ДВУХВАЛЬНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F02K3/06 F01D11/06 F02C7/06 

Изобретение относится к двухзальным газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения.

Известен двухвальный газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор и компрессор высокого давления, а также разделительный корпус между ними [1].

Недостатком известной конструкции является низкая надежность из-за утечек масла из масляной полости переднего подшипника компрессора высокого давления.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является двухвальный газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор, силовой разделительный корпус и компрессор высокого давления, масляная полость переднего подшипника которого уплотнена с помощью контактного графитового уплотнения [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность из-за низкого ресурса контактных графитовых уплотнений вследствие их износа во время работы газотурбинного двигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности двухвального газотурбинного двигателя за счет повышения ресурса уплотнения масляной опоры переднего подшипника компрессора высокого давления при одновременном исключении утечек масла из масляной опоры, а также за счет повышения газодинамической устойчивости компрессора.

Сущность технического решения заключается в том, что в двухвальном газотурбинном двигателе с компрессором низкого давления, с силовым разделительным корпусом и с компрессором высокого давления с поворотным входным направляющим аппаратом и с ротором, установленным на подшипнике со стороны первого рабочего колеса компрессора высокого давления, согласно изобретению на выходе из разделительного корпуса, на его втулке, выполнена конусная поверхность, обращенная к проточной части компрессора высокого давления и образующая с передним козырьком кольца внутреннего входного направляющего аппарата компрессора высокого давления щелевую полость, соединенную на выходе через межлабиринтную полость и через лабиринтные уплотнения с масляной полостью и с промежуточной полостью на входе в первое рабочее колесо компрессора высокого давления, причем α=10...40° и H/h=30...70, где

α - угол образующей конуса конусной поверхности втулки силового разделительного корпуса;

Н - высота лопатки поворотного входного направляющего аппарата компрессора высокого давления по ее входной кромке;

h - высота щелевой полости между конусной поверхностью втулки силового разделительного корпуса и козырьком внутреннего кольца поворотного направляющего аппарата компрессора высокого давления.

В современных двухвальных газотурбинных двигателях на пониженных режимах работы, например, при переходе на малый газ, для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости компрессора высокого давления его входной направляющий аппарат прикрывается, что приводит к увеличению гидравлических потерь при обтекании его лопаток и к снижению давления воздуха за ним, в результате чего возможен выброс частиц масла из масляной полости через ее лабиринтное уплотнение в газовоздушный тракт компрессора высокого давления с последующим пожаром. Контактное графитовое уплотнение обеспечивает герметичное уплотнение, но его ресурс в отличие от лабиринтного уплотнения ограничен вследствие износа графитового кольца, например, из-за попадания пыли и посторонних частиц в зону контакта графитовое кольцо - контртело. Поэтому для обеспечения повышенного давления воздуха перед лабиринтным уплотнением масляной опоры на всех режимах работы двигателя на входе в первое рабочее колесо компрессора высокого давления образуется межлабиринтная полость, соединенная на выходе через лабиринтные уплотнения с масляной полостью и с промежуточной полостью на входе в первое рабочее колесо компрессора высокого давления, а на входе - с щелевой полостью, образованной конусной поверхностью на выходе втулки разделительного корпуса и передним козырьком внутреннего кольца входного направляющего аппарата компрессора высокого давления, что позволяет забирать давление воздуха на выходе из разделительного корпуса близким к полному давлению, т.е. с учетом скоростной составляющей воздушного потока. При течении потока воздуха по проточной части разделительного корпуса на втулочной его части происходит накопление пограничного слоя, который сливается в щелевую полость на наддув лабиринтного уплотнения масляной полости, что повышает газодинамическую устойчивость компрессора высокого давления, так как пограничный слой не поступает на вход в компрессор.

При α<10° снижается надежность двухвального газотурбинного двигателя из-за уменьшения площади щелевой полости и выброса масла в проточную часть компрессора высокого давления.

При α>40° снижается надежность из-за уменьшения давления отбираемого воздуха вследствие уменьшения скоростной составляющей и выброса масла из масляной полости в проточную часть компрессора высокого давления.

Высота h щелевой кольцевой полости зависит от размерности газотурбинного двигателя, т.е. от высоты Н лопатки поворотного входного направляющего аппарата по ее входной кромке.

При Н/h<30 снижается надежность газотурбинного двигателя из-за турбулизации потока воздуха на входе в компрессор высокого давления передним козырьком внутреннего кольца входного направляющего аппарата.

При Н/h>70 снижается надежность из-за уменьшения давления воздуха в межлабиринтной полости и выброса масла из масляной полости на вход в рабочее колесо компрессора высокого давления.

