Способ охлаждения соплового аппарата турбины высокого давления (ТВД) газотурбинного двигателя (ГТД) и сопловый аппарат ТВД ГТД (варианты) Российский патент 2019 года по МПК F01D5/18 

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно, к способу охлаждения соплового аппарата турбины высокого давления газотурбинного двигателя (ГТД) в составе газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата.

Известен способ охлаждения соплового аппарата, включающий систему охлаждения турбины двигателя, содержащую многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, аппарат закрутки и каналы охлаждения, при этом каждый канал воздуховода образован перфорированным дефлектором, установленным в сопловой лопатке вдоль ее внутренней поверхности (RU 2196239 С2, опубл. 10.01.2003).

Известен способ охлаждения соплового аппарата, включающего охлаждение сопловых лопаток газовой турбины, установленных верхними полками в наружном кольце и образуют с ним переднюю и заднюю полости, которые на входе через каналы сообщаются с полостью подвода охлаждающего воздуха, а на выходе - с полостями сопловых лопаток (RU 2211926 С2, опубл. 10.09.2003).

Известен способ охлаждения соплового аппарата, включающего охлаждаемую сопловую лопатку газовой турбины, содержащую разделенные перегородкой первую полость со стороны входной кромки и вторую полость со стороны выходной кромки. Во второй полости установлен дефлектор (RU 2237811 С1, опубл. 10.10.2004).

Известен способ охлаждения соплового аппарата, включающего сопловые лопатки охлаждаемой турбины, выполненные в виде конструктивного элемента, ограниченного верхней и нижней полками. Лопатки выполнены с вогнутой и выпуклой стенками пера, содержат раздаточные полости и дефлекторы с образованием охлаждающих каналов. Стенки лопатки и охлаждающий дефлектор выполнены с перфорационными отверстиями (RU 2514818 С1, опубл. 10.05.2014).

К недостаткам известных решений относятся повышенная конструктивная сложность соплового аппарата, недостаточная конструктивная проработанность системы охлаждения наиболее теплонапряженных участков соплового аппарата, неадаптированность конкретно к техническим решениям ГТД газоперекачивающего агрегата, сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД и ресурса двигателя с одновременным повышением компактности и снижением материало- и энергоемкости.

Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в повышении эффективности охлаждения лопаток соплового аппарата и ротора ТВД стационарного газотурбинного двигателя авиационного типа в составе газоперекачивающих агрегатов для транспортировки газа или в газотурбинной электростанции.

Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения соплового аппарата турбины высокого давления (ТВД) газотурбинного двигателя (ГТД) в составе газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), согласно изобретению, охлаждению подвергают сопловый аппарат ТВД, который включает сопловый венец, состоящий из сопловых блоков, установленных в последнем с угловой частотой γ_бл., определенной в диапазоне значений γ_бл.=(1,91÷2,70) [ед/рад], а также охватывающие сопловый венец наружное и внутреннее кольца, примыкающие к ним на входе большое и малое воздухозаборные кольца и аппарат закрутки воздуха, причем сопловый блок содержит не менее трех лопаток, выполненных полыми, с аэродинамическим профилем, за одно целое с большой и малой полками и наделенные радиально ориентированной перегородкой, разделяющей внутренний объем пера на переднюю и заднюю полости, снабженные дефлекторами, при этом теплонапряженные элементы СА охлаждают двумя потоками воздуха -вторичным потоком воздуха камеры сгорания (КС), имеющим температуру, более низкую температуры первичного потока рабочего тела из жаровой трубы КС, и охлаждающим воздухом, который подают от воздуховоздушного теплообменника (ВВТ), причем поверхности полок блоков соплового венца, выходящие в проточную часть СА, омывают настильными струями охлаждающего воздуха вторичного потока КС, подаваемого через щелевые отверстия воздушных трактов большого и малого воздухозаборных колец, а внутрь большой полки соплового блока охлаждающий воздух КС поступает через фронтальный ряд отверстий в наружном кольце СА, заполняет расположенную под наружным кольцом надэкранную полость полки и, разделяясь на две части, одной частью проникает через группы отверстий экрана в подэкранную полость, целенаправленно охлаждая наиболее теплонапряженные участки днища большой полки с выходом нагретого воздуха через выпускные отверстия полки в общий поток рабочего тела, другой частью поток охлаждающего воздуха из надэкранной полости поступает в воздушный тракт передних полостей лопаток соплового блока, заполняет объем диагонально усеченного дефлектора, и выходя из дефлектора, открытого с фронта, поток охлаждающего воздуха обдувает изнутри входную кромку пера, которую наделяют перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий, с последующим выходом нагретого теплосъемом воздуха в общий поток рабочего тела, при этом съем избыточной теплоты с передней части спинки и корыта пера лопатки производят встречным фронтальному потоком охлаждающего воздуха, поступающего через отверстия - фронтальное щелевое в стенке и затем фигурное в цилиндрически изогнутом элементе малой полки в диагонально ограниченную дефлектором переднюю полость с уменьшением площади F_вх.м.п. поперечного сечения канала воздушного тракта передней полости лопатки до F_min=0 к периферийному сечению пера лопатки, из которой нагретый теплосъемом воздух отводят в общий поток рабочего тела посредством не менее чем двух рядов отверстий в спинке и не менее чем четырех рядов отверстий в корыте передней части пера лопатки, а другой поток охлаждающего воздуха подают от ВВТ через тыльный ряд отверстий в наружном кольце СА в примыкающие к последнему входные патрубки непосредственно в задние полости лопаток с образованием разветвленного воздушного тракта, для чего задняя полость лопатки снабжена дефлектором, выполняющим две функции: охлаждения меньшей частью потока задней полости лопатки и пропуска с минимальным нагревом большей части потока воздуха для охлаждения ротора ТВД, при этом первую из указанных функций реализуют, пропуская охлаждающий воздух через систему перфорационных отверстий в боковых поверхностях указанного дефлектора, с суммарной площадью ∑F_о.д.з.п. проходного сечения, определенной в диапазоне значений ∑F_о.д.з.п.=(34,3÷49,4)⋅10^-6 [м²], обеспечивая тем самым съем избыточной теплоты с задней полости лопаток, после чего поток пропускают в охлаждающую матрицу и далее в расположенную за ней систему не менее чем из двух параллельных рядов выступов, расположенных под углами один к другому, и через прерывистую щель в выходной кромке пера отводят в общий поток рабочего тела, а для реализации второй функции предназначено основное проходное сечение дефлектора площадью F_п.с.д., превышающее суммарную площадь ∑F_о.д.з.п. отверстий не менее чем в 4,8 раза.

