Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя Российский патент 2018 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных двигателей, в частности к двигателям, применяемым в качестве привода газоперекачивающих агрегатов и энергоустановок и может быть использовано при разработке энергоустановок с охлаждением масла в замкнутой циркуляционной системе и модернизации нагревательных систем для поддержания рабочей температуры масла в маслобаках газотурбинных двигателей.

Известна охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая раздаточный коллектор с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха, коллектор с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха, междисковую полость, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха, рабочие колеса турбин высокого и низкого давления с рабочими лопатками и дисками, цапфы дисков турбин высокого и низкого давления, лопатки соплового аппарата, задние опоры турбин высокого и низкого давления с подшипниками, масляные полости турбин высокого и низкого давления, сообщенные между собой через систему отверстий, выполненных в цапфе диска турбины низкого давления, полости наддува и предмасляные полости турбины высокого и низкого давления, причем предмасляная полость турбины низкого давления посредством воздуховодов, размещенных в задней опоре турбины низкого давления, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость турбины высокого давления сообщена с источником низкотемпературного воздуха, при этом предмасляные полости турбины высокого и низкого давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения с одноименными масляными полостями.

(патент РФ №26819, U1 МПК F02C 7/06, опубл. 20.12.2002 г).

Недостатком данного решения является то, что «горячий» воздух от источника высокотемпературного воздуха с температурой 400-450°С из междисковой полости направляется в полости наддува, далее в предмасляные полости задней опоры турбины высокого давления и задней опоры турбины низкого давления и через масляные подвижные уплотнения поступает в масляную полость, где проходящий воздух нагревает не только масло, но и элементы конструкции масляной опоры, от которых масло нагревается дополнительно. Увеличенный подогрев масла может приводить как к повышению температуры корпуса подшипника, что уменьшает его долговечность, так и способствует коксообразованию на элементах опоры, что с одной стороны, может приводить к изменению свойств масла, делающего его непригодным для использования, а с другой стороны, может привести к возгоранию кокса и масла на элементах опоры. В результате чего возникает необходимость частой замены масла, а в случае возгорания кокса и уменьшения долговечности подшипника снижает надежность и ресурс работы турбины.

Задача изобретения - повышение экономичности и надежности двигателя.

Технический результат - сохранение свойств использованного масла, повышение надежности подшипника и его долговечности, а также исключение появление кокса и возгорания масла и кокса в процессе эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая раздаточный коллектор с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха, коллектор с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха, междисковую полость, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха, рабочие колеса турбин высокого и низкого давления с рабочими лопатками и дисками, цапфы дисков турбин высокого и низкого давления, лопатки соплового аппарата, задние опоры турбин высокого и низкого давления с подшипниками, масляные полости турбин высокого и низкого давления, сообщенные между собой через систему отверстий, выполненных в цапфе диска турбины низкого давления, полости наддува и предмасляные полости турбины высокого и низкого давления, причем предмасляная полость турбины низкого давления посредством воздуховодов, размещенных в задней опоре турбины низкого давления, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость турбины высокого давления сообщена с источником низкотемпературного воздуха, при этом предмасляные полости турбины высокого и низкого давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения с одноименными масляными полостями, по предложению, она снабжена разделительной перегородкой, размещенной в предмасляной полости турбины высокого давления, каналами, выполненными в задней опоре турбины высокого давления, выпускными отверстиями и термоэкраном, выполненным из двух обечаек, имеющих воздушную прослойку между собой и соединенных друг с другом крепежными элементами, установленным в предмасляной полости турбины низкого давления и образующим с задней опорой турбины высокого давления дополнительный воздуховод, при этом разделительная перегородка делит предмасляную полость турбины высокого давления на две камеры, одна из которых сообщена и с полостью наддува турбины высокого давления и через каналы с предмасляной полостью турбины низкого давления, а другая камера через дополнительный воздуховод и выпускные отверстия сообщена с предмасляной полостью турбины низкого давления.

Наличие разделительной перегородки, размещенной в предмасляной полости турбины высокого давления и разделяющей ее на две камеры, позволяет развести потоки «холодного» и «горячего» воздуха.

Наличие каналов, выполненный в задней опоре турбины высокого давления и сообщение их и с одной из камер в предмасляной полости турбины высокого давления и с предмасляной полостью турбины низкого давления, позволяет направить «горячий» воздух, поступающий из полости наддува турбины высокого давления к предмасляной полости турбины низкого давления, изолировав, таким образом, предмасляную полость турбины высокого давления от поступления «горячего» воздуха, и увеличив процент поступления «холодного» воздуха от источника низкотемпературного воздуха.

Наличие термоэкрана и размещение его в предмасляной полости турбины низкого давления, а также образование дополнительного воздуховода между элементами задней опоры турбины высокого давления и термоэкраном, позволяет изолированно направить «холодный» воздух в предмасляную полость турбины низкого давления, тем самым обеспечивается «омывание» «холодным» воздухом элементов конструкции задней опоры турбины высокого давления, цапфы турбины низкого давления, а также элементов масляных полостей, что существенно снижает их температуру. Следует отметить, что в этом случае в масляные полости турбины высокого и низкого давления через масляно-контактные уплотнения также поступает «холодный» воздух, обеспечивая оптимальный уровень температуры масла.

