Система охлаждения рабочего колеса турбины газотурбинного двигателя
Владельцы патента RU 2490473:
Открытое акционерное общество Конструкторско-производственное предприятие "Авиамотор" (RU)
Система охлаждения рабочего колеса турбины газотурбинного двигателя содержит сопловой аппарат и рабочее колесо с охлаждаемой рабочей лопаткой, устройство закрутки охлаждающего воздуха. На внутреннем корпусе соплового аппарата размещен ресивер, сообщенный с полостью подачи вторичного воздуха камеры сгорания. Устройство закрутки охлаждающего воздуха выполнено в виде разъемной правой стенки ресивера с коническими отверстиями - соплами в ней. На диске рабочего колеса установлены два, левый и правый дефлекторы диска с отверстиями, сообщенными с каналами в диске и рабочей лопатке. Два лабиринтных уплотнения, расположенные в ступичной и ободной частях диска, а также на внутренней и периферийной частях внутреннего корпуса соплового аппарата, полотно диска рабочего колеса, внутренний корпус соплового аппарата, корпус устройства закрутки, левый дефлектор диска, кольцевой зазор между устройством закрутки и левым дефлектором диска образуют разгрузочную полость турбины. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения, уменьшение утечек воздуха в проточную часть, доводке осевых сил, упрощение и улучшение технологии изготовления узла. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к охлаждаемым турбинам ГТД.
Известна охлаждаемая турбина ГТД, содержащая рабочее колесо с выполненными в диске каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам с выпуском охлаждающего воздуха по торцу бандажной полки в зону лабиринтного уплотнения, включающая в себя внутренний корпус статора турбины, в котором входящими сборочными единицами и деталями организован ресивер сварной конструкции. На выходе из ресивера установлены лопатки в профильные пазы и припаяны тугоплавким припоем, образуя, таким образом, аппарат закрутки охлаждающего воздуха, для того, чтобы на выходе из аппарата получить более низкую температуру, давление воздуха и повысить эффективность охлаждения рабочей лопатки и замковую часть диска. Далее проходя через лопатку, воздух охлаждает перо и через отверстия выбрасывается в проточную часть (см. Газотурбинный двигатель НК-38СТ. «Руководство по технической эксплуатации», 1996 г., стр.79/80, рис.7.20).
Недостатком известной системы охлаждения рабочих лопаток первой ступени турбины, включая замковую часть обода диска и замков рабочих лопаток, является не разборная, сварная конструкция, предопределяющая низкую ремонтопригодность, сложность технологии изготовления.
Из известных охлаждаемых турбин газотурбинного двигателя, наиболее близкой к предлагаемому изобретению является охлаждаемая турбина, содержащая рабочее колесо, где в рабочей лопатке выполнены каналы подвода охлаждающего воздуха, а на статоре сопловой аппарат закрутки, выходные каналы которого направлены в сторону вращения рабочего колеса. Между выходом из аппарата закрутки, дополнительным диском и основным диском образована кольцевая полость. Дополнительный диск, соединен с диском рабочего колеса образуя с ним безлопаточный диффузор. Вход в безлопаточный диффузор сообщен с кольцевой полостью, а выход с каналами подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам. (см. Патент RU 2196233, МПК F01D 5/08).
Недостатком этого технического решения является то, что данная конструкция выполняет ограниченные функции, связанные только с подводом охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины и не ограничивает утечки охлаждающего воздуха из системы подвода воздуха, из полостей под камерой сгорания двигателя в проточную часть, а также не позволяет доводить осевые силы, действующие на ротор турбины двигателя. Кроме этого, недостатком также является не разборная, сварная конструкция узла, имеющая низкую ремонтопригодность и сложность изготовления.
Технической задачей изобретения является решение комплексной задачи по подводу необходимого количества охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам, уменьшению утечек воздуха в проточную часть, доводкой осевых сил, путем формирования разгрузочной полости перед диском рабочего колеса турбины, снижением температуры воздушной среды, омывающей полотно диска, упрощения и улучшения технологии изготовления узла.
Указанная техническая задача в системе охлаждения турбины ГТД, содержащая сопловой аппарат и рабочее колесо с охлаждаемой рабочей лопаткой, устройство закрутки охлаждающего воздуха, достигается тем, что на внутреннем корпусе соплового аппарата размещен ресивер, сообщенный с полостью подачи вторичного воздуха камеры сгорания, при этом устройство закрутки охлаждающего воздуха выполнено в виде разъемной правой стенки ресивера с коническими отверстиями - соплами в ней, а на диске рабочего колеса установлены два, левый и правый дефлекторы диска с отверстиями, сообщенными с каналами в диске и рабочей лопатке, при этом два лабиринтных уплотнения, расположенные в ступичной и ободной частях диска, а также на внутренней и периферийной частях внутреннего корпуса соплового аппарата, полотно диска рабочего колеса, внутренний корпус соплового аппарата, корпус устройства закрутки, левый дефлектор диска, кольцевой зазор между устройством закрутки и левым дефлектором диска образуют разгрузочную полость турбины.
