Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБИНЫ МНОГОРЕЖИМНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

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

Известен способ охлаждения рабочего колеса турбины многорежимного турбореактивного двигателя, включающий подачу охлаждающего воздуха в систему охлаждения рабочего колеса [1].

Однако в этом способе охлаждающий воздух расходуется в полной мере на всех режимах, что приводит к снижению КПД турбины.

Указанный недостаток частично решен в другом техническом решении, наиболее близком к изобретению, а именно, в способе охлаждения рабочего колеса турбины многорежимного турбореактивного двигателя, включающем подачу охлаждающего воздуха в систему охлаждения рабочего колеса и изменение его расхода по режимам работы двигателя [2].

В указанном способе охлаждающий воздух подают в систему охлаждения рабочего колеса на разных режимах по-разному. Так через одно сопловое устройство охлаждающий воздух поступает в систему охлаждения рабочего колеса на крейсерском режиме и через два полностью открытых сопловых устройства на максимальном, что позволяет несколько повысить коэффициент полезного действия (КПД).

Однако, и в этом решении на крейсерском режиме используется охлаждающий воздух, по своим параметрам рассчитанный на максимальный режим работы двигателя, то есть эффективность использования этого воздуха здесь невысока. Кроме того, эффективность охлаждения рабочих лопаток ухудшается вследствие снижения расхода охлаждающего воздуха, а следовательно, уменьшения скоростей течения воздуха в каналах лопатки, что ведет к снижению эффективности теплообмена. Это значит, что придется расходовать на охлаждение лопатки больше "дорогого" воздуха, взятого из проточной части двигателя за компрессором. Все это снижает КПД и увеличивает удельные расходы топлива.

Задача изобретения - повысить КПД турбины и снизить удельные расходы топлива на крейсерских режимах.

Указанная задача достигается тем, что в способе охлаждения рабочего колеса турбины многорежимного турбореактивного двигателя, включающем подачу охлаждающего воздуха в систему охлаждения рабочего колеса и изменение его расхода по режимам работы двигателя, в нем на крейсерских режимах работы двигателя, наряду с уменьшением расхода охлаждающего воздуха, подводят газ из проточной части турбины на вход системы охлаждения рабочего колеса турбины, при этом соотношение массовых расходов газа и охлаждающего воздуха выбирают в пределах 0,8 - 1,6.

Новым здесь является то, что на крейсерских режимах работы, наряду с уменьшением расхода охлаждающего воздуха, подводят газ из проточной части турбины на вход системы охлаждения рабочего колеса турбины, при этом соотношение массовых расходов газа и охлаждающего воздуха выбирают в пределах 0,8 - 1,6.

Подмешивая газ из проточной части к охлаждающему воздуху перед его подачей в систему охлаждения рабочего колеса, мы, во-первых, в допустимых режимом работы двигателя пределах используем для охлаждения более дешевую охлаждаемую смесь для охлаждения рабочего колеса турбины, во-вторых, сохраняем эффективность теплообмена в охлаждающих каналах на уровне максимального режима, так как скорости течения смеси в каналах остаются близкими, и, в-третьих, несколько "прогревая" в разумных пределах рабочее колесо, мы уменьшаем радиальные зазоры между корпусом и рабочим колесом. Таким образом, удается поднять КПД турбины и уменьшить удельный расход топлива на самом протяженном по времени крейсерском режиме.

Из уровня техники неизвестны технические решения, в которых на крейсерских режимах работы двигателя, наряду с уменьшением расхода охлаждающего воздуха, подводят газ из проточной части турбины на вход системы охлаждения рабочего колеса турбины, при этом соотношение массовых расходов газа и охлаждающего воздуха выбирают в пределах 0,8 - 1,6. Поэтому можно сделать вывод о соответствии заявленного решения критериям "новизны" и изобретательского уровня".

На чертеже изображен продольный разрез устройства, реализующего способ охлаждения рабочего колеса турбины многорежимного турбореактивного двигателя.

Устройство содержит управляемые дроссели 1, установленные на корпусе, коллектор 3, полые лопатки 4 соплового аппарата 5 турбины, сопловое устройство 6 с внутренней полостью 7, диск 8 рабочего колеса 9, имеющего вентилируемую поверхность 10. В составе рабочего колеса 9 имеются внутренние радиальные охлаждающие каналы 11 диска 8 и каналы 12 рабочих лопаток 13. Сопловой аппарат 5 и рабочие лопатки 13 расположены в проточной части 14 турбины. Придисковая полость 15 и проточная часть 14 турбины сообщены между собой. Радиальные охлаждающие каналы 11 диска 8 и каналы 12 рабочих лопаток 13 составляют систему охлаждения рабочего колеса 9 с входом 16. В сопловых лопатках 4 имеются транзитные каналы 17.

