Газотурбинный двигатель Российский патент 2003 года по МПК F01D3/02 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к схемам газотурбинных двигателей.

Известен газотурбинный двигатель (ГТД), содержащий камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с турбиной, и думисную полость компрессора, образованную последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом, соединяющим компрессор с турбиной, и отделенную от проточной части лабиринтным уплотнением, снабженным размещенными на роторе компрессора по меньшей мере одним прямым и одним обратным зубьями и размещенными на статоре компрессора ответными этим зубьям полками (1).

В известном устройстве наличие в лабиринтном уплотнении обратного зуба обеспечивает стабильность давления в думисной полости компрессора на неустановившихся режимах работы двигателя и совместно с передней полостью турбины, сообщенной с газовоздушным трактом, обеспечивает стабильность осевой нагрузки на подшипник ротора.

Однако в большинстве случаев воздух из думисной полости компрессора целесообразно использовать для нужд двигателя, в частности для охлаждения элементов турбины (сопловых лопаток, наддува междисковых полостей, полок лопаток и т.д.).

Наиболее близким к заявленному решению является газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, включающей по меньшей мере две ступени с размещенными между ними лопатками соплового аппарата и междисковой полостью, думисную полость компрессора, расположенную между последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом, соединяющим компрессор с турбиной, и отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением, снабженным размещенными соответственно на роторе и статоре компрессора по меньшей мере одним прямым зубом и ответной ему полкой, и питающий воздуховод, сообщающий думисную полость компрессора с внутренней полостью лопаток соплового аппарата (2).

В этой конструкции потребные уровни давлений для подачи воздуха в тракт охлаждения сопловых лопаток и междисковую полость существенно отличаются друг от друга. В частности, тракт охлаждения сопловых лопаток сообщен с газовоздушным трактом турбины на выходе из соплового аппарата, а междисковая полость сообщена с газовоздушным трактом перед и после соплового аппарата.

Однако уровень давления в думисной полости компрессора определяется уровнем давления перед сопловым аппаратом последующей ступени турбины, а оно всегда выше давления за сопловым аппаратом. Это приводит к повышению уровня осевой нагрузки компрессора, которую необходимо парировать повышением осевой нагрузки турбины.

Вместе с тем, повышение осевой нагрузки турбины может привести, с одной стороны, к повышению осевой нагрузки на подшипник опоры турбины до недопустимой величины, а с другой - к существенным изменениям в конструкции самой турбины и ухудшению ее характеристик.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы и ресурса двигателя при сохранении его экономичности путем оптимизации осевой нагрузки турбины.

Задача решается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, включающей по меньшей мере две ступени с размещенным между ними лопатками соплового аппарата и междисковой полостью, думисную полость компрессора, расположенную между последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом, соединяющим компрессор с турбиной, и отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением, снабженным размещенными соответственно на роторе и статоре компрессора по меньшей мере одним прямым зубом и ответной ему полкой, и питающий воздуховод, сообщающий думисную полость компрессора с внутренней полостью лопаток соплового аппарата, лопатки соплового аппарата выполнены с перегородкой, разделяющей их внутреннюю полость на переднюю и заднюю полости, а лабиринтное уплотнение снабжено по меньшей мере двумя обратными зубьями с двумя размещенными на статоре компрессора посредством глухих стенок ответными полками, образующими между собой промежуточную воздушную полость, сообщенную воздуховодом с задней полостью лопаток соплового аппарата, при этом выход питающего воздуховода, сообщающего внутреннюю полость лопаток соплового аппарата с думисной полостью размещен на входе в переднюю полость лопаток соплового аппарата, а выход из этой передней полости сообщен с внутренним воздушным коллектором, образованным внутренними полками лопаток соплового аппарата и размещенной на них обечайкой, и сообщенным, в свою очередь, с газовоздушным трактом турбины, причем задняя полость лопаток соплового аппарата сообщена с междисковой полостью турбины.

