Устройство подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам колеса турбины

Устройство подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам колеса турбины содержит ограниченную задней стенкой соплового аппарата воздушную полость, сообщенную средствами предварительной закрутки воздуха с кольцевой камерой смешения, образованной кольцевым основанием задней стенки соплового аппарата, внутренним кольцом, совмещенным с указанной стенкой, и дном, и сообщенной с полостью у рабочих лопаток. Средства предварительной закрутки выполнены в виде сквозных отверстий в кольцевом основании задней стенки соплового аппарата. Вход сквозных отверстий через кольцевое основание задней стенки соплового аппарата в камеру смешения размещен у дна указанной камеры смешения. Изобретение повышает эффективность охлаждения термически и динамически напряженной зоны колеса турбины и повышает прочность узлов и деталей, находящихся в поле центробежных и термических нагрузок. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Техническое решение относится к газотурбинной энергетике, в частности к устройствам подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины.

Известно устройство подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины (см. описания по патентам - аналогам, приоритет 17.12.1977 фирмы Rolls Royce Великобритания - №2010404, МКИ F 01 D 5/18, США - №4275990, НКИ 416-95, заявлен 30. 11.1978, Франции - №2411959, МКИ F 01 D 5/18).

В устройстве предусмотрена воздушная полость, которая ограничена стенками коробчатой оболочки статора и полотном диска. Полость сообщена через сопла, выполняющие функцию предварительной закрутки охлаждающего воздуха (см. термин в ГОСТ 23851-79), и кольцевую канавку в ободе диска с каналами охлаждения рабочих лопаток.

Такое устройство позволяет уменьшить энергетические затраты при подводе охлаждающего воздуха за счет направления его в сторону вращения ротора турбины.

В этом решении воздух имеет контакт с достаточно высокой температурой поверхности диска рабочего колеса. Это снижает эффективность охлаждения лопаток. В описании указано, что потери давления снижаются до минимума, однако поворот потока на 90 градусов, наоборот, создает сопротивление и увеличивает потери давления.

Известна также охлаждаемая воздухом турбина для газотурбинного двигателя (см. описания к патентам - аналогам, приоритет 07.09.1982 фирмы Rolls Royce - США - №4348157, НКИ 416-95, Франции - №2439872, МКИ F 01 D 7/18). Турбина содержит последовательно сопловой аппарат и рабочее колесо с лопатками. Под сопловым аппаратом образована полость подвода воздуха из-за компрессора из-под камеры сгорания.

Внутренние кольца 18 и 20 с уплотнительными лабиринтами образуют кольцевую полость под сопловым аппаратом, сообщенную с кольцевой полостью у замков рабочих лопаток. Выше и ниже замков образованы две концентричные группы осевых кольцевых канавок, закрытых введенными в них кольцевыми буртами рабочего колеса, и в совокупности как уплотнения ограничивают полость у замков лопаток.

Эта полость сообщена со сквозной полостью смешения под венцом лопаток соплового аппарата, ограниченной упомянутыми кольцами 18 и 20 под сопловым аппаратом. Последние объединены во внутреннее основание соплового аппарата лопатками 19, работающими как средство предварительной закрутки охлаждающего воздуха, проходящего через сквозную полость смешения этого основания под сопловым аппаратом.

За стойками остается свободная часть этой сквозной кольцевой полости основания, сообщенная с ограниченной уплотнениями полостью, а через нее с дефлектором колеса турбины.

В дефлекторе по числу рабочих лопаток образованы изогнутые в направлении вращения колеса трубки. Они дискретно направляют охлаждающий воздух к рабочим лопаткам у замков и их ножек.

Такой дефлектор с трубками усложняет конструкцию колеса турбины. Известное устройство вероятно достаточно эффективно выполняет функцию охлаждения. В нем подводимый к замкам лопаток воздух огражден от полотна диска и меньше нагревается. Однако конструкция устройства очень сложна и предполагает многочисленную номенклатуру деталей. Вырезы в диске у каждой лопатки вызывают прочностные проблемы колеса, достаточно нагруженного как термически, так и динамически, а следовательно, снижается его надежность.

