Турбомашина, содержащая систему охлаждения нижней поверхности крыльчатки центробежного компрессора
Турбомашина содержит узел диффузор-выпрямитель (12), установленный на выходе крыльчатки (18) центробежного компрессора (14) и подающий воздух в кольцевую камеру сгорания (10), и средство (36) подачи воздуха для вентиляции турбины. Узел диффузор-выпрямитель содержит нижний кольцевой фланец (30), соединенный своим нижним концом со средством подачи и ограничивающий вместе с нижней поверхностью (40) крыльчатки кольцевую полость (41) циркуляции воздуха для вентиляции, отобранного на выходе компрессора. На средстве (36) подачи размещено средство отбора части объема (92) воздуха для вентиляции турбины и средство направления отобранного воздуха (83) к радиально внутренней части нижней поверхности крыльчатки. Воздух циркулирует радиально изнутри вовне вдоль нижней поверхности крыльчатки и смешивается с воздухом, отобранным на выходе (26) компрессора для снижения температуры воздуха в кольцевой полости (41). 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение касается системы охлаждения нижней поверхности крыльчатки центробежного компрессора в турбомашине, в частности такой, как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета.
В турбомашине, последняя ступень компрессора которой центробежного типа, узел диффузор-выпрямитель установлен на выходе центробежной ступени и подает воздух в кольцевую камеру сгорания.
Диффузор содержит нижний кольцевой фланец, который соединен своим нижним концом со средствами подачи воздуха в систему вентиляции турбины, расположенной ниже камеры сгорания. Часть объема воздуха, выходящего из выпрямителя, обходит камеру сгорания изнутри, проходя между радиально внутренней стенкой камеры и фланцем диффузора, для питания этих средств подачи воздуха для вентиляции турбины.
Кольцевая полость ниже крыльчатки центробежной ступени ограничена кольцевым фланцем диффузора и должна вентилироваться посредством отбора воздуха на выходе центробежной ступени, чтобы избежать повышения температуры нижней поверхности крыльчатки, которая могла бы превысить максимальную температуру, допустимую материалом крыльчатки. Воздух, находящийся в полости, приводится в движение крыльчаткой и нагревается посредством вязкого трения.
Чтобы снизить нагрев нижней поверхности крыльчатки, было предложено увеличить объем воздуха, отбираемого на выходе центробежной ступени, чтобы лучше вентилировать нижнюю полость крыльчатки. Однако это привело к увеличению объемов воздуха, не работающих в турбомашине, и ухудшило ее рабочие характеристики.
Также было предложено установить на нижней поверхности крыльчатки кольцевой щит тепловой защиты. Однако закрепление этого щита на крыльчатке является сложным и влечет за собой увеличение массы и инерции вращения крыльчатки, что привело к снижению рабочих характеристик турбомашины.
Чтобы температура крыльчатки не превышала максимального допустимого значения, которое составляет порядка 500°C для крыльчатки, выполненной из титана, приходится отграничивать скорость вращения крыльчатки и, следовательно, снижать степень сжатия воздуха и рабочие характеристики турбомашины.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение действенного и экономичного решения этих проблем, связанных с вентиляцией нижней полости крыльчатки центробежного компрессора в турбомашине, без снижения рабочих характеристик турбомашины.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания турбомашины, содержащей узел диффузор-выпрямитель, установленный на выходе крыльчатки центробежного компрессора и снабжающий воздухом кольцевую камеру сгорания, и средство подачи воздуха для вентиляции турбины, при этом диффузор-выпрямитель содержит нижний кольцевой фланец, соединенный своим нижним концом со средствами подачи и ограничивающий вместе с нижней поверхностью крыльчатки кольцевую полость циркуляции воздуха вентиляции, отобранного на выходе компрессора, турбомашина характеризуется тем, что на средстве подачи размещено средство отбора части объема воздуха для вентиляции турбины и средство направления отобранного воздуха к радиально внутренней части нижней поверхности крыльчатки, чтобы воздух циркулировал радиально изнутри вовне вдоль нижней поверхности крыльчатки и смешивался с воздухом, отобранным на выходе компрессора, для снижения температуры воздуха в кольцевой полости.
