ОХЛАЖДАЕМАЯ ТУРБИНА Российский патент 2014 года по МПК F01D5/18 F02C7/16 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к охлаждению турбин авиационных газотурбинных двигателей.

Известна охлаждаемая турбина, содержащая рабочее колесо с установленными на нем рабочими лопатками с двумя контурами охлаждения, последовательно соединенными с воздушными каналами в рабочем колесе, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами, образованными на поверхности рабочего колеса, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки и транзитными воздуховодами на их входе, сопловые лопатки, каждая из которых выполнена в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками, и пространства между ними, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке сопловой лопатки с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с воздушным коллектором и раздаточной полостью, транзитные воздуховоды.

RU №2387846, МПК F01D 5/18, Опубликовано 27.04.2010 г.

Недостатком такой охлаждаемой турбины является то, что, во-первых, транзит охлаждающего воздуха, подаваемого к рабочей лопатке турбины, не изолирован от воздействия горячего воздуха проточной части турбины, что при потребной для охлаждения рабочей лопатки турбины температуре охлаждающего воздуха требует дополнительного снижения температуры этого воздуха в теплообменнике, во-вторых, охлаждение пера сопловой лопатки и транзит охлаждающего воздуха к рабочей лопатке турбины осуществляется совместно от одного источника охлаждающего воздуха, что исключает возможность использования автономного источника охлаждающего воздуха или использование воздуха, отбираемого от более низкой ступени компрессора, для охлаждения пера сопловой лопатки турбины, что приводит к ухудшению экономичности двигателя в целом.

Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения и экономичности турбины.

Ожидаемый технический результат - улучшение экономичности турбины за счет понижения температуры газа перед турбиной и обеспечения оптимального расхода и температуры охлаждающего воздуха, подаваемого для охлаждения пера сопловой лопатки турбины.

Технический результат достигается тем, что охлаждаемую турбину, содержащую рабочее колесо с установленными на нем рабочими лопатками с двумя контурами охлаждения, последовательно соединенными с воздушными каналами в рабочем колесе, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами, образованными на поверхности рабочего колеса, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки и транзитными воздуховодами на их входе, сопловые лопатки, каждая из которых выполнена в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками, и пространства между ними, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке сопловой лопатки - с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с воздушным коллектором и раздаточной полостью, транзитные воздуховоды по предложению, снабжают раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха, охлаждающим дефлектором и двумя транзитными дефлекторами, установленными в раздаточной полости вдоль ее оси с зазором относительно друг друга и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов, охлаждающий дефлектор выполнен с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, установлен в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки и направлен стенками с перфорационными отверстиями в направлении вогнутой и выпуклой стенок пера сопловой лопатки, в верхней и нижней полках сопловой лопатки выполнены воздуховоды, соединенные на выходе с проточной частью турбины, раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха соединен с источником воздуха, с входом воздуховода верхней полки и с входом охлаждающего дефлектора, а вход воздуховода в нижней полке соединен с выходом охлаждающего дефлектора, при этом воздушный коллектор соединен с входом транзитных дефлекторов, а транзитные воздуховоды - с выходом транзитных дефлекторов и сопловыми аппаратами закрутки, соединенными с кольцевыми диффузорными каналами, причем раздаточная полость соединена с проточной частью турбины. Кроме того, возможно что:

а) раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха соединен, по меньшей мере, с одной из ступеней компрессора;

б) охлаждающая турбина дополнительно снабжена автономным источником воздуха, соединенным с раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха;

в) в зазоре между охлаждающим и транзитными дефлекторами выполнены направляющие элементы;

г) в охлаждающих каналах выполнены центрирующие элементы;

д) в стенках транзитных дефлекторов выполнены перфорационные отверстия;

е) на вогнутой и/или выпуклой стенках раздаточной полости выполнены перфорационные отверстия.

Снабжение охлаждаемой турбины раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха и охлаждающим дефлектором, выполненным с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, позволяет дополнительно охладить сопловую лопатку воздухом другого термодинамического уровня (по температуре и давлению), что приводит к понижению температуры газа перед турбиной и улучшает экономичность двигателя в целом.