Кроме того, между устройством закрутки в виде разъемной правой стенки ресивера и корпусом ресивера, установлены прокладки для регулирования осевого зазора между устройством закрутки и левым дефлектором диска.
Кроме того, центры конических отверстий - сопел в разъемной стенке устройства закрутки и центры приемных отверстий на левом дефлекторе диска, расположены на разных уровнях от оси турбины в меридиональном сечении.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена охлаждаемая турбина газотурбинного двигателя, содержащая рабочее колесо турбины.
На фиг.2 представлен кольцевой ресивер с устройством.
Перед рабочим колесом турбины 1, под сопловым аппаратом 2 на внутреннем корпусе соплового аппарата 20 размещен ресивер 3, связанный с полостью под камерой сгорания 17 несколькими группами отверстий. На правой стенке ресивера расположено устройство закрутки 4 охлаждающего воздуха, состоящее из множества направляющих конических отверстий - каналов - сопел 16, с углом конуса при вершине Р, расположенных осесимметрично вокруг оси турбины. Если рассматривать положение одного отверстия, то оно расположено под углом а к фронту решетки, если смотреть в проекции на плоскость нормальную к меридиональному сечению. Конические отверстия заканчиваются косым срезом - соплом 14. Разгрузочная полость 12 от осевых сил образована путем установки нижнего лабиринтного уплотнения 5 под устройством закрутки охлаждающего воздуха и верхнего лабиринтного уплотнения 6 над ним. На диске 11 рабочего колеса устанавливают два дефлектора: левый 7 перед диском и правый 8 за диском. Лабиринтные уплотнения закреплены на статоре турбины, левом дефлекторе диска 7 и ступице диска, создавая разгрузочную полость. В дефлекторах проделаны отверстия, через отверстие 15 в левом дефлекторе поступает охлаждающий воздух в рабочую лопатку 9, а через отверстие 19 в правом дефлекторе выходит в проточную часть после охлаждения замка лопатки.
Вторичный воздух из под камеры сгорания 17 подается в ресивер 3, снабженный устройством закрутки охлаждающего воздуха 4. Закрутка и ускорение охлаждающего воздуха происходит в конфузорных каналах 16, после которых воздух выпускается из сопла 14, представляющих собой косой срез канала со скоростью C1 и осевой скоростью C1a. Снизив статическую температуру и давление, охлаждающий воздух в относительном движении поступает через отверстия 15 в левом дефлекторе диска 7 к рабочей лопатке 9. Падение статического давления в соплах требует, чтобы среда, в которую вытекает воздух, была бы пониженного давления. Также пониженное давление необходимо для балансировки осевой силы, действующей на компрессор и турбину. Это осуществляется путем образования разгрузочной полости 12. Кроме формирования разгрузочной полости, лабиринтные уплотнения 5 и 6, позволяют сократить утечки воздуха в проточную часть из разгрузочной полости. Давление в разгрузочной полости всегда выше, чем статическое давление газа в проточной части в выходном сечении, у втулки соплового аппарата, где расположен верхний лабиринт разгрузочной полости 6. Выход охлаждающего воздуха из рабочей лопатки, происходит через каналы, подводящие воздух к бандажной полке 10, где давление близко к статическому давлению газа в выходном сечении на периферии соплового аппарата, а статическое давление газа на периферии соплового аппарата всегда выше, чем у втулки. Таким образом, в разгрузочной полости, для формирования требуемой осевой силы, действующей на ротор турбины, диапазон возможного давления в полости, составляет от заторможенного давления в полости под камерой сгорания, до статического давления на периферии соплового аппарата. На давление в разгрузочной полости, оказывает влияние и воздух перед нижним лабиринтом, заторможенное давление которого, может быть выше, чем давление вторичного воздуха из камеры сгорания. Чтобы снизить влияние воздуха перед нижним лабиринтом, пропускную способность нижнего лабиринта уменьшают, делая лабиринт с большим числом гребешков, чем верхний, фиг.1.
