Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя
GAS TURBINE ENGINE COOLED TURBINE

Изобретение относится к высокотемпературным турбинам газотурбинных двигателей, а именно к способам и системам охлаждения рабочих лопаток турбин авиационных двигателей. На этих типах двигателей максимальный режим работы двигателя по мощности кратковременный, а крейсерские режимы - долговременные в жизненном цикле двигателя. Поэтому на авиационных двигателях требуется иметь широкий диапазон регулирования по мощности, по оборотам и уровню температуры перед турбиной.
Известна охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая сопловой аппарат турбины с сопловыми лопатками, диск с рабочими лопатками, установленными в проточной части турбины, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, входная полость которого сообщена с источником охлаждающего воздуха, а выходная полость соединена, с одной стороны, через дополнительный аппарат закрутки статора, дополнительный безлопаточный диффузор и дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, а с другой стороны, через аппарат закрутки статора, безлопаточный диффузор и воздушные каналы с остальной полостью каждой рабочей лопатки (патент РФ №2387846, МПК F01D 5/18, опубл. 27.04.2010).
Недостатком данного изобретения является то, что безлопаточный и дополнительный безлопаточный диффузоры соединены с диском турбины и находятся в поле центробежных сил. Это усложняет конструкцию крепления элементов безлопаточных диффузоров к диску турбины, снижает их запасы прочности и надежности, создает проблему уплотнения этих элементов с целью минимизации утечек охлаждающего воздуха в проточную часть турбины. Также для обеспечения требуемых запасов прочности и ресурса самих безлопаточных диффузоров требуется увеличить их массу, а следовательно, и массу самого диска турбины, что повышает металлоемкость конструкции и, следовательно, увеличиваются затраты на изготовление узлов турбины.
Задача изобретения - повышение эффективности охлаждения и упрощение производства двигателя.
Ожидаемый технический результат - снижение массы и металлоемкости конструкции узла турбины, упрощение технологии ее изготовления и сборки, повышение запасов прочности и ресурса двигателя при сохранении эффективности охлаждения рабочих лопаток турбины.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в охлаждаемой турбине двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащей сопловой аппарат турбины с сопловыми лопатками, диск с рабочими лопатками, установленными в проточной части турбины, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, входная полость которого сообщена с источником охлаждающего воздуха, а выходная полость соединена, с одной стороны, через дополнительный аппарат закрутки статора, дополнительный безлопаточный диффузор и дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, а, с другой стороны, через аппарат закрутки статора, безлопаточный диффузор и воздушные каналы с остальной полостью каждой рабочей лопатки, по изобретению дополнительный безлопаточный диффузор размещен на сопловом аппарате турбины и выполнен в виде канала, полость на входе которого соединена с дополнительным аппаратом закрутки статора, а полость на выходе соединена через дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, при этом полость на выходе из дополнительного безлопаточного диффузора отделена подвижными уплотнениями от проточной части турбины и от полости на входе в безлопаточный диффузор.
Размещение дополнительного безлопаточного диффузора на сопловом аппарате турбины обеспечивает его неподвижность и отсутствие влияния центробежных сил диска. В этом случае упрощается технология крепления дополнительного безлопаточного диффузора, технология его производства, поскольку дополнительный безлопаточный диффузор возможно изготовить из листового материала, применяя более дешевые и простые операции. Снижается масса дополнительного безлопаточного диффузора, а следовательно, и всего узла турбины в целом.
Выполнение дополнительного безлопаточного диффузора в виде канала обеспечивает однозначность его геометрии и независимость подвода охлаждающего воздуха к наиболее теплонапряженной входной кромке рабочей лопатки турбины.
Для безлопаточного диффузора известно, что максимальная степень повышения давления охлаждающего воздуха при его торможении в безлопаточном диффузоре реализуется до момента достижения равенства скорости охлаждающего воздуха и скорости диска турбины. В этом случае охлаждающий воздух входит в дополнительные воздушные каналы с высоким давлением с минимальными потерями, что позволяет использовать его для получения высоких скоростей в тракте охлаждения лопатки, особенно ее входной кромки, где наблюдаются высокие тепловые потоки. В случае, когда безлопаточный диффузор неподвижен, это условие остается справедливым. Таким образом, в неподвижном безлопаточном диффузоре также обеспечивается повышение давления потока охлаждающего воздуха за вычетом потерь на трение о неподвижные стенки канала.
