УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ КОРПУСА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК F01D11/24 F02C7/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству охлаждения корпуса газотурбинного двигателя, например, такого как двухконтурный газотурбинный двигатель.

Уровень техники

На фиг. 1 показан двухконтурный двухвальный газотурбинный двигатель 1. Ось газотурбинного двигателя обозначена Х и соответствует оси вращения рабочих частей. В дальнейшем термины «осевой» и «радиальный» будут определяться относительно оси Х.

От входа к выходу в направлении прохождения потока газа газотурбинный двигатель 1 содержит вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру 5 сгорания, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления.

Воздух, выходящий из вентилятора 2, делится на поток 8 первого контура, проходящий по кольцевому проточному тракту 9 первого контура, и на поток 10 второго контура, проходящий по кольцевому проточному тракту 11 второго контура, окружающему кольцевой проточный тракт 9 первого контура.

Компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камера 5 сгорания, турбина 6 высокого давления и турбина 7 низкого давления расположены в кольцевом проточном тракте 9 первого контура.

Ротор турбины 6 высокого давления и ротор компрессора 4 высокого давления связаны во вращении через первый вал 12, образуя каскад высокого давления.

Ротор турбины 7 низкого давления и ротор компрессора 3 низкого давления связаны во вращении через второй вал 13, образуя каскад низкого давления, при этом вентилятор 2 может быть соединен с ротором компрессора 3 низкого давления напрямую или, например, через эпициклоидную передачу.

Как более наглядно показано на фиг. 2, турбина 7 низкого давления содержит, в частности, различные последовательные ступени, включающие в себя рабочие колеса 14 и неподвижные части. Рабочее колесо содержит диск 15, на котором установлены лопатки 16. Концы лопаток 16 окружены неподвижным кольцом 17 из истираемого материала, при этом указанное кольцо 17 закреплено на корпусе 18 турбины. За рабочими колесами 14 расположены направляющие аппараты 19. Направляющие аппараты 19 и кольца 17 установлены на корпусе при помощи фланцев или крючков 20, проходящих от радиально внутренней поверхности корпуса 18.

Чтобы добиться высокого КПД газотурбинного двигателя, следует ограничить воздушный поток, не проходящий через рабочие колеса 14 различных ступеней, то есть ограничить утечки между радиально наружными концами лопаток 16 и кольцом 17 из истираемого материала. Для этого необходимо контролировать зазор на уровне этой границы раздела, причем этот зазор зависит от температуры корпуса 18 и, в частности, зон указанного корпуса 18, содержащих крючки или фланцы 20, поддерживающие кольцо 17.

Поток газа, выходящий из камеры 5 сгорания, имеет высокую температуру и нагревает расположенные на выходе части, такие как неподвижные и рабочие части турбины 6, 7.

Чтобы контролировать вышеупомянутый зазор и предотвратить преждевременный износ различных неподвижных и рабочих частей турбины, необходимо предусмотреть эффективные средства охлаждения, которые могут быть легко включены в среду газотурбинного двигателя.

В документе FR 3 021 700, поданном на имя заявителя, раскрыто устройство 21 охлаждения корпуса 18 турбины 7 низкого давления, показанное на фиг. 3, которое содержит коллекторные блоки 22, при этом каждый коллекторный блок 22 образует проходящий в осевом направлении канал.

Устройство 21 содержит также трубки 23, расположенные в окружном направлении с двух сторон от коллекторных блоков 22. Указанные трубки 23, называемые также рампами, представляют собой короткие трубки круглого сечения, при этом каждая трубка 23 проходит в окружном направлении вокруг корпуса, например, на угловом секторе около 90°.

Каждая трубка 23 содержит вход воздуха, открывающийся в канал соответствующего коллекторного блока 22, и закрытый дальний конец. Кроме того, каждая трубка 23 содержит цилиндрическую стенку, в которой выполнены обращенные к корпусу 18 выходные воздушные отверстия так, чтобы охлаждающий воздух мог проникать в коллекторные блоки 22, затем в трубки 23 и выходить после этого через отверстия напротив корпуса 18, чтобы осуществлять его охлаждение. В частности, при этом говорят о прямом охлаждении, поскольку воздух обдувает корпус 18.

Радиально внутренняя часть блока тоже содержит выходные воздушные отверстия, обращенные к корпусу и предназначенные для его охлаждения.

