СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ ТУРБИНЫ ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF COOLING AND REGULATING RADIAL CLEARANCES OF TURBINE OF DOUBLE-FLOW GAS TURBINE ENGINE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к высокотемпературным турбинам газотурбинных двигателей, а именно к способам и системам охлаждения рабочих лопаток турбин авиационных двигателей. Именно на авиационных двигателях требуется широкий диапазон регулирования по мощности, по оборотам и уровню температуры перед турбиной. Следует иметь в виду и еще одно обстоятельство, что на этих типах двигателей максимальный режим работы двигателя по мощности кратковременный, а крейсерские режимы - долговременные в жизненном цикле двигателя.
Известны способ и устройство для регулирования радиальных зазоров в одноступенчатой турбине высокого давления двухконтурного газотурбинного двигателя по патенту РФ №2704056, МПК F01D 11/24, опубл. 23.10.2019 г.
Устройство содержит одну охлаждаемую ступень с сопловым аппаратом и ротор турбины с охлаждаемым рабочим колесом, а также статор турбины, содержащий два корпуса турбины с полостями между ними, в которые поступает сжатый воздух из-за последней ступени компрессора высокого давления, и систему регулирования радиального зазора, содержащую кольцевую вставку, над рабочим колесом турбины, охватывающую с кольцевым радиальным зазором рабочие лопатки ротора турбины и упруго и герметично скрепленную с деталями, образующими внутренний корпус турбины, нагреватель, охватывающий кольцевую вставку с возможностью ее нагрева, воздухозаборник, регулятор расхода охлаждающего воздуха с приводом, бортовой компьютер и датчики, и нагреватель. Привод регулятора расхода и датчики соединены электрическими связями с бортовым компьютером. Кольцевая вставка выполнена пустотелой и кольцевыми выступами, выполненными на ее боковых сторонах, с натягом закреплена с возможностью теплового расширения в ответных кольцевых канавках вертикальной стенки и фланца, выполненного на внутренней части наружного корпуса ТВД, сопловой аппарат кольцевыми выступами также с натягом закреплен в ответных кольцевых канавках вертикальной стенки и корпуса камеры сгорания, в котором и в вертикальной стенке выполнены равнораспределенные по окружности отверстия, через которые из камеры сгорания поступает вторичный воздух в полости над сопловым аппаратом и кольцевой вставкой. Диск и рабочие лопатки колеса ТВД также охлаждаются вторичным воздухом, закрученным подкручивающим устройством перед поступлением на полотно диска. Кольцевой нагреватель СВЧ, или резистивный, или индукционный состоит из двух отдельных полуколец, выполненных каждое в виде металлического корпуса, внутри которого закреплен нагревательный элемент, и каждое полукольцо нагревателя закреплено на кольцевой вставке с возможностью радиального теплового расширения совместно с кольцевой вставкой и тангенциального теплового расширения относительно кольцевой вставки с помощью байонетного соединения с ней и шпонок, расположенных с натягом в ответных пазах байонетов кольцевой вставки и каждого полукольца в его среднем поперечном сечении. В кольцевую вставку диаметрально противоположно с натягом по трубной конической резьбе ввернуты два патрубка - патрубок-воздухозаборник для подвода охлаждающего воздуха из второго контура во внутреннюю полость кольцевой вставки и патрубок отвода этого воздуха во второй контур, или для других целей. Выход патрубков во второй контур уплотнен поршневыми кольцами. На каждый патрубок навернута опора и к этой опоре симметрично патрубку крепятся центральные опоры двух рессор, выполненных в виде многослойного пакета, сжатого распределенной нагрузкой, набранного из стальных, каленых или нагартованных, шлифованных лент, изготовленных из нержавеющей стали, покрытых износостойким покрытием, а сами рессоры своими концевыми опорами закреплены во втором контуре на наружном корпусе ТВД. Патрубок отвода воздуха соединен с трубопроводом, на выходе из которого установлен либо нормально открытый, либо нормально закрытый электропневмоклапан, и управление радиальными зазорами выполняется по командам бортового компьютера по предложенному способу, либо золотниковый распределитель с электромагнитным приводом, сконструированный так, чтобы положение