Система охолоджування вінця відцентрового компресора

1. Система охолоджування вінця відцентрового компресора, зокрема, в газотурбінному двигуні, причому відцентровий компресор живить кільцевий дифузор, який закріплений на зовнішньому кожусі і містить кільцевий фланець, який проходить в напрямі за потоком і вздовж вінця відцентрового компресора і зв'язаний в своїй задній за потоком частині з опорними конструктивними елементами камери згоряння газотурбінного двигуна, яка відрізняється тим, що фланець дифузора перекритий з передньої за потоком сторони кільцевим листовим елементом, закріпленим на фланці, і цей листовий елемент обмежує, спільно з вінцем компресора, перший кільцевий прохід, призначений для проходження потоку повітря, відібраного на виході компресора, і обмежує, спільно з фланцем дифузора, другий кільцевий прохід, призначений для проходження деякої частини повітря, яке виходить з дифузора. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що радіальні лопатки проходять між фланцем дифузора і кільцевим листовим елементом і рівномірно розподілені навколо осі газотурбінного двигуна. 2 (19) 1 3 Даний винахід належить до системи охолоджування вінця відцентрового компресора, зокрема відцентрового компресора в газотурбінному двигуні типу авіаційного турбореактивного або турбогвинтового двигуна. Відомим чином відцентровий компресор газотурбінного двигуна зв'язаний з кільцевим дифузором зігненої форми, вхідна частина якого розташовується в радіальному напрямі на одній лінії з вихідною частиною цього компресора, і вихідна частина якого орієнтована в напрямі за потоком і розташовується в радіальному напрямі зовні від кільцевої камери згоряння, встановленої в кільцевому просторі, обмеженому зовнішнім кожухом двигуна. Дифузор містить кільцевий фланець, який проходить в напрямі за потоком і вздовж ротора компресора, також званого його вінцем, і зв'язаний в своїй задній за потоком частині з конструктивними опорними елементами камери згоряння, зокрема з засобами уприскування повітря, призначеного для охолоджування і/або вентиляції турбіни, розташованої за потоком ззаду камери згоряння. Фланець дифузора обмежує, спільно з вінцем компресора, радіальний кільцевий прохід, призначений для проходження потоку повітря, відібраного на виході компресора (див., наприклад, патентні документи US 555572 1Α і DE-A-19845375). Повітря піддається значному в'язкому зсуву в просторі між вінцем компресора і фланцем дифузора, що приводить до виділення значної кількості теплової енергії, яка поглинається, здебільшого, вінцем компресора, і виражається в суттєвому підвищенні температури цього вінця і в певній небезпеці пошкодження вінця і зниження терміну його служби. Технічне розв'язання цієї проблеми полягає в закріпленні кільцевого теплозахисного екрана на вінці компресора, причому теплозахисний екран обмежує, спільно із згаданим вінцем, деяку кільцеву повітряну порожнину, призначену для захисту вінця від теплової енергії повітря, яке відбирається на виході компресора. Однак, таке технічне рішення не є цілком задовільним, оскільки теплозахисний екран виявляється досить важким і помітно збільшує масу газотурбінного двигуна, а також збільшує інерцію вінця компресора. Технічна задача даного винаходу полягає, зокрема, в тому, щоб запропонувати досить просте, ефективне і економічне технічне розв'язання проблем, характерних для існуючого рівня техніки. Для рішення поставленої технічної задачі згідно з винаходом запропонована система охолоджування вінця відцентрового компресора, зокрема відцентрового компресора в газотурбінному двигуні, причому компресор живить кільцевий дифузор, який закріплений на зовнішньому кожусі і містить кільцевий фланець, який проходить в напрямі за потоком і вздовж вінця цього відцентрового компресора і який зв'язаний в своїй задній за потоком частині з опорними конструктивними елементами камери згоряння газотурбінного двигуна, система характеризується тим, що фланець дифузора перекритий з передньої за потоком сторони 93363 4 кільцевим листовим елементом, закріпленим на цьому фланці, і цей листовий елемент обмежує, спільно з вінцем компресора, перший кільцевий прохід, призначений для проходження потоку повітря, відібраного на виході компресора, і обмежує, спільно з фланцем дифузора, другий