СПУСКНОЙ КЛАПАН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F04D27/02 

Областью техники, к которой относится настоящее изобретение, являются газотурбинные двигатели, в частности эксплуатация спускных клапанов для газотурбинных двигателей.

В газотурбинных двигателях, используемых для приведения в движение летальных аппаратов, воздух направляется через многоступенчатые компрессоры по мере его прохождения аксиально либо аксиально и радиально через двигатель к камере сгорания. По мере прохождения воздуха через каждую последовательную ступень компрессора давление воздуха возрастает. При определенных условиях, например когда двигатель работает в нерасчетных режимах, для согласования ступеней компрессора необходим межступенчатый спускной клапан. Если согласование ступеней компрессора не достигнуто, может произойти помпаж или выброс пламени в двигателе, что угрожает безопасной работе двигателя и летательного аппарата в целом.

С целью снижения последствий таких состояний эти газотурбинные двигатели оснащают спускными клапанами в корпусе двигателя спереди камеры сгорания, которые в случае неизбежного помпажа двигателя открываются для рассогласования ступеней компрессора. Эти спускные клапаны принимают многие формы, от простых отверстий в корпусе компрессора, которые открываются посредством подвижного клапанного элемента, до устройств, разделяющих смежные секторы корпуса двигателя с созданием между ними отверстия.

Однако эти клапаны, хотя и пригодные, вызывают проблемы, когда отбор воздуха направляется во вторичный воздушный поток вместо того, чтобы быть удаленным за борт. Конструкции этих известных спускных клапанов не отвечают ни в одном из решений совокупности таких критериев, как простота в эксплуатации клапана, поддержание равномерного потока текучей среды на пути потока через байпас, а также быстрое время срабатывания.

Поэтому в данной области техники существует необходимость в создании спускного клапана, который прост в эксплуатации, минимизирует помехи на пути к вторичному воздушному потоку и обеспечивает быстрое срабатывание в ответ на изменения давления, которые приводят к проблемам в работе двигателя.

Изобретение раскрывает спускной клапан для использования в газотурбинном двигателе, в котором клапанная коробка расположена по наружному периметру пути потока текучей среды через байпас. Поршень, имеющий первый конец, вставлен в указанную коробку и проходит поперек пути потока текучей среды через байпас до перегородки, отделяющей путь потока текучей среды через байпас от пути первичного потока текучей среды. Поршень, имеющий второй конец напротив первого конца, герметично вставлен в отверстие в перегородке, причем поршень перемещается с возможностью скольжения для уплотнения и разуплотнения отверстия в ответ на перепад давлении между двумя участками на пути первичного потока текучей среды.

Изобретение позволяет использовать перепускной клапан, который срабатывает с целью предотвращения помпажа в двигателе и легко обслуживается без разборки двигателя за счет своего расположения на пути потока через байпас и за счет того, что содержит коробку по периметру пути потока через байпас.

Фиг. 1 представляет собой вид одного варианта выполнения клапана настоящего изобретения, показывающий его расположение в газотурбинном двигателе.

Фиг. 2 представляет собой изображение с частичным разрезом одного варианта выполнения клапана настоящего изобретения, показывающее клапан в закрытом положении.

Фиг. 3 представляет собой изображение с частичным разрезом одного варианта выполнения клапана настоящего изобретения, показывающее клапан в открытом положении.

Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном разрезе одного варианта выполнения клапана настоящего изобретения, расположенного в газотурбинном двигателе в открытом положении.

Фиг. 4а представляет собой вид в поперечном разрезе клапана, показывающий средство регулирования давления.

Фиг. 5 представляет собой вид в поперечном разрезе одного варианта выполнения клапана настоящего изобретения, расположенного в газотурбинном двигателе в закрытом положении.

Фиг. 6 представляет собой вид в поперечном разрезе, взятый по линии 6 - 6 фиг. 2, центральной части поршня и распорного элемента.

Спускной клапан в соответствии с настоящим изобретением будет описан со ссылкой на фиг. 1 - 6. Описание изобретения и чертежи предназначены для иллюстрации, а не ограничения предлагаемого изобретения.

Со ссылкой на фигуры, показывающие спускной клапан настоящего изобретения, спускной клапан 2 содержит поршень 4, имеющий первый конец 6 и второй конец 8, соединенные центральной частью 10. Первый конец 6 вставлен в камеру 12 внутри коробки 14. Коробка 14 вставлена в отверстие 16 на наружном периметре пути потока через байпас, в данном случае на наружном ободе 18 двигателя 20. Камера 12 коробки 14 связана потоком или давлением с одним участком в пределах маршрута первичного потока 22 сжатого газа, проходящего по двигателю 20. Через отверстие 24 в коробке 14 регулируемое давление вводится с целью планирования процесса открытия клапана.

