СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO COOL BY-PASS GAS TURBINE ENGINE VANES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение 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.
Наиболее близким изобретением к предлагаемому является способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя и устройство для его реализации по патенту РФ №2196239, МПК F02C 7/12, опубл. 10.01.2003 г.
Способ охлаждения рабочих лопаток турбины высокого давления двухконтурного газотурбинного двигателя по патенту РФ №2196239 включает отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку через воздухо-воздушный теплообменник, установленный в воздушном тракте второго контура, в аппарат закрутки, последующий подвод охлаждающего воздуха во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины и регулирование его расхода.
Устройство для охлаждения рабочей лопатки турбины двухконтурного газотурбинного двигателя по патенту РФ №2196239 содержит последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник, размещенный во втором контуре, соединенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, а выходом - с воздушным коллектором с управляющими клапанами в нем, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, аппарат закрутки статора и воздушные каналы в рабочем колесе, соединенные с внутренними полостями рабочих лопаток.
В решении по патенту РФ №2196239 для получения приемлемой экономичности двигателя во всем диапазоне работы максимальный расход воздуха подают на максимальных режимах, а на крейсерских режимах потребный расход охлаждающего воздуха снижают с помощью управляющих клапанов, установленных на коллекторе после теплообменника. При этом наиболее опасной с точки зрения охлаждения рабочей лопатки остается зона ее входной кромки, поэтому расход охлаждающего воздуха уменьшают до гарантированного уровня, обеспечивающего надежное охлаждение входной кромки по всем режимам работы двигателя. При этом более «холодные» зоны поверхности лопатки получают «избыток» охлаждающего воздуха по сравнению с оптимальным расходом охлаждающего воздуха для этих режимов двигателя, что ухудшает экономичность работы газотурбинного двигателя. Поэтому для высокотемпературных турбин на крейсерских режимах приходится мириться с излишним охлаждением средней и выходной частей пера рабочих лопаток, что снижает ее экономичность. С другой стороны, повышение рабочей температуры газа перед турбиной необходимо для получения приличных значений КПД на турбине.
Задачей изобретения является повышение экономичности газотурбинных двигателей с высокотемпературными турбинами за счет оптимизации расхода охлаждающего воздуха в разных зонах рабочих лопаток 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.
Указанная задача достигается тем, что в способе охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, включающем отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку через воздухо-воздушный теплообменник, установленный в воздушном тракте второго контура, в аппарат закрутки, последующий подвод охлаждающего воздуха во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины и регулирование его расхода, внутреннюю полость каждой рабочей лопатки, расположенную у входной кромки, отделяют от остальной полости перегородкой, направленной вдоль входной кромки, образованную полость сообщают перфорационными отверстиями в стенке с проточной частью турбины и подают в нее охлаждающий воздух из воздушной полости камеры сгорания через дополнительный аппарат закрутки статора и через дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе.
Кроме того:
а) подвод охлаждающего воздуха в воздушные каналы рабочего колеса могут осуществлять через безлопаточный диффузор рабочего колеса,
б) полость за дополнительным аппаратом закрутки статора могут отделять от полости на входе в безлопаточный диффузор рабочего колеса подвижным уплотнением, например лабиринтным;
в) полость за дополнительным аппаратом закрутки статора могут отделять от проточной части турбины подвижным уплотнением, например лабиринтным;
г) подвод охлаждающего воздуха в дополнительные воздушные каналы рабочего колеса могут осуществлять через дополнительный безлопаточный диффузор рабочего колеса;
д) расход охлаждающего воздуха в дополнительные воздушные каналы рабочего колеса могут изменять в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя.
Указанная задача достигается и тем, что в устройстве для охлаждения рабочей лопатки турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащем последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник, размещенный во втором контуре, соединенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, а выходом - с воздушным коллектором с управляющими клапанами в нем, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, аппарат закрутки статора и воздушные каналы в рабочем колесе, соединенные с внутренними полостями рабочих лопаток, на рабочем колесе между его воздушными каналами и аппаратом закрутки статора размещен безлопаточный диффузор, внутренняя полость каждой рабочей лопатки, расположенная у входной кромки, отделена от остальной полости перегородкой, направленной вдоль входной кромки, образованная полость сообщена перфорационными отверстиями в стенке с проточной частью турбины и соединена с воздушной полостью камеры сгорания через дополнительный аппарат закрутки статора и через дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе.
Кроме того, возможно, что:
а) на рабочем колесе между его воздушными каналами и аппаратом закрутки статора размещен безлопаточный диффузор;
б) на рабочем колесе между его дополнительными воздушными каналами и дополнительным аппаратом закрутки статора размещен дополнительный безлопаточный диффузор;
в) полость на выходе из дополнительного аппарата закрутки отделена от полости на входе в безлопаточный диффузор рабочего колеса подвижным уплотнением;
г) полость на выходе из дополнительного аппарата закрутки отделена от проточной части турбины лабиринтным уплотнением;
д) перед дополнительным аппаратом закрутки установлен дополнительный управляющий клапан.
