ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2010 года по МПК F01D9/02 

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

Известна газовая турбина газотурбинного двигателя, сопловые лопатки которой выполнены неохлаждаемыми (С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981, стр.183, рис.4.41, а).

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность из-за повышенной температуры неохлаждаемых сопловых лопаток.

Наиболее близкой к заявляемой является высокотемпературная газовая турбина, в которой сопловые лопатки первой ступени выполнены с охлаждаемым пером и верхней полкой (Патент РФ №2211926, F01D 5/18, 2003 г.).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность из-за повышенной температуры неохлаждаемой нижней полки сопловой лопатки первой ступени, прогар которой может привести к попаданию фрагментов нижней полки в проточную часть турбины с дальнейшим лавинообразным разрушением ее лопаток.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности турбины путем снижения температуры нижних полок сопловых лопаток первой ступени за счет интенсивного конвективного и пленочного охлаждения.

Сущность изобретения заключается в том, что в высокотемпературной газовой турбине, сопловые лопатки первой ступени в которой установлены телескопически в радиальном направлении во внутреннем кольце соплового аппарата, согласно изобретению на внешней поверхности внутреннего кольца соплового аппарата установлены сопла или группа сопел, соединенных на входе с полостью высокого давления, а на выходе - с полостью низкого давления, причем выходные части сопел направлены в сторону охлаждаемой поверхности нижней полки сопловой лопатки, внутренняя поверхность сопла выполнена профилированной, а число сопел или групп сопел равно числу сопловых лопаток первой ступени.

Установка сопла или группы сопел на внешней поверхности внутреннего кольца соплового аппарата позволяет организовать подвод высокоскоростной струи охлаждающего воздуха к наиболее теплонапряженному участку поверхности нижней полки сопловой лопатки первой ступени с оптимальным для охлаждения расстоянием между срезом сопла и охлаждаемой поверхностью.

Соединение сопла или группы сопел на входе с полостью высокого давления и на выходе - с полостью низкого давления позволяет получить за счет перепада давления на выходе из сопла высокоскоростную струю, скорость которой достаточна для получения эффективного конвективного охлаждения.

Направленность выходной части сопла в сторону охлаждаемой поверхности нижней полки сопловой лопатки позволяет благодаря повышенной дальнобойности струи выходящего из сопла воздуха осуществлять эффективное охлаждение нижней полки сопловой лопатки даже в случае изменения расстояния между срезом сопла и охлаждаемой поверхностью, например, при взаимных температурных перемещениях сопла и нижней полки.

Выполнение внутренней поверхности сопла профилированной в зависимости от перепада давлений на сопле позволяет с максимальной эффективностью превращать потенциальную энергию давления в кинематическую энергию вытекающей из сопла струи охлаждающего воздуха, т.е. получать струю воздуха с максимальной выходной скоростью, что повышает надежность конструкции за счет снижения температуры охлаждаемой поверхности.

Выполнение числа сопел или групп сопел равным числу сопловых лопаток первой ступени позволяет с максимальной эффективностью использовать охлаждающий воздух для охлаждения нижней полки каждой сопловой лопатки, что также повышает надежность конструкции.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.

На фиг.1 показан продольный разрез высокотемпературной газовой турбины заявляемой конструкции. На фиг.2 представлен вид А на фиг.1, на фиг.3 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде. На фиг.4 и 5 показаны варианты исполнения конструкции сопел.

