец трубы является прямолинейным (см. фиг. 3).
Следовательно, зазор между трубой Т трубопровода R охлаждения и кожухом (наружной поверхностью) картера С не является постоянным по всей окружности картера, и трубопровод охлаждения удаляется от кожуха картера, что отрицательно сказывается на охлаждении. Отмечается, что необходимый зазор Е1 между трубой и картером может принимать возрастающие значения Е2 и даже Е3 по мере приближения к втулке D. Например, при зазоре Е1 в 3,5 мм, значения Е2 и Е3 могут достигать соответственно 4,8 мм и 8,5 мм.
Изменение зазора происходит также между дном камеры В, которое находится ближе к кожуху картера (С) (зазор Е4), и концом трубы Т в месте, где она закреплена пайкой во втулке D (зазор Е3).
Однако чтобы принудительное охлаждение воздушными струями было эффективным, необходимо, чтобы этот зазор был не только постоянным, но также имел небольшое значение, определенное техническими требованиями к картеру (как правило, порядка 2 мм - 3,5 мм).
Таким образом, вблизи каждой камеры В наблюдается отсутствие охлаждения картера С в двух зонах Z1 длиной порядка 25 мм, то есть 50 мм, и плохое охлаждение в двух зонах Z2 длиной порядка 60 мм, то есть 120 мм.
Эти не охлаждаемые или плохо охлаждаемые зоны можно умножить на число камер В, расположенных вокруг картера С, которое в некоторых вариантах осуществления может быть равно четырем.
Наконец, операции монтажа и обслуживания охлаждающих трубопроводов R охлаждения на картере С могут потенциально создавать сильные напряжения на местах спайки между втулками D и камерой В или между втулками D и трубопроводами R охлаждения. Следовательно, существует риск преждевременного повреждения указанных трубопроводов.
Из документа US 2014/109596 известно также устройство охлаждения воздушными струями картера турбины, которое содержит камеру питания воздухом и по меньшей мере один охлаждающий трубопровод, содержащий две трубы, расположенные с двух сторон от камеры.
Однако боковые стенки этой камеры не продолжены трубчатыми муфтами, выполненными моноблочно с указанными боковыми стенками и расположенными таким образом, чтобы их днища находились на одном уровне с дном камеры. Следовательно, зазор между наружной стенкой картера и дном камеры, с одной стороны, и зазор между наружной стенкой картера и охлаждающими трубами не являются идентичными, что не позволяет обеспечить оптимальное охлаждение.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков известных технических решений.
В частности, изобретение призвано предложить устройство охлаждения картера турбины воздушными струями, которое обеспечивает равномерное охлаждение картера, то есть обеспечивает максимально возможный постоянный зазор между трубопроводом охлаждения и наружной поверхностью картера.
Изобретение призвано также предложить устройство, позволяющее охлаждать более значительную часть наружной поверхности (кожуха) указанного картера, чем при помощи известных устройств, и увеличить таким образом срок службы картера.
Наконец, изобретение призвано также упростить способ изготовления охлаждающих трубопроводов и получить устройство охлаждения более высокой механической прочности.
В связи с вышеизложенным, объектом изобретения является устройство охлаждения воздушными струями картера турбины, предпочтительно турбины низкого давления газотурбинного двигателя, содержащее камеру питания сжатым воздухом и по меньшей мере одну трубопровод охлаждения, содержащий две охлаждающие трубы, расположенные с двух сторон от указанной камеры, при этом указанная камера содержит дно, две продольные боковые стенки, две концевые входную и выходную стенки и верхнюю стенку, и в указанном дне камеры выполнены отверстия для нагнетания воздуха, расположенные таким образом, чтобы выходить в сторону картера, вокруг которого должно быть расположено указанное устройство охлаждения, при этом каждая охлаждающая труба является изогнутой, расположена вокруг части картера и на расстоянии от него и имеет отверстия для нагнетания воздуха, выходящие в сторону картера.
Согласно изобретению, каждая из указанных боковых стенок продолжена наружу по меньшей мере одной трубчатой муфтой, выполненной моноблочно с указанной боковой стенкой, при этом каждая муфта расположена на указанной боковой стенке таким образом, чтобы ее дно находилось на том же уровне, что и указанное дно камеры, в месте их соединения, и каждая муфта выполнена и рассчитана таким образом, чтобы с ней можно было соединить одну из охлаждающих труб.
Благодаря этим отличительным признакам изобретения, зазор между картером и дном камеры и между картером и трубами трубопровода охлаждения является практически постоянным, что обеспечивает лучшее охлаждение. Кроме того, выполнение камеры моноблочно с муфтами конструктивно усиливает весь узел.
