Способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя и устройство для его реализации Российский патент 2025 года по МПК F02C7/18 F02K3/06 F02K3/115 F02C7/224 

Изобретение относится к высокотемпературным турбинам газотурбинных двигателей, а именно к способам охлаждения рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей различного назначения.

Значительный прогресс в области повышения удельной мощности и экономичности современных газотурбинных двигателей (ГТД) достигнут благодаря улучшению их термодинамического цикла на основе роста уровня давления поступающего в камеру сгорания воздуха и повышения температуры газов на входе в турбину.

Однако повышение температуры газов на входе в турбину требует интенсификации охлаждения рабочих лопаток турбины. Для их охлаждения обычно осуществляют отбор части расхода воздуха за компрессором. В ГТД с высокой степенью повышения давления в компрессоре значительно повышается температура воздуха на выходе из него, что требует увеличения расхода воздуха, необходимого для охлаждения турбины, ведущего к снижению эффективности термодинамического цикла. Для устранения этого недостатка применяется предварительное охлаждение воздуха, предназначенного для охлаждения лопаток турбины в теплообменниках с использованием различных охлаждающих сред.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ охлаждения рабочих лопаток турбины высокого давления двухконтурного газотурбинного турбореактивного двигателя и устройство для его реализации. Способ включает отбор охлаждающего воздуха за компрессором из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку через воздухо-воздушный теплообменник, установленный в воздушном тракте второго контура, в аппарат закрутки с последующим подводом охлаждающего воздуха во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины. Устройство для реализации способа содержит воздухо-воздушный теплообменник, размещенный во втором контуре, соединенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, а выходом - с аппаратом закрутки статора, сообщенным через воздушные каналы в рабочем колесе с внутренними полостями рабочих лопаток турбины высокого давления (патент РФ №2387846 F01D 5/18, опубл. 27.04.2010 г.).

Как известно, коэффициент полезного действия рабочего цикла двигателя (термический КПД), показывающий, какая часть подведенного в цикле тепла превращается в полезную работу, зависит только от уровня давления воздуха при подводе к нему тепла в камере сгорания двигателя, определяемого степенью повышения давления воздуха в его компрессоре π_к, и определяется по зависимости:

где - термический КПД,

π_к - степень повышения давления воздуха в компрессоре,

k - показатель адиабаты, для воздуха k=1,4

(см. "Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей " под ред. С.М. Шляхтенко, М., Машиностроение, 1987 г.).

Известный способ и устройство для его реализации имеют недостаток, связанный с тем, что отбор тепла от части расхода воздуха осуществляют в первом контуре (за компрессором высокого давления) с высоким уровнем его давления и подводят это тепло к расходу воздуха во втором контуре с существенно более низким уровнем давления (в 4…7 раз) по сравнению с давлением воздуха в первом контуре, что ведет к снижению термодинамической эффективности рабочего цикла двигателя и его экономичности. При этом воздухо-воздушные теплообменники, расположенные во втором контуре двигателя, загромождают его и тем самым повышают гидравлические потери, что также ведет к снижению экономичности двигателя.

Задачей изобретения является повышение экономичности газотурбинного двигателя за счет сохранения высокой эффективности его термодинамического цикла путем оптимизации охлаждения рабочих лопаток турбины.

Поставленная задача решается тем, что способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя включает отбор охлаждающего воздуха за предкамерным диффузором камеры сгорания, его транспортировку в аппарат закрутки через воздухо-воздушный топливный теплообменник с коаксиальными каналами типа труба в трубе, установленный в воздушном тракте второго контура, и последующий подвод охлаждающего воздуха во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины, причем потоки топлива, поступающего в камеру сгорания из топливного коллектора, направляют навстречу потокам охлаждающего воздуха по каналам, расположенным внутри каналов для подачи охлаждающего воздуха.

Поставленная задача решается тем, что устройство для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя содержит размещенный во втором контуре воздухо-воздушный топливный теплообменник в виде теплообменных модулей с коаксиальными каналами типа труба в трубе, причем канал топливный расположен внутри канала воздушного, при этом входы топливных каналов соединены с топливным коллектором, а их выходы - с топливными форсунками камеры сгорания, входы воздушных каналов сообщены с воздушным трактом за предкамерным диффузором камеры сгорания, а их выходы - с аппаратом закрутки, сообщенным через воздушные каналы в рабочем колесе турбины с внутренними полостями его рабочих лопаток.

