ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА, СОДЕРЖАЩИМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЗАВИХРИТЕЛЬ Российский патент 2017 года по МПК F01D5/08 F01D5/14 F01D25/12 F01D11/00 

Данная заявка является частичным продолжением заявки на патент США 13/084618, поданной 12 апреля 2011 г. (регистрация поверенного 2010Р26648US), которая включена в данный документ посредством ссылки.

Уведомление относительно развития, финансированного из федерального бюджета

Развитие данного изобретения было поддержано частично в соответствии с контрактом № DE-FC26-05NT42644, выданным Министерством энергетики США. Таким образом, правительство США может обладать некоторыми правами на данное изобретение.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к принудительному охлаждению окружающим воздухом лопаток турбины газотурбинного двигателя. В частности, изобретение относится к предварительному завихрителю с уменьшенным перепадом давления в такой системе.

Уровень техники

Лопатки газотурбинного двигателя, используемые в отсеке турбины двигателя, обычно охлаждаются посредством внутренних охлаждающих каналов, по которым принудительно подается сжатый газ. Данный сжатый газ обычно извлекается из запаса сжатого воздуха, создаваемого компрессором двигателя. Однако извлечение сжатого воздуха для охлаждения уменьшает количество сжатого воздуха, которое может быть использовано для сжигания. Это в свою очередь снижает кпд двигателя. Поэтому минимизация количества охлаждающего воздуха, забираемого из компрессора для охлаждения, является важным техническим решением при разработке современной газовой турбины.

В некоторых моделях газотурбинных двигателей расположенные ниже по потоку лопатки проходят относительно далеко в радиальном направлении. Расположенные ниже по потоку лопатки могут включать, например, последний ряд лопаток. Охлаждающие каналы обычно направляют охлаждающий воздух от основания лопатки к концу, где он выпускается в поток газов сгорания. Вследствие того что охлаждающий канал проходит внутри лопатки так далеко радиально наружу, вращение лопатки и расположенного в ней охлаждающего канала вызывает центробежную силу на охлаждающий воздух, которая поджимает охлаждающий воздух в охлаждающем канале радиально наружу. Охлаждающий воздух выходит из лопатки, и это вызывает перемещение охлаждающего воздуха внутри охлаждающего канала. Такое перемещение внутри охлаждающего канала создает всасывающую силу, которая втягивает больше охлаждающего воздуха из полости ротора вокруг основания лопатки в охлаждающий канал. Таким образом, в отличие от обычного охлаждения, при котором сжатый воздух принудительно подается через охлаждающие каналы, воздух, который не подвергается сжатию, такой как окружающий воздух, находящийся за пределами газотурбинного двигателя, может быть использован для охлаждения расположенных ниже по потоку лопаток.

Статическое давление окружающего воздуха достаточно высокое по сравнению со статическим давлением в полости ротора, чтобы обеспечивать перемещение охлаждающей текучей среды их источника окружающего воздуха в полость ротора. Таким образом, статическое давление окружающего воздуха может продвигать запас окружающего воздуха к полости ротора, при этом всасывающая сила, обусловленная вращением лопаток, втягивает окружающий воздух из полости ротора через охлаждающие каналы в лопатках турбины, тем самым замыкая контур охлаждения окружающего воздуха. Всасывающая сила способствует втягиванию окружающего воздуха в полость ротора. Таким образом, может поддерживаться перемещение окружающего воздуха в контуре охлаждения.

Однако несмотря на то, что статическое давление окружающего воздуха и создаваемая центробежная сила достаточны для обеспечения перемещения в охлаждающем канале, существует небольшая разница между перепадами давления, которые действительно имеются для приведения в движение текучей среды, и минимальным перепадами статического давления, необходимыми для вызывания перемещения охлаждающей текучей среды. В связи с этим обращается внимание на то, что контур охлаждения должен быть приспособлен для максимальной эффективности передачи воздуха.

Краткое описание чертежей

Изобретение изложено в приведенном ниже описании со ссылкой на чертежи, которые показывают:

Фиг.1 представляет собой схематичный разрез вида сбоку участка контура охлаждения всасываемого воздуха.

