Газотурбинный двигатель (варианты) и способ охлаждения размещенных внутри него деталей

Газотурбинный двигатель (варианты) и способ охлаждения размещенных внутри него деталей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к турбинным двигателям и, в частности, к газотурбинным двигателям, снабженным турбинными лопатками, охлаждаемыми отведенным воздухом.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели, такие как используемые в турбореактивных или турбовентиляторных летательных аппаратах, обычно содержат, если смотреть от передней к задней части по направлению потока газа в двигателе, секции вентилятора, компрессора, камеры сгорания и турбины, размещенные в корпусе. Эти секции содержат вращающиеся детали, закрепленные на одном или более коаксиальных валах с возможностью вращения вокруг центральной оси двигателя.

Секция вентилятора подает воздух в двигатель. Воздух сжимают в компрессорной секции и смешивают с топливом в секции камеры сгорания, в которой происходит воспламенение смеси. Газообразные продукты сгорания выходят из секции камеры сгорания и приводят в движение одну или более турбину в секциях турбины.

Обычно первую ступень, то есть лопатки турбины высокого давления (ТВД), охлаждают для предотвращения расплавления за счет использования воздуха высокого давления, обозначаемого как воздух РЗ. Конкретно, воздух Р3 пропускают через сопло тангенциального встроенного инжектора. Сопло тангенциального встроенного инжектора уменьшает относительную общую температуру воздуха Р3, как правило, приблизительно на 100°F (55°С). Воздух Р3 с пониженной температурой подают к диску/дефлектору ТВД и через лопатки ТВД. Там воздух Р3 охлаждает лопатки ТВД, обычно с использованием охлаждения посредством распределительных головок.

Было, однако, признано, что использование воздуха Р3 высокого давления термодинамически не эффективно, и что наличие тангенциального встроенного инжектора и дополнительных деталей увеличивает вес и сложность двигателя.

Как следствие этого в Патенте США №6227801, включенном в качестве ссылки в данную заявку, раскрыт усовершенствованный газотурбинный двигатель, в котором воздух Р2х, имеющий более низкую температуру, отбирают от компрессорной секции газотурбинного двигателя, лежащей выше по направлению потока, чем выход воздуха Р3. Однако для достижения эффективной работы воздух Р2х отводят от области компрессора, в которой давление выше, чем статическое давление у лопатки турбины высокого давления. Обычно для этого требуется отводить воздух после того, как он был сжат и вследствие этого нагрет.

Соответственно желательно разработать способ отведения для охлаждения турбины высокого давления воздуха, имеющего сниженную температуру и давление. Более того, желательно, чтобы при этом компоненты двигателя, связанные с охлаждением турбины высокого давления, имели меньший вес.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного газотурбинного двигателя, в котором имеющий низкую температуру воздух от области низкого давления компрессорной секции отводят для охлаждения турбины высокого давления двигателя. Преимущественно от компрессорной секции отводят воздух низкого давления, а затем его давление может быть повышено. Предпочтительно повышать давление в промежуточной полости, в которой энергия вращения отведенного воздуха преобразуется в статическое давление. Это может быть выполнено с помощью перегородки, размещенной внутри полости, которая преобразует динамический напор воздуха, обусловленный его тангенциальной скоростью внутри полости, в статическое давление.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложен газотурбинный двигатель, снабженный компрессорной секцией сжатия входящего воздуха в воздух высокого давления и воздух промежуточного давления, секцией камеры сгорания топлива со сжатым воздухом, имеющей сообщение (связанную по газовому потоку) с указанной компрессорной секцией, турбинной секцией, связанной с указанной секцией камеры сгорания с возможностью сообщения с газообразными продуктами сгорания из нее и содержащей турбинную лопатку, имеющую вершину, расположенную в области более низкого давления, чем указанное промежуточное давление, в основном кольцевой полостью, расположенной выше компрессорной секции по направлению потока и содержащей отвод, сообщающийся с указанным воздухом промежуточного давления, и перегородку, установленную в указанной кольцевой полости с возможностью преобразования динамического напора указанного воздуха промежуточного давления в повышенное статическое давление этого воздуха, и каналом, имеющим входное отверстие сообщения с указанной полостью, и выходное отверстие, имеющее сообщение с указанной турбинной лопаткой с возможностью направления указанного воздуха промежуточного давления под повышенным давлением к указанной турбинной лопатке.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения указанная перегородка содержит стенку, расположенную в основном в радиальном направлении относительно центральной оси двигателя. Турбинная лопатка не имеет узла охлаждения посредством распределительных головок и содержит входную кромку, статическое давление вблизи которой выше или незначительно ниже давления указанного воздуха промежуточного давления. Указанный канал содержит трубопровод, расположенный от компрессорной секции до турбинной секции, и является основным источником подачи охлаждающего воздуха к турбинной лопатке.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ охлаждения деталей, размещенных внутри турбинного двигателя, содержащего сообщающиеся друг с другом компрессорную секцию, секцию камеры сгорания и турбинную секцию, в котором:

