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 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 лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости с транзитным дефлектором, образующим вдоль внутренних поверхностей стенок пера охлаждающие каналы, сообщенные с проточной частью турбины, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке лопатки с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с транзитным дефлектором раздаточной полости, с транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины.

/ RU №2196239, МПК⁷ F02C 7/12, опубликовано 10.01.2001 г./

Недостатком такой охлаждаемой турбины является то, что транзит охлаждающего воздуха к сопловому аппарату закрутки и охлаждение пера сопловой лопатки турбины высокого давления осуществляется совместно от одного источника охлаждающего воздуха через общий дефлектор, что приводит, с одной стороны, к подогреву охлаждающего воздуха, идущего к сопловому аппарату закрутки, а с другой стороны, исключается возможность использования автономного источника охлаждающего воздуха или использование воздуха, отбираемого от более низкой ступени компрессора, для охлаждения пера сопловой лопатки турбины высокого давления, что приводит к ухудшению экономичности двигателя в целом.

Задачей изобретения является повышение эффективности и экономичности турбины.

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

Технический результат достигается тем, что известная охлаждаемая турбина, содержащая 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 лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости с транзитным дефлектором, образующим вдоль внутренних поверхностей стенок пера охлаждающие каналы, сообщенные с проточной частью турбины, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке лопатки с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с транзитным дефлектором раздаточной полости, с транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины по предложению, она снабжена раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха и охлаждающим дефлектором, выполненным с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, охлаждающий дефлектор установлен в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки с зазором относительно транзитного дефлектора и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки и стенками охлаждающего дефлектора с перфорационными отверстиями, в верхней и нижней полках 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.

Кроме того, возможно, что:

а) раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха может быть 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 транзитным дефлекторами выполнены направляющие элементы;

г) в зазоре между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки и стенками охлаждающего дефлектора и стенками транзитного дефлектора в охлаждающих каналах выполнены центрирующие элементы;

д) в стенках транзитного дефлектора 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.

Установка охлаждающего дефлектора в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки с зазором относительно транзитного дефлектора и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки и стенками охлаждающего дефлектора с перфорационными отверстиями позволяет охлаждающему воздуху омывать внутренние поверхности пера лопатки, при этом, с одной стороны, создавая более эффективное охлаждение пера самой лопатки, а с другой стороны, изолируя транзитный дефлектор от горячего воздуха проточной части, тем самым уменьшая подогрев охлаждающего воздуха, проходящего через транзитный дефлектор, что улучшает охлаждение рабочих лопаток турбины.

Выполнение в верхней и нижней полках 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 снизить температуру последнего.

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

Выполнение в зазоре между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки и стенками охлаждающего дефлектора и стенками транзитного дефлектора в охлаждающих каналах центрирующих элементов позволяет обеспечить гарантированный зазор и облегчает установку охлаждающего и транзитного дефлекторов в раздаточной полости при сборке сопловой лопатки.

Выполнение в стенках транзитного дефлектора 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 показан 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 перфорированным транзитным дефлектором.

Охлаждаемая турбина содержит сопловые лопатки 1, каждая из которых выполнена в виде конструктивного элемента 2, ограниченного верхней 3 и нижней 4 полками, и пространства 5 между ними, ограниченного вогнутой 6 и выпуклой 7 стенками пера лопатки 1, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки 8 и раздаточной полости 9 с транзитным дефлектором 10, образующим вдоль внутренних поверхностей стенок пера охлаждающие каналы 11, сообщенные с проточной частью турбины 12.

Раздаточный коллектор входной кромки 8 соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания 13, а на выходе через перфорационные отверстия 14 во входной кромке 15 лопатки 1 с проточной частью турбины 12.

Охлаждаемая турбина содержит теплообменник 16, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания 13, а на выходе последовательно сообщенный с транзитным дефлектором 10 раздаточной полости 9, с транзитным воздуховодом 17, сопловым аппаратом закрутки 18, каналами охлаждения 19 рабочего колеса 20 и рабочей лопатки 21 турбины.

Охлаждаемая турбина снабжена раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха 22 и охлаждающим дефлектором 23, выполненным с перфорационными отверстиями 24 на двух его противоположных стенках. Охлаждающий дефлектор 23 установлен в раздаточной полости 9 на стенке раздаточного коллектора входной кромки 8 с зазором 25 относительно транзитного дефлектора 10 и с зазором 26 между вогнутой 6 и выпуклой 7 стенками пера лопатки 1 и стенками охлаждающего дефлектора 23 с перфорационными отверстиями 24.

В верхней 3 и нижней 4 полках лопатки выполнены воздуховоды 27 и 28, соединенные на выходе с проточной частью турбины 12. Раздаточный коллектор для охлаждающего воздуха 22 соединен с источником воздуха 29, с входом воздуховода 27 верхней полки 3 и с входом охлаждающего дефлектора 23, а вход воздуховода 28 в нижней полке 4 соединен с выходом охлаждающего дефлектора 23.