При этом дефлектор передней полости лопатки для обеспечения теплосъема встречными потоками могут выполнять в виде пластинки, диагонально согнутой по внутреннему профилю передней полости с зазором у стенок полости и уменьшением площади проходного сечения от F_{вх.б.п.max} эффективного входного сечения в направлении от большой к малой полке СА до F_{вх.б.п.min}=0, а входную кромку пера лопатки наделяют перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий, три средних ряда из которых сосредоточены в зоне входной кромки пера и ориентированы осями отверстий вдоль оси турбины в проекции на осевую плоскость, параллельную поперечному сечению лопатки, а также наклонены к оси турбины под углом α_вх.кр., определенном в диапазоне значений α_вх.кр.=(0,63÷0,89) [рад], и выполнены с диаметрами, не менее чем в 1,3 раза превышающими диаметры отверстий двух пар других рядов, попарно симметрично отклоненных в поперечном сечении входной кромки пера на угол не менее 0,7 [рад] от осевой плоскости симметрии трех средних рядов.

Сопловые блоки могут быть разъемно прикреплены к наружному кольцу двумя рядами крепежных элементов, установленных в количестве по числу межлопаточных каналов в каждом ряду с угловой частотой γ_н.к в сопловом венце, определенной в диапазоне значений γ_н.к=(5,73÷8,12) [ед/рад].

Поставленная задача в части соплового аппарата турбины высокого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА решается тем, что согласно изобретению в процессе работы ГТД сопловый аппарат ТВД охлаждают описанным выше способом.

Поставленная задача в части способа охлаждения соплового аппарата турбины высокого давления газотурбинного двигателя в составе газотурбинной установки ГТУ ГПА по второму варианту решается тем, что согласно изобретению охлаждению подвергают сопловый аппарат ТВД, который включает сопловый венец, состоящий из сопловых блоков, установленных в последнем с угловой частотой γ_бл., определенной в диапазоне значений γ_бл.=(1,91÷2,70) [ед/рад], а также наружное и внутреннее кольца, примыкающие к ним на входе большое и малое воздухозаборные кольца и аппарат закрутки воздуха, причем сопловый блок содержит не менее трех лопаток, выполненных полыми, с аэродинамическим профилем, за одно целое с большой и малой полками и наделенные радиально ориентированной перегородкой, разделяющей внутренний объем пера на переднюю и заднюю полости, снабженные дефлекторами, при этом теплонапряженные элементы СА охлаждают двумя потоками воздуха - вторичным потоком воздуха КС, имеющим температуру, более низкую температуры первичного потока рабочего тела из жаровой трубы КС, и охлаждающим воздухом, который подают от ВВТ, причем поверхности полок блоков соплового венца, выходящие в проточную часть СА, омывают настильными струями охлаждающего воздуха из вторичного потока КС, подаваемого через щелевые отверстия воздушных трактов большого и малого воздухозаборных колец, а внутрь большой полки охлаждающий воздух КС поступает через фронтальный ряд отверстий в наружном кольце СА, заполняет расположенную под наружным кольцом надэкранную полость большой полки и, разделяясь на две части, одной частью проникает через группы отверстий экрана в подэкранную полость, целенаправленно охлаждая наиболее теплонапряженные участки днища большой полки, локализованно расположенные по площади днища, после чего нагретый воздух выходит через выпускные отверстия полки в общий поток рабочего тела, при этом наиболее протяженные группы отверстий в экране большой полки, размещенные в зоне, примыкающей к входным патрубкам задней полости лопаток, выполняют с суммарной площадью каждой из групп отверстий указанного типа ∑F_{1кор.з.п..}, определенной в диапазоне значений ∑F_{1кор.з.п..}=(17,7÷24,9)⋅10^-6 [м²]; другие группы отверстий, размещенные не менее чем у двух смежных тыльных бобышек для крепежных элементов и входных патрубков задней полости лопаток, выполняют с суммарной площадью отверстий в группе, определенной в диапазоне значений ∑F_{2кор.з.п..}=(4,4÷6,5)⋅10^-6 [м²]; третью группу отверстий в экране, включающую от двух до семи отверстий в группе, расположенных в зоне тупых и острого углов экрана, а также вдоль тыльной стенки большой полки, выполняют с суммарной площадью отверстий групп указанного типа ∑F_{3кор.з.п..}, определенной в диапазоне значений ∑F_{1кор.з.п..}=(4,1÷6,2)⋅10^-6 [м²]; другой частью поток охлаждающего воздуха из надэкранной полости поступает в воздушный тракт передних полостей лопаток, заполняет объем диагонально усеченного дефлектора, и выходя из дефлектора, открытого с фронта, поток охлаждающего воздуха обдувает изнутри указанным потоком входную кромку пера, с последующим выходом нагретого теплосъемом воздуха через отверстия во входной кромке лопатки в общий поток рабочего тела, при этом съем избыточной теплоты с передней части спинки и корыта пера лопатки производят встречным фронтальному потоком охлаждающего воздуха КС, поступающего через отверстия - фронтальное щелевое в стенке и затем фигурное в цилиндрическом элементе малой полки в диагонально ограниченную дефлектором переднюю, из которой нагретый теплосъемом воздух через отверстия в спинке и корыте пера лопатки отводят в общий поток рабочего тела, а другой поток охлаждающего воздуха от ВВТ подают через тыльный ряд отверстий в наружном кольце СА в примыкающие к последнему радиально пролонгированные входные патрубки непосредственно в задние полости лопаток с образованием разветвленного воздушного тракта для охлаждения меньшей частью потока задней полости лопатки и пропуска с минимальным нагревом большей части потока воздуха для охлаждения ротора ТВД.