(i) от указанной компрессорной секции отводят воздух промежуточного давления, имеющий температуру ниже температуры воздуха, поступающего в указанную секцию камеры сгорания под наивысшим давлением;

(ii) осуществляют повышение давления указанного отведенного воздуха промежуточного давления до величины, превышающей статическое давление у вращающейся турбинной лопатки в указанной турбинной секции;

(iii) направляют указанный воздух промежуточного давления под его повышенным давлением к указанной вращающейся турбинной лопатке, посредством чего осуществляют ее охлаждение.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения при указанном повышении давления отводят указанный воздух промежуточного давления в полость и преобразуют его энергию вращения в повышенное статическое давление. После указанного повышения давления входная кромка указанной турбинной лопатки находится под статическим давлением меньшим, чем давление указанного воздуха промежуточного давления. Воздух промежуточного давления направляют к лопатке турбины высокого давления.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен газотурбинный двигатель, снабженный средством сжатия входного воздуха в воздух высокого давления и воздух промежуточного давления, средством сжигания топлива в смеси со сжатым воздухом из указанного средства сжатия, турбинной секцией, связанной с указанным средством сжигания с возможностью сообщения с газообразными продуктами сгорания из него и содержащей турбинную лопатку, средством отвода указанного воздуха промежуточного давления из указанного средства сжатия, средством повышения давления указанного воздуха промежуточного давления выше статического давления в зоне указанной турбинной лопатки, средством направления указанного воздуха промежуточного давления под повышенным давлением от указанного средства повышения давления к указанной турбинной лопатке и ее охлаждения.

Другие особенности настоящего изобретения станут понятны для специалиста в данной области на основе рассмотрения нижеследующего описания отдельного предпочтительного варианта выполнения изобретения в сочетании с сопровождающими чертежами.

Краткое описание чертежей

На фигурах, которые иллюстрируют предпочтительный вариант выполнения изобретения и служат только в качестве примера, представлено:

на фигуре 1 - вид сбоку газотурбинного двигателя, дающий пример предпочтительного варианта выполнения изобретения;

на фигуре 2 - увеличенный поперечный разрез части с фигуры 1;

на фигуре 3 - вид спереди в сечении по линии III-III с фигуры 2.

Осуществление изобретения

В качестве примера предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения на фигуре 1 представлен газотурбинный двигатель 10. Двигатель 10 содержит секцию 12 вентилятора и внутренний контур двигателя, включающий в себя расположенные последовательно в направлении потока компрессорную секцию 14, секцию 16 камеры сгорания, турбинную секцию 18 и выпускную секцию 20, причем все они закреплены в корпусе 22 двигателя.

Секция 14 компрессора содержит несколько ступеней сжатия. Секция 18 турбины предпочтительно содержит только одну ступень высоконагруженной турбины. Однако турбинная секция 18 может содержать несколько ступеней турбины. По крайней мере, одна турбина в турбинной секции 18 соединена с возможностью вращения с конечной ступенью компрессорной секции 14 с помощью вала 24. Вал 24 закреплен у своего заднего конца в корпусе 22 с помощью сборки 25 роликового подшипника, а у своего переднего конца - с помощью сборки 26 упорного подшипника.

На фигуре 2 представлено поперечное сечение части газотурбинного двигателя 10 у задней части компрессорной секции 14 и передней части секции 16 камеры сгорания. Как показано, конечная ступень компрессорной секции 14 предпочтительно представляет собой вращающееся рабочее колесо 30, связанное по газовому потоку с секцией 16 камеры сгорания.

