Пристрій підведення охолодного повітря до робочих лопаток колеса турбіни

1. Пристрій підведення охолодного повітря до робочих лопаток колеса турбіни, що містить оточені сопловим апаратом повітряну порожнину перед його задньою внутрішньою стінкою, а також кільцеву порожнину змішування, яка включає засоби попереднього закручення та з’єднана з порожниною у робочих лопаток, обмеженою внутрішнім і зовнішнім кільцевими виступами соплового апарата і колеса турбіни, який відрізняється тим, що зазначена кільцева порожнина змішування відокремлена від повітряної порожнини, а засоби попереднього закручення виконані у вигляді наскріз U 1 3 3670 4 НКИ 416-95, пріоритет 11.10.1994 фірми General гаються). Electric.) Воно також використовує повітряну пороПеред авторами було поставлено завдання жнину в ста торі, обмежену коробчатим кільцевим створити такий пристрій підведення охолодного корпусом, а подача охолодного повітря регулюповітря до робочих лопаток турбіни, щоб, у порівється спеціальним засобом. нянні з прототипом, одержати сукупний технічний Через отвори в стінках корпусу і потім через результат, що складається з декількох взаємозагоризонтальний канал ця порожнина поєднана з лежних між собою прогресивних технічних резульвертикальними каналами в дефлекторі, що напрататів, які знаходяться у причинно-слідчому зв'язку, вляють повітря від осі двигуна до підошви хвостоа саме: вика лопатки колеса турбіни. - підвищення ефективності охолодження як Навіть не враховуючи пристосування регулюробочих лопаток, так і диска робочого колеса в вання, відомий пристрій ускладнений і потребує його найбільш навантаженій частині в місці кріпрізкий поворот охолодного повітря до підошви лення замків лопаток; хвостовика лопатки, що, як указувалося вище, ве- забезпечення, уникаючи дискретності струде до газодинамічних утрат. менів охолодного повітря, суцільної закрученої Відома також турбіна, що охолоджується повіповітряної завіси, спрямованої на особо термічне і трям, для газотурбінного двигуна (див. описи до динамічно напружену зону колеса турбіни ; патентів - аналогів, пріоритет 07.09.1982 фірми підвищення міцності вузлів і деталей, що знаRolls Royce -США- №4348157, кл. НКИ 416-95, ходяться у зоні відцентрових і термічних наванФранції - №2439872, кл. МКИ F01D7/18). Турбіна тажень; містить послідовно сопловий апарат і робоче ко- спрощення конструкції пристрою з підвищенлесо з лопатками. Під сопловим апаратом утвореням її технологічності; на порожнина підведення повітря через компресор - зменшення номенклатури необхідних дез-під камери згоряння. талей. Внутрішні кільця 18 і 20 з ущільнювальними Ця задача вирішується тим, що у відомому лабіринтами утворюють кільцеву порожнину під пристрої підведення охолодного повітря до робосопловим апаратом, поєднану з кільцевою порожчих лопаток колеса турбіни, що містить оточені ниною замків робочих лопаток. Вище і нижче замсопловим апаратом повітряну порожнину перед ків утворені дві концентричні групи осьових кільцейого задньою внутрішньою стінкою, а також кільвих канавок, закритих введеними в них кільцевими цеву порожнину змішування, що включає засоби буртами робочого колеса й, у сукупності як ущільпопереднього закручення, і з’єднану з порожниною нення, обмежують порожнину у замків лопаток. біля робочих лопаток, обмежених внутрішнім і зоЦя порожнина повідомлена з наскрізною повнішнім кільцевими виступами соплового апарата і рожниною змішання під вінцем лопаток соплового колеса турбіни зроблене удосконалення. апарата, обмеженої згаданими кільцями 18 і 20 під Удосконалення полягає в тому, що зазначена сопловим апаратом. Останні об'єднані у внутрікільцева порожнина змішування виконана замкнушню основу соплового апарата лопатками 19, що тою від повітряної порожнини дном зазначеної працюють як засіб попереднього закручення охозадньої стінки, а засоби попереднього закручення лодного повітря, що проходить через наскрізну виконані у вигляді наскрізних отворів, поєднаних із порожнину змішання цієї основи під сопловим згаданими повітряною порожниною і порожниною апаратом. змішування. При цьому в радіальній площині