Снабжение охлаждаемой турбины охлаждающим дефлектором и двумя транзитными дефлекторами и установка их в раздаточной полости вдоль ее оси с зазором относительно друг друга и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов позволяет охлаждающему воздуху омывать внутренние поверхности пера сопловой лопатки, при этом, с одной стороны, создавая более эффективное охлаждение пера самой лопатки, а с другой стороны, изолируя транзитные дефлекторы от горячего воздуха проточной части, тем самым уменьшая подогрев охлаждающего воздуха, проходящего через транзитные дефлекторы, что улучшает охлаждение рабочих лопаток турбины.

Установка охлаждающего дефлектора в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки и направление его стенками с перфорационными отверстиями в направлении вогнутой и выпуклой стенок пера сопловой лопатки позволяет задействовать наибольшую длину охлаждающего канала для прохождения охлаждающего воздуха, тем самым увеличивая эффективность охлаждения внутренних полостей пера сопловой лопатки.

Выполнение в верхней и нижней полках сопловой лопатки воздуховодов, соединенных на выходе с проточной частью турбины, а также соединение входа воздуховода верхней полки с раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха, а входа воздуховода в нижней полке с выходом охлаждающего дефлектора позволяет дополнительно улучшить охлаждение верхней и нижней полок за счет использования воздуха другого термодинамического уровня и обеспечения максимального перепада давлений на верхней и нижней полках.

Соединение раздаточного коллектора для охлаждающего воздуха с источником воздуха или с одной из ступеней компрессора позволяет обеспечить различную температуру и давление охлаждающего воздуха, а выбор в качестве источника воздуха автономного источника воздуха обеспечивает более комфортные условия по параметрам подаваемого охлаждающего воздуха, в частности существенно снижает температуру последнего.

Соединение воздушного коллектора с входом транзитных дефлекторов, а транзитных воздуховодов с выходом транзитных дефлекторов и сопловыми аппаратами закрутки, соединенными с кольцевыми диффузорными каналами, позволяет транспортировать к рабочей лопатке турбины более холодный воздух из теплообменника.

Соединение раздаточной полости с проточной частью турбины обеспечивает максимальный перепад давлений в охлаждаемых каналах, что приводит к повышению эффективности охлаждения внутренних полостей пера сопловой лопатки.

Выполнение в зазоре между охлаждающим и транзитными дефлекторами направляющих элементов обеспечивает фиксацию и облегчает установку охлаждающего и транзитных дефлекторов в раздаточной полости.

Выполнение в охлаждающих каналах центрирующих элементов позволяет обеспечить гарантированный зазор и облегчает установку охлаждающего и транзитных дефлекторов в раздаточной полости при сборке сопловой лопатки.

Выполнение в стенках транзитных дефлекторов перфорационных отверстий улучшает эффективность охлаждения пера сопловой лопатки и ликвидацию мест перегрева элементов пера сопловой лопатки.

Выполнение на вогнутой и/или выпуклой стенках пера сопловой лопатки перфорационных отверстий обеспечивает снижение температуры лопатки в зонах перегрева за счет образования завесы охлаждающего воздуха.

На фиг.1 - продольный разрез охлаждаемой турбины;

на фиг.2 - поперечное сечение сопловой лопатки;

на фиг.3 - сечение А-А по сопловой лопатке;

на фиг.4 - сечение Б-Б по сопловой лопатке;

на фиг.5 - поперечное сечение сопловой лопатки с направляющими элементами и с перфорированными транзитными дефлекторами.

Охлаждаемая турбина содержит рабочее колесо 1 с установленными на нем рабочими лопатками 2 с двумя контурами охлаждения 3, последовательно соединенными с воздушными каналами 4 в рабочем колесе 1, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами 5, образованными на поверхности рабочего колеса 1, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки 6 и транзитными воздуховодами 7 на их входе.

Каждая из сопловых лопаток 8 выполнена в виде конструктивного элемента 9, ограниченного верхней 10 и нижней 11 полками, и пространства 12 между ними, ограниченного вогнутой 13 и выпуклой 14 стенками пера сопловой лопатки 8, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки 15 и раздаточной полости 16.

Раздаточный коллектор входной кромки 15 соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания 17, а на выходе через перфорационные отверстия 18 во входной кромке 19 сопловой лопатки 8 - с проточной частью турбины 20.

Теплообменник 21 соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания 17, а на выходе последовательно сообщен с воздушным коллектором 22 и раздаточной полостью 16.