Секция 16 камеры сгорания сформирована по своим сторонам кожухом 32 камеры сгорания и кожухом 34 диффузора, представляющим собой часть узла 36 диффузора. Этот узел 36 диффузора также содержит трубу 38 диффузора и опору 40. Из трубы 38 диффузора поступает воздух Р3 с наибольшим давлением.

Труба 38 диффузора расположена в секции 16 камеры сгорания и обеспечивает передачу потока от вершины рабочего колеса 30 в секцию 16 камеры сгорания, направляя газы Р3 от рабочего колеса 30 к Р3 области 42 секции 16 камеры сгорания. Как понятно специалисту в данной области и как подробно изложено в патенте США №5862666, труба 38 диффузора служит, прежде всего, для уменьшения тангенциальной составляющей скорости воздуха, отходящего от рабочего колеса 30.

Кроме того, в секции 16 камеры сгорания имеется жаровая труба 44, формирующая камеру 46 сгорания, смонтированную на корпусе 22 двигателя посредством крепления 48 оболочки. Камера 46 сгорания связана по газовому потоку с областью 42 высокого давления в секции 16 камеры сгорания. С камерой 46 сгорания также связана по газовому потоку топливная форсунка 50.

Турбинная секция 18 содержит турбину 54 высокого давления, которая в свою очередь содержит ротор 56 и лопатку 58. Лопатка 58 предпочтительно является первой лопаткой в турбинной секции 18, сообщающейся с газами из секции камеры сгорания, и таким образом, сообщающейся с наиболее горячими газами внутри двигателя 10. Дефлектор (стыковая накладка) 60 предотвращает возможность всасывания горячего газа в область охлаждающего воздуха и формирует вращающуюся полость 64. Отверстия 62 в дефлекторе 60 создают канал между секцией 16 камеры сгорания и ротором 56.

Канал 76 проходит от полости 80 промежуточного давления, расположенной выше по направлению потока выхода рабочего колеса 30. Полость 80 часто называют полостью "Р28х". Вид спереди на полость 80 показан на фигуре 3. Отвод 82 пропускает воздух из области промежуточного давления секции 14 компрессора в полость 80. В частности, полость 80 формируется тремя отдельными кольцевыми стенками 84, 85 и 86. Соответственно полость 80 можно описать, как имеющую, в основном, вид тора, с постоянным поперечным сечением, которое показано на фигуре 2, и, в основном, кольцевым поперечным сечением по линии III-III с фигуры 1, что видно на фигуре 3. Отвод 82, в основном, представляет собой кольцевую щель, выполненную во внутренней стенке 84 и расположенную выше по направлению потока выхода рабочего колеса 30. Дополнительная перегородка 88 в виде разделительной стенки (фигура 3) проходит, в основном, в радиальном направлении в полости 80 и предотвращает циркуляцию отведенного в полость 80 воздуха вокруг центральной оси двигателя 10. Входное отверстие канала 76 связано по газовому потоку с внутренним объемом полости 80, и канал отходит от наружной стенки 85 сразу выше по направлению потока перегородки 88.

При работе двигателя секция 12 вентилятора (фигура 1) подает воздух в двигатель 10. Воздух проходит от секции 12 вентилятора к компрессорной секции 14, где происходит его сжатие на нескольких ступенях компрессора. Конечная ступень компрессора представляет собой рабочее колесо 30, показанное на фигуре 2. Воздух высокого давления (Р3) отходит от вершины рабочего колеса 30. Основную часть этого воздуха высокого давления направляют в секцию 16 камеры сгорания посредством трубы 38 диффузора. Там большая часть воздуха Р3 поступает в камеру 46 сгорания, смешивается с топливом из форсунки 50 и вступает в процесс горения. Газообразные продукты горения выходят из камеры 46 сгорания вблизи ее задней части и проходят через зону лопатки 58 турбины высокого давления.

В обычном газотурбинном двигателе лопатка 58 должна охлаждаться Р3 газами, направляемыми через заднюю крышку кожуха турбины 56 и инжектируемыми с помощью сопла тангенциального встроенного инжектора (не показан), что более подробно описано в Патенте США №6227801. Охлаждающие распределительные головки на турбинной лопатке должны затем рассеивать инжектированный воздух с целью предохранения лопатки от расплавления.

