Охлаждаемая турбина высокого давления
COOLED HIGH-PRESSURE TURBINE

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к охлаждаемым турбинам газотурбинных двигателей.
Известна охлаждаемая турбина высокого давления, содержащая сопловой аппарат турбины с аппаратом закрутки, вход которого соединен с источником охлаждающего воздуха, а выходные каналы сообщены с безлопаточным диффузором, диск с охлаждаемыми рабочими лопатками, каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, установленным в проточной части турбины, при этом выходные каналы аппарата закрутки повернуты в сторону вращения диска с охлаждаемыми рабочими лопатками (патент РФ №2196233, МПК F01D 5/08, опубл. 10.01.2003 г.).
Основным недостатком здесь является то, что безлопаточный диффузор соединен с диском турбины, т.е. находится в зоне действия центробежных сил. Для обеспечения требований по прочности, надежности и ресурсу узлов турбины необходимо увеличение массы как самого диска турбины, так и элементов конструкции, образующих безлопаточный диффузор. Также усложняются элементы крепления безлопаточного диффузора к диску турбины с учетом их размещения в поле центробежных сил на достаточно большом радиусе. Все это приводит к повышению затрат на производство и ремонт двигателя, а также к снижению сроков межремонтного ресурса.
Задача изобретения - снижение затрат на производство узла турбины и увеличение сроков межремонтного ресурса всего двигателя в целом.
Ожидаемый технический результат - уменьшение массы конструкции, упрощение технологии изготовления элементов узла турбины, повышение его запасов прочности и надежности при сохранении параметров охлаждения элементов турбины.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в охлаждаемой турбине высокого давления, содержащей сопловой аппарат турбины с аппаратом закрутки, вход которого соединен с источником охлаждающего воздуха, а выходные каналы сообщены с безлопаточным диффузором, диск с охлаждаемыми рабочими лопатками, каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, установленным в проточной части турбины, при этом выходные каналы аппарата закрутки повернуты в сторону вращения диска с охлаждаемыми рабочими лопатками, по предложению безлопаточный диффузор размещен на сопловом аппарате турбины и выполнен в виде канала на входе присоединенного к выходным каналам аппарата закрутки, направленным в радиальном направлении относительно оси вращения, а на выходе направленным в сторону каналов подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, при этом выход из безлопаточного диффузора отделен подвижными уплотнениями от проточной части турбины и от околодисковой полости, расположенной между безлопаточным диффузором и диском с охлаждаемыми рабочими лопатками.
Кроме того, возможно, что каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам выполнены в виде отверстий в диске рабочего колеса в районе его замковой части.
Размещение безлопаточного диффузора на сопловом аппарате турбины обеспечивает его неподвижность и независимость от действия центробежных сил диска. Тем самым упрощается крепление и размещение безлопаточного диффузора, уменьшается его масса, а, следовательно, и масса самого диска турбины при сохранении или увеличении запасов прочности данного элемента.
Выполнение безлопаточного диффузора в виде канала обеспечивает определенность его геометрии и независимость подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины.
Подсоединение входа канала к выходными каналами аппарата закрутки позволяет подать охлаждающий воздух в безлопаточный диффузор с более низкой температурой, чем в источнике охлаждающего воздуха, поскольку воздух выходит из выходных каналов аппарата закрутки с большой скоростью, что обеспечивает снижение его температуры.
Направление выхода канала в сторону каналов подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам обеспечивает подачу охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам с минимальными потерями. Известно, что максимальная степень повышения давления охлаждающего воздуха при его торможении в безлопаточном диффузоре осуществляется до момента достижения равенства скорости охлаждающего воздуха и скорости диска рабочего колеса. В этом случае воздух входит в каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам с минимальными потерями. В случае неподвижного безлопаточного диффузора это условие остается справедливым. Таким образом, при сохранении степени повышения давления в неподвижном безлопаточном диффузоре за вычетом потерь на трение воздуха о его неподвижные стенки, чтобы не снижать эффективность охлаждения рабочих лопаток турбины, радиус выхода неподвижного безлопаточного диффузора следует выбирать, исходя из условия равенства скорости охлаждающего воздуха и скорости диска.