Разделение внутренней полости каждой рабочей лопатки перегородкой, направленной вдоль входной кромки, на полость, расположенную у входной кромки, и на остальную внутреннюю полость рабочей лопатки позволяет гидравлически разделить эти полости между собой, а, подавая в образованную у входной кромки полость охлаждающий воздух напрямую из воздушной полости камеры сгорания через дополнительный аппарат закрутки статора и через дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе, получаем возможность дифференцированного зонального независимого друг от друга подвода охлаждающего воздуха с различными входными параметрами по давлению, температуре и расходу к зоне входной кромки и к ее остальной части.
Сообщение образованной у входной кромки полости перфорационными отверстиями в стенке с проточной частью турбины и подачей в нее охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания через дополнительный аппарат закрутки статора и через дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе позволяет работать такой турбине с высокими температурами газа, омывающего рабочую лопатку, то есть быть такой турбине высокотемпературной.
Подвод охлаждающего воздуха в воздушные каналы рабочего колеса через безлопаточный диффузор рабочего колеса позволяет повысить давление на входе в среднюю и заднюю части внутренней полости лопатки (остальную часть), что повышает перепад давления между давлением воздуха в этой части полости и проточной частью турбины, за счет этого удается поднять скорость охлаждающего воздуха, а значит, улучшить ее охлаждение.
Изменение расхода охлаждающего воздуха по режимам работы двигателя в полости лопатки у входной кромки предполагается минимальным и определяется это, с одной стороны, высоким уровнем окружающего поверхность лопатки давления и температуры, т.е. высокими тепловыми потоками, а, с другой стороны, невозможным «глубоким» отключением воздуха из-за вероятности подсоса газа внутрь лопатки.
Экономичность турбины обеспечивается изменением расхода охлаждающего воздуха, подаваемого в остальную полость лопатки, в зависимости от режима работы двигателя. При уменьшении оборотов (мощности) двигателя, с одновременным уменьшением температуры перед турбиной, эти участки можно охлаждать значительно меньшим расходом воздуха из-за более низкого давления и температуры газа, окружающего перо лопатки, и более высоким уровнем давления воздуха внутри лопатки. Это экономит охлаждающий воздух. Сэкономленный воздух как бы возвращается в камеру сгорания двигателя, что при постоянной мощности двигателя приводит к снижению потребной температуры газа перед турбиной, улучшая тем самым температурное состояние элементов горячего тракта двигателя - камеры сгорания, сопловых лопаток, корпусов турбины и выхлопной системы. Одновременно это действие приводит к уменьшению удельного расхода топлива.
Дифференцированный зональный подвод охлаждающего воздуха к охлаждаемой лопатке позволяет уменьшить количество охлаждающего воздуха, подаваемого на турбину, по сравнению с прототипом при одновременном сохранении или улучшении температурного состояния элементов газового тракта двигателя.
Отделение полости за дополнительным аппаратом закрутки статора от полости на входе в безлопаточный диффузор рабочего колеса подвижным уплотнением позволяет более четко разделить подводы охлаждающих воздухов во внутреннюю полость, примыкающую к входной кромке, и в остальную полость каждой лопатки. Это желательно делать, так как параметры охлаждающих воздухов здесь различны.
Отделение полости за дополнительным аппаратом закрутки статора от проточной части турбины подвижным уплотнением диктуется необходимостью повышения давления охлаждающего воздуха, поступающего в наиболее теплонапряженную зону рабочей лопатки, и уменьшения его утечек.
Подвод охлаждающего воздуха в дополнительные воздушные каналы рабочего колеса через дополнительный безлопаточный диффузор позволяет поднять давление внутри полости, примыкающей к входной кромке, и использовать его для получения более высоких скоростей в тракте охлаждения лопатки и понизить ее температуру или при той же температуре уменьшить расход охлаждающего воздуха, т.е. дополнительно улучшить экономичность двигателя.
Изменение расхода охлаждающего воздуха в дополнительные воздушные каналы рабочего колеса в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя позволяет улучшить экономичность работы двигателя. Однако для высокотемпературных турбин такое решение ограничено довольно узкими рамками.
На чертеже представлен пример конкретного выполнения устройства для охлаждения рабочей лопатки турбины высокого давления двухконтурного газотурбинного двигателя, позволяющего реализовать предложенный способ.
