ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к системам охлаждения газотурбинных двигателей с помощью воздуха.

Известен двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания и двухступенчатую турбину с охлаждаемым сопловым аппаратом между ступенями турбины и каналом охлаждения междисковой полости, питающий воздуховод которого через теплообменник, установленный во втором контуре двигателя, и внутренние полости охлаждаемых сопловых лопаток соединен с полостью компрессора высокого давления (см. патент РФ №459986, МПК F02C 7/18, опубл. 08.12.1976 г). Недостатком такого решения является использование для охлаждения междисковой полости очень дорогого воздуха, отбираемого перед камерой сгорания.

Этот недостаток устранен в другом техническом решении, наиболее близком к предлагаемому нами, а именно в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбины высокого и низкого давлений с охлаждаемым сопловым аппаратом турбины низкого давления и каналом охлаждения междисковой полости с питающим коллектором на входе, причем канал охлаждения междисковой полости отделен от проточной части турбины лабиринтным уплотнением и щелевым зазором, а питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости через входной коллектор системы охлаждения сопловых лопаток и теплообменник, установленный во втором контуре двигателя, соединен с думисной полостью компрессора высокого давления (см. патент РФ №2200859, МПК F02C 7/12, опубл. 20.03.2003 г).

Однако охлажденный в теплообменнике охлаждающий воздух, проходя через внутренние полости сопловых лопаток, нагревается там и поступает на охлаждение междисковой полости нагретым до такой степени, что становится непригодным для эффективного охлаждения боковых поверхностей дисков турбины.

Задача изобретения снизить температуру охлаждающего воздуха, поступающего в междисковую полость для охлаждения боковых поверхностей дисков турбин.

Указанная задача достигается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбины высокого и низкого давлений с охлаждаемым сопловым аппаратом турбины низкого давления и каналом охлаждения междисковой полости с питающим коллектором на входе, причем канал охлаждения междисковой полости отделен от проточной части турбины лабиринтным уплотнением и щелевым зазором, а питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости через входной коллектор системы охлаждения сопловых лопаток турбины низкого давления и теплообменник, установленный во втором контуре двигателя, соединен с думисной полостью компрессора высокого давления, в нем питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости отделен от внутренних полостей охлаждаемых сопловых лопаток, а его соединение с входным коллектором системы охлаждения сопловых лопаток выполнено с помощью транзитных трубок, установленных во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок, при этом транзитные трубки снабжены калиброванными участками, а канал охлаждения междисковой полости может быть выполнен в виде последовательно расположенных полости охлаждения центральной части диска турбины высокого давления и полости охлаждения корневой части диска турбины высокого давления и диска турбины низких давлений, отделенных друг от друга лабиринтным уплотнением.

Кроме того, для сопловых аппаратов, состоящих из блоков сопловых лопаток, в каждом блоке сопловых лопаток может быть выполнена одна транзитная трубка размещенная в средней лопатке, а между стенкой лопаток и транзитной трубкой могут быть размещены дефлекторы с перфорационными отверстиями для охлаждения стенок лопаток.

Новым в изобретении является то, что питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости отделен от внутренних полостей охлаждаемых сопловых лопаток, а его соединение с входным коллектором системы охлаждения сопловых лопаток выполнено с помощью транзитных трубок, установленных во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок, при этом транзитные трубки снабжены калиброванными участками, а канал охлаждения междисковой полости может быть выполнен в виде последовательно расположенных полости охлаждения центральной части диска турбины высокого давления и полости охлаждения корневой части диска турбины высокого давления и диска турбины низких давлений, отделенных друг от друга лабиринтным уплотнением.

Кроме того, для сопловых аппаратов, состоящих из блоков сопловых лопаток, в каждом блоке сопловых лопаток может быть выполнена одна транзитная трубка, размещенная в средней лопатке, а между стенкой лопаток и транзитной трубкой могут быть размещены дефлекторы с перфорационными отверстиями для охлаждения стенок лопаток.

Изоляция питающего коллектора канала охлаждения междисковой полости от внутренних полостей охлаждаемых сопловых лопаток позволяет избавиться от поступления в этот коллектор нагретого в сопловом аппарате воздуха, а за счет соединения питающего коллектора канала охлаждения междисковой полости с входным коллектором системы охлаждения сопловых лопаток с помощью транзитных трубок подавать в него более холодный охлаждающий воздух по самому короткому пути.

