СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам охлаждения турбины в газотурбинном двигателе, и может быть использовано в транспортном и энергетическом машиностроении.
Основными деталями турбины, требующими охлаждения, являются сопловые и рабочие лопатки, диски.
Известна система охлаждения турбины газотурбинного двигателя, содержащая воздуховод, по которому воздух, отобранный от компрессора, подается на охлаждение турбины, а также встроенный в воздуховод дополнительный компрессор (Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. Под ред. А.И.Леонтьева. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003, стр.268). В дополнительном компрессоре производится дожимание воздуха перед подачей его в турбину, в целях компенсации гидравлических потерь в системе охлаждения. Наличие в системе дополнительного компрессора требует решения вопроса о его рациональном размещении на двигателе. Недостаточно удачный выбор местоположения дополнительного
компрессора в конструкции двигателя влечет за собой увеличение габаритов, массы и стоимости двигателя.
Известна выбранная в качестве прототипа система охлаждения турбины газотурбинного двигателя, включающая воздуховод для прохода охлаждаемого воздуха от компрессора к турбине. Воздуховод образован валом, соединяющим компрессор с турбиной, и внутренней стенкой двигателя, размещенной вокруг вала (см. пат. США №3742706, F 02 C 7/18, оп. 03.07.1973). Недостатком системы является невозможность ее применения для охлаждения турбин, конструктивные особенности которых предполагают большие потери давления охлаждающего воздуха при прохождении им внутренних каналов в деталях турбины, главным образом в рабочих лопатках. При работе двигателя в таких турбинах на выходе из внутренних каналов рабочих лопаток давление охлаждающего воздуха практически может быть равно давлению газового потока в проточной части. При неблагоприятном сочетании допусков на размеры внутренних каналов, приводящем к дополнительным потерям, возможно втекание газа в лопатку, что приведет к ее прогару.
Задачей изобретения является обеспечение возможности применения системы для охлаждения турбин, характеризуемых большими потерями давления во внутренних каналах ее деталей, за счет создания с наименьшими экономическими затратами на выходе из внутренних каналов гарантированного превышения давления охлаждающего воздуха над давлением газа в проточной части турбины.
Создание на выходе из внутренних каналов деталей турбины гарантированного превышения давления охлаждающего воздуха над давлением газа в проточной части турбины достигается тем, что в системе охлаждения турбины газотурбинного двигателя, включающей воздуховод для прохода охлаждающего воздуха от компрессора к турбине, образованный валом, соединяющим компрессор с турбиной, и внутренней стенкой двигателя, размещенной вокруг вала, согласно изобретению,
воздуховод снабжен дополнительным осевым компрессором, содержащим одну или более ступеней, при этом рабочие лопатки дополнительного осевого компрессора установлены на валу, соединяющем компрессор с турбиной, а направляющие аппараты - на внутренней стенке двигателя, размещенной вокруг вала.
Наличие дополнительного осевого компрессора позволяет значительно увеличить давление охлаждающего воздуха как на входе во внутренние каналы деталей турбины, так и на выходе из них в проточную часть. Благодаря установке рабочих лопаток дополнительного компрессора на валу двигателя, соединяющем компрессор с турбиной, а направляющих аппаратов на внутренней стенке двигателя, размещенной вокруг вала, система охлаждения турбины обладает невысокой материалоемкостью, компактна и экономична в работе, т.к. дополнительный осевой компрессор приводится от той же турбины, что и основной компрессор двигателя.
Воздух на охлаждение турбины может отбираться как из-за промежуточной ступени компрессора, так и из-за последней его ступени.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен фрагмент продольного разреза газотурбинного двигателя.
На чертеже помимо элементов системы охлаждения турбины показана часть компрессора 1, камера сгорания 2 и сама турбина, в состав которой входят диск 3 с установленными на нем охлаждаемыми рабочими лопатками 4 и покрывной диск 5.
Система охлаждения турбины газотурбинного двигателя содержит воздуховод 6 с кольцевым поперечным сечением тракта, предназначенный для прохода отбираемого на охлаждение из-за компрессора 1 воздуха к турбине. Воздуховод 6 образован поверхностью вала 7, соединяющего компрессор 1 и диск 3 турбины, и внутренней стенкой 8 двигателя, размещенной вокруг вала 7. В данном примере роль внутренней стенки 8 выполняет корпус камеры сгорания 2.
Воздуховод 6 снабжен дополнительным осевым компрессором 9, имеющим одну ступень. Его рабочая лопатка 10 установлена на валу 7, а направляющий аппарат 11 - на внутренней стенке 8.
В корпусе камеры сгорания 2 выполнены отверстия 12 для соединения полости 13, сформированной между стенкой жаровой трубы (не обозначена) и корпусом камеры сгорания 2, с кольцевым воздуховодом 6.
В турбине между диском 3 и покрывным диском 5 образована полость 14. В диске 3 выполнены каналы 15 для сообщения полости 14 с внутренними полостями и каналами (не показаны) охлаждаемых рабочих лопаток 4. Для интенсификации процесса охлаждения в рабочих лопатках 4 выполнены ребра и штыри (не показаны). Внутреннее устройство охлаждаемых рабочих лопаток 4 обуславливает сложный путь движения охлаждающего воздуха в них и приводит к большим потерям его давления.
На входе в полость 14, за кольцевым воздуховодом 6 установлен аппарат закрутки 16.
При работе двигателя воздух, отобранный из-за компрессора 1 на охлаждение турбины, из полости 13 через отверстия 12 подается в начало воздуховода 6. Проходя по воздуховоду 6, воздушный поток поступает в дополнительный осевой компрессор 9, где происходит его поджатие. Далее, миновав дополнительный осевой компрессор 9 и пройдя остаток пути в воздуховоде 6 уже с повышенным давлением, воздух через аппарат закрутки 16 попадает в полость 14, а затем, охлаждая лопатки 4, протекает по их внутренним полостям и каналам. Из каналов лопаток 4 воздух беспрепятственно вытекает в проточную часть турбины.
Таким образом, новая система охлаждения турбины газотурбинного двигателя, компактная и экономичная, за счет дожимания охлаждающего воздуха перед подачей его в турбину обеспечивает компенсацию гидравлических потерь, возникающих в рабочих лопатках или других деталях турбины.