ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F01D5/08 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям наземного и авиационного применения.

Известен газотурбинный двигатель, диски турбины в котором охлаждаются воздухом, проходящим через отверстия в полотне диска [1].

Недостатком известной конструкции является низкая надежность из-за наличия концентраторов напряжения в виде отверстий в полотне диска турбины.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является газотурбинный двигатель, диск турбины которого защищен от контакта с газом из проточной части турбины с помощью дефлектора [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является пониженная надежность из-за возможности уменьшения расхода охлаждающего воздуха на рабочую лопатку в случае износа междискового лабиринтного уплотнения, так как между полостью подвода охлаждающего воздуха на рабочую лопатку и полостью междискового лабиринта отсутствует жиклер, ограничивающий расход охлаждающего воздуха через междисковый лабиринт.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности двигателя путем обеспечения стабильного расхода воздуха на охлаждение рабочей лопатки турбины.

Сущность технического решения заключается в том, что в газотурбинном двигателе с дефлектором на диске первой ступени турбины, воздушная полость между которыми соединена с охлаждаемой рабочей лопаткой и с междисковой воздушной полостью, согласно изобретению на выходе междисковая полость соединена с воздушной полостью между дефлектором и диском второй ступени через жиклерное кольцо с отверстиями и через кольцевой щелевой жиклер - с межтурбинным уплотнением и ротором турбины низкого давления.

Соединение междисковой полости с воздушной полостью между дефлектором и диском второй ступени через жиклерное кольцо с отверстиями исключает уменьшение расхода охлаждающего воздуха на первую рабочую лопатку в случае износа байонетного соединения между диском и дефлектором второй ступени, предотвращая ее перегрев и поломку.

Соединение междисковой полости с межтурбинным уплотнением и ротором турбины низкого давления через кольцевой щелевой жиклер в случае износа межтурбинного уплотнения также исключает уменьшение расхода охлаждающего воздуха на первую рабочую лопатку, предотвращая ее перегрев и поломку.

На фиг.1 изображен продольный разрез газотурбинного двигателя.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

На фиг.3 - элемент II на фиг.2 в увеличенном виде.

На фиг.4 - элемент III на фиг.2 в увеличенном виде.

Газотурбинный двигатель 1 состоит из компрессора 2, камеры сгорания 3, двухступенчатой турбины высокого давления 4 и двухступенчатой турбины низкого давления 5, полезная мощность которой снимается с помощью вала 6. Турбина высокого давления 4 состоит из вала 7, на котором установлены диски 8 и 9 первой и второй ступеней с рабочими лопатками 10 и 11 первой и второй ступеней соответственно, причем лопатка 10 первой ступени выполнена охлаждаемой, а лопатка 11 второй ступени - неохлаждаемой. Для подвода охлаждающего воздуха на первую рабочую лопатку 10, а также для охлаждения самих дисков, на дисках 8 и 9 установлены дефлекторы первой и второй ступеней 12 и 13, закрепленные на дисках с помощью болтов 14, 15 у ступиц 16, 17 и с помощью байонетных соединении 18, 19 - по периферии. Диски зафиксированы относительно фланца 20 вала 7 с помощью призонных болтов 21 и штифтов 22, а воздушная полость 23 между ступицами 24, 25 дисков 8, 9 первой и второй ступеней отделена от газовой полости 26 с помощью лабиринта 27, который упирается в ступицу 17 дефлектора второй ступени 13. Охлаждающий воздух из-за компрессора 2 поступает в полость высокого давления 28, которая через каналы между болтами 14 соединена с полостью 29 между дефлектором 12 и диском 8 первой ступени, а также через каналы 30 и 31 с междисковой полостью 23, и через каналы 32 - с полостями между дисками турбины низкого давления 5. Кроме того, полость 28 через щелевой канал 33 соединена с газовой полостью на задней стороне диска второй ступени 9. Дефлектор второй ступени 13 является также охлаждаемым, и воздух на его охлаждение из междисковой полости 23 поступает через жиклерное кольцо 34 с жиклерными отверстиями 35, примыкающее кольцевыми выступами 36 и 37 к ступице 17 дефлектора второй ступени 13 и к ступице 25 диска второй ступени 9. Охлаждающий воздух из полости 38 между дефлектором 13 и диском 9 выпускается через каналы 39, выполненные на периферийном кольцевом выступе 40 дефлектора 13, упирающемся в торец 41 диска 9. Воздух из междисковой полости 23 на охлаждение задней стороны диска 9 и ротора турбины низкого давления 5 поступает через кольцевой жиклер 42 между кольцевыми осевыми выступами 43 и 44 фланца 20 вала 7 и ступицы 25 диска 9. Причем проходная площадь жиклера 42 меньше проходной площади последующих за ним каналов. Охлаждающий воздух на охлаждение ротора турбины низкого давления 5 поступает через отверстия 32 и межтурбинное уплотнение 45.

