ДВУХРОТОРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относятся к опорам газотурбинных двигателей, а именно к системам их наддува.

Известен газотурбинный двигатель, в котором система наддува выполнена в виде автономных подводов воздуха к опорам от источника питания, при этом источник питания представляет собой эжекторное устройство, отбор эжектирующего воздуха производится от одной из ступеней компрессора, каждая опора оснащена полостью наддува, подвижным уплотнением, масляной полостью и подводящим воздуховодом, сообщенным с эжектором [1].

Основным недостатком этого изобретения является наличие эжекторного устройства, которое не обеспечивает оптимальных давлений в полостях наддува во всем диапазоне работы двигателя. Другим недостатком этого решения является то, что источник наддува связан с полостями наддува только автономными воздуховодами, проходящими через стенки и опоры, что в реальных конструкциях бывает очень трудно осуществить. Оба недостатка приводят к тому, что изобретение можно реализовать в ограниченном числе конструкций.

Частично эти недостатки устранены в другом техническом решении, а именно, в двухроторном газотурбинном двигателе, система наддува опор которого включает два питающих воздуховода со своими воздухозаборниками, полости наддува опор компрессора низкого давления и компрессора высокого давления и полость наддува опор турбины, сообщенные через свои подвижные уплотнения с газовоздушным трактом двигателя и с полостями маслосистемы, при этом один из питающих воздуховодов сообщен с полостью наддува компрессора низкого давления, а последняя через воздуховод, выполненный в виде отверстий в цапфе компрессора низкого давления, соединена с воздуховодом турбины [2].

В этом решении осталось только два питающих воздуховода, имеющих входы, размещенные в газовоздушном тракте за компрессором низкого давления. Размещение входов питающих воздуховодов только в тракте за компрессором низкого давления не всегда обеспечивает достаточный уровень давления в полостях наддува опор на режиме малого газа и режимах, близких к нему. Это может приводить к выбросу масла из опор двигателя в газовоздушный тракт двигателя и внутренние полости роторов. С другой стороны, при выходе двигателя на рабочие режимы, когда давление в тракте за компрессором низкого давления возрастает, увеличиваются протечки воздуха из полостей наддува в маслосистему и газовоздушный тракт двигателя, а также увеличивается износ подвижных уплотнений маслосистемы, если они выполнены в виде графитовых уплотнений. Повышение протечки воздуха в маслосистему перегружает систему сепарации масла и увеличивают выброс масла в атмосферу. Повышение протечек воздуха в газовоздушный тракт двигателя снижает эффективность компрессоров и турбины, снижается КПД и газодинамическая устойчивость двигателя. Наличие двух питающих воздуховода, сообщенных с одним источником питания, не позволяет реализовать схему питания полостей наддува опор от различных источников питания.

Задачей изобретения является создание единой централизованной системы наддува опор всего двигателя со вводом в двигатель одного питающего воздуховода при недопущении попадания масла из маслосистемы в газовоздушный тракт двигателя на всех режимах эксплуатации двигателя, причем на дроссельных режимах, близких к режиму малого газа, осуществлять это за счет создания избыточного давления в полостях наддува по отношению к давлению в газовоздушном тракте в районе этих опор, а с другой стороны на рабочих режимах обеспечить в полостях наддува такой уровень давления и температуры воздуха, которые бы давали минимальные протечки из этих полостей в маслосистему и в газовоздушный тракт двигателя за счет подачи воздуха в эти полости от разных источников и с одновременным его малым дросселированием на режимах малого газа и существенным дросселированием на рабочих режимах.