Из-за описанных выше особенностей применять в малоразмерных высоконагруженных газотурбинных двигателях рассмотренные известные технические решения практически невозможно.

Из описания к патенту США №3791758 (заявлено 01.05.1972 Secretary of State for Defence of the UK, US C1 416/116, МПК F 01 D 5/08) известно устройство подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам колеса турбины.

Известное устройство содержит окруженные сопловым аппаратом 24 воздушную полость 20 перед стенкой 20А (49 строка, столбик 2 описания) соплового аппарата и кольцевую камеру 50 смешения за указанной стенкой 20А. Таким образом камера 50 смешения отделена от воздушной полости 20.

Средства предварительной закрутки воздуха между указанными камерой 50 и полостью 20 выполнены в виде лопаточного аппарата 42.

Кольцевая камера 50 смешения образована внутренним и наружным кольцевыми выступами соплового аппарата.

При этом указанные сопла лопаточного аппарата 42, как средства закрутки, через камеру 50 смешения и диффузорную полость 39 сообщены с каналами 48 под замками 30 каждой рабочей лопатки 27.

Известное устройство также не может быть использовано в малоразмерных турбинах в силу невозможности выполнения "миниатюрного" лопаточного аппарата для предварительной закрутки и направления воздуха к рабочим лопаткам в виде сплошной закрученной пелены.

Несмотря на указанные недостатки устройство по патенту США №3791758 выбрано прототипом заявляемого устройства по общности решаемой задачи, близости технической сущности и возможности его дальнейшего усовершенствования для получения более прогрессивного технического результата.

Перед авторами стояла задача создать устройство подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины, назначение которого было бы направлено именно для малоразмерных высоконагруженных газотурбинных двигателей.

При этом, по сравнению с прототипом, необходимо было получить совокупный технический результат, состоящий из нескольких взаимосвязанных и находящихся в причинно-следственной связи прогрессивных технических результатов, а именно:

- повышение эффективности охлаждения как рабочих лопаток, так и диска рабочего колеса в его наиболее нагруженной части в месте крепления замков лопаток особенно высоконагруженных турбин малоразмерных двигателей;

- обеспечение (избегая дискретности струй охлаждающего воздуха) сплошной закрученной воздушной пелены, направленной на особо термически и динамически напряженную зону колеса турбины;

- упрощение конструкции устройства малоразмерных турбин наряду с повышением технологичности их производства;

- уменьшение номенклатуры необходимых деталей;

- повышение прочности узлов и деталей, находящихся в поле центробежных и термических нагрузок.

Эта задача решается тем, что в известном устройстве подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам колеса турбины, содержащем ограниченную задней стенкой соплового аппарата воздушную полость, сообщенную средствами предварительной закрутки воздуха с кольцевой камерой смешения, образованной в указанной задней стенке соплового аппарата наружным и внутренним кольцами и дном и сообщенной с полостью у рабочих лопаток, произведено усовершенствование.

Усовершенствование заключается в том, что указанные средства предварительной закрутки выполнены в виде сквозных отверстий через наружное кольцо указанной камеры смешения.

Внутреннее кольцо, ограничивающее камеру смешения, выполнено съемным.

В сечении вдоль продольной оси каждого из отверстий последние на их входе внутрь камеры смешения ориентированы в окружном направлении на корыта рабочих лопаток колеса турбины.

Вход указанных сквозных отверстий через наружное кольцо внутрь указанной камеры смешения размещен у ее дна.

При этом указанные отверстия в сечении вдоль продольной оси каждого размещены равномерно по окружности, как отдельными отверстиями, так и отдельными группами.

Это дает возможность при прохождении протяженности камеры смешения вместо множества отдельных дискретных, хотя и закрученных, струй воздуха из отверстий получить закрученную равномерную пелену воздуха на выходе из камеры смешения, натекающую к основаниям (замкам) и, при необходимости, в охлаждающие каналы рабочих лопаток.