Согласно другим предпочтительным и неограничивающим отличительным признакам изобретения, рассматриваемым отдельно или в комбинации:
- по меньшей мере на части длины муфты в ее дне выполнены отверстия для нагнетания воздуха, расположенные таким образом, что выходят в сторону картера, вокруг которого должно быть расположено указанное устройство;
- отверстия для нагнетания воздуха, выполненные в дне камеры, находятся на одной линии с отверстиями для нагнетания воздуха, выполненными в муфтах, и с отверстиями для нагнетания воздуха, выполненными в охлаждающих трубах;
- дно камеры и муфты являются изогнутыми с двух сторон от центральной продольной оси камеры таким образом, чтобы следовать форме контура картера, вокруг которого должно быть расположено указанное устройство охлаждения, и чтобы между наружной поверхностью указанного картера, с одной стороны, и дном камеры и днищами муфт, с другой стороны, существовал постоянный или по существу постоянный зазор;
- каждая муфта имеет зону соединения с боковой стенкой камеры, и эта зона соединения расширяется от муфты в направлении боковой стенки камеры и на участке ее окружности, отличном от участка окружности дна муфты;
- указанная верхняя стенка камеры образована присоединенной крышкой, закрепленной на боковых и концевых стенках указанной камеры;
- крышка закреплена на боковых и концевых стенках указанной камеры посредством сварки или пайки;
- трубы трубопроводов охлаждения вставлены в свободный конец муфт и соединены с ним посредством пайки.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий турбину, в частности, турбину низкого давления, окруженную картером, который содержит вышеупомянутое устройство охлаждения воздушными струями указанного картера.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые в качестве неограничивающего примера иллюстрируют возможный вариант осуществления.
На фиг. 1 показана часть картера турбины газотурбинного двигателя, оснащенного трубопроводами охлаждения согласно известному решению, вид в перспективе;
на фиг. 2 показана камера питания воздухом и трубопроводы охлаждения согласно известному решению, вид в перспективе;
на фиг. 3 показана камера питания воздухом и часть трубопроводов охлаждения согласно известному решению, вид спереди;
на фиг. 4 показана камера питания воздухом и часть трубопроводов охлаждения согласно известному решению, вид в перспективе снизу;
на фиг. 5 показана часть трубопроводов охлаждения и камера питания воздухом в соответствии с изобретением, вид в перспективе спереди;
на фиг. 6 детально показана зона внутри камеры, обозначенная позицией А на фиг. 5;
на фиг. 7 показан вид, аналогичный фиг. 5, с изображением крышки камеры питания;
на фиг. 8 показана часть трубопроводов охлаждения и камера питания воздухом в соответствии с изобретением, вид в перспективе снизу;
на фиг. 9 показана деталь, изображенная на фиг. 8.
Осуществление изобретения
Показанное на фиг. 5 устройство 2 охлаждения в соответствии с изобретением позволяет охлаждать картер 1 турбины. Этот картер 1 имеет расширяющуюся форму и, как правило, содержит несколько последовательных участков в виде усеченного конуса. Он имеет входной конец 11 и выходной конец 12 относительно направления прохождения газов в турбине. Его наружная поверхность (кожух) обозначена позицией 13.
Устройство 2 охлаждения содержит камеру 3 питания сжатым воздухом и по меньшей мере один трубопровод 4 охлаждения.
Каждый трубопровод 4 охлаждения содержит две трубы 40.
Предпочтительно устройство 2 охлаждения содержит несколько трубопроводов 4 охлаждения, например, пять трубопроводов охлаждения на фиг. 5, 7 и 8, распределенных вокруг картера 1 между его входом и выходом.
Как было указано выше для известного устройства, картер 1 может быть оснащен двумя устройствами 2 охлаждения, например, с двумя камерами 3, расположенными на угловом расстоянии 180° друг от друга, при этом трубы 40 трубопроводов охлаждения расположены с каждой стороны этой камеры примерно на 90°. Картер 1 может быть также оснащен четырьмя камерами 3 охлаждения, и в этом случае трубы 40 трубопроводов охлаждения проходят на меньшей угловой поверхности.
Камера 3 соединена с не показанным на фигурах источником питания сжатым воздухом.
Как показано на фиг. 5, эта камера 3 расположена снаружи наружной поверхности 13 картера 1 и на расстоянии от этой наружной поверхности. Эта камера 3, а также трубопроводы 4 охлаждения закреплены на картере 1, например, при помощи не показанных на фигурах фланцев. Можно также предусмотреть и другие варианты крепления камеры.
