ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F02C7/18 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к конструкциям газотурбинных двигателей с воздушным охлаждением осевых газовых турбин.

Известны газотурбинные двигатели [1]. Недостатком таких двигателей и других существующих газотурбинных двигателей с воздушным охлаждением газовой турбины является слабое использование отработавшего охлаждающего воздуха для развития двигателем полезной мощности, в результате чего не используется возможность повышения КПД двигателя. Кроме того в существующих конструкциях с целью повышения КПД предлагалось использовать лопатки, закрепленные в бандажном кольце, что позволило бы повысить температуру рабочих газов. Однако из-за установки бандажного кольца с лопатками на валу турбины кольцо было бы подвержено значительным нагрузкам, в особенности от центробежных сил. Для обеспечения необходимой его прочности нужно было бы повысить его массу, что противоречит жестким требованиям, предъявляемым к турбинам газотурбинных двигателей.

Известен газотурбинный двигатель с воздушным охлаждением осевой газовой турбины, содержащий расположенные в корпусе компрессор, камеру сгорания, осевую турбину с рабочими и сопловыми лопатками, систему охлаждения последних, подключенную к камере сгорания [2].

Недостатком является невысокий КПД двигателя.

Цель изобретения - повышение КПД газотурбинного двигателя.

Цель достигается тем, что бандажное кольцо газовой турбины, в котором закрепляются рабочие лопатки, выполнено в виде внутреннего кольца подшипника качения. Таким образом, при вращении бандажного кольца с лопатками воздействие центробежных сил будет восприниматься корпусом двигателя, а передача этого воздействия на корпус осуществляется через шарики подшипника. При таком распределении нагрузок повышение долговеч- ности турбины двигателя будет осуществлено не за счет бандажного кольца, которое можно изготовить в данном случае достаточно малой массы, размеров и необходимой прочности, а за счет корпуса двигателя, повышение прочности которого представляет собой достаточно простую задачу, так как к корпусу двигателя не предъявляются жесткие требования относительно массы и размеров. Кроме того, корпус двигателя не совершает вращательного движения с высокой скоростью и имеет благоприятный температурный режим, кроме того, при необходимости легко осуществить дополнительное его охлаждение.

В предлагаемой конструкции газотурбинного двигателя предусмотрена передача охлаждающего воздуха из лопаток турбины через отверстия в бандажном кольце и специальные каналы в корпусе двигателя в камеру сгорания. Появление в камере сгорания подогретого добавочного воздуха обеспечивает использование меньшей мощности компрессором для получения заданной мощности двигателя, что значительно повышает КПД двигателя. Кроме того за счет поступления в камеру сгорания подогретого воздуха при неизменной температуре рабочих газов уменьшается количество сжигаемого двигателем топлива, что повышает КПД двигателя.

Для соблюдения условия герметичности между бандажным кольцом и корпусом турбины предусмотрено уплотнение.

На фиг. 1 показана схема газотурбинного двигателя с воздушным охлаждением турбины; на фиг. 2 - схема газовой турбины газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель с воздушным охлаждением турбины состоит из корпуса 1, к которому прикреплены редуктор 11 и реактивное сопло 10 (или то, или другое), в котором установлены компрессор 9, камера 7 сгорания, осевая газовая турбина, которая состоит из вала 3, связанного с диском 5. В диске 5 установлены рабочие лопатки 4, которые жестко закреплены в бандажном кольце 2, установленном в корпусе 1 двигателя как внутреннее кольцо подшипника качения, наружным кольцом которого является корпус 1 двигателя. Кроме того в корпусе 1 жестко установлены направляющие лопатки 6 (на фиг. 2 показаны только лопатки на входе в турбину двигателя, а направляющие лопатки, установленные на выходе из турбины и между ступенями, если их несколько, не показаны). В корпусе 1 двигателя имеются специальные каналы 8 для подачи отработавшего охлаждающего воздуха из лопаток 4 и 6 в камеру 7 сгорания. Для изоляции этих каналов от проточной части газовой турбины и каналов подачи смазки предусмотрены уплотнения 10.

Газотурбинный двигатель с воздушным охлаждением газовой турбины работает следующим образом.