Фиг.2 представляет собой схематичный перспективный вид предварительного завихрителя контура охлаждения всасываемого воздуха, показанного на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой вид входа предварительного завихрителя, показанного на фиг.2.

Фиг.4 представляет собой местный вид предварительного завихрителя, показанного на фиг.3, показывающий часть направляющих лопаток и внутренний обод.

Фиг.5 представляет собой местный вид предварительного завихрителя, показанного на фиг.3, показывающий часть направляющих лопаток и наружный обод.

Фиг.6 представляет собой вид сверху, показывающий конфигурацию предварительного завихрителя, показанного на фиг.4.

Фиг.7 представляет собой вид, показывающий конфигурацию предварительного завихрителя, показанного на фиг.5.

Фиг.8 представляет собой изображение линии обтекания охлаждающей текучей среды в предварительном завихрителе без признаков, раскрытых в данном документе.

Фиг.9 представляет собой изображение линии обтекания охлаждающей текучей среды в предварительном завихрителе, содержащем признаки, раскрытые в данном документе.

Подробное описание изобретения

Авторы настоящего изобретения придумали предварительный завихритель для устройства охлаждения всасываемого окружающего воздуха для охлаждения лопаток турбины в газотурбинном двигателя, причем упомянутый предварительный завихритель содержит профилированные концевые стенки для улучшения характеристик потока, проявляемых потоком охлаждающей текучей среды, перемещающимся через предварительный завихритель. Предварительный завихритель вносит завихрение в поток окружающего воздуха, прежде чем упомянутый поток всасывается во вращающиеся лопатки турбины, тем самым обеспечивая более эффективную подачу потока охлаждающей текучей среды к входам охлаждающих каналов в лопатках. Профилированные концевые стенки уменьшают потерю давления в потоке, тем самым повышая эффективность перемещения через предварительный завихритель, что в свою очередь повышает кпд газотурбинного двигателя.

Фиг.1 показывает схематичное поперечное сечение вида сбоку участка примерного варианта осуществления контура 10 охлаждения окружающего воздуха, включающего: источник 12 окружающего воздуха; по меньшей мере один канал 14 подачи воздуха, обеспечивающий сообщение по текучей среде между источником 12 и камерой 16 повышенного давления предварительного завихрителя, и по желанию расположенный в опоре 17, которая поддерживает предварительный завихритель 18; полость 20 ротора, примыкающую к лопаткам 22 турбины; и вход (не показанный) охлаждающего канала, охлаждающий канал 26 и выход 29 охлаждающего канала в каждой из лопаток 22 турбины, который может быть или может не быть расположен в вершине лопатки 22 турбины. Внутри канала 14 подачи воздуха окружающий воздух превращается в охлаждающую текучую среду 28. Охлаждающая текучая среда 28 перемещается по каналу 14 подачи воздуха, при этом она входит в камеру 16 повышенного давления предварительного завихрителя, которая представляет собой кольцеобразную камеру повышенного давления, которая подает охлаждающую текучую среду 28 в предварительный завихритель 18. В предварительном завихрителе 18 охлаждающая текучая среда 28 подвергается закручиванию вокруг продольной оси 30 диска 31 ротора. Охлаждающая текучая среда 28 поступает на входы охлаждающего канала, например, либо непосредственно из предварительного завихрителя 18, либо после того как охлаждающая текучая среда 28 проходит через зазор между диском 31 ротора и основанием лопатки 22 турбины, и затем охлаждающая текучая среда 28 перемещается через каждый охлаждающий канал 26. Когда она находится в охлаждающих каналах 26, вращение лопаток 22 турбины вокруг продольной оси 30 диска 31 ротора (иначе называемой осью вращения) создает центробежную силу в направлении 32 радиально наружу, которая приводит в движение охлаждающую текучую среду 28 через охлаждающие каналы 26. Охлаждающая текучая среда 28 выталкивается из выхода 29 охлаждающего канала в канал 34 для горячих газов, в котором перемещаются горячие газы. Перемещение охлаждающей текучей среды 28 через охлаждающие каналы 26 и из выхода 29 охлаждающего канала создает всасывающую силу, которая втягивает охлаждающую текучую среду 28 из полости 29 ротора в охлаждающий канал 26, чтобы заменять вытолкнутую охлаждающую текучую среду 28. Статическое давление окружающего воздуха продвигает охлаждающую текучую среду 28 к полости 20 ротора, чтобы заменять охлаждающую текучую среду 28, которая втягивается в охлаждающие каналы 28, тем самым замыкая контур 10 охлаждения окружающего воздуха.

