СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОМ ВОЗДУХА, ОХЛАЖДАЮЩЕГО ТУРБИНУ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к системам управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, преимущественно двухконтурного турбореактивного двигателя с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре, и может быть успешно использовано в турбоэнергомашиностроении в газотурбинных приводах газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов.

Известно устройство в системе охлаждения турбины двухконтурного турбореактивного двигателя с блоком спаренных заслонок и приводом для управления расходом воздуха, выход которых сообщен с полостью потребителя охлаждающего воздуха, а вход - с источником его. (1)
Недостатком этого устройства является недостаточная надежность его работы, так как в случае отказа единого блока заслонок или заедания его вся система охлаждения турбин выходит из строя или частично резко уменьшает расход охлаждающего воздуха, что недопустимо.

Известна система охлаждения турбины многорежимного турбореактивного двигателя, содержащая управляемые дроссели для уменьшения расхода охлаждающего воздуха на крейсерских и максимальных режимах работы (2).

Недостатком этой системы является необходимость иметь дополнительно систему дифференцированного привода каждого из дросселей и систему их силовой синхронизации для обеспечения варьирования расходом охлаждающего воздуха по режимам работы - от крейсерского до максимального. Такая система усложняет конструкцию и снижает надежность ее работы, увеличивает массу конструкции турбореактивного двигателя.

Задачей изобретения является повышение надежности работы системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, в том числе - избежать аварийной ситуации в полете при потере герметичности или разрушении воздухопроводов, питающих через агрегат управления коллектор управляющего воздуха, путем автоматического перехода перекрывающего устройства из положения "закрыто" в положение "открыто", как более безопасное для работы турбины.

Для достижения указанной задачи система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину турбореактивного двигателя, содержит выполненные перед входом в охлаждающий тракт турбины перекрывающие устройства. Она снабжена агрегатом управления, а перекрывающие устройства выполнены в виде расположенных по окружности неуравновешенных клапанов обратного хода со ступенчатыми поршнями, с большими диаметрами в надпоршневых полостях, с коаксиальными корпусами, установленными в радиальных соосных отверстиях, выполненных в наружном корпусе и внутренней обечайке, дросселирующие сечения клапанов размещены в полости коллектора охлаждающего воздуха, образованного наружными корпусом и внутренней обечайкой, а запирающая часть подпружиненного шток-поршня агрегата управления установлена на воздухопроводах, соединяющих надпоршневые полости клапанов и командный коллектор с коллектором охлаждающего воздуха или с полостью мотогондолы. Для двухконтурных турбореактивных двигателей с воздухо-воздушным теплообменником во втором контуре у теплообменника вход сообщен с зоной вторичного воздуха камеры сгорания, а выход - с коллектором охлаждающего воздуха.

Кроме того, ступенчатые поршни клапанов с торцов выполнены полыми со стенкой между ступенями, а уплотнения поршней выполнены в виде поясов уплотнений большего и меньшего диаметров, из поршневых колец или подпружиненых изнутри полуколец, контактирующих с рабочими поверхностями коаксиальных корпусов клапанов.

При этом в перекрывающей части поршня между седлом поршня и меньшим уплотнительным поясом выполнены отверстия, а в корпусе клапана перед упором выполнены окна, сообщающие полости коллекторов охлаждающего воздуха и соплового аппарата турбины в закрытом положении перекрывающего устройства.

Новым здесь является то, что вход агрегата управления сообщен с выходом из теплообменника, а перекрывающее устройство расположено в плоскости выхода из соплового аппарата турбины и выполнено в виде расположенных по окружности неуравновешенных клапанов обратного хода со ступенчатыми поршнями с коаксиальными корпусами, установленными в радиальных соосных отверстиях, выполненых в наружном корпусе и внутренней обечайке, а дросселирующие сечения клапанов размешены в полости коллектора охлаждающего воздуха, при этом агрегат управления выполнен с подпружиненным шток-поршнем, запираюшая часть которого размещена в полости, попеременно сообщаемой через воздухопроводы с полостью коллектора командного давления и с надпоршневой полостью клапана при закрытии перекрывающего устройства или с полостью мотогондолы при его открытии.