При этом отвод нагретого теплосъемом воздуха, охлаждающего теплонапряженные участки поверхности большой полки, могут осуществлять через группы отводящих прямолинейных ребер, ориентированных нормально к касательной охлаждаемого участка большой полки, и охватывающих их криволинейных ребер высотой, превышающей высоту прямолинейных, с возможностью отвода отработанного по теплосъему воздуха к выходу в проточную часть СА.

Внутрь малой полки для охлаждения внутренней стороны последней охлаждающий воздух КС может поступать из тракта малого воздухозаборного кольца через входное щелевое отверстие в стенке малой полки во фронтальную часть полости малой полки, а охлаждение остальной части малой полки осуществляют потоком воздуха из задней полости лопатки, направленным на охлаждение ротора ТВД.

Дефлектор передней полости лопатки для обеспечения теплосъема встречными потоками могут выполнять в виде пластинки, диагонально согнутой по внутреннему профилю передней полости с зазором у стенок полости и уменьшением площади проходного сечения от F_{вх.б.п.max} эффективного входного сечения в направлении от большой к малой полке СА до F_{вх.б.п.min}=0, при этом входную кромку пера лопатки наделяют перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий, а нагретый теплосъемом воздух с передней части спинки и корыта пера лопатки отводят в общий поток рабочего тела посредством не менее чем двух рядов отверстий в спинке и не менее чем четырех рядов отверстий в корыте передней части пера лопатки, сгруппированных попарно.

Поставленная задача в части соплового аппарата турбины высокого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА по второму варианту решается тем, что согласно изобретению в процессе работы ГТД сопловый аппарат ТВД охлаждают описанным выше способом.

Технический результат, достигаемый группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, заключается в повышении эффективности охлаждения сопловых блоков и ротора ТВД за счет выравнивания температурного поля наиболее теплонапряженных участков соплового аппарата ТВД. Это достигают за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров сопловых блоков, позволяющих пропускать охлаждающий поток воздуха через многоканальный тракт воздушного охлаждения соплового аппарата, включающий канал охлаждения входной кромки лопатки, канал охлаждения стенок спинки и корыта пера лопатки в осевом интервале передней полости лопатки, канал охлаждения задней части лопатки с пропуском и направлением большей части потока на охлаждение ротора ТВД и канала охлаждения полок соплового блока с внутренней стороны проточной части СА настильными струями, обеспечивая тем самым повышение ресурса сопловой лопатки и эксплуатационных характеристик соплового аппарата ТВД в целом, а также достигают надежности, экономичности и долговечности работы двигателя в процессе его эксплуатации в составе газоперекачивающих агрегатов.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен сопловый аппарат ТВД ГТД, поперечный разрез;

на фиг. 2 - блок соплового аппарата, вид спереди по ходу рабочего тела;

на фиг. 3 - большая полка блока соплового аппарата, вид сверху;

на фиг. 4 - лопатка соплового аппарата, продольный разрез;

на фиг. 5 - лопатка соплового аппарата, поперечный разрез.

Сопловый аппарат 1 турбины 2 высокого давления газотурбинного двигателя в составе газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата включает сопловый венец. Сопловый венец содержит сопловые блоки 3, установленные в венце с угловой частотой γ_бл., определенной в диапазоне значений

γ_бл.=N_бл./2π=(1,91÷2,70) [ед/рад], где N_бл. - число сопловых блоков.

Каждый блок 3 содержит не менее трех лопаток 4, выполненных за одно целое с большой и малой полками 5 и 6. Лопатка 4 выполнена полой, с аэродинамическим профилем, наделенным выпуклой спинкой 7 и вогнутым корытом 8, соединенные через входную и выходную кромки 9 и 10. Лопатка 4 наделена радиально ориентированной перегородкой 11, которая разделяет внутренний объем пера на переднюю полость 12 и заднюю полость 13. В полости 12 и 13 лопаток 4 устанавливают дефлекторы 14 и 15.

В состав С А входят также наружное и внутреннее кольца 16 и 17, охватывающие соответственно большие и малые полки 5 и 6 блоков 3 соплового венца, а также большое и малое воздухозаборные кольца 18 и 19, примыкающие к кольцам 16 и 17 на входе и аппарат 20 закрутки воздуха из вторичного потока камеры 21 сгорания, подаваемого на охлаждение теплонапряженных элементов СА и далее через СА и аппарат 20 закрутки на охлаждение теплонапряженных элементов ротора ТВД.