золотника, регулирующего расход воздуха, на крейсерском режиме на высотах, превышающих высоту ограничения по баростату Н, фиксировалось при обесточенном электромагнитном приводе, а включение и выключение нагревателя и регулирование интенсивности его нагрева, открытие и закрытие подвода охлаждающего воздуха из второго контура и интенсивность этого подвода происходят по командам бортового компьютера, вырабатываемым программой соответственно сигналам датчиков - датчика оборотов двигателя и баростата по другому предложенному способу, либо датчиков, измеряющих размер радиального зазора по рабочим лопаткам. Обеспечивается достаточно конструктивно простая, ремонтопригодная, с возможной быстрой заменой изношенных узлов системы управления радиальными зазорами, с хорошей массовой характеристикой
Известна турбина газотурбинного двигателя по патенту на изобретение №2435039, МПК F01D 11/24, опубл 27.04.08 г. Корпус турбины включает радиальную стенку и содержит со стороны своей внутренней поверхности опору для крепления кольца, окружающего подвижные лопатки турбины. Опора содержит периферийную стенку, окружающую кольцо соосно с ним. Корпус включает в себя множество перфораций, обеспечивающих подачу воздуха для равномерной вентиляции наружной поверхности периферийной стенки. Перфорации образованы через радиальную стенку корпуса, проходящую радиально внутрь. Стенка по существу охватывает вентиляционную камеру, которая также образована внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью периферийной стенки опоры. Вентиляционная камера включает в себя небольшое отверстие между радиальным ребром опоры и внутренней поверхностью радиальной стенки для выпуска воздуха из камеры.
Недостатки - конструктивная сложность и невозможность регулирования радиального зазора на всех режимах работы двигателя.
Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2304221 МПК F01D 11/14, опубл. 10.08.07 г. Этот ГТД содержит компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие колеса, и турбину, содержащую корпус и, как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров, по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины.
Недостатки - низкая эффективность регулирования радиального зазора, особенно на переходных режимах, при форсировании или дросселировании двигателя, конструктивная сложность устройства регулирования радиального зазора.
Газовая турбина, например турбина высокого давления для турбомашины, такая, как раскрытая в публикации патент Франции №2688539, обычно содержит множество неподвижных лопаток, расположенных так, что они чередуются с множеством подвижных лопаток, находящихся на пути горячего газа, поступающего из камеры сгорания турбомашины. Движущиеся лопатки турбины окружены по всей их периферии стационарным кольцевым узлом. Стационарный кольцевой узел образует проход, вдоль которого горячий газ течет через лопатки турбины.
Известны способ и устройство для регулирования радиального зазора в турбине двухконтурного ГТД по патенту РФ №2511860, МПК F01D 11/24, опубл. 10.04.2014 г., прототип способа и устройства.
Этот способ включающем отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку через входную полость в аппарат закрутки, последующий подвод охлаждающего воздуха между диском турбины и дефлектором во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины и регулирование расхода охлаждающего воздуха,
Это устройство для регулирования радиальных зазоров турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, содержит систему отбора охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, входную полость в аппарат закрутки, систему подвода охлаждающего воздуха между диском турбины и дефлектором во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины и систему регулирование расхода охлаждающего воздуха.
Недостатки: применение этого способа и устройства имеет ряд недостатков:
- применение аппарата закрутки и регулируемых клапанов значительно усложняет конструкцию турбины и ухудшает работу системы охлаждения по следующим причинам. Так как, расход воздуха на охлаждение рабочего колеса не может превышать 5%…7% от расхода воздуха через первый контур, то высота лопаток сопловых аппаратов будет очень мала. А это приведет к относительному увеличению толщины погранслоя и увеличению аэродинамических потерь в них.
