ОХЛАЖДАЕМАЯ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к охлаждаемым газовым турбинам, используемым для двухконтурных турбореактивных двигателей.

Известна охлаждаемая многоступенчатая турбина турбореактивного двигателя, содержащая рабочее колесо последней ступени с охлаждаемыми рабочими лопатками, каналы охлаждения которых соединены своими входами с трактом охлаждающего воздуха, а выходами с газовым трактом турбины [1].

Причем тракт охлаждающего воздуха для рабочего колеса последней ступени и для предыдущих ступеней здесь общий, это означает, что для охлаждения рабочих лопаток последней ступени используется тот же "дорогой" воздух высокого давления, что и для охлаждения первых ступеней турбины, где используется воздух с предельными величинами по давлению.

Такими же недостатками обладает и другая охлаждаемая многоступенчатая турбина турбореактивного двигателя, содержащая рабочее колесо последней ступени с охлаждаемыми рабочими лопатками, каналы охлаждения которой соединены своими входами с трактом охлаждающего воздуха, а выходами с газовым трактом турбины [2].

Известна также охлаждаемая многоступенчатая турбина турбореактивного двигателя, содержащая рабочее колесо последней ступени с охлаждаемыми рабочими лопатками, охлаждающие каналы которых гидравлически соединены магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, с трактом охлаждающего воздуха [3].

Здесь для охлаждения используется воздух с выхода компрессора, а тракт охлаждающего воздуха выполнен в виде щели между наружными корпусами турбины, начинающейся у камеры сгорания и заканчивающейся у внутренних полостей радиальных стоек. Эти стойки расположены за турбиной и служат задней опорой двигателя.

К основному недостатку данного решения следует также отнести использование "дорогого" охлаждающего воздуха высокого давления на охлаждение рабочих лопаток рабочего колеса последней ступени турбины, который приходится в значительной степени дросселировать в тракте охлаждающего воздуха.

Задача изобретения - повышение эффективности работы турбины двухконтурного турбореактивного двигателя путем использования в качестве охлаждающего воздуха для охлаждения рабочих лопаток рабочего колеса последней ступени турбины - воздуха, забираемого из наружного контура турбореактивного двигателя.

Эта задача достигается тем, что в охлаждаемой многоступенчатой турбине турбореактивного двигателя, содержащей рабочее колесо последней ступени с охлаждаемыми рабочими лопатками, охлаждающие каналы которых гидравлически соединены магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, с трактом охлаждающего воздуха, в ней качестве тракта охлаждающего воздуха выбран тракт наружного контура двигателя, для чего в последнем размещен вход магистрали подвода, выполненный в виде воздухозаборников. Сами воздухозаборники могут быть выполнены динамическими, повернутыми своими входами ко входу двигателя.

Рабочее колесо последней ступени может быть снабжено входным направляющим аппаратом.

Новым здесь является то, что в качестве тракта охлаждающего воздуха выбран тракт наружного контура двигателя, для чего в последнем размешен вход магистрали подвода, выполненный в виде воздухозаборников. Воздухозаборники могут быть выполнены динамическими, повернутыми своими входами ко входу двигателя, а рабочее колесо последней ступени может быть снабжено входным направляющим аппаратом.

Соединение каналов охлаждения охлаждаемой рабочей лопатки рабочего колеса последней ступени турбины с трактом наружного контура позволяет использовать относительно "дешевый" и более холодный воздух наружного контура для охлаждения указанных рабочих лопаток. Перепад давления, необходимый для перепуска расхода охлаждающего воздуха из тракта наружного контура в газовый тракт турбины, складывается из перепада давлений в указанных полостях и поджатия потока охлаждающего воздуха в радиальных каналах диска и каналах рабочей лопатки за счет действия центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса последней ступени турбины.

Кроме того, указанный выше перепад давлений может быть увеличен и за счет торможения охлаждающего воздуха в динамическом заборнике, который для этого повернут своим входом ко входу двигателя. Этой же цели может служить и входной направляющий аппарат.

Следует отметить, что охлаждающий воздух, забираемый из наружного контура на охлаждение диска и рабочих лопаток рабочего колеса последней ступени турбины выбрасывается в газовый тракт двигателя, то есть для двигателя он не пропадает. Поэтому глубину охлаждения рабочих лопаток и диска последней ступени здесь можно регулировать и за счет увеличения расхода этого воздуха. За счет более лучшего охлаждения диска в этом решении можно добиться снижения его веса или увеличения ресурса его работы.

Из уровня техники не обнаружено решений, у которых в качестве тракта охлаждающего воздуха выбран тракт наружного контура двигателя, для чего в последнем размещен вход магистрали подвода, выполненный в виде воздухозаборников, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критериям "новизны" и "изобретательского уровня".

На фиг. 1 показан продольный разрез охлаждаемой двухступенчатой турбины двухконтурного турбореактивного двигателя;
на фиг. 2 показан продольный разрез последней ступени указанной турбины.

