ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к схемам газотурбинных двигателей.

Известен газотурбинный двигатель [1].

Из известных газотурбинных двигателей наиболее близким к предложенному является газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, включающей, по меньшей мере, две ступени с размещенным между ними охлаждаемым сопловым аппаратом, образующие междисковую полость, причем последняя ступень компрессора, первая ступень турбины и камера сгорания образуют с валом думисную полость компрессора, и питающий воздуховод, выход которого сообщен с междисковой полостью через тракт охлаждения соплового аппарата [2].

Недостатком этого технического решения является то, что указанный отбор из тракта компрессора ухудшает его коэффициент полезного действия и газодинамическую устойчивость. Это в целом снижает экономичность двигателя и ухудшает его работоспособность на переменных режимах эксплуатации.

Особенно это актуально для авиационных газотурбинных двигателей, предназначенных для широкого диапазона эксплуатации по скорости и высоте полета, при больших неравномерностях по давлению и температуре на входе в двигатель.

Задачей изобретения является повышение экономичности двигателя с одновременным повышением его надежности путем повышения коэффициента полезного действия и газодинамической устойчивости компрессора.

Указанная задача решается тем, что в известном газотурбинном двигателе, содержащем камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, включающей, по меньшей мере, две ступени с размещенным между ними охлаждаемым сопловым аппаратом, образующие междисковую полость, причем последняя ступень компрессора, первая ступень турбины и камера сгорания образуют с валом думисную полость компрессора, и питающий воздуховод, выход которого сообщен с междисковой полостью через тракт охлаждения соплового аппарата, думисная полость компрессора отделена от его проточной части лабиринтным уплотнением и сообщена со входом питающего воздуховода.

Наличие лабиринтного уплотнения между проточной частью и думисной полостью необходимо с точки зрения обеспечения работоспособности компрессора и обуславливает определенные протечки воздуха из тракта компрессора в думисную полость компрессора.

Сообщение думисной полости с входом питающего воздуховода позволяет направить эти протечки воздуха на охлаждение соплового аппарата и наддув междисковой полости турбины.

В этом случае отпадает необходимость в отборе от газовоздушного тракта компрессора, что позволяет выполнить его проточную часть аэродинамически более совершенной, а также улучшить согласованную работу его ступеней.

В то же время наличие лабиринтного уплотнения, размещенного в думисной полости компрессора, с одной стороны, обеспечивает его работоспособность, а с другой - через отвод части воздуха из пограничного слоя за последней ступенью компрессора улучшает работу диффузора камеры сгорания, что уменьшает потери полного давления в камере сгорания и через увеличение перепада давления на турбине увеличивает ее мощность и тем самым улучшает экономичность двигателя.

На стационарных газотурбинных двигателях в тракте питающего воздуховода может быть размещен теплообменник.

В этом случае воздух протечек, направляемый в сопловой аппарат и междисковую полость, охлаждается, приобретая более низкую температуру, что, в свою очередь, снижает температуру элементов конструкции, которую он омывает. Снижение температуры элементов конструкции обеспечивает более высокую надежность работы турбины и двигателя в целом.

Для двухконтурных газотурбинных двигателей питающий воздуховод размещен в тракте наружного контура и снабжен воздухо-воздушным теплообменником. Размещение теплообменника в наружном контуре двигателя позволяет создать его летный вариант по габаритам, массе, снизить температуру воздуха протечек, понизить температуру элементов турбины и увеличить надежность работы двигателя.

На фиг.1 показан продольный разрез ГТД;
на фиг.2 - продольный разрез стационарного ГТД с теплообменником;
на фиг.3 - продольный разрез двухконтурного ГТД с воздухо-воздушным теплообменником.

Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания 1, компрессор 2, соединенный посредством вала 3 с охлаждаемой турбиной 4, включающей, по меньшей мере, две ступени 5 и 6 с размещенным между ними сопловым аппаратом 7, образующие междисковую полость 8. Последняя ступень 9 компрессора 2, первая ступень 5 турбины 4 и камеры сгорания 1 образуют с валом 3 думисную полость 10 компрессора 2. ГТД содержит также питающий воздуховод 11, выход 12 которого сообщен с междисковой полостью 8 через тракт охлаждения 13 соплового аппарата 7, а думисная полость 10 компрессора 2 отделена от проточной части 14 компрессора 2 лабиринтным уплотнением 15 и сообщена со входом 16 питающего воздуховода 11.

Для стационарных ГТД в тракте питающего воздуховода 11 размещен теплообменник 17.

Применительно к двухконтурным ГТД питающий воздуховод 11 размещен в тракте 18 наружного контура 19 и снабжен воздухо-воздушным теплообменником 20.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Воздух из тракта 14 компрессора поступает в камеру сгорания 1 и одновременно в лабиринтное уплотнение 15, а из него в думисную полость 10. Из думисной полости 10 воздух поступает на вход 16 питающего воздуховода 11, а из него через выход 12 - в тракт охлаждения 13 соплового аппарата 7 и далее в тракт турбины. Из тракта охлаждения 13 воздух поступает в междисковую полость 8.

В стационарном газотурбинном двигателе с теплообменником 17 воздух между входом 16 и выходом 12 питающего воздуховода 11 охлаждается в теплообменнике 17.

В двухконтурном газотурбинном двигателе воздух, поступивший в питающий воздуховод 11, перед поступлением его на вход 12 и далее в тракт 13 и междисковую полость 8 предварительно захолаживается воздухом тракта 18 наружного контура 19 в воздухо-воздушном теплообменнике 20.

В результате подачи воздуха из компрессора через лабиринтное уплотнение и думисную полость в тракт охлаждения соплового аппарата и междисковую полость повышается кпд компрессора и уменьшаются потери полного давления в камере сгорания, вследствие чего повышается его экономичность и надежность работы двигателя.

Использование теплообменников позволяет снизить температуру элементов конструкции и дополнительно увеличить надежность работы двигателя.

Источники информации
1. Патент Франции 2203025, МКИ F 02 K 3/04, опубл. 1974.

2. Патент Англии 1348127, МКИ F 02 C 7/14, опубл. 1974.

Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, полость, расположенную за последней ступенью компрессора, отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением и сообщенную со входом питающего воздуховода. Полость ограничена первой ступенью турбины, валом и камерой сгорания. Турбина выполнена, по меньшей мере, с двумя ступенями с размещенным между ними охлаждаемым сопловым аппаратом, образующим междисковую полость. Выход питающего воздуховода сообщен с междисковой полостью через тракт охлаждения соплового аппарата. Изобретение приводит к повышению экономичности с одновременным повышением надежности путем повышения кпд и газодинамической устойчивости компрессора. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания, компрессор, соединенный посредством вала с охлаждаемой турбиной, полость, расположенную за последней ступенью компрессора, отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением и сообщенную со входом питающего воздуховода, отличающийся тем, что полость ограничена первой ступенью турбины, валом и камерой сгорания, турбина выполнена, по меньшей мере, с двумя ступенями с размещенным между ними охлаждаемым сопловым аппаратом, образующим междисковую полость, причем выход питающего воздуховода сообщен с междисковой полостью через тракт охлаждения соплового аппарата. 2. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что для стационарного газотурбинного двигателя в тракте питающего воздуховода размещен теплообменник. 3. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в двухконтурном газотурбинном двигателе питающий воздуховод размещен в тракте наружного контура и снабжен воздухо-воздушным теплообменником.