Выполнив систему управления расходом воздуха, охлаждающего турбину так, что вход агрегата управления сообщен с выходом из теплообменника, а перекрывающее устройство расположено в плоскости выхода из соплового аппарата турбины и выполнено в виде расположенных по окружности неуравновешенных клапанов обратного хода со ступенчатыми поршнями с коаксиальными корпусами, установленными в радиальных соосных отверстиях, выполненых в кожухе камеры сгорания и обечайке, а дросселирующие сечения клапанов размещены в полости коллектора охлаждающего воздуха, при этом агрегат управления выполнен с подпружиненным шток-поршнем, запирающая часть которого размещена в полости, попеременно сообщаемой через воздухопроводы с полостью коллектора командного давления и с надпоршневой полостью клапана при закрытии перекрывающего устройства или с полостью мотогондолы при его открытии, мы получаем возможность:
- повысить надежность работы системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину;
- выполнить отключение охлаждающего воздуха на допустимых по температуре Т*₄ дроссельных режимах;
- обеспечить автоматический переход системы управления из положения "закрыто" в положение "открыто" при потере герметичности или разрушении воздухопроводов, питающих коллектор управляющего воздуха командного давления через агрегат управления, т.е. избежать аварийной ситуации в полете, т.к. при этом давление в полости управляющего воздуха падает, а со стороны меньшего торца поршней клапанов всегда высокое, близкое к давлению за компрессором.

При этом в запирающей части поршня между седлом поршня и меньшим уплотнительным поясом выполнены отверстия, в корпусе клапана перед упором выполнены окна, сообщающие полости коллекторов охлаждающего воздуха с полостью соплового аппарата турбины в закрытом положении перекрывающего устройства, что позволяет нам обеспечить минимально допустимый "дежурный" расход охлаждающего воздуха на дроссельном режиме, иметь минимальные потери давления охлаждающего воздуха в положении системы управления "открыто" на максимальном режиме.

Кроме того, ступенчатые поршни клапанов с торцов выполнены полыми со стенкой между ступенями, а уплотнения поршней выполнены в виде поясов уплотнений большего и меньшего диаметров, из поршневых колец или подпружиненых изнутри полуколец, контактирующих с рабочими поверхностями коаксиальных корпусов клапанов.

Повышение надежности системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину ТРД, обеспечивается тем, что уменьшены усилия, возникающие в системе управления, а отсутствие механической связи между элементами перекрывающего устройства - клапанами клапанного аппарата отключения не требует их синхронной работы и равномерного подвода управляющего воздуха. Основное достижение состоит в том, что выход из строя (зависание, заклинивание) того или иного элемента перекрывающего устройства, например, из более 3-х десятков клапанов, входящих в систему управления, практически не оказывает влияния на работоспособность системы управления.

Расположение системы управления за воздухо-воздушным теплообменником и питание его воздухом, отбираемым за воздухо-воздушным теплообменником, снижает на 150-200^oС температуру элементов конструкции перекрывающего устройства и агрегата управления до температуры ниже 500^oС, что позволяет использовать титановые сплавы и надежно работающие пары трения, например пирографит.

На приведенных чертежах показана конструкция системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину
На фиг.1 показано схематическое изображение системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину ТРДД с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре в положении "открыто";
на фиг.2 показано схематическое изображение системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину ТРДД с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре в положении "закрыто".