Воздух для вентиляции, отобранный на уровне средства подачи системы вентиляции турбины, направляется к нижней поверхности крыльчатки и начинает омывать нижнюю поверхность, затем смешивается в нижней полости крыльчатки с воздухом, отобранным на выходе компрессора, что снижает температуру воздуха в этой полости. Охлаждение крыльчатки позволяет получать степень сжатия воздуха, превосходящую степень сжатия предыдущего уровня техники. Кроме того, воздух, охлаждающий нижнюю поверхность крыльчатки, отобран на средстве подачи воздуха в систему вентиляции турбины, что позволяет не снижать объем работающего воздуха и, следовательно, сохранять рабочие характеристики турбомашины.
В варианте реализации изобретения средство отбора выходит в кольцевой проход, образованный вокруг вала компрессора между средством подачи воздуха и кольцевой полостью.
Средство отбора преимущественно содержит лабиринтное уплотнение, которое установлено между валом компрессора и выходом средств подачи и управляет объемом воздуха, входящего в кольцевой проход. Кольцевой проход может также содержать на выходе лабиринтное уплотнение для регулирования объема воздуха, приходящего из кольцевого прохода и входящего в нижнюю полость крыльчатки.
Согласно варианту реализации изобретения средство подачи содержит вход, получающий воздух от узла диффузор-выпрямитель и два аксиально-противоположных выхода, один из которых выходит в систему вентиляции турбины, а другой выходит в кольцевую полость.
Преимущественно, нижняя полость крыльчатки содержит средство сепарации и смешивания объема воздуха, отобранного на средстве подачи воздуха для вентиляции турбины и объема воздуха, отобранного на выходе компрессора. Средство сепарации и смешивания содержит, например, один цилиндрический лист, который проходит вверх от нижней стенки, ограничивающей полость, и заканчивается на некотором расстоянии от нижней поверхности крыльчатки.
Другие подробности, характеристики и преимущества настоящего изобретения поясняются нижеследующим описанием, служащим неограничительным примером, со ссылками на сопровождающие чертежи, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает частичный осевой разрез системы охлаждения согласно изобретению;
фиг.2 - частичный осевой разрез варианта реализации изобретения согласно изобретению.
На фиг.1 показана часть турбомашины, например турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащую сверху вниз, в направлении движения газа внутри турбомашины, ступень центробежного компрессора 14, кольцевой узел диффузор-выпрямитель 12 и камеру 10 сгорания.
Ступень центробежного компрессора 14 содержит крыльчатку 18, соединенную с частью вала 20, и статор 22, соединенный посредством верхнего кольцевого фланца 23 с внешним картером 24 турбомашины, который расположен вокруг компрессора 14, диффузора 12 и камеры 10 сгорания.
Выход 26 компрессора направлен радиально вовне и находится на одном уровне с входом диффузора 12, выход компрессора 14 отделен от входа диффузора 12 небольшим радиальным зазором. Диффузор 12 имеет изогнутую кольцевую форму и соединен с выпрямителем 27, который открывается радиально снаружи входа камеры 10 сгорания.
Диффузор 12 содержит верхний кольцевой фланец 28 закрепленный на внешнем картере 24 при помощи подходящих средств типа винт-гайка, фланец 23 статора компрессора зажат в осевом направлении между внешним картером 24 и фланцем 28 диффузора.
Диффузор 12 содержит также кольцевой фланец 30, который проходит вниз и внутрь от входа диффузора и который заканчивается на его нижнем конце внутренним кольцевым фланцем 32, закрепленным средствами 34 типа винт-гайка или аналогичными на средстве 36 подачи воздуха в систему вентиляции турбины (не показана), расположенную ниже камеры 10 сгорания.
Фланец 30 диффузора вместе с нижней радиальной поверхностью 40 крыльчатки ограничивает кольцевую полость 41, которая вентилируется воздухом, отобранным на выходе компрессора 14 через упомянутый радиальный зазор.
