МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к масляной системе газотурбинных двигателей летательных аппаратов. Изобретение может применяться также в турбомашинах для других областей народного хозяйства.

Известна масляная система газотурбинного двигателя, содержащая подключенную к магистралям нагнетания, откачки и суфлирования полость опоры ротора с маслосборником и установленные в этих магистралях соответственно топливомасляный теплообменник, откачивающий насос и приводной центробежный суфлер с линией сброса уловленного в нем масла (Бич М.М., Вейнберг Е.В., Сурнов Д.Н. Смазка авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1978, с. 34, рис. 3.1).

Известная маслосистема не позволяет предотвратить в теплонапряженных полостях опор, суфлирующих магистралях и теплообменнике двигателя коксообразования используемых в нем горючесмазочных материалов, что снижает надежность работы двигателя. Особенно это явление характерно для полостей опор, например опоры турбины. Для снижения коксообразования путем уменьшения теплоотдачи в масло объем маслосборника выполняется минимально возможным.

Однако масло, стекающее в маслосборник со стенок полости опоры ротора и форсуночных коллекторов после останова двигателя, подвергается интенсивному тепловому воздействию от перегретых деталей турбины при отсутствии на неработающем двигателе охлаждения и циркуляции масла, что также приводит к его коксообразованию, при этом маленький объем маслосборника переполняется и масло через уплотнения перетекает в еще более горячую зону, проточную часть двигателя, что приводит не только к дальнейшему росту коксообразования, но даже и к пожару. Налицо явное техническое противопечие с одной стороны, для устранения перегрева масла объем маслосборника следует уменьшить, а с другой стороны, чтобы исключить его переполнение после останова двигателя, увеличить.

Для устранения коксообразования масла в суфлирующих магистралях двигателя необходимо с помощью уплотнений уменьшить проток горючих газов в полость опоры ротора, однако это приводит к уменьшению скорости их движения в магистралях, проходящих через горячие стойки двигателя, что является причиной образования в них кокса. Здесь также возникает техническое противоречие: с одной стороны, для устранения перегрева масла проток газов в полость опоры ротора необходимо исключить, а с другой стороны, для уменьшения коксообразования в суфлирующих магистралях скорость движения газа в суфлирующих магистралях необходимо увеличить.

Для уменьшения перегрева масла в топливомасляном теплообменнике используется для охлаждения топливо форсажной камеры, однако при выключении форсажа циркулирующее в нем масло с рабочей температурой порядка 200^oC приводит к коксообразованию в топливе, температура коксования которого значительно ниже. Здесь также налицо техническое противоречие: с одной стороны, для исключения перегрева масла топливо форсажной камеры для охлаждения масла нужно использовать, а с другой стороны, этого делать нельзя из-за коксообразования в топливной полости теплообменника при выключении форсажа.

Предложенная масляная система позволяет устранить все эти технические противоречия.

Задача изобретения - повышение надежности путем устранения перегрева и коксования масла в опорах двигателя и суфлирующих магистралях, а также топлива в топливомасляном теплообменнике.

Указанная задача достигается тем, что масляная система газотурбинного двигателя, содержащая подключенную к магистралям нагнетания, откачки и суфлирования полость опоры ротора с маслосборником и установленные в этих магистралях соответственно топливо-масляный теплообменник, откачивающий насос и приводной центробежный суфлер с линией сброса уловленного в нем масла, снабжена компенсационной емкостью, сообщенной с магистралью суфлирования и гидравлически связанной с маслосборником и откачивающим насосом: в магистрали, сообщающей компенсационную емкость с магистралью суфлирования, установлен двухпозиционный нормально открытый клапан, полость управления которым сообщена с магистралью нагнетания: на входе в магистраль суфлирования из полости опоры ротора установлена форсунка с устройством для подачи масла, линия сброса уловленного суфлером масла подключена на вход откачивающего насоса, топливомасляный теплообменник выполнен в виде двух последовательно соединенных секций, топливные полости которых сообщены соответственно с магистралями подвода топлива в основную и форсажную камеры сгорания, между масляными полостями которых установлен двухпозиционный распределительный клапан, вход в который сообщен с отводом масла из секции, использующей топливо основной камеры сгорания, а выход через подпружиненный затвор с подводом и отводом масла секции, использующей топливо форсажной камеры сгорания, причем полость управления затвором сообщена с топливной полостью секции, использующей топливо форсажной камеры.