Фиг.2 представляет собой схематичный перспективный вид предварительного завихрителя 18 контура 10 охлаждения окружающего воздуха, с заднего конца газотурбинного двигателя, с удаленным наружным ободом. Видны внутренний обод 38, имеющий постоянный диаметр 40, и множество направляющих лопаток 42, расположенных в кольцеобразном размещении вокруг продольной оси 30 диска 31 ротора. Предварительный завихритель 18 принимает аксиально перемещающийся кольцеобразный поток охлаждающей текучей среды 28, выпускаемый камерой 16 повышенного давления предварительного завихрителя, и сообщает круговое движение, вызывающее завихрение вокруг продольной оси 30 диска 31 ротора. Как можно видеть на фиг.3, которая показывает входную сторону примерного варианта осуществления предварительного завихрителя 18, множество направляющих лопаток 42 образует множество сопел 44, которые направляют охлаждающую текучую среду 28, причем каждое сопло 44 образовано между и сформировано посредством первой направляющей лопатки 46; ближайшей в окружном направлении направляющей лопатки 48; наружной концевой стенки 50 внутреннего обода 38, и внутренней концевой стенки 54 наружного обода 56, которые соединяют направляющие лопатки 42. Таким образом, каждое сопло 44 образует часть контура 10 охлаждения. В отличие от обычных сопел, концевые стенки, раскрытые в данном документе, не имеют постоянного диаметра 40. Вместо этого, концевые стенки являются профилированными как в окружном направлении 60, так и в аксиальном направлении 62 и могут быть расположены волнообразно относительно постоянного диаметра 40.

Одна аэродинамическая потеря, связанная с направляющими лопатками, известна как подковообразный вихрь 70, который может появляться на пересечении 72 передней кромки 74 направляющей лопатки 42 с концевой стенкой. Внутри сопла 44 данные вихри имеют тенденцию появляться в относительно медленных зонах потока текучей среды, где существует относительно высокое статическое давление. Охлаждающая текучая среда около концевых стенок и стороны 76 нагнетания и стороны 78 всасывания замедляется относительно других зон внутри охлаждающей текучей среды 28 под действием различных аэродинамических факторов, включающих трение, связанное с этими поверхностями. В результате охлаждающая текучая среда 28 в зоне 80 вблизи пересечений 72 может перемещаться относительно медленно по сравнению с центральными зонами 82 в сопле 44. Кроме того, охлаждающая текучая среда 28, сталкивающаяся с передней кромкой 74 направляющей лопатки 42, вызывает дугообразную волну перед передней кромкой 74, где возникает повышенное статическое давление по сравнению со статическим давлением в других зонах в потоке. Следовательно, в зоне 80 вблизи пересечений 72 имеет место относительно медленно перемещающаяся текучая среда и относительно высокое статическое давление по сравнению с центральными зонами 82 в сопле 44. Поскольку интенсивность подковообразного вихря связана с величиной градиента скорости между упомянутыми двумя зонами и величиной градиента статического давления между упомянутыми двумя зонами, в сопле 44 раскрытого в данном документе типа возникают относительно интенсивные подковообразные вихри 70. Потери, связанные с подковообразными вихрями, увеличиваются, когда направляющие лопатки имеют малое относительное удлинение. Относительно малая радиальная высота и относительно большая длина аэродинамического профиля повышают вероятность смещения подковообразного вихря ближе к центральной зоне 82. Следовательно, преимущество наличия профилированных концевых стенок (50, 54) в примерном варианте осуществления предварительного завихрителя 18, содержащего направляющие лопатки 42 с малым относительным удлинением, также очевидно.

