Турбомашина, содержащая систему охлаждения нижней поверхности крыльчатки центробежного компрессора

Турбомашина, содержащая систему охлаждения нижней поверхности крыльчатки центробежного компрессора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение касается системы охлаждения нижней поверхности крыльчатки центробежного компрессора в турбомашине, в частности такой, как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета.

В турбомашине, последняя ступень компрессора которой центробежного типа, узел диффузор-выпрямитель установлен на выходе центробежной ступени и подает воздух в кольцевую камеру сгорания.

Диффузор содержит нижний кольцевой фланец, который соединен своим нижним концом со средствами подачи воздуха в систему вентиляции турбины, расположенной ниже камеры сгорания. Часть объема воздуха, выходящего из выпрямителя, обходит камеру сгорания изнутри, проходя между радиально внутренней стенкой камеры и фланцем диффузора, для питания этих средств подачи воздуха для вентиляции турбины.

Кольцевая полость ниже крыльчатки центробежной ступени ограничена кольцевым фланцем диффузора и должна вентилироваться посредством отбора воздуха на выходе центробежной ступени, чтобы избежать повышения температуры нижней поверхности крыльчатки, которая могла бы превысить максимальную температуру, допустимую материалом крыльчатки. Воздух, находящийся в полости, приводится в движение крыльчаткой и нагревается посредством вязкого трения.

Чтобы снизить нагрев нижней поверхности крыльчатки, было предложено увеличить объем воздуха, отбираемого на выходе центробежной ступени, чтобы лучше вентилировать нижнюю полость крыльчатки. Однако это привело к увеличению объемов воздуха, не работающих в турбомашине, и ухудшило ее рабочие характеристики.

Также было предложено установить на нижней поверхности крыльчатки кольцевой щит тепловой защиты. Однако закрепление этого щита на крыльчатке является сложным и влечет за собой увеличение массы и инерции вращения крыльчатки, что привело к снижению рабочих характеристик турбомашины.

Чтобы температура крыльчатки не превышала максимального допустимого значения, которое составляет порядка 500°C для крыльчатки, выполненной из титана, приходится отграничивать скорость вращения крыльчатки и, следовательно, снижать степень сжатия воздуха и рабочие характеристики турбомашины.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение действенного и экономичного решения этих проблем, связанных с вентиляцией нижней полости крыльчатки центробежного компрессора в турбомашине, без снижения рабочих характеристик турбомашины.

Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания турбомашины, содержащей узел диффузор-выпрямитель, установленный на выходе крыльчатки центробежного компрессора и снабжающий воздухом кольцевую камеру сгорания, и средство подачи воздуха для вентиляции турбины, при этом диффузор-выпрямитель содержит нижний кольцевой фланец, соединенный своим нижним концом со средствами подачи и ограничивающий вместе с нижней поверхностью крыльчатки кольцевую полость циркуляции воздуха вентиляции, отобранного на выходе компрессора, турбомашина характеризуется тем, что на средстве подачи размещено средство отбора части объема воздуха для вентиляции турбины и средство направления отобранного воздуха к радиально внутренней части нижней поверхности крыльчатки, чтобы воздух циркулировал радиально изнутри вовне вдоль нижней поверхности крыльчатки и смешивался с воздухом, отобранным на выходе компрессора, для снижения температуры воздуха в кольцевой полости.

Воздух для вентиляции, отобранный на уровне средства подачи системы вентиляции турбины, направляется к нижней поверхности крыльчатки и начинает омывать нижнюю поверхность, затем смешивается в нижней полости крыльчатки с воздухом, отобранным на выходе компрессора, что снижает температуру воздуха в этой полости. Охлаждение крыльчатки позволяет получать степень сжатия воздуха, превосходящую степень сжатия предыдущего уровня техники. Кроме того, воздух, охлаждающий нижнюю поверхность крыльчатки, отобран на средстве подачи воздуха в систему вентиляции турбины, что позволяет не снижать объем работающего воздуха и, следовательно, сохранять рабочие характеристики турбомашины.

