Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя Российский патент 2021 года по МПК F01D5/08 F01D25/12 F01D11/08 F02C7/18 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к охлаждаемым турбинам для газотурбинных установок.

Известна охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя (далее ГТД), содержащая наружный корпус с раздаточным коллектором и установленные в наружном корпусе сопловые лопатки с наружными полками, колесо с рабочими лопатками, каждая из которых снабжена бандажной полкой с передним и задним зубьями, надроторные вставки, установленные в наружном корпусе в области над рабочими лопатками, с образованием между наружным корпусом и надроторными вставками первой кольцевой полости и контактирующие участками своих внутренних поверхностей с участками наружных поверхностей наружных полок сопловых лопаток, при этом на торцах надроторных вставок, обращенных к наружным полкам сопловых лопаток, выполнено по выступу, над которыми в кольцевой канавке, выполненной в наружном корпусе, установлено разрезное упругое кольцо, кроме того между наружными поверхностями бандажных полок с зубьями, внутренними поверхностями надроторных вставок и торцами наружных полок сопловых лопаток, образована вторая кольцевая полость (ПМ 28187).

Известная конструкция выбрана в качестве прототипа.

В прототипе охлаждается только зона бандажной полки перед единственным зубом. В конструкции наружного корпуса и надроторной вставки не предусмотрено охлаждение зоны бандажной полки за зубом с возможностью использования того же, что и перед зубом или более дешевого воздуха из других полостей ГТД. Кроме того, присутствие на бандажной полке только одного зуба недостаточно эффективно препятствует протетеканию газовоздушной смеси между полками лопаток рабочего колеса и надроторными вставками. Все это снижает надежность рабочего колеса, его ресурс и эффективность турбины ГТД в целом.

Технические результаты изобретения: повышение эффективности охлаждения всей поверхности бандажных полок лопаток рабочего колеса и, как следствие, повышение надежности и ресурса рабочего колеса турбины ГТД в целом.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в известной охлаждаемой турбине ГТД, содержащей наружный корпус с раздаточным коллектором и установленные в наружном корпусе сопловые лопатки с наружными полками, колесо с рабочими лопатками, каждая из которых снабжена бандажной полкой с передним и задним зубьями, надроторные вставки, установленные в наружном корпусе в области над рабочими лопатками, с образованием между наружным корпусом и надроторными вставками первой кольцевой полости и контактирующие участками своих внутренних поверхностей с участками наружных поверхностей наружных полок сопловых лопаток, при этом на торцах надроторных вставок, обращенных к наружным полкам сопловых лопаток, выполнено по выступу, над которыми в кольцевой канавке, выполненной в наружном корпусе, установлено разрезное упругое кольцо, кроме того между наружными поверхностями бандажных полок с зубьями, внутренними поверхностями надроторных вставок и торцами наружных полок сопловых лопаток, образована вторая кольцевая полость, согласно настоящему изобретению, для двухконтурного газотурбинного двигателя между наружными полками сопловых лопаток и надроторными вставками, под упомянутыми осевыми выступами надроторных вставок выполнена третья кольцевая полость, а между наружным корпусом и наружными полками сопловых лопаток выполнена четвертая кольцевая полость, сообщенная с раздаточным коллектором посредством каналов, выполненных в наружном корпусе, а со второй кольцевой полостью - посредством каналов, выполненных в наружных полках сопловых лопаток, при этом в первой кольцевой полости, установлен экран, разделяющий ее на пятую и шестую кольцевые полости, причем пятая кольцевая полость сообщена с проточной частью второго контура газотурбинного двигателя посредством каналов, выполненных в наружном корпусе, а со второй кольцевой полостью - посредством каналов, выполненных в надроторных вставках и направленных в область за задними зубьями бандажных полок, а шестая кольцевая полость сообщена с четвертой кольцевой полостью через последовательно сообщенные друг с другом каналы, выполненные в надроторных вставках, третью кольцевую полость и дополнительные каналы, выполненные в наружных полках сопловых лопаток, а также со второй кольцевой полостью, посредством дополнительных каналов, выполненных в надроторных вставках и направленных в область между передним и задним зубьями бандажных полок.

Совокупность особенностей конструкции наружного корпуса, наружной полки сопловой лопатки и надроторной вставки обеспечивает за счет образования пяти раздельных полостей эффективное охлаждение всей поверхности бандажной полки с подачей там, где требуется высокое давление (перед 1-м и между 1-ми 2-м зубьями) используется дорогой воздух из-за компрессора (в частном случае из думиса), а там, где достаточно пониженного давления (за 2-м зубом), используется более дешевый воздух из второго контура ГТД. Таким образом, повышается надежность и ресурс рабочего колеса турбины, а также надежность и эффективность ГТД в целом.

Предпочтительно выполнение экрана в виде отдельных сегментов, набранных по окружности, в количестве равном количеству надроторных вставок, причем каждый из сегментов жестко соединен с соответствующей ему надроторной вставкой и выступает в окружном направлении за одну из ее боковых поверхностей. Такая конструкция обеспечивает герметичность индивидуальных полостей в каждой вставке и предотвращает перетекание различных воздушных потоков в окружные зазоры между соседними вставками.

