ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F02K3/115 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к конструкции двухконтурных газотурбинных двигателей.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий наружный контур и внутренний контур с размещенными в нем компрессором высокого давления, охлаждаемой турбиной, включающей в себя турбины высокого и низкого давления с лопатками соплового аппарата и междисковой полостью, камерой сгорания с наружным и внутренним кожухами, связанными между собой на входе полыми стойками, и с жаровой трубой, сопловым аппаратом закрутки и думисной полостью, расположенной между компрессором высокого давления, камерой сгорания, турбиной высокого давления и валом, соединяющим турбину с компрессором высокого давления, и отделенной от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением [1].

Основным недостатком известного решения является пониженный уровень экономичности, обусловленный тем, что воздух из думисной полости не участвует в охлаждении и работе турбины, а просто выбрасывается в наружный контур. В этом решении для охлаждения турбины высокого и низкого давления используется только воздух за компрессором высокого давления, отбираемый из воздушной полости камеры сгорания, расположенной между кожухом камеры сгорания и жаровой трубой. Этот же воздух используется и для наддува междисковой полости турбины. Отбор такого количества воздуха из тракта турбины снижает ее мощность и уменьшает экономичность двигателя в целом.

Недостатком известного решения является еще и то, что воздух, подаваемый на охлаждение сопловых и рабочих лопаток турбины высокого давления, имеет высокую температуру. Это приводит к высоким значениям температуры на диске и лопатках рабочего колеса, снижающим их ресурс и надежность и как следствие снижающим надежность двигателя в целом.

Задачей изобретения является повышение уровня экономичности и надежности двигателя.

Технический результат достигается тем, что двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий наружный контур и внутренний контур с размещенными в нем компрессором высокого давления, камерой сгорания с жаровой трубой и наружным и внутренним кожухами, связанными между собой на входе полыми стойками, охлаждаемой турбиной, включающей в себя турбины высокого и низкого давления с лопатками соплового аппарата и междисковой полостью, сопловым аппаратом закрутки и расположенной между компрессором высокого давления, камерой сгорания, турбиной высокого давления и валом, соединяющим турбину с компрессором высокого давления, думисной полостью, отделенной от его проточной части лабиринтным уплотнением, снабжен теплообменником, выполненным в виде отдельных секций, равномерно распределенных по периметру наружного контура и расположенных в одном сечении двигателя по всей высоте наружного контура, причем одна часть секций теплообменника посредством питающих воздуховодов сообщена на входе с думисной полостью, а на выходе - с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, а другая часть секций сообщена на входе с расположенной между жаровой трубой и наружным и внутренним кожухами камеры сгорания воздушной полостью, а на выходе через внутренние полости лопаток соплового аппарата турбины высокого давления - с входом в сопловой аппарат закрутки, при этом по обе стороны каждой из секций теплообменника, сообщенных с думисной полостью и с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, размещены, по меньшей мере, по одной из секций, сообщенных с воздушной полостью камеры сгорания и сопловым аппаратом закрутки.

Кроме того, в двигателе может иметь место следующее:

- все выходы полых стоек камеры сгорания могут быть соединены между собой раздаточным коллектором, причем каждая секция теплообменника, сообщенная с думисной полостью и с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, сообщена с этим раздаточным коллектором;

- число полых стоек камеры сгорания может совпадать с числом секций теплообменника, сообщенных с думисной полостью и с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, а питающий воздуховод размещен в наружном контуре по направлению воздушного потока;

- думисная полость может быть сообщена с внутренней полостью аппарата закрутки.

Сообщение думисной полости питающими воздуховодами, размещенными в наружном контуре двигателя, через внутреннюю полость лопаток соплового аппарата турбины низкого давления с междисковой полостью турбины позволяет производить отбор воздуха не от камеры сгорания, а из думисной полости и направлять его в газовоздушный тракт турбины, тем самым увеличивая мощность турбины. Вместе с тем, в случае сохранения мощности турбины в неизменном значении данное мероприятие позволяет снизить температуру перед турбиной, таким образом, повышая ее надежность работы и ресурс.

Наличие теплообменника и размещение части его секций на питающем воздуховоде позволяет снижать температуру воздуха, подаваемого в сопловой аппарат турбины низкого давления и междисковую полость, снижая тем самым температуру тех элементов конструкции, которую он омывает. Сообщение другой части секций теплообменника на входе с воздушной полостью камеры сгорания, а на выходе через внутренние полости лопаток соплового аппарата турбины высокого давления - с входом в сопловой аппарат закрутки также позволяет значительно снизить температуру охлаждающего воздуха.