Отверстия в устройстве закрутки охлаждающего воздуха 4 в меридиональном сечении, расположены ниже по радиусу приемных отверстий 15 в левом дефлекторе диска. Смещение центра отверстия сопла 14 вниз по радиусу на ΔR, относительно отверстий 15 в левом дефлекторе диска в меридиональном сечении, выбрано таким образом, чтобы с учетом величины осевого зазора «У», между фронтальными плоскостями устройства закрутки и левым дефлектором диска, углом поворота сопел в окружном направлении, в сторону направления вращения диска, обеспечить в относительном движении охлаждающего воздуха угол натекания потока, относительно фронтальной плоскости левого дефлектора диска, максимально приближающийся к нормальному. Также важно обеспечить, совпадение или минимальное отклонение центра струи от условной окружности, на которой находятся центры приемных отверстий в левом дефлекторе, после преодоления потоком из сопел осевого зазора между устройством закрутки и левым дефлектором диска, фиг.2. Чтобы получить требуемую осевую силу, действующую на ротор турбины, суммарная проходная площадь сопел устройства закрутки, нижний и верхний лабиринты, количество гребешков и зазоры в них, рассчитаны на снижение температуры и давления в разгрузочной полости. Диаметры отверстий в левом и правом дефлекторе, обеспечивают поступление необходимого количества охлаждающего воздуха в рабочие лопатки, с выпуском этого воздуха через каналы, проходящие через бандажную полку 10, а при продувке замка рабочей лопатки с выпуском воздуха через отверстия 19 в правом дефлекторе. Технологичность изготовления системы охлаждения рабочих лопаток турбины, диска ротора турбины высокого давления и других элементов конструкции достигается тем, что детали и сборочные единицы рабочего колеса и ресивера выполнены разборной конструкции. Устройство закрутки является одной из составных частей ресивера и крепится с помощью болтового соединения, которое позволяет подобрать устройство закрутки по расходу охлаждающего воздуха. Для этого на внутреннем корпусе соплового аппарата 20 ступени турбины имеется два фланца, на которых закреплено устройство закрутки охлаждающего воздуха. Охлаждающий воздух, из полости подачи вторичного воздуха камеры сгорания, поступает в ресивер и через систему конических отверстий устройства закрутки и отверстий на левом дефлекторе на охлаждение пера и замка рабочей лопатки, а часть этого воздуха в разгрузочной полости, охлаждает полотно и обод диска. Между фланцами аппарата закрутки и корпусом статора (соплового аппарата первой ступени), для регулировки осевого зазора между аппаратом закрутки и левым дефлектором диска, установлены прокладки.
На правом дефлекторе, выполнены отверстия выпуска воздуха в полость за рабочим колесом первой ступени. Количество отверстий в аппарате закрутки воздуха, на левом и правом дефлекторе, выбраны таким образом, чтобы обеспечить охлаждение рабочих лопаток и доводку осевых сил, действующих на ротор турбины.
Технический эффект изобретения состоит в организации перед диском разгрузочной полости, путем подбора аппарата закрутки по расходу воздуха, зазоров в верхнем и нижнем лабиринте с возможностью доводки осевых сил, действующих на ротор турбины, осевого зазора «У» между фронтальными плоскостями устройства закрутки и левым дефлектором диска, путем подбора прокладок в болтовом соединении, для снижения гидравлических потерь и обеспечения необходимого соотношения количества и площади отверстий на правом и левом дефлекторе, для регулирования охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение пера и замка рабочей лопатки. Технический эффект изобретения также связан в упрощении конструкции, технологичности изготовления, ремонте, повышении надежности.
1. Система охлаждения рабочего колеса турбины ГТД, содержащая сопловой аппарат и рабочее колесо с охлаждаемой рабочей лопаткой, устройство закрутки охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что на внутреннем корпусе соплового аппарата размещен ресивер, сообщенный с полостью подачи вторичного воздуха камеры сгорания, при этом устройство закрутки охлаждающего воздуха выполнено в виде разъемной правой стенки ресивера с коническими отверстиями-соплами в ней, а на диске рабочего колеса установлены два, левый и правый, дефлекторы диска с отверстиями, сообщенными с каналами в диске и рабочей лопатке, при этом два лабиринтных уплотнения, расположенных в ступичной и ободной частях диска, а также на внутренней и периферийной частях внутреннего корпуса соплового аппарата, полотно диска рабочего колеса, внутренний корпус соплового аппарата, корпус устройства закрутки, левый дефлектор диска, кольцевой зазор между устройством закрутки и левым дефлектором диска образуют разгрузочную полость турбины.
2. Система охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что между устройством закрутки в виде разъемной правой стенки ресивера и корпусом ресивера установлены прокладки для регулирования осевого зазора между устройством закрутки и левым дефлектором диска.
3. Система охлаждения по п.1 или 2, отличающаяся тем, что центры конических отверстий-сопел в разъемной стенке устройства закрутки и центры приемных отверстий на левом дефлекторе диска расположены на разных уровнях от оси турбины в меридиональном сечении.
