СИСТЕМА ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02C7/277 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к системам запуска газотурбинного двигателя.

Известна система запуска газотурбинного двигателя, содержащая вспомогательную силовую установку (далее - ВСУ), включающую компрессор и жаровую трубу камеры сгорания, и пусковое устройство с воздушной турбиной, связанной посредством основного трубопровода через запорное устройство с компрессором вспомогательной силовой установки (Б.М.Кац, Э.С.Жаров, В.К.Винокуров. Пусковые системы авиационных газотурбинных двигателей, - М.: Машиностроение, 1976 г., с. 7-9).

В известном устройстве в качестве пускового устройства используется воздушный стартер, механически связанный с валом ротора двигателя. Пусковое устройство раскручивает ротор двигателя до того момента, когда турбина начнет развивать мощность, достаточную для самостоятельной раскрутки ротора двигателя с заданным ускорением, после чего оно отключается.

Основным недостатком известного устройства является снижение уровня мощности, подводимой к ротору двигателя из-за невысокого уровня энергоотдачи ВСУ, что приводит к увеличению времени запуска двигателя и снижению его надежности. Вместе с тем, для обеспечения требуемых характеристик запуска ГТД приходится повышать мощность ВСУ, увеличивая при этом ее габариты, вес и стоимость.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности и сокращение времени запуска двигателя без существенных изменений габаритов и веса исходной ВСУ.

Задача решается тем, что система запуска газотурбинного двигателя, содержащая вспомогательную силовую установку, включающую компрессор и жаровую трубу камеры сгорания, и пусковое устройство с воздушной турбиной, связанной посредством основного трубопровода через запорное устройство с компрессором вспомогательной силовой установки, оснащена дополнительным трубопроводом, сообщенным своим входом с внутренней полостью жаровой трубы камеры сгорания вспомогательной силовой установки, а выходом - с внутренней полостью основного трубопровода, причем запорное устройство размещено в основном трубопроводе между выходом дополнительного трубопровода и воздушной турбиной пускового устройства.

Кроме того, в устройстве может иметь место следующее:

- дополнительный трубопровод может быть размещен во внутренней полости основного трубопровода;

- во внутренней полости основного трубопровода между запорным устройством и выходом дополнительного трубопровода может быть размещено профилированное сужающееся-расширяющееся сопло типа трубки Вентури;

- профилированное сужающееся-расширяющееся сопло типа трубки Вентури может быть оснащено механизмом его перемещения вдоль оси основного трубопровода;

- на наружной поверхности дополнительного трубопровода в зоне его выхода может быть размещена профилированная вставка.

Оснащение двигателя дополнительным трубопроводом и сообщение через него внутренней полости жаровой трубы камеры сгорания ВСУ с внутренней полостью основного трубопровода обеспечивает подвод горячего газа к трубопроводу, сообщенному с воздушной турбиной. Повышение температуры рабочего тела, подаваемого на воздушную турбину, значительно увеличивает ее удельную мощность, увеличивая, тем самым, уровень мощности, подводимой к ротору двигателя. Использование в качестве подогретого рабочего тела горячего газа из камеры сгорания ВСУ позволяет более полно использовать потенциальные возможности самой ВСУ. При этом нет необходимости изменять конструкцию ВСУ за счет ввода каких-либо элементов подогрева рабочего тела.

Размещение запорного устройства в основном трубопроводе между выходом дополнительного трубопровода и воздушной турбиной обеспечивает подачу рабочего тела к воздушной турбине, а также прекращение этой подачи.

Размещение дополнительного трубопровода во внутренней полости основного трубопровода наиболее рационально, поскольку, во-первых, не требует для этого дополнительного пространства, а, во-вторых, позволяет воздухом, проходящим по основному трубопроводу, охлаждать сильно нагретый из-за горячих газов дополнительный трубопровод, обеспечивая ему тем самым тепловую защиту.

Размещение во внутренней полости основного трубопровода между запорным устройством и выходом дополнительного трубопровода профилированного сужающегося-расширяющегося сопла типа трубки Вентури обеспечивает минимальные потери давления рабочего тела, подаваемого на воздушную турбину пускового устройства.