Размещение всех секций теплообменника в одном поясе по всей высоте наружного контура двигателя позволяет реализовать высокие скорости их обдува, а также улучшить равномерность обдува.

Наличие раздаточного коллектора полых стоек позволяет оптимизировать число и расположение секций теплообменника, сообщенных с думисной полостью, независимо от количества полых стоек и еще более улучшить равномерность распределения охлаждающего потока в раздаточном коллекторе соплового аппарата турбины низкого давления.

Одинаковое количество полых стоек и секций теплообменника уменьшает вес конструкции и уменьшает потери давления при транспортировке воздуха.

Размещение отдельных секций, сообщенных с думисной полостью, в окружении секций, сообщенных с воздушной полостью камеры сгорания, и размещение питающих воздуховодов в наружном контуре по направлению воздушного потока повышает равномерность охлаждаемого воздушного потока на выходе из полых стоек и на входе в раздаточный коллектор соплового аппарата последующей ступени турбины.

Сообщение думисной полости с внутренней полостью аппарата закрутки позволяет при отсутствии перепада давлений между думисной полостью и передней полостью турбины высокого давления обеспечить охлаждение вала турбины высокого давления.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез двигателя (его центральная часть); на фиг.2 - поперечное сечение полых стоек; на фиг.3 - продольное сечение полых стоек; на фиг.4 - вид сверху на теплообменник; на фиг.5 - поперечный разрез теплообменника.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит наружный контур 1 и внутренний контур с последовательно размещенными в нем компрессором высокого давления 2, камерой сгорания 3 и охлаждаемой турбиной 4, включающей в себя рабочие колеса 5 и 6 турбин высокого и низкого давления, лопатки соплового аппарата 7 и 8 турбин высокого и низкого давления и междисковую полость 9, расположенную между рабочими колесами 5 и 6. Камера сгорания 3 содержит наружный и внутренний кожухи 10, 11, связанные между собой на входе полыми стойками 12, и жаровую трубу 13. Между кожухами 10, 11 и жаровой трубой расположена воздушная полость 14 камеры сгорания 3, связанная посредством многоканального воздуховода 15, проходящего через внутреннюю полость лопаток 7, с сопловым аппаратом закрутки 16. Компрессор 2 высокого давления соединен с турбиной 4 валом 17. Между компрессором 2, внутренним кожухом 10 камеры сгорания 3, рабочим колесом 5 турбины высокого давления и валом 17 расположена думисная полость 18 компрессора 2, отделенная от его проточной части лабиринтным уплотнением 19. Думисная полость 18 сообщена с междисковой полостью 9 посредством питающих воздуховодов 20, размещенных в наружном контуре 1 по направлению воздушного потока. Думисная полость 18 сообщена также посредством отверстий 21 с внутренней полостью аппарата закрутки 16.

Двигатель снабжен теплообменником 22, одна часть секций 23 которого сообщена на входе с воздушной полостью 14 камеры сгорания 3, а на выходе через внутренние полости лопаток 7 соплового аппарата турбины высокого давления - с входом в сопловой аппарат закрутки 16, а другая часть секций 24 посредством питающих воздуховодов 20 сообщена на входе с думисной полостью 18 компрессора 2, а на выходе - с внутренней полостью лопаток 8 соплового аппарата турбины низкого давления, при этом по обе стороны одной из секций 24 размещены, по меньшей мере, по одной из секций 23. Все выходы полых стоек 12 камеры сгорания 3 соединены между собой раздаточным коллектором 25. С коллектором 25 также соединена каждая секция 24 теплообменника 22. Число полых стоек 12 совпадает с числом секций 24 теплообменника 22.

Двигатель работает следующим образом.

Воздух поступает от компрессора низкого давления на вход компрессора 2 высокого давления, проходит его и на выходе с одной стороны поступает в камеру сгорания 3, а с другой через лабиринтное уплотнение 19 поступает в думисную полость 18. Из воздушной полости 14 камеры сгорания 3 воздух поступает в секции 23 теплообменника 22, где происходит его охлаждение за счет обдува секций 23 более холодным воздухом наружного контура 1. Из теплообменника 22 воздух поступает во внутренние полости лопаток 7 соплового аппарата турбины высокого давления и далее в сопловой аппарат закрутки 16. Из аппарата закрутки 16 воздух через отверстия 21 поступает в думисную полость 18, а через каналы 26 - в тракт охлаждения рабочего колеса 5 и газовоздушный тракт турбины.

