ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F02C7/12 F01D3/02 

Изобретение относится к системе охлаждения газотурбинного двигателя (ГТД), а именно к охлаждению междисковой полости турбины воздухом, отбираемым из компрессора.

Известен двухконтурный ГТД, содержащий компрессор высокого давления, думисная полость которого соединена через канал, проходящий через внутренние полости лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, кольцевой питающий коллектор, межлабиринтную полость, примыкающую к боковой поверхности периферийной части диска турбины высокого давления, отделенную от проточной части турбины лабиринтным уплотнением, с междисковой полостью, отделенной от межлабиринтной полости лабиринтным уплотнением и сообщенную с проточной частью турбины через полость щелевого протока в районе периферийной части диска турбины низкого давления (см. патент РФ №2200859, МПК F02C 7/12, опубл. 2003 г.).

К большим достоинствам такого двигателя следует отнести утилизацию думисного воздуха и использование его для охлаждения междисковой полости турбины, в результате чего охлаждающий воздух охлаждает боковые поверхности дисков турбины высокого и низкого давлений и не выбрасывается в атмосферу, а вытекает в проточную часть турбины, повышая КПД двигателя.

Однако выпуск охлаждающего воздуха из думисной полости в междисковую полость нарушает баланс осевых сил, действующих на роторы турбины высокого и низкого давлений, что ведет к изменению сил, действующих на радиально-упорные подшипники и, следовательно, к уменьшению ресурса их работы и более частой их замене, которая невозможна без разборки двигателя. Чтобы привести осевые силы, действующие на роторы турбины высокого и низкого давлений, в норму, приходится изменять диаметры лабиринтных уплотнений на роторах турбины, что является серьезной переделкой конструкции, так как часть лабиринтов сделана заодно с дисками. Такие переделки возможны как при начале серийного производства и доводке технологии производства двигателя, так и при разработке различных модификаций этого двигателя.

Задача изобретения не просто скомпенсировать влияние подачи думисного воздуха, подаваемого в междисковую полость турбины, на величины осевых сил, действующих на роторы турбин, а значит и на радиально-упорные подшипники опор двигателя, но и обеспечить возможность изменения и регулировки этих сил, что особенно актуально при доводке двигателя и при работе над модификациями двигателя, отличающимися друг от друга своими параметрами, например тягой.

Указанная задача достигается тем, что в двухконтурном ГТД, содержащем компрессор высокого давления, думисная полость которого соединена через канал, проходящий через внутренние полости лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, кольцевой питающий коллектор, межлабиринтную полость, примыкающую к боковой поверхности периферийной части диска турбины высокого давления, отделенную от проточной части турбины лабиринтным уплотнением, с междисковой полостью, отделенной от межлабиринтной полости лабиринтным уплотнением и сообщенную с проточной частью турбины через полость щелевого протока в районе периферийной части диска турбины низкого давления, в нем междисковая полость разделена на разгрузочную полость турбины высокого давления, разгрузочную полость турбины низкого давления, отделенные друг от друга стенкой, закрепленной по наружному диаметру на сопловом аппарате турбины низкого давления и лабиринтным уплотнением со стороны внутреннего диаметра стенки и полость щелевого протока, отделенную от разгрузочной полости турбины низкого давления лабиринтным уплотнением. При этом разгрузочная полость турбины высокого давления соединена с полостью щелевого протока транзитными трубками, а разгрузочная полость турбины низкого давления сообщена с кольцевым питающим коллектором каналами.

Кроме того, возможно, что:

- концы транзитных трубок жестко закреплены на стенке, отделяющей разгрузочные полости турбины высокого и низкого давлений, и на внутреннем корпусе соплового аппарата с помощью сварки или пайки;

- транзитные трубки выполнены изогнутыми;

- транзитные трубки снабжены калиброванными участками;

- калиброванные участки транзитных трубок размещены со стороны полости щелевого протока и выполнены в виде съемных жиклеров;

- часть транзитных трубок со стороны полости щелевого протока снабжена съемными заглушками;

- каналы, соединяющие разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, снабжены калиброванными участками;

- калиброванные участки каналов, соединяющих разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, выполнены в виде съемных жиклеров;

- часть каналов, соединяющих разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, снабжена заглушками.