Было отмечено, что зоны корпуса, находящиеся напротив блоков, имеют повреждения, появляющиеся в результате сильных термических напряжений, связанных с недостаточным охлаждением этих зон.

Раскрытие сущности изобретения

Изобретение призвано предложить простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.

Для этого изобретением предложено устройство охлаждения кольцевого корпуса газотурбинного двигателя, содержащее коллекторный блок, предназначенный для размещения в окружном направлении вокруг оси корпуса, по меньшей мере две охлаждающие трубки, проходящие в окружном направлении и связанные с внутренним объемом блока, при этом блок и/или каждая трубка содержат выходные отверстия, выходящие радиально в направлении корпуса, при этом, согласно изобретению, за одно целое с блоком выполнены участки соединения трубок, которые проходят в окружном направлении, выступая из блока, и образуют между собой по меньшей мере одну полую зону блока, позволяющую воздуху проходить радиально изнутри наружу блока.

Полая зона может проходить радиально изнутри наружу. Полая зона может проходить от радиально внутреннего конца блока к радиально наружному концу блока. Иначе говоря, полая зона может также выходить радиально наружу блока.

В варианте полая зона может быть расположена только на части радиального размера блока и выходить в радиально срединную зону блока.

Полая зона может быть образована по меньшей мере одним отверстием, выполненным в блоке. Иначе говоря, полая зона может иметь замкнутое сечение.

В варианте полая зона может быть образована по меньшей мере одной канавкой или, в целом, иметь открытое сечение и открываться в окружном направлении.

Во всех случаях полая зона позволяет отбирать часть охлаждающего воздуха, обдувающего корпус, и удалять его в другую зону. Это позволяет избегать застаивания охлаждающего воздуха между блоком и корпусом, что привело бы к сильному нагреву соответствующей зоны корпуса и, следовательно, к преждевременном износу на уровне этой зоны.

Согласно изобретению, наоборот, полая зона обеспечивает лучшую циркуляцию воздуха, что позволяет избегать нагрева и износа корпуса.

Каждая полая зона может содержать прямолинейную часть, проходящую радиально от радиально внутреннего конца к радиально наружному концу блока.

Радиальная прямолинейная часть полой зоны может быть образована канавкой или отверстием.

Каждая полая зона может содержать прямолинейную часть, проходящую в окружном направлении от первого осевого конца ко второму осевому концу блока.

Прямолинейная часть полой зоны, проходящая в окружном направлении, может быть образована канавкой или отверстием.

Каждая полая зона сопрягается с участком соединения трубок через закругленную зону или переходный закругленный участок.

Это позволяет ограничить потери напора во время прохождения воздуха в полой зоне.

Трубки могут быть соединены с участком соединения трубок, выполненным на радиально внутренней части блока.

Устройство охлаждения может содержать магистраль подачи охлаждающего воздуха, сообщающуюся с внутренним объемом блока, в радиально наружной части блока.

Магистраль подачи может выходить в блок в радиальном направлении. Магистраль подачи может выходить в аксиально срединную зону блока.

Устройство охлаждения может содержать по меньшей мере две первые трубки и по меньшей мере две вторые трубки, при этом первые и вторые трубки расположены в окружном направлении с двух сторон от блока, соответственно, при этом блок ограничивает по меньшей мере одну первую полую зону, расположенную в осевом направлении между двумя первыми трубками, и по меньшей мере одну вторую полую зону, расположенную в осевом направлении между двумя вторыми трубками.

Соотношение между окружным размером блока на уровне каждой зоны соединения трубки и окружным размером блока на уровне каждой полой зоны может составлять от 0,2 до 0,7.

Объектом изобретения является также узел, содержащий кольцевой корпус газотурбинного двигателя, например, кольцевой корпус турбины, отличающийся тем, что содержит устройство охлаждения вышеупомянутого типа, установленное на указанном корпусе и окружающее указанный корпус.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере один узел вышеупомянутого типа.

Изобретение и его другие особенности, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан известный двухконтурный турбореактивный двигатель, вид в осевом разрезе;

на фиг. 2 показана часть известного турбореактивного двигателя, а именно изображена турбина низкого давления, вид в осевом разрезе;

на фиг. 3 показано известное устройство охлаждения, вид в перспективе;

на фиг. 4 показана часть устройства охлаждения согласно варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 5 схематично показана часть заявленного устройства охлаждения;

на фиг. 6 показан альтернативный вариант осуществления изобретения, вид, соответствующий фиг. 4.

