Двухконтурная система охлаждения ротора турбины
DUAL-CYCLE TURBINE ROTOR COOLING SYSTEM

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к двухконтурным системам охлаждения ротора турбины и может найти применение при изготовлении высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.
Возможность реализации перспективных параметров газотурбинных двигателей существенно зависит от работоспособности рабочих лопаток высокотемпературной турбины. Охлаждение рабочих лопаток осуществляется в условиях повышающейся температуры газа, росте температуры охлаждающего воздуха, нарастании силовой напряженности и ограничений расхода воздуха. Особое внимание уделяется возможности оптимизации системы охлаждения, которая обеспечивала бы необходимый температурный режим на взлетном режиме и снижение расхода воздуха на крейсерских режимах. Наиболее перспективным в настоящее время является струйная двухконтурная система охлаждения, представляющая собой сочетание в одной лопатке низкоперепадной и высокоперепадной схем охлаждения.
Известна система охлаждения ротора турбины, включающая рабочие лопатки, в каждой из которых выполнен соответственно центральный гладкий канал пера лопатки, кольцевое закручивающее пневматическое устройство, расположенное на статоре напротив турбины с расположенными по окружности соплами, предназначенными для прерывистого подвода охлаждающего воздуха к каналам каждой лопатки, воздушную полость, расположенную в камере сгорания и сообщенную при помощи соответствующего канала с кольцевым закручивающим пневматическим устройством (патент RU 2562361, 2015 г.). В известном техническом решении в результате периодического движения ударных волн из сопел закручивающего пневматического устройства в каналах рабочих лопаток возбуждаются вынужденные колебания охлаждающего воздуха с частотой, определяемой условиями резонанса, что позволяет интенсифицировать процесс теплообмена между лопатками и охлаждающим воздухом, обеспечивая при этом экономичность газотурбинного двигателя. Известное техническое решение реализует схема струйного низкоперепадного охлаждения. Недостатком известного технического решения являются ограниченные технические возможности, заключающиеся в том, что система не предназначена для охлаждения многоканальных рабочих лопаток.
Известна двухконтурная система охлаждения ротора турбины, включающая рабочие лопатки, в каждой из которых выполнены соответственно каналы входной и выходной кромок и центральный канал, кольцевое закручивающее пневматическое устройство со средствами передачи вихревого потока охлаждающего воздуха, предназначенными для подвода охлаждающего воздуха к каналам каждой лопатки, кольцевую полость, образованную статором и роторной частью между компрессором и турбиной, внутренний кольцевой канал, образованный диском рабочего колеса турбины и покрывным кольцевым элементом, и по крайней мере одно лабиринтное уплотнение, установленное на покрывном диске и ограничивающее внешнюю кольцевую полость (патент US 3635586, 1972 г.). В известном техническом решении входы кольцевой полости и внутреннего кольцевого канала сообщены с выходами соответствующих средств передачи потока закручивающего пневматического устройства, а выходы кольцевой полости и внутреннего кольцевого канала сообщены с соответствующими каналами рабочих лопаток. Охлаждающий воздух высокого давления отбирается из компрессора, по соответствующему каналу поступает в закручивающее пневматическое устройство, после выхода из которого разделяется на два потока. Первый поток поступает в центральный канал лопатки, а второй - в каналы входной и выходной кромок.
Недостатком известного технического решения является выполнение соответствующих средств передачи вихревого потока охлаждающего воздуха для каналов входной и выходной кромок и для центральных каналов лопаток, разделяющих охлаждающий воздух на два потока, что усложняет конструкцию системы.
Известна двухконтурная система охлаждения ротора турбины, включающая рабочие лопатки, в каждой из которых выполнены соответственно каналы входной и выходной кромок и центральный канал, кольцевое закручивающее пневматическое устройство со средствами передачи вихревого потока охлаждающего воздуха, предназначенными для подвода охлаждающего воздуха к каналам каждой лопатки, кольцевую полость, образованную статором и роторной частью между компрессором и турбиной, и по крайней мере одно лабиринтное уплотнение, ограничивающее кольцевую полость, и сквозные каналы, выполненные в диске ротора турбины, вход каждого из которых сообщен с выходом кольцевой полости, а выход - с каналами каждой лопатки (Jet Engine Design: Turbine Cooling, Aerodynamics Technology, May 1, 2013). В известном техническом решении охлаждающий воздух высокого давления отбирается из компрессора по соответствующему каналу и на выходе разделяется на два потока. Первый поток поступает в закручивающее пневматическое устройство после выхода из которого через кольцевую полость и сквозные каналы в диске ротора турбины поступает в каналы входной и выходной кромок и центральный канал. Второй поток направляется на охлаждение внешней поверхности диска ротора турбины.