Разделение междисковой полости на разгрузочную полость турбины высокого давления, разгрузочную полость турбины низкого давления и полость щелевого протока, отделенную от разгрузочной полости турбины низкого давления лабиринтным уплотнением, позволяет получить три изолированные друг от друга полости, давления воздуха в которых воздействуют на боковые поверхности дисков турбины как высокого, так и низкого давлений, что дает возможность иметь в этих полостях разные давления воздуха, а значит и по разному воздействовать на диски турбин высокого и низкого давлений. В результате появляется возможность воздействовать на оба ротора турбины разными осевыми нагрузками.

Соединение разгрузочной полости турбины высокого давления с полостью щелевого протока транзитными трубками позволяет изменять давление в ней практически от относительно высокого давления межлабиринтной полости (с поправкой на перепад давлений на лабиринтном уплотнении) до относительно низкого давления полости щелевого протока, варируя площадью проходного сечения транзитных трубок.

Жесткое закрепление концов трубок на стенке, отделяющей разгрузочные полости турбины высокого и низкого давлений, и на внутреннем корпусе соплового аппарата с помощью сварки или пайки, позволяет транзитным трубкам помимо своей прямой функции выполнять еще и силовую функцию, подкрепляя в силовом отношении стенку, разделяющую разгрузочные полости турбин высокого и низкого давлений.

Соединение разгрузочной полости турбины низкого давления с кольцевым питающим коллектором каналами позволяет изменять давление в разгрузочной полости турбины низкого давления, практически, от относительно высокого давления в полости кольцевого питающего коллектора до относительно низкого давления полости щелевого протока (с поправкой на перепад давления на лабиринтном уплотнении), варируя площадью каналов.

Выполнение транзитных трубок изогнутыми позволяет менять их жесткость и податливость вдоль продольной оси двигателя.

Выполнение на транзитных трубках калиброванных участков позволяет четко менять площадь проходного сечения трубок, что, в свою очередь, позволяет регулировать давление в разгрузочной полости турбины высокого давления.

Выполнение калиброванных участков транзитных трубок со стороны полости щелевого протока в виде съемных жиклеров позволяет выполнять нужную регулировку давления в разгрузочной полости турбины высокого давления без разборки соплового аппарата турбины низкого давления.

Выполнение части транзитных трубок со стороны полости щелевого протока со съемными заглушками позволяет выполнять еще более глубокую регулировку давления в разгрузочной полости турбины высокого давления без разборки соплового аппарата турбины низкого давления.

Снабжение каналов, соединяющих разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, калиброванными участками позволяет достаточно точно регулировать давление в разгрузочной полости турбины низкого давления.

Выполнение калиброванных участков каналов, соединяющих разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, в виде съемных жиклеров позволяет выполнять нужную регулировку давления в разгрузочной полости турбины низкого давления без разборки соплового аппарата турбины низкого давления.

Снабжение части каналов, соединяющих разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, заглушками позволяет выполнять еще более глубокую регулировку давления в разгрузочной полости турбины низкого давления без разборки соплового аппарата турбины низкого давления.

На фиг.1 показан продольный разрез двухконтурного ГТД.

На фиг.2 показан продольный разрез турбины ГТД.

На фиг 3 показан продольный разрез турбины ГТД с заглушками на транзитных трубках.

На фиг.4 показан продольный разрез турбины ГТД с калиброванными участками на транзитных трубках.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит компрессор высокого давления 1, думисная полость 2 которого соединена через канал 3, проходящий через теплообменник 4 внутренние полости 5 лопаток 6 соплового аппарата 7 турбины низкого давления 8, кольцевой питающий коллектор 9, межлабиринтную полость 10, примыкающую к боковой поверхности 11 периферийной части диска 12 турбины высокого давления 13, отделенную от проточной части турбины 14 лабиринтным уплотнением 15, с междисковой полостью 16, отделенной от межлабиринтной полости 10 лабиринтным уплотнением 17 и сообщенную с проточной частью турбины 14 через полость щелевого протока 18 в районе периферийной части диска 19 турбины низкого давления 8. Междисковая полость 16 разделена на разгрузочную полость 20 турбины высокого давления 13, разгрузочную полость 21 турбины низкого давления 8, отделенные друг от друга стенкой 22, закрепленной по наружному диаметру на сопловом аппарате 7 турбины низкого давления 8 и лабиринтным уплотнением 23 со стороны внутреннего диаметра стенки 22 и полость щелевого протока 18, отделенную от разгрузочной полости 21 турбины низкого давления 8 лабиринтным уплотнением 24, при этом разгрузочная полость 20 турбины высокого давления 13 соединена с полостью щелевого протока 18 транзитными трубками 25, а разгрузочная полость 21 турбины низкого давления 8 сообщена с кольцевым питающим коллектором 9 каналами 26.

