Результат интеллектуальной деятельности: Охлаждаемая турбина высокого давления

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к охлаждаемым турбинам газотурбинных двигателей.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является охлаждаемая турбина высокого давления, содержащая рабочее колесо в виде диска колеса с установленными на нем рабочими лопатками с внутренними охлаждающими полостями, торцевые каналы, каналы подвода к лопаткам охлаждающего воздуха, сопловой аппарат закрутки и безлопаточный диффузор /RU 2196233, МПК ⁷ F01D 5/08. Опубликовано: 10.01.2003/.

Недостатком известной турбины является наличие отверстий в ободе основного диска для подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам. При работе турбины возле отверстий появляются трещины, последние ограничивают ресурс диска турбины двигателя. Другим недостатком является значительная масса покрывного диска, которая вращается с диском рабочего колеса, что приводит к увеличению массы турбины.

Задача изобретения - повышение эффективности охлаждения рабочего колеса турбины, повышение его технологической стойкости.

Ожидаемый технический результат - уменьшение массы вращающегося диска, повышение надежности и ресурсов, улучшение охлаждения рабочего колеса турбины, упрощение технологии изготовления элементов турбины и регулирования осевой силы, снижение металлоемкости и удешевление их стоимости.

Технический результат достигается тем, что охлаждаемая турбина высокого давления, содержащая рабочее колесо в виде диска колеса с установленными на нем рабочими лопатками с внутренними охлаждающими полостями, торцевые каналы, каналы подвода к лопаткам охлаждающего воздуха, сопловой аппарат закрутки и безлопаточный диффузор, по предложению, она снабжена замками фиксации лопаток, подпорным и двумя подвижными лабиринтными уплотнениями, приставным кольцом с подкачивающими лопатками и кольцевым выступом, выполненным на полотне диска рабочего колеса, приставное кольцо с подкачивающими лопатками с помощью байонетного соединения закреплено под ободом диска, безлопаточный диффузор жестко закреплен на аппарате закрутки, с образованием зазора между одной его стенкой и приставным кольцом и зазора между другой стенкой и кольцевым выступом, подвижные уплотнения установлены в образованных зазорах, а подпорное подвижное уплотнение выполнено между диском рабочего колеса и сопловым аппаратом закрутки, лабиринты выполнены на роторных частях уплотнений, направлены вершиной в радиальном направлении от оси ротора и соприкасаются посредством выполненных сотовых кольцевых уплотнений со статорными частями турбины, в ободе диска и ножках лопаток выполнены пазы под замки фиксации лопаток, каналы подвода воздуха в лопатку выполнены в виде паза в диске под замком лопаток, а напротив пазов в диске в замках фиксации лопаток со стороны приставного кольца выполнены отверстия, при этом охлаждающие полости лопаток последовательно сообщены с каналами подвода воздуха в лопатку, с полостями под приставным кольцом с подкачивающими лопатками и с полостями безлопаточного диффузора и аппарата закрутки.

В предложенном решении предусмотрено каналы подвода воздуха в лопатку выполнять в виде паза в диске под замком лопаток, что исключает выполнение отверстий в ободе диска и появление трещин возле них при работе турбины.

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.

Подсоединение входа канала к выходным 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 каналов в сторону каналов подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам обеспечивает подачу охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам с уменьшенной температурой и потерями. В неподвижном безлопаточном диффузоре максимальная степень повышения давления охлаждающего воздуха при его торможении осуществляется до момента достижения равенства скорости охлаждающего воздуха и окружной скорости диска рабочего колеса. В этом случае воздух входит в каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам с минимальными потерями.

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, а выполнение безлопаточного диффузора стационарным, жестко закрепленным на сопловом аппарате загрузки, позволяет значительно уменьшить вращающуюся массу. Разгрузка диска и предложенное выполнение каналов подвода воздуха повышают надежность диска рабочего колеса и увеличивают ресурс его работы.

В рамках данного изобретения каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам организованы с помощью приставного кольца с подкачивающими лопатками с кольцевым выступом и подпорным и двумя подвижными лабиринтными уплотнениями. Отделение выхода безлопаточного диффузора от проточной части и от околодисковой полости, расположенной между безлопаточным диффузором и диском с охлаждаемыми рабочими лопатками, обеспечивает минимальные утечки охлаждающего воздуха из безлопаточного диффузора.

