ДВИГАТЕЛЬ С КОМПАУНДНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ТУРБИНЫ
ENGINE WITH COMPOUND TURBINE COOLING

Уровень техники
Настоящее изобретение, в общем, относится к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к охлаждению турбины в таком двигателе.
В газотурбинном двигателе воздух сжимается в компрессоре и смешивается с топливом в камере сгорания для генерирования горячих газообразных продуктов сгорания. Энергию извлекают из газообразных продуктов сгорания в ступенях турбины, которая обеспечивает привод компрессора через один вал привода и получает дополнительную работу для привода расположенного перед ней вентилятора при применении в турбовентиляторном авиационном двигателе или для привода внешнего приводного вала при применении для морских судов и в промышленности (M&I, МиП).
Основная часть двигателя обычно включает в себя многоступенчатый осевой компрессор, имеющий ряды лопастей компрессора и соответствующие направляющие лопатки, которые сжимают окружающий воздух в ступенях и соответственно повышают его температуру. Воздух, выходящий из задней части компрессора, имеет наибольшее давление, в общем, обозначаемое выходным давлением компрессора (CDP, ВДК), и соответствующую высокую температуру.
В примерной конфигурации компрессор может иметь семь ступеней для многократного повышения давления воздуха относительно атмосферного давления при одновременном повышении температуры на сотни градусов в результате цикла сжатия. Меньшее или большее количество ступеней сжатия может использоваться, в соответствии с необходимостью, в конкретной конструкции газотурбинного двигателя и предполагаемого использования.
Большая часть воздуха ВДК, выходящего из компрессора, смешивается с топливом в камере сгорания для генерирования горячих газообразных продуктов сгорания. Для таких газообразных продуктов сгорания затем выполняют цикл расширения в нескольких ступенях турбины для извлечения из них энергии, в результате чего соответственно понижается давление газообразных продуктов сгорания и их температура. Турбина высокого давления (HPT, ТВД) установлена непосредственно после камеры сгорания и используется для привода лопастей компрессора основного двигателя.
Турбина низкого давления (LPT, ТНД) установлена после ТВД и осуществляет привод второго вала, который приводит в движение расположенный спереди вентилятор при применении в турбовентиляторном двигателе, или осуществляет привод внешнего приводного вала для применения МиП.
Общий коэффициент полезного действия газотурбинного двигателя зависит от эффективности сжатия воздуха, эффективности сгорания и эффективности расширения газообразных продуктов сгорания в ступенях турбины.
Поскольку компоненты турбины во время работы подвергаются непосредственному воздействию горячих газообразных продуктов сгорания, для них требуется соответствующее охлаждение для обеспечения длительного срока эксплуатации. Например, некоторая часть воздуха, выходящего из компрессора, отводится из процесса сгорания для охлаждения облицовки самой камеры сгорания, а также для охлаждения различных компонентов ТВД.
Каждая ступень турбины обычно включает в себя входное сопло турбины или статор, который выполнен в виде ряда лопаток сопла, которые направляют газообразные продукты сгорания в сторону выхода через соответствующий ряд лопастей ротора турбины. Лопасти обычно установлены по периметру диска несущего ротора в соответствующих сформированных в нем пазах, выполненных в форме ласточкина хвоста.
Лопасти и лопатки турбины обычно выполнены в виде полых аэродинамических профилей с соответствующими внутренними каналами охлаждения, в которые подают воздух, выходящий из компрессора, для охлаждения их во время работы. Полые лопасти и лопатки обычно включают в себя различные ряды пленочного охлаждения и другие выпускные отверстия, сформированные через ее боковые стенки давления и разрежения для выпуска отработавшего воздуха внутреннего охлаждения в соответствующих внешних пленках для дальнейшей защиты аэродинамических профилей.
Кроме того, диск ротора турбины, на котором установлены лопасти первой ступени турбины, выполнен как относительно большой компонент с ободом, на котором установлены лопасти, узким диском, продолжающимся радиально внутрь от него, который заканчивается более широкой ступицей, имеющей центральное отверстие. Диск ротора подвергается одновременно значительным центробежным нагрузкам и нагреву во время работы и также должен быть рассчитан на длительный срок эксплуатации.
В отличие от этого в ТНД требуется меньшая степень охлаждения, чем в ТВД, с учетом понижения температуры газообразных продуктов сгорания и давления во время цикла расширения. Требования к охлаждению поэтому снижаются, и обычно воздух, отводимый между ступенями, можно использовать для охлаждения различных компонентов двигателя.
Основной путь потока турбины разработан так, чтобы газообразные продукты сгорания были ограничены во время их потока через двигатель с понижением температуры и давления после камеры сгорания. Различные схемы охлаждения для компонентов турбины не зависят от основного пути потока, и в них требуется подавать охлаждающий воздух с достаточным давлением для предотвращения всасывания в них горячих газообразных продуктов сгорания во время работы.
Например, соответствующие вращающиеся уплотнения предусмотрены между неподвижными соплами турбины и вращающимися лопатками турбины для предотвращения разрежения или обратного потока горячих газообразных продуктов сгорания в контуры охлаждения. Поскольку аэродинамические профили лопаток сопла и лопаток турбины обычно включают в себя ряды выходных отверстий для охлаждающего воздуха, охлаждающий воздух должен иметь достаточное давление, большее, чем давление внешних газообразных продуктов сгорания, для обеспечения соответствующего допустимого предела для обратного потока, который предотвращает всасывание горячих газообразных продуктов сгорания непосредственно в аэродинамические профили турбины.
В соответствии с этим компоненты ТВД обычно охлаждают с использованием воздуха ВДК с полным давлением, в то время как компоненты ТНД можно охлаждать, используя воздух, отводимый между ступенями, имеющий более низкое давление.
Таким образом, использование воздуха компрессора для охлаждения компонентов турбины может быть согласовано с различными требования охлаждения ТВД и ТНД, для уменьшения его использования и поэтому повышения коэффициента полезного действия двигателя.
Однако повышение коэффициента полезного действия двигателя представляет собой долговременную и первостепенную цель конструктивных разработок в современных газотурбинных двигателях, и поэтому желательно дополнительно повысить коэффициент полезного действия двигателя путем снижения подачи воздуха под давлением, поступающего от компрессора.
