ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2010 года по МПК F02K3/02 F04D27/02 

Изобретение относится к газотурбинным установкам для механического привода или для привода электрогенератора, выполненного на базе конвертированного авиационного двигателя.

Известна газотурбинная установка, включающая в себя двухвальный одноконтурный двигатель с компрессорами низкого и высокого давлений (патент RU №2179646).

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за повышенной температуры наружных корпусов камеры сгорания и турбины, которые не охлаждаются воздухом наружного контура.

Наиболее близкой к заявляемой является газотурбинная установка, включающая в себя двухвальный двухконтурный двигатель с компрессорами низкого и высокого давлений, а также с заслонками перепуска воздуха из-за промежуточной ступени компрессора высокого давления в канал наружного контура, установленными для повышения газодинамической устойчивости компрессора высокого давления (патент RU №2305789).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за возможности помпажа компрессора низкого давления вследствие запирания канала наружного контура воздухом, перепускаемым из-за промежуточной ступени компрессора высокого давления, особенно при малой степени двухконтурности двухконтурного двигателя газотурбинной установки.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности газотурбинной установки с двухвальным двухконтурным двигателем путем исключения помпажа компрессора низкого давления при перепуске воздуха из-за промежуточной ступени компрессора высокого давления в канал наружного контура.

Сущность технического решения заключается в том, что в газотурбинной установке с двухконтурным двигателем, содержащим компрессор низкого давления, а также установленные ниже по потоку канал наружного контура и компрессор высокого давления, выполненный с заслонками перепуска воздуха из-за промежуточной ступени в канал наружного контура, согласно изобретению на наружном корпусе канала наружного контура над заслонками перепуска установлены клапаны перепуска воздуха, на входе соединенные с каналом наружного контура, а на выходе - с атмосферой, с возможностью опережающего или одновременного их включения с заслонками перепуска воздуха, причем отношение проходной площади клапанов перепуска Fклап. к проходной площади заслонок перепуска Fзасл. равно 0,8…2.

Для повышения экономичности газотурбинная установка выполняется с минимальной степенью двухконтурности двухконтурного двигателя установки, что приводит к «запиранию» выходных проходных сечений канала наружного контура при перепуске воздуха из-за промежуточной ступени компрессора высокого давления в канал наружного контура со скачкообразным повышением давления воздуха в канале наружного контура, что может привести к помпажу компрессора низкого давления. Установка на наружном корпусе канала наружного контура над заслонками перепуска воздуха клапанов перепуска, на входе соединенных с каналом наружного контура, а на выходе - с атмосферой, с возможностью опережающего или одновременного их включения с заслонками перепуска воздуха, позволяет с минимальными гидравлическими потерями по «жидкому контуру» канала наружного контура перепускать воздух из промежуточной ступени компрессора высокого давления в атмосферу, без резкого повышения давления в канале наружного контура, что исключает помпаж компрессора низкого давления газотурбинной установки.

Опережающее открытие клапанов перепуска по отношению к заслонкам возможно для компенсации допусков на время срабатывания исполнительных механизмов заслонок и клапанов перепуска.

При Fклап./Fзасл.<0,8 - возможно повышение давления в канале наружного контура и помпаж компрессора низкого давления.

При Fклап./Fзасл.>2 - возможно резкое снижение давления воздуха в канале наружного контура с резким повышением оборотов компрессора низкого давления, что снижает надежность газотурбинной установки.

На фиг.1 изображен продольный разрез газотурбинной установки.

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

На фиг.3 - сечение А-А на фиг.2.

Газотурбинная установка 1 состоит из газотурбинного двигателя 2 с компрессором низкого давления 3, а также из расположенных ниже по потоку канала наружного контура 4 и компрессора высокого давления 5, который выполнен с заслонками перепуска 6 воздуха 7 из проточной части 8 промежуточной ступени 9 в канал наружного контура 4. На наружном корпусе 10 канала 4 над заслонками перепуска 6 установлены клапаны перепуска 11 воздуха из канала наружного контура 4, соединенные на входе 12 с каналом наружного контура 4, а на выходе через трубы 13 и выходную улитку 14 - с атмосферой. Проточная часть 8 компрессора высокого давления 5 соединена с кольцевой полостью 15 между корпусом заслонок 16 и наружным корпусом 17 компрессора 5 множеством радиальных каналов 18. Ниже по потоку компрессора 5 установлена камера сгорания 19, а компрессоры низкого 3 и высокого 5 давлений приводятся во вращение турбиной низкого давления 20 и турбиной высокого давления 21 соответственно. На выходе из газотурбинной установки 1 для привода полезной нагрузки установлена свободная силовая турбина 22.

Работает устройство следующим образом.

При работе газотурбинной установки 1, для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости компрессора высокого давления 5, открываются заслонки 6 перепуска воздуха 7 из проточной части 8 промежуточной ступени 9 компрессора 5 в канал наружного контура 4, как и у исходного авиационного двухвального двухконтурного двигателя. Для повышения КПД установки 1 степень двухконтурности конвертированного двухконтурного двигателя 2 существенно уменьшена с соответствующим уменьшением выходной площади из канала наружного контура, и по этой причине выпуск значительного количества воздуха 7 из-за промежуточной ступени 9 компрессора 5 в канал 4 мог бы привести как к помпажу компрессора низкого давления 3 (из-за «запирания» канала наружного контура 4), так и к помпажу компрессора высокого давления 5 (из-за поступления горячего воздуха 7 на вход в компрессор 5). Однако этого не происходит, так как с некоторым опережением или одновременно с заслонками 6 открываются расположенные над ними на минимальном расстоянии клапаны 11 перепуска воздуха 7 в атмосферу. Воздух 7 по «жидкому контуру» канала 4 поступает в клапаны 11 и далее - в атмосферу, что обеспечивает надежную работу компрессоров низкого 3 и высокого 5 давлений и газотурбинной установки 1 в целом.

Газотурбинная установка с двухконтурным двигателем содержит компрессор низкого давления, а также установленные ниже по потоку канал наружного контура и компрессор высокого давления, выполненный с заслонками перепуска воздуха из-за промежуточной ступени в канал наружного контура. На наружном корпусе канала наружного контура над заслонками перепуска установлены клапаны перепуска воздуха, на входе соединенные с каналом наружного контура, а на выходе - с атмосферой, с возможностью опережающего или одновременного их включения с заслонками перепуска воздуха. Отношение проходной площади клапанов перепуска к проходной площади заслонок перепуска равно 0,8…2. Перепуск воздуха из-за промежуточной ступени компрессора высокого давления в канал наружного контура исключает помпаж компрессора низкого давления, что повышает надежность газотурбинной установки. 3 ил.

Газотурбинная установка с двухконтурным двигателем, содержащим компрессор низкого давления, а также установленные ниже по потоку канал наружного контура и компрессор высокого давления, выполненный с заслонками перепуска воздуха из-за промежуточной ступени в канал наружного контура, отличающаяся тем, что на наружном корпусе канала наружного контура над заслонками перепуска установлены клапаны перепуска воздуха, на входе соединенные с каналом наружного контура, а на выходе - с атмосферой, с возможностью опережающего или одновременного их включения с заслонками перепуска воздуха, причем Fклап/Fзасл=0,8…2,
где Fклап - проходная площадь клапанов перепуска,
Fзасл - проходная площадь заслонок перепуска.