Камера сгорания 10 содержит внутреннюю круговую стенку 44 и внешнюю круговую стенку 46, расположенные одна внутри другой. Внутренняя стенка 44 соединена своим нижним концом с радиально внешним концом конической обечайки 48, радиально внутренний конец которой содержит внутренний кольцевой фланец 50, закрепленный на упомянутом средстве 36 подачи. Внешняя стенка 46 камеры соединена своим нижним концом с радиально внутренним концом конической обечайки 52, которая содержит на своем радиально внешнем конце внешний кольцевой фланец 54 для закрепления на внешнем картере 24.
Часть воздуха, выходящего из выпрямителя 27, проходит в камеру 10 и смешивается с горючим, поданным инжекторами (не показаны), затем эта смесь сжигается и подается в турбину для приведения во вращение вала 20. Другая часть воздуха из выпрямителя 27 обходит камеру 10 и проходит между радиально внутренней стенкой 44 камеры и фланцем 30 диффузора для питания средств 36 подачи.
В примере на фиг.1 средство 36 подачи содержит две соосные стенки 59, 60 с L-образным сечением, которые расположены одна внутри другой и определяют кольцевой канал, изогнутый под прямым углом. Вход 61 канала направлен вовне, а его выход 62 проходит в направлении оси и открывается на его нижнем конце для подачи воздуха в турбину.
Кольцевой цилиндрический проход 75 образован между средством 36 подачи и валом 20 и проходит от выхода 62 средства 36 подачи до полости 41 ниже крыльчатки. Проход 75 содержит первое лабиринтное уплотнение 76, установленное между валом 20 и выходом 62 средства 36 подачи, и второе лабиринтное уплотнение 83, установленное выше уплотнения 76, между валом 20 и кольцевым листом 84, проходящим вверх и внутрь от средства 36 подачи.
Осевые отверстия 87 для прохода воздуха образованы между средствами 34 фиксации на фланцах 32 и 50 фланца 30 диффузора и обечайкой 48 соответственно и находятся на одном уровне с соответствующими отверстиями, образованными в круговых стенках 59, 60 средства 36 подачи. Отверстия 87 соединяют нижнюю полость 41 крыльчатки с кольцевой камерой 88 удаления воздуха, расположенной ниже средства подачи, ограниченную обечайкой 48 и внешней стенкой 60 средства 36 подачи.
Воздух, выходящий из центробежного компрессора 14, циркулирует в нижней полости 41 крыльчатки снаружи внутрь и нагревается посредством вязкого трения на нижней поверхности 40 крыльчатки.
Согласно изобретению часть воздуха вентиляции турбины отбирается на выходе средства 36 подачи и направляется в проход 75 до полости 41 для охлаждения нижней поверхности 40 крыльчатки и снижения температуры воздуха в полости 41.
Лабиринтные уплотнения 76 и 83 регулируются для определения объема воздуха 92, циркулирующего в проходе 75.
Воздух, который выходит из лабиринтного уплотнения 83, циркулирует вдоль нижней поверхности 40 крыльчатки, радиально изнутри вовне, затем смешивается с воздухом, отобранным на выходе центробежного компрессора 14. Эта воздушная смесь проходит затем в камеру 88 через осевые отверстия 87 фланцев 32, 50 и средства 36 подачи.
Чтобы отделить объем воздуха 92 на выходе средства 36 подачи и объем воздуха, отобранный на выходе центробежного компрессора, и чтобы обеспечить возможность смешивания этих объемов воздуха после прохождения объема воздуха 92 по нижней поверхности 40 крыльчатки, цилиндрический лист 94 установлен в полости 41 и проходит в осевом направлении вверх от средства 36 подачи до места рядом с нижней поверхностью 40 крыльчатки. Лист 94 расположен радиально между кольцевым рядом отверстий 87 для прохода воздуха средства 36 подачи и лабиринтным уплотнением 83. Воздух, который выходит из этого уплотнения, направляется листом 94 на нижнюю поверхность 40 крыльчатки, затем смешивается с воздухом, отобранным на выходе крыльчатки.
Вариант реализации изобретения представлен на фиг.2.
