ОХЛАЖДАЕМАЯ ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
COOLED TURBINE OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к системам охлаждения турбины газотурбинного двигателя.
Наиболее близкой к конструкции и достигаемому результату является охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, содержащая рабочее колесо с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам и сопловой аппарат закрутки, причем между выходом соплового аппарата закрутки и диском рабочего колеса образована кольцевая полость, сообщенная с входом безлопаточного диффузора, выход которого сообщен с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам /RU№2196233, МПК F01D 5/08, опубл. 10.01.2003 г./.
Недостатком является то, что в случае необходимости изменения осевой нагрузки, действующей на турбину, по прочностным или ресурсным требованиям, требуется существенное изменение в конструкции проточной части турбины, а именно изменение реактивности турбины, применение «навала», что влечет за собой перепрофилирование лопаточной части турбины, поскольку давление, действующее на диск турбины с внешней стороны безлопаточного диффузора, в основном, определяется давлением в проточной части турбины в зоне перед рабочим колесом.
Задачей изобретения является изменение осевой нагрузки турбины.
Ожидаемый технический результат - сокращение сроков проектирования и доводки двигателя, а также снижение их стоимости.
Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, содержащая рабочее колесо с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам и сопловой аппарат закрутки, причем между выходом соплового аппарата закрутки и диском рабочего колеса образована кольцевая полость, сообщенная с входом безлопаточного диффузора, выход которого сообщен с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, по предложению безлопаточный диффузор образован диском рабочего колеса и двумя элементами - подвижным и неподвижным, причем подвижный элемент расположен на большем радиусе относительно оси двигателя, а неподвижный элемент расположен на меньшем радиусе относительно оси двигателя, нижняя часть неподвижного элемента закреплена на корпусе соплового аппарата закрутки, а верхняя часть подвижного элемента закреплена на диске рабочего колеса, причем элементы образуют между собой кольцевой зазор, оснащенный подвижным уплотнением.
Образование безлопаточного диффузора диском рабочего колеса и двумя элементами - подвижным и неподвижным позволяет при сохранении внутренней геометрии безлопаточного диффузора и суммарной степени повышения давления в безлопаточном диффузоре, изменить уровень реакции сил давления, действующих на диск рабочего колеса, а, следовательно, и изменить уровень осевой нагрузки, действующей на турбину. Наличие неподвижного элемента позволяет перенести реакцию сил давления, действующих на диск рабочего колеса, с внешней стороны безлопаточного диффузора, где давление, в основном, определяется давлением в проточной части турбины в зоне перед рабочим колесом на область внутри безлопаточного диффузора, тем самым, получая другой уровень распределения осевой нагрузки, действующей на диск рабочего колеса, определяемой степенью повышения давления в безлопаточном диффузоре на площади неподвижного элемента
Расположение подвижного и неподвижного элементов на разных радиусах относительно оси двигателя позволяет, при сохранении внутренней геометрии и суммарной степени повышения давления безлопаточного диффузора, изменять радиус неподвижного элемента, тем самым, добиваясь требуемого изменения реакции от сил давления, действующих на диск рабочего колеса. При этом увеличение радиуса неподвижного элемента увеличивает осевую силу, действующую на турбину.
Закрепление нижней части неподвижного элемента на корпусе соплового аппарата закрутки обеспечивает надежное крепление данного элемента на статоре.
Закрепление верхней части подвижного элемента на диске рабочего колеса обеспечивает передачу крутящего момента от ротора к подвижному элементу.
Наличие кольцевого зазора, образованного элементами, с оснащением его подвижным уплотнением, позволяет минимизировать утечки охлаждающего воздуха из полости безлопаточного диффузора в проточную часть турбины и тем самым обеспечить требуемый расход и уровень давления охлаждающего воздуха, поступающего к рабочим лопаткам турбины.
На рисунке показан продольный разрез охлаждаемой турбины
Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя содержит рабочее колесо 1 с каналами подвода охлаждающего воздуха 2 к рабочим лопаткам 3 и сопловой аппарат закрутки 4, причем между выходом 5 соплового аппарата закрутки 4 и диском 6 рабочего колеса 1 образована кольцевая полость 7, которая сообщена с входом 8 безлопаточного диффузора 9. Выход 10 безлопаточного диффузора 9 сообщен с каналами подвода охлаждающего воздуха 2 к рабочим лопаткам 3.
Безлопаточный диффузор 9 образован диском 6 рабочего колеса 1 и двумя элементами - подвижным 11 и неподвижным 12. Подвижный элемент 11 расположен на большем радиусе относительно оси двигателя, а неподвижный элемент 12 расположен на меньшем радиусе относительно оси двигателя. Нижняя часть 13 неподвижного элемента 12 закреплена на корпусе 14 соплового аппарата закрутки 4, а верхняя часть 15 подвижного элемента 11 закреплена на диске 6 рабочего колеса 1, причем элементы 11 и 12 образуют между собой кольцевой зазор 16, оснащенный подвижным уплотнением 17.
Охлаждаемая турбина работает следующим образом.
Закрученный воздух из соплового аппарата закрутки 4 выбрасывается в кольцевую полость 7. Из кольцевой полости 7 основной поток воздуха через вход 8 поступает в безлопаточный диффузор 9, а из него через выход 10 направляется в каналы подвода охлаждающего воздуха 2 и далее в охлаждаемые рабочие лопатки 3. Небольшая доля воздушного потока из кольцевого зазора 16, образованного элементами 11 и 12, через подвижное уплотнение 17 поступает в зону перед рабочим колесом 1.
В безлопаточном диффузоре 9 в результате торможения в абсолютном движении воздушного потока происходит повышение статического давления воздуха на выходе 10 из безлопаточного диффузора 9. При сохранении внутренней геометрии безлопаточного диффузора 9, образованного диском 6 рабочего колеса 1 и двумя элементами - подвижным 11 и неподвижным 12, коэффициент полезного действия безлопаточного диффузора 9, как показывает опыт, остается практически неизменным, тем самым суммарная степень повышения давления воздуха в безлопаточном диффузоре 9 также не изменяется.
При этом на участке неподвижного элемента 12 реакция от сил давления на диск 6 рабочего колеса 1 переносится с внешней стороны безлопаточного диффузора 9, где давление определяется давлением в зоне перед рабочим колесом 1, на область внутри безлопаточного диффузора 9, где давление определяется степенью повышения давления в безлопаточном диффузоре 9 на площади неподвижного элемента 12.
На участке подвижного элемента 11 осевая нагрузка на диск 6 рабочего колеса 1 определяется реакцией от сил давления, действующих на внешнюю сторону безлопаточного диффузора 9.
Таким образом, изменяя радиус расположения элементов 11 и 12, можно изменить осевую силу, действующую на диск 6 рабочего колеса 1, а, следовательно, и на всю турбину в целом.
Реализация данного изобретения позволяет регулировать осевую нагрузку, действующую на турбину, что, с одной стороны, обеспечивает выполнение прочностных и ресурсных требований, предъявляемых к двигателю, а с другой стороны, обеспечивает сокращение сроков проектирования и доводки двигателя за счет исключения перепрофилирования лопаточной части турбины и снижает стоимость доводки двигателя в целом.