Выполнение термоэкрана в виде двух обечаек, имеющих воздушную прослойку между собой и соединенных друг с другом крепежными элементами, позволяет, с одной стороны, использовать более прочную конструкцию за счет соединения двух обечаек между собой, а с другой стороны, за счет наличия воздуха внутри обечаек увеличивает термосопротивление термоэкрана и обеспечивает его эффективность по всей его длине.

Наличие выпускных отверстий обеспечивает выдув «холодного» воздуха, проходящего по дополнительному воздуховоду, в предмасляную полость турбины низкого давления, при этом площадью выпускных отверстий можно регулировать процент расхода «холодного» воздуха, поступающего от источника низкотемпературного воздуха.

На фиг. 1 показан продольный разрез охлаждаемой турбины.

На фиг. 2 показано место А фиг. 1.

На фиг. 3 показано место В фиг. 2.

Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя содержит раздаточный коллектор 1 с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха 2, коллектор 3 с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха 4, междисковую полость 5, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха 2, рабочее колесо 6 турбины высокого давления 7 с диском 8 и рабочими лопатками 9, рабочее колесо 10 турбины низкого давления 11 с диском 12 и рабочими лопатками 13. Турбина также содержит цапфы 14 и 15 дисков 8 и 12 соответственно, лопатки соплового аппарата 16 и задние опоры турбин высокого 17 и низкого давления 18 с подшипниками 19 и 20.

Турбина содержит масляную полость 21 турбины высокого давления 7 и масляную полость 22 турбины низкого давления 11, сообщенные между собой через систему отверстий 23, выполненных в цапфе 15 диска 12 турбины низкого давления 11, полости наддува 24 и 25 и предмасляные полости 26 и 27 турбины высокого давления 7 и турбины низкого давления 11 соответственно.

При этом предмасляная полость 27 турбины низкого давления 11 посредством воздуховодов 28, размещенных в задней опоре турбины низкого давления 18, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость 26 турбины высокого давления 7 сообщена с источником низкотемпературного воздуха 4. Предмасляные полости 26 и 27 турбины высокого 7 и низкого 11 давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения 29, 30 и 31 сообщены с одноименными масляными полостями 21 и 22.

Турбина содержит разделительную перегородку 32, размещенную в предмасляной полости 26 турбины высокого давления 7, каналы 33, выполненные в задней опоре турбины высокого давления 17 и термоэкран 34, состоящий из двух обечаек 35 и 36, связанных друг с другом крепежными элементами 37. Также турбина содержит дополнительный воздуховод 38, образованный задней опорой турбины высокого давления 17 и термоэкраном 34.

Разделительная перегородка 32 делит предмасляную полость 26 турбины высокого давления 7 на две камеры 39 и 40. Камера 39 сообщена и с полостью наддува 24 турбины высокого давления 7 и через каналы 33 с предмасляной полостью 27 турбины низкого давления 11. Камера 40 через дополнительный воздуховод 38 и выпускные отверстия 41 сообщена с предмасляной полостью 27 турбины низкого давления 11.

Турбина работает следующим образом.

Для охлаждения турбины и наддува опор турбины воздух от источника высокотемпературного воздуха 2 через раздаточный коллектор 1 и лопатки соплового аппарата 16 поступает в междисковую полость 5 и далее в полости наддува 24 и 25, а из них в предмасляные полости 26 и 27 турбины высокого 7 и низкого 11 давления соответственно.

Одновременно более холодный воздух от источника низкотемпературного воздуха 4 через коллектор 3 поступает в предмасляную полость 26 турбины высокого давления 7.

Разделительная перегородка 32, размещенная в предмасляной полости 26 турбины высокого давления 7, разделяет воздух на поток «горячего» воздуха, поступающего из полости наддува 24 турбины высокого давления 7 в камеру 39, где в дальнейшем через каналы 33, выполненные в задней опоре турбины высокого давления 17, попадает в предмасляную полость 27 турбины низкого давления 11, и на поток «холодного» воздуха, поступающего в камеру 40, который попадает и в масляную полость 21 через масляное подвижное уплотнение 29 и в дополнительный воздуховод 38, образованный задней опорой турбины высокого давления 17 и термоэкраном 34.

Проходя по дополнительному воздуховоду 38, «холодный» воздух омывает конструктивные элементы задней опоры турбины высокого давления 17, цапфы 15 турбины низкого давления 11, а также элементов масляных полостей 21 и 22, уменьшает передачу тепла от элементов конструкции к маслу, тем самым снижая уровень температуры масла в масляных полостях 21 и 22.