Охлаждаемая турбина снабжена раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха 23, охлаждающим дефлектором 24 и двумя транзитными дефлекторами 25, установленными в раздаточной полости 16 вдоль ее оси с зазором 26 относительно друг друга и с зазором между вогнутой 13 и выпуклой 14 стенками пера сопловой лопатки 8 с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов 27.

Охлаждающий дефлектор 24 выполнен с перфорационными отверстиями 28 на двух его противоположных стенках, установлен в раздаточной полости 16 на стенке 29 раздаточного коллектора входной кромки 15 и направлен стенками с перфорационными отверстиями 28 в направлении вогнутой 13 и выпуклой 14 стенок пера сопловой лопатки 8.

В верхней 10 и нижней 11 полках сопловой лопатки 8 выполнены воздуховоды 30 и 31, соединенные на выходе с проточной частью турбины 20.

Раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха 23 соединен с источником воздуха 32, с входом воздуховода 30 верхней полки 10 и с входом охлаждающего дефлектора 24, а вход воздуховода 31 в нижней полке 11 соединен с выходом охлаждающего дефлектора 24, при этом воздушный коллектор 22 соединен с входом транзитных дефлекторов 25, а транзитные воздуховоды 7 - с выходом транзитных дефлекторов 25 и сопловыми аппаратами закрутки 6, соединенными с независимыми кольцевыми диффузорными каналами 5.

Раздаточная полость 16 соединена с проточной частью турбины 20. Для охлаждаемой турбины возможны варианты, когда:

1. В зазоре 26 между охлаждающим 24 и транзитными дефлекторами 25 выполнены направляющие элементы 33, а в охлаждающих каналах 27 выполнены центрирующие элементы 34;

2. В стенках транзитных дефлекторов 25 выполнены перфорационные отверстия 35, а на вогнутой 13 и выпуклой 14 стенках раздаточной полости 16 выполнены перфорационные отверстия 36.

Охлаждение турбины осуществляется следующим образом: воздух из раздаточного коллектора для охлаждающего воздуха 23 поступает, в первую очередь, в воздуховод 30 верхней полки 10 и далее в проточную часть турбины 20, обеспечивая максимальный перепад давлений на верхней полке и тем самым улучшая эффективность ее охлаждения, во вторую очередь, поступает в охлаждающий дефлектор 24, расположенный в раздаточной полости 16, где он, с одной стороны, через перфорационные отверстия 28 на двух его противоположных стенках поступает в охлаждающие каналы 27, где происходит охлаждение внутренних поверхностей пера сопловой лопатки 8 и изолирование этим воздухом стенок транзитных дефлекторов 25, далее этот воздух выдувается в проточную часть турбины 20, что обеспечивает максимальный перепад давления и улучшение эффективности охлаждения внутренних полостей пера сопловой лопатки, с другой стороны, транспортируется в воздуховод 31 нижней полки 11 и далее в проточную часть турбины 20, что также обеспечивает максимальный перепад давлений и улучшение охлаждения нижней полки.

Воздух из воздушной камеры сгорания 17 поступает, с одной стороны, в раздаточный коллектор входной кромки 15, где через перфорационные отверстия 18 во входной кромке 19 сопловой лопатки 8 выдувается в проточную часть турбины 20, а с другой стороны, поступает в теплообменник 21, где он охлаждается и поступает в воздушный коллектор 22, откуда, в свою очередь, через транзитные дефлекторы 25 в раздаточной полости 16, транзитные воздуховоды 7, сопловые аппараты закрутки 6 и независимые кольцевые диффузорные каналы 5 транспортируется в воздушные каналы 4 рабочего колеса 1 и распределяется в два контура охлаждения 3, обеспечивая требуемое температурное состояние рабочей лопатки 2 за счет использования более холодного воздуха, проходящего через теплообменник 21, и за счет меньшего подогрева охлаждающего воздуха, проходящего через транзитные дефлекторы 25.

Таким образом, изобретение позволяет улучшить эффективность охлаждения, с одной стороны, пера сопловой лопатки за счет прохождения охлаждающего воздуха по максимальной длине охлаждающих каналов внутри сопловой лопатки, используя максимальный перепад давления в тракте, с другой стороны, рабочей лопатки турбины за счет снижения температуры охлаждающего воздуха при его транспортировке через транзитные дефлекторы к сопловым аппаратам закрутки. Дополнительным эффектом является использование для обоих контуров охлаждения рабочей лопатки воздуха, проходящего через теплообменник.