Оснащение профилированного сужающегося-расширяющегося сопла типа трубки Вентури механизмом его перемещения вдоль оси основного трубопровода позволяет перемещать трубку Вентури вдоль участка основного трубопровода, фиксируя ее положение относительно выходного участка дополнительного трубопровода. При этом в положении, когда горло трубки Вентури размещено в зоне выходного участка дополнительного трубопровода, обеспечивается разгон воздуха внутри трубки Вентури и понижается его статическое давление, благодаря чему горячий газ из внутренней полости камеры сгорания поступает в расширяющийся участок трубки Вентури и смешивается с воздухом от компрессора.

Выполнение на наружной поверхности выходного участка дополнительного трубопровода вставки позволяет в крайнем положении трубки Вентури, благодаря контактированию ее входного участка с вставкой, перекрыть доступ воздуха по основному трубопроводу к воздушной турбине и открыть доступ для горячего газа из камеры сгорания.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема системы запуска ГТД, а на фиг. 2 показаны возможные положения профилированного сужающегося-расширяющегося сопла типа трубки Вентури в основном трубопроводе.

Предлагаемая система запуска газотурбинного двигателя содержит ВСУ 1 с компрессором 2 и камерой сгорания 3 и воздушную турбину 4 пускового устройства, вал 5 которой механически связан с валом ротора 6 двигателя 7. Турбина 4 связана с компрессором 2 ВСУ 1 основным трубопроводом 8. Во внутренней полости основного трубопровода 8 размещены управляющий клапан 9 и дополнительный трубопровод 10, сообщенный своим входом с внутренней полостью камеры сгорания 3, а выходом - с внутренней полостью основного трубопровода 8, а также профилированное сужающееся-расширяющееся сопло типа трубки Вентури 11. Управляющий клапан 9 размещен в трубопроводе 8 между выходом дополнительного трубопровода 10 и воздушной турбиной 4. Профилированное сужающееся-расширяющееся сопло типа трубки Вентури 11 оснащено механизмом 12 его перемещения вдоль оси основного трубопровода 8, выполненным в виде цилиндра с поршнем 13. На наружной поверхности дополнительного трубопровода 10 в зоне его выхода во внутреннюю полость основного трубопровода 8 размещена профилированная вставка 14.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Запускается ВСУ 1 и выводится на установившийся режим.

Для раскрутки ротора 6 двигателя 7 подается команда на клапан управления 15 и воздух по трубопроводу 16 поступает из компрессора 2 в цилиндр 17, перемещая шток 18 в положение, при котором управляющий клапан 9 открывается и обеспечивая доступ воздуху от компрессора 2 к воздушной турбине 4, которая, в свою очередь, через выходной вал 5 соединена с ротором 6 двигателя 7.

Таким образом, воздушная турбина 4 начинает раскручивать ротор 6. После этого подается команда на открытие клапана управления 19 и воздух из компрессора 2 по трубопроводу 20 поступает во внутреннюю полость механизма 12, перемещая шток 21 с поршнем 13. Одновременно воздух, вытесняемый поршнем 13 из внутренней полости механизма 12, по трубопроводу 22 через клапан 19 стравливается в атмосферу.

В зависимости от команды блока запуска 23 двигателя 7 шток 21 перемещает трубку Вентури 11 из положения 24 в положение 25 или 26.

При положении 25 внутренний контур трубки Вентури 11 совместно с выходным участком дополнительного трубопровода 10 образует эжектор, где функции эжектирующего газа, поступающего по трубопроводу 8, выполняет воздух за компрессором 2, а эжектируемого газа, поступающего по трубопроводу 10, выполняет горячий газ, поступающий из внутренней полости жаровой трубы камеры сгорания 3.