Транспортировка охлаждающего воздуха в аппарат закрутки через воздухо-воздушный топливный теплообменник с коаксиальными каналами типа труба в трубе и направление потоков топлива, поступающего в камеру сгорания из топливного коллектора, навстречу потокам охлаждающего воздуха по каналам, расположенным внутри каналов для подачи охлаждающего воздуха, позволяет обеспечить сохранение термостабильности подогретого топлива на выходе из теплообменных модулей, что подтверждает нижеприведенный оценочный расчет, исходные данные для которого приняты на основе общедоступных сведений для условного расхода воздуха на выходе из компрессора высокого давления G_B=1 кг/c. (А.И. Ланшин, А.А. Церетели "Результаты экспериментального исследования высокотемпературного газогенератора с целью создания перспективного варианта двигателя с Т*г 1800К", Двигатель, №4, 2017 г., www.aviaport.ru). 1. Исходные данные:

1.1. Суммарная степень повышения давления воздуха в компрессоре

1.2. Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 килограмма топлива

L_O=15 кг.

1.3. Параметры топлива (РТ по ГОСТ 10227-2013) в топливном коллекторе:

- температура t_T=100°C,

- давление P_T=9 Мпа (90 кгс/см²),

- теплоемкость С=2,38 кдж/кг/град.

1.4. Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

α_вк/с=2,5

1.5. Относительный расход воздуха на охлаждение рабочих лопаток турбины от расхода воздуха на выходе из компрессора

g _{в охл}=0,04 (4%).

1.6. Принимаем потребное снижение температуры охлаждающего воздуха

Δt_B=200°С, причем из них Δt_BB=100°С должны обеспечиваться за счет охлаждения воздухом второго контура, a Δt_BT=100°С - за счет охлаждения топливом, поступающим в камеру сгорания.

2. По известным зависимостям:

2.1. Расход воздуха на охлаждение рабочих лопаток турбины

2.2. Температура воздуха за компрессором:

и соответствующая теплоемкость С_р=1,04 кдж/кг/град.

2.3. Расход топлива

2.4. Тепловой поток в топливо от охлаждаемого воздуха

2.5. Подогрев топлива в теплообменнике

2.6. Температура топлива на выходе из теплообменника

2.7. Давление насыщенных паров топлива при этой температуре

что существенно ниже давления топлива (P_T=90 кгс/см².), что свидетельствует о термостабильности топлива.

Таким образом, потребное снижение температуры охлаждающего воздуха Δt_в=200°С обеспечивается отводом его тепла в топливо, поступающее в камеру сгорания двигателя, в которой происходит последующее тепловыделение при высоком уровне давления воздуха, определяемого степенью повышения давления воздуха в его компрессоре π_к, что обеспечивает высокий уровень эффективности термодинамического цикла двигателя и, как следствие, повышение его экономичности.

На фиг. 1 показана принципиальная схема системы охлаждения рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя; на фиг. 2 - теплообменный модуль.

Двухконтурный газотурбинный двигатель с устройством, реализующим предлагаемый способ охлаждения рабочих лопаток турбины, содержит корпус наружный 1, ротор компрессора 2, рабочее колесо турбины 3, корпус камеры сгорания 4 с жаровой трубой 5 и топливный коллектор 6. За ротором 1 компрессора размещены лопаточный спрямляющий аппарат 7 и предкамерный диффузор 8 с полыми стойками 9. Жаровая труба камеры сгорания 5 имеет топливные форсунки 10. Аппарат закрутки 11 сообщен посредством воздушных каналов 12 в рабочем колесе турбины 3 с внутренними полостями его рабочих лопаток 13. Теплообменные модули 14 расположены во втором контуре между наружным корпусом 1 и корпусом камеры сгорания 4. Входы 15 топливных каналов 16 сообщены с топливным коллектором 6, а их выходы 17 - с топливными форсунками 10 жаровой трубы камеры сгорания 5. Входы 18 воздушных каналов 19 сообщены с воздушным трактом за предкамерным диффузором 8, а их выходы 20 - через полые стойки 9 с аппаратом закрутки 11. Воздушные каналы 19 и топливные каналы 16 теплообменного модуля 14 выполнены коаксиальными, причем канал топливный 16 расположен внутри канала воздушного 19.

Способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя осуществляют следующим образом:

Воздух, предназначенный для охлаждения рабочих лопаток 13 в рабочем колесе турбины 3, после сжатия в компрессоре с ротором 2 и спрямляющим аппаратом 7 отбирают из воздушного тракта за предкамерным диффузором 8 через входы 18 воздушных каналов 19 теплообменных модулей 14, расположенных во втором контуре между наружным корпусом 1 и корпусом камеры сгорания 4, и через выходы 20, полые стойки 9 предкамерного диффузора 8 направляют в аппарат закрутки 11, а затем через воздушные каналы 12 - во внутренние полости его рабочих лопаток 13. Через наружные стенки каналов 19 осуществляется теплообмен с отводом тепла от воздуха, предназначенного для охлаждения рабочих лопаток 13 в воздух второго контура.