Транзитные трубки 25 выполнены изогнутыми, их концы жестко закреплены на стенке 22, отделяющей разгрузочные полости 20 и 21, и на внутреннем корпусе 27 соплового аппарата 7 с помощью сварки или пайки и снабжены калиброванными участками 28 со стороны полости щелевого протока 18 и которые могут быть съемными. Часть транзитных трубок 25 со стороны полости щелевого протока 18 может быть снабжена съемными заглушками 29. Каналы 26, соединяющие разгрузочную полость 21 турбины низкого давления 8 с питающим коллектором 9, снабжены калиброванными участками 30. Часть каналов 26 может быть снабжена заглушками 31.

Теплообменник 4 установлен во втором контуре 32 газотурбинного двигателя. Междисковая полость 16 ограничена со стороны внутреннего диаметра лабиринтным уплотнением 33, установленным между роторами турбин высокого 13 и низкого 8 давлений. Думисная полость 2 отделена от проточной части компрессора высокого давления 34 лабиринтным уплотнением 35. В двигателе между компрессором высокого давления 1 и турбиной высокого давления 13 размещена камера сгорания 36. Лабиринтное уплотнением 33 отделяет внутренние полости 37 турбины от междисковой полости 16. Калиброванные участки 30 и 28 могут быть выполнены в виде съемных жиклеров 38 и 39.

Устройство работает следующим образом.

Воздух из думисной полости 2 компрессора высокого давления 1 через канал 3, проходящий через воздухо-воздушный теплообменник 4, внутренние полости 5 лопаток 6 соплового аппарата 7, поступает в кольцевой питающий коллектор 9, из которого, с одной стороны, поступает в межлабиринтную полость 10, откуда направляется через лабиринтное уплотнение 15 в проточную часть турбины 14, и одновременно через лабиринтное уплотнение 17 поступает в разгрузочную полость 20 турбины высокого давления 13, из которой через транзитные трубки 25 с калиброванными участками 28 выходит в полость щелевого протока 18 и потом в проточную часть турбины 14.

С другой стороны, воздух из питающего кольцевого коллектора 9 через каналы 26 поступает в разгрузочную полость 21 турбины низкого давления 8, и из нее выходит через лабиринтное уплотнение 24 в полость щелевого протока 18, а остальная часть через лабиринтное уплотнение 23 направляется в разгрузочную полость 20 турбины высокого давления 13, и вместе с воздухом, поступившим через лабиринтное уплотнение 17, эвакуируется через транзитные трубки 25 в полость щелевого протока 18 и далее в проточную часть турбины 14.

Калиброванные участки 28 и 30 позволяют регулировать проходные площади воздушных каналов и, таким образом, изменять уровень давлений в разгрузочных полостях 20 и 21.

При уменьшении площади калиброванных участков 28 вплоть до полного перекрытия повышается давление в разгрузочной полости 20 турбины высокого давления 13, и тем самым уменьшается осевая нагрузка турбины высокого давления 13 и увеличивается осевая нагрузка на радиально-упорный подшипник ротора высокого давления двигателя.

При уменьшении площади калиброванных участков 30 до малого расхода через лабиринтное уплотнение 24, сконструированное из условия недопущения обратного подтекания газовоздушной смеси из полости щелевого протока 18 в разгрузочную полость 21 турбины низкого давления 8, осевая нагрузка турбины низкого давления 8 уменьшается, а нагрузка на радиально-упорный подшипник ротора низкого давления двигателя возрастает.