Если указанные отверстия разместить равномерно по окружности группами по несколько отверстий, их диаметры можно увеличить, при этом соблюдая требование, чтобы количество охлаждающего воздуха, проходящего через них, составляло 1...2% от количества воздуха, в целом потребляемого двигателем.

Такое расположение направляющих отверстий более технологично по сравнению с равномерным круговым расположением отверстий меньшего диаметра.

В обоих случаях обеспечивается непрерывность охлаждения и повышается его эффективность. По сравнению с прототипом конструкция устройства упрощается.

В конкретной конструкции кольцевая камера смешения может быть выполнена между задней стенкой соплового аппарата и дополнительным кольцом, совмещенным с задней стенкой. Эта конструкция более технологична в производстве.

Всем этим в совокупности обеспечиваются вышеуказанные технические результаты заявляемого решения.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на:

- Фиг.1 дан продольный разрез турбины газотурбинного двигателя с подачей охлаждающего воздуха через сопловой аппарат;

- Фиг.2 показан увеличенный фрагмент А (см. фиг.1) устройства подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины газотурбинного двигателя;

- Фиг.3 даны увеличенные сечения (см. фиг.1) Б-Б вдоль осей сквозных отверстий и В-В через рабочие лопатки турбины, с их взаимным расположением;

- Фиг.4 показан продольный разрез турбины газотурбинного двигателя с подачей охлаждающего воздуха из-под кольцевой прямоточной камеры сгорания;

- Фиг.5 дан продольный разрез турбины газотурбинного двигателя с подачей охлаждающего воздуха из-под противоточной камеры сгорания.

Представленная на Фиг.1 конструкция заявляемого устройства подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам колеса турбины содержит корпус статора 1 с отверстиями 2 подвода воздуха. В корпусе статора 1 установлены полые лопатки 3 соплового аппарата турбины, далее, сопловые лопатки 3, размещенные вокруг воздушной полости 4 ресивера. За ними расположено колесо турбины с закрепленными в его диске 5 рабочими лопатками 6 с корытами 7.

Сопловые лопатки 3 имеют внутренние полки, объединенные в кольцевой внутренний бандаж 8, выступающий вдоль продольной оси (условно по потоку) к рабочим лопаткам 6 в диске 5 колеса турбины.

Навстречу и концентрично внутри указанного кольцевого внутреннего бандажа 8 сопловых лопаток 3, в направлении продольной оси турбины расположены внутренние полки рабочих лопаток 6 диска 5 колеса турбины. Они образуют собой кольцевой бандаж 9 с общим кольцевым выступом 10, направленным (условно) против потока.

Внутренний бандаж 8 сопловых лопаток 3 образует воздушную полость 4 ресивера совместно с кольцевым, U-образным в продольном сечении, внутренним корпусом 11, концентричным бандажу 8 и размещенным радиально внутри последнего.

U-образный внутренний корпус 11 имеет кольцевые, переднюю 12 и заднюю 13, внутренние стенки, направленные радиально от продольной оси турбины. В каждой из стенок передней 12 и задней 13 выполнены радиально наружу от продольной оси кольцевые канавки: передняя канавка 14 и задняя канавка 15.

В переднюю канавку 14 введено переднее кольцо 16, составленное из множества радиальных выступов бандажа 8 сопловых лопаток 3.

В заднюю канавку 15 введено заднее кольцо 17, составленное из множества задних радиальных выступов того же бандажа 8 сопловых лопаток 3.

Задняя стенка13 U-образного корпуса 11, ограничивающего воздушную полость 4 ресивера, содержит наружный кольцевой осевой бурт 18, направленный под кольцевой выступ 10 рабочих лопаток 6 и размещенный концентрично последнему.

Кольцевой внутренний бандаж 8 сопловых лопаток 3, осевой бурт 18 и размещенный между ними встречный выступ 10 в совокупности образуют своеобразное торцевое уплотнение на границе с газодинамическим трактом турбины.

Задняя стенка 13 под осевым буртом 18 имеет концентрично последнему развитое в осевом направлении кольцевое основание 19.