Новым является то, что масляная система газотурбинного двигателя снабжена компенсационной емкостью, сообщенной с магистралью суфлирования и гидравлически связанной с маслосборником и откачивающим насосом.

Кроме того, в магистрали, сообщающей компенсационную емкость с магистралью суфлирования, установлен двухпозиционный нормально открытый клапан, полость управления которого сообщена с магистралью нагнетания, на входе в магистраль суфлирования из полости опоры ротора установлена форсунка с устройством для подачи масла, линия сброса уловленного суфлером масла подключена на вход откачивающего насоса, топливомасляный теплообменник выполнен в виде двух последовательно соединенных секций, топливные полости которых сообщены соответственно с магистралями подвода топлива в основную и форсажную камеры сгорания, между масляными полостями которых установлен двухпозиционный распределительный клапан, вход в который сообщен с отводом масла из секции, использующей топливо основной камеры сгорания, а выход через подпружиненный затвор с подводом и отводом масла секции, использующей топливо форсажной камеры сгорания, причем полость управления затвором сообщена с топливной полостью секции, использующей топливо форсажной камеры.

Масляная полость опоры ротора благодаря наличию компенсационной (дополнительной) емкости, гидравлически связанной с ее маслосборником, может быть увеличена до объема, достаточного, чтобы вместить все излишки масла, скапливающиеся в полости после останова, и исключить утечку масла в проточную часть через уплотнения опоры ротора. При этом объем емкости опытным путем подбирается таким, что в горячей части полости опоры ротора после останова двигателя масло не остается. Наличие гидравлической связи емкости с магистралью суфлирования позволяет удалять воздух из емкости в процессе ее заполнения, а гидравлическая связь с откачивающим насосом позволяет опорожнять емкость при следующем запуске изделия, подготовив ее к очередному приему излишком масла. Емкость располагается в холодной зоне двигателя, что исключит коксование в ней масла.

Двухпозиционный нормально открытый клапан, управляемый давлением масла из магистрали нагнетания, установленный в линии суфлирования емкости, позволяет блокировать линию суфлирования от откачивающего насоса при его работе, что исключит подсос воздуха на вход насоса и обеспечит принудительную (более надежную) откачку масла из полости опоры ротора, а при останове выпустить воздух из емкости, так как он препятствует ее заполнению при останове изделия.

Установка форсунки с устройством для подачи масла на входе в магистраль суфлирования масляной полости опоры ротора позволила благодаря орошению суфлируемой среды дополнительным, незначительным расходом масла укрупнить включения масла, транспортируемые воздухом по горячим магистралям и предотвратить перегрев масла, приводящий, как известно, к выпадению кокса. Кроме того, подаваемое в суфлирующую магистраль масло выступает в качестве охладителя, способствуя из-за роста частиц масла уменьшению суммарной поверхности масляных включений. Это решение позволяет избежать использования дополнительного хладоагента (воздуха), для получения которого требуется вспомогательная установка (например, турбохолодильник), и кожух, устанавливаемый снаружи суфлирующей магистрали для продувки воздуха через него.

Линия сброса уловленного суфлером масла, подключенная на вход откачивающего насоса, приводит к существенному увеличению скорости движения потока суфлируемых газов, а следовательно, к уменьшению теплообмена между стенками магистрали суфлирования и потоком газов с включениями масла.

При этом эффективность сепарации масла в приводном центробежном суфлере возрастает благодаря тому, что к действию центробежных сил крыльчатки добавляется всасывающий эффект насоса откачки.

Благодаря блокированию с помощью затвора клапана масляной полости секции теплообменника, использующей топливо форсажной камеры, от масляной полости секции, использующей топливо основной камеры, при отсутствии давления топлива в топливной полости секции, использующей форсажное топливо, исключается теплообмен между циркулирующим горячим маслом и неподвижным топливом в секции с форсажным топливом, что предотвращает перегрев топлива и образование в нем кокса.

В итоге можно сказать, что реализация предложения позволит устранить один из наиболее значительных дефектов в доводке газотурбинного двигателя - перегрев и коксование масла в теплонапряженных опорах и магистралях двигателя.

Кроме того, предложение позволит сократить расход смазки не менее чем в два раза за счет более эффективного его улавливания в суфлере.