Устройство охлаждения рабочей лопатки турбины высокого давления двухконтурного газотурбинного двигателя содержит последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник 1, размещенный во втором контуре 2, соединенный своим входом 3 с воздушной полостью 4 камеры сгорания 5 (зона вторичного воздуха камеры сгорания), а выходом 6 - с воздушным коллектором 7 с управляющими клапанами 8 в нем, многоканальный воздуховод 9, проходящий через внутренние полости 10 сопловых лопаток 11, аппарат закрутки 12 статора 13 и воздушные каналы 14 в рабочем колесе 15, соединенные с внутренними полостями 16 рабочих лопаток 17. На рабочем колесе 15 между его воздушными каналами 14 и аппаратом закрутки 12 статора 13 размещен безлопаточный диффузор 18. Внутренняя полость 19 рабочей лопатки 17, расположенная у входной кромки 20, отделена от остальной полости 16 перегородкой 21, направленной вдоль входной кромки 20. Полость 19 сообщена перфорационными отверстиями 22 в стенке 23 с проточной частью турбины 24 и напрямую соединена с воздушной полостью 4 камеры сгорания 5 через дополнительный аппарат закрутки 25 статора 13 и через дополнительные воздушные каналы 26 в рабочем колесе 15.
Между дополнительными воздушными каналами 26 и дополнительным аппаратом закрутки 25 статора 13 размещен дополнительный безлопаточный диффузор 27.
Полость на выходе из дополнительного аппарата закрутки 25 отделена от полости на входе в безлопаточный диффузор 18 рабочего колеса 15 подвижным уплотнением в виде цилиндрического участка 28 на покрывном диске 29 безлопаточного диффузора 18, с которым контактируют зубья 30 и 31 на аппаратах закрутки 12 и 25 статора 13, а с другой стороны эта полость отделена от проточной части турбины 24 лабиринтным уплотнением в виде зуба 32 на дополнительном аппарате закрутки 25, контактирующего с цилиндрическим участком 33 на покрывном диске 34 дополнительного безлопаточных диффузоров 27.
Перед дополнительным аппаратом закрутки 25 установлен дополнительный управляющий клапан 35.
Способ осуществляют следующим образом:
Внутреннюю полость 19 каждой рабочей лопатки 17, расположенную у входной кромки 20, отделяют от остальной полости 16 лопатки 17 перегородкой 21, направленной вдоль входной кромки 20. Подачу охлаждающего воздуха из воздушной полости 4 камеры сгорания 6 на охлаждение рабочих лопаток 17 осуществляют по двум независимым каналам. По первому каналу охлаждающий воздух отбирают из воздушной полости 4 и транспортируют его во внутреннюю полость 16 рабочей лопатки 17 через последовательно размещенные воздухо-воздушный теплообменник 1, установленный в воздушном тракте второго контура 2, воздушный коллектор 7 с управляющими клапанами 8 в нем, аппарат закрутки 12, безлопаточный диффузор 18 и воздушные каналы 14 в рабочем колесе 17.
По второму каналу охлаждающий воздух отбирают из воздушной полости 4 и транспортируют его во внутреннюю полость 19 рабочей лопатки 17 через последовательно размещенные управляющий клапан 35, дополнительный аппарат закрутки 25, дополнительный безлопаточный диффузор 27 и воздушные каналы 26 в рабочем колесе 17. Из воздушных каналов 19 воздух через перфорационные отверстия 22 в стенке 23 поступает в проточную часть турбины, осуществляя пленочное охлаждение стенки рабочей лопатки 17 в зоне ее входной кромки 20, которое может обеспечить надежную работу этой зоны при очень высоких температурах газа. Для уменьшения потерь давления охлаждающего воздуха в полости за дополнительным аппаратом закрутки 25 ее, с одной стороны, отделяют от полости на входе в безлопаточный диффузор 18 рабочего колеса 15 подвижным уплотнением, например, с помощью цилиндрического участка 28 на покрывном диске 29, с которым контактируют зубья 30 и 31 на аппаратах закрутки 12 и 25 соответственно, а, с другой стороны, отделяют от проточной части турбины 24 с помощью цилиндрического участка 33 на покрывном диске 34, с которым контактируют зубья 32 на аппарате закрутки 25. Расход охлаждающего воздуха, поступающего в полость 16, подвергают глубокому дросселированию по режимам работы двигателя с помощью управляющих клапанов 8. Имеется возможность регулирования расхода охлаждающего воздуха, поступающего и в полость 19 рабочей лопатки 17, но в значительно меньшей степени, связанной с большой теплонапряженностью зоны входной кромки на всех режимах работы двигателя и невозможностью уменьшения расхода охлаждающего воздуха, при котором давление газа станет выше давления охлаждающего воздуха на выходе из перфорационных каналов.
На максимальных режимах работы двигателя площади проходного сечения управляющих клапанов 8 открыты полностью. При снижении оборотов двигателя и температуры газа перед турбиной уменьшают расход охлаждающего воздуха путем уменьшения площади проходного сечения управляющих клапанов 8. Таким образом, расход охлаждающего воздуха во внутренние полости 16 лопаток 17 падает, а 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 5, что снижает температуру газа перед турбиной и уменьшает удельный расход топлива двигателя, т.е. улучшает экономичность. Безлопаточный диффузор 18 и дополнительный безлопаточный диффузор 27 позволяют повысить давление охлаждающего воздуха, поступающего во внутренние полости 19 и 16 рабочей лопатки 17, а значит улучшить охлаждение рабочих лопаток.
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. Особенно это актуально для судовых и авиационных двигателей.