пеЗа стійками залишається вільна частина цієї рерізу згадані отвори на їхньому виході в камеру наскрізної кільцевої порожнини основи, поєднана з змішання орієнтовані в тому ж напрямку, що і кообмеженою ущільненнями порожниною, а через рита робочих лопаток колеса турбіни. неї з дефлектором колеса турбіни. Вихід кожного з зазначених наскрізних отворів У дефлекторі за числом робочих лопаток у зазначену порожнину змішування розміщений утворені вигнуті в напрямку обертання колеса трубіля дна замкнутої кільцевої порожнини змішання бки. Вони дискретно направляють охолодне повітй у межах об'єму зазначеної порожнини змішуря до робочих лопаток у замків і їхніх ніжок. вання. Такий дефлектор із трубками ускладнює консЦе дає можливість при проходженні повітрям трукцію колеса турбіни. довжини камери змішання замість безлічі окремих Відомий пристрій мабуть досить ефективно дискретних, хоча і закручених, стр уменів повітря з виконує функцію охолодження. У ньому повітря, отворів одержати рівномірну закручену завісу пощо підводиться до замків лопаток, обгороджене вітря на виході камери змішування, що натікає на від полотнини диска і менш нагрівається. Однак замки лопаток і, при необхідності, в охолодні канаконструкція пристрою дуже складна і припускає ли робочих лопаток. численну номенклатур у деталей. Вирізи в диску у Зазначені отвори в радіальній площині можуть кожної лопатки викликають проблеми міцності кобути розміщені в стінці камери змішання рівномірлеса, досить навантаженого як термічне, так і дино по окружності. намічно, й отже, знижується його надійність. Зазначені отвори також можна розмістити груНезважаючи на зазначені недоліки пристрій по пами по декількох отворів, причому їхній діаметр патенту США - №4348157, кл. НКИ 416-95 (Франції виконують таким, щоб кількість охолодного повіт- №2439872, кл. МКИ F01D7/18) обраний прототиря, що проходить через них, дорівнювало 1...2% пом пристрою, що заявляється, по спільності розвід кількості повітря, споживаного двигуном у ців'язуваної задачі, близькості технічної сутності і лому. відносної подоби технічних результатів, що досяТаке розташування направляючих отворів 5 3670 6 більш технологічно в порівнянні з рівномірним крувиступів того ж бандажа 7 соплових лопаток 3. говим розташуванням отворів меншого діаметра. Задня стінка 13 U-образного корпуса 11 із поЦе забезпечує безперервність охолодження і рожниною 4 ресивера містить зовнішній кільцевий підвищує його ефективність. Причому сама консосьовий бурт 18, спрямований під кільцевий витрукція пристрою спрощується. ступ 10 робочих лопаток 6 і розміщений концентУ конкретному виконанні зазначена камера рично останньому. змішування може бути утворена між задньою стінУ такий спосіб кільцевий виступ 8 бандажа 7 кою соплового апарата і додаткового кільця, спосоплового апарата 3, осьовий бурт 18 і розміщелученим із зазначеною стінкою. Така конструкція ний між ними зустрічний виступ 10 у сукупності більш технологічна у виробництві. утворюють своєрідне торцеве ущільнення на граУсім цим у сук упності забезпечуються вищениці з газодинамічним трактом турбіни. вказані технічні результати рішення, що заявЗадня стінка 13 під осьовим буртом 18 має ляється. концентрично останньому розвиту в осьовому наСутність те хнічного рішення, що заявляється, прямку кільцеву основу 19. пояснюється кресленнями, де на: При цьому зазначена основа 19 розміщена Фіг.1 даний розріз турбіни газотурбінного двиконцентрично навколо кільцевого виступу 20 диска гуна з подачею охолодного повітря через сопло5 колеса турбіни. вий апарат; В основі 19 утворена у вигляді кільцевої осьоФіг.2 показаний збільшений фрагмент А (див. вої щілини, камера змішання 21, відкрита тільки в Фіг.1 і Фіг.2) пристрою підведення охолодного понапрямку колеса турбіни. Ця камера змішування вітря до робочих лопаток газотурбінного двигуна; 21 поєднана з повітряною порожниною 4 отворами Фіг.3 поданий збільшений переріз Б-Б (див. 22 із їхнім виходом у межах об'єму в максимальній Фіг.2) направляючих отворів, які направляють поблизькості до донної частини зазначеної кавітря; мери 21. Фіг.4 показаний розріз