Применение регулируемых клапанов приведет к отрицательным последствиям: а именно, резкому падания давления на входе в аппараты закрутки и изменению треугольников скоростей воздуха на выходе сопел закрутки, это приведет к ударному входу охлаждающего воздуха под дефлектор, т.е. потере давления на входе в рабочие лопатки, и как последствие - к затеканию продуктов сгорания в полости рабочих лопаток.
Применение трубчатого воздухо-воздушного теплообменника увеличивает загромождение второго контура и тем самым ухудшает его экономичность и снижает надежность двигателя при поломке теплообменника из-за разрушения его трубок от вибрации.
Все это делает невозможным глубокое регулирование расхода охлаждающего воздуха и как следствие приводит к ухудшению экономичности работы газотурбинных двигателей с такими системами охлаждения.
Задачей изобретения является повышение экономичности газотурбинных двигателей с высокотемпературными турбинами за счет оптимизации радиальных зазоров и расхода охлаждающего воздуха в рабочих лопатках турбин высокого давления во всем диапазоне работы многорежимного двигателя при одновременном сохранении удовлетворительного температурного состояния охлаждаемых лопаток, то есть при сохранении надежности и ресурса работы двигателя.
Достигнутый технический результат: повышение экономичности газотурбинных двигателей с высокотемпературными турбинами.
Решение указанной задачи достигнуто в способе охлаждения и регулирования радиальных зазоров турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, включающем контроль радиальных зазоров, отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку через сопловые лопатки во входную полость и далее в аппарат закрутки, последующий подвод охлаждающего воздуха во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины и регулирование расхода охлаждающего воздуха, в зависимости от режима его работы и от величины радиального зазора, тем, что температуру охлаждающего воздуха снижают в воздухо-воздушном теплообменнике, установленном во втором контуре, входная полость разделена на несколько одинаковых секторов, к каждому из которых подсоединены по несколько подводящих трубопроводов с отсечными клапанами, трубопроводы подачи охлаждающего воздуха проводят через средние сопловые лопатки блоков, которые состоят из трех сопловых лопаток и разделены на две полости: переднюю и заднюю полости, давление воздуха на входе во внутренние полости рабочих лопаток повышают в центробежном компрессоре, выполненном между рабочим колесом турбины и дефлектором, на максимальных режимах добавляют охлаждающий воздух в заднюю полость, а дополнительное регулирование температуры подачи и охлаждающего воздуха выполняют изменением эффективности работы воздухо-воздушного теплообменника средством регулирования эффективности теплообменника.
На максимальном режиме работы двигателя должно быть обеспечено равенство углов:
1
0
α=β,
1
где: α - угол истечения потока охлаждающего воздуха из аппарата закрутки,
0
β - угол установки входной кромки лопасти,
1
0
а на других режимах должно быть обеспечено максимально близкие значения углов α и β.
Решение указанной задачи достигнуто в устройстве для охлаждения и регулирования радиальных зазоров турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащем отверстия отбора воздуха за компрессором, трубопровод охлаждающего воздуха проходящий через сопловые лопатки, образующие блоки и далее через входную полость в аппарат закрутки, систему подвода охлаждающего воздуха во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины и систему регулирования расхода охлаждающего воздуха, тем, что в системе подвода охлаждающего воздуха во втором контуре установлен воздухо-воздушный теплообменник, входная полость разделена на несколько одинаковых секторов, к входу в каждого из которых подсоединены по одному подводящему трубопроводу с отсечными клапанами, проведенному через сопловые лопатки блоков, при этом число сопловых лопаток в блоках выполнено равным трем, полости сопловых лопаток разделены на две: переднюю и заднюю, трубопроводы охлаждающего воздуха проведены через средние сопловые лопатки блоков, а к выходу из аппарата закрутки подключен центробежный компрессор, размещенный между рабочим колесом турбины и дефлектором, кроме того, к выходу из воздухо-воздушного теплообменника присоединены дополнительные подводы воздуха с дополнительными отсечными клапанами, выходы из которых соединены с задними полостями сопловых лопаток.
В каждой рабочей лопатке может быть выполнено по две полости: передняя и задняя, при этом в переднюю полость выведены отверстия завесы охлаждения передней кромки рабочей лопатки.
