Результат интеллектуальной деятельности: Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области охлаждения турбореактивных двигателей, а именно к способам охлаждения рабочих колес высокотемпературных турбин многорежимных авиационных двигателей.

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, при этом полость на выходе из дополнительного аппарата закрутки статора отделена от полости на входе в безлопаточный диффузор подвижным уплотнением.

[патент РФ №2387846, МПК F01D 5/18, опубл. 27.04.2010 г.]

Недостатком данного изобретения является то, что, во-первых, 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. Во-вторых, воздушные каналы и дополнительные воздушные каналы размещены в диске рабочего колеса, что является причиной появления концентраторов напряжений в нем, что снижает надежность и ресурс узла турбины.

Задача изобретения - упрощение технологии изготовления и сборки узла турбины, повышение его надежности и ресурса.

Ожидаемый технический результат - снижение массы конструкции, снижение или исключение развития концентраторов напряжений в диске турбины 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, при этом полость на выходе из дополнительного аппарата закрутки статора отделена от полости на входе в безлопаточный диффузор подвижным уплотнением по предложению, дополнительный безлопаточный диффузор выполнен в виде канала, образованного двумя стенками, одна из которых размещена на сопловом аппарате турбины, а другая выполнена в виде покрывного диска, соединенного с диском с рабочими лопатками, дополнительные воздушные каналы размещены в полотне покрывного диска и на входе отделены дополнительным подвижным уплотнением от проточной части турбины, а на выходе образован кольцевой коллектор, сообщенный с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, воздушные каналы, сообщенные с остальной полостью каждой рабочей лопатки, размещены между диском с рабочими лопатками и покрывным диском и снабжены ребрами, при этом покрывной диск в осевом направлении относительно диска с рабочими лопатками фиксируется с помощью баянетного соединения, а в радиальном направлении с помощью упора.

Выполнение дополнительного безлопаточного диффузора в виде канала, образованного двумя стенками, одна из которых размещена на сопловом аппарате турбины, а другая выполнена в виде покрывного диска, соединенного с диском с рабочими лопатками, уменьшает массу конструкции и упрощает технологию крепления, поскольку неподвижная стенка не находится в поле центробежных сил и ее можно изготовить из тонкостенного листового материала. При этом дополнительный безлопаточный диффузор обеспечивает необходимое повышение давления потока охлаждающего воздуха за вычетом потерь на трение о неподвижную стенку канала.

Размещение дополнительных воздушных каналов в полотне покрывного диска обеспечивает дополнительное повышение давления потока охлаждающего воздуха за счет центробежной подкачки в каналах, а также исключает появление концентраторов напряжений в основном диске с рабочими лопатками, что повышает надежность узла турбины и повышает ресурс всего двигателя в целом.

Отделение входа в дополнительные воздушные каналы дополнительным подвижным уплотнением от проточной части турбины обеспечивает минимальные утечки охлаждающего воздуха в проточную часть турбины.

Образование кольцевого коллектора на выходе из дополнительных воздушных каналов позволяет обеспечить независимость количества дополнительных воздушных каналов от числа рабочих лопаток. Таким образом, в случае изменения числа рабочих лопаток по прочностным или газодинамическим требованиям, нет необходимости изменять количество дополнительных воздушных каналов, что снижает трудоемкость и время проектирования.

Сообщение кольцевого коллектора с внутренней полостью каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, обеспечивает стабильное охлаждение теплонапряженной входной кромки.

Размещение воздушных каналов, сообщенных с остальной полостью каждой рабочей лопатки, между покрывным диском и диском с рабочими лопатками исключает образование концентраторов напряжений в последнем, что обеспечивает повышение надежности и ресурса узла турбины и двигателя в целом.

Снабжение воздушных каналов ребрами обеспечивает повышение давления потока охлаждающего воздуха за счет центробежной подкачки.

Фиксирование покрывного диска в осевом направлении относительно диска с рабочими лопатками с помощью баянетного соединения позволяет с одной стороны надежно закрепить покрывной диск в поле центробежных сил, а с другой стороны обеспечить проход охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины с минимальными потерями давления.

Фиксирование покрывного диска в радиальном направлении относительно диска с рабочими лопатками с помощью упора обеспечивает прижатие периферийной области покрывного диска к диску с рабочими лопатками в поле центробежных сил и уменьшение утечек охлаждающего воздуха в проточную часть турбины.

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.

Полость на выходе из дополнительного аппарата закрутки статора 11 отделена от полости на входе в безлопаточный диффузор 17 подвижным уплотнением 20.

Дополнительный безлопаточный диффузор 12 выполнен в виде канала 21, образованного двумя стенками 22 и 23, стенка 22 размещена на сопловом аппарате турбины 1, а стенка 23 выполнена в виде покрывного диска 24, соединенного с диском 3 с рабочими лопатками 4.

Дополнительные воздушные каналы 13 размещены в полотне покрывного диска 24 и на входе отделены дополнительным подвижным уплотнением 25 от проточной части турбины 5, а на выходе образован кольцевой коллектор 26, сообщенный с внутренней полостью 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15.

Воздушные каналы 18, сообщенные с остальной полостью 19 каждой рабочей лопатки 4, размещены между диском 3 с рабочими лопатками 4 и покрывным диском 24 и снабжены ребрами 27.

Покрывной диск 24 в осевом направлении относительно диска 3 с рабочими лопатками 4 фиксируется с помощью баянетного соединения 28, а в радиальном направлении с помощью упора 29.

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 проходных сечений 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 каналу 21 дополнительного безлопаточного диффузора 12, где происходит торможение потока охлаждающего воздуха с повышением его давления за вычетом потерь на трение о неподвижную стенку 22 канала 21. Далее воздух устремляется в дополнительные воздушные каналы 13, где за счет центробежной подкачки в них повышается давление охлаждающего воздуха, и он поступает в кольцевой коллектор 26 с необходимым уровнем давления, который обеспечивает требуемый перепад на теплонапряженной входной кромке 15 рабочей лопатки 4. Непосредственно из кольцевого коллектора 26 поток поступает во внутреннюю полостью 14 каждой рабочей лопатки 4, расположенной у входной кромки 15, обеспечивая ее охлаждение.

Одновременно воздух, выходящий из аппарата закрутки статора 16 также с более низкой температурой, чем на входе, поступает во вращающийся безлопаточный диффузор 17, где также в результате торможения потока повышается давление воздуха на выходе из безлопаточного диффузора 17 и далее воздух через пазы в баянетном соединении 28 направляется на ребра 27, расположенные в воздушных каналах 18, которые работают наподобие центробежного компрессора, повышая давление потока охлаждающего воздуха. Затем воздух с высоким давлением устремляется в остальную часть 19 каждой рабочей лопатки 4, где происходит охлаждение выходной кромки и задней части рабочей лопатки турбины.

Через дополнительное подвижное уплотнение 25 небольшая часть воздуха поступает в проточную часть турбины 5, охлаждая ободную часть диска 3, а также препятствуя поступлению горячего газа из проточной части турбины 5 в рабочие лопатки 4.

Также происходит перетечка воздуха между безлопаточными диффузорами 12 и 17 через подвижное уплотнение 20. Эта перетечка минимальна и никак не влияет на работу безлопаточных диффузоров 12 и 17 и на охлаждение рабочих лопаток 4 турбины.

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, а также повысить его ресурс и надежность за счет исключения концентраторов напряжения в диске турбины при сохранении эффективности охлаждения рабочих лопаток турбины.