Отсутствие перегрева топлива в топливомасляном теплообменнике, использующем топливо форсажной камеры сгорания, при работе на бесфорсажных режимах исключает образование в нем кокса и повысит надежность элементов автоматики, расположенных в топливных магистралях за теплообменником, - форсунок и коллекторов.

Использование предложения практически не требует материальных затрат, экономит масло и позволяет осуществить "лечение" дефектных масляных систем готовых двигателей.

На чертеже изображена схема масляной системы газотурбинного двигателя.

Масляная система включает в себя полость 1 опоры ротора с маслосборником 2 и форсунками 3, подключенными через магистраль 4, теплообменные секции 5, 6, использующие соответственно топливо основной и форсажной камер сгорания и нагнетающий насос 7 к маслобаку 8. В верхней части полости 1 на входе в суфлирующую магистраль 9 установлена дополнительная форсунка 10, подключенная через магистраль 11 к магистрали 4, подводящей масло к форсункам 3. Суфлирующая магистраль 9 выведена на вход приводного центробежного суфлера 12, канал 13 сброса масла из которого сообщен со входом в откачивающий насос 14. Маслосборник 2 магистралью 15 откачки масла из полости 1 соединен с откачивающим насосом 16. Масляная система снабжена компенсационной емкостью 17, верхняя часть которой через магистраль 18, двухпозиционный нормально открытый клапан 19 и магистраль 20 сообщена с суфлирующей магистралью 9, причем полость управления 21 клапаном 19 сообщена с магистралью 4 подачи масла. Нижняя часть компенсационной емкости 17 через магистраль 22 гидравлически связана и с маслосборником 2, и с входом в откачивающий насос 16. Между теплообменными секциями 5 и 6 установлен двухпозиционный распределительный клапан 23 так, что вход в него сообщен с отводом масла из теплообменной секции 6, а выход через подпружиненный затвор 24, магистрали 25 и 26 сообщены соответственно с подводом и отводом масла из теплообменной секции 5, причем полость управления 27 затвором 24 соединена с топливной полостью последней - магистралью 28. Топливная полость 29 теплообменной секции 5 сообщена с магистралью 30 подачи топлива в форсажную камеру сгорания, а топливная полость 31 теплообменной секции 6 сообщена с магистралью 32 подачи топлива в основную камеру сгорания.

Масляная система газотурбинного двигателя работает следующим образом.

При запуске двигателя нагнетающий насос 7 забирает масло из маслобака 8 и переправляет его на вход теплообменной секции 6, в топливную полость 31 которой по магистрали 32 поступает топливо основной камеры сгорания. При выключенном форсаже подпружиненный затвор 24 отсекает магистраль 25 от секции 6 теплообменника и переправляет масло в магистраль 26, а затем через магистраль 4 подает его к форсункам 3. Движение масла по тракту теплообменной секции 5, использующей топливо форсажной камеры сгорания, отсутствует, а следовательно, не происходит коксования заполняющего его гидравлический тракт топлива. Из магистрали 4 масло попадает в полость управления 21 двухпозиционного нормально открытого клапана 19, разобщая магистрали 20 и 18. Компенсационная емкость 17 отключается от суфлирующей магистрали 9 и откачивающий насос 16 принудительно эвакуирует из маслосборника 2 через магистраль 15 отработанное масло в маслобак 8 для повторного использования. Проникающее в полость 1 горячие газы смешиваются с распыливаемым форсунками 3 маслом, подаваемым на смазку механизмом и переправляются для предотвращения повышения давления в окружающую атмосферу через магистраль 9 и суфлер 12. Перед поступлением в магистраль 9 смесь горячих газов с мельчайшими включениями масла дополнительно орошается небольшим расходом масла 0,5 л/мин с помощью форсунки 10, подключенной через магистрали 11,4, 26 и теплообменную секцию 6 к нагнетающему насосу 7. Струя масла, сбрасываемая во входную зону суфлирующей магистрали 9, разгоняет поток газов, что приводит к увеличению скорости их движения. Этому же способствует подключение канала 13 сброса масла из суфлера 12 на вход откачивающего насоса 14, препятствующее также и перекрытию проходного сечения для выхода суфлируемых газов в атмосферу.