Воздухо-воздушный теплообменник может быть совмещен с корпусом камеры сгорания, а средство регулирования эффективности теплообменника выполнено в виде управляемых турбулизаторов воздушного потока второго контура.
Воздухо-воздушный теплообменник может быть выполнен в виде пустотелого корпуса камеры сгорания.
Пустотелый корпус камеры сгорания может быть выполнен с двумя коаксиальными стенками, при этом внешняя стенка выполняет функцию рабочей поверхности.
Внешняя стенка камеры сгорания может быть выполнена с оребрением со стороны второго контура.
Сущность изобретения представлена на чертежах фиг 1…19, где:
- на фиг. 1 представлен пример конкретного выполнения устройства для охлаждения рабочей лопатки турбины высокого давления двухконтурного газотурбинного двигателя, позволяющего реализовать предложенный способ,
- на фиг. 2 приведена схема подачи охлаждающего воздуха,
- на фиг. 3 приведена схема подвода охлаждающего воздуха,
- на фиг. 4 приведена схема подвода охлаждающего воздуха в проекции сбоку,
- на фиг. 5 приведено колесо турбины и схема его охлаждения,
- на фиг. 6 приведен чертеж турбины,
- на фиг. 7 приведен блок, вид слева,
- на фиг. 8 приведен вид А,
- на фиг. 9 приведен разрез сопловой лопатки,
- на фиг. 10 приведен разрез В-В,
- на фиг. 11 приведена лопатка турбины, первый вариант,
- на фиг. 12 приведена лопатка турбины, второй вариант,
- на фиг. 13 приведена конструкция центробежного компрессора, первый вариант,
- на фиг. 14 приведена конструкция центробежного компрессора, первый вариант,
- на фиг. 15 приведен фрагмент чертежа рабочего колеса,
- на фиг. 16 приведен вид С,
- на фиг. 17 приведен чертеж компоновки сектора и подводящего трубопровода, разрез В-В,
-на фиг. 18 приведен воздухо-воздушный теплообменник,
- на фиг. 19 приведен разрез D-D.
Перечень обозначений, принятых в описании.
блок управления 1,
электрические связи 2,
отсечной клапан 3,
датчик измерения радиальных зазоров 4,
трубопровод охлаждающего воздуха 5,
воздухо-воздушный теплообменник 6,
второй контур 7,
средство управления теплообменом 8,
привод средства управления 9,
входное отверстие 10,
внешняя воздушная полость 11,
камера сгорания 12,
жаровая труба 13,
внутренняя воздушная полость 14,
форсуночная плита 15,
форсунки 16,
корпус камеры сгорания 17,
вал 18,
выходное отверстие 19,
внутренняя полость 20,
сопловая лопатка 21,
входная полость 22,
аппарат закрутки 23,
статор 24,
воздушные каналы 25,
рабочее колесо 26,
внутренняя полость 27,
рабочая лопатка 28,
дефлектор 29,
центробежный компрессор 30,
лопасть 31,
входной участок 32,
водная кромка соплового аппарата 33,
отверстия тепловой завесы 34,
проточная часть турбины 35,
блок 36,
большой бандаж 37,
малый бандажи 38,
диагональная перегородка 39,
передняя полость 40,
задняя полость 41,
отверстия 42,
отверстия 43
передний дефлектор 44
задний дефлектор 45,
вихревая матрица 46,
выходная кромка 47,
выходная щель 48,
дополнительный подвод воздуха 49,
дополнительный отсечной клапан 50,
перегородка 51,
сектора 52,
обтекаемые лопатки 53,
внешнее уплотнение 54,
внутреннее уплотнение 55,
ступица 56,
входная кромка рабочей лопатки 57,
отверстия завесы охлаждения 58,
бандажная полка 59,
уплотнение 60,
выходная кромка 61,
выходная щель 62,
замок 63,
перегородка 64,
передний канал 65,
задний канал 66,
диффузор 67,
перегородки 68,
внутренняя стенка 69,
внешняя стенка 70,
зазор 71,
внутренние ребра 72,
внешние ребра 73.
