Устройство для охлаждения рабочего колеса турбины

Полезная модель относится к охлаждаемым турбинам газотурбинных авиационных двигателей, в частности к устройствам подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины. Техническим результатом полезной модели является снижение утечек воздуха в проточную часть из осевого зазора, повышение давления на входе в охлаждающие каналы рабочего колеса и следовательно повышение эффективности охлаждения рабочих лопаток, а также повышение давления в преддисковой полости турбины уменьшает результирующую осевую силу турбокомпрессора, и благоприятно сказывается на ресурсе подшипника опоры компрессора. Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для охлаждения рабочего колеса турбины, содержащее рабочее колесо с каналами охлаждения, выполненное в виде диска с установленными в нем рабочими лопатками, аппарат закрутки, сопла которого направлены в сторону вращения рабочего колеса под углом 10°<<30°, полость, образованную между аппаратом закрутки и диском, а также воздушную полость ограниченную внутренним корпусом соплового аппарата перед аппаратом закрутки. Новым в полезной модели является то, что сопла дополнительно повернуты под углом 0°<<60° к продольной оси двигателя.

Полезная модель относится к охлаждаемым турбинам газотурбинных авиационных двигателей, в частности к устройствам подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины.

Известно устройство для охлаждения рабочего колеса турбины (Патент РФ 2289029, кл. F02C 7/12, F01D 5/08, опубликовано 10.12.2006), содержащее рабочее колесо с каналами охлаждения, выполненное в виде диска с установленными в нем рабочими лопатками, аппарат закрутки, сопла которого направлены в сторону вращения рабочего колеса, полость, образованную между аппаратом закрутки и диском, а также воздушную полость ограниченную внутренним корпусом соплового аппарата перед аппаратом закрутки.

Известно выбранное в качестве прототипа устройство для охлаждения рабочего колеса турбины (Патент РФ 243325, кл. F02C, опубликовано 05.05.1969), содержащее рабочее колесо с каналами охлаждения, выполненное в виде диска с установленными в нем рабочими лопатками, аппарат закрутки, сопла которого направлены в сторону вращения рабочего колеса под углом 10°<<30°, полость, образованную между аппаратом закрутки и диском, а также воздушную полость ограниченную внутренним корпусом соплового аппарата перед аппаратом закрутки.

Недостатком описанных устройств являются утечки воздуха из преддисковой полости рабочего колеса, что приводит к высоким газодинамическим потерям ступени турбины и к потерям КПД (коэффициента полезного действия) термодинамического цикла.

Техническим результатом полезной модели является снижение утечек воздуха в проточную часть из осевого зазора, повышение давления на входе в охлаждающие каналы рабочего колеса и следовательно повышение эффективности охлаждения рабочих лопаток, а также повышение давления в преддисковой полости турбины уменьшает результирующую осевую силу турбокомпрессора, и благоприятно сказывается на ресурсе подшипника опоры компрессора.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для охлаждения рабочего колеса турбины, содержащее рабочее колесо с каналами охлаждения, выполненное в виде диска с установленными в нем рабочими лопатками, аппарат закрутки, сопла которого направлены в сторону вращения рабочего колеса под углом 10°<<30°, полость, образованную между аппаратом закрутки и диском, а также воздушную полость ограниченную внутренним корпусом соплового аппарата перед аппаратом закрутки.

Новым в полезной модели является то, что сопла дополнительно повернуты под углом 0°<60° к продольной оси двигателя.

На прилагаемых чертежах изображено устройство для охлаждения рабочего колеса турбины:

Фиг.1 - продольный разрез турбины газотурбинного двигателя;

Фиг.2 - увеличенный разрез А-А фиг.1;

Фиг.3 - увеличенный вид Б фиг.1.

Устройство для охлаждения рабочего колеса турбины содержит рабочее колесо 1 с установленными в диске 2 рабочими лопатками 3. В аппарате закрутки 4 выполнены сопла 5, направленные в сторону вращения рабочего колеса 1 под углом в интервале от 10° до 30°. В диске 2 выполнены каналы 6 подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам 3. Между аппаратом закрутки 4 и диском 2 образована полость 7(преддисковая). Воздушная полость 8 ограниченна внутренним корпусом 9 соплового аппарата 10. Сопла 5 аппарата закрутки 4 дополнительно повернуты под углом в интервале от 0° до 60° к продольной оси двигателя.

Охлаждаемая турбина работает следующим образом.

Воздух соплового аппарата 10 через сопла 5 аппарата закрутки 4, закрученный в направлении вращения рабочего колеса 1 и одновременно повернутый к продольной оси двигателя в интервале от 0° до 60°, выбрасывается в направлении входа в каналы 6. При таком направлении потока происходит более точное попадание охлажденного воздуха в каналы 6 рабочего колеса 1, что уменьшает потери воздуха в проточную часть, при этом та незначительная часть воздуха (1%), которая поступила в проточную часть идет на охлаждение рабочих лопаток 3. Изменение угла поворота потока , дает возможность изменять уровень утечек воздуха в проточную часть турбины. При угле <60° реализуется режим «умеренных» утечек воздуха в проточную часть, а при угле 60° - режим «наименьших» утечек воздуха, дальнейшее увеличение угла - ограничено возможностью затекания горячего газа в полости турбины технологическими возможностями. Далее воздух поступает в каналы 6 охлаждения рабочего колеса 1 и охлаждает его до уровня приемлемых температур для заданного ресурса работы. Из каналов 6 охлаждения воздух, охладив рабочие лопатки 3, выбрасывается в газовоздушный тракт турбины.

В случае дополнительного поворота потока воздуха на входе в охлаждающие каналы 6 образуется дополнительное давление следовательно повышение эффективности охлаждения рабочих лопаток, за счет увеличения перепада давления воздуха на системе охлаждения рабочих лопаток и, следовательно, увеличения расхода охлаждающего воздуха.

Повышение давления в преддисковой полости за счет поворота потока под углом 0°<60° уменьшает результирующую осевую силу

турбокомпрессора, и благоприятно сказывается на ресурсе подшипника опоры компрессора.

Применяемость заявленного технического решения подтверждена положительными результатами испытаний опытных образцов авиационных двигателей АЛ-55И 21 и 40.

Такая конструкция устройства для охлаждения рабочего колеса турбины, за счет выполнения сопел в аппарате предварительной закрутки под дополнительным углом, обеспечивает течение охлаждающего воздуха в направлении от проточной части, более эффективное охлаждение рабочего колеса и минимизирует утечки воздуха в проточную часть из преддисковой полости, что повышает надежность конструкции турбины и увеличивает ресурс двигателя в целом.

Устройство для охлаждения рабочего колеса турбины, содержащее рабочее колесо с каналами охлаждения, выполненное в виде диска с установленными в нем рабочими лопатками, аппарат закрутки, сопла которого направлены в сторону вращения рабочего колеса под углом 10°<<30°, полость, образованную между аппаратом закрутки и диском, а также воздушную полость, ограниченную внутренним корпусом соплового аппарата перед аппаратом закрутки, отличающийся тем, что сопла дополнительно повернуты под углом 0°<60° к продольной оси двигателя.