ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F02C3/06 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения.

Известен газотурбинный двигатель, проточная часть компрессора которого выполнена с постоянным средним диаметром [1].

Недостатком такой проточной части компрессора газотурбинного двигателя является низкая напорность последних ступеней компрессора и, как следствие, большое число ступеней для получения требуемой степени сжатия.

Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель, проточная часть компрессора которого выполнена с постоянным наружным диаметром. Такой компрессор может быть выполнен с уменьшенным количеством ступеней, так как от входа к выходу компрессора увеличивается напорность ступеней из-за увеличения средней окружной скорости [2].

Недостатком такой конструкции является увеличенная осевая длина и вес, а также пониженный КПД газотурбинного двигателя из-за малого наружного диаметра первых ступеней компрессора. В современных газотурбинных двигателях высокой степени двухконтурности вентилятор и связанные с ним подпорные ступени для получения необходимой степени сжатия выполняются на увеличенном диаметре, в результате чего переходный канал между подпорными ступенями и компрессором получается увеличенной длины и с повышенными гидравлическими потерями, что приводит к увеличению осевой длины и веса двигателя, а также к снижению КПД из-за гидравлических потерь в этом канале.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении эффективности за счет снижения веса и осевой длины, а также уменьшении гидравлических потерь.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном двигателе, включающем переходный канал и компрессор с направляющими и рабочими лопатками, размещенными в канале проточной части, согласно изобретению, наружный диаметр канала проточной части выполнен переменным и плавно уменьшающимся с первых ступеней компрессор со стороны входа до средних ступеней, и постоянным - со средних до последних ступеней, причем

D/d=1,1-1,25; z/n=1,4-2,0,

где D - наружный диаметр по первой рабочей лопатке со стороны ее входной кромки;

d - постоянный наружный диаметр по средним и последней рабочим лопаткам;

z - общее число ступеней компрессора;

n - число ступеней компрессора с постоянным наружным диаметром d рабочих лопаток,

при этом отношение высот пера первой L и последней I рабочих лопаток компрессора составляет 4,5-7,5.

Выполнение наружного диаметра проточной части переменным и плавно уменьшающимся с первых ступеней компрессора со стороны входа до средних ступеней, и постоянными - со средних до последних ступеней позволяет получать переходный канал между подпорными ступенями и компрессором минимальной осевой длины и с минимальным гидравлическим сопротивлением с одновременным сохранением высокой напорности ступеней в центральной части компрессора и на его выходе при высоком уровне КПД.

Кроме того, заявляемые соотношения D/d и z/n обеспечивают периферийное профилирование рабочей части компрессора, позволяющее получать малые углы поворота потока воздуха в переходном канале, и, соответственно, низкие гидравлические потери.

Компрессор выполнен высокоэффективным с высокой степенью сжатия π_kΣ=16-24, которая характеризуется определенным соотношением высот L/I первой и последней рабочих лопаток, т.к. средние и последние ступени компрессора имеют повышенную напорность из-за повышенных окружных скоростей.

Таким образом, газотурбинный двигатель ПС-90А с заявляемой конструкцией является высокоэффективным с низким расходом топлива, т.е. обладает низким удельным весом и высоким КПД.

Соотношение D/d<1,1 ведет к увеличению веса и осевой длины газотурбинного двигателя из-за увеличенной длины и высокого гидравлического сопротивления переходного канала между подпорными ступенями и компрессором, а при D/d>1,25 снижается КПД газотурбинного двигателя из-за возникновения сверхзвуковых скоростей на периферии первых ступеней компрессора.

В случае, если z/n<1,4, будет снижаться к.п.д. из-за увеличения концевых потерь на последних ступенях компрессора, а при z/n>2,0 будет снижаться напорность и увеличиваться вес компрессора и газотурбинного двигателя из-за увеличения числа ступеней компрессора для получения необходимой степени сжатия.

При L/I<4,5 понижается степень сжатия компрессора, что снижает КПД газотурбинного двигателя в целом, а в случае L/I>7,5 из-за излишнего уменьшения длины лопаток последних ступеней и возрастания на них концевых потерь будет снижаться КПД компрессора газотурбинного двигателя.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.