кільцевий прохід, призначений для проходження деякої частини повітря, що виходить з дифузора. Теплова енергія, що утворюється внаслідок зсуву потоку повітря, який протікає в першому кільцевому проході, здебільшого поглинається внаслідок конвекції повітрям, яке виходить з дифузора і протікає через другий кільцевий прохід, обмежений листовим елементом і фланцем дифузора. Таким чином, винахід, що пропонується, дозволяє обмежити кількість теплової енергії, що поглинається вінцем останнього рівня компресора, і підвищити тим самим термін його служби. Відповідно до переважного варіанта реалізації винаходу, що пропонується, радіальні лопатки проходять між листовим елементом і фланцем дифузора і рівномірно розподілені навколо осі газотурбінного двигуна. Ці лопатки забезпечують підвищення жорсткості фланця дифузора, який, таким чином, виявляється здатним забезпечувати передачу зусиль без деформації. Лопатки переважним чином містять передні за потоком лопатки, які проходять між радіальними частинами кільцевого листового елемента і фланцем дифузора, і задні за потоком лопатки, які проходять між циліндричними частинами кільцевого листового елемента і фланцем дифузора. Передніх за потоком лопаток може бути встановлено, наприклад, порядку 36 штук, і стільки ж може бути встановлено задніх за потоком лопаток. Лопатки переважним чином сформовані у вигляді єдиної деталі з фланцем дифузора і закріплені на кільцевому листовому елементі, наприклад, за допомогою зварного або паяного з'єднання. Кінці лопаток, жорстко зв'язаних з фланцем дифузора, можуть бути вставлені в щілини або в канавки відповідної форми, виконані в кільцевому листовому елементі, і можуть утримуватися в них. Кільцевий листовий елемент розташовується спереду за потоком і всередині фланця дифузора по відношенню до напряму течії потоку повітря через другий кільцевий прохід і цей кільцевий листовий елемент закріплений за допомогою зварного з'єднання на фланці дифузора. Звичайно, такий кільцевий листовий елемент має товщину в діапазоні від 0,8 мм до 1,5 мм. Фланець дифузора переважним чином містить на своєму передньому за потоком кінці кільцевий ряд отворів, призначених для входження повітря, яке поступає з дифузора, причому отвори орієнтовані по суті в радіальному напрямі і відкриваються на їх внутрішньому в радіальному напрямі кінці в згаданий другий кільцевий прохід. Фланець може бути закріплений або центрований на своєму задньому за потоком кінці на засобах уприскування повітря, призначеного для охолоджування турбіни, причому вихід другого кільцевого проходу сполучається з вхідною частиною засобів уприскування. 5 Винахід, що пропонується, належить також до газотурбінного двигуна типу авіаційного турбореактивного або турбогвинтового двигуна, який характеризується тим, що містить систему охолоджування вінця відцентрового компресора описаного вище типу. Інші подробиці, характеристики і переваги винаходу, що пропонується, будуть краще зрозумілі з наведеного нижче опису, який не є обмежувальним, прикладу реалізації цього винаходу, з посиланнями на прикладені креслення, на яких: Фіг.1 зображує частковий осьовий розріз системи охолоджування вінця відцентрового компресора, згідно з винаходом, Фіг.2 загальний вигляд дифузора, який використовується в системі, згідно з винаходом, з його задньої за потоком сторони, Фіг.3 - розріз по лінії ІІІ-ІІІ Фіг.1, згідно з винаходом. На Фіг.1 показана частина газотурбінного двигуна, наприклад авіаційного турбореактивного або турбогвинтового двигуна, який містить, якщо дивитися в напрямі спереду назад по ходу течії потоку газів всередині газотурбінного двигуна, відцентровий ступінь 10 компресора, дифузор 12 і камеру 14 згоряння. Вхідна частина 18 відцентрового ступеня 10 компресора орієнтована в напрямі проти потоку і по суті паралельно осі газотурбінного двигуна, а вихідна частина 20 орієнтована в напрямі назовні, по суті перпендикулярно до осі газотурбінного двигуна, і розташовується на одній лінії з радіальною вхідною частиною 22 дифузора 12. Дифузор має кільцеву форму, зігнену під кутом 90°, і містить кільцеву вихідну частину 24, яка орієнтована паралельно осі газотурбінного двигуна і відкривається на задньому за потоком кінці зовні в радіальному напрямі по відношенню до вхідної частини камери 14 