Осуществление изобретения

На фиг. 4 и 5 показана часть устройства 21 охлаждения корпуса 18 газотурбинного двигателя согласно варианту осуществления изобретения. В описании термины «осевой», «радиальный» и «окружной» определены относительно оси корпуса 18, которая соответствует также оси Х газотурбинного двигателя 1.

Устройство содержит коллекторный блок 22, расположенный вдоль оси корпуса 18, являющийся полым и ограничивающий внутренний объем.

С внутренним объемом блока 22 соединены охлаждающие трубки 23, проходящие в окружном направлении с двух сторон от блока 22.

Каждая трубка 23 содержит, например, первый окружной конец 24, выходящий в блок 22, и второй закрытый окружной конец, что само по себе известно. Каждая трубка 23 имеет круглое сечение, при этом в радиально внутренней части каждой трубки 23 выполнены выходные воздушные отверстия 25, при этом выходные отверстия 25 выходят напротив корпуса 18. Каждая трубка 23 проходит в окружном направлении вокруг корпуса 18 на угловом секторе, который может меняться в зависимости от применения. Каждая трубка 23 проходит, например, в окружном направлении примерно на 90 или 180 градусов.

Трубки 23 соединены с радиально внутренней частью 26 блока 22.

В радиально внутренней части блока 22, в частности, на уровне обращенной к корпусу радиально внутренней поверхности 27, выполнены также выходные воздушные отверстия 28, при этом указанные отверстия 28 выходят в направлении корпуса 18.

Отверстия 28 блока 22 и отверстия 25 трубок 23 равномерно распределены по окружности и в данном случае находятся в одной радиальной плоскости. Шаг между отверстиями 25, 28 может быть фиксированным или переменным в зависимости от применения. Отверстия 25, 28 имеют, например, круглое сечение.

Блок 22 содержит воздушные каналы, образованные полыми зонами 29. Каждый воздушный канал или полая зона 29 содержит, в частности, прямолинейную часть 30, образованную канавкой, проходящей радиально от радиально внутреннего конца к радиально наружному концу блока 22. Каждая полая зона 29 дополнительно содержит прямолинейную часть 31, образованную канавкой, проходящей в осевом направлении и открытой на своих концах.

Для каждой пары смежных трубок 23, находящихся с одной окружной стороны блока 22, соответствующая радиальная канавка 30 расположена в осевом направлении между радиальными плоскостями, в которых расположены указанные смежные трубки 23.

Каждая канавка 30, 31 ограничена поверхностью 32 дна и двумя боковыми поверхностями 33. В варианте осуществления, представленном на фиг. 4 и 5, боковые поверхности 33 являются плоскими и перпендикулярными к поверхности 32 дна. Согласно другому варианту осуществления, представленному на фиг. 6, боковые поверхности 33 и поверхность 32 дна могут содержать зоны с переходными закругленными участками или закругленные зоны 34.

Соотношение между окружным размером блока 22 на уровне каждой зоны соединения трубки 23 и окружным размером блока 22 на уровне каждой полой зоны 29 составляет от 0,2 до 0,7.

Устройство 21 охлаждения содержит также магистраль 35 подачи охлаждающего воздуха, заходящую во внутренний объем блока 22 в радиально наружной части блока 22 и в аксиально срединную зону блока 22.

Магистраль 35 подачи выходит в блок в радиальном направлении.

Во время работы охлаждающий воздух поступает во внутренний объем блока 22 через магистраль 35 подачи. Затем этот охлаждающий воздух равномерно распределяется между различными охлаждающими трубками 23. Часть воздуха, содержащегося в блоке 22, удаляется в направлении корпуса 18 через отверстия 28 блока 22. Воздух, циркулирующий в трубках 23, выходит в направлении корпуса 18 через отверстия трубок 23. Этот охлаждающий воздух обдувает корпус 18, что позволяет понизить его температуру. Воздух, использованный для охлаждения корпуса 18, удаляется не только в пространства, ограниченные в осевом направлении между трубками 23, но также через полые зоны 29. В частности, часть охлаждающего воздуха, нагретая от контакта с корпусом 18, удаляется радиально наружу через радиальные канавки 30 и/или через осевые канавки 31.

