Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к системам охлаждения турбин ТРД.

Известна система охлаждения турбины ТРД [1].

Из известных систем охлаждения наиболее близкой к предложенной является система охлаждения турбины ТРД, содержащая последовательно установленные коллектор с управляемыми клапанами на выходе, сообщенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, сопловой аппарат закрутки и каналы охлаждения рабочего колеса [2].

В указанной системе элементы турбины охлаждаются воздухом, отобранным за последней ступенью компрессора, который имеет самый высокий уровень температуры в газовоздушном тракте двигателя. Этот воздух подается на охлаждение рабочих лопаток через диск рабочего колеса в его средней и периферийной зонах. С другой стороны, теплоподвод к диску происходит из газовоздушного тракта турбины через рабочие лопатки и их замковую часть. Высокая температура охлаждающего воздуха приводит к росту температуры периферийной и средней зоны при относительно "холодной" ступице диска. Такая неравномерность температур в диске приводит к высокому уровню напряжений в нем, что уменьшает ресурс двигателя на максимальных режимах. Кроме того, высокая температура элементов рабочего колеса приводит к их значительным температурным расширениям, вследствие чего увеличивается радиальный зазор между статором и рабочим колесом.

Задачей изобретения является снижение температуры рабочего колеса турбины и связанного с ним уменьшения радиального зазора между статором и рабочим колесом. В схеме одноконтурного двигателя нет возможности снизить температуру воздуха, подаваемого на охлаждение рабочего колеса турбины, хотя имеется достаточный запас по давлению.

Наличие аппарата закрутки позволяет частично снизить температуру воздуха, подаваемого к рабочему колесу в том случае, когда воздух выпускается в направлении вращения рабочего колеса. В большей степени снижение температуры без использования дополнительного рабочего тела может быть осуществлено в схеме широко применяемых двухконтурных турбореактивных двигателей.

Указанная задача решается тем, что известная система охлаждения турбины ТРД, содержащая последовательно установленные коллектор с управляемыми клапанами на выходе, сообщенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, сопловой аппарат закрутки и каналы охлаждения рабочего колеса, для двухконтурного турбореактивного двигателя снабжена воздухо-воздушным теплообменником, размещенным в воздушном тракте наружного контура, сообщение коллектора с воздушной полостью камеры сгорания выполнено через охлаждаемые каналы теплообменника, между выходом коллектора и многоканальным воздуховодом установлен дополнительный коллектор, при этом каждый канал воздуховода образован дефлектором, установленным в сопловой лопатке вдоль ее внутренней поверхности, а выходной канал соплового аппарата закрутки повернут в сторону вращения рабочего колеса, причем средняя линия этого канала образует с продольной осью двигателя угол в интервале 60÷85^o. При этом теплообменник выполнен в виде отдельных секций, равномерно распределенных по периметру наружного контура двигателя. Дефлектор может быть выполнен перфорированным, а полость, образованная дефлектором и внутренней поверхностью сопловой лопатки, через щель в задней кромке сообщена с газовоздушным трактом турбины.

Наличие теплообменника, размещенного в наружном контуре, вход которого по охлаждаемому тракту сообщен с воздушной полостью камеры сгорания, а выход - с воздуховодом, позволяет значительно снизить температуру охлаждающего воздуха.

Выполнение воздуховода в виде дефлектора, установленного в сопловой лопатке вдоль ее внутренней поверхности, приводит, с одной стороны, к снижению потерь давления охлаждающего воздуха, что частично компенсирует потери давления в теплообменнике, а с другой снижает подогрев транзитного воздуха от сопловых лопаток.

В результате имеем минимальные потери давления в охлаждающем тракте при значительном снижении температуры охлаждающего воздуха, подаваемого в аппарат закрутки. Высокое давление воздуха, подаваемого в аппарат закрутки, обеспечивает высокую скорость этого воздуха в его выходных каналах, что приводит к дополнительному снижению его температуры. При этом максимальное снижение температуры реализуется в случае подачи воздуха в направлении вращения рабочего колеса в диапазоне углов 60÷85^o.

На фиг.1 показан продольный разрез двигателя с системой охлаждения;
на фиг.2 - поперечное сечение сопловой лопатки с дефлектором;
на фиг. 3 - поперечное сечение сопловой лопатки с перфорированным дефлектором;
на фиг.4 - сечение по сопловому аппарату закрутки и рабочему колесу;
на фиг.5 - вид по стрелке С на секции теплообменника.