Применение изобретения позволяет увеличить ресурс и надежность двигателя, улучшить экономичность турбины за счет охлаждения сопловой лопатки турбины воздухом другого термодинамического уровня (по температуре и давлению), что приводит к понижению температуры газа перед турбиной и обеспечивает оптимальный расход и температуру охлаждающего воздуха, подаваемого для охлаждения пера сопловой лопатки турбины.

Охлаждаемая турбина содержит рабочее колесо с установленными на нем рабочими лопатками с двумя контурами охлаждения, последовательно соединенными с воздушными каналами в рабочем колесе, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами, образованными на поверхности рабочего колеса, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки и транзитными воздуховодами на их входе, сопловые лопатки, теплообменник, транзитные воздуховоды. Каждая сопловая лопатка выполнена в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками, и пространства между ними, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости. Раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке сопловой лопатки - с проточной частью турбины. Теплообменник соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщен с воздушным коллектором и раздаточной полостью. Охлаждаемая турбина снабжена раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха, охлаждающим дефлектором и двумя транзитными дефлекторами, установленными в раздаточной полости вдоль ее оси с зазором относительно друг друга и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов. Охлаждающий дефлектор выполнен с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, установлен в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки и направлен стенками с перфорационными отверстиями в направлении вогнутой и выпуклой стенок пера сопловой лопатки. В верхней и нижней полках сопловой лопатки выполнены воздуховоды, соединенные на выходе с проточной частью турбины. Раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха соединен с источником воздуха, с входом воздуховода верхней полки и с входом охлаждающего дефлектора. Вход воздуховода в нижней полке соединен с выходом охлаждающего дефлектора. Воздушный коллектор соединен с входом транзитных дефлекторов, а транзитные воздуховоды - с выходом транзитных дефлекторов и сопловыми аппаратами закрутки, соединенными с кольцевыми диффузорными каналами. Раздаточная полость соединена с проточной частью турбины. Изобретение позволяет увеличить ресурс и надежность двигателя, улучшить экономичность турбины за счет охлаждения сопловой лопатки турбины воздухом другого термодинамического уровня (по температуре и давлению), что приводит к понижению температуры газа перед турбиной и обеспечивает оптимальный расход и температуру охлаждающего воздуха, подаваемого для охлаждения пера сопловой лопатки турбины. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Охлаждаемая турбина, содержащая рабочее колесо с установленными на нем рабочими лопатками с двумя контурами охлаждения, последовательно соединенными с воздушными каналами в рабочем колесе, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами, образованными на поверхности рабочего колеса, соединенными с сопловыми аппаратами закрутки и транзитными воздуховодами на их входе, сопловые лопатки, каждая из которых выполнена в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками, и пространства между ними, ограниченного вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке сопловой лопатки - с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с воздушным коллектором и раздаточной полостью, транзитные воздуховоды, отличающаяся тем, что она снабжена раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха, охлаждающим дефлектором и двумя транзитными дефлекторами, установленными в раздаточной полости вдоль ее оси с зазором относительно друг друга и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера сопловой лопатки с образованием вдоль стенок охлаждающих каналов, охлаждающий дефлектор выполнен с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, установлен в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки и направлен стенками с перфорационными отверстиями в направлении вогнутой и выпуклой стенок пера сопловой лопатки, в верхней и нижней полках сопловой лопатки выполнены воздуховоды, соединенные на выходе с проточной частью турбины, раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха соединен с источником воздуха, с входом воздуховода верхней полки и с входом охлаждающего дефлектора, а вход воздуховода в нижней полке соединен с выходом охлаждающего дефлектора, при этом воздушный коллектор соединен с входом транзитных дефлекторов, а транзитные воздуховоды - с выходом транзитных дефлекторов и сопловыми аппаратами закрутки, соединенными с кольцевыми диффузорными каналами, причем раздаточная полость соединена с проточной частью турбины.

2. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха соединен, по меньшей мере, с одной из ступеней компрессора.

3. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена автономным источником воздуха, соединенным с раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха.

4. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что в зазоре между охлаждающим и транзитными дефлекторами выполнены направляющие элементы.

5. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что в охлаждающих каналах выполнены центрирующие элементы.

6. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что в стенках транзитных дефлекторов выполнены перфорационные отверстия.

7. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что на вогнутой и/или выпуклой стенках раздаточной полости выполнены перфорационные отверстия.