ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к системе охлаждения газотурбинного двигателя с помощью охлаждающего воздуха.

Известен двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления с сопловым аппаратом, внутренние полости которого, примыкающие к стенкам охлаждаемых сопловых лопаток, соединены с полостью отбора охлаждающего воздуха и отделены от магистрали наддува междисковой полости с помощью транзитных трубок, установленных во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок и соединенных входом с питающим коллектором, а выходом - с магистралью наддува междисковой полости, питающий коллектор магистрали наддува междисковой полости сообщен с думисной полостью компрессора высокого давления, отделенной от выхода проточной части компрессора подвижным уплотнением (смотри патент РФ №2414615, МПК F02C 7/12, опубл. 2011 г.).

Основным недостатком вышеуказанного технического решения является то, что применительно к высокотемпературным турбинам охлаждение сопловых лопаток турбины низкого давления производится с постоянным расходом охлаждающего воздуха на всех режимах эксплуатации, величина которого определяется максимальной температурой газа перед турбиной на максимальных режимах, в то время как основным самым протяженным по времени режимом для двигателя является крейсерский режим, который характеризуется умеренными температурами газа, обтекающего сопловые лопатки. Надо отметить, что при дросселировании двигателя по частоте вращения ротора в сторону ее уменьшения процент охлаждающего воздуха остается постоянным. В этом случае уровень подаваемого на охлаждение воздуха является избыточным, что приводит к ухудшению экономичности двигателя.

Другим недостатком прототипа является то обстоятельство, что при наличии одного питающего коллектора канала охлаждения междисковой полости и внутренних полостей охлаждаемых сопловых лопаток недопустимо уменьшать подачу охлаждающего воздуха на охлаждение внутренних полостей сопловых лопаток, так как при этом уменьшится расход охлаждающего воздуха и в междисковую полость, что может вызвать подсос горячего газа в нее, а также в сопряженные с ней предмасляные и масляные полости турбин. Необходимо решение, в котором при уменьшении расхода воздуха на охлаждение внутренних полостей сопловых лопаток турбины низкого давления расход воздуха на наддув междисковой полости оставался бы неизменным.

Задача изобретения - получение возможности изменения расхода охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение сопловых лопаток турбины низкого давления в зависимости от режима работы двигателя независимо от потребностей наддува междисковой полости.

Технический результат изобретения - создание независимого от магистрали наддува междисковой полости канала охлаждения сопловых лопаток турбины низкого давления.

Указанный технический результат достигается тем, что в двухконтурном газотурбинном двигателе, содержащем компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления с сопловым аппаратом, внутренние полости которого, примыкающие к стенкам охлаждаемых сопловых лопаток, соединены с полостью отбора охлаждающего воздуха и отделены от магистрали наддува междисковой полости с помощью транзитных трубок, установленных во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок и соединенных входом с питающим коллектором, а выходом - с магистралью наддува междисковой полости, питающий коллектор магистрали наддува междисковой полости сообщен с думисной полостью компрессора высокого давления, отделенной от выхода проточной части компрессора подвижным уплотнением, в нем в качестве полости отбора охлаждающего воздуха для его подачи во внутренние полости, примыкающие к стенкам сопловых лопаток турбины низкого давления, выбрана полость камеры сгорания или полость одной из ступеней компрессора, ее подсоединение к внутренним полостям, примыкающим к стенкам сопловых лопаток турбины низкого давления, выполнено через соединяющую магистраль и дополнительный питающий коллектор, а на соединяющей магистрали установлен регулирующий клапан.

Кроме того, возможно, что:

- подвижное уплотнение выполнено щеточным;

- питающий коллектор магистрали наддува междисковой полости сообщен с думисной полостью компрессора через воздухо-воздушный теплообменник, установленный во втором контуре двигателя;

- соединяющая магистраль выполнена проходящей через дополнительный воздухо-воздушный теплообменник, установленный во втором контуре двигателя;

Подсоединение внутренних полостей сопловых лопаток, турбины низкого давления, примыкающих к их стенкам, не к думисной полости, как в прототипе, а к полости камеры сгорания или полости одной из ступеней компрессора, позволяет сделать независимым охлаждение самой сопловой лопатки турбины низкого давления от наддува междисковой полости. При этом выбор в качестве полости отбора охлаждающего воздуха полости камеры сгорания или полости одной из ступеней компрессора позволяет наиболее оптимально выбрать источник охлаждающего воздуха и по давлению, и по температуре.