Далее «холодный» воздух через выпускные отверстия 41 поступает в предмасляную полость 27 турбины низкого давления 11, где одна его часть через масляное подвижное уплотнение 30 попадает в масляную полость 21 турбины высокого давления 7, а другая его часть смешивается с «горячим» воздухом, поступающим из полости наддува 25 турбины низкого давления 11 и из камеры 39 предмасляной полости 26 турбины высокого давления 7. Значительная часть воздуха, поступившего в предмасляную полость 27 турбины низкого давления 11, через воздуховоды 28, размещенные в задней опоре турбины низкого давления 18, выбрасывается в атмосферу, а небольшое его количество поступает в масляную полость 22 турбины низкого давления 11 через масляное подвижное уплотнение 31.

Поскольку масляные полости 21 и 22 турбины высокого 7 и низкого 11 давления сообщены между собой системой отверстий 23, то в масляных полостях 21 и 22 устанавливается средний уровень температуры масла, на который в значительной мере оказывает влияние «холодный» воздух от источника низкотемпературного воздуха 4, так как его количество преобладает.

Термоэкран 34, выполненный в виде двух обечаек 35 и 36, имеющих воздушную прослойку между собой и соединенных друг с другом крепежными элементами 37, является теплоизолирующим элементом, который не только разделяет потоки «холодного» и «горячего» воздуха, но и обеспечивает прохождение «холодного» воздуха по дополнительному воздуховоду 38 без существенного подогрева.

Проведенные расчеты показали уменьшение в 1,5 раза подогрева масла в конструкции с размещением разделительной перегородки и термоэкрана по сравнению с исходной конструкцией, что позволяет обеспечить эксплуатацию изделия при высокой температуре окружающей среды, так называемом «тропическом» варианте.

Реализация данного изобретения за счет снижения температуры масла обеспечивает стабильность его свойств и дальнейшее многократное использование в линии подвода масла к подшипникам опоры, улучшение условий работы подшипников турбины высокого и низкого давления и, как следствие, повышение их ресурса и долговечности, а также исключение образования кокса на элементах конструкции опоры турбины.

Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя содержит раздаточный коллектор с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха, коллектор с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха, междисковую полость, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха, рабочие колеса турбин высокого и низкого давления, задние опоры турбин высокого и низкого давления с подшипниками; масляные полости турбин высокого и низкого давления сообщены между собой через систему отверстий, выполненных в цапфе диска турбины низкого давления; полости наддува и предмасляные полости турбины высокого и низкого давления. Предмасляная полость турбины низкого давления посредством воздуховодов, размещенных в задней опоре турбины низкого давления, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость турбины высокого давления сообщена с источником низкотемпературного воздуха. Предмасляные полости турбины высокого и низкого давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения с одноименными масляными полостям. Охлаждаемая турбина снабжена разделительной перегородкой, размещенной в предмасляной полости турбины высокого давления, каналами, выполненными в задней опоре турбины высокого давления, выпускными отверстиями и термоэкраном. Термоэкран выполнен из двух обечаек, имеющих воздушную прослойку между собой, установлен в предмасляной полости турбины низкого давления и образует с задней опорой турбины высокого давления дополнительный воздуховод. Разделительная перегородка делит предмасляную полость турбины высокого давления на две камеры, одна из которых сообщена и с полостью наддува турбины высокого давления, и через каналы с предмасляной полостью турбины низкого давления, а другая камера через дополнительный воздуховод и выпускные отверстия сообщена с предмасляной полостью турбины низкого давления. Изобретение направлено на повышение экономичности и надежности двигателя. 3 ил.

Охлаждаемая турбина двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая раздаточный коллектор с узлом для соединения с источником высокотемпературного воздуха, коллектор с узлом для соединения с источником низкотемпературного воздуха, междисковую полость, сообщенную с источником высокотемпературного воздуха, рабочие колеса турбин высокого и низкого давления с рабочими лопатками и дисками, цапфы дисков турбин высокого и низкого давления, лопатки соплового аппарата, задние опоры турбин высокого и низкого давления с подшипниками, масляные полости турбин высокого и низкого давления, сообщенные между собой через систему отверстий, выполненных в цапфе диска турбины низкого давления, полости наддува и предмасляные полости турбины высокого и низкого давления, причем предмасляная полость турбины низкого давления посредством воздуховодов, размещенных в задней опоре турбины низкого давления, сообщена с атмосферой, а предмасляная полость турбины высокого давления сообщена с источником низкотемпературного воздуха, при этом предмасляные полости турбины высокого и низкого давления сообщены друг с другом и через масляные подвижные уплотнения с одноименными масляными полостями, отличающаяся тем, что она снабжена разделительной перегородкой, размещенной в предмасляной полости турбины высокого давления, каналами, выполненными в задней опоре турбины высокого давления, выпускными отверстиями и термоэкраном, выполненным из двух обечаек, имеющих воздушную прослойку между собой и соединенных друг с другом крепежными элементами, установленным в предмасляной полости турбины низкого давления и образующим с задней опорой турбины высокого давления дополнительный воздуховод, при этом разделительная перегородка делит предмасляную полость турбины высокого давления на две камеры, одна из которых сообщена и с полостью наддува турбины высокого давления, и через каналы с предмасляной полостью турбины низкого давления, а другая камера через дополнительный воздуховод и выпускные отверстия сообщена с предмасляной полостью турбины низкого давления.