турбіни газотурбінного При цьому для конкретного пристрою в подвигуна з подачею охолодного повітря з-під кільдовжній площині перерізу напрямок отворів 22 і цевої прямоточної камери згоряння; кут нахилу їхніх подовжніх осей розраховується Фіг.5 даний розріз турбіни газотурбінного двивідомим способом у кожній конкретній конструкції. гуна з подачею охолодного повітря з-під протипоУ той же час у радіальній площині перерізу приточної камери згоряння. строю ці отвори 22 (їхні осі) повинні бути орієнтоПодана на Фіг.1 конструкція пристрою, що завані від входу з порожнини 4 до виходу в камеру являється, для підведення охолодного повітря до змішання 21 у тому ж напрямку, що і корита роборобочих лопаток колеса турбіни, містить корпус чих лопаток (див. Фіг.3). статора 1 з отворами 2 підведення повітря, у якоТим самим отвори 22 є засобом попереднього му встановлені порожні лопатки соплового апаразакручення дискретних струменів повітря від самота турбіни, далі, соплові лопатки 3, розміщені наго початку камери змішування 21. Ці струмені, вколо порожнини ресивера 4. За ними проходячи далі через порожнину камери 21, у вирозташований диск 5 колеса ротора турбіни з західній її частині будуть утворювати суцільну повіткріпленими на ньому робочими лопатками 6. ряну завісу. Соплові лопатки 3 мають внутрішні полки, об'Як більш технологічний розвиток конструкції, єднані в кільцевий внутрішній бандаж 7 із кільцекамера змішування 21 може бути утворена щілинвим виступом 8, спрямованим уздовж подовжньої ним кільцевим простором між основою 19 і додатосі турбіни (умовно по потоку) до робочих лопаток ково встановленим зсередини основи кільцем 23. 6 у диску 5 колеса турбіни. На кільці 23 може бути виконаний радіальне загосНазустріч і концентрично усередині зазначенотрений бурт 24, спрямований до кільцевого вистуго виступ у 8 соплових лопаток 3, у напрямку попу 20 з утворенням відомим способом розраховадовжньої осі турбіни розташовані внутрішні полки ного зазору 25. робочих лопаток 6 диска 5 колеса турбіни. Вони Тим самим організована камера 26 під вистурозміщені таким чином, що утворять собою кільпом 10 бандажа 9 внутрішніх полиць робочих лоцевий бандаж 9 із загальним кільцевим виступом паток 6, повідомлена через камеру змішання 21 із 10, спрямованим (умовно) проти потоку. Внутріпорожниною 4 ресивери безліччю наскрізних отвошній бандаж 7 лопаток 3 соплового апарата утворів 22 попереднього закручення в основі 19. Камерює порожнину 4 ресивера разом із кільцевим Uра 26 через зазор 25 сполучена з порожниною 27 образним корпусом 11, концентричним бандажу 7 і під кільцевим U-образним корпусом 11 із порожнирозміщеним радіальне усередині останнього. ною 4 ресивера. U-образний корпус 11 має кільцеві, передню Отвори 22 можуть бути рівномірно розміщені 12 і задню 13, внутрішні стінки, спрямовані радіпо окружності як по одному, так і групами - у кожальне від подовжньої осі турбіни. ній групі декілька отворів (див. Фіг.3). У кожної зі стінок 12 і 13 розташовані радіальЯк уже вказувалося, цим отвори 22 забезпене назовні від подовжньої осі кільцеві канавки: у чують попереднє закручення повітря, що прохопередній - канавка 14, а в задній - канавка 15. дить далі через камеру змішання 21. У камері зміУ передню канавку 14 введене переднє кільце шання 21, повітряні струмені об'єднуються, 16, складене з множини радіальних виступів банзмішуються в загальний кільцевий рівномірний дажа 7 соплових лопаток 3. потік повітря, що набігає на робочі лопатки 6 і охоУ задню канавку 15 введене заднє кільце 17 лоджує їх і зокрема їхні замки. (див. також Фіг.3), складене з множини радіальних Пристрій, що заявляється, може бути викона 7 3670 8 но і з забезпеченням порожнини 4 охолодним повищеописаному. Принцип роботи й ефективність вітрям з-під оболонки камери згоряння. пристрою такі ж у випадку з забором повітря з поЗвернемося до конструкції пристрою, що заяврожнини 29' під оболонкою 30' протипоточної каляється, для газотурбінного двигуна з прямоточмери згоряння. ною камерою згоряння (див. Фіг.4) При цьому перетікання середовища з приляУ цьому випадку повітряна порожнина 29 