На фиг.1 изображен продольный разрез двухвального газотурбинного двигателя.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Двухвальный газотурбинный двигатель 1 состоит из вентилятора 2 с компрессором низкого давления 3, силового разделительного корпуса 4, на выходе из которого установлен компрессор высокого давления 5 с поворотным входным направляющим аппаратом 6, а также камеры сгорания 7, турбины высокого давления 8, которая служит для привода компрессора высокого давления 5 и турбины низкого давления 9, которая служит для привода вентилятора 2 с компрессором низкого давления 3. Ротор 10 компрессора 5 с первым рабочим колесом 11 установлен на переднем роликовом подшипнике 12, масляная полость 13 которого отделена от межлабиринтной воздушной полости 14 с помощью лабиринта 15 и фланца лабиринта 16, образующих лабиринтное уплотнение 17 масляной полости 13. Межлабиринтная полость 14 отделена от промежуточной полости 18 на входе в первое рабочее колесо 11 с помощью фланца лабиринта 19 и лабиринта 20, образующих воздушное лабиринтное уплотнение 21. На выходе из криволинейного канала 22 проточной части разделительного корпуса 4, на его втулке 23, выполняется конусная поверхность 24 под углом α к оси компрессора и обращенная к проточной части 25 компрессора высокого давления 5. Поверхность 24 совместно с передним козырьком 26 внутреннего кольца 27 входного направляющего аппарата 6 образует щелевую кольцевую полость 28, на выходе соединенную через межлабиринтную полость 14 и лабиринтные уплотнения 17 и 21 с масляной полостью 13 переднего роликоподшипника 12 и с промежуточной полостью 18 на входе в первое рабочее колесо 11 ротора 10 компрессора 5. Пограничный слой 29 воздушного потока из компрессора низкого давления 3 поступает на вход в щелевую полость 28 перед входными кромками 30 лопаток 31 входного направляющего аппарата 6, что способствует снижению гидравлических потерь и повышению давления воздуха в межлабиринтной полости 14.

Работает устройство следующим образом. При работе двухвального газотурбинного двигателя 1 на пониженных режимах для сохранения газодинамической устойчивости компрессора высокого давления 5 лопатки 31 входного направляющего аппарата 6 поворачиваются, уменьшая площадь проточной части на выходе, что приводит к повышению гидравлических потерь при их обтекании и к снижению давления на входе в первое рабочее колесо 11 ротора 10 компрессора высокого давления 5. Такое снижение давления могло бы привести к выбросу частиц масла из масляной полости подшипника 12 через лабиринтные уплотнения 17 и 21 на вход в рабочее колесо 11. Однако этого не происходит, так как в межлабиринтной полости 14 поддерживается повышенное давление воздуха, не зависящее от поворота лопаток входного направляющего аппарата и превышающее давление воздуха в масляной полости 13. Одновременно происходит слив пограничного слоя 29 воздушного потока на входе в компрессор высокого давления 5, что повышает его газодинамическую устойчивость и надежность.

Источники информации

1. С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных ГТД. М.: Машиностроение, стр.64, рис.3.8 г.

2. С.А.Вьюнов, стр.109, рис.3.46 - прототип.

Двухвальный газотурбинный двигатель содержит компрессор низкого давления с силовым разделительным корпусом и компрессор высокого давления с поворотным входным направляющим аппаратом и с ротором, установленным на подшипнике со стороны первого рабочего колеса компрессора высокого давления. На выходе из разделительного корпуса, на его втулке, выполнена конусная поверхность, обращенная к проточной части компрессора высокого давления и образующая с передним козырьком кольца внутреннего входного направляющего аппарата компрессора высокого давления щелевую полость, соединенную на выходе через межлабиринтную полость и через лабиринтные уплотнения с масляной полостью и с промежуточной полостью на входе в первое рабочее колесо компрессора высокого давления. Угол образующей конуса конусной поверхности втулки силового разделительного корпуса равен 10...40°. Отношение высоты лопатки поворотного входного направляющего аппарата компрессора высокого давления по ее входной кромке к высоте щелевой полости между конусной поверхностью втулки силового разделительного корпуса и козырьком внутреннего кольца поворотного направляющего аппарата компрессора высокого давления составляет 30...70. Изобретение позволяет повысить надежность двухвального газотурбинного двигателя за счет повышения ресурса уплотнения масляной опоры переднего подшипника компрессора высокого давления при одновременном исключении утечек масла из масляной опоры, а также за счет повышения газодинамической устойчивости компрессора. 2 ил.

Двухвальный газотурбинный двигатель с компрессором низкого давления, с силовым разделительным корпусом и с компрессором высокого давления с поворотным входным направляющим аппаратом и с ротором, установленным на подшипнике со стороны первого рабочего колеса компрессора высокого давления, отличающийся тем, что на выходе из разделительного корпуса на его втулке выполнена конусная поверхность, обращенная к проточной части компрессора высокого давления и образующая с передним козырьком кольца внутреннего входного направляющего аппарата компрессора высокого давления щелевую полость, соединенную на выходе через межлабиринтную полость и через лабиринтные уплотнения с масляной полостью и с промежуточной полостью на входе в первое рабочее колесо компрессора высокого давления, причем α=10...40° и Н/h=30...70, где α - угол образующей конуса конусной поверхности втулки силового разделительного корпуса; Н - высота лопатки поворотного входного направляющего аппарата компрессора высокого давления по ее входной кромке; h - высота щелевой полости между конусной поверхностью втулки силового разделительного корпуса и козырьком внутреннего кольца поворотного направляющего аппарата компрессора высокого давления.