Указанная задача достигается тем, что в двухроторном газотурбинном двигателе, система наддува опор которого включает питающий воздуховод с воздухозаборником, полости наддува опор компрессора низкого давления и компрессора высокого давления и полость наддува опор турбины, сообщенные через подвижные уплотнения с газовоздушным трактом двигателя и с полостями маслосистемы, при этом питающий воздуховод сообщен с полостью наддува компрессора низкого давления, а последняя через воздуховод, выполненный в виде отверстий в цапфе компрессора низкого давления, соединена с воздуховодом турбины, в нем питающий воздуховод выполнен единым для всей системы наддува опор двигателя, его воздухозаборник снабжен клапаном переключения с, по меньшей мере, двумя входами, разнесенными вдоль газовоздушного тракта, воздуховод, проходящий через цапфу компрессора низкого давления, оснащен дроссельным пакетом, полость наддува опор турбины сообщена с воздуховодом турбины и с полостью наддува передней опоры компрессора высокого давления через дополнительные воздуховоды.

Новым здесь является то, что питающий воздуховод выполнен единым для всей системы наддува опор двигателя, его воздухозаборник снабжен клапаном переключения с, по меньшей мере, двумя входами, разнесенными вдоль газовоздушного тракта, воздуховод, проходящий через цапфу компрессора низкого давления, оснащен дроссельным пакетом, полость наддува опор турбины сообщена с воздуховодом турбины и с полостью наддува передней опоры компрессора высокого давления через дополнительные воздуховоды.

Один из входов клапана переключения может быть размещен в районе компрессора высокого давления, а другой, выполненный в виде приемника полного давления, установлен в газодинамическом тракте за компрессором низкого давления.

Клапан переключения может быть выполнен двухпозиционным нормально открытым для входа от компрессора высокого давления.

Для двигателей, имеющих переднюю опору компрессора низкого давления, воздуховод, выполненный в цапфе компрессора низкого давления, сообщен дополнительным воздуховодом с полостью наддува передней опоры, причем дополнительный воздуховод выполнен в виде центрального трубопровода.

Полости маслосистемы могут быть дополнительно оснащены предмасляными полостями, клапаном суфлирования с воздуховодами и подвижными уплотнениями, при этом предмасляные полости сообщены с одноименными полостями наддува и полостями маслосистемы через подвижное уплотнение, предмасляные полости компрессоров низкого и высокого давлений сообщены воздуховодами с клапаном суфлирования компрессора, а предмасляные полости турбины - с клапаном суфлирования турбины.

Выполнив питающий воздуховод единым для всей системы наддува опор, мы создаем условия для централизованной системы наддува опор, что делает ее более управляемой. При этом газовоздушный тракт меньше пересекается питающими воздуховодами, а значит его гидравлическое сопротивление уменьшается. Упрощается и конструкция корпусов, через которые должен пройти питающий воздуховод.

Снабдив воздухозаборник питающего воздуховода клапаном переключения, входы которого размещены, по меньше мере, в двух разнесенных по длине точках газовоздушного тракта двигателя, мы обеспечиваем высокий уровень давления во всех полостях наддува опор двигателя на режимах, близких к малому газу, за счет размещения входа переключающего клапана в газовоздушном тракте компрессора высокого давления. А при перекладке клапана переключения в положение, связывающим его вход с газовоздушным трактом компрессора низкого давления мы обеспечиваем приемлемый уровень давления и температур в полостях наддува опор двигателя и на всех остальных режимах работы двигателя.

Сообщив воздуховод турбины, ранее уже связанный через отверстия в цапфе компрессора низкого давления с выходом клапана переключения, с межвальной полостью и полостью наддува передней опоры компрессора высокого давления через дополнительные воздуховоды, мы завершаем создание единой централизованной системы наддува опор всего двигателя.

Оснастив воздуховод, проходящий через отверстия в цапфе компрессора низкого давления, дроссельным пакетом, мы создаем из отверстий в цапфе и этого дроссельного пакета единое регулирующее устройство, позволяющее нам осуществлять реализацию нужной нам расходной характеристики подаваемого воздуха к опорам компрессоров и турбины в широком диапазоне режимов работы двигателя - от малого газа до максимала и в случае необходимости, не трогая отверстий в цапфе, только за счет изменения геометрических характеристик дроссельного пакета получать нужную для конкретного двигателя расходную характеристику регулирующего устройства. Следует отметить, что на рабочих режимах в полости наддува опоры компрессора высокого давления с помощью дроссельного пакета мы имеем возможность получить в этой полости минимальный перепад относительно давления в газовоздушном тракте на входе в рабочее колесо компрессора высокого давления, что приводит к повышению газодинамической устойчивости и КПД компрессора высокого давления.