В предлагаемом способе охлаждения СА по первому варианту охлаждению подвергают теплонапряженные элементы соплового аппарата двумя потоками воздуха - вторичным потоком воздуха камеры 21 сгорания, имеющим температуру, более низкую температуры первичного потока рабочего тела - газовой смеси из жаровой трубы 22 камеры 21 сгорания, и охлаждающим воздухом, который подают от ВВТ (на чертежах не показано).

Поверхности полок 5 и 6 блоков 3 соплового венца, выходящие в проточную часть 23 СА, омывают настильными струями охлаждающего воздуха вторичного потока камеры 21 сгорания, подаваемого через воздушные тракты большого и малого воздухозаборных колец 18 и 19.

Наружное кольцо 16 СА снабжено два рядами отверстий 24 и 25 для подачи охлаждающего воздуха на охлаждение лопатки 4 из вторичного потока камеры 21 сгорания и потока воздуха от ВВТ соответственно. При этом в большую полку 5 соплового блока 3 охлаждающий воздух вторичного потока КС поступает через фронтальное отверстие 24 и заполняет расположенную под наружным кольцом 16 надэкранную полость 26 большой полки 5. В надэкранной полости 26 фронтальный поток воздуха разделяется на две части. Одной частью поток охлаждающего воздуха КС проникает через группы отверстий 27, 28, 29 экрана 30 в подэкранную полость 31, целенаправленно охлаждая наиболее теплонапряженные участки днища 32 большой полки 5 с выходом нагретого теплосъемом воздуха через выпускные отверстия (на чертежах не показано) большой полки 5 в общий поток рабочего тела. Другой частью поток охлаждающего воздуха КС поступает в воздушный тракт передних полостей 12 сопловых лопаток 4, динамично заполняя объем диагонально усеченного дефлектора 14, и выходя из дефлектора 14, открытого с фронта, поток охлаждающего воздуха обдувает изнутри входную кромку 9 пера лопатки 4. Входная кромка 9 лопатки наделена перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий 33, 34, через которые нагретый теплосъемом воздух поступает в первичный поток рабочего тела из КС в проточную часть ТВД. Съем избыточной теплоты с передней части спинки 7 и корыта 8 пера лопатки 4 производят встречным фронтальному потоком охлаждающего воздуха КС, поступающим через отверстия - фронтальное щелевое отверстие 35 в стенке и затем фигурное отверстие 36 в цилиндрически изогнутом элементе малой полки 6 в диагонально ограниченную дефлектором 14 полость 12 с уменьшением площади F_вх.м.п. поперечного сечения канала воздушного тракта передней полости 12 пера до F_min=0 к периферийному сечению пера лопатки. Из передней полости 12 лопатки 4 нагретый теплосъемом воздух отводят в общий поток рабочего тела посредством не менее чем двух рядов отверстий 37 в спинке 7 и не менее чем четырех рядов отверстий 38, 39 в корыте 8 передней части пера лопатки 4, сгруппированных попарно.

Второй тыльный поток охлаждающего воздуха от ВВТ подают через тыльный ряд отверстий 25 в наружном кольце 16 СА в примыкающие к последнему входные патрубки 40 непосредственно в задние полости 13 лопаток 4 с образованием разветвленного воздушного тракта. Для чего задняя полость 13 лопатки 4 снабжена дефлектором 15, выполняющим две функции: охлаждения меньшей частью потока задней полости 13 лопатки 4 и пропуска с минимальным нагревом большей части потока воздуха для охлаждения ротора ТВД. Первую функцию дефлектора 15 задней полости 13 лопатки реализуют, пропуская охлаждающий воздух через систему перфорационных отверстий 41 в боковых поверхностях дефлектора, суммарная площадь ∑F_о.д.з.п. которых составляет ∑F_о.д.з.л.=(34,3÷49,4)⋅10^-6 [м²], обеспечивая тем самым съем избыточной теплоты с задней полости 13 лопаток 4. Затем поток воздуха пропускают в охлаждающую матрицу 42 и далее в расположенную за ней систему не менее чем из двух параллельных рядов выступов 43, расположенных под углами один к другому, и через прерывистую щель 44 в выходной кромке 10 пера отводят в общий поток рабочего тела. Для реализации второй функции - пропуска с минимальным нагревом большей части потока воздуха для охлаждения ротора ТВД предназначено основное проходное сечение дефлектора 15 площадью F_п.с.д., превышающей суммарную площадь ∑F_о.д.з.п. отверстий 40 не менее чем в 4,8 раза.

Дефлектор 14 передней полости 12 лопатки для обеспечения теплосъема встречными потоками выполняют в виде пластинки, диагонально согнутой по внутреннему профилю передней полости 12 с зазором у стенок полости и уменьшением площади проходного сечения от F_{вх.б.п.max} эффективного входного сечения в направлении от большой полки 5 к малой полке 6 до F_{вх.б.п.min}=0. Входную кромку 9 лопатки 4 наделяют перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий 33, 34. Три средних ряда отверстий 33 сосредоточены в зоне входной кромки 9 пера и ориентированы осями отверстий вдоль оси турбины в проекции на осевую плоскость, параллельную поперечному сечению лопатки. Отверстия 33 наклонены к оси турбины под углом α_вх.кр., определенном в диапазоне значений α_вх.кр.=(0,63÷0,89) [рад]. Отверстия 33 выполнены с диаметрами, не менее чем в 1,3 раза превышающими диаметры отверстий 34 двух пар других рядов, которые попарно симметрично отклонены в поперечном сечении входной кромки 9 пера на угол не менее 0,7 [рад] от осевой плоскости симметрии трех средних рядов.

Сопловые блоки 3 разъемно прикреплены к наружному кольцу 16 двумя рядами крепежных элементов 45, установленным с угловой частотой γ_н.к. в каждом ряду по числу межлопаточных каналов в сопловом венце, определенной в диапазоне значений γ_н.к.=(5,73÷8,12) [ед/рад].