Сущность изобретения
Газотурбинный двигатель включает в себя компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления, функционально соединенные вместе. Турбина включает в себя ряд лопаток сопла, после которых следует ряд лопаток ротора. Лопатки и лопасти имеют соответствующие передние и задние каналы внутреннего охлаждения. Первый, второй, третий и четвертый контуры подачи воздуха соединены с возможностью передачи потока с разными ступенями компрессора для подачи воздуха под давлением через них с разным давлением для обеспечения охладителя для передних и задних каналов лопаток и лопастей турбины.
Краткое описание чертежей
Изобретение, в соответствии с предпочтительными и примерными вариантами выполнения вместе с дополнительными его целями и преимуществами, более конкретно описано в следующем подробном описании, совместно с прилагаемыми чертежами, на которых
на фиг.1 показан схематичный вид с частичным разрезом вдоль оси турбовентиляторного газотурбинного двигателя;
на фиг.2 показан с увеличением вид, с разрезом вдоль оси, части внутреннего контура двигателя, представленного на фиг.1;
на фиг.3 показан с увеличением вид, с разрезом вдоль оси, турбины высокого давления, представленной на фиг.2;
на фиг.4 показан дополнительно с увеличением вид, в разрезе вдоль оси, турбины высокого давления, показанной на фиг.3;
на фиг.5 показан вид с радиальным разрезом через одну из лопаток сопла, представленных на фиг.4, вдоль линии 5-5;
на фиг.6 показан вид с радиальным разрезом через одну из лопаток турбины, представленных на фиг.4, вдоль линии 6-6.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 схематично показан примерный турбовентиляторный газотурбинный двигатель 10 для самолета. Двигатель выполнен осесимметричным вдоль продольной или центральной оси 12 и соответственно установлен на крыле или на фюзеляже самолета (не показан) для привода самолета в движение во время полета в качестве примерного варианта применения.
Двигатель включает в себя в последовательности потока вентилятор 14, компрессор 16 низкого давления или бустер-компрессор, компрессор 18 высокого давления (HP, ВД), кольцевую камеру 20 сгорания, турбину 22 высокого давления (ТВД) и турбину 24 низкого давления (ТНД).
Кольцевая гондола 26 окружает вентилятор 14 и образует кольцевой внешний контур 28, продолжающийся до задней части бустер-компрессора 16. Первый приводной вал 30 соединяет ТВД 22 с компрессором 18 ВД, и второй приводной вал 32 соединяет ТНД 24 с вентилятором 14 и бустер-компрессором 16. Два приводных вала соответствующим образом установлены на подшипнике в соответствующих рамах двигателя в обычной конфигурации различных, описанных выше, компонентов двигателя.
Во время работы окружающий воздух 34 поступает во входное отверстие двигателя, частично сжимается вентилятором 14 и выбрасывается через второй контур 28, обеспечивая основную тягу для движения вперед во время работы. Некоторая часть воздуха 34 после вентилятора поступает в бустер-компрессор 16 и подвергается дополнительному циклу сжатия во множестве его осевых ступеней и дополнительному сжатию в компрессоре 18 ВД во множестве его осевых ступеней.
Воздух 34 под давлением выходит из компрессора и соответствующим образом смешивается с топливом 36 в камере 20 сгорания для генерирования горячих газообразных продуктов 38 сгорания. В ТВД 22 извлекается энергия из газообразных продуктов 38 сгорания для привода первого вала 30 и для обеспечения энергии для работы компрессора 18 ВД. Дополнительная энергия извлекается из газообразных продуктов сгорания в ТНД 24 для привода второго вала 32 и обеспечения работы вентилятора 14 и бустер-компрессора 16.
Двигатель, как описано выше, является обычным по конфигурации и своей работе и включает в себя множество ступеней сжатия и множество ступеней турбины. Например, бустер-компрессор 16 может иметь четыре осевых ступени, включая четыре ряда лопастей компрессора, перемежающихся вдоль оси с четырьмя рядами входных направляющих лопаток.
Компрессор 18 высокого давления включает в себя семь осевых ступеней, например имеет семь рядов лопастей 1-7 компрессора, как подробно показано на фиг.2, чередующихся вдоль оси, с соответствующими рядами входных направляющих лопаток 40.
ТВД 22 предпочтительно представляет собой одноступенчатую турбину, после которой, в свою очередь, следует примерная пятиступенчатая ТНД 24.
На фиг.2 более подробно показан основной внутренний контур двигателя, включающий в себя компрессор 18 высокого давления, кольцевую камеру 20 сгорания и ТВД 22, расположенные последовательно вдоль потока.
На фиг.3 и 4 дополнительно иллюстрируются с увеличением виды турбины высокого давления и соответствующих контуров охлаждения ее лопаток и лопастей.
ТВД 22, представленная на фиг.2, включает в себя сопло турбины первого каскада или турбины ВД, имеющей ряд неподвижных лопаток 42 сопла, соответствующим образом установленных на внешнем и внутреннем поясах. После лопаток следует один ряд лопаток 44 турбины ВД, установленных с возможностью их съема по периметру или вдоль обода диска 46 ротора первой ступени или ротора ВД. Диск 46 жестко соединен с первым приводным валом 30, который, в свою очередь, жестко соединен с дисками ротора, на которых установлены лопасти 1-7 компрессора 18 высокого давления.
ТНД 24, представленная на фиг.2 и 3, установлена после ТВД 22 по ходу потока. ТНД имеет несколько ступеней, в соответствии с необходимостью, включая сопло LP (НД, низкого давления) первой ступени, имеющее ряд неподвижных лопаток 48 сопла, которые следуют непосредственно после ряда лопастей 44 ВД.
Лопатки 48 НД установлены между радиально внутренним и радиально внешним кольцевыми поясами. И ряд лопастей 50 ротора НД первой ступени следует после неподвижных лопаток 48 и продолжается радиально наружу от диска ротора установки, как в обычной конструкции.
Конфигурации и работа компрессора 18 ВД, ТВД 22 и ТНД 24 являются обычными, используемыми для сжатия воздуха 34 и расширения полученных впоследствии газообразных продуктов 38 сгорания, для отбора от них энергии. В частности, давление и температура воздуха 34 увеличиваются вдоль оси по мере того, как поток воздуха проходит вниз по течению через семь ступеней лопастей 1-7 компрессора.