Камера 3 содержит дно 31, две продольные боковые стенки 32, 33, расположенные с двух сторон от дна 31, и два концевые стенки, входную 35 и выходную 34.
Каждая из указанных входной 35 и выходной 34 стенок соединяет дно 31 с входным, соответственно выходным концами двух продольных боковых стенок 32, 33. Наконец, камера 3 закрыта верхней стенкой 36, не показанной на фиг. 5.
В примере осуществления, представленном на фиг. 7, эта верхняя стенка 36 выполнена в виде присоединяемой крышки, закрепляемой на боковых стенках 32, 33 и на входной 35 и выходной 34 стенках, предпочтительно посредством сварки или пайки.
Вместе с тем, в другом, не показанном на фигурах варианте осуществления верхняя стенка 36 может быть выполнена за одно целое, то есть в виде единой детали с другими стенками 32, 33, 34 и 35. В этом случае камеру можно предпочтительно изготовить посредством литья или прямого изготовления (например, с применением аддитивной технологии).
Дно 31 выполнено таким образом, чтобы располагаться на небольшим расстоянии от картера 1, который имеет расширяющуюся форму, причем, по возможности, с постоянным зазором. По этой причине дно 31 наклонено от входа к выходу, чтобы следовать усеченной конусной или по существу усеченной конусной форме картера 1.
Дно 31 камеры 3 имеет центральную продольную ось Х-Х' (показана только на фиг.7).
В варианте осуществления, представленном на фигурах и более наглядно показанном на фиг. 5 и 7, входная 35 и выходная 34 концевые стенки являются параллельными между собой или по существу параллельными между собой. С учетом наклона дна 31 входная стенка 35 образует с ним острый угол, а выходная стенка 34 - тупой угол.
Как показано на фиг. 7, крышка 36 содержит верхнюю стенку 361, две продольные боковые стенки 362, 363 треугольной формы, расположенные с двух сторон от верхней стенки 361, и две концевые стенки, соответственно входную 365 и выходную 364, соединяющие две стенки 362, 363.
В одной из боковых стенок, например, в стенке 362, выполнено отверстие 366. Оно позволяет соединить камеру 3 с источником питания сжатым воздухом.
Не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть и другие формы крышек. Соединение с источником питания сжатым воздухом можно предусмотреть на любой стороне камеры 3, за исключением дна 31.
Согласно изобретению, каждая из указанных боковых стенок 32, 33 камеры 3 продолжена наружу по меньшей мере одной трубчатой муфтой, выполненной за одно целое (моноблочно) с указанной боковой стенкой.
Количество муфт соответствует количеству трубопроводов 4 охлаждения.
В примере, представленном на фигурах, имеется пять трубопроводов 4 охлаждения и, следовательно, на каждой боковой стенке 32, соответственно 33, выполнено пять муфт, обозначенных от входа к выходу позициями 321, 322, 323, 324 и 325 для муфт, выполненных на стенке 32, и соответственно позициями 331, 332, 333, 334 и 335 для муфт, выполненных на стенке 33.
Таким образом, муфты выполнены моноблочно с камерой 3. Это позволяет отказаться от пайки, которую выполняли между втулками и камерой в известных устройствах охлаждения. Камера 3 в соответствии с изобретением обеспечивает конструктивное усиление узла трубопровода охлаждения, поскольку не имеет мест спайки между камерой и втулками, которые являлись точками ослабления.
Камеру 3 вместе с муфтами 321-325 и 331-335 предпочтительно изготавливают посредством литья или с применением способов аддитивного изготовления, таких как лазерное сплавление, так как эти способы наиболее подходят для деталей сложной геометрии.
Трубы 40 посажены в каждую из указанных муфт 321-325 и 331-335 и закреплены в них предпочтительно посредством пайки. Соответственно рассчитаны выходные диаметры указанных муфт.
Кроме того, каждая муфта расположена на боковой стенке 32, 33 таким образом, чтобы участок ее окружности, называемый «дном муфты» (иначе говоря, ее нижняя часть, которая должна находиться напротив наружной поверхности 13 картера 1 после установки на место устройства охлаждения), находился на том же уровне, что и дно 31 камеры, в месте их соединения.
Днища муфт показаны в проекции снизу на фиг. 8. Они обозначены соответственно позициями 3210, 3220, 3230, 3240 и 3250 для муфт 321-325 и позициями 3310, 3320, 3330, 3340 и 3350 для муфт 331-335.