коллектор 74,
корпус компрессора 75,
корпус турбины 76,
регулируемые турболизаторы 77,
ось 78,
поворотная пластина 79,
0
α - угол установки обтекаемых лопаток,
1
α - угол истечения потока охлаждающего воздуха из аппарата закрутки,
0
β - угол установки входной кромки лопасти,
Устройство регулирования радиальных зазоров турбины высокого давления двухконтурного газотурбинного двигателя (фиг. 1…19) содержит блок управления 1, соединенный электрическими связями 2 с отсечными клапанами 3, датчиками измерения радиальных зазоров 4 и приводами средств управления 9.
Отсечные клапаны 3 установлены в трубопроводах охлаждающего воздуха 5.
Для охлаждения воздуха применен воздухо-воздушный теплообменник 6, размещенный во втором контуре 7.
Особенностью воздухо-воздушного теплообменника 6 является наличие средства управления теплообменом 8.
Применение обычного средства управления теплообменом в виде регулятора расхода охлаждающего воздуха невозможно, так как с уменьшением расхода охлаждающего воздуха его эффективность будет уменьшаться в связи с уменьшением коэффициента теплоотдачи к воздуху. В реальной работе требуется, наоборот увеличение эффективности теплообмена.
Воздухо-воздушный теплообменник 6 соединен через входную полость 22 и аппарат закрутки с входными отверстиями 10 с внешней воздушной полостью 11 камеры сгорания 12 (зона вторичного воздуха камеры сгорания 12), расположенной над жаровой трубой 13 (фиг. 1). Учитывая, что потери давления во внешней воздушной полости 11 составляют около 5%, входные отверстия 10 следует выполнить в начале (по потоку) камеры сгорания 12.
Под жаровой трубой 13 расположена внутренняя воздушная полость 14. В состав камеры сгорания 12 кроме жаровой трубы 13 входят: внутренняя воздушная полость 14, форсуночная плита 15 с форсунками 16 и корпус камеры сгорания 17. Внутри камеры сгорания 12 проходит вал 18 (или валы для многовального газотурбинного двигателя)
Воздухо-воздушный теплообменник 6 соединен выходными отверстиями 19 - с трубопроводами охлаждающего воздуха 5 с отсечными клапанами 3 в них, проходящими через внутренние полости 20 сопловых лопаток 21, во входную полость 22, далее - в аппарат закрутки 23 статора 24 и воздушные каналы 25 в рабочем колесе 26 (фиг. 1…3).
Воздушные каналы 25 соединены с внутренними полостями 27 рабочих лопаток 28, входящих в состав рабочего колеса 26. На рабочем колесе 26 между его воздушными каналами 25 и аппаратом закрутки 23 статора 24 может быть размещен дефлектор 29 с центробежным компрессором 30.
Центробежный компрессор 30 предназначен для увеличения давления охлаждающего воздуха, что важно при завесном охлаждении.
Центробежный компрессор 30 содержит лопасти 31 с входными участками 32, установленными под углом β к оси ОО турбины (фиг. 17).
На водных входных кромках 33 рабочих лопаток 28 выполнены отверстия тепловой завесы 34 для сообщения с проточной частью турбины 35 (фиг. 1).
Сопловые лопатки 21 объединены в блоки 36 по три сопловые лопатки, имеющие большой и малый бандажи 37 и 38. Внутренние полости 20 сопловых лопаток 21 разделены диагональной перегородкой 39 на переднюю 40 и заднюю 41 полости. Передняя полость 40 отверстиями 42 соединена с внешней воздушной полостью 11, а задняя полость 41 отверстиями 43 соединена с внутренней воздушной полостью 14 (фиг. 3 и 9). В сопловых лопатках 21 установлены дефлекторы передний 44 и задний 45 и выполнены вихревые матрицы 46. Выходные кромки 47 имеют выходные щели 48 (фиг. 9 и 10).