Система охлаждения ТРД содержит коллектор 1 с управляемыми клапанами 2, воздушную полость 3 камеры сгорания 4, многоканальный воздуховод 5, проходящий через внутренние полости 6 сопловых лопаток 7, сопловой аппарат закрутки 8, каналы охлаждения 9 рабочего колеса 10 турбины. Система охлаждения снабжена воздухо-воздушным теплообменником 11, размещенным в воздушном тракте 12 наружного контура 13. Сообщение коллектора 1 с воздушной полостью 3 камеры сгорания 4 выполнено через охлаждаемые каналы 14 теплообменника 11, а между выходом коллектора 1 и многоканальным воздуховодом 5 установлен дополнительный коллектор 15, при этом каждый канал 16 воздуховода 5 образован дефлектором 17, установленным в сопловой лопатке 7 вдоль ее внутренней поверхности 18.

Выходной канал 19 соплового аппарата закрутки 8 повернут в сторону вращения рабочего колеса 10, причем средняя линия 20 канала 19 образует с продольной осью 21 двигателя угол α в интервале 60÷85^o. Сопловой аппарат закрутки 8 и рабочее колесо 10 образуют переднюю думисную полость 22 турбины. Рабочее колесо содержит каналы охлаждения 9 и рабочую лопатку 23, торец 24 которой отделен от статора 25 радиальным зазором 26.

Теплообменник 11 выполнен в виде отдельных секций 27, равномерно распределенных по периметру 28 наружного контура 13. Для высокотемпературных ТРД дефлектор 17 выполнен перфорированным отверстиями 29, а полость 30, образованная дефлектором 17 и внутренней поверхностью 18 сопловой лопатки 7 через щель 31 в задней кромке 32 сообщена с газовоздушным трактом 33 турбины.

Система охлаждения ТРД работает следующим образом.

Воздух из воздушной полости 3 камеры сгорания 4 поступает в охлаждаемые каналы 14 теплообменника 11, где он охлаждается более холодным воздухом воздушного тракта 12 наружного контура 13. После охлаждения воздух поступает в коллектор 1 по всему периметру. Далее из коллектора 1 воздух поступает через клапаны 2 в дополнительный коллектор 15, в котором он также распределяется по всему периметру, что позволяет равномерно запитать им многоканальный воздуховод 5. Воздух проходит через внутренние полости дефлекторов 17 сопловых лопаток 7 и поступает в сопловой аппарат закрутки 8, а из него выбрасывается в переднюю думисную полость 22 турбины. Давление в думисной полости 22 равно давлению в газовоздушном тракте 33 и значительно ниже уровня входного давления в сопловом аппарате закрутки 8. Выбрасывая охлаждающий воздух через выходные каналы 19 соплового аппарата закрутки 8, расширяют воздух до скорости, при которой статическое давление разгоняемого потока равно давлению в думисной полости 22. При таком расширении потока с падением давления падает и температура потока. Направляя поток разгоняемого воздуха в сторону вращения рабочего колеса, в относительном движении принимают охлаждающий поток воздуха в рабочее колесо 10 с более низкой температурой, чем была температура на входе в сопловой аппарат закрутки 8. Изменяя углы поворота потока α, можно изменять уровень температуры воздуха в охлаждающем тракте 9 рабочего колеса 10. При угле 60^o реализуется режим "умеренного" охлаждения, а при угле 85^o - режим "большого" охлаждения, дальнейшее увеличение угла α большего 85^o - ограничено технологическими возможностями, а угол α, меньший 60^o - температурной целесообразностью. Далее воздух поступает в каналы охлаждения 9 рабочего колеса 10, охлаждает его до уровня температур, близкого к температуре поступающего воздуха. Из каналов охлаждения 9 воздух, охладив рабочие лопатки, выбрасывается в газовоздушный тракт турбины.

Выполнение теплообменника в виде отдельных секций упрощает сборку и повышает ремонтопригодность, распределение секций по периметру наружного тракта улучшает условия обтекания секций, повышая их эффективность.

В случае применения дефлектора на высокотемпературных турбинах наилучший эффект по уменьшению потерь давления и снижению подогрева транзитного воздуха в сопловых лопатках достигается, если дефлектор выполняется перфорированным.

Установка дополнительного коллектора обеспечивает равномерное распределение охлаждающего воздуха по внутренним полостям дефлекторов независимо от количества сопловых лопаток и количества управляемых клапанов.

Охлаждение воздуха в теплообменнике, транспортировка его с минимальными потерями давления и подогрева через сопловые лопатки, а также расширение воздуха в передней думисной полости в направлении вращения приводит к значительному снижению температуры охлаждающего воздуха, что в свою очередь уменьшает температуру рабочего колеса, увеличивая тем самым ресурс и надежность ТРД. Понижение уровня температуры рабочего колеса уменьшает его расширение и позволяет уменьшить радиальный зазор между торцом лопатки и статором, увеличить КПД турбины и повысить экономичность двигателя.

Источники информации
1. Патент США 4807433, НКИ 60-39.29, опубл. 1989 г.

2. Патент РФ 2159335, МКИ F 01 D 25/12, опубл. 2000 г.