Выполнив клапан переключения двухпозиционным нормально открытым для входа от компрессора высокого давления, мы задаем конкретные режимы работы системы наддува опор двигателя.

Для двигателей, имеющих переднюю опору компрессора низкого давления, сообщив воздуховод, выполненный в цапфе компрессора низкого давления, дополнительным воздуховодом с полостью наддува передней опоры, мы вводим полость наддува передней опоры компрессора низкого давления в единую централизованную систему наддува опор всего двигателя. Это позволяет снизить протечки из системы наддува в газодинамический тракт в районе входа в компрессор низкого давления и, тем самым, улучшить газодинамическую устойчивость и повысить КПД компрессора низкого давления. А выполнив дополнительный воздуховод в виде центрального трубопровода, мы исключаем влияние более горячего питающего воздуха на температурное состояние дисков ротора компрессора низкого давления, что дополнительно увеличивает вышеупомянутый эффект.

Оснастив полости маслосистемы дополнительно предмасляными полостями, клапаном суфлирования с воздуховодами и подвижными уплотнениями, при этом предмасляные полости сообщив с одноименными полостями наддува и полостями маслосистемы через подвижное уплотнение, предмасляные полости компрессоров низкого и высокого давления сообщив воздуховодами с клапаном суфлирования компрессора, а предмасляные полости турбин с клапаном суфлирования турбин, мы дополнительно улучшаем закон подачи питающего воздуха к опорам двигателя.

На фиг. 1 показан продольный разрез двигателя;
на фиг. 2 - задняя опора компрессора низкого давления с дроссельным пакетом;
на фиг. 3 - передняя опора компрессора высокого давления.

Двухроторный газотурбинный двигатель содержит компрессор низкого давления 1 с передней 2 и задней 3 опорами, компрессор высокого давления 4 с передней опорой 5 и турбину 6 с опорами 7. Система наддува опор содержит полости наддува 8 и 9 опор 2 и 3 компрессора низкого давления 1, полость наддува 10 передней опоры 5 компрессора высокого давления 4 и полости наддува 11 опор 7 турбин 6. Питающий воздуховод 12 выполнен единым для всей системы наддува - его воздухозаборник 13 снабжен клапаном переключения 14, у которого имеется два входа 15 и 16, разнесенные вдоль газовоздушного тракта 17 двигателя, причем один из входов 15 клапана переключения 14 размещен в районе компрессора высокого давления 4, а другой вход 16, выполненный в виде приемника полного давления, установлен в газовоздушном тракте 17 за компрессором низкого давления 1. Питающий воздуховод 12 сообщен с полостью наддува 9 задней опоры 3 компрессора низкого давления 1, а последняя через воздуховод 18, выполненный в виде отверстий 19 в цапфе 20 компрессора низкого давления 1 и дроссельного пакета 21, соединена с воздуховодом турбин 22. Полость наддува 11 опор 7 турбин 6 сообщена с воздуховодом турбин 22 и с полостью наддува 10 передней опоры 5 компрессора высокого давления 4 через дополнительные воздуховоды 23 и 24. Воздуховод 18 сообщен дополнительным воздуховодом 25, выполненным в виде центрального трубопровода 26, с полостью наддува 8 передней опоры 2. Полости наддува 6, 9, 10 и 11 сообщены через подвижные уплотнения 27, 28, 29 и 30 с газовоздушным трактом двигателя 17 и через подвижные уплотнения 31, 32, 33 и 34 с полостями 35, 36 и 37 маслосистемы 38. П олости 35, 36 и 37 маслосистемы 38 дополнительно оснащены предмасляными полостями 39, 40, 41 и 42 и клапанами суфлирования 43 и 44 с воздуховодами 45, 46 и 47 и подвижными уплотнениями 48, 49, 50 и 51, при этом предмасляные полости 39, 40, 41 и 42 сообщены с одноименными полостями наддува 6, 9, 10 и 11 и полостями маслосистемы 35, 36 и 37 через подвижные уплотнения 31, 32, 33, 34, 48, 49, 50 и 51. Предмасляные полости 39, 40 и 41 компрессоров низкого 1 и высокого давления 4 сообщены воздуховодами 45 и 46 с клапаном суфлирования компрессора 43, а предмасляные полости 42 турбины 6 - с клапаном суфлирования 44 турбин 6. Ротор турбины высокого давления 52 и ротор турбины низкого давления 53 соединены валами 54 и 55 соответственно с ротором компрессора высокого давления 4 и с ротором компрессора низкого давления 1.