В настоящем описании коробка 14 выполнена в виде одного блока, который крепится к наружному ободу 18 при помощи ряда болтов 26 и который посажен на фланец 28 по периметру отверстия 16. Поршень 4 установлен с возможностью скольжения на штоке или аналогичном средстве 29, проходящем продольно по существу по центру поршня 4.

Второй конец 8 выполнен так, чтобы помещаться и уплотнять отверстие 30 в перегородке, отделяющей путь потока через байпас 34 от пути первичного потока 22 (в данном варианте - это внутренний обод 32), тем самым препятствуя любому количеству первичного потока текучей среды 22 в прохождении к пути потока текучей среды через байпас 34 сквозь указанное отверстие 30, когда поршень находится в закрытом положении. Это может быть достигнуто с использованием целого ряда конструкций.

Настоящий вариант выполнения изображает аэродинамическую конструкцию второго конца 8, при которой вершина 35 второго конца 8 ровная и образует ровную плоскость с поверхностью внутреннего обода 32, когда клапан 2 находится в закрытом положении, как показано на фиг. 2 и 5. Однако та часть второго конца 8, которая находится под внутренним ободом 32, когда клапан 2 находится в закрытом положении, то есть днище 36 второго конца 8, имеет вид усеченного конуса, сужающегося книзу. Хотя нет необходимости в том, чтобы это днище 36 имело такую форму, предпочтительно, чтобы оно было именно таким для того, чтобы обеспечить создание ровной переходной зоны для прохождения текучей среды из пути первичного потока 22 в путь потока через байпас 34 и обеспечить регулирование интенсивности открытия и закрытия клапана.

Кроме того, часть днища 36, которая обращена вверх прохождения пути потока текучей среды через байпас 34, имеет форму дугообразного фартука 38, простирающегося вокруг передней кромки 40 окружности 42 второго конца 8 примерно от одной стороны 44 второго конца 8 поршня до противоположной стороны 46 второго конца 8 поршня и пересекающего плоскость, перпендикулярную пути потока через байпас 34. Фартук 38 далее простирается от точки непосредственно под вершиной второго конца 8 до точки как раз ниже внутреннего обода 32, когда клапан 2 находится в открытом положении (см. фиг. 3). Этот фартук 38 препятствует выходу отработанного потока в направлении вверх потока через байпас. Такой поток будет создавать помехи вентилятору, воздействуя на его стабильность, снижая допускаемые пределы помпажа и повышая уровень шума.

Как показано на фиг. 4 и 5, отверстие 30 во внутреннем ободе 32 вставлено в каркас 48 для поддержания штока 29, на котором установлен с возможностью скольжения поршень 4. Шток 29 съемно соединяется с каркасом 48 при помощи гайки 50, посаженной резьбой на конец 52 штока 29, а другой конец штока 29 съемно крепится таким же образом к отверстию в коробке 14 при помощи гайки 57. Между штоком 29 и поршнем 4 установлены втулки 54 для того, чтобы гарантировать свободное скользящее перемещение поршня 4. Пружина сжатия 56 посажена на шток 29 у конца 52 между каркасом 48 и концом 8 поршня для того, чтобы гарантировать, что при любых давлениях, воздействующих на поршень 4, поршень 4 останется в частично открытом состоянии. Это положение клапана ускорит запуск двигателя.

Кроме того, верхняя поверхность 58 поршня, имеющего центральную часть 10, может быть снабжена канавкой 60, скользящей по шпонке 61, которая крепится к коробке 14. Верхней поверхности 58 центральной части 10 поршня может быть придана аэродинамическая форма в сочетании с элементом жесткости 64, как показано на фиг. 6, что уменьшает помехи в пути потока через байпас 34. Шпонка 61 и канавка 60 обеспечивают создание противовращательного средства для того, чтобы гарантировать выравнивание элемента жесткости 64 и центральной части 10 поршня. Данное конструктивное выполнение также действует в качестве дополнительного противовращательного признака, гарантирующегося выравнивание фартука 38 и центральной части 10 поршня.

Спускной клапан срабатывает на предварительно установленное значение перепада давлений между первым участком на пути первичного потока текучей среды 22 и вторым участком на пути первичного потока 22 таким образом, что как только давление на втором участке, который сообщается давлением с камерой 12 в коробке 14, в которую вставлен первый конец 6 поршня 4, становится выше, чем давление на первом участке, который сообщается давлением и потоком с путем первичного потока текучей среды 22, клапан 4 остается в закрытом положении и не позволяет какой-либо текучей среде на пути первичного потока 22 проходить из указанного пути первичного потока текучей среды 22 в путь потока текучей среды через байпас 34. Однако в том случае, если давление на первом участке выше давления на втором участке на заранее установленную величину, тогда давление в камере 12 коробки 14 ниже давления в отверстии 30 внутреннего обода 32, и поршень 4 скользит по штоку 29, тем самым перемещая второй конец 8 поршня 4 в положение, при котором он больше не уплотняет отверстие 30 во внутреннем ободе 32, тем самым позволяя части первичного потока текучей среды 22 проходить сквозь отверстие 30 во внутреннем ободе 32 в путь потока текучей среды через байпас 34.