Кроме того, охлаждающая текучая среда 28 в зоне относительно более быстрого перемещения потока будет стремиться подтягивать ответвление 84 подковообразного вихря 70 к зоне относительно более быстрого перемещения, когда ответвление 84 перемещается вниз по потоку. В сопле 44 предварительного завихрителя, поскольку зона относительно более быстрого перемещения представляет собой центральные зоны 83, ответвление 84 радиально внутреннего подковообразного вихря 86 может быть оттянуто в направлении 32 радиально наружу. Оттягивание ответвления 84 в центральную зону 82 в сопле 44 вызывает более значительную величину аэродинамических потерь в потоке, чем в том случае, если ответвление 84 остается в зоне 80 вблизи пересечений 72, где скорость потока ниже, и поэтому аэродинамические потери в данной зоне являются менее проблематичными.

Без конкретной теоретической поддержки, считается, что уменьшение градиента скорости и/или градиента статического давления будет уменьшать интенсивность вихря. Следовательно, концевые стенки, раскрытые в данном документе, эффективно уменьшают градиент скорости и/или градиент статического давления, что уменьшает интенсивность подковообразного вихря 70. Кроме того, геометрия концевой стенки помогает ответвлению 84 подковообразного вихря 70 оставаться ближе к зоне 80 вблизи пересечений 72, тем самым уменьшая аэродинамические потери в центральной зоне 82 в сопле 44. Упомянутое профилирование включает выпуклость 100, также видную в виде приподнятого участка, на каждой концевой стенке, примыкающую к стороне 76 нагнетания направляющей лопатки 42. Выпуклость 100, раскрытая в данном документе, представляет собой зону, где концевая стенка выступает дальше в сопло по сравнению с концевой стенкой без выпуклости 100. Упомянутое профилирование дополнительно включает выемку 102, или углубленный участок, на каждой концевой стенке между направляющими лопатками 42. Выемка 102, раскрытая в данном документе, представляет собой зону, где концевая стенка отступает от сопла по сравнению с концевой стенкой без выемки 102. Любая зона концевой стенки сопла без выпуклости 100 или выемки 102 может считаться зоной постоянного диаметра. Каждая концевая стенка может содержать соответствующую зону постоянного диаметра, т.е. зону, где концевая стенка имеет постоянный диаметр, или она может иметь только теоретический размер, который определяет участок постоянного диаметра концевой стенки, а реально концевая стенка изгибается радиально внутрь и радиально наружу от теоретического размера. Другими словами, каждая концевая стенка может содержать выпуклость 100 или выемку 102, которая занимает только малую часть соответствующей концевой стенки, или каждая концевая стенка может быть целиком образована посредством выпуклости 100 и выемки 102 без реальной зоны постоянного диаметра (т.е. нейтрали).

Предполагается, что выпуклость 100 вынуждает охлаждающую текучую среду 28 в зоне 80 вблизи пересечений 72 перемещаться быстрее, чем в случае отсутствия выпуклости 100, за счет уменьшения площади поперечного сечения сопла 44 в зоне 80 вблизи пересечений 72. При уменьшении площади поперечного сечения охлаждающая текучая среда 28 неизбежно должна ускоряться. Предполагается также, что выемки 102 вынуждают охлаждающую текучую среду 28 в центральной зоне 82 в сопле 44 замедляться за счет увеличенной площади поперечного сечения сопла 44. Увеличение скорости охлаждающей текучей среды 28 в зоне 80 вблизи пересечений 72 и уменьшение скорости охлаждающей текучей среды 28 в центральной зоне 82 в сопле 44 приводит к уменьшению градиента скорости, что в свою очередь приводит к ослаблению подковообразного вихря 70.

При отсутствии выпуклостей 100 статическое давление в зоне 80 вблизи пересечений 72 является относительно высоким за счет низкой скорости охлаждающей текучей среды 28. При увеличении скорости в зоне 80 вблизи пересечений 72 статическое давление уменьшается. При отсутствии выемок 102 статическое давление в центральной зоне 82 в сопле 44 является относительно низким за счет высокой скорости охлаждающей текучей среды 28. При уменьшении скорости в центральной зоне 82 в сопле 44 статическое давление увеличивается. Уменьшение относительно высокого статического давления в зоне 80 вблизи пересечений 72 и увеличение относительно низкого статического давления в центральной зоне 82 в сопле 44 приводит к уменьшению градиента давления, что в свою очередь приводит к ослаблению подковообразного вихря 70.