Установка во внутренних полостях сопловых лопаток транзитных трубок с зазором относительно стенок лопаток исключает прямой контакт охлаждающего воздуха, идущего в междисковую полость, и горячих стенок сопловых лопаток, что также уменьшает подогрев от горячих стенок сопловых лопаток воздуха, идущего на охлаждение междисковой полости.

Калиброванные участки в транзитных трубках дают возможность регулирования скорости протекания охлаждающего воздуха по этим трубкам и обеспечивать минимальное время нахождения охлаждающего воздуха в самой горячей зоне, что тоже снижает подогрев охлаждающего воздуха.

Выполнение канала охлаждения междисковой полости в виде последовательно расположенных полости охлаждения центральной части диска турбины высокого давления и полости охлаждения корневой части диска турбины высокого давления и диска турбины низкого давлений, отделенных друг от друга лабиринтным уплотнением, позволяет направить охлаждающий воздух сначала на охлаждение наиболее теплонапряженного центрального участка диска турбины высокого давления, а уже потом на охлаждение корневой его части и диска турбины низкого давления.

Выполнение для сопловых аппаратов, состоящих из блоков сопловых лопаток, одной транзитной трубки, размещенной в средней лопатке, позволяет минимизировать количество транзитных трубок и, следовательно, уменьшить подогрев охлаждающего воздуха, поступающего на охлаждение в междисковую полость.

Размещение между стенкой лопатки и транзитной трубкой дефлектора с перфорационными отверстиями для охлаждения стенок лопатки помимо охлаждения стенок сопловых лопаток несколько уменьшает и подогрев транзитного воздуха.

На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя;

на фиг.2 показан поперечный разрез транзитной трубки в районе калиброванных отверстий;

на фиг.3 показан поперечный разрез пера лопатки с дефлектором в ней;

на фиг.4 показан поперечный разрез соплового аппарата для случая, когда транзитная трубка размещена в средней сопловой лопатке.

Газотурбинный двигатель содержит компрессор высокого давления 1, думисную полость 2 с лабиринтом 3 между ней и последней ступенью компрессора высокого давления 1, камеру сгорания 4 и турбину высокого давления 5, турбину низкого давления 6 с охлаждаемым сопловым аппаратом 7 и каналом охлаждения 8 междисковой полости, выполненным в виде последовательно расположенных питающего коллектора 9, полости 10 охлаждения центральной зоны диска 11 турбины высокого давления 5 и полости 12 охлаждения корневой части диска 11 турбины высокого давления 5 и диска 13 турбины низкого давления 6, отделенных друг от друга лабиринтным уплотнением 14. От проточной части турбины 15 полость 10 отделена лабиринтным уплотнением 16, а полость 12 - щелевым зазором 17. Питающий коллектор 9 через входной коллектор 18 системы охлаждения сопловых лопаток 19 и теплообменник 20, установленный во втором контуре 21 двигателя, соединен с думисной полостью 2 компрессора высокого давления 1. Питающий коллектор 9 отделен от внутренних полостей 22 охлаждаемых сопловых лопаток 19 стенкой 23 и соединен с входным коллектором 18 системы охлаждения сопловых лопаток 19 транзитными трубками 24, установленными во внутренних полостях 22 сопловых лопаток 19 с зазором относительно их стенок 25, при этом транзитные трубки 24 снабжены калиброванными участками 26 на их входе. Для сопловых аппаратов 7, состоящих из блоков 27 сопловых лопаток 19, в каждом блоке выполнена одна транзитная трубка 24, размещенная в средней лопатке 19. Между стенкой 25 сопловых лопаток 19 и транзитной трубкой 24 могут быть размещены дефлекторы 28 с перфорационными отверстиями 29 для охлаждения стенок 25 сопловых лопаток 19. Думисная полость 2 соединена с входным коллектором 18 системы охлаждения сопловых лопаток 19 воздуховодом 30.

Двигатель работает следующим образом.

Воздух от компрессора 1 через лабиринтное уплотнение 3 поступает в думисную полость 2, откуда через стойки камеры сгорания 4 по воздуховоду 30 через теплообменник 20, установленный во втором контуре 21 двигателя во входной коллектор 18 системы охлаждения сопловых лопаток 19. Из входного коллектора 20 воздушный поток разветвляется на два направления: одно - через внутренние полости 22 охлаждаемых сопловых лопаток 19 охлаждаемого соплового аппарата 7 и выходит через заднюю кромку лопатки 19 в проточную часть 15 турбин 5 и 6, а второе - через калиброванные входы 26 транзитных трубок 24 в питающий коллектор 9 канала охлаждения междисковой полости 8 и из нее в полость 10 для охлаждения центральной зоны диска 11 турбины высокого давления 5 и далее через лабиринтное уплотнение 14 в полость 12 для охлаждения центральной части диска 11 турбины высокого давления 5 и диска 13 турбины низкого давления 6 и через щелевой зазор 17 вытекает в проточную часть турбины 15, омывая и охлаждая боковые поверхности дисков 11 и 13. Охлаждающий воздух, вытекающий через лабиринтное уплотнение 16 из полости 10 в проточную часть турбины 15, омывает периферийную зону диска 11 турбины высокого давления 5, охлаждая эту часть диска.