Наиболее близкой по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является двухконтурная система охлаждения ротора турбины, включающая рабочие лопатки, в каждой из которых выполнены соответственно канал входной кромки, канал выходной кромки и центральный канал пера лопатки, кольцевое закручивающее пневматическое устройство с расположенными по окружности соплами, предназначенными для прерывистого подвода охлаждающего воздуха к каналам каждой лопатки, внешнюю кольцевую полость, образованную статором и роторной частью между компрессором и турбиной, внутреннюю кольцевую полость, образованную диском рабочего колеса турбины и покрывным диском с выполненными в нем по окружности сквозными отверстиями, и по крайней мере одно лабиринтное уплотнение, установленное на покрывном диске и ограничивающее внешнюю кольцевую полость (патент RU 2443869, 2012 г.). В известном техническом решении система снабжена холодильником, сообщенным при помощи пневмопривода с проточной частью двигателя, расположенной за компрессором. Выход холодильника сообщен соответственно с внешней кольцевой полостью и с кольцевым закручивающим устройством. При этом подача охлаждающего воздуха во входные кромки лопаток осуществляется через телескопические трубчатые пневмопроводы, а лабиринтное уплотнение установлено с определенным зазором для гарантированного пропуска расчетного количества воздуха.
Общим существенным недостатком указанных выше известных технических решений является реализация высокоперепадной схемы охлаждения, что снижает эффективность работы системы, поскольку использование воздуха высокого давления повышает расходы энергии на сжатие воздуха.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в разработке двухконтурной системы охлаждения ротора турбины, обеспечивающей повышение эффективности работы системы за счет сочетания в лопатке низкоперепадной и высокоперепадной схем охлаждения.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании двухконтурной системы охлаждения ротора турбины, обеспечивающей повышение эффективности работы системы за счет сочетания в лопатке низкоперепадной и высокоперепадной схем охлаждения.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в двухконтурной системе охлаждения ротора турбины, содержащей рабочие лопатки, в каждой из которых выполнены соответственно канал входной кромки, канал выходной кромки и центральный канал пера лопатки, кольцевое закручивающее пневматическое устройство с расположенными по окружности соплами, предназначенными для прерывистого подвода охлаждающего воздуха к каналам каждой лопатки, внешнюю кольцевую полость, образованную статором и роторной частью между компрессором и турбиной, внутреннюю кольцевую полость, образованную диском рабочего колеса турбины и покрывным диском с выполненными в нем по окружности сквозными отверстиями, и по крайней мере одно лабиринтное уплотнение, установленное на покрывном диске и ограничивающее внешнюю кольцевую полость, согласно предлагаемому изобретению вход внешней кольцевой полости сообщен с воздушной полостью камеры сгорания, а выход - со входом кольцевого закручивающего пневматического устройства, сопла последнего сообщены с каналом входной кромки и центральным каналом пера каждой лопатки, а система снабжена пневмоканалом, вход которого сообщен с проточной частью компрессора, а выход через сквозные отверстия в покрывном диске со входом во внутреннюю полость, дополнительными сквозными пневмоканалами, выполненными в диске ротора турбины, вход каждого из которых сообщен с выходом внутренней кольцевой полости, а выход - с каналом выходной кромки каждой лопатки, и дросселем, предназначенным для обеспечения требуемого расхода воздуха и установленного в пневмоканале.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
- сообщение входа внешней кольцевой полости с воздушной полостью камеры сгорания, а выхода - со входом кольцевого закручивающего пневматического устройства, сопла которого сообщены с каналом входной кромки и центральным каналом пера каждой лопатки обеспечивает реализацию в лопатке высокоперепадной схемы охлаждения;
- снабжение системы пневмоканалом, вход которого сообщен с проточной частью компрессора, а выход через сквозные отверстия в покрывном диске со входом во внутреннюю полость и дополнительными сквозными пневмоканалами, выполненными в диске ротора турбины, вход каждого из которых сообщен с выходом внутренней кольцевой полости, а выход - с каналом выходной кромки каждой лопатки обеспечивает реализацию в лопатке низкоперепадной схемы охлаждения;
- снабжение системы дросселем, установленным в пневмоканале обеспечивает возможность регулирования расчетного количества требуемого расхода охлаждающего воздуха.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием со ссылкой на иллюстрации, где:
- на фигуре 1 представлено поперечное сечение А - А рабочей лопатки на фиг. 2;
- на фигуре 2 представлена схема выполнения двухконтурной системы охлаждения ротора турбины;
- на фигуре 3 представлен вид Б на фиг. 2.