під гаючих порожнин у порожнину підведення охолодвнутрішньою оболонкою 30 прямоточної камери ного повітря 26 обмежують: згоряння повідомлена з порожниною 4 під сопло- з боку газодинамічного тракту турбіни - сисвими лопатками 3, що також з’єднана з камерою тема циліндричних гребінців, що включає в сукуп26 у робочих лопаток 6 через отвір 22 попередньоності кільцевий виступ 8, осьовий бурт 18 і розміго закручення в основі 19 і далі камеру змішущений між ними зустрічний виступ 10; вання 21. - з боку порожнини 27 - радіальний бурт 24 і Разом з тим основа 19 своєю передньою стінвиступ диска 20, також своєрідне ущільнення. кою 12' з’єднана одночасно з внутрішнім бандажем Ефективність s охолодження запропоновано7 лопаток 3 соплового апарату і вн утрішньою обого пристрою вище, чим ефективність системи з лонкою 30 камери згоряння. дискретними струменями. У випадку пристрою, що заявляється, для гаПри цьому температура повітря на вході в розотурбінного двигуна з протипоточною камерою бочу лопатку 6 істотно знижується, що підтверзгоряння повітряна порожнина 29' утворена між джено відомим газодинамічним розрахунком: стінкою 31 і оболонкою 30' протипоточної камери u2 æ c ö * згоряння 34 (див. Фіг.5). Tw = T * + r 1 ç1- 2 × u ÷ × s , 2 ×cp ç u1 ÷ Ця порожнина 29' з’єднана з порожниною 4 під è ø сопловими лопатками 3, що також поєднана з каде мерою 26 у робочих лопаток 6через отвір 22 у * Tw - температура повітря на вході в робочу основі 19 і далі через камеру змішання 21, що на лопатку; виході виведена в порожнину 26 перед робочими лопатками 6, зокрема до їхніх замкових частин. T * - повна температура охолодного повітря; У той же час основа 19 своєю передньою стінu1 - окружна швидкість ротора на радіусі підкою 12" поєднано одночасно з внутрішнім бандаведення; жем 7 лопаток 3 соплового апарату й оболонкою c u - окружна складової швидкості повітря, 30' камери згоряння. Підведення охолодного повітря до робочих який підводиться; лопаток колеса турбіни в пристрої, що заявляєтьc p - теплоємність повітря; ся, реалізується у такий спосіб: r - коефіцієнт відновлення; Звернемося до Фіг.1. Охолодне повітря відбиs - ефективність системи підведення. рається через компресор, або через проміжні стуКонструкція, що заявляється, завдяки наявнопені компресора і підводиться відомими засобами сті камери змішування, та з’єднання її з закрученв порожнину 4 ресивера, ням повітря отворами 22 забезпечує підведення Далі охолодне повітря поступає з порожнини 4 охолодного повітря до робочої лопатки у виді суресивера в камеру змішування 21, утворену осноцільної закрученої по обертанню ротора струменя. вою 19 і кільцем 23, через отвори 22, які закручуУсунення дискретності натікания охолодного повіють повітря. Тиск у порожнині ресивера 4 істотно тря дозволяє знизити його температуру на вході в перевищує тиск у порожнині камери змішування робочу лопатку на 20 - 30°С. Це, у кінцевому раху21. Дискретні струмені охолодного повітря з отвонку, підвищує надійність не тільки турбіни, але і рів 22, проходячи від донної частини камери змінадійність і економічність двигуна в цілому. шання 21 через її порожнину до виходу замикаЗастосовність технічного рішення, що заявляються в суцільний кільцевий струмінь, що далі ється, підтверджена позитивними результатами направляється на охолодження робочих лопаток випробувань досвідчених зразків на двигунах ТВЗ6, зокрема, області встановлення в диск їхніх зам117ВМА-СБМ1, Д-27, АИ-450, розробки ДП ЗМКБ ків. "Прогрес" ім. А.Г. Івченка. Якщо пристрій, що заявляється, виконано, як На даний час, описане технічне рішення, підна Фіг.4 або 5 із забезпеченням порожнини 4 охоготовлено для широкого використання у виробнилодним повітрям з-під оболонки камери згоряння, цтві газотурбінних двигунів, а також введення у принцип подачі охолодного повітря в камеру 4 і нову розробку ЗМКБ "Прогрес" - газотурбінний проходження його через отвори 22 і далі з камери двигун АИ-500ТП. змішування 21 у порожнину 26 цілком ідентичний 9 Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 3670 Підписне 10 Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601