Для сопловых аппаратов 7, состоящих из блоков 27 по три сопловых лопатки 19 в каждом блоке, воздух в полости 10 и 12 каждого блока 27 поступает только через одну транзитную трубку 24, размещенную в средней лопатке 19 блока 27.

Для соплового аппарата 7, в сопловых лопатках 19 которого размещены дефлекторы 28, охлаждающий воздух из внутренних полостей 22 поступает через перфорационные отверстия 29 на стенки 25, а далее вытекает через выходные кромки в проточную часть турбин 15.

Транспортировка охлаждающего воздуха в междисковую полость через транзитные трубки значительно уменьшает поверхность соприкосновения этого охлаждающего воздуха со стенками лопатки, в результате чего уменьшается его подогрев, снижается его температура, а так как этот воздух омывает поверхность конструкции междисковой полости, включая диски турбин, то через это снижается температура и собственно дисков. Дополнительное снижение подогрева охлаждающего воздуха в транзитных трубках происходит за счет снижения контактной поверхности теплоподвода от стенки лопаток к транзитной трубке, когда последние размещены только в средних лопатках сопловых блоков.

Следующее снижение температуры дисков происходит, когда транзитная трубка размещена внутри дефлектора с перфорационными отверстиями, так как в этом случае снижается подогрев воздуха, находящегося внутри дефлектора, за счет того, что между стенкой лопатки и дефлектором существует зазор, через который циркулирует охлаждающий воздух.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить подогрев воздуха, поступающего в междисковую полость, снизить температуру охлаждающего воздуха, поступающего к конструкции турбин и, в частности, температуру дисков со стороны междисковой полости.

Газотурбинный двигатель содержит компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбины высокого и низкого давлений с охлаждаемым сопловым аппаратом турбины низкого давления и каналом охлаждения междисковой полости с питающим коллектором на входе. Канал охлаждения междисковой полости отделен от проточной части турбины лабиринтным уплотнением и щелевым зазором. Питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости через входной коллектор системы охлаждения сопловых лопаток турбины низкого давления и теплообменник, установленный во втором контуре двигателя, соединен с думисной полостью компрессора. Питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости отделен от внутренних полостей охлаждаемых сопловых лопаток, а его соединение с входным коллектором системы охлаждения сопловых лопаток выполнено с помощью транзитных трубок, установленных во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок. Транзитные трубки снабжены калиброванными участками. Изобретение позволяет уменьшить температуру охлаждающего воздуха, поступающего в междисковую полость для охлаждения боковых поверхностей дисков турбин. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбины высокого и низкого давлений с охлаждаемым сопловым аппаратом турбины низкого давления и каналом охлаждения междисковой полости с питающим коллектором на входе, причем канал охлаждения междисковой полости отделен от проточной части турбины лабиринтным уплотнением и щелевым зазором, а питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости через входной коллектор системы охлаждения сопловых лопаток турбины низкого давления и теплообменник, установленный во втором контуре двигателя, соединен с думисной полостью компрессора, отличающийся тем, что питающий коллектор канала охлаждения междисковой полости отделен от внутренних полостей охлаждаемых сопловых лопаток, а его соединение с входным коллектором системы охлаждения сопловых лопаток выполнено с помощью транзитных трубок, установленных во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок, при этом транзитные трубки снабжены калиброванными участками.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что канал охлаждения междисковой полости выполнен в виде последовательно расположенных полости охлаждения центральной части диска турбины высокого давления и полости охлаждения корневой части диска турбины высокого давления и диска турбины низкого давлений, отделенных друг от друга лабиринтным уплотнением.

3. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что для сопловых аппаратов, состоящих из блоков сопловых лопаток, в каждом блоке сопловых лопаток выполнена одна транзитная трубка, размещенная в средней лопатке.

4. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что между стенкой лопаток и транзитной трубкой размещены дефлекторы с перфорационными отверстиями для охлаждения стенок лопаток.