В процессе работы ГТД сопловый аппарат ТВД охлаждают описанным выше способом по первому варианту охлаждения соплового аппарата.

По второму варианту способа охлаждения СА охлаждают теплонапряженные элементы СА при этом теплонапряженные элементы СА охлаждают двумя потоками воздуха - вторичным потоком воздуха камеры 21 сгорания, имеющим температуру, более низкую температуры первичного потока рабочего тела из жаровой трубы КС, и охлаждающим воздухом, который подают от ВВТ. Поверхности полок 5 и 6 блоков 3 соплового венца, выходящие в проточную часть 23 СА, омывают настильными струями охлаждающего воздуха вторичного потока КС, подаваемого через воздушные тракты большого и малого воздухозаборных колец 18 и 19.

В большую полку 5 соплового блока 3 охлаждающий воздух КС поступает через фронтальное отверстие 24 и заполняет расположенную под наружным кольцом 16 надэкранную полость 26 большой полки 5. В надэкранной полости 26 фронтальный поток воздуха разделяется на две части. Одной частью поток охлаждающего воздуха проникает через группы отверстий 27, 28, 29 экрана 30 в подэкранную полость 31, целенаправленно охлаждая наиболее теплонапряженные участки днища 32 большой полки 5, локализованно расположенные по площади днища, с выходом нагретого теплосъемом воздуха через выпускные отверстия (на чертежах не показано) большой полки 5 в общий поток рабочего тела.

Наиболее протяженные группы отверстий 27 в экране 30 большой полки 5, размещенные в зоне, примыкающей к входным патрубкам 40 задней полости 13 лопаток 4, выполняют с суммарной площадью каждой из групп отверстий указанного типа ΣF_{1кор.з.п..}, определенной в диапазоне значений ΣF_{1кор.з.п..}=(17,7÷24,9)⋅10^-6 [м²].

Группы отверстий 28, размещенные не менее чем у двух смежных тыльных бобышек 46 для крепежных элементов 44 и входных патрубков 40 задней полости 13 лопаток 4, выполняют с суммарной площадью отверстий в группе, определенной в диапазоне значений ΣF_{2кор.з.п..}=(4,4÷6,5)⋅10^-6 [м²];

Третью группу отверстий 29 в экране, включающую от двух до семи отверстий в группе, расположенных в зоне тупых и острого углов экрана 30, а также вдоль тыльной стенки большой полки 5, выполняют с суммарной площадью отверстий групп указанного типа ΣF_{3кор.з.п..}, определенной в диапазоне значений ΣF_{1кор.з.п..}=(4,1÷6,2)⋅10^-6 [м²].

Другой частью поток охлаждающего воздуха КС поступает в воздушный тракт передних полостей 12 сопловых лопаток 4, динамично заполняя объем диагонально усеченного дефлектора 14, и выходя из дефлектора 14, открытого с фронта, поток охлаждающего воздуха обдувает изнутри входную кромку 9 пера лопатки 4 с последующим выходом нагретого теплосъемом воздуха в общий поток рабочего тела через перфорационные отверстия 33, 34, во входной кромке. Съем избыточной теплоты с передней части спинки 7 и корыта 8 пера лопатки 4 производят встречным фронтальному потоком охлаждающего воздуха, поступающим через отверстия - фронтальное щелевое отверстие 35 в стенке и затем фигурное отверстие 36 в цилиндрически изогнутом элементе малой полки 6 в диагонально ограниченную дефлектором 14 полость 12. Из передней полости 12 лопатки 4 нагретый теплосъемом воздух отводят в общий поток рабочего тела посредством не менее чем двух рядов отверстий 37 в спинке 7 и не менее чем четырех рядов отверстий 38, 39 в корыте 8 передней части пера лопатки 4, сгруппированных попарно. Второй тыльный поток охлаждающего воздуха от ВВТ подают через тыльный ряд отверстий 25 в наружном кольце 16 СА в примыкающие к последнему входные патрубки 40 непосредственно в задние полости 13 лопаток 4 с образованием разветвленного воздушного тракта. Для чего задняя полость 13 лопатки 4 снабжена дефлектором 15, выполняющим две функции: охлаждения меньшей частью потока задней полости 13 лопатки 4 и пропуска с минимальным нагревом большей части потока воздуха для охлаждения ротора ТВД.

Отвод отработанного воздуха, охлаждающего теплонапряженные участки поверхности большой полки 5, осуществляют через группы отводящих прямолинейных ребер (на чертежах не показано), ориентированных нормально к касательной охлаждаемого участка большой полки, и охватывающих их криволинейных ребер высотой, превышающей высоту прямолинейных ребер, с возможностью отвода отработанного по теплосъему воздуха к выходу в проточную часть СА.

Внутрь малой полки 6 для охлаждения внутренней стороны последней охлаждающий воздух КС поступает из тракта малого воздухозаборного кольца 19 через входное щелевое отверстие 35 в стенке малой полки 6 во фронтальную часть полости малой полки. Охлаждение остальной части полости 47 малой полки 6 осуществляют потоком воздуха из задней полости 13 лопатки 4, направленным на охлаждение ротора ТВД.

В процессе работы ГТД сопловый аппарат ТВД охлаждают описанным выше способом по второму варианту охлаждения соплового аппарата.

Охлаждают сотовый аппарат следующим образом.