Охлаждаемая двухступенчатая турбина двухконтурного турбореактивного двигателя содержит охлаждаемую турбину первой ступени 1 и охлаждаемую турбину последней ступени 2. У рабочего колеса 3 турбины последней ступени 2 каналы охлаждения 4 рабочей лопатки 5 соединены своими выходами 6 с газовым трактом 7 турбины, а входами 8 через радиальные каналы 9 диска 10, входные направляющие аппараты 11 и внутренние полости 12 расположенных за турбиной 2 радиальных стоек 13 с трактом наружного контура 14 двигателя. Радиальные каналы 9 диска 10, входные направляющие аппараты 11 и внутренние полости 12 радиальных стоек 13 образуют магистраль подвода охлаждающего воздуха 15 из тракта наружного контура 14 к входам 8 каналов охлаждения 4 рабочих лопаток 5. Входы 16 магистрали подвода охлаждающего воздуха 15 выполнены в виде динамических воздухозаборников 17, повернутых своими входами 18 в сторону входа двигателя и размещенных в тракте наружного контура 14. В турбине тракт наружного контура 14 выбран в качестве тракта охлаждающего воздуха.

При работе турбины поток охлаждающего воздуха из тракта наружного контура 14 попадает на входы 18 динамических заборников 17 и далее по магистрали подвода охлаждающего воздуха 15 попадает на входы 8 каналов охлаждения 4 рабочих лопаток 5 и после охлаждения рабочих лопаток 5 через выходы 6 выбрасывается в газовый тракт 7 турбины. Перепад давления, необходимый для перепуска расхода охлаждающего воздуха из тракта наружного контура 14 в газовый тракт 7 турбины, складывается из перепада давлений в указанных полостях и поджатия потока охлаждающего воздуха в радиальных каналах 9 диска 10 и каналах охлаждения 4 рабочих лопаток 5 за счет действия центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса 3 последней ступени турбины 2. Кроме того, указанный выше перепад давлений увеличивается и за счет торможения охлаждающего воздуха в динамических воздухозаборниках 17. Этой же цели служит и входной направляющий аппарат 11.

Реализация изобретения позволяет использовать для охлаждения рабочих лопаток турбины последней ступени относительно недорогой с точки зрения энергетики двигателя воздух наружного контура, что сразу повышает эффективность работы турбины двигателя. Несомненно и то, что воздкх, используемый здесь на охлаждение, один из самых холодных на двигателе. Следует еще раз отметить, что охлаждающий воздух, забираемый из наружного контура на охлаждение рабочих лопаток рабочего колеса последней ступени турбины, выбрасывается в газовый тракт турбины, то есть для двигателя он не пропадает. Поэтому глубину охлаждения рабочих лопаток последней ступени здесь можно регулировать и за счет увеличения расхода этого воздуха. За счет лучшего охлаждения диска можно добиться снижения его веса или увеличения ресурса его работы.

Каждый в отдельности элемент предлагаемого технического решения широко используется в промышленности, поэтому это решение соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации
1. Патент Великобритании N 1125920, НКИ F 1 T, опубликовано 1968 г.

2. Патент Великобритании N 1227052, НКИ F 1 G, опубликовано 1971 г.

3. Патент Великобритании N 800602, НКИ 110(3), опубликовано 1958 г. (прототип).

Охлаждаемая многоступенчатая турбина турбореактивного двигателя содержит рабочее колесо последней ступени с охлаждаемыми рабочими лопатками, радиальные охлаждающие каналы которых своими торцевыми выходами соединены с газовым трактом турбины, а своими входами гидравлически соединены магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, с источником охлаждающего воздуха. В качестве источника охлаждающего воздуха для охлаждающих каналов рабочих лопаток выбран тракт наружного контура двигателя, в котором размещен вход магистрали подвода охлаждающих каналов рабочих лопаток, выполненный в виде воздухозаборников. Воздухозаборники магистрали подвода охлаждающего воздуха, радиальные каналы диска и рабочих лопаток выполнены с возможностью поджатия потока охлаждающего воздуха. Воздухозаборники выполнены динамическими, повернутыми своими входами ко входу двигателя. Магистраль подвода охлаждающего воздуха рабочего колеса последней ступени турбины снабжена входным направляющим аппаратом. Такое осуществление изобретения повышает эффективность работы турбин. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Охлаждаемая многоступенчатая турбина турбореактивного двигателя, содержащая рабочее колесо последней ступени с охлаждаемыми рабочими лопатками, радиальные охлаждающие каналы которых своими торцевыми выходами соединены с газовым трактом турбины, а своими входами гидравлически соединены магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, с источником охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что в качестве источника охлаждающего воздуха для охлаждающих каналов рабочих лопаток выбран тракт наружного контура двигателя, для чего в последнем размещен вход магистрали подвода охлаждающих каналов рабочих лопаток, выполненный в виде воздухозаборников, при этом воздухозаборники магистрали подвода охлаждающего воздуха, радиальные каналы диска и рабочих лопаток выполнены с возможностью поджатия потока охлаждающего воздуха. 2. Охлаждаемая многоступенчатая турбина по п.1, отличающаяся тем, что воздухозаборники выполнены динамическими, повернутыми своими входами ко входу двигателя. 3. Охлаждаемая многоступенчатая турбина по п.1, отличающаяся тем, что магистраль подвода охлаждающего воздуха рабочего колеса последней ступени турбины снабжена входным направляющим аппаратом.