В устройстве также может иметь место следующее: воздуховоды, сообщающие переднюю и заднюю полости лопаток соплового аппарата соответственно с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью, могут быть оснащены теплообменниками;

- для двухконтурных газотурбинных двигателей воздуховоды, сообщающие переднюю и заднюю полости лопаток соплового аппарата соответственно с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью, могут быть размещены в тракте наружного контура, а теплообменники выполнены воздухо-воздушными;

- по меньшей мере один из воздуховодов, сообщающих переднюю и заднюю полости лопаток соплового аппарата соответственно с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью, может быть оснащен дроссельными шайбами;

- полки обратных зубьев вместе с соответствующими им зубьями могут быть размещены в осевом направлении друг за другом или в радиальном направлении друг над другом.

Выполнив лабиринтное уплотнение, разделяющее проточную часть компрессора от думисной полости, с по меньшей мере двумя обратными зубьями и двумя ответными им полками, размещенными на статоре компрессора посредством глухих стенок, образующих между собой промежуточную воздушную полость, удается реализовать источник с более высоким уровнем давления воздуха для запитки междисковой полости турбины и охлаждения задних покромок сопловых лопаток. Глухие стенки обеспечивают работу обратных зубьев совместно с прямьми зубьями. То есть, увеличение проходной площади, определяющей протечки, на одном зубе (например, прямом зубе) уменьшает проходную площадь и протечки на другом зубе (обратном зубе). Постоянство протечек на двух разнородных зубьях обеспечивает помимо хорошей экономичности стабильность давления в промежуточной воздушной полости. Наличие второго обратного зуба вместе с первым обеспечивает стабильность давления и расхода в промежуточной воздушной полости на нестационарных режимах работы двигателя.

Разделение внутренней полости сопловой лопатки на переднюю и заднюю полости позволяет оптимизировать охлаждение сопловых лопаток. Связав заднюю полость лопаток соплового аппарата, с одной стороны посредством воздуховода с промежуточной воздушной полостью, а с другой - с газовоздушным трактом турбины, включая область повышенного давления (периферия тракта), и междисковой полостью, мы обеспечиваем подачу воздуха без изменения давления в думисной полости компрессора.

Связав переднюю полость лопаток соплового аппарата, с одной стороны посредством воздуховода с думисной полостью компрессора, а с другой через коллектор, образованный внутренними полками лопаток соплового аппарата и размещенной на них обечайкой, с корневой областью газовоздушного тракта за сопловым аппаратом (зона пониженного давления) мы обеспечиваем низкий уровень давления в думисной полости компрессора и, тем самым, реализуем основные характеристики турбины.

При размещении в тракте питающих воздуховодов теплообменников воздух протечек, направляемый в сопловой аппарат и междисковую полость, охлаждается, что, в свою очередь, снижает температуру элементов конструкции, которую он омывает. Снижение температуры элементов конструкции обеспечивает более высокую надежность работы турбины и двигателя в целом.

Для двухконтурных двигателей питающие воздуховоды размещены в тракте наружного контура, а теплообменники выполнены воздухо-воздушными. Размещение теплообменников в наружном контуре двигателя позволяет создать его летный вариант по габаритам, массе, снизить температуру воздуха протечек, понизить температуру элементов турбины и увеличить надежность работы двигателя.

Для расширения диапазона основных характеристик турбины, в том числе, когда изменения основных параметров требует увеличения осевой нагрузки турбины, с целью парирования этой нагрузки на воздуховодах, сообщающих переднюю и заднюю полости лопаток соплового аппарата соответственно с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью, размещаются дроссельные шайбы, которые повышают давление в думисной полости компрессора, повышая его осевую нагрузку. Возможность подбирать необходимый уровень осевых нагрузок компрессора применительно к выбранному уровню осевой нагрузки турбины обеспечивает приемлемый уровень осевых нагрузок как на стационарных, так и на нестационарных режимах. Возможность изменять осевую нагрузку турбины в широком диапазоне при сохранении требуемого уровня осевой нагрузки на подшипник опоры турбины обеспечивает высокий уровень КПД турбины и экономичность двигателя в целом.

Наличие в лабиринтном уплотнении, разделяющем думисную полость от проточной части компрессора, двух обратных зубьев с ответными полками, расположенными в осевом направлении друг за другом, позволяет регулировать уровень давления и расхода в промежуточной воздушной полости без изменения осевой нагрузки компрессора.