Кроме того, поскольку охлаждающая текучая среда в центральной зоне 82 в сопле 44 замедляется, уменьшается тенденция к оттягиванию ответвления 84 радиально внутреннего подковообразного вихря 86 в направлении 32 радиально наружу. Когда подковообразный вихрь 70 проходит над выемкой, концевая стенка относительно отдаляется от подковообразного вихря 70, и предполагается, что это способствует тому, что подковообразный вихрь 70 не будет втягиваться так далеко в центральную зону 82 в сопле 44. Другими словами, подковообразный вихрь 70 более прочно прилипает к концевой стенке. Благодаря более прочному прилипанию к концевой стенке, уменьшается распространение аэродинамических потерь, связанных с подковообразным вихрем 70, на центральную зону 82 в сопле 44. Это снижает аэродинамические потери вообще, что повышает кпд двигателя.

Фиг.4 представляет собой местный вид предварительного завихрителя 18, показанного на фиг.3, показывающий радиально внутреннюю часть направляющих лопаток 42 и внутренний обод 38 при удаленных радиально внешней части направляющих лопаток 42 и наружном ободе 56. Показана радиально внутренняя часть множества сопел 44, каждое образованное частично посредством наружной концевой стенки 50 внутреннего обода 38, стороны 76 нагнетания первой направляющей лопатки 46 и стороны 78 всасывания ближайшей в окружном направлении направляющей лопатки 48. Охлаждающая текучая среда 28 входит во входной конец 110 сопла 44, перемещаясь преимущественно в аксиальном направлении относительно продольной оси 30 диска 31 ротора, и выходит из выходного конца 112, перемещаясь в направлении перемещения, имеющем составляющую в аксиальном направлении и составляющую в окружном направлении 60.

В примерном варианте осуществления внутренний обод 38 и/или наружный обод 56 могут представлять собой монолитный элемент. Узлы лопаток, используемые для направления газов сгорания в турбинах, обычно изготовлены из составляющих элементов, которые соединены в лопаточный венец. Такая конфигурация необходима из-за факторов, связанных с большим размером данных лопаточных венцов, включающих высокую стоимость изготовления цельного корпуса такого размера, проблемы теплового расширения и сборку и разборку самой турбины, которые часто вызывают необходимость разборки лопаточного венца. Эти собранные лопаточные венцы часто содержат стыки между составляющими элементами, которые изменяются на всем протяжении работы. Например, окружной зазор в сопле между соседними составляющими элементами может отсутствовать или может быть в наличии. Только одно это обеспечивает изменение аэродинамики. Упомянутый стык может быть или может не быть радиально выровненным. Например, один составляющий элемент может проходить радиально дальше, чем другой. Таким образом, когда газы, перемещающиеся через сопло, пересекают зазор между соседними составляющими элементами, например, когда сопло содержит окружной элемент, газы могут сталкиваться со ступенью. Это может быть поднимающаяся ступень или опускающаяся ступень, в зависимости от того, проходит первый составляющий элемент радиально дальше наружу чем соседний составляющий элемент или он не проходит радиально так далеко. Оба типа ступеней создают вихри в потоке, и такие вихри создают такие же аэродинамические потери, как и подковообразные вихри 70. Благодаря меньшему размеру и более низким рабочим температурам, внутренний обод 38 и наружный обод 56 не страдают от вышеупомянутых ограничений, и поэтому они могут быть изготовлены в виде цельного составляющего элемента. Наличие цельной/монолитной конструкции позволяет соплам избежать аэродинамических потерь, связанных со стыками между соединенными составляющими элементами. Это в свою очередь приводит к меньшим потерям давления в результате перемещения через сопло 44.