Способ осуществляют следующим образом.

При работе двигателя на максимальном режиме полностью открывают управляемый дроссель 1 и охлаждающий воздух из коллектора 3 подают через транзитные каналы 17 полых лопаток 4 соплового аппарата 5 во внутреннюю полость 7 соплового устройства 6, откуда он поступает к поверхности 10 диска 8 рабочего колеса 9. При этом основная часть воздуха - 90% поступает в радиальные охлаждающие каналы 11 диска 8 и каналы 12 рабочих лопаток 13, а оставшаяся часть воздуха, составляющая 10%, поступает на вентиляцию боковой поверхности 11 диска 8 и вытесняется в проточную часть 14 турбины. Причем, давление в придисковой полости 15 практически не отличается от давления в проточной части 14 турбины ввиду отсутствия между последним и полостью 15 лабиринтных воздушных уплотнений.

При переходе двигателя на крейсерский режим прикрывают управляемый дроссель 1 и уменьшают на 60% относительный массовый расход закомпрессорного воздуха, поступающего в транзитные каналы 17. Подводят газ из проточной части 14 турбины на вход 16 системы охлаждения рабочего колеса 9. Центробежные силы, действующие в радиальных каналах 11 диска 8 и каналах 12 лопаток 13 рабочего колеса 9, снижают давление на входе 16 системы охлаждения рабочего колеса. Под воздействием этого происходит перераспределение рабочего тела в полости 15, взамен вытесняемых 10% охлаждающего воздуха происходит втекание газа из проточной части 14 в полость 15 в количестве, равном 50% от полного расхода охлаждающего воздуха. Вследствие этого в полости 15 образуется "подогретая" газовоздушная смесь, где отношение массового расхода газа к массовому расходу воздуха равно 1,2.

Полученная газовоздушная смесь поступает в радиальные каналы 11 диска 8 и каналы 12 лопаток 13, где, во-первых, относительно "дешевая" газовоздушная смесь достаточно эффективно охлаждает элементы рабочего колеса 9 турбины и, во-вторых, "прогревая" их относительно максимального режима работы двигателя, уменьшает радиальные зазоры между лопаткой и корпусом турбины. Кроме того, следует отметить, что скорости течения газовоздушной смеси на крейсерском режиме и течения охлаждающего воздуха на максимальном режиме в каналах 11 и 12 близки друг к другу, а значит эффективность теплообмена на крейсерском режиме по сравнению с прототипом здесь выше.

Расчеты показывают, что разогрев рабочего колеса 9, в среднем на 25% по отношению к исходному уровню, оставаясь на 12% ниже значений, соответствующих максимальному режиму, приводит к увеличению размеров рабочего колеса 9 и снижению относительного радиального зазора с 2,0% до 0,9%. При меньшем прикрытии управляемого дросселя 1, снижающем расход охлаждающего воздуха на 55%, отношение массовых расходов газа и охлаждающего воздуха = 0,8, что уменьшает относительный радиальный зазор до 1,5%. При снижении расхода охлаждающего воздуха на 65% отношение массовых расходов газа и охлаждающего воздуха = 1,6 и относительный радиальный зазор уменьшается до 0,5%. При этом повышается температура диска 8 и лопаток 13 рабочего колеса 9 до уровня, не превышающего 85 - 90% от максимального значения, допустимого при максимальной частоте вращения ротора.

Таким образом, предлагаемый способ поддерживает оптимальные условия теплообмена в охлаждающих каналах рабочих лопаток и оптимальный радиальный разор между корпусом и лопаткой турбины.

Реализация предлагаемого изобретения позволит существенно повысить эффективный КПД высоконапорных охлаждаемых турбин и снизить удельный расход топлива на крейсерском режиме на 1,5 - 2,0% по сравнению с известным прототипом. Кроме того, реализация предлагаемого изобретения освобождает от необходимости применения сложных устройств для управляемого обогрева корпуса турбины и воздушных лабиринтных уплотнений между боковыми поверхностями рабочего колеса и корпуса турбин.

Применение в предлагаемом способе устройств и приемов, которые каждый в отдельности применяются в промышленности, позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию "промышленная применимость".

Источники информации:
1. Патент США N 4275990, НКИ 416-95, опубл. 1981 г.

2. Патент США N 4807433, НКИ 60-39.29, опубл. 1989 г.