При этом указанное кольцевое основание 19 размещено концентрично вокруг кольцевого выступа 20 диска 5 колеса турбины.

В кольцевом основании 19 образована вдоль продольной оси в виде кольцевой щели камера смешения 21, рассчитанная известными методами. Последняя открыта только в направлении колеса турбины. В то же время эта камера смешения 21 сообщена с воздушной полостью 4 ресивера через наружную стенку щели сквозными отверстиями 22 с их входом в указанную камеру смешения 21 в пределах объема последней.

В то же время указанные сквозные отверстия 22 в сечении вдоль продольной оси каждого на их входе внутрь камеры смешения 21 ориентированы в окружном направлении на корыта 7 рабочих лопаток 6 турбины.

Как более технологичное решение устройства, камера смешения 21 может быть образована щелевым кольцевым пространством, замкнутым от воздушной полости 4 ресивера, между кольцевым основанием 19 и кольцом 23, дополнительно установленным изнутри этого кольцевого основания 19.

На кольце 23 может быть выполнен радиальный заостренный бурт 24, направленный к кольцевому выступу 20 с образованием расчетного зазора 25.

Тем самым организована полость 26 под выступом 10 бандажа 9 внутренних полок рабочих лопаток 6. Полость 26 сообщена через камеру смешения 21 с воздушной полостью 4 ресивера множеством указанных сквозных отверстий 22 в основании 19. Полость 26 через зазор 25 сообщена с полостью 27 под U-образным внутренним корпусом 11.

Благодаря тому, что указанные сквозные отверстия 22 на их входе внутрь камеры смешения 21 ориентированы в сечении вдоль продольной оси каждого в окружном направлении на корыта 7 рабочих лопаток колеса турбины, они обеспечивают предварительную закрутку воздуха.

В камере смешения 21 воздушные струи объединяются, смешиваются в общий кольцевой равномерный поток воздуха, набегающий на рабочие лопатки 6 и охлаждающий, в частности, их замки.

Заявляемое устройство может быть выполнено и с обеспечением воздушной полости 4 ресивера охлаждающим воздухом из-под оболочки камеры сгорания.

Обратимся к конструкции заявляемого устройства для газотурбинного двигателя с прямоточной камерой сгорания (см. Фиг.4).

В этом случае воздушная полость 29 под внутренней оболочкой 30 прямоточной камеры сгорания сообщена с воздушной полостью 4 под сопловыми лопатками 3, которая также сообщена с полостью 26 у рабочих лопаток 6 через выполняющие предварительную закрутку воздуха сквозные отверстия 22 в кольцевом основании 19 и камеру смешения 21.

В то же время кольцевое основание 19 своей передней стенкой 28 сочленено одновременно с внутренним бандажом 8 сопловых лопаток 3 и внутренней оболочкой 30 прямоточной камеры сгорания.

В случае заявляемого устройства для газотурбинного двигателя с противоточной камерой сгорания (см. Фиг.5) воздушная полость 31 ограничена оболочкой 33 противоточной камеры сгорания.

Эта воздушная полость 31 сообщена с воздушной полостью 4 под сопловыми лопатками 3, которая также сообщена с полостью 26 у рабочих лопаток 6 через описанные отверстия 22 предварительной закрутки в кольцевом основании 19 и далее через камеру смешения 21, которая на выходе сообщена с полостью 26 перед рабочими лопатками 6, в частности у их замковых частей.

В этом случае кольцевое основание 19 своей передней стенкой 32 сочленено одновременно с кольцевым внутренним бандажом 8 сопловых лопаток 3 и оболочкой 33 камеры сгорания (Фиг.5).

При этом в любой из описанных конструкций устройства вход внутрь камеры смешения 21 отверстий 22 предпочтительно размещен у дна 34 указанной камеры.

Подвод охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам 6 турбины в любой из конструкций заявляемого устройства реализуется следующим образом.