Седьмой ряд лопастей 7 компрессора образует последнюю ступень компрессора в данной примерной конфигурации и после них воздух под давлением выходит с максимальным давлением P7 и с соответствующей высокой температурой T7, ассоциированной с воздухом 34a с выходным давлением компрессора (ВДК).
Воздух ВДК смешивается с топливом в камере сгорания для генерирования горячих газообразных продуктов 38 сгорания, которые выходят через выходное отверстие камеры сгорания между лопатками 42 сопла первой ступени турбины. Эти лопатки расположены вдоль оси между камерой сгорания и лопастями 44 первой ступени турбины и обычно выполнены так, что они приводят к падению или снижению давления в газообразных продуктах сгорания вдоль хорды аэродинамического профиля и через переднюю и заднюю кромки лопаток.
Каждая лопатка 42 сопла имеет обычно, в общем, вогнутую сторону давления и обычно выпуклую противоположную сторону разрежения, продолжающуюся вдоль оси в виде хорды между передней ведущей кромкой и расположенной вниз по потоку задней кромкой. Контур лопаток 42 сопла можно соответствующим образом выбирать для получения существенного падения давления по мере протекания газообразных продуктов сгорания вниз по потоку между входным и выходным концами сопла турбины. Газы, протекающие через сопло турбины, ускоряются и закручиваются, в результате чего происходит небольшое падение общего давления и значительное падение статического давления.
В соответствии с этим лопасти 44 первой ступени турбины, представленной на фиг.2, имеют, в общем, вогнутую сторону давления и, в общем, выпуклую противоположную сторону разрежения, продолжающуюся вдоль оси между ее передней и задней кромками. Профиль лопастей 44 турбины также выбирают соответствующим образом для дополнительного падения или снижения давления газообразных продуктов 38 сгорания вдоль хорды аэродинамического профиля и через его переднюю и заднюю кромки. Работу или энергию извлекают из газов, протекающих между лопастями ротора турбины, в результате чего происходит значительное падение как общего давления, так и статического давления.
На фиг.3 и 4 более подробно иллюстрируется ТВД 22, включая лопатки 42 и лопасти 44 ВД, причем для обоих этих элементов требуется соответствующее охлаждение от горячих газообразных продуктов 38 сгорания во время работы. Лопатки и лопасти обычно выполнены полыми для обеспечения их внутреннего охлаждения обычным образом, за исключением модификации, описанной ниже.
Более конкретно, каждая из лопаток 42 сопла, представленная на фиг.4 и 5, включает в себя передний канал 52 охлаждения, продолжающийся радиально в промежутке между внешним и внутренним поясами сопла и отделенный неперфорированным участком или перегородкой от заднего канала 54 охлаждения, также продолжающегося радиально между двумя поясами. Через передний канал 52 воздух поступает в последовательность отверстий 56 пленочного охлаждения, продолжающихся вдоль передней кромки лопатки, а также в дополнительные ряды отверстий пленочного охлаждения на противоположных сторонах лопатки вдоль ее переднего участка.
В соответствии с этим через задний канал 54 охлаждения каждой лопатки воздух поступает в набор дополнительных отверстий 58 охлаждения, продолжающихся через сторону давления аэродинамического профиля и заканчивающихся в непосредственной близости к тонкой задней кромке. Эти несколько рядов выходных отверстий продолжаются через стороны давления и стороны разрежения лопатки от передней до задней кромки для выпуска отработавшего воздуха охлаждения через них во время работы.
Каждая из лопастей 44 ВД, показанных на фиг.4 и 6, включает в себя передний канал 60 охлаждения, продолжающийся радиально в промежутке между ее основанием и кончиком непосредственно позади передней кромки лопасти. Каждая лопасть также включает в себя задний канал 62 охлаждения, продолжающийся на всем промежутке, непосредственно перед тонкой задней кромкой. И каждая лопасть может включать в себя дополнительные каналы охлаждения, расположенные через определенный промежуток вдоль хорды между передней и задней кромками, в соответствии с необходимостью, для обеспечения ее эффективного внутреннего охлаждения во время работы.
Через передний канал 60 лопасти воздух поступает в один или больше рядов отверстий 64 охлаждения, расположенных вдоль передней кромки лопасти. И через задний канал 62 охлаждения воздух поступает в другой ряд отверстий 66 охлаждения, которые заканчиваются на стороне давления лопасти, непосредственно перед тонкой задней кромкой.
Через различные ряды выходных отверстий, предусмотренных на каждой лопасти 44 турбины, выпускают отработавший воздух внутреннего охлаждения для формирования соответствующих пленок охлаждающего воздуха вдоль внешних сторон давления и разрежения на лопасти для улучшения ее тепловой защиты, в то время как через отверстие 66 на задней кромке непосредственно выпускают отработавший охлаждающий воздух на тонкой задней кромке каждой лопасти.
Лопатки 42 ВД могут иметь любую обычную внутреннюю конфигурацию, определяющую два внутренних канала 52, 54 охлаждения, предусмотренных в ней, которые являются независимыми друг от друга. Например, каждый из двух каналов 52, 54 может включать в себя соответствующую обычную отражательную перегородку, имеющую множество выполненных в ней отверстий отражения для первоначального направления под давлением воздуха охлаждения так, что он ударяет о внутренние поверхности лопатки. В дополнительных вариантах выполнения каналы 52, 54 охлаждения лопатки, если это требуется, могут быть выполнены с использованием извилистых контуров.
Лопасти 44 ВД могут иметь любую соответствующую конфигурацию внутреннего охлаждения, и на фиг.4 и 6 иллюстрируется примерный трехходовой передний извилистый канал охлаждения, имеющий входное отверстие в основании его "ласточкина хвоста" по осевому входу и заканчивающийся в переднем отражательном канале 60, который продолжается по всей длине аэродинамического профиля, непосредственно позади передней кромки. Передний канал 60 обеспечивает подачу в один или больше рядов отверстий 64 пленочного охлаждения, которые охватывают переднюю кромку аэродинамического профиля и обеспечивают ее дополнительное пленочное охлаждение при выпуске отработавшего воздуха охлаждения через эти отверстия, как в обычной конструкции.