Из вторичного потока камеры 21 сгорания охлаждающий воздух через фронтальные отверстия 24 в наружном кольце СА заполняет надэкранную полость 13 большой полки 2, разделяясь на две части. Одной частью поток охлаждающего воздуха проникает через группы отверстий 27, 28, 29 экрана 30 в подэкранную полость 31, охлаждая наиболее теплонапряженные участки днища 32 большой полки 5. Нагретый теплосъемом воздух через выпускные отверстия большой полки 5 выходит в общий поток рабочего тела.

Другая часть потока поступает во фронтальную часть передней полости 12 лопатки 4, заполняет объем дефлектора 14. Выходя из дефлектора 14, поток воздуха обдувает входную кромку 9 пера лопатки 4, охлаждая ее изнутри, с последующим выходом нагретого теплосъемом воздуха через перфорационные отверстия 33, 34 во входной кромке 9 в общий поток рабочего тела. Одновременно через тыльные отверстия 25 в наружном кольце СА охлаждающий воздух от ВВТ через входной патрубок 40 поступает в заднюю полость 13 лопатки. Из задней полости 13 лопатки 4 большая часть потока воздуха (~70%) с минимальным нагревом поступает в полость 47 малой полки 6, охлаждая ее при этом, и через выходной патрубок 48 направляется на охлаждения ротора ТВД. Остальная часть потока, проходя через перфорационные отверстия 41 в дефлекторе 15, поступает в охлаждающую вихревую матрицу 42 и через прерывистую щель 44 в выходной кромке 10 пера отводят в общий поток рабочего тела, охлаждая при этом тыльную часть лопатки в осевом интервале задней полости 13 лопатки 1. С фронтальной части лопатки 1 съем избыточной теплоты производят встречным потоком охлаждающего воздуха, который поступает через щелевое отверстие 35 в стенке малой полке 6 в переднюю полость 12, охлаждая при этом фронтальную часть малой полки 6. Из передней полости 9 лопатки 1 нагретый теплосъемом воздух через перфорационные отверстия 32, 33 и 34 выходит в общий поток рабочего тела, охлаждая при этом стенки спинки 4 и корыта 5 пера в осевом интервале передней полости 9 лопатки. Для охлаждения поверхности полок 5 и 6 блоков 3 соплового венца, выходящих в проточную часть 23 СА, охлаждающий воздух КС поступает через щелевые отверстия 49 и 50 соответственно большого и малого воздухозаборных колец 18 и 19, омывая полки настильными струями.

Для реализации охлаждения меньшей частью потока тыльной части лопатки система перфорационных отверстий 25 в боковых поверхностях дефлектора 24 задней полости 10 выполнена с суммарной площадью ΣF_о.д.з.п.=42,96⋅10^-6 [м²]. Для реализации пропуска с минимальным нагревом большей части потока для охлаждения ротора ТВД площадь F_п.с.д. основного проходного сечения дефлектора 24 площадью превышает суммарную площадь ΣF_о.з.д. отверстий 25 в 5,5 раза.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров лопаток соплового аппарата достигают повышение эффективности охлаждения теплонапряженных элементов лопаток и полок блока, достигая тем самым повышении эксплуатационных характеристик соплового аппарата ТВД и надежности, экономичности и долговечности работы двигателя в целом в процессе его эксплуатации в составе газоперекачивающих агрегатов для транспортировки газа или в газотурбинной электростанции.