В рамках данного изобретения каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам могут иметь различное исполнение, например в виде отверстий в диске рабочего колеса либо в виде пазов для прохода охлаждающего воздуха. На фиг. 1 приведен частный случай выполнения каналов подвода охлаждающего воздуха.
Отделение выхода безлопаточного диффузора от проточной части и от околодисковой полости, расположенной между безлопаточным диффузором и диском с охлаждаемыми рабочими лопатками, подвижными уплотнениями обеспечивает минимальные утечки охлаждающего воздуха из безлопаточного диффузора.
Изобретение допускает любое выполнение подвижных уплотнений, например, в виде щеточных уплотнений, лабиринтных уплотнений, графитовых уплотнений.
На фиг. 1 показан продольный разрез охлаждаемой турбины. На фиг. 2 показано сечение А-А аппарата закрутки.
Охлаждаемая турбина высокого давления содержит сопловой аппарат турбины 1 с аппаратом закрутки 2, вход 3 которого соединен с источником охлаждающего воздуха 4, а выходные каналы 5 сообщены с безлопаточным диффузором 6, диск 7 с охлаждаемыми рабочими лопатками 8, каналы подвода охлаждающего воздуха 9 к рабочим лопаткам 8, установленным в проточной части турбины 10. При этом выходные каналы 5 аппарата закрутки 2 повернуты в сторону вращения диска 7 с охлаждаемыми рабочими лопатками 8.
Безлопаточный диффузор 6 размещен на сопловом аппарате турбины 1 и выполнен в виде канала 11, на входе 12 присоединенного к выходным каналам 5 аппарата закрутки 2, направленным в радиальном направлении относительно оси вращения, а на выходе 13 направленным в сторону каналов подвода охлаждающего воздуха 9 к рабочим лопаткам 8. При этом выход 13 из безлопаточного диффузора 6 отделен подвижными уплотнениями 14 и 15 от проточной части турбины 10 и от околодисковой полости 16, расположенной между безлопаточным диффузором 6 и диском 7 с охлаждаемыми рабочими лопатками 8.
Охлаждение турбины осуществляется следующим образом. Воздух от источника охлаждающего воздуха 4 поступает в аппарат закрутки 2, где в его выходных каналах 5 поток разгоняется и выбрасывается в сторону вращения диска 7 с охлаждаемыми рабочими лопатками 8 с падением давления и температуры потока. Далее воздух с более низкой температурой, чем была на входе 3 в аппарат закрутки 2, поступает на вход 12 неподвижного канала 11 безлопаточного диффузора 6, где происходит торможение потока охлаждающего воздуха с увеличением давления на выходе 13 из безлопаточного диффузора 6 за вычетом потерь на трение воздуха о неподвижные стенки канала 11. Затем поток воздуха, переходя из абсолютного движения в неподвижном безлопаточном диффузоре 6 в относительное движение в каналах подвода охлаждающего воздуха 9, поступает непосредственно к рабочим лопаткам 8, где происходит охлаждение их внутренних полостей.
Через подвижные уплотнения 14 и 15 минимальные протечки воздуха поступают в проточную часть турбины 10 и в околодисковую полость 16, расположенную между безлопаточным диффузором 6 и диском 7 с охлаждаемыми рабочими лопатками 8.
Реализация этого изобретения позволяет снизить затраты на производство и ремонт как узла турбины, так и всего двигателя в целом, увеличивая при этом сроки межремонтного ресурса, за счет снижения массы элементов, упрощения технологии их изготовления, снижения металлоемкости и, как следствие, удешевления стоимости операции по изготовлению, повышения надежности и ресурса при сохранении эффективности охлаждения самой турбины.