Для резкого улучшения охлаждения сопловых лопаток 21 внутри их полостей 20 выведены дополнительные подводы воздуха 49 с дополнительными отсечными клапанами 50 (фиг. 1, 7 и 9), для дополнительной подачи охлаждающего воздуха на максимальных режимах работы двигателя.
На остальных режимах охлаждение сопловых лопаток обеспечивается воздухом из внешней воздушной полости 11 и внутренней воздушной полости 14 камеры сгорания 12. (фиг. 1 и 3).
Особенностью устройства является то, что (фиг 2) что входная полость 22 перегородками 51 разделена на одинаковые по размеру сектора 52, обслуживающие по несколько обтекаемых лопаток 53 аппарата закрутки 23 (фиг. 2).
Рекомендуемое количество обтекаемых лопаток 53 на один сектор 52:
n=3…7.
К входам в сектора 52 присоединены по одному трубопроводу охлаждающего воздуха 5 с отсечным клапаном 3 (фиг. 1 и 2). Применение именно отсечных клапанов, а не регуляторов расхода обосновано необходимостью поддержания без изменений треугольников скоростей истечения охлаждающего воздуха из аппарата закрутки 23 при изменении его расхода в 2…4 раза (фиг. 4, 5 и 12).
Аппарат закрутки 23 содержит, как упоминалось ранее, обтекаемые лопатки 53 и уплотнен внешним и внутренним уплотнениями 54 и 55 (фиг. 1 и 6).
Рабочее колесо 26 содержит ступицу 56, к которой присоединен вал 18 (фиг. 5).
На фиг. 11 приведен первый вариант рабочей лопатки 28. Она содержит входную кромку рабочей лопатки 57, отверстия завесы охлаждения 58, бандажную полку 59, уплотнение 60, выходную кромку 61, выходную щель 629. Рабочая лопатка 28 имеет замок 63.
На фиг. 12 приведен второй вариант рабочей лопатки 28. Она дополнительно содержит перегородку 64, а ее внутреннюю полость 27 разделена перегородкой 64 на передний канал 65 и задний канал 66.
На фиг. 13 приведена конструкция центробежного компрессора 30, первый вариант, центробежный компрессор 30 содержит лопасти 31 радиальной формы с входными участками 32 изогнутой формы для уменьшения потерь давления охлаждающего воздуха при входе в центробежный компрессор 30.
На фиг. 14 приведена конструкция центробежного компрессора, второй вариант, центробежный компрессор содержит лопасти 31 криволинейной формы также с входными участками 32 изогнутой формы.
На фиг. 15 приведен фрагмент чертежа рабочего колеса 26, оно содержит под дефлектором 29 лопасти 31 с входными участками 32, которые выполнены изогнутыми.
0
0
На фиг. 16 приведен вид А, видны входные участки 32 изогнутой формы, а на фиг. 17 - приведен чертеж компоновки сектора 52 и трубопровода охлаждающего воздуха 5, разрез В-В. Видно, что входные участки 32 выполнены под углом α=β, где:
0
α - угол установки обтекаемых лопаток 53,
1
α - угол истечения потока охлаждающего воздуха из аппарата закрутки 12,
0
β - угол установки входного участка 32 лопасти 31.
1
0
В расчетах принято α=α.
На фиг. 18 приведен диффузор 67, имеющий внутри перегородки 68 в системе охлаждения турбины и регулирования радиальных зазоров для уменьшения потери давления охлаждающего воздуха от внезапного расширения воздуха при входе во входную полость 22 через диффузор 67 с большим углом диффузорности.
На фиг. 19 приведена конструкция воздухо-воздушного теплообменника 6 и средства управления теплообменом 8.
Воздухо-воздушный теплообменник 6 (фиг. 18 и 19) собран на основе корпуса камеры сгорания 17 и содержит внутреннюю стенку 69 и внешнюю стенку 70, выполненные концентрично с зазором 71 между ними. В зазоре 71 выполнены внутренние ребра 72, на внешней поверхности внешней стенки 70 со стороны второго контура 7 выполнены внешние ребра 73. Внешние ребра 73 предпочтительно выполнить продольными, это уменьшит потери давления воздушного потока по сравнению с трубчатым теплообменником на основных режимах: взлетном и крейсерском. Но накопление подогретого воздуха между внешними ребрами 73 уменьшит эффективность теплообмена. Для устранения этого недостатка применены регулируемые турбулизаторы 77, которые работают кратковременно на переходных режимах.