На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя заявляемой конструкции, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде. На фиг.3 представлен элемент II на фиг.2 в увеличенном виде.

Газотурбинный двигатель 1 состоит из вентилятора 2 и подпорных ступеней 3, установленных с вентилятором 2 на валу 4, а также из разделительного корпуса 5, компрессора 6, камеры сгорания 7, турбины высокого давления 8 и турбины низкого давления 9. Между подпорными ступенями 3 и компрессором 6 в разделительном корпусе 5 выполнен переходный канал 10.

Вентилятор 2 вращается с пониженными оборотами, и для получения необходимой окружной скорости подпорные ступени 3 выполнены на увеличенном по отношению к компрессору 6 диаметре. Для минимизации осевой длины и гидравлических потерь в переходном канале 10 первые ступени компрессора 6 выполнены с увеличенным диаметром, причем первая рабочая лопатка 11 выполнена с наружным диаметром D и высотой L со стороны входной кромки 12, наружный диаметр рабочих лопаток последующих ступеней уменьшается, а средние 13 и последние 14 рабочие лопатки выполнены с уменьшенным постоянным наружным диаметром d. Последняя рабочая лопатка 15 компрессора 6 выполнена с высотой I.

Работает устройство следующим образом.

При работе газотурбинного двигателя 1 воздух последовательно сжимается в вентиляторе 2 и подпорных ступенях 3, а затем по переходному каналу 10 поступает в компрессор 6, после сжатия в котором поступает в камеру сгорания 7, в которой происходит процесс горения. Образовавшиеся газы расширяются в турбине высокого давления 8, которая вращает компрессор 6 и в турбине низкого давления 9, которая вращает вентилятор 2 и подпорные ступени 3.

Так как компрессор 6 выполнен с первой рабочей лопаткой 11 увеличенного наружного диаметра D, а также со средними 13 и последними 14 рабочими лопатками постоянного наружного диаметра d, то сжимаемый воздух имеет малое гидравлическое сопротивление в переходном канале 10, а сам компрессор 6 имеет высокую степень сжатия при высоком КПД.

Источники информации

1. С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей, Москва, “Машиностроение”, 1981, с.57, рис.3.7б.

2. US 5269135, МПК F 02 K 3/02, 1993 г.

Газотурбинный двигатель содержит переходной канал и компрессор с направляющими рабочими лопатками, размещенными в канале проточной части. Наружный диаметр канала проточной части выполнен переменным и плавно уменьшающимся с первых ступеней компрессора со стороны входа до средних ступеней и постоянным со средних до последних ступеней. Отношение наружного диаметра по первой рабочей лопатке со стороны ее входной кромки к постоянному наружному диаметру по средним и последней рабочим лопаткам равно 1,1-1,25. Отношение общего числа ступеней компрессора к числу ступеней компрессора с постоянным наружным диаметром рабочих лопаток равно 1,4-2,0. Отношение высот пера первой и последней рабочих лопаток компрессора составляет 4,5-7,5. Изобретение повышает эффективность газотурбинного двигателя за счет снижения веса и осевой длины, а также уменьшения гидравлических потерь. 3 ил.

Газотурбинный двигатель, включающий переходный канал и компрессор с направляющими рабочими лопатками, размещенными в канале проточной части, отличающийся тем, что наружный диаметр канала проточной части выполнен переменным и плавно уменьшающимся с первых ступеней компрессора со стороны входа до средних ступеней и постоянным со средних до последних ступеней, причем

D/d=1,1-1,25; z/n=1,4-2,0,

где D - наружный диаметр по первой рабочей лопатке со стороны ее входной кромки;

d - постоянный наружный диаметр по средним и последней рабочим лопаткам;

z - общее число ступеней компрессора;

n - число ступеней компрессора с постоянным наружным диаметром d рабочих лопаток,

при этом отношение высот пера первой L и последней I рабочих лопаток компрессора составляет 4,5-7,5.