Высокотемпературная газовая турбина 1 состоит из ротора 2 с рабочими лопатками 3 и статора 4 с сопловыми лопатками первой ступени 5, неподвижным соединением 6 типа «шип-паз», установленными в наружном кольце 7 и телескопически в радиальном направлении - во внутреннем кольце 8. На внешней поверхности 9 кольца 8 установлены сопла 10, внутренняя полость 11 которых соединена на входе 12 с воздушной полостью 13 высокого давления, а на выходе 14 - с полостью низкого давления 15. Выходная часть 14 сопла 10 направлена в сторону охлаждаемой поверхности 16 нижней полки 17 сопловой лопатки первой ступени 5. Внутренняя поверхность 18 сопла 10 выполнена профилированной, т.е. с переменными вдоль оси 19 сопла 10 проходными сечениями, что позволяет с максимальной эффективностью превращать потенциальную энергию давления воздуха в полости 13 в кинетическую энергию воздушной струи 20, выходящей из сопла 10. В зависимости от располагаемого перепада давления сопло 10 может быть выполнено как дозвуковое сужающееся к выходу сопло 21, так и как сверхзвуковое сужающееся - расширяющееся к выходной части сопла 22.

Для минимизации расхода охлаждающего воздуха сопла 10 могут быть установлены группами 23, причем число групп 23 сопел 10 равно числу сопловых лопаток 5, что позволяет осуществить эффективное конвективное охлаждение наиболее теплонапряженных участков 24 нижней полки 17 каждой из лопаток 5.

Крепление сопел 10 на внутреннем кольце 8 может осуществляться пайкой или сваркой, а также развальцовкой внешнего буртика 25 сопла 10 в положении 26.

Полость низкого давления 15 через перфорацию 27 в полке 17 соединена с проточной частью 28 турбины 1.

В зависимости от потребной эффективности охлаждения и расхода охлаждающего воздуха сопла 10 могут выполняться с различной выходной площадью F и на различном расстоянии L от охлаждаемой поверхности 16.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе высокотемпературной газовой турбины 1 поток газа, протекающий в проточной части 28 турбины 1, может вызвать перегрев нижней полки 17 сопловой лопатки первой ступени 5 с последующим лавинообразным разрушением сопловых лопаток 5 и рабочих лопаток 3 ротора 2, однако этого не происходит за счет эффективного конвективного охлаждения поверхности 16 полки 17 струями охлаждающего воздуха 20 из сопел 10 или из группы сопел 23. При работе турбины 1 в результате температурных деформаций нижняя полка 17 перемещается в радиальном направлении относительно внутреннего кольца 8 с соплами 10, однако такое изменение расстояния L от выхода 14 сопла 10 до охлаждаемой поверхности 16 не ухудшает эффективности охлаждения поверхности 16, так как струя холодного воздуха 20 из сопла 10 обладает повышенной дальнобойностью.

Натекающий на поверхность 16 охлаждающий воздух 20 далее из полости 15 через перфорацию 27 вытекает в проточную часть 28 газовой турбины 1, создавая таким образом заградительное, пленочное охлаждение нижней полки 17 сопловой лопатки 5, что также повышает надежность газовой турбины 1.

Высокотемпературная газовая турбина содержит сопловые лопатки первой ступени, установленные телескопически в радиальном направлении во внутреннем кольце соплового аппарата. На внешней поверхности внутреннего кольца соплового аппарата установлены сопла или группа сопел, соединенных на входе с полостью высокого давления, а на выходе - с полостью низкого давления. Выходные части сопел направлены в сторону охлаждаемой поверхности нижней полки сопловой лопатки. Внутренняя поверхность сопла выполнена профилированной, а число сопел или групп сопел равно числу сопловых лопаток первой ступени. Изобретение направлено на повышение надежности турбины путем снижения температуры нижних полок сопловых лопаток первой ступени за счет интенсивного конвективного пленочного охлаждения. 5 ил.

Высокотемпературная газовая турбина, сопловые лопатки первой ступени в которой установлены телескопически в радиальном направлении во внутреннем кольце соплового аппарата, отличающаяся тем, что на внешней поверхности внутреннего кольца соплового аппарата установлены сопла или группа сопел, соединенных на входе с полостью высокого давления, а на выходе - с полостью низкого давления, причем выходные части сопел направлены в сторону охлаждаемой поверхности нижней полки сопловой лопатки, внутренняя поверхность сопла выполнена профилированной, а число сопел или групп сопел равно числу сопловых лопаток первой ступени.