Предпочтительно на внутренней поверхности каждого из выступов надроторной вставки по окружности выполнить два радиальных выступа, образующих с упомянутым выступом в поперечном разрезе П-образную форму. Наличие индивидуальных П-образных полостей между Г-образными крюками наружных полок сопловых лопаток и торцами надроторных вставок снижает утечки охлаждающего воздуха и позволяет разнообразить форму и взаимное окружное расположение связанных с образованной полостью воздушных каналов.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На Фигуре 1 изображен продольный разрез охлаждаемой турбины ГТД.

На Фигуре 2 изображено сечение А-А.

Охлаждаемая турбина двухконтурного ГТД, содержит наружный корпус 1 с раздаточным коллектором 2 и установленные в наружном корпусе 1 сопловые лопатки 3 с наружными полками 4, колесо с рабочими лопатками 5, каждая из которых снабжена бандажной полкой 6 с передним 7 и задним 8 зубьями.

Надроторные вставки 9, установленные в наружном корпусе 1 в области над рабочими лопатками 5, с образованием между наружным корпусом 1 и надроторными вставками 9 первой кольцевой полости 10 и контактирующие участками своих внутренних поверхностей с участками наружных поверхностей наружных полок 4 сопловых лопаток 3.

На торцах надроторных вставок 9, обращенных к наружным полкам 4 сопловых лопаток 3, выполнено по выступу 11, над которыми в кольцевой канавке 12, выполненной в наружном корпусе 1, установлено разрезное упругое кольцо 13. Между наружными поверхностями бандажных полок 6 с зубьями 7, 8, внутренними поверхностями надроторных вставок 9 и торцами наружных полок 4 сопловых лопаток 3, образована вторая кольцевая полость 14.

Между наружными полками 4 сопловых лопаток 3 и надроторными вставками 9, под упомянутыми осевыми выступами надроторных вставок 9 выполнена третья кольцевая полость 15, а между наружным корпусом 1 и наружными полками 4 сопловых лопаток 3 выполнена четвертая кольцевая полость 16, сообщенная с раздаточным коллектором 2 посредством каналов 17, выполненных в наружном корпусе 1, а со второй кольцевой полостью 14 - посредством каналов 18, выполненных в наружных полках 4 сопловых лопаток 3.

Экран 19 разделяет первую кольцевую полость 10 на шестую 20-ю, и пятую 21-ю кольцевые полости, причем пятая кольцевая полость 21 сообщена с проточной частью второго контура ГТД (на чертежах не показана) посредством каналов 22, выполненных в наружном корпусе 1, а со второй кольцевой полостью 14 - посредством каналов 23, выполненных в надроторных вставках 9 и направленных в область за задними зубьями 8 бандажных полок 6, а шестая кольцевая полость 20 сообщена с четвертой кольцевой полостью 16 через последовательно сообщенные друг с другом каналы 24, выполненные в надроторных вставках 9, третью кольцевую полость 15 и дополнительные каналы 25, выполненные в наружных полках 4 сопловых лопаток 3, а также со второй кольцевой полостью 14, посредством дополнительных каналов 26, выполненных в надроторных вставках 9 и направленных в область между передним 7 и задним 8 зубьями бандажных полок 6.

Экран 19, разделяющий 10-ю кольцевую полость на шестую 20 и пятую 21 кольцевые полости выполнен в виде сегментов, набранных по окружности, в количестве равном количеству надроторных вставок 9, причем каждый из сегментов жестко соединен с соответствующей ему надроторной вставкой 9 и выступает в окружном направлении за одну из ее боковых поверхностей (на чертежах не показано).

На внутренней поверхности каждого из выступов 11 надроторной вставки 9 по окружности выполнены два радиальных выступа 27, образующих с упомянутым выступом 11 в поперечном разрезе П-образную форму (см. сечение А-А на фиг. 2). Для разделения перечисленных полостей и отделения их от газового тракта турбины в окружных зазорах между сопловыми лопатками и надроторными вставками установлены продольные и поперечные уплотнительные пластины (на чертежах не показаны).

