ОХЛАЖДАЕМАЯ ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК F02C7/12 F01D25/12 

Изобретение относится к охлаждаемым турбинам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известна охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, в которой воздух на охлаждение подшипниковой опоры турбины подается через полости между силовыми стойками и обтекателями стоек [А. Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей, Москва, «Машиностроение», 1981, стр.209, рис.4.55].

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность вследствие повышенного подогрева охлаждающего воздуха от обтекателей стоек, омываемых с внешней стороны газовым потоком.

Наиболее близкой к заявляемой является охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, в которой охлаждающий воздух на охлаждение дисков и подшипниковой опоры турбины подводится через трубы-воздуховоды, расположенные в сопловых лопатках и закрепленные жестко во внешнем корпусе и телескопически - во внутреннем [Патент РФ №2196896, F01D 5/08, 2003 г.].

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за повышенных вибронапряжений, возникающих в трубах подвода воздуха, а также из-за повышенных утечек охлаждающего воздуха в телескопическом соединении трубы с внутренним корпусом.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности турбины путем снижения вибронапряжений в трубах подвода охлаждающего воздуха и снижения его паразитных утечек.

Сущность изобретения заключается в том, что в охлаждаемой турбине газотурбинного двигателя, включающей трубы подвода охлаждающего воздуха, размещенные на корпусе турбины, согласно изобретению, корпус турбины снабжен втулкой со сферической внутренней поверхностью, а на трубе подвода охлаждающего воздуха установлены пружина и кольцо со сферической наружной поверхностью, при этом кольцо установлено на трубе телескопически с возможностью его углового поворота внутри сферической внутренней поверхности втулки корпуса турбины, а пружина установлена между подвижной и упорной втулками трубы с возможностью осевого перемещения кольца через подвижную втулку.

Возможность плотного прилегания кольца со сферической наружной поверхностью к сферической внутренней поверхности втулки корпуса турбины обеспечивается установкой пружины между подвижной и упорной втулками трубы с возможностью осевого перемещения кольца через подвижную втулку. Наличие пружины исключает осевые вибронапряжения трубы, а «заклинивание» кольца существенно снижает вероятность поперечных перемещений трубы подвода охлаждающего воздуха. Это исключает дополнительные вибронапряжения и паразитные утечки охлаждающего воздуха.

В противном случае, если труба не будет «зажата» таким образом, при любых вибрациях она будет «разбивать» посадочные поверхности, что вызовет утечки охлаждающего воздуха и разрушение.

Установка кольца на трубе телескопически с возможностью его углового поворота внутри сферической внутренней поверхности втулки корпуса турбины обеспечивает возможность парировать взаимные перемещения внешнего и внутреннего корпусов за счет поворота трубы вокруг центров сферических поверхностей периферийных хвостовиков.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет исключить появление в трубе подвода охлаждающего воздуха дополнительных напряжений от внешнего и внутреннего корпусов турбины и минимально снизить паразитные утечки.

На фиг.1 показан продольный разрез турбины заявляемой конструкции, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя 1 состоит из статора 2 с наружным корпусом 3 и сопловыми лопатками 4, из ротора 5 с рабочим колесом 6. Рабочее колесо 6 состоит из рабочих лопаток 7, установленных в диске 8, который в свою очередь закреплен на валу 9, установленном на подшипнике 10. Подшипник 10 размещен во внутреннем корпусе 11 опоры 12, которая с помощью диафрагмы 13 закреплена на внешнем корпусе 14 опоры 12.

Внешний корпус 14 опоры 12 с помощью силовых стоек 15, размещенных внутри полых обтекателей 16, соединен с наружным корпусом 3 турбины 1.

Для охлаждения турбины 1 используется охлаждающий воздух 17 из-за промежуточной ступени компрессора (не показано), который по каналу 18 в силовой стойке 15, трубе подвода охлаждающего воздуха 19, а также по патрубкам 20 и 21 поступает во внутренние полости 22, 23 турбины 1, охлаждая таким образом диск 8 и вал 9.