Примерная лопатка турбины также включает в себя независимый задний канал 62 охлаждения, который продолжается по всей длине аэродинамического профиля непосредственно перед тонкой задней кромкой для подачи воздуха в ряд отверстий 66 охлаждения задней кромки, через которые выпускают отработавший воздух вдоль заднего конца стороны давления. Задний канал 62 охлаждения имеет соответствующее входное отверстие на заднем конце хвостовика выше ласточкина хвоста, как более подробно описано ниже.
В примерной конфигурации, показанной на фиг.4, лопасть 44 также включает в себя трехходовой извилистый средний канал с соответствующим входным отверстием, также в основании ласточкина хвоста.
Таким образом, воздух под давлением может отводиться от компрессора и может быть подан по каналу через несколько контуров внутреннего охлаждения лопасти 44 для обеспечения ее внутреннего охлаждения любым обычным способом, при этом отработавший воздух затем выбрасывают через различные ряды выходных отверстий на сторонах давления и разрежения аэродинамического профиля от передней кромки до задней кромки.
В то время как ступени сжатия повышают давление и температуру воздуха при подаче энергии, ступени турбины понижают давление и температуру газообразных продуктов сгорания для извлечения из них энергии.
Поскольку при использовании одноступенчатой ТВД 22, показанной на фиг.2, можно получать существенное падение давления газообразных продуктов сгорания вначале на лопатках 42 сопла и затем на лопатках 44 турбины, улучшенную систему охлаждения для ТВД 22 можно использовать для дополнительного повышения эффективности двигателя.
Более конкретно, на фиг.2 первоначально иллюстрируются четыре независимых и дискретных контура 68, 70, 72, 74 подачи воздуха, соответствующим образом подключенных вдоль по потоку к различным ступеням компрессора 18 для получения из них охлаждающего воздуха под давлением с соответствующими разными давлениями и температурами.
Первый контур 68 подачи воздуха соединяет последнюю или седьмую ступень 7 компрессора 18 с передними каналами 52 охлаждения полного ряда лопаток 42 сопла ВД для подачи к ним воздуха ВДК с полным давлением в качестве первого охладителя 34a.
Второй контур 70 подачи воздуха соединяет промежуточную или предпоследнюю ступень компрессора 18 с задним контуром 54 охлаждения или полным рядом лопаток 42 ВД для подачи к ним воздуха, полученного перед ВДК, в качестве второго охладителя 34b.
Третий контур 72 подачи воздуха соединяет компрессор 18 с передними каналами 60 охлаждения полного ряда лопастей 44 ВД для подачи к ним воздуха, выпускаемого под давлением, в качестве третьего охладителя 34c, с соответствующим давлением и температурой.
И четвертый контур 74 подачи воздуха соединяет другую промежуточную или предпоследнюю ступень компрессора 18 с задними каналами 62 охлаждения полного ряда лопастей 44 ВД для подачи к ним воздуха перед ВДК в качестве четвертого охладителя 34d.
Как указано выше, использование одноступенчатой турбины высокого давления, показанной на фиг.4, позволяет существенно понизить давление газообразных продуктов сгорания по мере их протекания вниз по потоку во время работы через ведущую и заднюю кромки лопаток и лопасти ВД по очереди или последовательно. Для эффективного внутреннего охлаждения лопаток и лопастей ВД воздух под давлением требуется отбирать из компрессора с соответствующим давлением для поддержания адекватно допустимого предела обратного потока через ведущую кромку и заднюю кромку лопаток и лопастей ВД для предотвращения нежелательного всасывания горячих газообразных продуктов сгорания в различных рядах выходных отверстий в лопатках и лопастях.
В результате разделения каждой из лопаток 42 и лопастей 44 вдоль оси на переднем и заднем каналах охлаждения существенное падение внешнего давления газообразных продуктов сгорания можно использовать с преимуществом для применения воздуха охлаждения, не являющегося воздухом ВДК, внутри лопаток и лопастей, и избирательного сопоставления внутреннего давления охладителя с внешним давлением газа для поддержания адекватных допустимых пределов для обратного потока.
Например, второй контур 70 подачи воздуха соединен с соответствующей ступенью компрессора 18 для подачи в лопатки 42 второго охладителя 34b под вторым давлением, которое ниже, чем первое давление первого охладителя 34a. Первый охладитель 34a представляет собой воздух ВДК полного давления, выпускаемый из компрессора, который подают в лопатку перед каналами 52 с максимальным давлением охлаждающего воздуха для предоставления адекватного допустимого предела обратного потока в отверстиях 56 передней кромки лопатки, на которые непосредственно воздействуют газообразные продукты сгорания, выпускаемые из камеры сгорания.
Второй контур 70 поэтому может быть соединен с соответствующей промежуточной ступенью, такой как шестая ступень компрессора, которая расположена после ряда лопастей 6 шестой ступени компрессора. Второй контур 70 поэтому может иметь любую обычную конфигурацию для отбора воздуха под давлением шестой ступени, обычно на направляющих лопатках, которые установлены после этих лопастей, с соответствующим давлением P6 и температурой T6 шестой ступени. Давление P6 шестой ступени меньше, чем давление P7 последней ступени, и аналогично T6 меньше, чем T7.
В соответствии с этим четвертый контур 74 подачи воздуха соединен с другой промежуточной ступенью компрессора 18, такой как третья ступень, которая следует после ряда лопастей 3 третьей ступени компрессора, для получения из него четвертого охладителя 34d с соответствующим четвертым давлением, которое меньше, чем третье давление третьего охладителя 34c, подаваемого в передние каналы 60 охладителя или к тем же лопастям 44 ВД. В примерном варианте выполнения, показанном на фиг.2, четвертый контур 74 подачи воздуха может также иметь обычную конфигурацию для отбора воздуха под давлением около направляющих лопаток непосредственно после ряда третьих лопастей 3 компрессора при соответствующем давлении P3 третьей ступени и температуре T3.