Способ охлаждения соплового аппарата турбины высокого давления осуществляют путем охлаждения наиболее теплонапряженные элементы в лопатках и полках сопловых блоков соплового аппарата двумя потоками воздуха - вторичного потока воздуха камеры сгорания и воздухом от воздуховоздушного теплообменника. Выходящие в проточную часть соплового аппарата поверхности полок блоков омывают настильными струями охлаждающего воздуха камеры сгорания, который поступает из большого и малого воздухозаборных колец. Внутрь большой полки блока охлаждающий воздух поступает через наружное кольцо соплового аппарата. Одной частью поток воздуха проникает через группы отверстий экрана в подэкранную полость и охлаждает днище большой полки. Другой частью поток воздуха из надэкранной полости полки поступает в переднюю полость лопатки, заполняет объем диагонально усеченного дефлектора, и выходя из дефлектора, охлаждает изнутри входную кромку пера, наделенную семью рядами отверстий, разнонаклоненными к потоку рабочего тела. Дефлектор диагонально разделяет спинкой переднюю полость для встречного охлаждения воздухом стенок диагональных частей полости. Съем избыточной теплоты с передней части спинки и корыта пера лопатки производят встречным первому потоком воздуха в переднюю полость, поступающим через щелевое отверстие в малой полке. Спинка и корыто пера лопатки в передней полости наделены двумя и четырьмя рядами отверстий. Поток охлаждающего воздуха от воздуховоздушного теплообменника через наружное кольцо соплового аппарата поступает в заднюю полость лопатки с образованием разветвленного воздушного тракта. Задняя полость лопатки снабжена дефлектором, наделенным перфорационными отверстиями до вихревой матрицы и предназначенным для охлаждения меньшей частью потока задней части лопатки и большей частью потока охлаждения ротора турбины высокого давления. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения теплонапряженных элементов соплового аппарата турбины высокого давления. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ охлаждения соплового аппарата турбины высокого давления (ТВД) газотурбинного двигателя (ГТД) в составе газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), характеризующийся тем, что охлаждению подвергают сопловый аппарат ТВД, который включает сопловый венец, состоящий из сопловых блоков, установленных в последнем с угловой частотой γ_бл., определенной в диапазоне значений γ_бл.=(1,91÷2,70) [ед/рад], а также охватывающие сопловый венец наружное и внутреннее кольца, примыкающие к ним на входе большое и малое воздухозаборные кольца и аппарат закрутки воздуха, причем сопловый блок содержит не менее трех лопаток, выполненных полыми, с аэродинамическим профилем, за одно целое с большой и малой полками и наделенные радиально ориентированной перегородкой, разделяющей внутренний объем пера на переднюю и заднюю полости, снабженные дефлекторами, при этом теплонапряженные элементы СА охлаждают двумя потоками воздуха - вторичным потоком воздуха камеры сгорания (КС), имеющим температуру, более низкую температуры первичного потока рабочего тела из жаровой трубы КС, и охлаждающим воздухом, который подают от воздуховоздушного теплообменника (ВВТ), причем поверхности полок блоков соплового венца, выходящие в проточную часть СА, омывают настильными струями охлаждающего воздуха вторичного потока КС, подаваемого через щелевые отверстия воздушных трактов большого и малого воздухозаборных колец, а внутрь большой полки соплового блока охлаждающий воздух КС поступает через фронтальный ряд отверстий в наружном кольце СА, заполняет расположенную под наружным кольцом надэкранную полость полки и, разделяясь на две части, одной частью проникает через группы отверстий экрана в подэкранную полость, целенаправленно охлаждая наиболее теплонапряженные участки днища большой полки с выходом нагретого воздуха через выпускные отверстия полки в общий поток рабочего тела, другой частью поток охлаждающего воздуха из надэкранной полости поступает в воздушный тракт передних полостей лопаток соплового блока, заполняет объем диагонально усеченного дефлектора, и выходя из дефлектора, открытого с фронта, поток охлаждающего воздуха обдувает изнутри входную кромку пера, которую наделяют перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий, с последующим выходом нагретого теплосъемом воздуха в общий поток рабочего тела, при этом съем избыточной теплоты с передней части спинки и корыта пера лопатки производят встречным фронтальному потоком охлаждающего воздуха, поступающего через отверстия - фронтальное щелевое в стенке и затем фигурное в цилиндрически изогнутом элементе малой полки в диагонально ограниченную дефлектором переднюю полость с уменьшением площади F_вх.м.п. поперечного сечения канала воздушного тракта передней полости лопатки до F_min=0 к периферийному сечению пера лопатки, из которой нагретый теплосъемом воздух отводят в общий поток рабочего тела посредством не менее чем двух рядов отверстий в спинке и не менее чем четырех рядов отверстий в корыте передней части пера лопатки, а другой поток охлаждающего воздуха подают от ВВТ через тыльный ряд отверстий в наружном кольце СА в примыкающие к последнему входные патрубки непосредственно в задние полости лопаток с образованием разветвленного воздушного тракта, для чего задняя полость лопатки снабжена дефлектором, выполняющим две функции: охлаждения меньшей частью потока задней полости лопатки и пропуска с минимальным нагревом большей части потока воздуха для охлаждения ротора ТВД, при этом первую из указанных функций реализуют, пропуская охлаждающий воздух через систему перфорационных отверстий в боковых поверхностях указанного дефлектора, с суммарной площадью ∑F_о.д.з.п. проходного сечения, определенной в диапазоне значений ∑F_о.д.з.п.=(34,3÷49,4)⋅10^-6 [м²], обеспечивая тем самым съем избыточной теплоты с задней полости лопаток, после чего поток пропускают в охлаждающую матрицу и далее в расположенную за ней систему не менее чем из двух параллельных рядов выступов, расположенных под углами один к другому, и через прерывистую щель в выходной кромке пера отводят в общий поток рабочего тела, а для реализации второй функции предназначено основное проходное сечение дефлектора площадью F_п.с.д., превышающее суммарную площадь ∑F_о.д.з.п. отверстий не менее чем в 4,8 раза.

2. Способ охлаждения соплового аппарата ТВД по п. 1, отличающийся тем, что дефлектор передней полости лопатки для обеспечения теплосъема встречными потоками выполняют в виде пластинки, диагонально согнутой по внутреннему профилю передней полости с зазором у стенок полости и уменьшением площади проходного сечения от F_{вх.б.п.max} эффективного входного сечения в направлении от большой к малой полке СА до F_{вх.б.п.min}=0, а входную кромку пера лопатки наделяют перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий, три средних ряда из которых сосредоточены в зоне входной кромки пера и ориентированы осями отверстий вдоль оси турбины в проекции на осевую плоскость, параллельную поперечному сечению лопатки, а также наклонены к оси турбины под углом α_вх.кр., определенном в диапазоне значений α_вх.кр.=(0,63÷0,89) [рад], и выполнены с диаметрами, не менее чем в 1,3 раза превышающими диаметры отверстий двух пар других рядов, попарно симметрично отклоненных в поперечном сечении входной кромки пера на угол не менее 0,7 [рад] от осевой плоскости симметрии трех средних рядов.

3. Способ охлаждения соплового аппарата ТВД по п. 1, отличающийся тем, что сопловые блоки разъемно прикреплены к наружному кольцу двумя рядами крепежных элементов, установленных в количестве по числу межлопаточных каналов в каждом ряду с угловой частотой γ_н.к в сопловом венце, определенной в диапазоне значений γ_н.к=(5,73÷8,12) [ед/рад].

4. Сопловый аппарат турбины высокого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА, характеризующийся тем, что в процессе работы ГТД сопловый аппарат ТВД охлаждают способом по любому из пп. 1-3.