Фиг.5 представляет собой местный вид предварительного завихрителя 18, показанного на фиг.3, показывающий радиально внешнюю часть направляющих лопаток 42 и наружный обод 56 при удаленных радиально внутренней части направляющих лопаток 42 и внутреннем ободе 38. Показана радиально внешняя часть множества сопел 44, каждое образованное частично посредством внутренней концевой стенки 54 наружного обода 56, стороны 76 нагнетания первой направляющей лопатки 46 и стороны 78 всасывания ближайшей в окружном направлении направляющей лопатки 48.

Фиг.6 представляет собой вид сверху, показывающий конфигурацию примерного варианта осуществления внутреннего обода 38 предварительного завихрителя 18. В показанном примерном варианте осуществления видна выпуклость 100, примыкающая к стороне 76 нагнетания первой направляющей лопатки 46, и вершина выпуклости 100 может быть расположена на расстоянии, равном приблизительно третьей части расстояния по линии 122 хорды от передней кромки 74 первой направляющей лопатки до задней кромки 126. В показанном примерном варианте осуществления видна выемка 102 в окружном направлении 60, расположенная приблизительно посередине между первой направляющей лопаткой 46 и ближайшей в окружном направлении направляющей лопаткой 48. Виден подковообразный вихрь 70, исходящий из передней кромки 74 первой направляющей лопатки 46. В показанном примерном варианте осуществления самая нижняя точка 120 выемки расположена на расстоянии, равном приблизительно двум третям расстояния по линии 122 хорды от передней кромки 74 первой направляющей лопатки до задней кромки 126. Она также расположена ниже по потоку от ответвления 84 подковообразного вихря 70 так, что ответвление 84 вынуждено перемещаться над (как видно на фиг.6) выемкой 102.

Фиг.7 представляет собой вид, показывающий конфигурацию примерного варианта осуществления наружного обода 56 предварительного завихрителя 18, если смотреть радиально внутрь в зеркало, расположенное в центре под наружным ободом 56. Поскольку наружный обод 56 проходит радиально дальше наружу, он длиннее, и поэтому пространство между соседними направляющими лопатками 42 больше. Вследствие устранения данной избыточной длины, чтобы соответствовать размеру фиг.6, выпуклость 100 и выемки 102 кажутся меньше, но в действительности могут быть не меньше. Показанные выпуклости 100 и выемки 102 являются примерными. Предполагается, что любой контур, который обеспечивает требуемые аэродинамические воздействия, находится в пределах объема настоящего изобретения.

Фиг.8 представляет собой изображение линии обтекания охлаждающей текучей среды 28 в предварительном завихрителе без признаков, раскрытых в данном документе, с использованием моделирования текучей среды. Линия 124 обтекания представляет собой ответвление 84 подковообразного вихря 70. Можно видеть, что после столкновения с передней кромкой 74 первой направляющей лопатки 46 ответвление 84 начинает отделяться от стороны нагнетания первой направляющей лопатки 46. Когда оно пересекает сопло 44, линия 124 обтекания перемещается к стороне 78 всасывания ближайшей в окружном направлении направляющей лопатки 48 к задней кромке 126 ближайшей в окружном направлении направляющей лопатки 48. При этом линия 124 обтекания также перемещается вверх, из плоскости чертежа, к центральной зоне 82 в сопле 44, и вызывает аэродинамические потери.

Фиг.9 представляет собой изображение линии обтекания охлаждающей текучей среды 28 в предварительном завихрителе 18, содержащем признаки, раскрытые в данном документе, с использованием моделирования текучей среды. После столкновения с передней кромкой 74 первой направляющей лопатки 46 линия 124 обтекания ответвления 84 подковообразного вихря 70 немного отходит от стороны 76 нагнетания. В отличие от фиг.8, линия 124 обтекания не перемещается к стороне 78 всасывания ближайшей в окружном направлении направляющей лопатки 48, когда она перемещается в сопле 44 к задней кромке 126 ближайшей в окружном направлении лопатки 48. Вместо этого, линия 124 обтекания прилипает к стороне 76 нагнетания первой направляющей лопатки 46 на протяжении большего расстояния. Кроме того, уменьшается вероятность того, что линия 124 обтекания будет выходить из плоскости чертежа в такой же степени. В результате, в предварительном завихрителе, раскрытом в данном документе, ответвление 84 подковообразного вихря 70 вызывает меньшие аэродинамические потери, обеспечивая более эффективную работу газотурбинного двигателя.