Работает устройство следующим образом.

При работе двигателя охлаждающий воздух из-за компрессора 2 поступает в полость 28 высокого давления, откуда через кольцевую полость 29 между диском и дефлектором 12 поступает на охлаждение первой рабочей лопатки 10, а по каналам 30, 31 - в междисковую полость 23, откуда через отверстия 35 жиклерного кольца 34 поступает в полость 38 между диском второй ступени 9 и дефлектором 13 и через щелевой жиклерный канал 42 и каналы 32 - на охлаждение ротора турбины низкого давления 5.

При работе двигателя байонетное соединение 19 между диском 9 и дефлектором 13 изнашивается, между периферийным выступом 40 дефлектора 13 и торцом 41 диска 9 образуется дополнительный торцевой зазор, что могло бы привести к увеличению расхода охлаждающего воздуха через полости 38 и 23, что, в свою очередь, привело бы к уменьшению расхода охлаждающего воздуха из полости 29 на охлаждение первой рабочей лопатки 10, ее перегреву и поломке. Однако этого не происходит из-за наличия жиклерных отверстий 35 в жиклерном кольце 34, которые ограничивают величину расхода через воздушную полость 38.

При работе двигателя также изнашивается межтурбинное уплотнение 45, что приведет к увеличению через него паразитных утечек охлаждающего воздуха, что могло бы привести к увеличению расхода охлаждающего воздуха через междисковую полость 23 и уменьшению расхода охлаждающего воздуха на охлаждение первой рабочей лопатки 10, ее перегреву и поломке. Однако этого не происходит из-за наличия кольцевого щелевого жиклера 42 между выступом 43 фланца 20 вала 7 и выступом 44 ступицы 25 диска второй ступени 9, который ограничивает расход охлаждающего воздуха на лабиринт 27 и охлаждение ротора турбины низкого давления 5. Таким образом повышается надежность турбины и двигателя в целом, особенно при больших ресурсах.

Источники информации
1 С.А. Вьюнов, "Конструкция и проектирование авиационных ГТД", М., Машиностроение, с. 205, рис 4.52.

2 С.А. Вьюнов, с. 222, рис. 4.63 - прототип.

Газотурбинный двигатель выполнен с дефлектором на диске первой ступени турбины, воздушная полость между которыми соединена с охлаждаемой рабочей лопаткой и междисковой воздушной полостью. На выходе междисковая полость соединена с воздушной полостью между дефлектором и диском второй ступени через жиклерное кольцо с отверстиями и через щелевой жиклер - с межтурбинным уплотнением и ротором турбины низкого давления. Изобретение позволяет повысить надежность газотурбинного двигателя путем обеспечения стабильного расхода воздуха на охлаждение рабочей лопатки турбины. 4 ил.

Газотурбинный двигатель с дефлектором на диске первой ступени турбины, воздушная полость между которыми соединена с охлаждаемой рабочей лопаткой и междисковой воздушной полостью, отличающийся тем, что на выходе междисковая полость соединена с воздушной полостью между дефлектором и диском второй ступени через жиклерное кольцо с отверстиями и через кольцевой щелевой жиклер - с межтурбинным уплотнением и ротором турбины низкого давления.