Воздух из компрессора 9 поступает в камеру 7 сгорания (фиг. 1), где используется для сжигания топлива. Горячие газы (фиг. 1 и 2) из камеры 7 сгорания поступают к направляющим лопаткам 6 турбины двигателя. Проходя через них, газы поступают на рабочие лопатки 4 и поворачивают их на некоторый угол. Лопатки 4, воздействуя на диск 5, приводят его во вращение, а вращение с диска 5 передается на вал 3.

Существенное влияние на долговечность двигателя данной конструкции оказывает установка бандажного кольца 2 с лопатками 4 в корпусе 1 двигателя (в известных конструкциях устанавливается на валу турбины). При этом усилия центробежных сил, возникающих при вращении бандажного кольца с лопатками, выполненного в виде внутреннего кольца подшипника качения, передается с него через шарики на корпус 1 двигателя, который и будет в оcновном воcпринимать эти уcилия. Таким образом проиcходит перераcпределение нагрузок c бандажного кольца 2 на корпуc 1 двигателя, что обеспечивает долговечность бандажного кольца. В то же время бандажное кольцо 2 является элементом конструкции, который обеспечивает установку турбины в корпусе 1 и выполняет функцию опоры.

Кроме того установка бандажного кольца 2 в корпусе 1 двигателя исключает прецессионное вращение турбины, которое отрицательно сказывается на долговечность двигателя.

В то же время установка бандажного кольца 2 непосредственно в корпусе 1 двигателя позволяет осуществить передачу охлаждающего воздуха из рабочих лопаток 4 турбины через отверстия в бандажном кольце 2 и специальные каналы 8 в корпусе 1 двигателя в камеру 7 сгорания. Одновременно происходит также передача охлаждающего воздуха из направляющих лопаток 6 через каналы 8 в корпусе 1 двигателя в камеру 7 сгорания. В камере 7 сгорания отработавший охлаждающий воздух, нагревшийся при охлаждении лопаток 4 и 6, используется в качестве рабочего тела, в то время как в существующих конструкциях газотурбинных двигателей этот воздух вместе с выхлопными газами выбрасывается в атмосферу. Тем самым использование в камере 7 сгорания дополнительного нагретого воздуха для сжигания топлива уменьшает расход топлива и воздуха, сжимаемого компрессором 9, при установленной мощности двигателя. А при сохранении прежнего расхода топлива и воздуха значительно возрастает мощность, а следовательно КПД двигателя.

Для изоляции каналов 8 от проточной части турбины и каналов для подвода смазки между бандажным кольцом 2 и корпусом 1 двигателя предусмотрено уплотнение.

Использование отработавшего охлаждающего воздуха в качестве дополнительного рабочего тела, а также установка бандажного кольца с рабочими лопатками непосредственно в корпусе двигателя позволяет повысить КПД газотурбинного двигателя.

Использование: в газотурбинных двигателях с воздушным охлаждением газовых турбин. Сущность изобретения: в корпусе двигателя выполнена проточка, в которой установлены тела качения с образованием подшипников, наружным кольцом которых служит внутренняя поверхность проточки, а внутренним - наружная поверхность бандажного кольца. В бандажном кольце выполнены отверстия, подключенные к системе охлаждения рабочих лопаток. Системы охлаждения рабочих и сопловых лопаток подключены к камере сгорания посредством каналов корпуса. 2 ил.

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ с воздушным охлаждением осевой газовой турбины, содержащий расположенные в корпусе компрессор, камеру сгорания, осевую турбину с рабочими и сопловыми лопатками, систему охлаждения последних, подключенную к камере сгорания, отличающийся тем, что он снабжен уплотнением, телами качения, рабочие лопатки снабжены системой охлаждения и бандажным кольцом с отверстием, подключенными к системе охлаждения, в корпусе выполнены каналы и проточки, тела качения установлены в последней с образованием подшипников, наружным кольцом которых служит внутренняя поверхность проточки, а внутренним - наружная поверхность бандажного кольца, системы охлаждения рабочих и сопловых лопаток подключены к камере сгорания посредством каналов корпуса, а уплотнение установлено между торцами бандажного кольца и корпусом.