В варианте реализации изобретения средство отбора выходит в кольцевой проход, образованный вокруг вала компрессора между средством подачи воздуха и кольцевой полостью.

Средство отбора преимущественно содержит лабиринтное уплотнение, которое установлено между валом компрессора и выходом средств подачи и управляет объемом воздуха, входящего в кольцевой проход. Кольцевой проход может также содержать на выходе лабиринтное уплотнение для регулирования объема воздуха, приходящего из кольцевого прохода и входящего в нижнюю полость крыльчатки.

Согласно варианту реализации изобретения средство подачи содержит вход, получающий воздух от узла диффузор-выпрямитель и два аксиально-противоположных выхода, один из которых выходит в систему вентиляции турбины, а другой выходит в кольцевую полость.

Преимущественно, нижняя полость крыльчатки содержит средство сепарации и смешивания объема воздуха, отобранного на средстве подачи воздуха для вентиляции турбины и объема воздуха, отобранного на выходе компрессора. Средство сепарации и смешивания содержит, например, один цилиндрический лист, который проходит вверх от нижней стенки, ограничивающей полость, и заканчивается на некотором расстоянии от нижней поверхности крыльчатки.

Другие подробности, характеристики и преимущества настоящего изобретения поясняются нижеследующим описанием, служащим неограничительным примером, со ссылками на сопровождающие чертежи, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает частичный осевой разрез системы охлаждения согласно изобретению;

фиг.2 - частичный осевой разрез варианта реализации изобретения согласно изобретению.

На фиг.1 показана часть турбомашины, например турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета, содержащую сверху вниз, в направлении движения газа внутри турбомашины, ступень центробежного компрессора 14, кольцевой узел диффузор-выпрямитель 12 и камеру 10 сгорания.

Ступень центробежного компрессора 14 содержит крыльчатку 18, соединенную с частью вала 20, и статор 22, соединенный посредством верхнего кольцевого фланца 23 с внешним картером 24 турбомашины, который расположен вокруг компрессора 14, диффузора 12 и камеры 10 сгорания.

Выход 26 компрессора направлен радиально вовне и находится на одном уровне с входом диффузора 12, выход компрессора 14 отделен от входа диффузора 12 небольшим радиальным зазором. Диффузор 12 имеет изогнутую кольцевую форму и соединен с выпрямителем 27, который открывается радиально снаружи входа камеры 10 сгорания.

Диффузор 12 содержит верхний кольцевой фланец 28 закрепленный на внешнем картере 24 при помощи подходящих средств типа винт-гайка, фланец 23 статора компрессора зажат в осевом направлении между внешним картером 24 и фланцем 28 диффузора.

Диффузор 12 содержит также кольцевой фланец 30, который проходит вниз и внутрь от входа диффузора и который заканчивается на его нижнем конце внутренним кольцевым фланцем 32, закрепленным средствами 34 типа винт-гайка или аналогичными на средстве 36 подачи воздуха в систему вентиляции турбины (не показана), расположенную ниже камеры 10 сгорания.

Фланец 30 диффузора вместе с нижней радиальной поверхностью 40 крыльчатки ограничивает кольцевую полость 41, которая вентилируется воздухом, отобранным на выходе компрессора 14 через упомянутый радиальный зазор.

Камера сгорания 10 содержит внутреннюю круговую стенку 44 и внешнюю круговую стенку 46, расположенные одна внутри другой. Внутренняя стенка 44 соединена своим нижним концом с радиально внешним концом конической обечайки 48, радиально внутренний конец которой содержит внутренний кольцевой фланец 50, закрепленный на упомянутом средстве 36 подачи. Внешняя стенка 46 камеры соединена своим нижним концом с радиально внутренним концом конической обечайки 52, которая содержит на своем радиально внешнем конце внешний кольцевой фланец 54 для закрепления на внешнем картере 24.