В этом варианте средство 136 подачи имеет двойной выход и содержит кольцевой канал с Т-образным сечением, в котором вторая осевая цилиндрическая выходная часть 196 соединена с его нижним концом и верхним концом первой осевой цилиндрической выходной части 162. Второй выход 196 открывается вверх и расположен радиально между цилиндрическим направляющим листом 194 и листом 184 для установки верхнего герметичного уплотнения 183, и его сечение прохода воздуха, в представленном примере, в точности идентично сечению первого выхода 162 средства 136 подачи.
Средство 198 сепарации потока предусмотрены в кольцевом канале средства 136 подачи для разделения объема воздуха 199, проходящего в кольцевой канал, на два объема воздуха 200, 202, подающихся соответственно в турбину и нижнюю полость крыльчатки 118. Средство 198 содержит кольцевое ребро, которое выполнено в виде выступа на внутренней цилиндрической поверхности средства 136 подачи, и расположено в плоскости, перпендикулярной продольной оси средства 136 подачи, и проходит через их вход 160.
В представленном примере фланец 130 диффузора имеет L-образную форму в осевом сечении и содержит верхнюю часть, которая проходит радиально, ниже и на небольшом расстоянии от нижней поверхности 140 крыльчатки компрессора, и нижнюю цилиндрическую часть, которая заканчивается на нижнем конце кольцевым фланцем 132 для закрепления на средстве 136 подачи. Цилиндрическая часть фланца 130 проходит параллельно листу 194 и ограничивает нижнюю полость 141 крыльчатки, которая сообщается с выходом компрессора через радиальный проход 204 с малым осевым расстоянием, образованным между крыльчаткой 118 и радиальной частью фланца 130.
Воздух, который проходит через радиальный проход 204, снаружи внутрь, проходит в нижнюю полость 141 и смешивается с воздухом, приходящим из второго выхода 196 средства подачи, и проходит снизу вверх вдоль листа 194 для того, чтобы омывать нижнюю поверхность крыльчатки.
1. Турбомашина, содержащая узел диффузор-выпрямитель, установленный на выходе крыльчатки центробежного компрессора и подающий воздух в кольцевую камеру сгорания, и средство подачи воздуха для вентиляции турбины, этот узел диффузор-выпрямитель содержит нижний кольцевой фланец соединенный своим нижним концом со средством подачи и ограничивающий вместе с нижней поверхностью крыльчатки кольцевую полость циркуляции воздуха для вентиляции, отобранного на выходе компрессора, отличающаяся тем, что на средстве подачи размещено средство отбора части объема воздуха для вентиляции турбины и средство направления отобранного воздуха к радиально внутренней части нижней поверхности крыльчатки, чтобы воздух циркулировал радиально изнутри во вне вдоль нижней поверхности крыльчатки и смешивался с воздухом, отобранным на выходе компрессора для снижения температуры воздуха в кольцевой полости.
2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что средство отбора выходит в кольцевой проход, образованный вокруг вала компрессора, между средствами подачи воздуха и кольцевой полостью.
3. Турбомашина по п.2, отличающаяся тем, что средство отбора содержит лабиринтное уплотнение, которое установлено между валом компрессора и выходом средства подачи воздуха и которое управляет объемом воздуха, входящего в кольцевой проход (75).
4. Турбомашина по п.2, отличающаяся тем, что кольцевой проход содержит на выходе лабиринтное уплотнение для регулирования объема воздуха, приходящего из кольцевого прохода и входящего в кольцевую полость.
5. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что средство подачи содержит вход, в который поступает воздух от узла диффузор-выпрямитель и два аксиально-противоположных выхода, один из которых выходит в систему вентиляции турбины и другой выходит в кольцевую полость.
6. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая полость содержит средство сепарации и смешивания объема воздуха, отобранного на средстве подачи воздуха, для вентиляции турбины и объема воздуха отобранного на выходе компрессора.
7. Турбомашина по п.6, отличающаяся тем, что средство сепарации и смешивания содержит цилиндрический лист, проходящий вверх от нижней стенки, ограничивающей полость, и заканчивается на расстоянии от нижней поверхности (40, 140) крыльчатки.