Указанная система установлена на турбореактивном двухконтурном двигателе 1, содержащем воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ) 2, размешенный в наружном контуре 3 на наружном корпусе 4, и турбину 5. Система содержит агрегат управления 6 с входом 7 и выходом 8, перекрывающее устройство 9, подключенное к выходу 8 агрегата управления 6 воздухопроводом 10, коллектор охлаждающего воздуха 11 на выходе из ВВТ 2, образованный наружным корпусом 4 и закрепленной на нем концентричной внутренней обечайкой 12. Агрегат управления 6, внутри которого размещены шток-поршень 13, пружина 14, полость 15, полость 16, сообщенная через отверстия 18 с полостью мотогондолы 19, соединен входом 7 воздухопроводом 20 с коллектором охлаждающего воздуха 11, а перекрывающее устройство 9 выполнено в виде расположенных по окружности неуравновешенных клапанов обратного хода 21 со ступенчатыми поршнями 22, расположенных в плоскости выхода из соплового аппарата 23 турбины 5, состоящих из коаксиальных корпусов 24 и 25 с отверстием 26 и крышкой 27, установленных в радиальных соосных отверстиях 28, выполненных в наружном корпусе 4 и концентричной внутренней обечайке 12, а дросселирующие сечения 29 поршней 22 клапанов 21 размещены в плоскости коллектора охлаждающего воздуха 11 и выхода из соплового аппарата 23. Агрегат управления 6 с запирающей частью 30 шток-поршня 13, размешенной в полости 31, попеременно сообщаемой через воздухопроводы 10, 20 с полостью коллектора командного давления 32 управляющего воздуха, сообщенного через каналы 33, образованные в кожухе камеры сгорания 4 и крышках 27, с надпоршневыми полостями 34 клапанов 21, при закрытии перекрывающего устройства 9 или с полостью мотогондолы 19 при его открытии соответственно.

Корпус 24 имеет упор 35 для седла 36 в запирающей части 37 поршня 22, между меньшим уплотнительным поясом 38 и седлом 36 выполнены отверстия 39 и окна 40, сообщающие полости коллекторов охлахдающего воздуха 11 и соплового аппарата 23 турбины 5.

Ступенчатые поршни 22 выполнены с торцов полыми с разделительной стенкой 41 между ступенями в месте их перехода, пояса уплотнений большего 42 и меньшего 38 диаметров разнесены по оси между собой и выполнены из поршневых колец или подпружиненных изнутри полуколец 43, по два в каждой поршневой канавке 44, контактирующих с рабочими поверхностями 45 корпусов 24, 25 клапанов 21.

Работа данной системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, осуществляется следующим образом.

При запуске и работе турбореактивного двигателя 1 на дроссельных режимах, характеризующихся пониженной температурой газов перед турбиной 5, воздух из полости коллектора охлаждающего воздуха 11 по воздухопроводу 20 поступает на вход 7 полости 15 агрегата управления 6. Под действием пружины 14 шток-поршень 13 находится в положении, разделяющем между собой полость 16 и 31, и воздух из полости 16 по воздухопроводу 10 попадает в коллектор командного давления 32 управляющего воздуха, откуда по каналам 33 в надпоршневые полости 34 над поясом уплотнений большего диаметра 42. Из-за разности площадей поясов уплотнений 42 и 38 ступенчатых поршней 22 последние перемещаются и дросселируют воздух, идущий из полости 11 через отверстия 26 в корпусах 24, на охлаждение турбины 5. Указанное дросселирование расхода воздуха осуществляется через отверстия 39 ступенчатых поршней 22. При этом система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину 5, находится в положении "закрыто" и одновременно обеспечивает минимально допустимый "дежурный" расход охлаждаюшего воздуха на дроссельном режиме, необходимый для уменьшения до минимума концевых потерь за профилями на сопловом аппарате и рабочих лопатках турбины 5, т. к. полное закрытие дросселирующих сечений 29 приводит к увеличению концевых потерь.

При работе турбореактивного двигателя 1 на режимах, близких к максимальным, и максимальных, характеризующихся повышенной температурой газов перед турбиной 5, в полость 15 агрегата управления 6 подается керосин, перемещающий шток-поршень 13 в положение, разделяющее полость 31, сообщенную с коллектором охлаждающего воздуха 11 воздухопроводом 20, и перекрывающее вход 7 агрегата управления 6 полостью 16. При этом полость 31 сообщается через отверстия 18 с полостью мотогондолы 19. Воздух из полостей 34 стравливается через каналы 33, коллектор командного давления 32, воздухопровод 10 в полость 19. В результате чего ступенчатый поршень 22 перемешается, полностью открывая отверстия 26 в корпусах 24, через которые воздух из полости коллектора охлаждающего воздуха поступает на охлаждение турбины 5.