Наличие соединяющей магистрали и дополнительного питающего коллектора позволяет выполнять подсоединение внутренних полостей сопловых лопаток, турбины низкого давления, примыкающих к их стенкам для подачи туда охлаждающего воздуха из полости камеры сгорания или к полости одной из ступеней компрессора независимо от наддува междисковой полости. Наличие дополнительного питающего коллектора ставит все сопловые лопатки в более или менее равные условия по расходу охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение самой сопловой лопатки турбины низкого давления и позволяет четко развести два потока воздуха, а именно, охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение самой сопловой лопатки турбины и воздуха, идущего на наддув междисковой полости турбины.

Установка регулирующего клапана на соединяющей магистрали позволяет регулировать расход охлаждающего воздуха на охлаждение самой сопловой лопатки турбины низкого давления в самом широком диапазоне.

Выполнение подвижного уплотнения щеточным позволяет минимизировать расход воздуха из уплотнения в количестве, необходимом для наддува междисковой полости.

Установка на питающем коллекторе магистрали наддува междисковой полости воздухо-воздушного теплообменника, установленного во втором контуре двигателя, позволяет подавать в междисковую полость более холодный охлаждающий воздух.

Установка на соединяющей магистрали дополнительного воздухо-воздушного теплообменника, установленного во втором контуре двигателя, позволяет подавать к внутренним полостям сопловых лопаток турбины низкого давления, примыкающим к их стенкам, более холодный охлаждающий воздух.

На фиг. 1 показан продольный разрез двухконтурного газотурбинного двигателя;

На фиг.2 показано щеточное подвижное уплотнение - элемент А.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину высокого давления 3, турбину низкого давления 4 с сопловым аппаратом 5, у охлаждаемых сопловых лопаток 6 которого внутренние полости 7, примыкающие к стенкам 8, соединены с полостью отбора охлаждающего воздуха 9 и отделены от магистрали наддува междисковой полости 10 с помощью транзитных трубок 11, установленных во внутренних полостях 7 сопловых лопаток 6 с зазором относительно их стенок 8 и соединенных входом 12 с питающим коллектором 13, а выходом 14 - с магистралью наддува междисковой полости 10, Питающий коллектор 13 магистрали наддува междисковой полости 10 сообщен с думисной полостью 15 компрессора высокого давления 16, отделенной от выхода проточной части компрессора 17 подвижным уплотнением 18. Полость 19 камеры сгорания 2, выбранная в качестве полости отбора охлаждающего воздуха, подсоединена к внутренним полостям 7 сопловых лопаток 6 турбины низкого давления 4, примыкающим к стенкам 8, через соединяющую магистраль 20, на которой установлен регулирующий клапан 21. Питающий коллектор 13 сообщен с думисной полостью 15 компрессора 1 через воздухо-воздушный теплообменник 22, установленный во втором контуре 23 двигателя. Соединяющая магистраль 20 выполнена проходящей через дополнительный воздухо-воздушный теплообменник 24, установленный во втором контуре 23 двигателя. Подсоединение соединяющей магистрали 20 к внутренним полостям 7 сопловых лопаток 6 турбины низкого давления, примыкающим к их стенкам 8, выполнено через дополнительный питающий коллектор 25. Полость коллектора 13 и полость дополнительного коллектора 25 отделены друг от друга.

При работе двигателя воздух из проточной части 17 компрессора высокого давления 16 поступает с одной стороны в камеру сгорания 2, а с другой стороны через подвижное уплотнение 18 - в думисную полость 15.

