СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к высокотемпературным турбинам газотурбинных двигателей, а именно к системам охлаждения рабочих лопаток турбин авиационных двигателей.

Известен способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, у которых внутреняя полость каждой лопатки разделена перегородкой на полость у входной кромки и остальную полость, включающий отбор воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его охлаждение в воздухо-воздушном теплообменнике, установленном в наружном контуре двигателя, его сбор в воздушном коллекторе, регулирование его расхода с помощью управляющих клапанов и подачу его в остальные внутренние полости рабочих лопаток через аппарат закрутки и воздушные каналы в рабочем колесе турбины, а также охлаждение полостей у входных кромок рабочих лопаток воздухом, подаваемым через дополнительный аппарат закрутки и дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе турбины с регулированием его расхода с помощью дополнительных управляющих клапанов (см. патент РФ №2387846, МПК F01D 5/18, опубл. 27.04.2010 г.).

Также известно устройство для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, у которых внутренняя полость каждой лопатки разделена перегородкой на полость у входной кромки и остальную полость, содержащее последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник, размещенный в наружном контуре, соединенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, а выходом с воздушным коллектором, управляющие клапаны, воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, аппарат закрутки статора турбины, воздушные каналы в рабочем колесе, соединенные с остальными полостями рабочих лопаток, а полости у входных кромок лопаток соединены с источником воздуха через дополнительные управляющие клапаны, дополнительный воздуховод, проходящий через дополнительные внутренние полости сопловых лопаток, дополнительный аппарат закрутки статора турбины, дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе (см. патент РФ №2387846, МПК F01D 5/18, опубл. 27.04.2010 г.).

Недостатком таких технических решений является то, что охлаждение внутренней полости лопатки, расположенной у входной кромки, происходит горячим воздухом, отбираемым из воздушной полости камеры сгорания, минуя воздухо-воздушный теплообменник, имеющим относительно высокую температуру, что не обеспечивает оптимальный уровень температуры входной кромки лопатки при повышении рабочей температуры газа перед турбиной.

Задачей изобретения является снижение температуры охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение внутренней полости рабочей лопатки, расположенной у входной кромки.

Указанная задача достигается тем, что в способе охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, у которых внутреняя полость каждой лопатки разделена перегородкой на полость у входной кромки и остальную полость, включающем отбор воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его охлаждение в воздухо-воздушном теплообменнике, установленном в наружном контуре двигателя, его сбор в воздушном коллекторе, регулирование его расхода с помощью управляющих клапанов и подачу его в остальные внутренние полости рабочих лопаток через аппарат закрутки и воздушные каналы в рабочем колесе турбины, а также охлаждение полостей у входных кромок рабочих лопаток воздухом, подаваемым через дополнительный аппарат закрутки и дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе турбины с регулированием его расхода с помощью дополнительных управляющих клапанов, в этом способе на охлаждение внутренней полости каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, подают воздух из воздушного коллектора, управляющие клапаны и дополнительные управляющие клапаны устанавливают на выходе из воздушного коллектора, при этом с помощью изменения расхода воздуха через управляющие клапаны и дополнительные управляющие клапаны изменяют и температуру воздуха на выходе из воздушного коллектора.

Указанная задача достигается и тем, что в устройстве для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, у которых внутренняя полость каждой лопатки разделена перегородкой на полость у входной кромки и остальную полость, содержащем последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник, размещенный в наружном контуре, соединенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, а выходом с воздушным коллектором, управляющие клапаны, воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, аппарат закрутки статора турбины, воздушные каналы в рабочем колесе, соединенные с остальными полостями рабочих лопаток, а полости у входных кромок лопаток соединены с источником воздуха через дополнительные управляющие клапаны, дополнительный воздуховод, проходящий через дополнительные внутренние полости сопловых лопаток, дополнительный аппарат закрутки статора турбины, дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе, в устройстве в качестве источника воздуха для охлаждения полостей у входных кромок лопаток выбран воздушный коллектор, входы управляющих и дополнительных управляющих клапанов соединены с воздушным коллектором, а выходы дополнительных управляющих клапанов сообщены с дополнительным аппаратом закрутки через дополнительный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток и дополнительный воздуховод статора турбины.