На фигурах 1-3 приняты следующие обозначения:
1 - рабочая лопатка;
2 - канал входной кромки лопатки;
3 - канал выходной кромки лопатки;
4 - центральный канал лопатки;
5 - перо лопатки;
6 - кольцевое закручивающее пневматическое устройство;
7 - сопла закручивающего пневматического устройства;
8 - внешняя кольцевая полость;
9 - статор;
10 - роторная часть турбины;
11 - компрессор;
12 - внутренняя кольцевая полость;
13 - диск рабочего колеса турбины;
14 - покрывной диск;
15 - камера сгорания;
16, 17 - трубопроводы;
18 - дроссель;
19 - сквозные отверстия покрывного диска
14; 20 - дополнительные пневмоканалы;
21 - лабиринтное уплотнение.
Двухконтурная система охлаждения ротора турбины включает рабочие лопатки 1, в каждой из которых выполнены соответственно канал 2 входной кромки, канал 3 выходной кромки и центральный канал 4 пера 5 лопатки 1 (см. фиг. 1). Кроме того, система содержит кольцевое закручивающее пневматическое устройство 6 с расположенными по окружности соплами 7, предназначенными для прерывистого подвода охлаждающего воздуха к каналам каждой лопатки 1, внешнюю кольцевую полость 8, образованную статором 9 и роторной частью 10 между компрессором 11 и турбиной (на чертеже не показана), а также внутреннюю кольцевую полость 12, образованную диском 13 рабочего колеса турбины и покрывным диском 14. Передняя часть камеры 15 сгорания при помощи трубопровода 16 сообщена с закручивающим пневматическим устройством 6, а компрессор 11 при помощи трубопровода 17 сообщен с размещенным на его выходе дросселем 18 (см. фиг. 2). По окружности покрывного диска 14 выполнены сквозные отверстия 19, предназначенные для подачи воздуха от выхода дросселя 18 на вход внутренней кольцевой полости 12. В диске 13 рабочего колеса турбины выполнены дополнительные пневмоканалы 20, вход каждого из которых сообщен с входом внутренней кольцевой полости 12, а выход - с каналом 3 выходной кромки каждой из лопаток 1. Кроме того, на покрывном диске 14 установлено по крайней мере одно лабиринтное уплотнение 21, ограничивающее внешнюю кольцевую полость 8 (см. фиг. 3).
Двухконтурная система охлаждения ротора турбины работает следующим образом.
Температура выходной кромки лопатки 1 меньше температуры входной кромки. Следовательно, для охлаждения выходных кромок возможно использовать воздух с более низкой температурой и давлением. Для этого воздух в каналы 3 выходных кромок отбирается от промежуточной ступени компрессора 11 и по трубопроводу 17 через дроссель 18 и отверстия 19 покрывного диска 14 поступает во внутреннюю кольцевую полость 12. При этом дроссель 18 обеспечивает возможность регулирования расчетного количества охлаждающего воздуха. Далее по дополнительным пневмоканалам 20 в диске 13 рабочего колеса турбины осуществляется торцевой подвод воздуха, который поступает в каналы 3 выходных кромок лопаток 1. При этом возможные утечки из внутренней кольцевой полости 12 утилизируются во внешнюю кольцевую полость 8, что обеспечивает повышение экономичности работы двигателя. Таким образом, реализуется схема низкоперепадного подвода охлаждающего воздуха с обеспечением конвективного охлаждения поверхности рабочих лопаток 1.
Для охлаждения входных кромок в каналы 2 и в центральные каналы 4 воздух отбирается из передней части камеры сгорания 15, откуда по трубопроводу 16 воздух поступает в кольцевое закручивающее пневматическое устройство 6 и через сопла 7 закручивающего пневматического устройства 6 во внешнюю кольцевую полость 8. В процессе закручивания потока воздуха последний охлаждается, и реализуется схема бокового высокоперепадного подвода охлаждающего воздуха в каналы 2 входных кромок и в центральные каналы 4 лопаток 1. При этом эффективность охлаждения повышается за счет одновременного применения проникающего и пульсирующего охлаждения на гладких радиально расположенных каналах 2 входных кромок рабочих лопаток 1.
Таким образом, оптимизация теплообмена между охлаждающим воздухом в каналах и лопаткой путем сообщения внешней кольцевой полости с полостью камеры сгорания и с входом кольцевого закручивающего пневматического устройства, сопла которого сообщены с каналом входной кромки и центральным каналом пера каждой лопатки и снабжение системы пневмоканалом с проточной частью компрессора и через сквозные отверстия в покрывном диске с внутренней полостью, а также снабжение дополнительными сквозными пневмоканалами, выполненными в диске ротора турбины и сообщенными с внутренней кольцевой полостью и с каналом выходной кромки каждой лопатки, и размещением в пневмоканале дросселя, предназначенного для обеспечения системы требуемым расходом воздуха, обеспечивает повышение эффективности работы системы за счет сочетания в лопатке низкоперепадной и высокоперепадной схем охлаждения.