Часть воздуха, выходящего из выпрямителя 27, проходит в камеру 10 и смешивается с горючим, поданным инжекторами (не показаны), затем эта смесь сжигается и подается в турбину для приведения во вращение вала 20. Другая часть воздуха из выпрямителя 27 обходит камеру 10 и проходит между радиально внутренней стенкой 44 камеры и фланцем 30 диффузора для питания средств 36 подачи.

В примере на фиг.1 средство 36 подачи содержит две соосные стенки 59, 60 с L-образным сечением, которые расположены одна внутри другой и определяют кольцевой канал, изогнутый под прямым углом. Вход 61 канала направлен вовне, а его выход 62 проходит в направлении оси и открывается на его нижнем конце для подачи воздуха в турбину.

Кольцевой цилиндрический проход 75 образован между средством 36 подачи и валом 20 и проходит от выхода 62 средства 36 подачи до полости 41 ниже крыльчатки. Проход 75 содержит первое лабиринтное уплотнение 76, установленное между валом 20 и выходом 62 средства 36 подачи, и второе лабиринтное уплотнение 83, установленное выше уплотнения 76, между валом 20 и кольцевым листом 84, проходящим вверх и внутрь от средства 36 подачи.

Осевые отверстия 87 для прохода воздуха образованы между средствами 34 фиксации на фланцах 32 и 50 фланца 30 диффузора и обечайкой 48 соответственно и находятся на одном уровне с соответствующими отверстиями, образованными в круговых стенках 59, 60 средства 36 подачи. Отверстия 87 соединяют нижнюю полость 41 крыльчатки с кольцевой камерой 88 удаления воздуха, расположенной ниже средства подачи, ограниченную обечайкой 48 и внешней стенкой 60 средства 36 подачи.

Воздух, выходящий из центробежного компрессора 14, циркулирует в нижней полости 41 крыльчатки снаружи внутрь и нагревается посредством вязкого трения на нижней поверхности 40 крыльчатки.

Согласно изобретению часть воздуха вентиляции турбины отбирается на выходе средства 36 подачи и направляется в проход 75 до полости 41 для охлаждения нижней поверхности 40 крыльчатки и снижения температуры воздуха в полости 41.

Лабиринтные уплотнения 76 и 83 регулируются для определения объема воздуха 92, циркулирующего в проходе 75.

Воздух, который выходит из лабиринтного уплотнения 83, циркулирует вдоль нижней поверхности 40 крыльчатки, радиально изнутри вовне, затем смешивается с воздухом, отобранным на выходе центробежного компрессора 14. Эта воздушная смесь проходит затем в камеру 88 через осевые отверстия 87 фланцев 32, 50 и средства 36 подачи.

Чтобы отделить объем воздуха 92 на выходе средства 36 подачи и объем воздуха, отобранный на выходе центробежного компрессора, и чтобы обеспечить возможность смешивания этих объемов воздуха после прохождения объема воздуха 92 по нижней поверхности 40 крыльчатки, цилиндрический лист 94 установлен в полости 41 и проходит в осевом направлении вверх от средства 36 подачи до места рядом с нижней поверхностью 40 крыльчатки. Лист 94 расположен радиально между кольцевым рядом отверстий 87 для прохода воздуха средства 36 подачи и лабиринтным уплотнением 83. Воздух, который выходит из этого уплотнения, направляется листом 94 на нижнюю поверхность 40 крыльчатки, затем смешивается с воздухом, отобранным на выходе крыльчатки.

Вариант реализации изобретения представлен на фиг.2.