Наличие в лабиринтном уплотнении, разделяющем думисную полость от проточной части компрессора, двух обратных зубьев с ответными полками, расположенными в радиальном направлении друг над другом, позволяет частично регулировать через зазоры между зубьями и ответными полками осевую силу компрессора.

На фиг. 1 показан продольный разрез ГТД;

на фиг. 2 - вариант расположения в лабиринтном уплотнении обратных зубьев с ответными полками в осевом направлении друг за другом;

на фиг 3 - вариант расположения в лабиринтном уплотнении обратных зубьев с ответными полками в радиальном направлении друг над другом;

на фиг.4 - воздуховоды, сообщающие лопатки соплового аппарата с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью.

Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания 1, компрессор 2, соединенный посредством вала 3 с охлаждаемой турбиной 4, включающей по меньшей мере две ступени с размещенными между ними лопатками 5 соплового аппарата, образующие междисковую полость 6. Внутренняя полость лопаток 5 разделена перегородкой на переднюю и заднюю полости 7 и 8. Между камерой сгорания 1, последней ступенью компрессора 2, валом 3 и первой ступенью турбины 4 расположена думисная полость 9, которая отделена от проточной части компрессора 2 лабиринтным уплотнением 10, снабженным размещенными соответственно на роторе и статоре компрессора 2 по меньшей мере одним прямым зубом 11 с ответной ему полкой 12 и двумя обратными зубьями 13 с двумя ответными полками 14. Полки 14 закреплены на статоре компрессора 2 посредством глухих стенок 15. Обратные зубья 13 с полками 14 и глухие стенки 15 образуют между собой промежуточную воздушную полость 16, сообщенную воздуховодом 17 с задней полостью 8 лопаток 5 соплового аппарата.

Думисная полость 9 соединена воздуховодом 18 с передней полостью 7 лопаток 5 соплового аппарата.

На внутренних полках 19 лопаток 5 соплового аппарата размещена обечайка 20, образующая вместе с полками 19 воздушный коллектор 21, сообщенный с газовоздушным трактом турбины 22.

Задняя полость 8 лопаток 5 соплового аппарата сообщена с междисковой полостью 6 турбины.

В тракте воздуховодов 17, 18 размещены теплообменники 23, 24. Применительно к двухконтурным ГТД питающие воздуховоды 17 и 18 размещены в тракте наружного контура 25 двигателя, а теплообменники 23 и 24 выполнены воздухо-воздушными.

Для обеспечения возможности подбора необходимого уровня осевых нагрузок компрессора применительно к выбранному уровню осевой нагрузки турбины по меньшей мере один из воздуховодов, сообщающий переднюю и заднюю полости 7 и 8 лопаток 5 соплового аппарата соответственно с думисной 9 полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью 16, оснащен дроссельными шайбами 26.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Воздух, прошедший через зазоры между прямыми зубьями 11 и ответными полками 12 лабиринтного уплотнения компрессора 2, проходит через зазор между одним из обратных зубьев 13 и ответной ему полкой 14 и поступает в промежуточную воздушную полость 16. Из полости 16 воздух, с одной стороны, через воздуховод 17 поступает в заднюю полость 8 лопаток 5 соплового аппарата, а из нее - в газовоздушный тракт турбины 4 и междисковую полость 6. С другой стороны, через зазор между вторым обратным зубом 13 и ответной ему полкой 14 воздух поступает в думисную полость 9 и далее через воздуховод 18 в переднюю полость 7 лопаток 5 соплового аппарата. Из передней полости 7 лопаток воздух поступает в воздушный коллектор 21, из которого он идет в газовоздушный тракт 22 за сопловым аппаратом в корневую зону рабочих лопаток турбины.

На нестационарных режимах работы двигателя, например при переходе с режима “малый газ” на максимальный режим, зазоры между прямыми зубьями 11 и их ответными полками 12 увеличиваются (что может привести к росту расхода воздуха), а между обратньми зубьями 13 и их ответными полками 14 соответственно уменьшаются. Первый по течению обратный зуб 13 не позволяет увеличиваться расходу воздуха как в промежуточную полость 16, так и в думисную полость 9, а второй обратный зуб 13 не позволяет увеличиваться расходу воздуха в думисную полость 9. Этим самым обеспечивается стабильность расхода воздуха и давлений из обеих полостей - думисной полости 9 и промежуточной воздушной полости 16.