Над выходными отверстиями 19 выполнен коллектор 74 для сбора охлажденного воздуха. Для значительного увеличения эффективности воздухо-воздушного теплообменника 6 и обеспечения возможности его регулирования применено средство управления теплообменом 8 в виде регулируемых турболизаторов 77 на оси 78. Приводы средств управления 9 соединены электрическими связями 2 с блоком управления 1.
Корпус камеры сгорания 17 установлен между корпусом компрессора 75 и корпусом турбины 76.
Регулируемые турболизаторы 77 могут быть выполнены любой формы, например, содержать ось 78 и закрепленную на ней поворотную пластину 79 и соединенную с ней приводом средства управления 9 (фиг. 14). Исходно положение поворотных пластин 79 параллельное оси двигателя ОО.
Реализация способа осуществляют следующим образом:
Подачу охлаждающего воздуха из внешней воздушной полости 11 камеры сгорания 12 на охлаждение рабочих лопаток 28 осуществляют через входные отверстия 10 и транспортируют его во внутреннюю полость 27 рабочих лопаток 28 через последовательно размещенный воздухо-воздушный теплообменник 6, установленный во втором контуре 7, по трубопроводам охлаждающего воздуха 5 с отсечными клапанами 3 в них, через аппарат закрутки 23, центробежный компрессор 30, воздушные каналы 25 в рабочем колесе 26.
Из воздушных каналов 25 воздух через отверстия завесы охлаждения 58 во входной кромке рабочей лопатки 57 поступает в проточную часть турбины 35, осуществляя пленочное охлаждение стенки рабочей лопатки 28 в зоне входной кромки рабочей лопатки 57, которое может обеспечить надежную работу этой зоны при очень высоких температурах газа.
На всех режимах работы двигателя, кроме максимального осуществляется постоянный подвод охлаждающего воздуха из внешней воздушной полости 11 и внутренней воздушной полости 14 камеры сгорания 12 во внутренние полости 20 сопловых лопаток 21 для их охлаждения (фиг. 1 и 3). Дополнительные отсечные клапаны 50 при этом закрыты.
Для уменьшения потерь давления охлаждающего воздуха в полости за аппаратом закрутки 23 ее, с одной стороны, отделяют от полости на входе в центробежный компрессор 30 рабочего колеса 26 внешним уплотнением 54 и внутренним уплотнением 55.
Расход охлаждающего воздуха, поступающего во внутренние полости 27 рабочих лопаток 28, уменьшают по мере дросселирования режима работы двигателя с помощью отсечных клапанов 3. Имеется возможность регулирования расхода охлаждающего воздуха, поступающего и в сектора 52 и далее во внутренние полости 27 рабочих лопаток 28.
На максимальных режимах работы двигателя открыты все отсечные клапаны 3 и дополнительные отсечные клапаны 50. Сопловые лопатки 21 и рабочие лопатки 20 получают максимально возможные расходы охлаждающего воздуха.
При снижении оборотов двигателя и температуры газа перед турбиной по команде с блока управления 1 по электрическим связям 2 (фиг. 1) уменьшают расход охлаждающего воздуха путем закрытия части отсечных клапанов 3. Таким образом, расход охлаждающего воздуха во внутренние полости 27 рабочих лопаток 28 падает, но увеличивается в тракте камеры сгорания 5, тем самым, увеличивая массу рабочего тела в турбине. Для сохранения режима работы двигателя снижают подачу топлива в камеру сгорания 12, что снижает температуру газа перед турбиной и уменьшает удельный расход топлива двигателя, т.е. улучшает экономичность.