Кроме того, полости у входных кромок рабочих лопаток могут быть сообщены перфорационными отверстиями с проточной частью турбины.

Подача воздуха из воздушного коллектора на охлаждение внутренней полости каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, снижает его температуру.

Соединение входов управляющих клапанов и дополнительных управляющих клапанов с воздушным коллектором позволяет при изменении расхода воздуха хотя бы через один из этих клапанов дополнительно уменьшать температуру охлаждающего воздуха вследствие увеличения эффективности воздухо-воздушного теплообменника за счет уменьшения расхода охлаждающего воздуха, идущего через воздухо-воздушный теплообменник, при сохранении расхода холодного воздуха наружного контура.

В этом случае обе полости каждой рабочей лопатки охлаждаются более холодным воздухом, что, с одной стороны, обеспечивает оптимальное температурное состояние лопатки и, как следствие, увеличивается ресурс двигателя в целом, а с другой стороны, создает возможность охладить рабочую лопатку меньшим расходом воздуха. Это дополнительно экономит охлаждающий воздух, который возвращается в камеру сгорания двигателя, что приводит к снижению потребной температуры газа перед турбиной, улучшая температурное состояние основных элементов и также одновременно снижая удельный расход топлива, и как следствие повышая экономичность двигателя в целом.

На фиг.1 показан продольный разрез устройства для охлаждения рабочих лопаток двухконтурного газотурбинного двигателя, реализующий предлагаемый способ.

На фиг.2 показана рабочая лопатка, у которой полости у входных кромок сообщены перфорационными отверстиями с проточной частью турбины.

Устройство для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, к которых внутренняя полость 1 каждой рабочей лопатки 2 разделена перегородкой 3 на полость у входной кромки 4 и остальную полость 5, содержит последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник 6, размещенный в наружном контуре 7, соединенный своим входом 8 с воздушной полостью 9 камеры сгорания 10, а выходом 11 с воздушным коллектором 12 с управляющими клапанами 13 на выходе из него, воздуховодом 14, проходящим через внутренние полости 15 сопловых лопаток 16, аппарат закрутки 17 статора 18 турбины 19, воздушные каналы 20 в рабочем колесе 21, соединенные с остальными полостями 5 рабочих лопаток 2. Полости у входных кромок 4 рабочих лопаток 2 соединены с воздушным коллектором 12 через дополнительные управляющие клапаны 22, дополнительный воздуховод 23, проходящий через дополнительные внутренние полости 24 сопловых лопаток 16, дополнительный аппарат закрутки 25 статора 18 турбины 19, дополнительные воздушные каналы 26 в рабочем колесе 21. Полости 4 у входных кромок рабочих лопаток 1 могут быть сообщены перфорационными отверстиями 27 с проточной частью турбины.

Способ осуществляют следующим образом:

Воздух из воздушной полости 9 камеры сгорания 10 поступает в воздухо-воздушный теплообменник 6, где происходит его охлаждение за счет обдува более холодным воздухом наружного контура 7. После охлаждения воздух поступает в воздушный коллектор 12, где, с одной стороны, поступает в управляющие клапаны 13 и далее через последовательно размещенные воздуховод 14, проходящий через внутренние полости 15 сопловых лопаток 16, аппарат закрутки 17 статора 18 турбины 19, воздушные каналы 20 в рабочем колесе 21, транспортируется в остальные полости 5 рабочих лопаток 2, а с другой стороны, поступает в дополнительные управляющие клапаны 22 и далее через последовательно размещенные дополнительный воздуховод 23, проходящий через дополнительные внутренние полости 24 сопловых лопаток 16, дополнительный аппарат закрутки 25 статора 18 турбины 19, дополнительные воздушные каналы 26 в рабочем колесе 21 транспортируется в полости у входных кромок 4 рабочих лопаток 2.

При снижении оборотов двигателя и температуры газа перед турбиной уменьшают расход охлаждающего воздуха путем уменьшения площади проходного сечения управляющих клапанов 13 и дополнительных управляющих клапанов 22. Таким образом, расход охлаждающего воздуха, проходящего через воздухо-воздушный теплообменник 6, уменьшается и при сохранении расхода воздуха, идущего через наружный контур 7, увеличивается эффективность воздухо-воздушного теплообменника, вследствие чего дополнительно уменьшается температура охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение рабочей лопатки 2.