Топливо из топливного коллектора 6 через входы 15 подают в топливные каналы 16 и через их выходы 17 - в топливные форсунки 10 жаровой трубы камеры сгорания 5, установленной в корпусе 4. Через стенки топливных каналов 16 осуществляется теплообмен с отводом тепла от воздуха, предназначенного для охлаждения рабочих лопаток 13 турбины, и соответствующим его подводом к топливу, предназначенному для подачи в топливные форсунки 10 жаровой трубы камеры сгорания 5. Соответственно, при этом температура воздуха понижается, а температура топлива повышается. Воздух, охлажденный в теплообменных модулях 14, из аппарата закрутки 11 подают по каналам 12 во внутренние полости рабочих лопаток 13 турбины. Подогретое в теплообменных модулях 14 топливо с помощью форсунок 10 подают с распылом в жаровую трубу камеры сгорания 5, где оно при сгорании передает рабочему телу термодинамического цикла двигателя (газовоздушной смеси) наряду с теплом, выделяющимся при реакции его горения, тепло, отведенное в него от воздуха, предназначенного для охлаждения рабочих лопаток 13 турбины.

Таким образом, предварительное охлаждение в теплообменных модулях воздуха, отбираемого из воздушного тракта компрессора на охлаждение рабочих лопаток турбины, с отдачей части его тепла топливу, которое поступает затем в камеру сгорания и возвращает это тепло при высоком уровне давления воздуха в ней, позволяет повысить экономичность двухконтурного газотурбинного двигателя за счет сохранения высокой эффективности его термодинамического цикла.

Изобретение относится к высокотемпературным турбинам газотурбинных двигателей, а именно к способам охлаждения рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей различного назначения. Задача по повышению экономичности двигателя решается способом охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя и устройством для осуществления данного способа. Воздух, предназначенный для охлаждения рабочих лопаток 13, после сжатия в компрессоре с ротором 2 отбирают из воздушного тракта за предкамерным диффузором 8 через входы 18 воздушных каналов 19 теплообменных модулей 14 и через выходы 20, полые стойки 9 предкамерного диффузора 8 направляют в аппарат закрутки 11, а затем через воздушные каналы 12 - во внутренние полости его рабочих лопаток 13. Топливо из топливного коллектора 6 через входы 15 подают в топливные каналы 16 и через их выходы 17 - в топливные форсунки 10 жаровой трубы камеры сгорания 5. Через стенки топливных каналов 16 осуществляется теплообмен с отводом тепла от воздуха, предназначенного для охлаждения рабочих лопаток 13 турбины. Воздух, охлажденный в теплообменных модулях 14, из аппарата закрутки 11 подают по каналам 12 во внутренние полости рабочих лопаток 13 турбины. Подогретое в теплообменных модулях 14 топливо с помощью форсунок 10 подают с распылом в камеру сгорания 5, где оно при сгорании передает рабочему телу термодинамического цикла двигателя (газовоздушной смеси) наряду с теплом, выделяющимся при реакции его горения, тепло, отведенное в него от воздуха, предназначенного для охлаждения рабочих лопаток 13 турбины. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, характеризующийся тем, что включает отбор охлаждающего воздуха за предкамерным диффузором камеры сгорания, его транспортировку в аппарат закрутки через воздухо-воздушно-топливный теплообменник с коаксиальными каналами типа труба в трубе, установленный в воздушном тракте второго контура, и последующий подвод охлаждающего воздуха во внутренние полости рабочих лопаток через воздушные каналы в рабочем колесе турбины, причем потоки топлива, поступающего в камеру сгорания из топливного коллектора, направляют навстречу потокам охлаждающего воздуха по каналам, расположенным внутри каналов для подачи охлаждающего воздуха.

2. Устройство для охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя, характеризующееся тем, что содержит размещенный во втором контуре воздухо-воздушно-топливный теплообменник в виде теплообменных модулей с коаксиальными каналами типа труба в трубе, причем канал топливный расположен внутри канала воздушного, при этом входы топливных каналов соединены с топливным коллектором, а их выходы - с топливными форсунками камеры сгорания, входы воздушных каналов сообщены с воздушным трактом за предкамерным диффузором камеры сгорания, а их выходы - с аппаратом закрутки, сообщенным через воздушные каналы в рабочем колесе турбины с внутренними полостями его рабочих лопаток.