В этом варианте средство 136 подачи имеет двойной выход и содержит кольцевой канал с Т-образным сечением, в котором вторая осевая цилиндрическая выходная часть 196 соединена с его нижним концом и верхним концом первой осевой цилиндрической выходной части 162. Второй выход 196 открывается вверх и расположен радиально между цилиндрическим направляющим листом 194 и листом 184 для установки верхнего герметичного уплотнения 183, и его сечение прохода воздуха, в представленном примере, в точности идентично сечению первого выхода 162 средства 136 подачи.

Средство 198 сепарации потока предусмотрены в кольцевом канале средства 136 подачи для разделения объема воздуха 199, проходящего в кольцевой канал, на два объема воздуха 200, 202, подающихся соответственно в турбину и нижнюю полость крыльчатки 118. Средство 198 содержит кольцевое ребро, которое выполнено в виде выступа на внутренней цилиндрической поверхности средства 136 подачи, и расположено в плоскости, перпендикулярной продольной оси средства 136 подачи, и проходит через их вход 160.

В представленном примере фланец 130 диффузора имеет L-образную форму в осевом сечении и содержит верхнюю часть, которая проходит радиально, ниже и на небольшом расстоянии от нижней поверхности 140 крыльчатки компрессора, и нижнюю цилиндрическую часть, которая заканчивается на нижнем конце кольцевым фланцем 132 для закрепления на средстве 136 подачи. Цилиндрическая часть фланца 130 проходит параллельно листу 194 и ограничивает нижнюю полость 141 крыльчатки, которая сообщается с выходом компрессора через радиальный проход 204 с малым осевым расстоянием, образованным между крыльчаткой 118 и радиальной частью фланца 130.

Воздух, который проходит через радиальный проход 204, снаружи внутрь, проходит в нижнюю полость 141 и смешивается с воздухом, приходящим из второго выхода 196 средства подачи, и проходит снизу вверх вдоль листа 194 для того, чтобы омывать нижнюю поверхность крыльчатки.

1. Турбомашина, содержащая узел диффузор-выпрямитель, установленный на выходе крыльчатки центробежного компрессора и подающий воздух в кольцевую камеру сгорания, и средство подачи воздуха для вентиляции турбины, этот узел диффузор-выпрямитель содержит нижний кольцевой фланец соединенный своим нижним концом со средством подачи и ограничивающий вместе с нижней поверхностью крыльчатки кольцевую полость циркуляции воздуха для вентиляции, отобранного на выходе компрессора, отличающаяся тем, что на средстве подачи размещено средство отбора части объема воздуха для вентиляции турбины и средство направления отобранного воздуха к радиально внутренней части нижней поверхности крыльчатки, чтобы воздух циркулировал радиально изнутри во вне вдоль нижней поверхности крыльчатки и смешивался с воздухом, отобранным на выходе компрессора для снижения температуры воздуха в кольцевой полости.

2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что средство отбора выходит в кольцевой проход, образованный вокруг вала компрессора, между средствами подачи воздуха и кольцевой полостью.

3. Турбомашина по п.2, отличающаяся тем, что средство отбора содержит лабиринтное уплотнение, которое установлено между валом компрессора и выходом средства подачи воздуха и которое управляет объемом воздуха, входящего в кольцевой проход (75).

4. Турбомашина по п.2, отличающаяся тем, что кольцевой проход содержит на выходе лабиринтное уплотнение для регулирования объема воздуха, приходящего из кольцевого прохода и входящего в кольцевую полость.

5. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что средство подачи содержит вход, в который поступает воздух от узла диффузор-выпрямитель и два аксиально-противоположных выхода, один из которых выходит в систему вентиляции турбины и другой выходит в кольцевую полость.

6. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая полость содержит средство сепарации и смешивания объема воздуха, отобранного на средстве подачи воздуха, для вентиляции турбины и объема воздуха отобранного на выходе компрессора.

7. Турбомашина по п.6, отличающаяся тем, что средство сепарации и смешивания содержит цилиндрический лист, проходящий вверх от нижней стенки, ограничивающей полость, и заканчивается на расстоянии от нижней поверхности (40, 140) крыльчатки.