ОХЛАЖДАЕМАЯ ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F01D5/08 

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

Известна охлаждаемая турбина ГТД [1].

Из известных охлаждаемых турбин наиболее близкой к предложенной является охлаждаемая турбина ГТД, содержащая рабочее колесо с выполненными в диске каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, сопловой аппарат закрутки, выходные каналы которого направлены в сторону вращения рабочего колеса, причем между выходом соплового аппарата закрутки и диском образована кольцевая полость, и дополнительный диск, соединенный с диском рабочего колеса и образующий с ним безлопаточный диффузор, вход которого сообщен с кольцевой полостью, а выход - с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам [2].

В указанной конструкции элементы турбины охлаждаются воздухом, поступающим через выходные каналы аппарата закрутки, кольцевую полость, безлопаточный диффузор и каналы подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам.

Недостатком этого технического решения является то, что подача охлаждающего воздуха от аппарата закрутки к рабочему колесу турбины производится с большими потерями полного давления и высоким уровнем его температуры. Это обусловлено большими потерями полного давления высокоскоростного воздушного потока, выходящего из каналов соплового аппарата закрутки, вследствие большого угла поворота его при входе в безлопаточный диффузор (через удар о диск рабочего колеса), а также наличием большого гидравлического сопротивления в виде лабиринтного уплотнения между газовоздушным трактом турбины в зоне перед рабочим колесом и кольцевой полостью, что приводит к росту давления в последней, уменьшению перепада на выходных каналах аппарата закрутки и снижению скорости на выходе из них. Это обстоятельство, в свою очередь, повышает температуру воздушного потока в кольцевой полости и тем самым снижает возможность получения более низкотемпературного потока в каналах подвода охлаждающего воздуха. Кроме того, потери полного давления охлаждающего воздуха обусловлены гидравлическими потерями в безлопаточном диффузоре, так как его проточная часть загромождена конструктивными элементами и элементами крепежа.

Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения элементов рабочего колеса турбины путем снижения температуры воздушного потока и увеличения его скорости в тракте охлаждения.

Указанная задача решается тем, что в известной охлаждаемой турбине ГТД, содержащей рабочее колесо с выполненными в диске каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, сопловой аппарат закрутки, выходные каналы которого направлены в сторону вращения рабочего колеса, причем между выходом соплового аппарата закрутки и диском образована кольцевая полость, и дополнительный диск, соединенный с диском рабочего колеса и образующий с ним безлопаточный диффузор, вход которого сообщен с кольцевой полостью, а выход - с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, выходные каналы соплового аппарата закрутки выполнены в виде сопел Лаваля и дополнительно повернуты в радиальном направлении так, что средняя линия каждого канала образует с продольной осью двигателя угол в интервале 15-90^o, а кольцевая полость сообщена непосредственно с газовоздушным трактом турбины в зоне перед рабочим колесом. Кроме того, соединение дополнительного диска с диском рабочего колеса вынесено за пределы безлопаточного диффузора.

Выполнение выходных каналов соплового аппарата закрутки в виде сопел Лаваля увеличивает выходную скорость воздушного потока и тем самым снижает температуру воздушного потока в безлопаточном диффузоре.

Сообщение кольцевой полости непосредственно с газовоздушным трактом турбины в зоне перед рабочим колесом позволяет повысить перепад давления на выходных каналах соплового аппарата закрутки, повысить выходную скорость и таким образом снизить температуру воздушного потока, поступающего в рабочее колесо.

Вынесение соединения дополнительного диска с диском рабочего колеса за пределы безлопаточного диффузора позволяет дополнительно снизить потери воздушного потока в вихревом диффузоре, так как в этом случае последний выполняется гидравлически гладким.

Предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность охлаждения элементов рабочего колеса (диска, рабочих лопаток) охлаждаемой турбины за счет снижения температуры воздушного потока и уменьшения потерь давления в тракте охлаждения рабочего колеса и таким образом увеличить надежность и ресурс двигателя.

На фиг.1 показан продольный разрез охлаждаемой турбины;
на фиг. 2 - разрез по каналам соплового аппарата закрутки в направлении вращения рабочего колеса;
на фиг. 3 - разрез по каналам соплового аппарата закрутки в радиальном направлении.

Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя содержит рабочее колесо 1 с выполненными в диске 2 каналами подвода охлаждающего воздуха 3 к рабочим лопаткам 4, сопловой аппарат закрутки 5, выходные каналы 6 которого направлены в сторону вращения рабочего колеса 1, причем между выходом соплового аппарата закрутки 5 и диском 2 образована кольцевая полость 7, и дополнительный диск 8, соединенный с диском 2 рабочего колеса 1 и образующий с ним безлопаточный диффузор 9, вход 10 которого сообщен с кольцевой полостью 7, а выход 11 - с каналами 3 в диске 2 для подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам 4. Выходные каналы 6 аппарата закрутки 5 выполнены в виде сопел Лаваля и дополнительно повернуты в радиальном направлении, причем средняя линия 12 каждого канала 6 образует с продольной осью двигателя угол α в интервале 15-90^o. Кольцевая полость 7 сообщена непосредственно с газовоздушным трактом 13 турбины в зоне 14 перед рабочим колесом 1. Соединение 15 дополнительного диска 8 с диском 2 рабочего колеса 1 вынесено за пределы радиального безлопаточного диффузора 9.

Охлаждаемая турбина работает следующим образом. Воздух соплового аппарата закрутки 5 поступает в выходные каналы 6, а через них, закрученный в направлении вращения рабочего колеса 1 и одновременно повернутый в радиальном направлении, выбрасывается в кольцевую полость 7. Из кольцевой полости 7 основной поток воздуха через вход 10 поступает в безлопаточный, образованный дисками 8 и 2 диффузор 9, а из него через выход 11 направляется в каналы подвода охлаждающего воздуха 3 и далее в охлаждаемые рабочие лопатки 4 и из них в газовоздушный тракт 13 турбины. Небольшая доля воздушного потока из кольцевой полости 7 поступает в зону 14 газовоздушного тракта 13 турбины.

В результате при подаче охлаждающего воздуха от аппарата закрутки к рабочему колесу мы имеем сочетание уменьшенной температуры воздушного потока с минимальными потерями его давления. Именно пониженный уровень температуры с увеличенным располагаемым перепадом давления обеспечивают эффективное охлаждение всех элементов рабочего колеса (диска, рабочих лопаток и т.д.), что, в конечном счете, повышает надежность конструкции турбины и увеличивает ресурс двигателя.

Источники информации
1. Патент Великобритании 1291694, F 02 C 7/12, опубл. 4.10.1972 г.

2. Патент США 4435123, F 01 D 5/18, опубл. 6.03.1984 г.

Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя содержит рабочее колесо с выполненными в диске каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, сопловой аппарат закрутки, выходные каналы которого направлены в сторону вращения рабочего колеса. Между выходом соплового аппарата закрутки и диском образована кольцевая полость. Охлаждаемая турбина содержит также дополнительный диск, соединенный с диском рабочего колеса и образующий с ним безлопаточный диффузор. Вход безлопаточного диффузора сообщен с кольцевой полостью, а выход - с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам. Выходные каналы соплового аппарата закрутки выполнены в виде сопел Лаваля и дополнительно повернуты в радиальном направлении так, что средняя линия каждого канала образует с продольной осью двигателя угол в интервале 15-90^o. Кольцевая полость сообщена непосредственно с газовоздушным трактом турбины в зоне перед рабочим колесом. Изобретение повышает эффективность охлаждения элементов рабочего колеса турбины путем снижения температуры воздушного потока и увеличения его скорости в тракте охлаждения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, содержащая рабочее колесо с выполненными в диске каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, сопловой аппарат закрутки, выходные каналы которого направлены в сторону вращения рабочего колеса, причем между выходом соплового аппарата закрутки и диском образована кольцевая полость, и дополнительный диск, соединенный с диском рабочего колеса и образующий с ним безлопаточный диффузор, вход которого сообщен с кольцевой полостью, а выход - с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, отличающаяся тем, что выходные каналы соплового аппарата закрутки выполнены в виде сопел Лаваля и дополнительно повернуты в радиальном направлении так, что средняя линия каждого канала образует с продольной осью двигателя угол в интервале 15-90^o, а кольцевая полость сообщена непосредственно с газовоздушным трактом турбины в зоне перед рабочим колесом. 2. Охлаждаемая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что соединение дополнительного диска с диском рабочего колеса вынесено за пределы безлопаточного диффузора.