ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройствам газотурбинных двигателей, в том числе стационарного типа, оснащенных свободной силовой турбиной.

Известен газотурбинный двигатель, включающий наружный контур и внутренний контур, содержащий камеру сгорания, компрессор, охлаждаемую турбину с, по меньшей мере, двумя ступенями, размещенным между ними сопловым аппаратом и междисковой полостью, думисную полость, образованную последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом двигателя и отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением, и питающий воздуховод, сообщенный своим выходом через тракт охлаждения соплового аппарата с междисковой полостью турбины и размещенный в охлаждаемом тракте теплообменника (Патент РФ №2200859, F02C 7/12, опубл. 2003 г.).

Недостатком известного устройства является то, что утилизация воздуха из думисной полости в систему охлаждения турбины требует повышения давления в этой полости, что увеличивает осевую нагрузку компрессора. Для парирования увеличенной нагрузки компрессора необходимо увеличить осевую нагрузку турбины, например, за счет увеличения ее реактивности, что не всегда приемлемо с точки зрения КПД турбины. В этом случае из-за увеличения нагрузок между компрессором и турбиной приходится производить усиление элементов статора и ротора, что увеличивает массу двигателя.

Кроме того, в стационарных газотурбинных двигателях, оснащенных свободной турбиной, из-за неиспользования воздуха второго контура часть тепла выносится из термодинамического цикла двигателя, снижая его экономичность.

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является повышение надежности и ресурса газотурбинного двигателя путем обеспечения охлаждения турбины и наддува междисковой полости независимо от величины давления в думисной полости компрессора, а также повышение экономичности двигателя со свободной турбиной за счет отсутствия выноса тепла из термодинамического цикла двигателя и увеличения массы воздуха, подаваемого на вход свободной турбины.

Задача решается тем, что в газотурбинном двигателе, включающем наружный контур и внутренний контур, содержащий камеру сгорания, компрессор, охлаждаемую турбину с, по меньшей мере, двумя ступенями, размещенным между ними сопловым аппаратом и междисковой полостью, думисную полость, образованную последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом двигателя и отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением, и питающий воздуховод, сообщенный своим выходом через тракт охлаждения соплового аппарата с междисковой полостью турбины и размещенный в охлаждаемом тракте теплообменника, вход питающего воздуховода сообщен с воздушным трактом одной из ступеней компрессора, а думисная полость компрессора сообщена воздуховодом с выходом газовоздушного тракта охлаждаемой турбины.

Кроме того, для двигателя, оснащенного свободной турбиной, охлаждающий тракт теплообменника сообщен входом с наружным контуром двигателя, а выходом - с проточной частью свободной турбины, а в трактах питающего воздуховода и воздуховода, сообщающего думисную полость компрессора с выходом из газовоздушного тракта охлаждаемой турбины, могут быть установлены устройства, регулирующие расход воздуха и осевую силу соответственно, например настроечные шайбы.

Соединение входа питающего воздуховода с воздушным трактом одной из ступеней компрессора обеспечивает наддув междисковой полости турбины и снижает теплоподвод в масляную полость опоры турбины независимо от величины давления в думисной полости компрессора.

Сообщение думисной полости компрессора с газовоздушным трактом турбины, например с ее выходным трактом, позволяет отвести часть воздуха, поступающего через лабиринтное уплотнение из воздушного тракта компрессора, в выходной тракт охлаждаемой турбины и использовать его, например, на свободной турбине. Воздух по тракту течения сбрасывается ниже, чем в сопловой аппарат охлаждаемой турбины, и поэтому давление в думисной полости не требует повышения.

Таким образом, оба вышеуказанных признака, отличающие заявленное техническое решение от известных, позволяют оптимизировать осевую нагрузку компрессора в соответствии с заданным ресурсом двигателя.

Размещение питающего воздуховода в охлаждаемом тракте теплообменника позволяет охладить воздух, отбираемый от компрессора и направляемый в сопловой аппарат и междисковую полость на охлаждение элементов конструкции турбины, что дополнительно снижает теплоподвод в опоры турбины и обеспечивает более высокую надежность работы турбины и двигателя в целом.

Сообщение охлаждающего тракта теплообменника своим входом с наружным контуром двигателя, а выходом - с проточной частью свободной турбины для двигателя, оснащенного свободной турбиной, обеспечивает максимальное использование тепла, выделившегося при теплообмене во втором контуре, в работе двигателя, позволяя увеличить мощность свободной турбины и повысить экономичность двигателя.

Установка в трактах питающего воздуховода и воздуховода, сообщающего думисную полость компрессора с выходом из газовоздушного тракта охлаждаемой турбины, устройств, регулирующих расход воздуха, например настроечных шайб, позволяет осуществлять настройку расхода охлаждающего воздуха в тракт охлаждения турбины на заданную величину, а также отстраивать осевую силу ротора высокого давления.