Это позволяет улучшить охлаждение корпуса 18 и одновременно избегать застаивания горячего воздуха под блоком 22, то есть радиально между блоком 22 и корпусом 18.

Изобретение относится к устройству (21) охлаждения кольцевого корпуса (18) газотурбинного двигателя (1), содержащему коллекторный блок (22), предназначенный для размещения в окружном направлении вокруг оси корпуса (18), по меньшей мере две охлаждающие трубки (23), проходящие в окружном направлении и связанные с внутренним объемом блока (22), при этом блок (22) и/или каждая трубка (23) содержат выходные отверстия, выходящие радиально в направлении корпуса (18), при этом, согласно изобретению, за одно целое с блоком (22) выполнены участки соединения трубок (23), которые проходят в окружном направлении, выступая из блока (22), и образуют между собой по меньшей мере одну полую зону (29) блока (22), позволяющую воздуху проходить радиально изнутри наружу блока (22). Позволяет отбирать часть охлаждающего воздуха, обдувающего корпус, и удалять его в другую зону. Это позволяет избегать застаивания охлаждающего воздуха между блоком и корпусом, что привело бы к сильному нагреву соответствующей зоны корпуса и, следовательно, к преждевременному износу на уровне этой зоны. Согласно изобретению, наоборот, полая зона обеспечивает лучшую циркуляцию воздуха, что позволяет избегать нагрева и износа корпуса. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (21) охлаждения кольцевого корпуса (18) газотурбинного двигателя (1), содержащее:

коллекторный блок (22), проходящий вдоль оси (X) кольцевого корпуса (18) и имеющий радиально внутренний конец и радиально наружный конец, причем коллекторный блок (22) содержит выходные отверстия (28), расположенные на радиально внутренней части (26) коллекторного блока (22), обращенной к кольцевому корпусу (18),

по меньшей мере две охлаждающие трубки (23), проходящие в окружном направлении и соединенные с внутренним объемом коллекторного блока (22) в указанной радиально внутренней части (26), при этом по меньшей мере две охлаждающие трубки (23) содержат выходные отверстия (25) на их радиально внутренней части, обращенной к кольцевому корпусу (18),

причем коллекторный блок (22) дополнительно содержит проход воздуха, образованный радиальной канавкой (30), проходящей радиально от радиально внутреннего конца коллекторного блока к радиально наружному концу коллекторного блока,

при этом коллекторный блок (22) также содержит осевую канавку (31), проходящую от первого осевого конца ко второму осевому концу коллекторного блока.

2. Устройство (21) охлаждения по п. 1, отличающееся тем, что одна или обе - осевая канавка (31) и радиальная канавка (30) - сопрягаются с радиально внутренним концом коллекторного блока (22) через закругленную зону или переходный закругленный участок (34).

3. Устройство (21) охлаждения по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно содержит магистраль (35) подачи охлаждающего воздуха, сообщающуюся с внутренним объемом коллекторного блока (22), при этом магистраль (35) подачи охлаждающего воздуха находится частично радиально снаружи коллекторного блока (22).

4. Устройство (21) охлаждения по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что по меньшей мере две охлаждающие трубки (23) дополнительно содержат по меньшей мере две первые трубки (23) и по меньшей мере две вторые трубки (23), при этом по меньшей мере две первые трубки (23) и по меньшей мере две вторые трубки (23) расположены в окружном направлении с двух сторон от коллекторного блока (22) соответственно, при этом коллекторный блок (22) ограничивает по меньшей мере одну первую радиальную канавку (30), расположенную в осевом направлении между по меньшей мере двумя первыми трубками (23), и по меньшей мере одну вторую радиальную канавку (30), расположенную в осевом направлении между по меньшей мере двумя вторыми трубками (23).

5. Устройство (21) охлаждения по одному из пп. 1-4, отличающееся тем, что соотношение между окружным размером коллекторного блока (22) на уровне каждой радиальной канавки (30) и окружным размером коллекторного блока (22) на уровне каждого радиально внутреннего конца составляет от 0,2 до 0,7.

6. Узел газотурбинного двигателя, содержащий кольцевой корпус (18) газотурбинного двигателя (1) и устройство (21) охлаждения по одному из пп. 1-5, при этом устройство (21) охлаждения установлено на указанном кольцевом корпусе (18) и окружает указанный кольцевой корпус (18).

7. Газотурбинный двигатель (1), содержащий по меньшей мере один узел газотурбинного двигателя по п. 6.