Таким образом, изобретение позволяет, с одной стороны, обеспечить надежность и ресурс двигателя, а с другой стороны, обеспечить высокую экономичность двигателя.

Устройство для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, у которых внутренняя полость каждой лопатки разделена перегородкой на полость у входной кромки и остальную полость и содержит последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник, управляющие клапаны, воздуховод, аппарат закрутки статора турбины, воздушные каналы в рабочем колесе, соединенные с остальными полостями рабочих лопаток, дополнительный воздуховод, дополнительный аппарат закрутки статора турбины, дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе. Воздухо-воздушный теплообменник размещен в наружном контуре, соединен своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, а выходом с воздушным коллектором. Воздуховод проходит через внутренние полости сопловых лопаток. Полости у входных кромок лопаток соединены с источником воздуха через дополнительные управляющие клапаны. Дополнительный воздуховод проходит через дополнительные внутренние полости сопловых лопаток. В качестве источника воздуха для охлаждения полостей у входных кромок лопаток выбран воздушный коллектор. Входы управляющих и дополнительных управляющих клапанов соединены с воздушным коллектором. Выходы дополнительных управляющих клапанов сообщены с дополнительным аппаратом закрутки через дополнительный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток и дополнительный воздуховод статора турбины. При снижении оборотов двигателя и температуры газа перед турбиной уменьшают расход охлаждающего воздуха путем уменьшения площади проходного сечения управляющих клапанов и дополнительных управляющих клапанов. Вследствие этого расход охлаждающего воздуха, проходящего через воздухо-воздушный теплообменник, уменьшается и при сохранении расхода воздуха, идущего через наружный контур, увеличивается эффективность воздухо-воздушного теплообменника, вследствие чего дополнительно уменьшается температура охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение рабочей лопатки. Изобретение позволяет снизить температуру охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение внутренних полостей рабочих лопаток турбины и, в частности, полостей, расположенных у входных кромок рабочих лопаток. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, у которых внутренняя полость каждой лопатки разделена перегородкой на полость у входной кромки и остальную полость, включающий отбор воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его охлаждение в воздухо-воздушном теплообменнике, установленном в наружном контуре двигателя, его сбор в воздушном коллекторе, регулирование его расхода с помощью управляющих клапанов и подачу его в остальные внутренние полости рабочих лопаток через аппарат закрутки и воздушные каналы в рабочем колесе турбины, а также охлаждение полостей у входных кромок рабочих лопаток воздухом, подаваемым через дополнительный аппарат закрутки и дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе турбины с регулированием его расхода с помощью дополнительных управляющих клапанов, отличающееся тем, что на охлаждение внутренней полости каждой рабочей лопатки, расположенной у входной кромки, подают воздух из воздушного коллектора, управляющие клапаны и дополнительные управляющие клапаны устанавливают на выходе из воздушного коллектора, при этом с помощью изменения расхода воздуха через управляющие клапаны и дополнительные управляющие клапаны изменяют и температуру воздуха на выходе из воздушного коллектора.

2. Устройство для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, у которых внутренняя полость каждой лопатки разделена перегородкой на полость у входной кромки и остальную полость, содержащее последовательно установленные воздухо-воздушный теплообменник, размещенный в наружном контуре, соединенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, а выходом с воздушным коллектором, управляющие клапаны, воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, аппарат закрутки статора турбины, воздушные каналы в рабочем колесе, соединенные с остальными полостями рабочих лопаток, а полости у входных кромок лопаток соединены с источником воздуха через дополнительные управляющие клапаны, дополнительный воздуховод, проходящий через дополнительные внутренние полости сопловых лопаток, дополнительный аппарат закрутки статора турбины, дополнительные воздушные каналы в рабочем колесе, отличающееся тем, что в качестве источника воздуха для охлаждения полостей у входных кромок лопаток выбран воздушный коллектор, входы управляющих и дополнительных управляющих клапанов соединены с воздушным коллектором, а выходы дополнительных управляющих клапанов сообщены с дополнительным аппаратом закрутки через дополнительный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток и дополнительный воздуховод статора турбины.

3. Устройство для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя по п.2, отличающееся тем, что полости у входных кромок рабочих лопаток сообщены перфорационными отверстиями с проточной частью турбины.