ГАЗОТУРБИННЫЙ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F02K3/62 

Изобретение относится к газотурбинным винтовентиляторным авиационным двигателям авиационного применения.

Известен газотурбинный винтовентиляторный двигатель, лопасти винтовентилятора в котором установлены на наружных корпусах биротативной турбины (Патент США №2174762, F02K 3/072, F01D 5/06, F02C 3/04, 1986).

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность и экономичность из-за повышенных утечек горячего газа из проточной части биротативной турбины через расположенные на большом диаметре лабиринтные уплотнения, что приводит к перегреву лопастей винтовентилятора и ухудшению экономичности газотурбинного двигателя.

Наиболее близким по конструкции является авиационный газотурбинный винтовентиляторный двигатель, винтовентилятор заднего расположения в котором выполнен с кольцевым газовым каналом, а внутренние полости, расположенные в газовом канале стоек ротора винтовентилятора, соединены на входе с компрессором низкого давления (Патент РФ №1407153, F02C 3/067, 2005 г.).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность и экономичность из-за повышенных утечек газа из газового канала через уплотнения между статором и ротором винтовентилятора в атмосферу.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и надежности газотурбинного винтовентиляторного двигателя путем снижения паразитных утечек газа из втулки винтовентилятора в атмосферу, а также путем использования отработанного в системе охлаждения втулки винтовентилятора воздуха для создания тяги газотурбинного двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном винтовентиляторном двигателе с газогенератором, содержащим компрессор, задним расположением роторов винтовентилятора, газовым каналом во втулке винтовентилятора, соплом а также с расположенными в газовом канале полыми стойками роторов винтовентилятора, согласно изобретению с внешней стороны от газового канала втулки выполнена внешняя кольцевая воздушная полость, соединенная на входе с промежуточной ступенью компрессора низкого давления, а на выходе через полые стойки роторов винтовентилятора с дополнительным осевым соплом в обтекателе втулки, внешняя кольцевая воздушная полость отделена от атмосферы наружной обечайкой с направленными к оси втулки радиальными ребрами, на которых расположены лабиринтные уплотнения, при этом F_c/F_доп=5…20, а D_вт/C_лаб=1,05…1,20, где

F_c - площадь сопла на выходе из газового канала втулки винтовентилятора;

F_доп - площадь дополнительного осевого сопла в обтекателе втулки винтовентилятора;

D_вт - наружный диаметр втулки винтовентилятора;

C_лаб - средний диаметр лабиринтных уплотнений роторов винтовентилятора.

Выполнение с внешней стороны от газового канала втулки винтовентилятора внешней кольцевой воздушной полости, соединенной на входе с промежуточной ступенью компрессора низкого давления, а на выходе через полые стойки роторов винтовентилятора - с осевым дополнительным соплом в обтекателе втулки, позволяет повысить надежность винтовентилятора путем исключения паразитных утечек газа в атмосферу и на внешнюю поверхность втулки винтовентилятора и, соответственно, исключения подогрева газом композиционных лопастей винтовентилятора, а также повысить экономичность газотурбинного винтовентиляторного двигателя путем срабатывания перепада всего поступающего в газовый канал расхода газа в основном сопле втулки винтовентилятора и перепада охлаждающего воздуха в дополнительном сопле в обтекателе втулки винтовентилятора.

Установка лабиринтных уплотнений на направленных к оси втулки винтовентилятора радиальных ребрах наружной обечайки, отделяющей внешнюю кольцевую воздушную полость от атмосферы, позволяет увеличить радиальную жесткость указанных обечаек, ограничивающих с внешней стороны внешнюю воздушную полость, что позволяет снизить радиальные зазоры по лабиринтным уплотнениям, а также уменьшить проходную площадь лабиринтных уплотнений за счет уменьшения их диаметра, что позволяет уменьшить паразитные утечки воздуха через эти лабиринтные уплотнения с соответствующим повышением экономичности газотурбинного двигателя.

При F_c/F_доп<5 снижается экономичность газотурбинного двигателя из-за увеличенных отборов охлаждающего воздуха из-за компрессора низкого давления, а при F_c/F_доп>20 снижается надежность газотурбинного двигателя в результате уменьшения расхода охлаждающего воздуха, поступающего на охлаждение втулки винтовентилятора.

При D_вт/С_лаб<1,05 повышаются паразитные утечки охлаждающего воздуха в атмосферу, а при D_вт/С_лаб>1,20 уменьшается проходная площадь для воздуха, поступающего на охлаждение втулки винтовентилятора.

На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинного винтовентиляторного двигателя; на фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде; на фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.