Как можно видеть на фиг. 4а, первый участок находится выше максимального выходного отверстия компрессора, через которое проходит путь первичного потока 22, тогда как второй участок находится ниже максимального выходного отверстия компрессора и сообщается потоком посредством трубки (частично указанной позицией 66). Трубка снабжена отверстием 68 (которое может быть выполнено в виде регулируемого клапана, то есть игольчатого клапана, или в виде простого отверстия, имеющего установленный размер) и сообщается со второй трубкой 70, образуя форму T или Y, причем один конец соединен с коробкой у отверстия 24, а другой конец 72 выходит в атмосферу через отверстие 73. Кроме того, средство регулирования 74 установлено между отверстиями 68 и 73 для регулировки открытия клапана в ответ на определенную скорость вращения компрессора. Давление, создаваемое в отверстии 24, будет таким, чтобы клапан занимал заранее установленное положение в зависимости от скорости вращения компрессора, тем самым выпуская текучую среду, как это необходимо, и, следовательно, предотвращая помпаж.

Настоящее изобретение предлагает спускной клапан для использования в двигателях с байпасной линией, имеющий уникальные и выгодные преимущества по сравнению с известными техническими решениями. Настоящее изобретение раскрывает спускной клапан, который установлен с возможностью съема снаружи двигателя с тем, чтобы позволить легкое отсоединение и обслуживание без разборки двигателя, что присуще известным техническим решениям. Помимо этого, клапан гарантирует минимальные препятствия пути потока через байпас и поэтому снижает любую потерю эффективности за счет размещения такого устройства по пути потока через байпас.

Несмотря на то, что конкретное изобретение описано со ссылкой на приведенные варианты, это описание не должно подразумеваться как ограничительное. Специалистам следует понять, что, хотя предлагаемое изобретение описано в отношении предпочтительного варианта его выполнения, возможны различные модификации приведенных вариантов, а также дополнительные варианты осуществления изобретения в пределах сущности и объема заявленного изобретения.