Обратимся к фиг.1. Охлаждающий воздух отбирается из-за компрессора либо из-за промежуточных ступеней компрессора и подводится известными средствами в воздушную полость 4 ресивера. Давление в воздушной полости ресивера 4 существенно превышает давление в полости камеры смешения 21.

Охлаждающий воздух из воздушной полости 4 ресивера поступает в камеру смешения 21 у ее дна 34 через направляющие воздух сквозные отверстия 22.

При этом струи воздуха в сечении вдоль продольной оси каждого отверстия 22 формируются в окружном направлении на корыта 7 рабочих лопаток 6.

Дискретные струи охлаждающего воздуха из отверстий 22, проходя от дна 34 камеры смешения 21 через ее полость к выходу, замыкаются в сплошную кольцевую воздушную пелену, которая далее направляется на охлаждение рабочих лопаток 6, в частности, к месту установки в диске 5 их замков.

Если заявляемое устройство выполнено, как на Фиг.4 или 5 с обеспечением полости 4 охлаждающим воздухом из-под оболочки камеры сгорания, принцип подачи охлаждающего воздуха в камеру 4 и прохождения его через отверстия 22 и далее из камеры смешения 21 в полость 26 полностью идентичен вышеописанному.

Принцип работы и эффективность устройства такие же в случае с забором воздуха из полости 31 под оболочкой 33 противоточной камерой сгорания.

При этом перетекание среды из прилегающих полостей в полость 26 подвода охлаждающего воздуха ограничивают:

- со стороны газодинамического тракта турбины - система цилиндрических гребешков, включающая в совокупности кольцевой выступ 8, осевой бурт 18 и размещенный между ними встречный выступ 10;

- со стороны полости 27 - радиальный бурт 24 и выступ диска 20, также образующие своеобразное уплотнение.

Эффективность σ охлаждения предлагаемого устройства выше, чем эффективность системы с дискретными струями.

При этом температура воздуха на входе в рабочую лопатку 6 существенно снижается, что подтверждено известным газодинамическим расчетом:

где Т^* _w - температура воздуха на входе в рабочую лопатку

Т^* - полная температура охлаждающего воздуха

u₁ - окружная скорость ротора на радиусе подвода

с_u - окружная составляющая скорости подводимого воздуха

c_р - теплоемкость воздуха

r - коэффициент восстановления

σ - эффективность системы подвода.

То, что закручивающие отверстия размещены на их входе в камеру смешения у ее дна, наиболее эффективно обеспечивает превращение отдельных струй в воздушную пелену. Тем самым обеспечивается подвод охлаждающего воздуха к рабочей лопатке в виде сплошной струи, закрученной в том же направлении, что и корыта рабочих лопаток, т.е. по вращению ротора.

Устранение дискретности натекания охлаждающего воздуха позволяет снизить его температуру на входе в рабочую лопатку на 20-30°С. Это, в конечном счете, повышает надежность не только турбины, но и надежность и экономичность двигателя в целом.

Расход охлаждающего воздуха не более 1...2% от потребляемого двигателем в целом.

Применяемость заявляемого технического решения подтверждена положительными результатами испытаний опытных образцов авиационных двигателей ТВ3-117 ВМА-СБМ1, Д-27, АИ-450, разработанных ГП "ЗМКБ Прогресс" имени А.Г.Ивченко.

1. Устройство подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам колеса турбины, содержащее ограниченную задней стенкой соплового аппарата воздушную полость, сообщенную средствами предварительной закрутки воздуха с кольцевой камерой смешения, образованной кольцевым основанием задней стенки соплового аппарата, внутренним кольцом, совмещенным с указанной стенкой, и дном и сообщенной с полостью у рабочих лопаток, отличающееся тем, что средства предварительной закрутки выполнены в виде сквозных отверстий в кольцевом основании задней стенки соплового аппарата.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход сквозных отверстий через кольцевое основание задней стенки соплового аппарата в камеру смешения размещен у дна указанной камеры смешения.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что указанные отверстия в радиальной плоскости размещены равномерно по окружности.

4. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что указанные отверстия в радиальной плоскости размещены равномерно по окружности отдельными группами.