Изобретение поясняется графически, где на фиг.1 представлен продольный разрез газотурбинного двигателя с размещением питающего воздуховода с теплообменником во втором контуре двигателя, на фиг.2 - продольный разрез газотурбинного двигателя с размещением теплообменника питающего воздуховода вне двигателя.

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 компрессора 2, первая ступень 5 турбины 4 и камера сгорания 1 образуют с валом 3 думисную полость 9 компрессора 2, отделенную от проточной части компрессора 2 лабиринтным уплотнением 10. Двигатель содержит также питающий воздуховод 11, соединенный своим входом с одной из ступеней компрессора 2, например, как показано на фиг.1 или 2, с выходом из последней ступени компрессора, а выходом - через тракт охлаждения соплового аппарата 7 с междисковой полостью 8 турбины 4. В тракте питающего воздуховода 11 размещен теплообменник 12. Думисная полость 9 компрессора 2 соединена воздуховодом 13 с выходом 14 из газовоздушного тракта турбины 4. Двигатель оснащен свободной турбиной 15, проточная часть которой сообщена воздуховодом 16 с охлаждающим трактом теплообменника 12, которым является воздух второго контура 17 двигателя. В трактах воздуховодов 11 и 13 установлены настроечные шайбы 18 и 19, позволяющие регулировать расход воздуха и осевую силу соответственно.

Двигатель работает следующим образом.

Воздух из тракта компрессора 2 поступает в камеру сгорания 1 и одновременно в лабиринтное уплотнение 10, а из него в думисную полость 9. Из думисной полости 9 воздух поступает на вход воздуховода 13, а из него - в выходной тракт турбины 4. При наличии в конструкции двигателя силовой турбины этот воздух, поступая на вход силовой турбины 15, срабатывается в ней, повышая при этом КПД двигателя. Отбираемый из проточной части компрессора 2 от одной из его ступеней воздух через питающий воздуховод 11 с размещенным в нем теплообменником 12 и тракт охлаждения соплового аппарата 7 турбины 4 поступает в междисковую полость 8, а из нее в предмасляные полости опоры турбины 4. Воздух второго контура 17 двигателя, являющийся рабочей средой охлаждающего тракта теплообменника 12, нагреваясь в теплообменнике 12, поступает на вход свободной турбины 15, где смешивается с газовой средой, поступающей из турбины 4. В результате образовавшееся при теплообмене тепло не выводится из термодинамического цикла двигателя.

Изобретение позволяет повысить надежность и ресурс газотурбинной установки путем обеспечения охлаждения ее турбины, в частности опоры, и наддува междисковой полости независимо от величины давления в думисной полости компрессора, а также сработать тепло, образовавшееся в результате теплообмена с воздухом, поступающим на охлаждение газовой турбины двигателя, в свободной силовой турбине и увеличить массу воздуха, поступающего на вход свободной турбины, что позволяет увеличить экономичность двигателя.

Газотурбинный двигатель содержит наружный контур и внутренний контур, имеющий камеру сгорания, компрессор, охлаждаемую турбину с, по меньшей мере, двумя ступенями, размещенным между ними сопловым аппаратом и междисковой полостью. Думисная полость образована последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом двигателя и отделена от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением. Газотурбинный двигатель также содержит питающий воздуховод, сообщенный своим выходом через тракт охлаждения соплового аппарата с междисковой полостью турбины и размещенный в охлаждаемом тракте теплообменника. Вход питающего воздуховода сообщен с воздушным трактом одной из ступеней компрессора. Думисная полость компрессора сообщена воздуховодом с выходом газовоздушного тракта охлаждаемой турбины. Изобретение позволяет повысить надежность и ресурс газотурбинной установки путем обеспечения охлаждения ее турбины и наддува междисковой полости независимо от величины давления в думисной полости компрессора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газотурбинный двигатель, включающий наружный контур и внутренний контур, содержащий камеру сгорания, компрессор, охлаждаемую турбину с, по меньшей мере, двумя ступенями, размещенным между ними сопловым аппаратом и междисковой полостью, думисную полость, образованную последней ступенью компрессора, первой ступенью турбины, камерой сгорания и валом двигателя и отделенную от проточной части компрессора лабиринтным уплотнением, и питающий воздуховод, сообщенный своим выходом через тракт охлаждения соплового аппарата с междисковой полостью турбины и размещенный в охлаждаемом тракте теплообменника, отличающийся тем, что вход питающего воздуховода сообщен с воздушным трактом одной из ступеней компрессора, при этом думисная полость компрессора сообщена воздуховодом с выходом газовоздушного тракта охлаждаемой турбины.2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что для двигателя, оснащенного свободной турбиной, охлаждающий тракт теплообменника сообщен входом с наружным контуром двигателя, а выходом - с проточной частью свободной турбины.3. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что в трактах питающего воздуховода и воздуховода, сообщающего думисную полость компрессора с выходом из газовоздушного тракта охлаждаемой турбины, установлены устройства, регулирующие расход воздуха и осевую силу, соответственно, например настроечные шайбы.