Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя
COOLED TURBINE OF DOUBLE-FLOW GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных двигателей, в частности к двигателям, применяемым, в качестве привода газоперекачивающих агрегатов и энергоустановок и может быть использовано при разработке энергоустановок с охлаждением масла в замкнутой циркуляционной системе и для модернизации нагревательных систем для поддержания рабочей температуры масла в маслобаках газотурбинных двигателей.
Известна охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая раздаточный коллектор с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха, коллектор с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха, междисковую полость, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха, рабочие колеса турбин высокого и низкого давления с рабочими лопатками и дисками, цапфы дисков турбин высокого и низкого давления, лопатки соплового аппарата, задние опоры турбин высокого и низкого давления с подшипниками, масляные полости турбин высокого и низкого давления, сообщенные между собой через систему отверстий, выполненных в цапфе диска турбины низкого давления, полости наддува и предмасляные полости турбины высокого и низкого давления, причем предмасляная полость турбины низкого давления посредством воздуховодов, размещенных в задней опоре турбины низкого давления, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость турбины высокого давления сообщена с источником низкотемпературного воздуха, при этом предмасляные полости турбины высокого и низкого давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения с одноименными масляными полостями
/ РФ №26819, МПК F02C7/06, опубл. 20.12.2002 г/
Недостатком данного решения является то, что «горячий» воздух от источника высокотемпературного воздуха с температурой 400-450°С из междисковой полости направляется в полости наддува, далее в предмасляные полости задней опоры турбины высокого давления и задней опоры турбины низкого давления и через масляные подвижные уплотнения поступает в масляную полость, где проходящий воздух нагревает не только масло, но и элементы конструкции масляной опоры, от которых масло нагревается дополнительно. Увеличенный подогрев масла может приводить, как к повышению температуры корпуса подшипника, что уменьшает его долговечность, так и способствует коксообразованию на элементах опоры, что с одной стороны, может приводить к изменению свойств масла, делающего его непригодным для использования, а с другой стороны, может привести к возгоранию кокса и масла на элементах опоры. В результате чего возникает необходимость частой замены масла, а в случае возгорания кокса и уменьшения долговечности подшипника снижает надежность и ресурс работы турбины.
Задача изобретения - повышение экономичности и надежности двигателя.
Технический результат - сохранение свойств использованного масла, повышение надежности подшипника и его долговечности, а также исключение появление кокса и возгорания масла и кокса в процессе эксплуатации.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известная охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая раздаточный коллектор с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха, коллектор с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха, междисковую полость, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха, рабочие колеса турбин высокого и низкого давления с рабочими лопатками и дисками, цапфы дисков турбин высокого и низкого давления, лопатки соплового аппарата, задние опоры турбин высокого и низкого давления с подшипниками, масляные полости турбин высокого и низкого давления, сообщенные между собой через систему отверстий, выполненных в цапфе диска турбины низкого давления, полости наддува и предмасляные полости турбины высокого и низкого давления, причем предмасляная полость турбины низкого давления посредством воздуховодов, размещенных в задней опоре турбины низкого давления, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость турбины высокого давления сообщена с источником низкотемпературного воздуха, при этом предмасляные полости турбины высокого и низкого давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения с одноименными масляными полостями, по предложению, снабжена дополнительными воздуховодами и каналами, выполненными в задней опоре турбины высокого давления, при этом каналы сообщены, с одной стороны, с предмасляными полостями турбины высокого и низкого давления, а, с другой стороны, через дополнительные воздуховоды на выходе с областью давления ниже, чем в предмасляных полостях. Кроме того возможно, что областью давления ниже, чем в предмасляных полостях, является газовоздушный тракт за турбиной или атмосфера. Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя может содержать одно или более дросселирующее устройство, размещенное на выходе из дополнительных воздуховодов, а сами дополнительные воздуховоды могут быть размещены в полостях лопаток соплового аппарата.
Снабжение турбины дополнительными воздуховодами и каналами, выполненными в задней опоре турбины высокого давления, и их последовательное соединение и с предмасляными полостями турбины высокого и низкого давления и с областью давления ниже, чем в предмасляных полостях, позволяет эвакуировать «горячий» воздух, проникающий из междисковой полости турбин в предмасляные полости, в область низкого давления.
Эвакуация «горячего» воздуха в область с низким давлением позволяет уменьшить или исключить его наличие в предмасляных полостях турбины высокого и низкого давления, обеспечивая существенное снижение подвода тепла к элементам конструкции опор турбин, а также снижение температуры масла в масляных полостях турбин за счет снижения расхода «горячего» воздуха, проникающего в масляные полости через масляные подвижные уплотнения.
Следует отметить, что при этом возрастает расход «холодного» воздуха от источника низкотемпературного воздуха в предмасляные полости турбины высокого и низкого давления, тем самым дополнительно снижается температура элементов конструкции опор турбин и подогрев масла.
При этом выбор области давления ниже, чем в предмасляных полостях, которая может быть либо атмосферой, либо газовоздушным трактом за турбиной, позволяет получить требуемый перепад давления для выпуска «горячего» воздуха.
Учитывая, что выпуск воздуха происходит из предмасляных полостей, где давление воздуха недостаточно высокое по сравнению с полостями наддува, объемный расход воздуха увеличивается, поэтому необходимо обеспечить достаточно большую проходную площадь дополнительных воздуховодов для выпуска воздуха. Таким образом, размещение дополнительных воздуховодов в полости сопловых лопаток является наиболее оптимальным решением для существующей конструкции.