Из вышеописанного очевидно, что авторы изобретения нашли новый способ улучшения аэродинамики в устройстве принудительного охлаждения окружающего воздуха для лопатки турбины, включающий использование предварительного завихрителя. Авторы изобретения также осуществили дополнительные усовершенствования в предварительном завихрителе для дополнительного улучшения аэродинамики в предварительном завихрителе. Таким образом, изложенное выше представляет собой усовершенствование в данной области техники.

Хотя в данном документе показаны и описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, будет очевидно, что такие варианты осуществления приведены только в качестве примера. Множество модификаций, изменений и замен могут быть выполнены без отхода от изобретения, описанного в данном документе. Таким образом, предполагается, что изобретение ограничено только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинный двигатель, включающий в себя контур (10) охлаждения окружающего воздуха, содержащий охлаждающий канал (26), расположенный в лопатке (22) турбины и в сообщении по текучей среде с источником (12) окружающего воздуха; и предварительный завихритель (18), причем упомянутый предварительный завихритель содержит внутренний обод, наружный обод и множество направляющих лопаток, каждая проходящая от внутреннего обода до наружного обода. Соседние в окружном направлении направляющие лопатки образуют между собой соответствующие сопла. Предварительный завихритель приспособлен для сообщения закручивания окружающему воздуху, всасываемому через сопла, и направления закрученного окружающего воздуха к основанию лопатки турбины. Также представлены варианты газотурбинного двигателя. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя путём минимизации количества охлаждающего воздуха, забираемого из компрессора. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий:

контур охлаждения окружающего воздуха, содержащий охлаждающий канал, расположенный в лопатке турбины и в сообщении по текучей среде с источником окружающего воздуха, который обеспечивает охлаждающую текучую среду; и

предварительный завихритель, содержащий:

внутренний обод;

наружный обод и

множество направляющих лопаток, каждая проходящая от внутреннего обода до наружного обода,

причем расположенные рядом в окружном направлении направляющие лопатки образуют между собой соответствующие сопла, причем упомянутые сопла образуют часть упомянутого контура охлаждения, причем каждое сопло образовано посредством стороны нагнетания первой направляющей лопатки, стороны всасывания расположенной рядом направляющей лопатки, наружной концевой стенки, образованной посредством наружного обода, и внутренней концевой стенки, образованной посредством внутреннего обода;

при этом силы, создаваемые в результате вращения лопатки турбины, приводят в движение охлаждающую текучую среду через упомянутый контур охлаждения; и

при этом предварительный завихритель приспособлен для придания завихрения охлаждающей текучей среде, всасываемой через сопла, и направления закрученной охлаждающей текучей среды к основанию лопатки турбины.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором внутренний обод образован в виде монолитного элемента.

3. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором наружный обод образован в виде монолитного элемента.

4. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором внутренняя концевая стенка и наружная концевая стенка каждая содержит выемку, расположенную между соседними направляющими лопатками.

5. Газотурбинный двигатель по п. 4, в котором упомянутая выемка расположена ниже по потоку от вихря, образуемого в охлаждающей среде передней кромкой первой направляющей лопатки во время вращения лопаток турбины.

6. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором внутренняя концевая стенка и наружная концевая стенка каждая содержит выпуклость, примыкающую к стороне нагнетания первой направляющей лопатки.

7. Газотурбинный двигатель по п. 6, в котором вершина упомянутой выпуклости расположена на расстоянии, равном приблизительно третьей части длины линии хорды первой направляющей лопатки от передней кромки первой направляющей лопатки.

8. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором упомянутый контур охлаждения дополнительно содержит канал подачи воздуха, приспособленный для подачи охлаждающей текучей среды из источника окружающего воздуха в предварительный завихритель.