Однако в предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, как показано на фигуре 2, канал 76, выполненный в виде металлического трубопровода, направляет воздух (известный как воздух Р2х), отведенный от полости 80, то есть от части рабочего колеса 30, находящейся под более низким давлением, через зону рабочей лопатки 58 турбины высокого давления вблизи ее входной кромки. В частности, через входное отверстие канала 76 воздух направляется из полости 80 к выходному отверстию, связанному с перегородкой 70. Перегородка 70 и дефлектор 60 формируют область, лежащую непосредственно выше по направлению потока дефлектора 60. Воздух из этой области направляется через отверстия 62 в полость 64 перед ротором 56 и затем, как показано на рисунке, через лопатки 58 турбины высокого давления. Такое прохождение потока воздуха возможно, главным образом, потому, что входная кромка лопатки 58 турбины высокого давления находится под более низким давлением, чем давление в Р3 области и, что более важно, чем давление воздуха Р2х в полости 80. Желательно, чтобы в полости 80 статическое давление отведенного от компрессорной секции 14 воздуха Р2х повышалось. В частности, как показано на фигуре 3, воздух, поступивший в полость 80, который нормально должен циркулировать вокруг оси двигателя 10, задерживается перегородкой 88. В результате динамическая составляющая, связанная с энергией вращения отведенного воздуха (то есть обусловленная наличием тангенциальной составляющей скорости) преобразуется в рост статического давления в полости 80. Предпочтительно, чтобы входное отверстие канала 76 находилось вблизи перегородки 88, где статическое давление достигает наибольшего значения.

Предпочтительно, чтобы рост статического давления, возникший в полости 80, не препятствовал отбору воздуха от области компрессорной секции 14 с более низкой температурой. По оценкам наличие перегородки 88 повышает статическое давление в полости примерно на 30%. Более того, такое повышение давления при отсутствии перегородки 88 может быть достигнуто путем смещения отвода 82 по оси вперед к области компрессорной секции 14, где температура сжатого воздуха должна быть на примерно 100°F (55°С) выше. Можно оценить, что теперь воздух Р2х можно отбирать от области компрессорной секции 14, в которой статическое давление практически не превышает статическое давление у входной кромки лопатки 58 турбины высокого давления. Фактически можно отводить от компрессорной секции 14 воздух, имеющий статическое давление, которое ниже статического давления у входной кромки лопатки 58 турбины высокого давления. Давление этого отведенного воздуха можно затем повысить за счет перегородки 88.

Отведенный воздух Р2х преимущественно "термодинамически беднее (дешевле)", чем воздух Р3. Его давление ниже и преимущественно Р2х воздух имеет более низкую температуру, чем воздух Р3 в области 42. Чем ниже давление отведенного воздуха Р2х, тем ниже его температура. Следовательно, использование воздуха Р2х и в результате снижение использования воздуха Р3 для охлаждения лопатки 58 турбины высокого давления улучшает общие параметры двигателя. Более того, чем ниже давление отведенного воздуха, тем меньше энергии тратится на этот воздух и тем выше общая эффективность работы двигателя.

Что более существенно, благодаря тому, что температура воздуха Р2х ниже, чем температура воздуха Р3, охлаждающие распределительные головки, выполненные как часть известных лопаток турбины высокого давления, могут быть исключены, и использование известного сопла тангенциального встроенного инжектора, которое первоначально служило для уменьшения температуры воздуха Р3, также может быть исключено. При использовании воздуха Р2х с более низкой температурой и исключении распределительных головок требуемое давление воздуха, подаваемого в лопатку, снижается. Это в свою очередь позволяет исключить известные щеточные уплотнения. Кроме того, воздух Р2х, подаваемый по каналу 76, может быть также направлен в заднюю полость подшипника 25 путем исключения известной перегородки. Эти и другие преимущества отвода воздуха более низкого давления из компрессорной секции 14 рассмотрены так же подробно, как в Патенте США №6227801.

Кроме того, отведенный воздух Р2х может быть также направлен к валу 20 вместо Р3 воздуха. Так как воздух Р2х значительно холоднее, вал 24 может быть выполнен из стали вместо жаропрочного сплава, такого как INCONEL™, что приведет к снижению стоимости двигателя.