Наличие двух автономных разгрузочных полостей турбин, разделенных стенкой 22 и двух автономных калиброванных участков 28 и 30, позволяет изменять уровень осевых нагрузок роторов двигателя одновременно или порознь и в широком диапазоне по величине.

Это обстоятельство позволяет при разработке и доводке двигателя, не изменяя конструктивного и схемного облика двигателя, на этапе доводки двигателя по осевым нагрузкам, скорректировать эти нагрузки под необходимую долговечность и ресурс машины. Это значительно сокращает стоимость и сроки доводки двигателя.

С помощью съемных жиклеров 38 и 39, а также съемных заглушек 31 и 29 регулирование осевой нагрузки на ротора турбин 8 и 13 может осуществляться плавно.

При реализации изобретения возможен смешанный вариант, когда одновременно на части воздуховодов размещаются съемные заглушки, а на другой части - съемные жиклеры.

Установка только съемных заглушек значительно сокращает процесс доводки по осевой нагрузке, но чреват скачкообразным изменением осевой нагрузки - что не всегда приемлемо.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит компрессор высокого давления, кольцевой питающий коллектор, межлабиринтную полость, примыкающую к боковой поверхности периферийной части диска турбины высокого давления, отделенную от проточной части турбины лабиринтным уплотнением, с междисковой полостью, отделенной от межлабиринтной полости лабиринтным уплотнением и сообщенную с проточной частью турбины через полость щелевого протока в районе периферийной части диска турбины низкого давления. Думисная полость компрессора соединена через канал, проходящий через внутренние полости лопаток соплового аппарата турбины низкого давления. Междисковая полость разделена на разгрузочную полость турбины высокого давления, разгрузочную полость турбины низкого давления, отделенные друг от друга стенкой, закрепленной по наружному диаметру на сопловом аппарате турбины низкого давления и лабиринтным уплотнением со стороны внутреннего диаметра стенки и полость щелевого протока, отделенную от разгрузочной полости турбины низкого давления лабиринтным уплотнением. Разгрузочная полость турбины высокого давления соединена с полостью щелевого протока транзитными трубками. Разгрузочная полость турбины низкого давления сообщена с кольцевым питающим коллектором каналами. Изобретение обеспечивает изменение и регулировку осевых сил, действующих на роторы турбин. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор высокого давления, думисная полость которого соединена через канал, проходящий через внутренние полости лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, кольцевой питающий коллектор, межлабиринтную полость, примыкающую к боковой поверхности периферийной части диска турбины высокого давления, отделенную от проточной части турбины лабиринтным уплотнением, с междисковой полостью, отделенной от межлабиринтной полости лабиринтным уплотнением и сообщенную с проточной частью турбины через полость щелевого протока в районе периферийной части диска турбины низкого давления, отличающийся тем, что междисковая полость разделена на разгрузочную полость турбины высокого давления, разгрузочную полость турбины низкого давления, отделенные друг от друга стенкой, закрепленной по наружному диаметру на сопловом аппарате турбины низкого давления и лабиринтным уплотнением со стороны внутреннего диаметра стенки и полость щелевого протока, отделенную от разгрузочной полости турбины низкого давления лабиринтным уплотнением, при этом разгрузочная полость турбины высокого давления соединена с полостью щелевого протока транзитными трубками, а разгрузочная полость турбины низкого давления сообщена с кольцевым питающим коллектором каналами.

2. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что концы транзитных трубок жестко закреплены на стенке, отделяющей разгрузочные полости турбины высокого и низкого давлений, и на внутреннем корпусе соплового аппарата с помощью сварки или пайки,

3. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что транзитные трубки выполнены изогнутыми.

4. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что транзитные трубки снабжены калиброванными участками.

5. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что калиброванные участки транзитных трубок размещены со стороны полости щелевого протока и выполнены в виде съемных жиклеров.

6. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что часть транзитных трубок со стороны полости щелевого протока снабжена съемными заглушками.

7. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каналы, соединяющие разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, снабжены калиброванными участками.

8. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.7, отличающийся тем, что калиброванные участки каналов, соединяющих разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, выполнены в виде съемных жиклеров.

9. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что часть каналов, соединяющих разгрузочную полость турбины низкого давления с питающим коллектором, снабжены заглушками.