Для охлаждаемой турбины возможны варианты, когда:

1) в зазоре 25 между охлаждающим 23 и транзитным 10 дефлекторами выполнены направляющие элементы 30, а в зазоре 26 между вогнутой 6 и выпуклой 7 стенками пера лопатки 1 и стенками охлаждающего дефлектора 23 и стенками транзитного дефлектора 10 в охлаждающих каналах 11 выполнены центрирующие элементы 31;

2) в стенках транзитного дефлектора 10 выполнены перфорационные отверстия 32, а на вогнутой 6 и выпуклой 7 стенках раздаточной полости 9 выполнены перфорационные отверстия 33.

Охлаждение турбины осуществляется следующим образом.

Воздух из воздушной камеры сгорания 13 поступает, с одной стороны, в раздаточный коллектор входной кромки 8, где через перфорационные отверстия 14 во входной кромке 15 лопатки 1 выдувается в проточную часть турбины 12, а с другой стороны, поступает в теплообменник 16, где он охлаждается и поступает в транзитный дефлектор 10 раздаточной полости 9, где он транспортируется через транзитный воздуховод 17, сопловой аппарат закрутки 18 в каналы охлаждения 19 рабочего колеса 20 и рабочей лопатки 21 турбины.

Воздух из раздаточного коллектора для охлаждающего воздуха 22 поступает, в первую очередь, в воздуховод 27 верхней полки 3 и далее в проточную часть турбины 12, обеспечивая максимальный перепад давлений на верхней полке 3 и тем самым улучшая эффективность ее охлаждения, во вторую очередь, поступает в охлаждающий дефлектор 23, расположенный в раздаточной полости 9, где он, с одной стороны, через перфорационные отверстия 24 на двух противоположных стенках охлаждающего дефлектора 23 поступает в зазор 26 между вогнутой 6 и выпуклой 7 стенками пера лопатки 1 и стенками охлаждающего дефлектора 23 и охлаждающие каналы 11, где происходит охлаждение внутренних поверхностей пера лопатки и изолирование этим воздухом стенок транзитного дефлектора 10, далее этот воздух выдувается в проточную часть турбины 12, что обеспечивает максимальный перепад давления и улучшение эффективности охлаждения внутренних полостей пера лопатки, с другой стороны, транспортируется в воздуховод 28 нижней полки 4 и далее в проточную часть турбины 12, что также обеспечивает максимальный перепад давлений и улучшение охлаждения нижней полки 4.

Таким образом, изобретение позволяет улучшить эффективность охлаждения, с одной стороны, пера сопловой лопатки за счет обеспечения максимального перепада давлений, с другой стороны, рабочего колеса и рабочей лопатки турбины за счет уменьшения подогрева охлаждающего воздуха при его транспортировки через транзитный дефлектор к сопловому аппарату закрутки и далее в каналы рабочего колеса и рабочей лопатки турбины.

Применение изобретения позволяет увеличить ресурс и надежность двигателя, улучшить экономичность турбины за счет возможности соединения раздаточного коллектора для охлаждающего воздуха с источником воздуха, или с более низкой ступенью компрессора, или с автономным источником воздуха, что обеспечивает охлаждение 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 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 лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости с транзитным дефлектором, образующим вдоль внутренних поверхностей стенок пера охлаждающие каналы, сообщенные с проточной частью турбины, теплообменник. Раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке лопатки с проточной частью турбины. Теплообменник соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщен с транзитным дефлектором раздаточной полости, с транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины. Охлаждаемая турбина снабжена раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха и охлаждающим дефлектором, выполненным с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках. Охлаждающий дефлектор установлен в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки с зазором относительно транзитного дефлектора и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки и стенками охлаждающего дефлектора с перфорационными отверстиями. В верхней и нижней полках 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. Изобретение позволяет повысить эффективность и экономичность турбины. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Охлаждаемая турбина, содержащая 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 лопатки, в виде расположенных вдоль ее оси раздаточного коллектора входной кромки и раздаточной полости с транзитным дефлектором, образующим вдоль внутренних поверхностей стенок пера охлаждающие каналы, сообщенные с проточной частью турбины, раздаточный коллектор входной кромки соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через перфорационные отверстия во входной кромке лопатки с проточной частью турбины, теплообменник, соединенный на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщенный с транзитным дефлектором раздаточной полости, с транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины, отличающаяся тем, что она снабжена раздаточным коллектором для охлаждающего воздуха и охлаждающим дефлектором, выполненным с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, охлаждающий дефлектор установлен в раздаточной полости на стенке раздаточного коллектора входной кромки с зазором относительно транзитного дефлектора и с зазором между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки и стенками охлаждающего дефлектора с перфорационными отверстиями, в верхней и нижней полках 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.

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 транзитным дефлекторами выполнены направляющие элементы.

5. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что в зазоре между вогнутой и выпуклой стенками пера лопатки и стенками охлаждающего дефлектора и стенками транзитного дефлектора в охлаждающих каналах выполнены центрирующие элементы.

6. Охлаждаемая турбина по п.1, отличающаяся тем, что в стенках транзитного дефлектора выполнены перфорированные отверстия.

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