Клапан предназначен для перепуска воздуха в газотурбинном двигателе. Клапан имеет поршень, один конец которого расположен внутри коробки, которая размещена на одной стороне пути потока текучей среды через байпас. Другой конец поршня расположен в отверстии между путем первичного потока текучей среды и путем потока текучей среды через байпас так, что клапан открывается и закрывается в ответ на перепад давлений между двумя точками на пути первичного потока текучей среды. Изобретение позволяет легко отсоединять и обслуживать без разборки двигатель, гарантирует минимальное сопротивление потоку через байпас. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для перепуска воздуха в газотурбинном двигателе, имеющее путь потока текучей среды через байпас и путь первичного потока текучей среды ниже воздухозаборника указанного двигателя, при этом указанные пути разделены перегородкой, а указанный путь потока текучей среды через байпас имеет наружный обод, отличающееся тем, что оно содержит спускной клапан, имеющий клапанную коробку, расположенную по указанному наружному ободу указанного пути потока текучей среды через байпас, и поршень, первый конец которого вставлен в указанную коробку, причем поршень проходит поперек указанного пути потока текучей среды через байпас, второй конец которого расположен напротив указанного первого конца, при этом указанный второй конец герметично вставлен в отверстие в указанной перегородке, отделяющей указанный путь первичного потока текучей среды от указанного пути потока текучей среды через байпас, при этом указанный поршень перемещается с возможностью скольжения, открывая и закрывая указанное отверстие в ответ на перепад давлений между давлениями текучей среды в двух участках на указанном пути первичного потока текучей среды. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центр поршня имеет аэродинамическую форму с передней кромкой и задней кромкой, причем указанная передняя кромка расположена по направлению потока через байпас. 3. Устройство для перепуска воздуха в газотурбинном двигателе с байпасной линией, содержащее воздухозаборник, первый путь потока текучей среды ниже указанного воздухозаборника, образованный рабочим колесом компрессора, расположенным вокруг одной или более ступеней компрессора, по которому воздух из указанного воздухозаборника сжимается и направляется в камеру сгорания указанного двигателя, где указанный сжатый воздух смешивается с топливом и воспламеняется, и второй путь потока текучей среды через байпас ниже указанного воздухозаборника, образованный наружным ободом двигателя и внутренним ободом, по которому байпасный воздух из указанного воздухозаборника двигателя направляется от указанного первого пути потока текучей среды, отличающееся тем, что содержит спускной клапан, имеющий клапанную коробку, расположенную в отверстии в пределах наружного обода, при этом указанная коробка образует камеру, которая сообщается потоком с указанным первым путем потока текучей среды в первом участке, и поршень, расположенный с возможностью перемещения внутри камеры по направляющей канавке, при этом указанная направляющая канавка простирается от наружного обода через коробку и путь потока через байпас до отверстия во внутреннем ободе, который обеспечивает сообщение потоков между первым путем потока текучей среды во втором участке и путем потока через байпас, причем указанный первый участок расположен ниже указанного второго участка на указанном первом пути потока текучей среды, указанный поршень имеет первый конец, перемещающийся в камере коробки, и второй конец, расположенный напротив первого конца, при этом указанный второй конец выполнен так, чтобы создать уплотнение в отверстии внутреннего обода, а указанный поршень перемещается по указанной направляющей канавке между открытым положением и закрытым положением, тем самым разуплотняя или уплотняя отверстие во внутреннем ободе в ответ на перепад давлений между первым и вторым участками в первом пути потока текучей среды. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанный поршень между указанными первым и вторым концами имеет аэродинамическую форму с передней кромкой и задней кромкой, причем указанная передняя кромка расположена по направлению прохождения потока через байпас. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанная передняя кромка вставлена в канавку элемента жесткости, при этом указанный элемент жесткости имеет верхнюю и нижнюю стороны с указанной канавкой, находящейся в указанной нижней стороне указанного элемента жесткости, а указанная аэродинамическая форма обусловлена комбинацией указанного элемента жесткости и указанного поршня между указанным первым и вторым концами. 6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что указанный второй конец указанного поршня имеет уплотнительную поверхность и верхнюю кромку, а дугообразный фартук простирается в направлении и сквозь отверстие в указанном внутреннем ободе на указанной верхней кромке указанного второго конца. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанный фартук простирается в направлении и сквозь указанное отверстие в указанном внутреннем ободе на длину, достаточную для того, чтобы указанный фартук простирался в направлении или сквозь указанное отверстие в указанном внутреннем ободе, когда указанный поршень находится в указанном открытом положении. 8. Устройство для перепуска воздуха в газотурбинном двигателе с байпасной линией, при этом указанный двигатель содержит воздухозаборник, первый путь потока текучей среды ниже указанного воздухозаборника, образованный рабочим колесом компрессора, расположенным вокруг одной или более ступеней компрессора, по которому воздух из указанного воздухозаборника сжимается и направляется в камеру сгорания указанного двигателя, где указанный сжатый воздух смешивается с топливом и воспламеняется, и второй путь потока текучей среды через байпас ниже указанного воздухозаборника, образованный наружным ободом двигателя и внутренним ободом, по которому байпасный воздух из указанного воздухозаборника направляется от первого пути потока текучей среды, отличающееся тем, что содержит спускной клапан, имеющий клапанную коробку, расположенную в пределах наружного обода, при этом указанная коробка образует камеру, которая сообщается потоком с указанным первым путем потока текучей среды в первом участке, и поршень, расположенный с возможностью перемещения внутри камеры по направляющей канавке, при этом указанная направляющая канавка простирается от наружного обода через коробку и поток через байпас до отверстия во внутреннем ободе, который обеспечивает сообщение потоком между первым путем потока текучей среды и путем потока через байпас во втором участке, причем указанный первый участок расположен ниже указанного второго участка на указанном первом пути потока текучей среды, указанный поршень имеет первый конец, перемещающийся в камере коробки, и второй конец, расположенный напротив первого конца, при этом указанный второй конец выполнен так, чтобы создать уплотнение в отверстии во внутреннем ободе, и указанный поршень между указанными первым и вторым концами имеет переднюю кромку и заднюю кромку, причем указанная передняя кромка расположена по направлению прохождения пути потока через байпас и вставлена в канавку в элемент жесткости, который имеет верхнюю и нижнюю стороны с указанной канавкой, находящейся в указанной нижней стороне указанного элемента жесткости, при этом комбинация указанного поршня и указанного элемента жесткости имеет аэродинамическую форму, а поршень перемещается по указанной направляющей канавке между открытым положением и закрытым положением, тем самым разуплотняя или уплотняя отверстие во внутреннем ободе в ответ на перепад давлений между первым и вторым участками в первом пути потока текучей среды. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанный второй конец указанного поршня имеет уплотнительную поверхность и верхнюю кромку, а дугообразный фартук простирается в направлении и сквозь отверстие в указанном внутреннем ободе на указанной верхней кромке указанного второго конца. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что указанный фартук простирается в направлении и сквозь указанное отверстие в указанном внутреннем ободе на длину, достаточную для того, чтобы указанный фартук простирался в направлении или сквозь указанное отверстие в указанном внутреннем ободе, когда указанный поршень находится в указанном открытом положении.