ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F02C7/52 

Изобретение относится к конструкциям газотурбинных установок, в том числе полученных в результате конверсии высокоэффективных газотурбинных двигателей.

Известна газотурбинная установка на базе авиационного газотурбинного двигателя НК-12 [1]. Недостатком такой установки является ее низкая экономичность из-за малой степени сжатия в однокаскадном компрессоре газотурбинного двигателя.

Прототипом заявляемого технического решения служит газотурбинная установка, выполненная путем конверсии авиационного газотурбинного двигателя с последовательно расположенными компрессорами низкого и высокого давлений [2] .

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность, т.к. компрессор высокого давления в двигателе работает в условиях повышенных температур и давлений, а также выполнен с рабочими и направляющими лопатками, имеющими малые геометрические размеры, т.к. с увеличением степени сжатия высота проточной части компрессора уменьшается.

Для авиационного двигателя, работающего большую часть своего ресурса на большой высоте в условиях чистого воздуха, проблема лопаток с малыми геометрическими размерами не имеет существенного значения, но для наземных установок, которые работают в условиях загрязненного воздуха на земле, проблема абразивного износа и загрязнения малоразмерных лопаток компрессора высокого давления стоит особо остро.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности и кпд установки за счет двухступенчатой очистки воздуха, поступающего в компрессор высокого давления газогенератора.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинной установке с газогенератором, включающим компрессоры низкого и высокого давлений, согласно изобретению за первой рабочей лопаткой компрессора низкого давления выполнена кольцевая щель, сообщающаяся на выходе с периферией проточной части компрессора низкого давления, на выходе - с атмосферой, причем на выходе из компрессора низкого давления выполнена кольцевая полость, сообщающаяся на входе с периферией переходного между компрессорами канала, а на выходе - с атмосферой. Кроме того. отношение площади сечения кольцевой щели F₁ к площади F₂ проточной части за первой рабочей лопаткой компрессора низкого давления находится в интервале 0,005-0,1.

Поскольку под действием центробежных сил загрязняющие частицы сепарируются к периферии, то и сброс их осуществляется через полости, расположенные на периферии проточной части компрессора низкого давления за рабочим колесом I ступени, а также в переходном между компрессорами канале.

Выполнение кольцевой щели за первой рабочей лопаткой компрессора низкого давления, которая сообщается на входе с периферией проточной части за первой рабочей лопаткой, а на выходе - с атмосферой, позволяет осуществлять сбрасывание крупных загрязняющих частиц в атмосферу.

Более мелкие частицы сепарируются следующими рабочими лопатками компрессора низкого давления и попадают в систему обдува корпусов через кольцевую полость, расположенную на выходе из компрессора низкого давления, сообщающуюся на входе с периферией переходного между компрессорами канала, а на выходе - с атмосферой.

При двухступенчатой очистке воздуха на входе в компрессор высокого давления растут не только ресурс и кпд компрессора из-за уменьшения загрязнения и абразивного износа лопаток, но и кпд газотурбинной установки в целом, т.к. первая ступень очистки способствует повышению кпд и запасов газодинамической устойчивости компрессора низкого давления из-за слива пограничного слоя с периферии первых рабочих лопаток. Вторая ступень очистки способствует повышению кпд турбины, т.к. в результате обдува корпусов турбины отбираемым воздухом уменьшаются радиальные зазоры между статором и ротором турбины.

Количество воздуха, сбрасываемого за рабочим колесом I ступени, определяется отношением площади сечения кольцевой щели F₁ к площади F₂ проточной части за первой рабочей лопаткой компрессора низкого давления, которое находится в интервале 0,005-0,1.

При F₁:F₂<0,005 снижаются запасы газодинамической устойчивости компрессора низкого давления и ухудшается очистка воздуха.

При F₁: F₂>0,1 уменьшаются кпд и мощность газотурбинной установки, т.к. часть воздуха не работает в двигателе.

На фиг. 1 показан продольный разрез заявляемой установки; на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде; на фиг.3 представлен элемент II на фиг.2 в увеличенном виде.

Газотурбинная установка 1 состоит из двухвального газогенератора 2 и силовой турбины 3 с выхлопной системой 4. Газогенератор 2 выполнен с двухкаскадным компрессором и состоит из многоступенчатого компрессора низкого давления 5, промежуточного корпуса 6, компрессора высокого давления 7, камеры сгорания 8, турбины высокого давления 9 и турбины низкого давления 10.

Рабочее колесо 11 первой ступени компрессора низкого давления 5 выполнено с широкохордными рабочими лопатками 12, на выходе из которых на периферии проточной части 13 выполнена кольцевая щель 14 сброса воздуха, которая на выходе соединена с кольцевой полостью 15 и далее через трубы 16 - с атмосферой.

На выходе из компрессора низкого давления 5 за последней направляющей лопаткой 17, на периферии переходного между компрессорами канала 18 выполнена кольцевая щель 19 отбора воздуха, которая через трубы 20 и 21 и систему 22 обдува корпусов турбины 9 также соединена с атмосферой. На вход в компрессор 5 вместе с воздухом поступают посторонние загрязняющие частицы 23, 24.

Устройство работает следующим образом.

При работе газотурбинной установки 1 на вход в компрессор низкого давления 5 вместе с воздухом поступают посторонние частицы 23, 24, которые загрязняют компрессор высокого давления 7 и ведут к его поломке. Под действием центробежных сил частицы 23 сепарируются рабочими лопатками 12 к периферии проточной части 13, наиболее крупные сбрасываются через кольцевую щель 14, кольцевую полость 15 и трубы 16 в атмосферу.

Мелкие загрязняющие частицы 24 требуют большего времени сепарирования, поэтому они сепарируются последующими ступенями компрессора низкого давления 5, после чего сбрасываются через щель 19, трубы 20 и 21, систему обдува корпусов 22 - в атмосферу,
Источники информации
1. Ревзин Б. С. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты, М.: Недра, 1986, стр.132, рис.70.

2. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Д.В. Хронина, Москва, 1989, стр.55, рис.3.4б.

Газотурбинная установка с газогенератором включает компрессоры низкого и высокого давлений. За первой лопаткой компрессора низкого давления выполнена кольцевая щель, сообщающаяся на входе с периферией проточной части компрессора, а на выходе - с атмосферой. На выходе из компрессора низкого давления выполнена кольцевая полость, сообщающаяся на входе с периферией переходного между компрессорами канала, а на выходе - с атмосферой через систему обдува корпусов. Отношение площади сечения кольцевой щели к площади проточной части за первой рабочей лопаткой компрессора низкого давления находится в интервале 0,005-1. Изобретение повышает надежность и кпд газотурбинной установки за счет двухступенчатой очистки воздуха, поступающего в компрессор высокого давления. 3 ил.

Газотурбинная установка с газогенератором, включающим компрессоры низкого и высокого давлений, отличающаяся тем, что за первой лопаткой компрессора низкого давления выполнена кольцевая щель, сообщающаяся на входе с периферией проточной части компрессора, а на выходе - с атмосферой, причем на выходе из компрессора низкого давления выполнена кольцевая полость, сообщающаяся на входе с периферией переходного между компрессорами канала, а на выходе - с атмосферой через систему обдува корпусов, при этом отношение площади сечения кольцевой щели F₁ к площади F₂ проточной части за первой рабочей лопаткой компрессора низкого давления находится в интервале 0,005-1.