5. Способ охлаждения соплового аппарата турбины высокого давления газотурбинного двигателя в составе газотурбинной установки ГТУ ГПА, характеризующийся тем, что охлаждению подвергают сопловый аппарат ТВД, который включает сопловый венец, состоящий из сопловых блоков, установленных в последнем с угловой частотой γ_бл., определенной в диапазоне значений γ_бл.=(1,91÷2,70) [ед/рад], а также наружное и внутреннее кольца, примыкающие к ним на входе большое и малое воздухозаборные кольца и аппарат закрутки воздуха, причем сопловый блок содержит не менее трех лопаток, выполненных полыми, с аэродинамическим профилем, за одно целое с большой и малой полками и наделенные радиально ориентированной перегородкой, разделяющей внутренний объем пера на переднюю и заднюю полости, снабженные дефлекторами, при этом теплонапряженные элементы СА охлаждают двумя потоками воздуха - вторичным потоком воздуха КС, имеющим температуру, более низкую температуры первичного потока рабочего тела из жаровой трубы КС, и охлаждающим воздухом, который подают от ВВТ, причем поверхности полок блоков соплового венца, выходящие в проточную часть СА, омывают настильными струями охлаждающего воздуха из вторичного потока КС, подаваемого через щелевые отверстия воздушных трактов большого и малого воздухозаборных колец, а внутрь большой полки охлаждающий воздух КС поступает через фронтальный ряд отверстий в наружном кольце СА, заполняет расположенную под наружным кольцом надэкранную полость большой полки и, разделяясь на две части, одной частью проникает через группы отверстий экрана в подэкранную полость, целенаправленно охлаждая наиболее теплонапряженные участки днища большой полки, локализованно расположенные по площади днища, после чего нагретый воздух выходит через выпускные отверстия полки в общий поток рабочего тела, при этом наиболее протяженные группы отверстий в экране большой полки, размещенные в зоне, примыкающей к входным патрубкам задней полости лопаток, выполняют с суммарной площадью каждой из групп отверстий указанного типа ∑F_{1кор.з.п..}, определенной в диапазоне значений ∑F_{1кор.з.п..}=(17,7÷24,9)⋅10^-6 [м²]; другие группы отверстий, размещенные не менее чем у двух смежных тыльных бобышек для крепежных элементов и входных патрубков задней полости лопаток, выполняют с суммарной площадью отверстий в группе, определенной в диапазоне значений ∑F_{2кор.з.п..}=(4,4÷6,5)⋅10^-6 [м²]; третью группу отверстий в экране, включающую от двух до семи отверстий в группе, расположенных в зоне тупых и острого углов экрана, а также вдоль тыльной стенки большой полки, выполняют с суммарной площадью отверстий групп указанного типа ∑F_{3кор.з.п..}, определенной в диапазоне значений ∑F_{1кор.з.п..}=(4,1÷6,2)⋅10^-6 [м²]; другой частью поток охлаждающего воздуха из надэкранной полости поступает в воздушный тракт передних полостей лопаток, заполняет объем диагонально усеченного дефлектора, и выходя из дефлектора, открытого с фронта, поток охлаждающего воздуха обдувает изнутри указанным потоком входную кромку пера, с последующим выходом нагретого теплосъемом воздуха через отверстия во входной кромке лопатки в общий поток рабочего тела, при этом съем избыточной теплоты с передней части спинки и корыта пера лопатки производят встречным фронтальному потоком охлаждающего воздуха КС, поступающего через отверстия - фронтальное щелевое в стенке и затем фигурное в цилиндрическом элементе малой полки в диагонально ограниченную дефлектором переднюю, из которой нагретый теплосъемом воздух через отверстия в спинке и корыте пера лопатки отводят в общий поток рабочего тела, а другой поток охлаждающего воздуха от ВВТ подают через тыльный ряд отверстий в наружном кольце СА в примыкающие к последнему входные патрубки непосредственно в задние полости лопаток с образованием разветвленного воздушного тракта для охлаждения меньшей частью потока задней полости лопатки и пропуска с минимальным нагревом большей части потока воздуха для охлаждения ротора ТВД.

6. Способ охлаждения соплового аппарата ТВД по п. 5, отличающийся тем, что отвод нагретого теплосъемом воздуха, охлаждающего теплонапряженные участки поверхности большой полки, осуществляют через группы отводящих прямолинейных ребер, ориентированных нормально к касательной охлаждаемого участка большой полки, и охватывающих их криволинейных ребер высотой, превышающей высоту прямолинейных, с возможностью отвода отработанного по теплосъему воздуха к выходу в проточную часть СА.

7. Способ охлаждения соплового аппарата ТВД по п. 5, отличающийся тем, что внутрь малой полки для охлаждения внутренней стороны последней охлаждающий воздух КС поступает из тракта малого воздухозаборного кольца через входное щелевое отверстие в стенке малой полки во фронтальную часть полости малой полки, а охлаждение остальной части малой полки осуществляют потоком воздуха из задней полости лопатки, направленным на охлаждение ротора ТВД.

8. Способ охлаждения соплового аппарата ТВД по п. 5, отличающийся тем, что дефлектор передней полости лопатки для обеспечения теплосъема встречными потоками выполняют в виде пластинки, диагонально согнутой по внутреннему профилю передней полости с зазором у стенок полости и уменьшением площади проходного сечения от F_{вх.б.п.max} эффективного входного сечения в направлении от большой к малой полке СА до F_{вх.б.п.min}=0, при этом входную кромку пера лопатки наделяют перфорацией, включающей не менее семи рядов отверстий, а нагретый теплосъемом воздух с передней части спинки и корыта пера лопатки отводят в общий поток рабочего тела посредством не менее чем двух рядов отверстий в спинке и не менее чем четырех рядов отверстий в корыте передней части пера лопатки, сгруппированных попарно.

9. Сопловый аппарат турбины высокого давления газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА, характеризующийся тем, что в процессе работы ГТД сопловый аппарат ТВД охлаждают способом по любому из пп. 5-8.