Двигатель работает следующим образом. На режиме малого газа для двухроторных двигателей частота вращения ротора низкого давления составляет 15 - 40% от его максимального значения, а частота вращения ротора высокого давления составляет 60 - 80% от своего максимального значения. При этом в газовоздушном тракте 17 на входе в компрессор низкого давления 1 и в компрессор высокого давления 4 имеет место разрежение относительно атмосферы, а давление в маслосистеме 38 соответствует атмосферному. Возникают условия для выброса масла в газовоздушный тракт 17. На режимах, близких к малому газу, питающий воздуховод 12 через двухпозиционный клапан переключения 14 сообщен своим входом 15 с компрессором высокого давления 4. В результате в питающий воздуховод 12 и далее в полости наддува 8, 9, 10 и 11 опор 2, 3, 5 и 7 двигателя поступает воздух относительно высокого давления, создавая избыточное давление в них относительно газовоздушного тракта 17. этот эффект реализуется у нас еще и потону, что отверстия 19 в цапфе 20 и дроссельный пакет 21 на режиме малого газа обладают минимальными гидравлическими сопротивлениями по причине малой частоты вращения ротора компрессора низкого давления 1. Таким образом, на режимах, близких к малому газу, обеспечивается достаточный перепад давления как между полостями наддува 8, 9, 10 и 11 и полостями 35, 36 и 37 маслосистемы 38, так и между полостями 8, 9, 10 и 11 и газовоздушным трактом 17 двигателя. Повышенные протечки наддуваемого воздуха в газовоздушный тракт 17 двигателя, снижающие его КПД, на этом режиме можно не принимать в расчет, учитывая, что этого на этом режиме от него и не требуется. Здесь главное, чтобы двигатель устойчиво работал на этих режимах, а масло не попадало в газовоздушный тракт 17 двигателя.

На рабочих режимах двигателя питающий воздуховод 12 через вход 16 клапана переключения 14 сообщается с газовоздушным трактом 17 за компрессором низкого давления 1, имеющим более низкие температуры воздуха, чем воздух, поступающий от компрессора высокого давления. Такое переключение позволяет подводить к полостям наддува 8, 9, 10 и 11 воздух с существенно более низкой температурой и приемлемым уровнем давления, наличие приемника полного давления на входе 16 позволяет еще раньше перейти на более холодный воздух. Точка переключения клапана 14 по давлению на входе в него выбирается исходя из условия более раннего ухода от питания от компрессора высокого давления 4 к питанию от более холодного воздуха компрессора низкого давления 1. Это переключение происходит на переходных режимах от малого газа к рабочим режимам. При работе двигателя на рабочих режимах давление в питающем воздуховоде 12 возрастает, это давление может привести к повышенным величинам давления в полостях наддува 6, 9, 10 и 11 со всеми вытекающими отсюда последствиями - повышенные протечки в газовоздушный тракт 17 и в полости 35, 36 и 37 маслосистемы 38. Для недопущения этого воздух из питающего воздуховода 12 проходит через отверстия 19 и дроссельный пакет 21, где его давление снижается до приемлемого уровня, которое обеспечивает минимальные протечки в газовоздушный тракт 17 и полости 35, 36 и 37 маслосистемы 38. Это обеспечивается тем, что на рабочих режимах частота вращения ротора компрессора низкого давления 1 существенно возрастает в 2 - 3 раза, что ведет к резкому увеличению гидравлического сопротивления вращающегося дроссельного пакета 21 и отверстий 19 в цапфе 20. А это, в свою очередь, понижает давление воздуха на входе в воздуховоды 25 и 22. Наличие предмасляных полостей 39, 40, 41 и 42 с клапанами суфлирования 43 и 44, отделенными от полостей наддува 8, 9, 10 и 11 подвижными уплотнениями 48, 49, 50 и 51, дополнительно снижает перепад на подвижных уплотнениях 31, 32, 33 и 34 маслосистемы 38, что, с одной стороны, снижает протечки воздуха в маслосистему 38, а с другой стороны, увеличивает ресурс уплотнения (как правило это графитовые уплотнения, очень чувствительные к удельным давлениям по контактным поверхностям графитовых колец).