Как показано на фиг. 9, в каждой трубе 40 выполнено множество отверстий 41 для нагнетания воздуха.
Как более наглядно показано на фиг. 8 и 9, в дне 31 камеры 3 выполнен ряд охлаждающих отверстий 37, предпочтительно расположенных в линию и предпочтительно по всей ее ширине L.
«Вся ширина L» соответствует расстоянию от точки, где дно 31 соединяется с боковой стенкой 32 (или, в частности, с одной из муфт 321-325), до точки, где дно 31 соединяется со стенкой 33 (или, в частности, с одной из муфт 331-335).
Трубы 40 расположены таким образом, чтобы их охлаждающие отверстия 41 находились на одной линии с отверстиями 37.
Предпочтительно каждая муфта 321-325 и 331-335 тоже имеет охлаждающие отверстия 38, расположенные на одной линии с охлаждающими отверстиями 37 камеры. Эти отверстия 38 выполнены по всей длине муфты, за исключением ее устья, на уровне которого посажена и закреплена пайкой труба 40. Отверстия 38 выполнены вдоль днищ 3210-3250 и 3310-3350 муфт.
На дне 31 камеры 3 количество линий охлаждающих отверстий 37 соответствует количеству трубопроводов 4 охлаждения.
Кроме того, каждая труба 40 изогнута, то есть имеет форму дуги окружности, радиус которой слегка превышает радиус участка картера, напротив которого она должна находиться. Предпочтительно дно 31 камеры является изогнутым с двух сторон от центральной оси X-X' таким образом, что его вогнутость обращена к поверхности картера 1, по существу повторяя форму картера 1 в месте, напротив которого должна располагаться камера.
Иначе говоря, как показано на фиг. 7, стороны дна 31, расположенные справа и слева от центральной оси X-X', находятся ниже, чем центр дна, который проходит вдоль указанной оси X-X'.
Точно так же, предпочтительно муфты 321-325 и 331-335 изогнуты таким образом, чтобы их вогнутая часть, которая соответствует их соответствующим днищам (линиям дна) 3210-3250 и 3310-3350, была обращена к наружной поверхности 13 картера, по существу повторяя форму картера в месте, напротив которого они находятся.
Этот признак в сочетании с тем, что дно каждой муфты 321-325 и 331-335 находится на той же высоте, что и дно 31 камеры 3, позволяет добиться равномерного охлаждения картера 1, поскольку различные отверстия 37 для нагнетания воздуха дна 31 и отверстия 38 муфт находятся на постоянном или почти постоянном расстоянии (зазор Е5) от наружной поверхности картера 1.
Предпочтительно этот зазор Е5 рассчитан таким образом, что является равным или по существу равным зазору Е6 между трубой 40 (или ее охлаждающими отверстиями 41) и наружной поверхностью 13 картера 1. Разность между двумя зазорами связана с толщиной муфты.
Предпочтительно зазоры Е5 и Е6 составляют от 2 мм до 4,5 мм, предпочтительно равны 3,5 мм.
Кроме того, зона Z3 между последним охлаждающим отверстием 38 и первым отверстием 41, в которой нет охлаждающих отверстий, имеет меньшую длину, чем зона Z1 известных охлаждающих устройств (см. фиг. 4 и 9). Это позволяет охлаждать более значительную часть картера 1.
Наконец, предпочтительно, как наглядно показано на фиг. 5 и 6, каждая муфта 321-325 и 331-335 имеет зону соединения с боковой стенкой 32, 33 камеры 3. Эта зона соединения расширяется от муфты в направлении указанных боковых стенок 32, 33, кроме места на уровне дна муфты. Зоны соединения муфт 321-325 и 331-335 обозначены соответственно 3211, 3221, 3231, 3241, 3251 и 3311, 3321, 3331, 3341 и 3351 (на фиг. 8 позиция 3311 не показана).
Иначе говоря, радиус R2 расширяющейся зоны соединения на уровне, где она соединяется с боковой стенкой 32, 33, превышает радиус R1 устья муфты в месте, где она соединяется с указанной зоной соединения (см. фиг. 6).
Это позволяет значительно сократить потери напора между камерой и трубами различных трубопроводов охлаждения, поскольку размеры зоны соединения уменьшаются постепенно.
Кроме различных вышеупомянутых преимуществ изобретения, можно отметить, что способ изготовления охлаждающего устройства упростился, так как содержит меньше операций пайки, чем в случае известного устройства.
Кроме того, устройство является более прочным, что позволяет сократить длительность и частотность операций ремонта и обслуживания.
Наконец, поскольку картер охлаждается лучше, его срок службы увеличивается.