9. Газотурбинный двигатель по п. 8, дополнительно содержащий опору, которая поддерживает предварительный завихритель, в котором расположен упомянутый канал подачи воздуха.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий:

контур охлаждения окружающего воздуха, содержащий охлаждающий канал, расположенный в лопатке турбины и в сообщении по текучей среде с источником окружающего воздуха, который обеспечивает охлаждающую текучую среду, причем силы, создаваемые в результате вращения лопатки турбины, приводят в движение охлаждающую текучую среду через охлаждающий канал, причем упомянутое усовершенствование включает:

предварительный завихритель, содержащий: внутренний обод, образованный как единое целое; наружный обод, образованный как единое целое; и множество направляющих лопаток, расположенных между ними в кольцевом размещении, причем упомянутый предварительный завихритель образует множество сопел, образующих часть контура охлаждения, причем каждое сопло содержит: наружную концевую стенку, образованную посредством наружного обода между соседними направляющими лопатками; внутреннюю концевую стенку, образованную посредством внутреннего обода между соседними направляющими лопатками; и сторону нагнетания и сторону всасывания соседних направляющих лопаток,

причем упомянутый предварительный завихритель приспособлен для сообщения кругового движения вокруг продольной оси диска ротора охлаждающей текучей среде, всасываемой через сопла, и для направления закрученной охлаждающей текучей среды к основанию лопатки турбины.

11. Газотурбинный двигатель по п. 10, в котором внутренняя концевая стенка и наружная концевая стенка каждого сопла содержит соответствующую выемку.

12. Газотурбинный двигатель по п. 10, в котором внутренняя концевая стенка и наружная концевая стенка каждого сопла содержит соответствующую выпуклость, примыкающую к стороне нагнетания соответствующей направляющей лопатки.

13. Газотурбинный двигатель по п. 10, в котором контур охлаждения дополнительно содержит канал подачи воздуха, приспособленный для подачи охлаждающей текучей среды из источника окружающего воздуха в предварительный завихритель, причем упомянутый канал подачи воздуха расположен внутри опоры, которая поддерживает предварительный завихритель.

14. Газотурбинный двигатель, содержащий:

контур охлаждения окружающего воздуха, содержащий охлаждающий канал, расположенный в лопатке турбины и в сообщении по текучей среде с источником окружающего воздуха, который обеспечивает охлаждающую текучую среду; и

предварительный завихритель, содержащий:

внутренний обод;

наружный обод и

множество направляющих лопаток, расположенных между внутренним ободом и наружным ободом;

причем внутренний обод, наружный обод и множество направляющих лопаток образуют кольцевую схему сопел, образующую часть контура охлаждения окружающего воздуха, причем каждое сопло ограничено двумя соседними направляющими лопатками, внутренней концевой стенкой наружного обода и наружной концевой стенкой внутреннего обода;

причем упомянутые сопла приспособлены для направления охлаждающей текучей среды, перемещающейся через них, к множеству входов для охлаждающей текучей среды, предусмотренных в основаниях расположенных рядом вращающихся лопаток, и

при этом сопла сообщают круговое движение охлаждающей текучей среде, перемещающейся через них, вокруг оси вращения, вокруг которой вращаются вращающиеся лопатки.

15. Газотурбинный двигатель по п. 14, в котором внутренний обод и наружный обод каждый образован в виде соответствующих монолитных элементов.

16. Газотурбинный двигатель по п. 14, в котором внутренняя концевая стенка наружного обода и наружная концевая стенка внутреннего обода каждого сопла содержит соответствующую выемку.

17. Газотурбинный двигатель по п. 14, в котором внутренняя концевая стенка наружного обода и наружная концевая стенка внутреннего обода каждого сопла содержит соответствующую выпуклость, примыкающую к стороне нагнетания соответствующей направляющей лопатки.

18. Газотурбинный двигатель по п. 14, в котором контур охлаждения дополнительно содержит канал подачи воздуха, приспособленный для подачи окружающего воздуха из источника окружающего воздуха в предварительный завихритель, причем упомянутый канал подачи воздуха расположен внутри опоры, которая поддерживает предварительный завихритель.