Воздух из компрессора 2 в трубке Вентури 11 ускоряется, и его статическое давление падает, достигая минимального уровня в зоне выходного сечения участка дополнительного трубопровода 10 и обеспечивая перепад давления в трубопроводе 10. Горячий газ начинает поступать в трубку Вентури 11 и смешиваться с более холодным воздухом из компрессора 2. Одновременно увеличивается подача топлива в ВСУ 1. Дальнейшая раскрутка двигателя 7 производится воздушной турбиной 4. По достижении заданных оборотов двигателя 7 происходит отключение привода от воздушной турбины 4 и подается команда от блока запуска 23 к клапану управления 19 и воздух начинает поступать в полость цилиндра механизма 12 по трубопроводу 22 и, перемещая шток 21 с поршнем 13, и через трубопровод 27 стравливается в атмосферу. В результате трубка Вентури 11 занимает исходное положение 24. При этом прекращается поступление горячего газа в трубопровод 8, так как с перемещением трубки Вентури 11 давление на срезе выходного участка трубопровода 10 повышается до уровня давления за компрессором 2.

Давление внутри жаровой трубы камеры сгорания 3 ниже давления за компрессором 2, поэтому воздух за ним начинает поступать по трубопроводу 10 внутрь жаровой трубы камеры сгорания 3. Небольшой перепад на трубопроводе 10 между воздухом и газом внутри жаровой трубы камеры сгорания 3 обеспечивает протекание воздуха через него внутрь жаровой трубы камеры сгорания 3.

Далее подается команда от блока 23 к клапану управления 15 и воздух поступает в цилиндр 17, перемещая шток 18 в обратном направлении на закрытие управляющего клапана 9, расположенного в основном трубопроводе 8, прекращая подачу воздуха на воздушную турбину 4. Одновременно открывается клапан перепуска 28.

На форсированных режимах запуска перемещение трубки Вентури 11 производится в положение 26, ее входной участок совместно с вставкой 14 перекрывает трубопровод 8, в результате чего в воздушную турбину 4 прекращает поступать воздух из компрессора 2, а поступает только горячий газ из внутренней полости жаровой трубы камеры сгорания 3. Одновременно увеличивается подача топлива в камеру сгорания 3 и открывается клапан перепуска 28 в газовый тракт ВСУ 1.

Предложенная система позволяет значительно повысить энергоотдачу от ВСУ без существенных изменений ее габаритов и веса, тем самым повышая надежность запуска двигателя, а также сокращая его время.

Источники информации

1. Б.М.Кац, Э.С.Жаров, В.К.Винокуров. Пусковые системы авиационных газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1976 г., с. 7-9.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к системам запуска. Система запуска газотурбинного двигателя содержит вспомогательную силовую установку, включающую компрессор и жаровую трубу камеры сгорания, и пусковое устройство с воздушной турбиной, связанной посредством основного трубопровода через запорное устройство с компрессором вспомогательной силовой установки. Система запуска оснащена также дополнительным трубопроводом, сообщенным своим входом с внутренней полостью жаровой трубы камеры сгорания вспомогательной силовой установки, а выходом - с внутренней полостью основного трубопровода. Запорное устройство размещено в основном трубопроводе между выходом дополнительного трубопровода и воздушной турбиной пускового устройства. Изобретение позволяет значительно повысить энергоотдачу от вспомогательной силовой установки без существенных изменений ее габаритов и веса, тем самым повышая надежность запуска двигателя, а также сокращая его время. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система запуска газотурбинного двигателя, содержащая вспомогательную силовую установку, включающую компрессор и жаровую трубу камеры сгорания, и пусковое устройство с воздушной турбиной, связанной посредством основного трубопровода через запорное устройство с компрессором вспомогательной силовой установки, отличающаяся тем, что она оснащена дополнительным трубопроводом, сообщенным своим входом с внутренней полостью жаровой трубы камеры сгорания вспомогательной силовой установки, а выходом - с внутренней полостью основного трубопровода, причем запорное устройство размещено в основном трубопроводе между выходом дополнительного трубопровода и воздушной турбиной пускового устройства.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный трубопровод размещен во внутренней полости основного трубопровода.3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что во внутренней полости основного трубопровода между запорным устройством и выходом дополнительного трубопровода размещено профилированное сужающееся-расширяющееся сопло типа трубки Вентури.4. Система по п.3, отличающаяся тем, что профилированное сужающееся-расширяющееся сопло типа трубки Вентури оснащено механизмом его перемещения вдоль оси основного трубопровода.5. Система по п.4, отличающаяся тем, что на наружной поверхности дополнительного трубопровода в зоне его выхода размещена профилированная вставка.