Как можно теперь видеть, полость 80 может быть выполнена различным образом, так чтобы в ней происходило повышение статического давления отведенного воздуха. Например, в поперечном сечении полость 80 может иметь почти любую форму. Более того, перегородка 88 не обязательно должна быть выполнена как перегораживающая стенка. Она также не обязательно должна проходить радиально. Любая выполняющая свои функции перегородка внутри полости 80, которая служит для повышения статического давления воздуха, отведенного от компрессорной секции 14, может быть использована в качестве перегородки 88. Аналогично, хотя входное отверстие канала 76 в предпочтительном варианте расположено вблизи перегородки 88, он может быть расположен и в другом подходящем месте и сообщаться с внутренним пространством полости 80.

Как будет в дальнейшем понятно, изобретение не ограничено приведенными здесь иллюстрациями, которые просто объясняют предпочтительный вариант выполнения изобретения и которые допускают модификацию формы, размеров, расположения частей и деталей работы. Изобретение может быть просто использовано для модернизации существующих конструкций двигателей, отличных от примера двигателя, описанного выше. Следует понимать, что изобретение охватывает все такие модификации в рамках притязаний, заявленных в формуле изобретения.

1. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что он снабжен компрессорной секцией сжатия входящего воздуха в воздух высокого давления и воздух промежуточного давления, секцией камеры сгорания топлива со сжатым воздухом, имеющей сообщение с указанной компрессорной секцией, турбинной секцией, связанной с указанной секцией камеры сгорания с возможностью сообщения с газообразными продуктами сгорания из нее и содержащей турбинную лопатку, имеющую вершину, расположенную в области более низкого давления, чем указанное промежуточное давление, в основном кольцевой полостью, расположенной выше компрессорной секции по направлению потока и содержащей отвод, сообщающийся с указанным воздухом промежуточного давления, и перегородку, установленную в указанной кольцевой полости с возможностью преобразования динамического напора указанного воздуха промежуточного давления в повышенное статическое давление этого воздуха, и каналом, имеющим входное отверстие сообщения с указанной полостью и выходное отверстие, имеющее сообщение с указанной турбинной лопаткой с возможностью направления указанного воздуха промежуточного давления под повышенным давлением к указанной турбинной лопатке.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная перегородка содержит стенку, расположенную в основном в радиальном направлении относительно центральной оси двигателя.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная турбинная лопатка содержит входную кромку, статическое давление вблизи которой выше или незначительно ниже давления указанного воздуха промежуточного давления.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанный канал содержит трубопровод, расположенный от указанной компрессорной секции до указанной турбинной секции.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанный канал является основным источником подачи охлаждающего воздуха к указанной турбинной лопатке.

6. Способ охлаждения деталей, размещенных внутри газотурбинного двигателя, содержащего сообщающиеся друг с другом компрессорную секцию, секцию камеры сгорания и турбинную секцию, отличающийся тем, что от указанной компрессорной секции отводят воздух промежуточного давления, имеющий температуру ниже температуры воздуха, поступающего в указанную секцию камеры сгорания под наивысшим давлением, осуществляют повышение давления указанного отведенного воздуха промежуточного давления до величины, превышающей статическое давление у вращающейся турбинной лопатки в указанной турбинной секции, и направляют указанный воздух промежуточного давления под его повышенным давлением к указанной вращающейся турбинной лопатке, посредством чего осуществляют ее охлаждение.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что при указанном повышении давления отводят указанный воздух промежуточного давления в полость и преобразуют его энергию вращения в повышенное статическое давление.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что после указанного повышения давления входная кромка указанной турбинной лопатки находится под статическим давлением, меньшим, чем давление указанного воздуха промежуточного давления.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что воздух промежуточного давления направляют к лопатке турбины высокого давления.

10. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что он снабжен средством сжатия входного воздуха в воздух высокого давления и воздух промежуточного давления, средством сжигания топлива в смеси со сжатым воздухом из указанного средства сжатия, турбинной секцией, содержащей турбинную лопатку и связанной с указанным средством сжигания с возможностью сообщения с газообразными продуктами сгорания из него, средством отвода указанного воздуха промежуточного давления из указанного средства сжатия, средством повышения давления указанного воздуха промежуточного давления выше статического давления в зоне указанной турбинной лопатки, средством направления указанного воздуха промежуточного давления под повышенным давлением от указанного средства повышения давления к указанной турбинной лопатке и ее охлаждения.