Датчики измерения радиальных зазоров 4 (фиг. 1) постоянно контролируют и передают в блок управления 1 (бортовой компьютер) величину радиального зазора в турбине и при его увеличении выше допустимого значения (обычно при дросселировании режима работы двигателя) из-за того, что ротор турбины двигателя имеет большую тепловую инерцию, чем статор (корпус турбины 76) подается сигнал на привод средства управления 9 на поворот поворотных пластин 79 перпендикулярно оси двигателя ОО (фиг. 14).
При этом эффективность охлаждения воздуха в воздухо-воздушном теплообменнике 6 резко возрастет из-за турболизации воздуха между внешними ребрами 73 рабочее колесо 26 быстро охладится, радиальные зазоры уменьшатся до оптимальных величин и по команде с блока управления 1 привода средства управления 9 вернут поворотные пластины 79 в исходное положение (параллельно оси двигателя ОО).
Применение отсечных клапанов 3 для каждого сектора 52, обслуживающего 3…7 обтекаемых лопаток 53 аппарата закрутки 23 позволяет поддерживать на выходе из аппарата закрутки 23 оптимальные скорости и направления движения потока охлаждающего воздуха практически на всех режимах работы двигателя.
Диффузор 67 и перегородки 68 (фиг. 17) в системе охлаждения и регулирования радиальных зазоров турбины уменьшают потери от внезапного расширения воздуха при входе в во входную полость 22, это повышает давление охлаждающего воздуха, поступающего во внутренние полости 27 рабочей лопатки 28, или в передние и задние каналы 65 и 66, при наличии перегородок 65 в рабочих лопатках 28, а значит улучшить охлаждение рабочих лопаток 28.
Применение для каждого сектора 52 своего отсечного клапана 3 позволяет на пониженных режимах работы двигателя уменьшить в 2…4 раза расход охлаждающего воздуха, без снижения его давления и без изменения треугольников скоростей истечения охлаждающего воздуха из аппарата закрутки 23 (фиг. 17).
U - скорость вращения рабочего колеса турбины,
V - общая скорость истечения охлаждающего воздуха,
0
V - осевая составляющая скорости истечения воздуха,
u
V - окружная составляющая скорости истечения воздуха,
0
α - угол установки обтекаемых лопаток 38 аппарата закрутки 23,
1
α - угол истечения потока охлаждающего воздуха из аппарата закрутки 23,
0
β - угол установки входного участка 32 лопасти 31 центробежного компрессора 30.
Учитывая, что приблизительно:
1
0
α=α,
предложено на максимальном режиме работы двигателя обеспечить равенство углов:
1
0
α=β,
1
где: α - угол истечения потока охлаждающего воздуха из аппарата закрутки,
0
1
0
β - угол установки входной кромки лопасти, а на других режимах обеспечить максимально близкие значения углов α и β.
Эти мероприятия обеспечат безударный вход охлаждающего воздуха в центробежный компрессор и уменьшит потери давления воздуха в системе охлаждения.
Применение теплообменника совмещенного с корпусом камеры сгорания позволит уменьшить загромождение второго контура и тем самым улучшить его экономичность и повысить надежность двигателя исключив поломку воздухо-воздушного теплообменника из-за разрушения его трубок от вибрации.
Применение дополнительного подвода воздуха 49 с дополнительными отсечными клапанами 50 (фиг. 1 и фиг. 3) позволило значительно улучшить охлаждение сопловых лопаток 21 на максимальных режимах.
Применение блоков 36 сопловых лопаток 21 в количестве по 3 шт в каждом позволили использовать среднюю сопловую лопатку 31 каждого блока 36 для проведения через него трубопроводов охлаждающего воздуха 5 к аппарату закрутки 23.
Таким образом, изобретение позволяет, с одной стороны, обеспечить надежность и заданный ресурс работы двигателя, а, с другой стороны, высокую экономичность в конструкциях высокотемпературных турбин в широком диапазоне регулирования по мощности (оборотам) газотурбинного двигателя.
Система охлаждения применима для первых ступеней турбин современных высокотемпературных авиационных и судовых газотурбинных двигателей.