В примерной конфигурации, показанной на фиг.2, четыре контура 68, 70, 72, 74 подачи воздуха могут быть установлены последовательно для получения воздуха под давлением от компрессора с соответственным увеличением его давления. Например, четвертый контур 74 может быть соединен с более ранней ступенью компрессора, чем второй контур 70, для обеспечения допустимого предела обратного потока в четвертом охладителе 34d и в отверстиях 66 на задней кромке и соответствующего допустимого предела обратного потока во втором охладителе 34b в отверстиях 58 на задней кромке лопатки.
Четвертый контур 74 поэтому может соединять компрессор на его третьей промежуточной ступени, которая расположена перед шестой промежуточной ступенью компрессора, от которой начинается второй контур 70.
Аналогично, третий контур 72 подачи воздуха может быть соединен с более ранней ступенью компрессора 18, чем первый контур 68, для получения допустимого предела обратного потока в третьем охладителе 34c в отверстиях 64 на передней кромке лопасти. Например, третий контур 72 может начинаться в пятой ступени компрессора после ряда лопастей 5 пятой ступени компрессора, которая соответственно предшествуют последней ступени 7 компрессора, от которой начинается первый контур 68.
Таким образом, в первый контур 68 поступает охладитель 34a ВДК с полным давлением для подачи его в передние каналы 52 и в отверстия 56 передней кромки всего ряда лопаток 42 сопла ВД для обеспечения их эффективного внутреннего охлаждения, и при этом отработавший воздух охлаждения выпускают через отверстия передней кромки с соответствующим допустимым пределом обратного потока и получения воздушных пленок внешней тепловой защиты.
Второй контур 70 подачи воздуха подает охладитель 34b из шестой ступени с низким давлением в задние каналы 54 и в отверстия 58 задней кромки в полном ряду лопаток 42 ВД с соответственно более низким давлением, чем воздух ВДК, но все еще обеспечивая адекватный допустимый предел обратного потока для газообразных продуктов сгорания с пониженным давлением, протекающих на задних участках лопаток.
Поэтому лопатки 42 ВД охлаждают воздушными охладителями с двумя разными значениями давления (P7, P6) с соответственно разными температурами (T7, T6) охлаждения.
Через третий контур 72 подачи воздуха подают охладитель 34c с еще более низким давлением пятой ступени в передние каналы 60 и различные ряды отверстий 64 передней кромки в полном ряду лопастей 44 ВД для улучшенного их охлаждения при обеспечении соответствующих допустимых пределов обратного потока в выходных отверстиях.
И через четвертый контур 74 подачи воздуха направляют охладитель 34d третьей ступени с еще более низким давлением в задние каналы 62, а также в отверстия 66 задней кромки в полном ряду лопастей 44 ВД снова для улучшенного их охлаждения при поддержании адекватного допустимого предела обратного потока в этих выходных отверстиях.
Лопасти 44 ВД поэтому охлаждают воздушными охладителями с двумя разными значениями давления (P5, P3), при этом давление P3 воздуха третьей ступени меньше, чем давление P5 воздуха пятой ступени, и эти два охладителя имеют разные температуры (T5, T3) охлаждения.
В более ранних ступенях, предшествующих последней ступени компрессора 18, не только меньше давление подаваемого воздуха, но соответствующая температура подаваемого воздуха также ниже. Воздух с более низкой температурой, подаваемый на лопасти 44 ВД и в задние каналы 54 охлаждения лопаток 42 ВД, обладает большей охлаждающей способностью, чем более горячий воздух ВДК, что позволяет повысить эффективность охлаждения.
И соответственно подача воздуха, отбираемого перед ВДК, в трех контурах 70, 72, 74 подачи воздуха позволяет использовать менее дорогостоящий воздух под давлением, что соответственно повышает коэффициент полезного действия ТВД 22 и самого газотурбинного двигателя.
В каждой из семи ступеней компрессора 18, показанного на фиг.2, статическое давление воздуха 34 существенно повышается. Путем выбора соответствующих промежуточных ступеней компрессора статическое давление подаваемого воздуха можно соответствующим образом согласовать со статическим давлением газообразных продуктов сгорания, протекающих поверх лопаток 42 и лопастей 44 ВД во время работы, для обеспечения соответствующих допустимых пределов обратного потока во всех выходных отверстиях неподвижных лопаток 42 ВД и на задней кромке выходных отверстий 66 лопастей 44 ВД.
Однако, поскольку лопасти 44 ВД вращаются во время работы, тогда как лопатки 42 сопла установлены неподвижно, третий контур 72 соответствующим образом выполнен так, что он подает статическое давление третьего охладителя 34c, подаваемого от компрессора, которое больше, чем общее относительное давление (PTR, ООД) газообразных продуктов 38 сгорания в отверстиях 64 передней кромки лопастей 44 ВД, представленных на фиг.2. Пятая ступень компрессора имеет достаточное статическое давление, которое больше, чем суммарное относительное давление газообразных продуктов сгорания в отверстиях 64 на передней кромке лопасти, и поэтому его можно использовать для обеспечения эффективного допустимого предела обратного потока вокруг передних каналов 60 лопасти.
Четыре контура 68-74 подачи воздуха, представленные схематично на фиг.2, могут иметь любую обычную конфигурацию, используемую для отбора воздуха под давлением от разных ступеней компрессора 18, и при этом они подверглись соответствующей модификации для подачи четырех разных охладителей 34a-d в соответствующие передние и задние каналы охлаждения лопаток и лопастей ВД.
Например, первый контур 68 обычно выполнен в обход камеры 20 сгорания и подведен к передним каналам 52 лопаток, как показано на фиг.2-4.
Второй и четвертый контуры 70, 74 могут продолжаться радиально наружу от компрессора 18 за пределы камеры 20 сгорания, поступая к соответствующим задним каналам 54, 62 лопаток 42 и лопастей 44.
И третий контур 72 может продолжаться внутрь камеры 20 сгорания и может быть подведен к передним каналам 60 лопастей.
Таким образом, воздух, не являющийся воздухом ВДК, можно использовать для соответствующего охлаждения лопаток и лопастей ВД для повышения коэффициента полезного действия двигателя. Воздух, отбираемый перед ВДК, является менее дорогостоящим, чем воздух ВДК, поскольку он не прошел полный цикл сжатия, и соответственно температура воздуха, отбираемого перед ВДК, существенно меньше, чем температура воздуха ВДК, вплоть до сотен градусов.