Наличие одного или более дросселирующих устройств, размещенных на выходе из дополнительных воздуховодов, позволяет настроить, по необходимости, расход «горячего» воздуха, отводимого из предмасляных полостей турбины высокого и низкого давления, изменением площади поперечного сечения дросселирующего устройства, тем самым довести абсолютный расход «холодного» воздуха, поступающего от источника низкотемпературного воздуха до 100%.
На фиг. 1 показан продольный разрез охлаждаемой турбины.
На фиг. 2 показано место А фиг. 1.
Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя содержит раздаточный коллектор 1 с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха 2, коллектор 3 с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха 4, междисковую полость 5, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха 2, рабочее колесо 6 турбины высокого давления 7 с диском 8 и рабочими лопатками 9, рабочее колесо 10 турбины низкого давления 11 с диском 12 и рабочими лопатками 13. Турбина также содержит цапфы 14 и 15 дисков 8 и 12 соответственно, лопатки соплового аппарата 16, заднюю опору турбины высокого давления 17 и заднюю опору турбины низкого давления 18 с подшипниками 19 и 20 соответственно.
Турбина содержит масляную полость 21 турбины высокого давления 7 и масляную полость 22 турбины низкого давления 11, сообщенные между собой через систему отверстий 23, выполненных в цапфе 15 диска 12 турбины низкого давления 11, полости наддува 24 и 25 и предмасляные полости 26 и 27 турбины высокого давления 7 и турбины низкого давления 11 соответственно.
При этом предмасляная полость 27 турбины низкого давления 11 посредством воздуховодов 28, размещенных в задней опоре турбины низкого давления 18, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость 26 турбины высокого давления 7 через коллектор 3 сообщена с источником низкотемпературного воздуха 4. Предмасляные полости 26 и 27 турбины высокого 7 и низкого 11 давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения 29, 30 и 31 сообщены с одноименными масляными полостями 21 и 22 соответственно.
Турбина содержит дополнительные воздуховоды 32 и каналы 33, выполненные в задней опоре турбины высокого давления 17. Каналы 33 сообщены, с одной стороны, с предмасляными полостями 26 и 27 турбины высокого 7 и низкого 11 давления, а, с другой стороны, через дополнительные воздуховоды 32 с областью низкого давления 34, меньшего, чем в предмасляных полостях 26 и 27. На выходе из дополнительных воздуховодов 32 размещены дросселирующие устройства 35.
Турбина работает следующим образом.
Для охлаждения турбины и наддува опор турбины воздух от источника высокотемпературного воздуха 2 через раздаточный коллектор 1 и лопатки соплового аппарата 16 поступает в междисковую полость 5 и далее в полости наддува 24 и 25 турбины высокого 7 и турбины низкого 11 давления, а из них в предмасляные полости 26 и 27 турбины высокого 7 и низкого 11 давления соответственно.
Одновременно более холодный воздух от источника низкотемпературного воздуха 4 через коллектор 3 поступает в предмасляную полость 26 турбины высокого давления 7.
Значительная часть высокотемпературного воздуха, поступившего в соединенные между собой предмасляные полости 26 и 27 турбины высокого 7 и низкого 11 давления, через каналы 33, выполненные в задней опоре турбины высокого давления 17, направляется в дополнительные воздуховоды 32 и далее выбрасывается в область низкого давления 34, меньшего, чем в предмасляных полостях 26 и 27. Дросселирующее устройство 35, размещенное на выходе из дополнительных воздуховодов 32, позволяет регулировать количество высокотемпературного воздуха, выбрасываемого в область низкого давления 34, тем самым уменьшая количество «горячего» воздуха в предмасляных полостях 26 и 27, а в некоторых случаях довести процент «горячего» воздуха до нуля.
Из предмасляной полости 26 турбины высокого давления 7 преобладающий холодный воздух направляется, с одной стороны, через масляное подвижное уплотнение 29 в масляную полость 21 турбины высокого давления 7, а с другой стороны, в предмасляную полость 27 турбины низкого давления 11, где далее значительная часть «холодного» воздуха выбрасывается через воздуховоды 28 в атмосферу, а небольшое его количество поступает в масляную полость 21 турбины высокого давления 7 через масляное подвижное уплотнение 30 и в масляную полость 22 турбины низкого давления 11 через масляное подвижное уплотнение 31.
Поскольку масляные полости 21 и 22 турбины высокого 7 и низкого 11 давления сообщены между собой системой отверстий 23, то в масляных полостях 21 и 22 устанавливается средний уровень температуры масла, на который в значительной мере оказывает влияние «холодный» воздух от источника низкотемпературного воздуха 4.
Обтекание элементов конструкции задней опоры турбины высокого давления 17 и задней опоры турбины низкого давления 18 воздухом с пониженной температурой, уменьшает передачу тепла от элементов конструкции к маслу, тем самым снижая уровень температуры масла в масляных полостях 21 и 22.
Проведенные расчеты показали уменьшение в 2 раза подогрева масла в конструкции с отводом «горячего» воздуха из предмасляных полостей турбины по сравнению с исходной конструкцией, что позволяет обеспечить эксплуатацию изделия при высокой температуре окружающей среды, так называемом «тропическом» варианте.
Реализация данного изобретения за счет снижения температуры масла обеспечивает стабильность его свойств и дальнейшее многократное использование в линии подвода масла к подшипникам опоры, улучшение условий работы подшипников турбины высокого и низкого давления и как следствие повышение их ресурса и долговечности, а также исключение образования кокса на элементах конструкции опоры турбины.