При этом система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, находится в положении "открыто".

Реализация предложения обеспечивает повышение надежности системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину двухконтурного турбореактивного двигателя с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре, кроме того, сравнительно низкие удельные нагрузки и температуры в системе управления дают возможность использовать конструкционные материалы, не обладающие высокими жаропрочными свойствами и имеющие значительно меньшую удельную массу, например титановые сплавы типа ВТ9, ВТ18У, ВТ20, ОТ4-1.

Источники информации
1. Патент США 5351732, НКИ 415/175, 10.1994 г.

2. Патент РФ 2159335, МКИ F01D 25/12, F02C 7/12, 04.1999 г.

Изобретение относится к системам управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, преимущественно двухконтурного турбореактивного двигателя с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре и может быть успешно использовано в турбоэнергомашиностроении в газотурбинных приводах газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов. Такое выполнение системы позволит повысить надежность работы системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, в том числе избежать аварийной ситуации в полете при потере герметичности или разрушения воздухопроводов, питающих через агрегат управления коллектор управляющего воздуха, путем автоматического перехода перекрывающего устройства из положения "закрыто" в положение "открыто", как более безопасное для работы турбины. Повышение надежности системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину ТРД, обеспечивается тем, что уменьшены усилия, возникающие в системе управления, а отсутствие механической связи между элементами перекрывающего устройства - клапанами клапанного аппарата отключения не требует их синхронной работы и равномерного подвода управляющего воздуха, а выход из строя (зависание, заклинивание) того или иного элемента перекрывающего устройства, например, из более трех десятков клапанов, входящих в систему управления, практически не оказывает влияния на работоспособность системы управления расходом воздуха, охлаждающего турбину ТРДД или газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистрального газопровода. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину турбореактивного двигателя, содержащая выполненные перед входом в охлаждающий тракт турбины перекрывающие устройства, отличающаяся тем, что она снабжена агрегатом управления, а перекрывающие устройства выполнены в виде расположенных по окружности неуравновешенных клапанов обратного хода со ступенчатыми поршнями, с большими диаметрами в надпоршневых полостях, с коаксиальными корпусами, установленными в радиальных соосных отверстиях, выполненных в наружном корпусе и внутренней обочейке, дросселирующие сечения клапанов размещены в полости коллектора охлаждающего воздуха, образованного наружным корпусом и внутренней обечайкой, а запирающая часть подпружиненного шток-поршня агрегата управления установлена на воздухопроводах, соединяющих надпоршневые полости клапанов и командный коллектор с коллектором охлаждающего воздуха или с полостью мотогондолы. 2. Система управления расходом воздуха по п. 1, отличающаяся тем, что для двухконтурных турбореактивных двигателей с воздухо-воздушным теплообменником во втором контуре у теплообменника вход сообщен с зоной вторичного воздуха камера сгорания а выход - с коллектором охлаждающего воздуха. 3. Система управления расходом воздуха по п. 1, отличающаяся тем, что ступенчатые поршни клапанов с торцов выполнены полыми, со стенкой между ступенями, а уплотнения поршней выполнены в виде поясов уплотнений большего и меньшего диаметра из поршневых колец или подпружиненных изнутри полуколец, контактирующих с рабочими поверхностями коаксиальных корпусов клапанов. 4. Система управления расходом воздуха по п. 1, отличающаяся тем, что в перекрывающей части поршня, между седлом поршня и меньшим уплотнительным поясом выполнены отверстия, а в корпусе клапана перед упором выполнены окна, сообщающие полости коллекторов охлаждающего воздуха и соплового аппарата турбины в закрытом положении перекрывающего устройства.