ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи охлаждающего воздуха к подшипниковым опорам газотурбинного двигателя.

Подшипниковые опоры ротора газотурбинных двигателей /ГТД/, особенно те, которые находятся в горячей зоне двигателя - за компрессором и в турбине, работают в чрезвычайно тяжелых условиях, т.к. температура воздуха за компрессором в современных ГТД может достигать 500 -600^oC, а температура коксования лучших современных минеральных масел равна ≈ 200^oC. Поэтому для обеспечения надежной работы подшипников ГТД необходима эффективная система охлаждения подшипниковых опор.

Известна конструкция газотурбинного двигателя с системой охлаждения заднего подшипника и диска турбины с центробежным компрессором. Воздух для охлаждения подшипника подается с помощью специального центробежного компрессора, установленного на валу двигателя [1].

Такая система охлаждения опор существенно усложняет, удорожает и утяжеляет конструкцию двигателя. Кроме того, охлаждающий воздух не очищается от пыли и песка, что может привести к поломке подшипника.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция ГТД, в которой подшипниковая опора охлаждается вторичным потоком воздуха, отбираемым от компрессора [2] . Однако температура вторичного потока воздуха /≈ 400^oC/ не позволяет эффективно охлаждать подшипниковые опоры. Кроме того, отсутствие очистки этого воздуха от песка и пыли приводит к поломке подшипника.

Техническая задача заключается в повышении надежности работы двигателя за счет снижения температуры и очистки охлаждающего воздуха, омывающего подшипниковые опоры.

Данная техническая задача решается за счет того, что в газотурбинном двигателе, включающем статор с подшипниковыми опорами, выполненными с воздушными полостями, сообщающимися на выходе с атмосферой, и установленными в них роторами компрессора и турбины на общем полом валу, согласно изобретению в статоре на входе выполнены радиальные воздушные каналы, соединяющие с компрессором воздушные полости вала и подшипниковых опор через отверстия в полом валу.

Кроме того, расстояние между отверстиями для входа и выхода воздуха составляет от 4 до 15 диаметров полости вала.

Выполнение на входе в статоре радиальных воздушных каналов позволяет охлаждать воздух, проходящий через каналы, и нагревать наружную поверхность входного корпуса компрессора, что предотвращает обледенение при минусовых температурах.

Радиальные воздушные каналы соединяют с компрессором воздушные полости вала и подшипниковых опор через отверстия в полом валу, что позволяет воздуху охлаждаться и при этом закручиваться за счет сил трения потока воздуха о внутреннюю поверхность вала при прохождении по его внутренней полости, и далее - сбрасываться в атмосферу. При этом частицы пыли и песка оседают на этой поверхности, очищая поток охлаждающего воздуха.

Высокая эффективность очистки достигается в том случае, когда расстояние между отверстиями в полом валу составляет 4 - 15 диаметров полости вала. При меньшем расстоянии эффективность очистки низка, а при большем - повышается гидравлическое сопротивление для воздуха, текущего внутри полости вала.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез газотурбинного двигателя. На фиг. 2 показан элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде. На фиг. 3 - элемент II на фиг. 1 в увеличенном виде. На фиг. 4 показано поперечное сечение А-А на фиг. 3. На фиг. 5 показан элемент III на фиг. 1. На фиг. 6 - элемент IV на фиг. 1. На фиг. 7 - элемент V на фиг. 1, все в увеличенном виде.

Ниже представлен один из возможных вариантов конструкции ГТД.

ГТД 1 состоит из статора 2, ротора компрессора 3 и ротора турбины 4, соединенных общим валом 5. Статор 2 двигателя 1 включает в себя корпус компрессора 6, в котором выполнены отверстия 7, соединяющие полость 8 проточной части компрессора с кольцевым коллектором 9 и трубопроводом 10. Трубопровод 10 соединен с каналами 11 стойки 12 входного корпуса 13, расположенного на входе в ГТД. Каналы 11 расположены радиально и перпендикулярно к потоку воздуха на входе в двигатель.

Стойка 12 имеет наружную обогреваемую поверхность Б. Радиальные каналы 11 соединены с осевым каналом 14, который через отверстие 15 сообщается с полостью продувки 16 передней опоры 17 подшипника компрессора, а далее через отверстия 18 в лабиринтном уплотнении 19 и отверстия 20 в валу 5 - с внутренней полостью 21 вала 5. Вал 5 закрыт по своим концам передней крышкой 22 и задней крышкой 23. Отверстия 24 и 25 в валу 5 расположены соответственно под задней подшипниковой опорой 26 компрессора и опорой 27 турбины 4. Отверстия 28 и 29 расположены в лабиринтных уплотнениях 30 и 31.

Полость вала 21 через отверстия 24, 25, 28, 29 соединена с полостями 32, 33 подшипниковых опор, которые в свою очередь соединены с атмосферой.

Устройство работает следующим образом.

Горячий неочищенный воздух, содержащий песок и пыль, из полости 8 проточной части компрессора через отверстия 7 поступает в кольцевой коллектор 9, откуда по трубопроводу 10 поступает в радиальные каналы 11 стоек 12 входного корпуса компрессора, нагревая внутреннюю поверхность B этих каналов. За счет теплопроводности материала стоек 12 осуществляется нагрев наружной поверхности Б стоек 12, что предохраняет ее от обледенения при минусовых температурах. Воздух в каналах 11 охлаждается. Далее по осевому каналу 14 через отверстия 15, полость 16, отверстия 18, 19 охлажденный воздух поступает во внутреннюю полость 21 вала 5, где он движется, закручиваясь вместе с вращающимся валом 5, по направлению к подшипниковым опорам 26 и 27. Частицы песка и пыли за счет центробежных сил оседают на поверхности вала Г. Воздух очищается и через отверстия 24 и 25 в валу 5 поступает в полости 32 и 33, наддувая и охлаждая их, а затем сбрасывается в атмосферу.

Отложившиеся на поверхности Г частицы песка и пыли удаляют при очередной переборке двигателя.

Источники информации:
1. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели, М, 1969, стр. 158, рис. 5.57.

2. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели, М, 1969, стр. 160, рис. 5.60. - прототип.

Газотурбинный двигатель включает статор с подшипниковыми опорами, выполненными с воздушными полостями, сообщающимися на выходе с атмосферой, и установленными в них роторами компрессора и турбины на общем валу. В статоре на входе выполнены радиальные воздушные полости, соединяющие с компрессором воздушные полости вала и подшипниковых опор через отверстия в полом валу. Расстояние между отверстиями составляет 4-15 диаметров полости вала. Такое выполнение двигателя приводит к повышению его надежности за счет снижения температуры и очистки охлаждающего воздуха, омывающего подшипниковые опоры. 7 ил.

Газотурбинный двигатель, включающий статор с подшипниковыми опорами, выполненными с воздушными полостями, сообщающимися на выходе с атмосферой, и установленными в них роторами компрессора и турбины на общем полом валу, отличающийся тем, что в статоре на входе выполнены радиальные воздушные полости, соединяющие с компрессором воздушные полости вала и подшипниковых опор через отверстия в полом валу, причем расстояние между отверстиями составляет 4 - 15 диаметров полости вала.