Воздух в думисную полость 18 компрессора 2 поступает, с одной стороны, через лабиринтное уплотнение 19, а с другой, через отверстия 21 в аппарате закрутки 16.

Из думисной полости 18 воздух через полые стойки 12 камеры сгорания 3 по питающему воздуховоду 20 поступает на вход секций 24 теплообменника 22, где он охлаждается воздухом наружного контура 1 и далее поступает во внутреннюю полость лопаток 8 соплового аппарата турбины низкого давления и междисковую полость 9.

Полезная модель позволяет повысить экономичность и надежность двигателя.

Источники информации

1. Патент РФ №2196239, F 02 C 7/12, 2001 г.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит наружный контур 1 и внутренний контур с последовательно размещенными в нем компрессором высокого давления 2, камерой сгорания 3 и охлаждаемой турбиной 4. Воздушная полость 14 камеры сгорания 3 связана посредством многоканального воздуховода 15 с сопловым аппаратом закрутки 16. Между компрессором 2, внутренним кожухом 10 камеры сгорания 3, рабочим колесом 5 турбины высокого давления и валом 17, соединяющим компрессор 2 с турбиной 4, расположена думисная полость 18, отделенная от проточной части компрессора 2 лабиринтным уплотнением 19. Думисная полость 18 сообщена посредством питающих воздуховодов 20, размещенных в наружном контуре 1 по направлению воздушного потока, с междисковой полостью 9 и посредством отверстий 21 - с внутренней полостью аппарата закрутки 16. Двухконтурный газотурбинный двигатель снабжен теплообменником 22, одна часть секций 23 которого сообщена на входе с воздушной полостью 14 камеры сгорания 3, а на выходе через внутренние полости лопаток 7 соплового аппарата турбины высокого давления - с входом в сопловой аппарат закрутки 16. Другая часть секций 24 размещена на питающих воздуховодах 20 и сообщена на входе с думисной полостью 18 компрессора 2, а на выходе - с внутренней полостью лопаток 8 соплового аппарата турбины низкого давления, при этом в теплообменнике 22 по обе стороны одной из секций 24 размещены, по меньшей мере, по одной из секций 23. Все выходы полых стоек 12, соединяющих наружный и внутренний кожухи камеры сгорания 3, соединены между собой раздаточным коллектором 25, с которым также соединена каждая секция 24 теплообменника 22. Число полых стоек 12 совпадает с числом секций 24 теплообменника 22. Изобретение позволяет повысить экономичность и надежность двигателя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий наружный контур и внутренний контур с размещенными в нем компрессором высокого давления, камерой сгорания с жаровой трубой и наружным и внутренним кожухами, связанными между собой на входе полыми стойками, охлаждаемой турбиной, включающей в себя турбины высокого и низкого давления с лопатками соплового аппарата и междисковой полостью, сопловым аппаратом закрутки и расположенной между компрессором высокого давления, камерой сгорания, турбиной высокого давления и валом, соединяющим турбину с компрессором высокого давления, думисной полостью, отделенной от его проточной части лабиринтным уплотнением, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником, выполненным в виде отдельных секций, равномерно распределенных по периметру наружного контура и расположенных в одном сечении двигателя по всей высоте наружного контура, причем одна часть секций теплообменника посредством питающих воздуховодов сообщена на входе с думисной полостью, а на выходе - с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, а другая часть секций сообщена на входе с расположенной между жаровой трубой и наружным и внутренним кожухами камеры сгорания воздушной полостью, а на выходе через внутренние полости лопаток соплового аппарата турбины высокого давления - с входом в сопловой аппарат закрутки, при этом по обе стороны каждой из секций теплообменника, сообщенных с думисной полостью и с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, размещено по меньшей мере по одной из секций, сообщенных с воздушной полостью камеры сгорания и сопловым аппаратом закрутки.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что все выходы полых стоек камеры сгорания соединены между собой раздаточным коллектором, причем каждая секция теплообменника, сообщенная с думисной полостью компрессора высокого давления и с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, сообщена с этим раздаточным коллектором.3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что число полых стоек камеры сгорания совпадает с числом секций теплообменника, сообщенных с думисной полостью и с внутренней полостью лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, а питающий воздуховод размещен в наружном контуре по направлению воздушного потока.4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что думисная полость компрессора высокого давления сообщена с внутренней полостью аппарата закрутки.