Поскольку лопатки 48 сопла НД непосредственно соединены c лопастями 44 ВД первой ступени, они обеспечивают эффективную структуру, через которую можно подводить четвертый охладитель 34d.
В соответствии с этим четвертый контур 74 может быть удобно проведен радиально внутри через одну или больше лопаток 48 сопла НД и может продолжаться к задним каналам 62 лопастей 44 ВД, также обеспечивая эффективное охлаждение самих неподвижных лопаток 48.
Как лучше всего показано на фиг.3, лопасти 44 ВД могут иметь любую обычную конфигурацию, но их модифицируют таким образом, чтобы к ним можно было подключить два источника отбираемого перед ВДК воздуха для их охлаждения. Участок аэродинамического профиля каждой лопасти продолжается радиально на пути протекания продуктов сгорания, который ограничен радиально внутренней платформой лопасти, удерживаемой на хвостовике, и установленным вдоль оси "ласточкиным хвостом". Каждый "ласточкин хвост" лопасти соответствующим образом установлен в соответствующем осевом пазу 76 в форме "ласточкина хвоста", который расположен на внешнем ободе диска 46 установки ротора.
Полный ряд лопастей 44 вдоль оси зафиксирован с помощью противоположных переднего и заднего кольцевых держателей 78, 80 лопастей. Третий контур 72 поэтому может быть подключен к ряду лопастей 44 на переднем держателе 78 лопастей для подачи третьего охладителя 34c, в то время как четвертый контур 74 удобно подключить к ряду лопастей 44 на заднем держателе 80 лопасти для подачи четвертого охладителя 34d с другими давлением и температурой.
Отдельные лопасти 44, представленные на фиг.4, обычно сформированы способом литья и включают в себя внутренние каналы охлаждения, продолжающиеся по всему их радиусу от основания "ласточкиного хвоста" до радиально внешней оконечности. Передний канал 60 охлаждения и средний канал также имеют соответствующие входные отверстия в основании "ласточкина хвоста", расположенного так, что он сообщается по потоку с пазом 76 "ласточкина хвоста" для приема третьего охладителя 34c из третьего контура 72.
В соответствии с этим задний канал 62 охлаждения также продолжается до основания "ласточкиного хвоста" в заднем держателе 80 лопасти, но отлитое в нем входное отверстие соответствующим образом герметизируется, будучи закрытым тонкой пластиной, которая соответственно припаяна твердым припоем к ней для исключения сообщения по потоку с пазом "ласточкина хвоста". Вместо этого входное отверстие 82 может быть отлито или высверлено на задней стороне хвостовика лопасти так, что оно будет сообщаться по потоку с его задним каналом 62 охлаждения для приема четвертого охладителя 34d из четвертого контура 74.
Таким образом, задние охлаждающие каналы 62 лопастей имеют соответствующие входные отверстия, продолжающиеся через их хвостовики на держателе 80 лопасти, входные отверстия которых могут быть удобно расположены с сообщением по потоку с четвертым контуром 74, продолжающимся через лопатки 48 сопла НД и их внутренний пояс.
Сопло НД предпочтительно включает в себя кольцевой задний коллектор 84, как показано на фиг.3, который установлен внутри внутреннего пояса ниже лопаток 48, при этом заднее нагнетательное устройство потока расположено на его переднем конце, и который сообщается по потоку с задними каналами 62 лопастей через соответствующие входные отверстия хвостовика и соответствующие отверстия через задний держатель лопасти. Нагнетательное устройство потока может иметь любую обычную конфигурацию и обычно включает в себя ряд лопаток, которые тангенциально ускоряют четвертый охладитель 34d, подавая его от неподвижного заднего 84 коллектора на вращающийся задний держатель лопасти и диск. Это обеспечивает эффективный механизм подачи под давлением четвертого охладителя 34d на вращающиеся лопасти без существенной потери его давления.
На фиг.2-4 иллюстрируется, что третий контур 72 может быть удобно расположен внутри первого приводного вала 30, который продолжается вдоль оси между компрессором 18 и диском 46 ВД. Как обозначено выше, отдельные лопатки 44 турбины имеют обычные "ласточкины хвосты", которые установлены в соответствующих пазах 76 "ласточкина хвоста", которые продолжаются вдоль оси через периметр диска 46 турбины. Третий контур 72 предпочтительно выполнен так, что по нему поступает третий охладитель 34c радиально наружу, поверх передней стороны диска и в пазы 76 ласточкина хвоста для улучшенного охлаждения самого диска турбины.
Камера 20 сгорания, представленная на фиг.2 и 3, удерживается обычным образом радиально вокруг кольцевого внутреннего кожуха 86 камеры сгорания, который обеспечивает вокруг нее внутреннюю границу для воздуха ВДК, поступающего из компрессора, который используется для охлаждения радиально внутренней и внешней облицовки самой камеры сгорания. Третий контур 72 поэтому предпочтительно является независимым от канала воздуха ВДК, окружающего внутренний кожух 86 камеры сгорания, который может использоваться при определении первого контура 68 подачи воздуха.
Передний держатель 78 лопасти, показанный на фиг.3, представляет собой кольцевую пластину, продолжающуюся радиально вдоль передней стороны диска, и смещен вдоль оси вперед от него, образуя передний распределительный канал или коллектор 88, который расположен с сообщением по потоку с пазами 76 в виде "ласточкиного хвоста", вокруг внешнего контура диска. Третий контур 72 продолжает оставаться с сообщением по потоку, с внутренним концом коллектора 88.
Таким образом, третий охладитель 34c подают радиально наружу через передний коллектор 88 под действием центробежной силы при вращении диска 46 во время работы для подачи воздуха в полный ряд пазов 76 "ласточкина хвоста". Пластина 78 держателя может включать в себя лопатки нагнетательного устройства (не показано) внутри коллектора 88 для дополнительного повышения давления воздуха, если это требуется.
Диск 46 турбины, показанный на фиг.3, типично имеет широкий обод на внешней кромке, в котором сформированы осевые пазы 76 в виде "ласточкина хвоста", при этом тонкая кольцевая перемычка продолжается радиально внутри него и заканчивается на более широкой ступице центрального диска, в которой высверлено центральное отверстие. Первый приводной вал 30 жестко соединен на заднем фланце с диском с помощью ряда болтов.
