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.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является 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 воздушным коллектором, транзитным дефлектором раздаточной полости, 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 через общий дефлектор, что, с одной стороны, приводит к подогреву охлаждающего воздуха, идущего к сопловому аппарату закрутки, а с другой стороны, к зависимости количества охлаждающего воздуха, идущего к сопловому аппарату закрутки и количества охлаждающего воздуха, отобранного на охлаждение сопловой лопатки турбины высокого давления друг от друга, снижая тем самым эффективность охлаждения как самой сопловой лопатки турбины высокого давления, так и рабочей лопатки турбины, повышая тем самым требуемый уровень расхода охлаждающего воздуха, 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 обеспечения 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 воздушным коллектором, транзитным дефлектором раздаточной полости, транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины, по предложению, снабжена 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, вход воздуховода верхней полки и вход охлаждающего дефлектора соединены с воздушным коллектором, а вход воздуховода в нижней полке соединен с выходом охлаждающего дефлектора.

Кроме того, возможно что:

а) в зазоре между охлаждающим и транзитным дефлекторами выполнены направляющие элементы;

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

в) в стенках транзитного дефлектора выполнены перфорационные отверстия;

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

Снабжение охлаждаемой турбины охлаждающим дефлектором, выполненным с перфорационными отверстиями на двух его противоположных стенках, позволяет автономно охлаждать сопловую лопатку турбины высокого давления, обеспечивая оптимальный расход охлаждающего воздуха, что улучшает экономичность двигателя.

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 воздушным коллектором, а входа воздуховода в нижней полке с выходом охлаждающего дефлектора, позволяет дополнительно улучшить охлаждение верхней и нижней полок, за счет обеспечения максимального перепада давлений на верхней и нижней полках.

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 воздушным коллектором 17, транзитным дефлектором 10 раздаточной полости 9, транзитным воздуховодом 18, сопловым аппаратом закрутки 19, каналами охлаждения 20 рабочего колеса 21 и рабочей лопатки 22 турбины.

Охлаждаемая турбина снабжена 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. Вход воздуховода 27 верхней полки 3 и вход охлаждающего дефлектора 23 соединены с воздушным коллектором 17, 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 29, 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 30;

2. В стенках транзитного дефлектора 10 выполнены перфорационные отверстия 31, а на вогнутой 6 и выпуклой 7 стенках раздаточной полости 9 выполнены перфорационные отверстия 32.

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 воздушный коллектор 17, где в первую очередь он транспортируется через транзитный дефлектор 10 раздаточной полости 9, транзитный воздуховод 18, сопловой аппарат закрутки 19 в каналы охлаждения 20 рабочего колеса 21 и рабочей лопатки 22 турбины, а во вторую очередь поступает и 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, и 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.

Применение изобретения 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.

Также изобретение позволяет улучшить экономичность турбины за счет возможности автономного охлаждения сопловой лопатки турбины высокого давления, обеспечивая оптимальный расход охлаждающего воздуха.

Охлаждаемая турбина содержит сопловые лопатки, теплообменник. Каждая из сопловых лопаток 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. Транзитный дефлектор образует 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 соединен на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе последовательно сообщен с воздушным коллектором, транзитным дефлектором раздаточной полости, транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины. Охлаждаемая турбина снабжена 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. Вход воздуховода верхней полки и вход охлаждающего дефлектора соединены с воздушным коллектором. Вход воздуховода в нижней полке соединен с выходом охлаждающего дефлектора. Изобретение направлено на повышение эффективности и экономичности турбины. 4 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 воздушным коллектором, транзитным дефлектором раздаточной полости, транзитным воздуховодом, сопловым аппаратом закрутки, каналами охлаждения рабочего колеса и рабочей лопатки турбины, отличающаяся тем, что она снабжена 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, вход воздуховода верхней полки и вход охлаждающего дефлектора соединены с воздушным коллектором, а вход воздуховода в нижней полке соединен с выходом охлаждающего дефлектора.

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

3. 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.

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

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