В удаляемой из полости 1 газовоздушной среде будут содержаться более крупные включения масла, движущиеся с увеличенной скоростью, что уменьшит теплообмен между стенками магистрали 9 и потоком суфлируемого газа. Кроме того, подаваемое в суфлирующую магистраль 9 масло выступает также в качестве охладителя. При включении форсажа топливо по магистрали 30 поступает в топливную полость 29 секции 5, а оттуда по магистрали 28 попадает в полость управления 27, подпружиненный затвор перемещается вправо, отсекая магистраль 26 от секции 6 и подключая последнюю к магистрали 25. В результате масло проходит через две ступени охлаждения прежде, чем попадает в магистраль 4 подачи масла. При останове двигателя прекращается подача масла в полость 1 и в полость управления 21 двухпозиционного клапана 19. Клапан 19 открывается, сообщая магистрали 18 и 20 между собой и с суфлирующей магистралью 9. В результате компенсационная емкость 17 подготовлена к приему излишком масла из маслосборника 2. Масло по магистрали 15 выводится из горячей полости 1 опоры ротора в холодную компенсационную емкость 17 и при последующем запуске двигателя с помощью откачивающего насоса 16 переправляется в маслобак 8, освобождая ее для приема очередной порции масла при следующем останове двигателя.

Масляная система предназначена для газотурбинного двигателя. При запуске двигателя нагнетающий насос (7) забирает масло из маслобака (8) и переправляет его на вход теплообменной секции (6), использующей топливо основной камеры сгорания. При включенном форсаже подпружиненный затвор (24) отсекает магистраль (25) от секции (6) теплообменника и переправляет масло в магистраль (26), а затем через магистраль (4) подает его к форсункам (3). Движение масла по тракту теплообменной секции (5), использующей топливо форсажной камеры сгорания, отсутствует, а, следовательно, не происходит коксования заполняющего его гидравлический тракт топлива. Проникающие в полость (1) горячие газы смешиваются с распыливаемыми форсунками (3) маслом. Струя масла, сбрасываемая во входную зону суфлирующей магистрали (9), разгоняет поток газов, что приводит к увеличению скорости их движения. Этому же способствует подключение канала (13) сброса масла из суфлера (12) на вход откачивающего насоса (14), препятствующее также и перекрытию проходного сечения для выхода суфлируемых газов в атмосферу. При включении форсажа топливо форсажной камеры по магистрали (28) попадает в полость управления (27), подпружиненный затвор перемещается вправо, отсекая магистраль (26) от секции (6) и подключая последнюю к магистрали (25). При останове двигателя прекращается подача масла в полость (1) и в полость управления (21) двухпозиционного клапана. Клапан (19) открывается, сообщая магистрали (18) и (20) между собой и с суфлирующей магистралью (9). Масло по магистрали (15) выводится из горячей полости (1) опоры ротора в холодную компенсационную емкость (17) и при последующем запуске двигателя с помощью откачивающего насоса (16) переправляется в маслобак (8), освобождая ее для приема очередной порции масла при следующем останове двигателя. Такое выполнение системы позволит повысить надежность путем устранения перегрева и коксования масла в опорах двигателя и суфлирующих магистралях. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Масляная система газотурбинного двигателя, содержащая подключенную к магистралям нагнетания, откачки и суфлирования полость опоры ротора с маслосборником и установленные в этих магистралях соответственно топливомасляный теплообменный, откачивающий насос и приводной центробежный суфлер с линией сброса уловленного в нем масла, отличающаяся тем, что она снабжена компенсационной емкостью, сообщенной с магистралью суфлирования и гидравлически связанной с маслосборником и откачивающим насосом. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в магистрали, сообщающей компенсационную емкость с магистралью суфлирования, установлен двухпозиционный нормально открытый клапан, полость управления которым сообщена с магистралью нагнетения. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что на входе в магистраль суфлирования из полости ротора установлена форсунка с устройством для подачи масла. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что линия сброса уловленного суфлером масла подключена на вход откачивающего насоса. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что топливомасляный теплообменник выполнен в виде двух последовательно соединенных секций, топливные полости которых сообщены соответственно с магистралями подвода топлива в основную и форсажную камеры сгорания, между масляными полостями которых установлен двухпозиционный распределительный клапан, вход в который сообщен с отводом масла из секции, топливная полость которой соединена с магистралью подвода топлива в основную камеру сгорания, а выход через подпружиненный затвор - с подводом и отводом масла секции, топливная полость которой соединена с магистралью подвода топлива в форсажную камеру сгорания, причем полость управления затвором сообщена с топливной полостью секции, соединенной с магистралью подвода топлива в форсажную камеру сгорания.