Передний внешний уплотнитель или вторичная ступица 90 соединены как единая деталь на основной оконечности переднего держателя 78 лопасти и неподвижно установлен в закрепленных болтами фланцах с использованием этих же болтов. Соответствующие отверстия предусмотрены через соединение пластины 78 держателя и вторичной ступицы 90 для обеспечения сообщения по потоку между передним участком третьего контура 72 и коллектором 88.
Третий контур 72 ограничен снаружи приводным валом 30 и предпочтительно ограничен изнутри трубчатой перегородкой, которая продолжается вдоль оси вперед от отверстия вторичной ступицы 90 вверх по потоку до промежуточной ступени компрессора.
Например, каждая из семи ступеней компрессора 18 ВД, показанная на фиг.2, включает в себя соответствующий диск ротора компрессора, удерживающий соответствующий ряд лопастей 1-7 компрессора с соответствующими "ласточкиными хвостами" и пазами в виде "ласточкина хвоста" на внешней кромке дисков в обычной конфигурации. Трубчатая перегородка предпочтительно продолжается вперед до центрального отверстия ступицы диска компрессора пятой ступени, находясь с ней в герметичном контакте.
Третий контур 72 предпочтительно также включает в себя множество расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль окружности входных трубок, которые продолжаются радиально внутрь от основания лопастей 5 компрессора пятой ступени вдоль соответствующего диска компрессора для подачи третьего охладителя 34c радиально внутрь и вдоль оси вокруг перегородки, для формирования потока в выходной коллектор 88. Входные трубки могут иметь обычную конфигурацию для подачи воздуха под давлением, отбираемого между ступенями через соответствующие отверстия в роторе компрессора, между соседними рядами лопастей компрессора, предпочтительно в области соответствующего ряда направляющих лопаток, между ними.
Как указано выше, первый контур 68 может быть ограничен вдоль его радиально внутренней оконечности кольцевым внутренним кожухом 86, который расположен внутрь от камеры 20 сгорания. И кольцевой внешний кожух 92, как первоначально показано на фиг.2, окружает камеру 20 сгорания и продолжается назад вокруг сопла ВД, образуя внешнюю границу первого контура 68. Таким образом, внутренний и внешний кожухи 86, 92 камеры сгорания обеспечивают соответствующие кольцевые полости вокруг камеры 20 сгорания, обеспечивая подачу через соответствующие участки первого контура 68 первого охладителя 34a ВДК в передние каналы 52 лопаток.
Как показано на фиг.4, внешний и внутренний пояса сопла ВД могут иметь соответствующие входные отверстия для подачи первого охладителя 34a как радиально внутрь, так и наружу в передние каналы 52 лопаток от противоположных концов.
Как лучше всего показано на фиг.4, множество трубок или шпулек 94 продолжается радиально через внешний кожух 92 в соответствующие лопатки 42 сопла в месте их соединения с внешним поясом для формирования выходного конца второго контура 70 подачи воздуха в соответствующие задние каналы 54 лопатки. Шпульки 94 отделяют второй контур 70 от первого контура 68, обеспечивая независимые пути потока к переднему и заднему каналам 52, 54 охлаждения лопаток ВД.
В соответствии с этим внешние и внутренние пояса сопла ВД и передние участки каждой из лопаток ВД охлаждаются первым охладителем 34a ВДК, который поступает из первого контура 68, в то время как задние участки каждой из лопаток ВД охлаждаются вторым охладителем 34b, отбираемым между ступенями с более низкой температурой, который поступает через второй контур 70.
На фиг.4 в общем представлен улучшенный способ охлаждения лопаток 42 и лопастей 44 ВД с использованием воздуха, отбираемого под давлением от компрессора в разных ступенях, с разным давлением и температурой. Первый охладитель 34a ВДК поступает из последней ступени компрессора 18 в передние каналы 52 лопаток и выходит через отверстия 56 охлаждения на передней кромке.
Второй охладитель 34b поступает из шестой промежуточной ступени компрессора для охлаждения задних каналов 54 охлаждения лопаток и выходит через отверстия 58 охлаждения задней кромки.
Третий охладитель 34c поступает из пятой промежуточной ступени компрессора для охлаждения лопасти перед каналами 60 охлаждения и выходит через отверстия 64 охлаждения передней кромки, сформированные в ней.
И четвертый охладитель 34d поступает из третьей промежуточной ступени компрессора для охлаждения задних каналов 62 лопастей и выходит через отверстия 66 охлаждения на их задних кромках.
Поскольку в ТВД 22 с одной ступенью происходит существенное падение давления газообразных продуктов 38 сгорания, последовательно протекающих через лопатки 42 и лопасти 44, второй охладитель 34b может быть подан от компрессора с существенно меньшим давлением, чем первый охладитель 34a с полным давлением, и четвертый охладитель 34d может быть подан от компрессора при существенно более низком давлении, чем у третьего охладителя 34c.
Четыре охладителя поэтому могут быть поданы от одного компрессора 18 из разных ступеней, при этом четвертый охладитель 34d отбирают от более ранней ступени, чем второй охладитель 34b, что способствует получению соответствующих допустимых пределов обратного потока в разных отверстиях 58, 66 задней кромки, как лопаток 42, так и лопастей 44 ВД.
В предпочтительном варианте выполнения, иллюстрируемом на фиг.4, четыре охладителя 34a-d подают от одного компрессора 18 по независимым и дискретным каналам 68, 70, 72, 74 потока с четырьмя соответственно разными давлениями и температурами. Компрессор 18 ВД с семью ступенями обеспечивает возможность соответствующего согласования и получения соответствующих значений давления, требуемых для охлаждения лопаток и лопастей ВД, с обеспечением соответствующих допустимых пределов обратного потока. Большее количество ступеней в компрессоре обеспечивает возможность лучшего выбора, в результате которого могут быть получены разные охладители.