При работе двухконтурного ГТД воздух из-за компрессора (в частном случае из думиса) подводится по трубам в раздаточный коллектор 2, далее через каналы 17 в кольцевую полость 16, где разделяется, а именно, часть воздуха через каналы 18 попадает в полость 14 перед первым зубом 7, расположенным на бандажной полке 6 рабочей лопатки 5, а другая часть воздуха из кольцевой полости 16 через дополнительные каналы 25, выполненные в наружных полках 4 сопловых лопаток 3, попадает в кольцевую полость 15, далее через каналы 24, выполненные в надроторных вставках 9, воздух попадает в индивидуальные полости 20 надроторных вставок 9, а затем через каналы 26, выполненные в надроторных вставках 9, подается в область между передним 7 и задним 8 зубьями бандажных полок 6. Для охлаждения зоны бандажной полки 6 за задним зубом 8 используется воздух из второго контура ГТД. Указанный воздух попадает в кольцевую полость 10 через каналы 22, выполненные в наружном корпусе 1 и затем через каналы 23 подается непосредственно к наружной поверхности бандажной полки 6, в область за задним зубом 8.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к охлаждаемым турбинам для газотурбинных установок. В охлаждаемой турбине ГТД, содержащей наружный корпус с раздаточным коллектором и установленные в наружном корпусе сопловые лопатки с наружными полками, колесо с рабочими лопатками, каждая из которых снабжена бандажной полкой с передним и задним зубьями, надроторные вставки, установленные в наружном корпусе в области над рабочими лопатками, с образованием между наружным корпусом и надроторными вставками первой кольцевой полости и контактирующими участками своих внутренних поверхностей с участками наружных поверхностей наружных полок сопловых лопаток, при этом на торцах надроторных вставок, обращенных к наружным полкам сопловых лопаток, выполнено по выступу, над которыми в кольцевой канавке, выполненной в наружном корпусе, установлено разрезное упругое кольцо, кроме того, между наружными поверхностями бандажных полок с зубьями, внутренними поверхностями надроторных вставок и торцами наружных полок сопловых лопаток образована вторая кольцевая полость, согласно настоящему изобретению для двухконтурного газотурбинного двигателя между наружными полками сопловых лопаток и надроторными вставками под упомянутыми осевыми выступами надроторных вставок выполнена третья кольцевая полость, а между наружным корпусом и наружными полками сопловых лопаток выполнена четвертая кольцевая полость, сообщенная с раздаточным коллектором посредством каналов, выполненных в наружном корпусе, а со второй кольцевой полостью - посредством каналов, выполненных в наружных полках сопловых лопаток, при этом в первой кольцевой полости установлен экран, разделяющий ее на пятую и шестую кольцевые полости, причем пятая кольцевая полость сообщена с проточной частью второго контура газотурбинного двигателя посредством каналов, выполненных в наружном корпусе, а со второй кольцевой полостью - посредством каналов, выполненных в надроторных вставках и направленных в область за задними зубьями бандажных полок, а шестая кольцевая полость сообщена с четвертой кольцевой полостью через последовательно сообщенные друг с другом каналы, выполненные в надроторных вставках, третью кольцевую полость и дополнительные каналы, выполненные в наружных полках сопловых лопаток, а также со второй кольцевой полостью посредством дополнительных каналов, выполненных в надроторных вставках и направленных в область между передним и задним зубьями бандажных полок. Достигается повышение эффективности охлаждения всей поверхности бандажных полок лопаток рабочего колеса и, как следствие, повышение надежности и ресурса рабочего колеса турбины ГТД в целом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, содержащая наружный корпус с раздаточным коллектором и установленные в наружном корпусе сопловые лопатки с наружными полками, колесо с рабочими лопатками, каждая из которых снабжена бандажной полкой с передним и задним зубьями, надроторные вставки, установленные в наружном корпусе в области над рабочими лопатками с образованием между наружным корпусом и надроторными вставками первой кольцевой полости и контактирующие участками своих внутренних поверхностей с участками наружных поверхностей наружных полок сопловых лопаток, при этом на торцах надроторных вставок, обращенных к наружным полкам сопловых лопаток, выполнено по выступу, над которыми в кольцевой канавке, выполненной в наружном корпусе, установлено разрезное упругое кольцо, кроме того, между наружными поверхностями бандажных полок с зубьями, внутренними поверхностями надроторных вставок и торцами наружных полок сопловых лопаток образована вторая кольцевая полость, отличающаяся тем, что для двухконтурного газотурбинного двигателя между наружными полками сопловых лопаток и надроторными вставками под упомянутыми осевыми выступами надроторных вставок выполнена третья кольцевая полость, а между наружным корпусом и наружными полками сопловых лопаток выполнена четвертая кольцевая полость, сообщенная с раздаточным коллектором посредством каналов, выполненных в наружном корпусе, а со второй кольцевой полостью - посредством каналов, выполненных в наружных полках сопловых лопаток, при этом в первой кольцевой полости установлен экран, разделяющий ее на пятую и шестую кольцевые полости, причем пятая кольцевая полость сообщена с проточной частью второго контура газотурбинного двигателя посредством каналов, выполненных в наружном корпусе, а со второй кольцевой полостью - посредством каналов, выполненных в надроторных вставках и направленных в область за задними зубьями бандажных полок, а шестая кольцевая полость сообщена с четвертой кольцевой полостью через последовательно сообщенные друг с другом каналы, выполненные в надроторных вставках, третью кольцевую полость и дополнительные каналы, выполненные в наружных полках сопловых лопаток, а также со второй кольцевой полостью посредством дополнительных каналов, выполненных в надроторных вставках и направленных в область между передним и задним зубьями бандажных полок.

2. Охлаждаемая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что экран выполнен в виде сегментов, набранных по окружности, в количестве, равном количеству надроторных вставок, причем каждый из сегментов жестко соединен с соответствующей ему надроторной вставкой и выступает в окружном направлении за одну из ее боковых поверхностей.

3. Охлаждаемая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности каждого из выступов надроторной вставки по окружности выполнены два радиальных выступа, образующих с упомянутым выступом в поперечном разрезе П-образную форму.