Источники информации
1. Патент Франции N 2028999, МКИ F 02 C 7/00, опубл. 1970 г.

2. Патент США N 3382670, НКИ 60-39.08, опубл. 1968 г.

Двухроторный газотурбинный двигатель содержит систему наддува опор, включающую питающий воздуховод с воздухозаборником, полости наддува опор компрессора низкого давления и компрессора высокого давления и полость наддува опор турбин, сообщенные через подвижные уплотнения с газовоздушным трактом двигателя и с полостями маслосистемы. Питающий воздуховод выполнен единым для всей системы наддува опор двигателя. Его воздухозаборник снабжен клапаном переключения с, по меньшей мере, двумя входами, разнесенными вдоль газовоздушного тракта. Воздуховод, проходящий через цапфу компрессора низкого давления, оснащен дроссельным пакетом. Полость наддува опор турбины сообщена с воздуховодом турбины и с полостью наддува передней опоры компрессора высокого давления через дополнительные воздуховоды. Осуществление изобретения позволяет повысить устойчивость и КПД двигателя. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Двухроторный газотурбинный двигатель, система наддува опор которого включает питающий воздуховод с воздухозаборником, полости наддува опор компрессора низкого давления и компрессора высокого давления и полость наддува опор турбины, сообщенные через подвижные уплотнения с газовоздушным трактом двигателя и с полостями маслосистемы, при этом питающий воздуховод сообщен с полостью наддува компрессора низкого давления, а последняя через воздуховод, выполненный в виде отверстий в цапфе компрессора низкого давления, соединена с воздуховодом турбины, отличающийся тем, что питающий воздуховод выполнен единым для всей системы наддува опор двигателя, его воздухозаборник снабжен клапаном переключения с, по меньшей мере, двумя входами, разнесенными вдоль газовоздушного тракта, воздуховод, проходящий через цапфу компрессора низкого давления, оснащен дроссельным пакетом, полость наддува опор турбины сообщена с воздуховодом турбины и с полостью наддува передней опоры компрессора высокого давления через дополнительные воздуховоды. 2. Двухроторный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что один из входов клапана переключения размещен в районе компрессора высокого давления, а другой, выполненный в виде приемника полного давления, установлен в газовоздушном тракте за компрессором низкого давления. 3. Двухроторный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапан переключения выполнен двухпозиционным нормально открытым для входа от компрессора высокого давления. 4. Двухроторный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что для двигателей, имеющих переднюю опору компрессора низкого давления, воздуховод, выполненный в цапфе компрессора низкого давления, сообщен дополнительным воздуховодом с полостью наддува передней опоры компрессора низкого давления, причем дополнительный воздуховод выполнен в виде центрального трубопровода. 5. Двухроторный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что полости маслосистемы дополнительно оснащены предмасляными полостями, клапаном суфлирования с воздуховодами и подвижными уплотнениями, при этом предмасляные полости сообщены с одноименными полостями наддува и полостями маслосистемы через подвижные уплотнения, предмасляные полости компрессоров низкого и высокого давлений сообщены воздуховодами с клапаном суфлирования компрессора, а предмасляные полости турбины с клапаном суфлирования турбины.