Из полости 19 камеры сгорания 2 воздух поступает в дополнительный воздухо-воздушный теплообменник 24, где происходит его охлаждение за счет обдува более холодным воздухом второго контура 23. После охлаждения воздух поступает в регулирующий клапан 21 и далее через дополнительный питающий коллектор 25 - во внутренние полости 7 сопловых лопаток 6 турбины низкого давления 4, охлаждая эти сопловые лопатки.

В свою очередь воздух из думисной полости 15 компрессора высокого давления 16 через воздухо-воздушный теплообменник 22, установленный во втором контуре 23, поступает в питающий коллектор 13 и далее через транзитные трубки 11 - в междисковую полость 10, обеспечивая ее наддув.

Наличие регулирующего клапана 21 позволяет подвергать глубокому дросселированию по режимам работы двигателя расход охлаждающего воздуха, поступающего во внутренние полости 7 сопловых лопаток 6 турбины низкого давления 4, примыкающие к их стенкам 8, при этом расход охлаждающего воздуха, идущего через транзитные трубки 11 в междисковую полость 10, остается постоянным на всех режимах работы двигателя, что обеспечивает стабильный наддув междисковой полости 10 на всех эксплуатационных режимах работы двигателя.

Таким образом, обеспечивается автономность охлаждения самой сопловой лопатки 6 турбины низкого давления 4 и наддува междисковой полости 10 путем создания независимого от магистрали наддува междисковой полости канала охлаждения сопловых лопаток турбины низкого давления и, тем самым, оптимизируется расход охлаждающего воздуха в широком диапазоне регулирования по оборотам двигателя, что позволяет повысить экономичность двигателя в целом.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления с сопловым аппаратом. Внутренние полости соплового аппарата примыкают к стенкам охлаждаемых сопловых лопаток, соединены с полостью отбора охлаждающего воздуха и отделены от магистрали наддува междисковой полости с помощью транзитных трубок. Транзитные трубки установлены во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок и соединены входом с питающим коллектором, а выходом - с магистралью наддува междисковой полости. Питающий коллектор магистрали наддува междисковой полости сообщен с думисной полостью компрессора высокого давления, отделенной от выхода проточной части компрессора подвижным уплотнением. В качестве полости отбора охлаждающего воздуха для его подачи во внутренние полости, примыкающие к стенкам сопловых лопаток турбины низкого давления, выбрана полость камеры сгорания или полость одной из ступеней компрессора. Подсоединение полости отбора охлаждающего воздуха к внутренним полостям, примыкающим к стенкам сопловых лопаток турбины низкого давления, выполнено через соединяющую магистраль и дополнительный питающий коллектор, а на соединяющей магистрали установлен регулирующий клапан. Изобретение позволяет изменять расход охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение сопловых лопаток турбины низкого давления, в зависимости от режима работы двигателя. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления с сопловым аппаратом, внутренние полости которого, примыкающие к стенкам охлаждаемых сопловых лопаток, соединены с полостью отбора охлаждающего воздуха и отделены от магистрали наддува междисковой полости с помощью транзитных трубок, установленных во внутренних полостях сопловых лопаток с зазором относительно их стенок и соединенных входом с питающим коллектором, а выходом - с магистралью наддува междисковой полости, питающий коллектор магистрали наддува междисковой полости сообщен с думисной полостью компрессора высокого давления, отделенной от выхода проточной части компрессора подвижным уплотнением, отличающийся тем, что в качестве полости отбора охлаждающего воздуха для его подачи во внутренние полости, примыкающие к стенкам сопловых лопаток турбины низкого давления, выбрана полость камеры сгорания или полость одной из ступеней компрессора, ее подсоединение к внутренним полостям, примыкающим к стенкам сопловых лопаток турбины низкого давления, выполнено через соединяющую магистраль и дополнительный питающий коллектор, а на соединяющей магистрали установлен регулирующий клапан.

2. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижное уплотнение выполнено щеточным.

3. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что питающий коллектор магистрали наддува междисковой полости сообщен с думисной полостью компрессора через воздухо-воздушный теплообменник, установленный во втором контуре двигателя.

4. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что соединяющая магистраль выполнена проходящей через дополнительный воздухо-воздушный теплообменник, установленный во втором контуре двигателя.