Основная цель повышения коэффициента полезного действия турбины и двигателя представляет собой замену воздуха полного давления ВДК на воздух из промежутка между ступенями с более низким давлением всегда, когда это только возможно в турбине с высоким давлением, которую в остальном отношении охлаждают с использованием обычных средств, применяя ВДК с высоким давлением. Лопатки и лопасти ВД во время работы подвергаются весьма агрессивным условиям окружающей среды и воздействию газообразных продуктов 38 сгорания, непосредственно выходящих из выходного отверстия камеры 20 сгорания, и внутренние охладители лопаток и лопастей требуется подавать с соответствующим давлением для получения соответствующих допустимых пределов обратного потока вокруг внешних поверхностей лопаток и лопастей.
Соответственно, любой воздух, отбираемый перед ВДК, используемый для охлаждения лопаток и лопастей, является, по существу, более холодным, чем воздух ВДК, и поэтому его можно использовать для улучшения охлаждения лопаток и лопастей в случае, если охлаждение используется.
Поскольку необходимые требования к границе обратного потока на передней и задней кромках лопаток 44 турбины основаны на разных значениях давления, разные источники подачи воздуха можно выбрать из разных ступеней компрессора так, чтобы они наилучшим образом соответствовали этим разностям. Выбор промежуточной ступени компрессора зависит от цикла сжатия в компрессоре 18 ВД и соответствующего цикла расширения в ТВД 22.
Поскольку ТВД 22 представляет собой одноступенчатую турбину, существенное падение давления газообразных продуктов 38 сгорания происходит в ее сопле и на лопастях. Подаваемый воздух, отбираемый между ступенями с более низким давлением, чем ВДК, можно отбирать из компрессора и соответственно подавать под разностным давлением в ТВД, все еще поддерживая соответствующий допустимый предел обратного потока, с большим давлением, чем давление газообразных продуктов сгорания как на передней, так и на задней кромках лопаток 44 турбины.
Как указано выше, давление и температура воздуха 34 увеличиваются в ступенях каждой из семи ступеней компрессора 18 ВД, представленных соответствующим рядом лопастей 1-7 компрессора. Общее или суммарное повышение давления воздуха в компрессоре может быть весьма большим и может достигать, например, 10-30 атмосфер. В соответствии с этим повышение температуры сжатого воздуха 34 в компрессоре 18 может составлять много сотен градусов.
Благодаря тому, что в этих трех, раскрытых выше, контурах 70, 72, 74 используется другой воздух вместо ВДК, может быть получено существенное уменьшение отбора воздуха ВДК с соответствующим большим повышением коэффициента полезного действия двигателя. Поскольку воздух ВДК является более дорогостоящим воздухом в двигателе, и над ним выполняется большая работа для получения его высокого давления, любой его отбор из самого процесса сгорания соответственно снижает коэффициент полезного действия двигателя. И путем ограничения отбора воздуха ВДК только первым контуром 68 общий коэффициент полезного действия двигателя может быть повышен.
В примерном варианте выполнения, показанном на фиг.3, воздух ВДК не используется для охлаждения лопаток или диска ротора первой ступени турбины, и поэтому обычный нагнетатель потока может быть исключен из этой конструкции, что существенно упрощает конструкцию. Вместо этого простая кольцевая уплотнительная рама 96 продолжается радиально внутрь от внутреннего кожуха 86 и включает в себя кольцевую уплотнительную подушку в ее центральном отверстии для герметичного соединения буртиков лабиринтного уплотнения, продолжающихся радиально наружу от вторичной ступицы 90 поверх ряда установочных болтов.
Использование воздуха, который не является воздухом ВДК, для охлаждения диска лопастей и задней части лопаток первой ступени турбины является существенным для улучшения их охлаждения и для получения компаундного эффекта при улучшении конфигурации и повышения общего коэффициента полезного действия двигателя. Поскольку дорогостоящий воздух ВДК не используется для охлаждения ротора турбины, увеличивается общий коэффициент полезного действия двигателя.
Более холодный воздух используется для охлаждения лопастей и лопаток ротора турбины, благодаря чему требуется меньшее количество охлаждающего воздуха и также обеспечивается более длительный срок эксплуатации компонентов. Кроме того, более холодный во время работы ротор турбины может быть изготовлен из менее дорогостоящих сверхпрочных сплавов с учетом его более низкой рабочей температуры.
Система нагнетателя для воздуха ВДК исключена, как описано выше, что упрощает конструкцию двигателя и позволяет снизить его вес.
И устранение использования воздуха ВДК для охлаждения ротора турбины обеспечивает возможность изменения конструкции самой ТВД в отношении компрессора 18 и камеры 20 сгорания, что позволяет дополнительно повысить общий коэффициент полезного действия двигателя.
Хотя было описано то, что считается предпочтительными и примерными вариантами выполнения настоящего изобретения, другие модификации изобретения будут очевидны для специалистов в данной области техники на основе настоящего описания, и поэтому все такие модификации, которые соответствуют истинной сущности и объему изобретения, должны быть защищены приложенной формулой изобретения.
Перечень ссылочных номеров
1-7 лопасти компрессора
10 газотурбинный двигатель
12 центральная ось
14 вентилятор
16 бустер-компрессор
18 компрессор ВД
20 камера сгорания
22 турбина высокого давления (ТВД)
24 турбина низкого давления (ТНД)
26 гондола
28 входной канал
30 первый приводной вал
32 второй приводной вал
34 воздух
36 топливо
38 газообразные продукты сгорания
40 направляющие лопатки
42 лопатки сопла ВД
44 лопасти турбины ВД
46 диск ротора
48 лопатки сопла НД
50 лопасти ротора НД
52 передний канал охлаждения лопаток
54 задний канал охлаждения лопаток
56 отверстия охлаждения передней кромки
58 отверстия охлаждения задней кромки
60 передний канал охлаждения лопасти
62 задний канал охлаждения лопасти
64 отверстия охлаждения передней кромки
66 отверстия охлаждения задней кромки
68 первый контур подачи воздуха
70 второй контур подачи воздуха
72 третий контур подачи воздуха
74 четвертый контур подачи воздуха
76 паз в форме "ласточкина хвоста"
78 передний держатель лопасти
80 задний держатель лопасти
82 входное отверстие
84 задний коллектор
86 внутренний кожух
88 передний коллектор
90 вторичная ступица
92 внешний кожух
94 шпульки
96 уплотнительная рама