Газотурбинный винтовентиляторный двигатель 1 включает газогенератор 2 с компрессором низкого давления 3, компрессором высокого давления 4, камерой сгорания 5, турбиной высокого давления 6, турбиной низкого давления 7 и силовой турбиной 8, содержит также винтовентилятор заднего расположения 9, состоящий из втулки винтовентилятора 10 с газовым каналом 11 и лопастей 12 и 13 переднего 14 и заднего 15 роторов винтовентилятора 9. В газовом канале 11 расположены передняя 16 и задняя 17 полые стойки роторов 14 и 15, в которых размещены хвостовики 18 и 19 передней 12 и задней 13 лопастей винтовентилятора соответственно. На выходе из газового канала 11 выполнено основное сопло 20 и обтекатель 21 газового потока 22. С внешней стороны от газового канала 11 втулки 10 выполнена внешняя кольцевая воздушная полость 23, соединенная на входе трубопроводами 24 с промежуточной ступенью 25 компрессора низкого давления 3, а на выходе через полые стойки 16 и 17 роторов 14 и 15 - с дополнительным осевым соплом 26 в обтекателе 21.

Внешняя кольцевая воздушная полость 23 отделена от атмосферы 27 наружной обечайкой 28, на которой выполнены направленные к оси втулки 10 радиальные ребра 29, 30, 31 и 32 с установленными на ребрах передним 33 и задним 34 лабиринтными уплотнениями. От газового канала 11 полость 23 отделена лабиринтными уплотнениями 35 и 36.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе газотурбинного винтовентиляторного двигателя 1 давление охлаждающего воздуха, отбираемого от промежуточной ступени 25 компрессора низкого давления 3, превышает давление газа в газовом канале 11 втулки винтовентилятора 10, что исключает паразитные утечки газа из газового канала 11 как в атмосферу 27, так и в воздушные и в масляные полости втулки 10. Отработанный в системе охлаждения втулки 10 воздух выбрасывается через профилированное сопло 26 в обтекателе 21, повышая таким образом тягу и экономичность двигателя 1.

Радиальные ребра 29, 30, 31 и 32, расположенные на наружной обечайке втулки винтовентилятора 10, существенно повышают радиальную жесткость и способствуют сохранению геометрических размеров при работе как обечайки 28, так и лабиринтных уплотнений 33 и 34.

Газотурбинный винтовентиляторный двигатель с задним расположением роторов винтовентилятора содержит газогенератор с компрессором, газовый канал во втулке винтовентилятора, сопло. В газовом канале расположены полые стойки роторов винтовентилятора. С внешней стороны от газового канала втулки винтовентилятора выполнена внешняя кольцевая воздушная полость, соединенная на входе с промежуточной ступенью компрессора низкого давления, а на выходе через полые стойки роторов винтовентилятора с дополнительным осевым соплом в обтекателе втулки. Внешняя кольцевая воздушная полость отделена от атмосферы наружной обечайкой с направленными к оси втулки радиальными ребрами, на которых расположены лабиринтные уплотнения. Отношение площадь сопла на выходе из газового канала втулки винтовентилятора к площади дополнительного осевого сопла в обтекателе втулки винтовентилятора составляет 5…20. Отношение наружного диаметра втулки винтовентилятора к среднему диаметру лабиринтных уплотнений роторов винтовентилятора составляет 1,05…1,20. Изобретение направлено на повышение экономичности и надежности газотурбинного винтовентиляторного двигателя путем снижения паразитных утечек газа из втулки винтовентилятора в атмосферу, а также путем использования отработанного в системе охлаждения втулки винтовентилятора воздуха для создания тяги газотурбинного двигателя. 3 ил.

Газотурбинный винтовентиляторный двигатель с газогенератором, содержащим компрессор, задним расположением роторов винтовентилятора, газовым каналом во втулке винтовентилятора, соплом, а также с расположенными в газовом канале полыми стойками роторов винтовентилятора, отличающийся тем, что с внешней стороны от газового канала втулки выполнена внешняя кольцевая воздушная полость, соединенная на входе с промежуточной ступенью компрессора низкого давления, а на выходе через полые стойки роторов винтовентилятора с дополнительным осевым соплом в обтекателе втулки, внешняя кольцевая воздушная полость отделена от атмосферы наружной обечайкой с направленными к оси втулки радиальными ребрами, на которых расположены лабиринтные уплотнения, при этом F_c/F_доп=5…20, а D_ВТ/C_лаб=1,05…1,20, где
F_c - площадь сопла на выходе из газового канала втулки винтовентилятора;
F_доп - площадь дополнительного осевого сопла в обтекателе втулки винтовентилятора;
D_ВТ - наружный диаметр втулки винтовентилятора;
С_лаб - средний диаметр лабиринтных уплотнений роторов винтовентилятора.