Подвижные уплотнения установлены в образованных зазорах, а подпорное подвижное уплотнение выполнено между диском рабочего колеса и сопловым аппаратом закрутки. В предложенном решении лабиринты выполнены на роторных частях уплотнений, направлены вершиной в радиальном направлении от оси ротора и соприкасаются посредством выполненных сотовых кольцевых уплотнений со статорными частями турбины. Такое расположение лабиринтов, направленных вершиной в радиальном направлении от оси ротора, позволяет с одной стороны оптимально регулировать зазоры уплотнений в различные периоды эволюции ротора и безлопаточного диффузора турбины, а с другой стороны синхронизировать их зазоры с радиальным зазором рабочего колеса статора турбины, что улучшает кпд турбины. Изменяя соотношение между проходными сечениями подвижного уплотнения на кольцевом выступе ротора и подпорного подвижного уплотнения, можно регулировать уровень давления в полости, образованной между безлопаточным диффузором и диском турбины, что позволяет устанавливать давление воздуха в полости, что в случае пропорционального регулирования зазоров позволяет изменять при необходимости осевую силу двигателя. В частности, увеличивая проходную площадь подпорного уплотнения по отношению к проходной площади подвижного уплотнения на кольцевом выступе ротора - осевая сила турбины повышается. Наоборот, увеличивая проходную площадь подвижного уплотнения по отношению к проходной площади подпорного уплотнения, осевая сила турбины увеличивается.

Каналы подвода воздуха в лопатку выполнены в виде паза в диске под замком лопаток, а напротив пазов в диске в замках фиксации лопаток со стороны приставного кольца выполнены отверстия, при этом охлаждающие полости лопаток последовательно сообщаются соответственно с каналами подвода воздуха в лопатку.

Конструкции диска и отдельно безлопаточного диффузора значительно менее металлоемки, не требуют сложных технологий при их изготовлении, а следовательно, достигается удешевление всей турбины и увеличение ресурса.

На чертеже - продольное сечение турбины высокого давления.

Охлаждаемая турбина содержит диск 1 рабочего колеса, рабочие лопатки 2, установленные на ободе 3 диска 1, с помощью, например, елочных замков, выполненных на ножке 4, лопатки 2, замки фиксаторы 5, приставное кольцо 6 с подкачивающими лопатками, кольцо 6 закреплено под ободом диска 3 с помощью байонетного соединения 7. От радиального проскальзывания байонетное соединение 7 фиксируется специальным крепежным элементом (на чертеже не показано). На полотне диска 1 рабочего колеса выполнен кольцевой выступ 8, а на приставном кольце 6 - выступ 9. На кольцевых выступах 8 и 9 установлены лабиринты 10. Стенки безлопаточного диффузора 11 и 12 жестко закреплены на аппарате закрутки 13 с образованием выходных каналов в виде профилированных сопел направленных в сторону вращения рабочего колеса. Безлопаточный диффузор, посредством выполненных на его стенках сотовых кольцевых уплотнений 14 и 15, контактируют с зубьями лабиринтов 10. В ободе 3 диска и ножках 4 лопаток выполнены пазы 16 под замки фиксаторы 5 лопаток, а каналы для подачи воздуха в лопатку выполнены в виде паза 17 в диске под замком 5 лопаток, причем напротив пазов 17 в диске в замках фиксаторах 5 лопаток со стороны приставного кольца 6 выполнены отверстия. Лабиринт 18 подпорного подвижного уплотнения выполнен на ребре диска рабочего колеса 1 и посредством сотового кольцевого уплотнения 19 соединен с сопловым аппаратом закрутки 13. Полость между безлопаточным диффузором и диском с охлаждаемыми рабочими лопатками, отделенная от проточной части подвижным уплотнением пары лабиринт 10, сотовое кольцо 15 и подвижным уплотнением пары лабиринт 18, сотовое кольцо 19, обеспечивает минимальные утечки охлаждающего воздуха из безлопаточного диффузора и позволяет поддерживать определенное давление в полости и регулировать осевую силу двигателя.

При работе турбины воздух из соплового аппарата закрутки 13 поступает в профилированные сопла, направленные в сторону вращения рабочего колеса. На выходе из сопел воздушный поток разворачивается в стороны переферии и проходит между стенками 11 и 12 безлопаточного диффузора под обод к полотну диска. Далее воздух следует через пазы байонетного соединения 7 в полость между ободом 3 и приставным кольцом 6 и через отверстия фиксирующих замков 5 попадает в пазы 16 под подошвы рабочих лопаток обода 3. Кольца сотовых уплотнений 14 и 15 и зубья лабиринтов 10, контактируют между собой и обеспечивают минимальные потери воздуха. Лабиринт 18 подпорного подвижного уплотнения и соединенное с ним сотовое кольцевое уплотнение 19 совместно с подвижным уплотнением пары лабиринт 10, сотовое кольцо 15 обеспечивают необходимое давление в полости, корректирующее возникающее осевое усилие двигателя.

Предлагаемая турбина обеспечивает уменьшение массы вращающегося диска, повышение надежности и ресурсов, улучшение охлаждения рабочего колеса турбины, упрощение технологии изготовления элементов турбины и регулирования осевой силы, снижение металлоемкости и удешевление их стоимости.