згоряння. Дифузор 12 утримується зовнішнім кожухом 28 газотурбінного двигуна, який охоплює зовні компресор 10, дифузор 12 і камеру 14 згоряння. Дифузор 12 містить передній за потоком перекриваючий елемент 30, що є по суті циліндричним і закріплений за допомогою відповідних в цьому випадку засобів кріплення, наприклад, засобів типу гвинтгайка, на зовнішньому кожусі 28. Дифузор 12 також містить фланець 26, який має по суті L-подібний поперечнийпереріз і містить передню за потоком частину, яка проходить в радіальному напрямі всередину від вхідної частини 22 дифузора 12 і зв'язана на своєму внутрішньому в радіальному напрямі кінці з циліндричною частиною цього фланця. Циліндрична частина 26 фланця містить на своєму задньому за потоком кінці кільцеву скобу 36 кріплення на засобах 38 уприскування повітря, призначеного для охолоджування турбіни. Радіальна частина фланця 26 проходить в напрямі назад за потоком від ротора або вінця 11 відцентрового ступеня компресора, вздовж цього вінця і на невеликій відстані від нього, щоб сформувати радіальний кільцевий прохід 39, який сполучається на своєму зовнішньому в радіальному напрямі кінці з вихідною частиною 20 компресора. 93363 6 Камера 14 згоряння містить дві стінки 40, 42, які являють собою коаксіальні тіла обертання, що проходять одна всередині іншої і зв'язані на передніх за потоком кінцях зі стінкою 44 донної частини цієї камери згоряння, причому стінки 40, 42 і 44 утворюють між собою кільцеву камеру, в яку паливо підводиться за допомогою паливних інжекторів (не показані). Зовнішня в радіальному напрямі стінка 40 камери згоряння закріплена своїм заднім за потоком кінцем на зовнішньому кожусі 28, а внутрішня в радіальному напрямі стінка 42 камери згоряння зв'язана своїм заднім за потоком кінцем з обичайкою 48, виконаною в формі усіченого конуса, яка містить на своєму внутрішньому в радіальному напрямі кінці внутрішню кільцеву скобу 50 кріплення на згаданих засобах 38 уприскування повітря. Засоби 38, призначені для уприскування повітря охолоджування, містять дві циліндричні стінки, а саме, внутрішню стінку 64 і зовнішню стінку 66, які встановлюються одна всередині іншої і визначають між собою кільцевий канал, який відкривається в своїй передній за потоком частині зсередини в радіальному напрямі в сторону до фланця 26 і відкриваються в своїй задній за потоком частині зсередини в радіальному напрямі в сторону до обичайки 48 камери 14 згоряння. При цьому зовнішня стінка 66 містить зовнішній кільцевий виступ 68, до якого притискаються скоби 36 і 50, і який містить отвори, призначені для проходження засобів кріплення типу гвинт-гайка, паралельно осі газотурбінного двигуна через відповідні отвори, виконані в скобах 36 і 50. Невелика частина потоку повітря, яке виходить з відцентрового компресора 10, відбирається через радіальний прохід 39, що визначається вінцем 11 компресора і фланцем 26. Це повітря (див. стрілку 70) піддається на виході з компресора значному в'язкому зсуву, виникаючому внаслідок обертання вінця 11, в безпосередній близькості від радіальної частини фланця, що приводить до виділення теплової енергії і нагрівання вінця, який має обмежену термічну стійкість (наприклад, до температури 500°С для вінця, виготовленого з титану). Повітря, яке виходить з дифузора 12 (див. стрілку 72), живить однією своєю частиною камеру 14 згоряння (див. стрілки 74), а іншою своєю частиною - внутрішній кільцевий канал 76 і зовнішній кільцевий канал 78, який проходить в обхід камери 14 згоряння (див. стрілки 80). Зовнішній канал 78 сформований між зовнішнім кожухом 28 і зовнішньою стінкою 40 камери згоряння, при цьому повітря, яке проходить через канал, використовується для охолоджування і/або вентиляції елементів двигуна, розташованих за потоком ззаду камери згоряння (не показані). Внутрішній канал 76 сформований між внутрішньою стінкою 42 камери згоряння і кільцевим листовим елементом 82 конвекції, який встановлений в радіальному напрямі між камерою 14 згоряння і фланцем 26, і повітря, яке проходить через цей канал, живить отвори, виконані в камері 14 згоряння. Листовий елемент 82 містить на своєму передньому за потоком кінці циліндричний виступ 7 84, який встановлюється на відповідний циліндричний виступ, передбачений на зовнішньому в радіальному напрямі кінці