Периферийные хвостовики 24 и 25 трубы 19 выполнены сферическими по наружным поверхностям 26 и 27, что позволяет поворачивать трубы 19 вокруг центров 28 и 29 сферических поверхностей 26 и 27. Один из периферийных хвостовиков 24 трубы 19 выполнен в виде кольца 30 со сферической наружной поверхностью. Кольцо 30 установлено внутри сферической внутренней поверхности 31 втулки 32 внешнего корпуса 14. Кольцо 30 телескопически по цилиндрической поверхности 33 установлено на трубе 19 через упругую в осевом направлении пружину 34. Пружина 34 установлена на внешней поверхности 35 трубы 19 и контактирует внешним торцом 36 через подвижную в осевом направлении втулку 37 с кольцом 30, а внутренним торцом 38 через упорную втулку 39 - с внешним ребром 40 на внешней поверхности 35 трубы 19.

Устройство работает следующим образом.

При работе охлаждаемой турбины газотурбинного двигателя 1 воздух из-за промежуточной ступени компрессора (не показано) по каналу 18, трубе 19 и патрубкам 20, 21 поступает во внутренние полости 22, 23 турбины 1, охлаждая таким образом вал 9 и диск 8.

При работе турбины 1 под действием термических напряжений и газовых сил происходят взаимные осевое и радиальное перемещения внутреннего корпуса 11 опоры 12 относительно внешнего корпуса 14, что может привести к поломке трубы 19, прекращению подачи охлаждающего воздуха 17 в полости 22, 23 с перегревом и поломкой вала 9 и диска 8 в турбине 1. Однако этого не происходит, так как взаимные перемещения корпусов 11 и 14 парируются за счет поворота трубы 19 вокруг центров 28 и 29 сферических поверхностей 26, 27 периферийных хвостовиков 24 и 25, а радиальные взаимные перемещения корпусов 11 и 14 - за счет телескопического осевого перемещения кольца 30 и трубы 19 по цилиндрической поверхности 33.

По технологическим причинам точность выполнения внутренней сферической поверхности 31 втулки 32 является невеликой, что ведет к повышенным паразитным утечкам охлаждающего воздуха 17 через увеличенный зазор между поверхностью 31 втулки 32 и поверхностью 26 кольца 30 с последующим повышением температуры и, соответственно, снижением надежности диска 8 и вала 9 турбины 1. Однако пружина 34 через подвижную в осевом направлении втулку 37 перемещает кольцо 30, обеспечивая на всех режимах работы турбины 1 контакт по поверхностям 26 и 31 кольца 30 и втулки 32, что исключает появление паразитных утечек охлаждающего воздуха 17 в соединении кольца 30 с втулкой 32, тем самым повышая надежность турбины 1.

Благодаря прилеганию кольца 30 к втулке 32 и подвижной втулки 37 к кольцу 30 за счет демпфирования трением на всех режимах работы турбины 1 существенно снижаются вибронапряжения в трубе 19.

В случае повышенных взаимных радиальных перемещений корпусов 11 и 14 сферическое соединение с кольцом 30 и пружиной 34 может быть выполнено на обоих хвостовиках трубы 19.

Изобретение относится к охлаждаемым турбинам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя включает трубы подвода охлаждающего воздуха, размещенные на корпусе турбины. Корпус турбины снабжен втулкой со сферической внутренней поверхностью. На трубе подвода охлаждающего воздуха установлены пружина и кольцо со сферической наружной поверхностью. Кольцо установлено на трубе телескопически с возможностью его углового поворота внутри сферической внутренней поверхности втулки корпуса турбины. Пружина установлена между подвижной и упорной втулками трубы с возможностью осевого перемещения кольца через подвижную втулку. Изобретение позволяет повысить надежность турбины путем исключения напряжений в трубе подвода охлаждающего воздуха, а также снизить паразитные утечки. 2 ил.

Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, включающая трубы подвода охлаждающего воздуха, размещенные на корпусе турбины, отличающаяся тем, что корпус турбины снабжен втулкой со сферической внутренней поверхностью, а на трубе подвода охлаждающего воздуха установлены пружина и кольцо со сферической наружной поверхностью, при этом кольцо установлено на трубе телескопически с возможностью его углового поворота внутри сферической внутренней поверхности втулки корпуса турбины, а пружина установлена между подвижной и упорной втулками трубы с возможностью осевого перемещения кольца через подвижную втулку.