Изобретение позволяет повысить надежность работы двигателя и его ресурс при сохранении экономичности.

Источники информации

1. Патент РФ 2186233, МПК7 F 02 С 7/28, 2000 г.

2. Заявка РФ 2001116841/06, 21.06.01, положительное решение о выдаче патента РФ от 19.09.2002 г., МК7 F 02 С 7/12.

Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, думисную полость компрессора, расположенную между последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом, соединяющим компрессор с турбиной, и отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением. Лабиринтное уплотнение снабжено размещенными соответственно на роторе и статоре компрессора по меньшей мере одним прямым зубом и ответной ему полкой, а также по меньшей мере двумя обратными зубьями с двумя размещенными на статоре компрессора посредством глухих стенок ответными полками, образующими между собой промежуточную воздушную полость. Турбина включает по меньшей мере две ступени с размещенными между ними лопатками соплового аппарата и междисковую полость. Лопатки соплового аппарата выполнены с перегородкой, разделяющей их внутреннюю полость на переднюю и заднюю полости. Выход питающего воздуховода, сообщающего внутреннюю полость лопаток соплового аппарата с думисной полостью, размещен на входе в переднюю полость лопаток соплового аппарата. Выход из этой передней полости сообщен с внутренним воздушным коллектором, образованным внутренними полками лопаток соплового аппарата и размещенной на них обечайкой, и сообщенным, в свою очередь, с газовоздушным трактом турбины. Задняя полость лопаток соплового аппарата сообщена с междисковой полостью турбины. Изобретение позволяет повысить надежность работы двигателя и его ресурс при сохранении экономичности. 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, включающей, по меньшей мере, две ступени с размещенными между ними лопатками соплового аппарата и междисковой полостью, думисную полость компрессора, расположенную между последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом, соединяющим компрессор с турбиной, и отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением, снабженным размещенными соответственно на роторе и статоре компрессора, по меньшей мере, одним прямым зубом и ответной ему полкой, и питающий воздуховод, сообщающий думисную полость компрессора с внутренней полостью лопаток соплового аппарата, отличающийся тем, что лопатки соплового аппарата выполнены с перегородкой, разделяющей их внутреннюю полость на переднюю и заднюю полости, а лабиринтное уплотнение снабжено, по меньшей мере, двумя обратными зубьями с двумя размещенными на статоре компрессора посредством глухих стенок ответными полками, образующими между собой промежуточную воздушную полость, сообщенную воздуховодом с задней полостью лопаток соплового аппарата, при этом выход питающего воздуховода, сообщающего внутреннюю полость лопаток соплового аппарата с думисной полостью, размещен на входе в переднюю полость лопаток соплового аппарата, а выход из этой передней полости сообщен с внутренним воздушным коллектором, образованным внутренними полками лопаток соплового аппарата и размещенной на них обечайкой, и сообщенным, в свою очередь, с газовоздушным трактом турбины, причем задняя полость лопаток соплового аппарата сообщена с междисковой полостью турбины.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что воздуховоды, сообщающие переднюю и заднюю полости лопаток соплового аппарата соответственно с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью, оснащены теплообменниками.3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что для двухконтурных газотурбинных двигателей воздуховоды, сообщающие переднюю и заднюю полости лопаток соплового аппарата соответственно с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью, размещены в тракте наружного контура, а теплообменники выполнены воздухо-воздушными.4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что, по меньшей мере один из воздуховодов, сообщающих переднюю и заднюю полости лопаток соплового аппарата соответственно с думисной полостью компрессора и промежуточной воздушной полостью, оснащен дроссельными шайбами.5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что полки обратных зубьев вместе соответствующими им зубьями размещены в осевом направлении друг за другом.6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что полки обратных зубьев вместе соответствующими им зубьями размещены в радиальном направлении друг над другом.