фланця 26, і містить на своєму задньому за потоком кінці внутрішню кільцеву скобу 86, яка затискається в осьовому напрямі між скобою 36 фланця і кільцевим виступом 68 засобів 38 уприскування. Відповідно до винаходу, що пропонується, кільцевий листовий елемент вставлений в осьовому напрямі між вінцем 11 компресора і фланцем 26 дифузора, щоб сформувати, спільно з цим вінцем 11, згаданий вище радіальний прохід 39 і сформувати, спільно з цим фланцем 26, другий кільцевий прохід, призначений для проходження деякої частини повітря, яке виходить з дифузора 12 і призначене для вентиляції кільцевого листового елемента, а також для поглинання теплової енергії, що виділяється внаслідок зсуву потоку повітря в першому проході 39. У прикладі реалізації, що описується, кільцевий листовий елемент 90 має поперечний переріз по суті L-подібної форми і проходить коаксіально по відношенню до фланця 26 дифузора, спереду за потоком від цього фланця і всередині нього, обмежуючи кільцевий прохід 98, зігнений під прямим кутом. Листовий елемент 90 жорстко зв'язаний з фланцем 26 за допомогою радіальних лопаток 94, 96, які розташовуються в кільцевому проході 98 між листовим елементом і фланцем. Кільцевий листовий елемент 90 містить радіальну передню за потоком частину, яка проходить між вінцем 11 компресора і фланцем дифузора по суті паралельно до нього і на невеликій відстані від цього фланця, причому передня за потоком частина листового елемента зв'язана на зовнішньому в радіальному напрямі кінці з дифузором 12, і містить по суті циліндричну частину, яка герметичним чином спирається в радіальному напрямі на своєму задньому за потоком кінці на передній за потоком кінець внутрішньої стінки 64 засобів 38, призначених для уприскування повітря. Передні за потоком радіальні лопатки 94 зв'язують між собою радіальні частини фланця 26 і листового елемента 90 на переважаючій частині їх радіального розміру, а задні за потоком радіальні лопатки 96 зв'язують між собою розташовані одна проти одної циліндричні частини фланця 26 і листового елемента 90. Ці лопатки 94, 96 дозволяють 93363 8 підвищити жорсткість фланця дифузора, який забезпечує передачу зусиль між дифузором 12 і камерою 14 згоряння. При цьому лопатки 94 виконані в кількості, наприклад, порядку 36 штук, а лопатки 96 виконані в такій же кількості, і вони рівномірно розподілені навколо осі даного газотурбінного двигуна. Фланець 26 дифузора містить на своєму зовнішньому в радіальному напрямі кінці радіальні крізні отвори 100, рівномірно розподілені навколо осі газотурбінного двигуна. Ці отвори 100 забезпечують повітряне сполучення між кільцевою камерою, обмеженою зовнішнім кожухом 28, в яку відкривається вихідна частина дифузора 12, і кільцевим проходом 98, сформованим між фланцем 26 і кільцевим листовим елементом 90. Повітря, яке використовується для живлення проходу 98, визначається повним поперечним перерізом всіх отворів 100, причому це повітря рухається через прохід 98 і проникає потім в засоби 38, призначені для уприскування повітря (див. стрілку 102). Фланець 26 дифузора (Фіг.1-3) сформований у вигляді єдиної деталі з дифузором 12 і з лопатками 94, 96, а кільцевий листовий елемент 90 приєднаний до них і закріплений на згаданих лопатках і на фланці 26. Зовнішній в радіальному напрямі кінець листового елемента 90 закріплений за допомогою зварного з'єднання на зовнішньому в радіальному напрямі кінці фланця 26, за потоком перед отворами 100, призначеними для входження повітря. Вільні кінці лопаток 94, 96, протилежні фланцю 26, можуть бути вставлені в радіальні канавки або в радіальні щілини 104 і можуть утримуватися в них, наприклад, за допомогою зварного або паяного з'єднання, причому ці канавки або щілини мають відповідну форму і виконані на кільцевому листовому елементі 90 (Фіг.3). Звичайно кільцевий листовий елемент 90 має товщину в діапазоні від 0,8 мм до 1,5 мм, тобто товщину, меншу ніж товщина фланця 26 дифузора. Лопатки 94, 96 можуть бути виготовлені окремо від фланця 26 і від листового елемента 90 і можуть бути закріплені на їх кінцях за допомогою придатних в цьому випадку засобів кріплення на фланці 26 і на листовому елементі 90 відповідно. 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 93363 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601