Соединение полости на входе в канал с дополнительным аппаратом закрутки, а полости на выходе через дополнительные воздушные каналы с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, обеспечивает охлаждение теплонапряженной входной кромки воздухом более низкой температуры, чем в источнике охлаждающего воздуха, поскольку поток воздуха выходит из дополнительного аппарата закрутки статора с высокими скоростями, что обеспечивает снижение его температуры.
Отделение полости на выходе из дополнительного безлопаточного диффузора подвижными уплотнениями от проточной части турбины и от полости на входе в безлопаточный диффузор обеспечивает минимальные утечки охлаждающего воздуха в проточную часть турбины и позволяет более точно разделить потоки охлаждающих воздухов во внутреннюю полость, примыкающую к входной кромке, и остальную полость рабочей лопатки, что обеспечивает независимость и автономность подводов.
На чертеже показан продольный разрез охлаждаемой турбины.
Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя содержит сопловой аппарат турбины 1 с сопловыми лопатками 2, диск 3 с рабочими лопатками 4, установленными в проточной части турбины 5, многоканальный воздуховод 6, проходящий через внутренние полости 7 сопловых лопаток 2.
Входная полость 8 многоканального воздуховода 6 сообщена с источником охлаждающего воздуха 9, а выходная полость 10 соединена, с одной стороны, через дополнительный аппарат закрутки статора 11, дополнительный безлопаточный диффузор 12 и дополнительные воздушные каналы 13 с внутренней полостью 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15, а, с другой стороны, через аппарат закрутки статора 16, безлопаточный диффузор 17 и воздушные каналы 18 с остальной полостью 19 каждой рабочей лопатки 4.
Дополнительный безлопаточный диффузор 12 размещен на сопловом аппарате турбины 1 и выполнен в виде канала 20, полость на входе 21 которого соединена с дополнительным аппаратом закрутки статора 11, а полость на выходе 22 соединена через дополнительные воздушные каналы 13 с внутренней полостью 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15.
Полость на выходе 22 из дополнительного безлопаточного диффузора 12 отделена подвижными уплотнениями 23 и 24 от проточной части турбины 5 и от полости 25 на входе в безлопаточный диффузор 17.
Охлаждение турбины осуществляется следующим образом. Воздух от источника охлаждающего воздуха 9 поступает во входную полость 8 многоканального воздуховода 6, проходящего через внутренние полости 7 сопловых лопаток 2, на выходе 10 из которого часть потока охлаждающего воздуха направляется в аппарат закрутки статора 16, а часть в дополнительный аппарат закрутки статора 11. Распределение расходов охлаждающего воздуха зависит от площади выходных каналов аппаратов закрутки статора и определяется на стадии проектировочного расчета.
Воздух, выходящий из дополнительного аппарата закрутки статора 11 с температурой, более низкой, чем на входе, за счет разгона потока охлаждающего воздуха в нем, направляется по неподвижному каналу 20 дополнительного безлопаточного диффузора 12, где происходит торможение потока охлаждающего воздуха с повышением его давления за вычетом потерь на трение о неподвижные стенки канала 20. Далее воздух с высоким давлением через дополнительные воздушные каналы 13 устремляется во внутреннюю полость 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15, и обеспечивает охлаждение теплонапряженной входной кромки 15.
Одновременно воздух, выходящий из аппарата закрутки статора 16 также с более низкой температурой, чем на входе, поступает во вращающийся безлопаточный диффузор 17, где в результате торможения потока повышается давление на выходе из безлопаточного диффузора 17 и воздух устремляется через воздушные каналы 18 в остальную часть 19 каждой рабочей лопатки 4, где происходит охлаждение выходной кромки и задней части рабочей лопатки турбины.
Через подвижные уплотнения 23 и 24 небольшая часть воздуха поступает в проточную часть турбины 5, а также происходит перетечка воздуха между вращающимся и неподвижным безлопаточными диффузорами 17 и 12 соответственно.
Реализация данного изобретения позволяет снизить затраты на изготовление и сборку элементов конструкции узла турбины за счет снижения массы деталей и металлоемкости конструкции, упрощения технологии крепления и сборки узла турбины, повысить запасы прочности и ресурса двигателя в целом при сохранении эффективности охлаждения рабочих лопаток турбины.