ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F01D25/12 F01D5/08 

Настоящее изобретение относится к охлаждению турбомашины, в частности, но не исключительно, газотурбинного двигателя, в котором используется устройство токособирательного кольца для получения информации от датчиков в двигателе.

Газотурбинные двигатели работают при очень высоких температурах, и является важным - уменьшить теплопередачу от частей с высокой температурой на чувствительные элементы, например электронную контрольно-измерительную аппаратуру (см., например, ЕР 1734292). Токособирательные кольца предусмотрены на валу двигателя для присоединения выходов датчиков из двигателя через посредство соответствующих кабелей. Желательно, чтобы контрольно-измерительная аппаратура двигателя, использующая выходы датчиков, не была подвержена очень высоким температурам, имеющим место в работающем двигателе.

Настоящее изобретение появилось в результате попытки уменьшить теплопередачу между элементами и снизить температуру элементов в турбомашине.

Задачей настоящего изобретения является создание средства охлаждения датчиков и инструментов, используемых в турбомашине, поскольку некоторые инструменты могут работать только с максимальной температурой, например около 70 °С или менее, тогда как рабочая температура может превышать эту величину, в частности, в газотурбинном двигателе.

Техническим результатом, который достигается посредством настоящего изобретения, является улучшение охлаждения горячего вращающегося цилиндра. Кроме того, благодаря турбулизаторам и отделению потока текучей среды от стенки цилиндра охлаждающая текучая среда действует в качестве барьера, так что тепло не передается кожуху (который должен оставаться холодным).

В соответствии с настоящим изобретением предложен газотурбинный двигатель, содержащий статор, ротор, лопастные диски, установленные на роторе, и устройство токособирательного кольца, которое передает электрические сигналы на кабели от набора электрических проводов, при этом ротор установлен с возможностью вращения вокруг оси, которое осуществляется относительно статора, при этом ротор включает в себя турбулизирующий цилиндр, на криволинейной внешней поверхности которого расположено множество турбулизаторов, причем турбулизирующий цилиндр соединен с полым валом, через который электрические провода датчиков подведены к устройству токособирательного кольца, а статор включает в себя кольцеобразный кожух, который проходит вокруг турбулизирующего цилиндра, при этом турбулизирующий цилиндр и кольцеобразный кожух концентричны оси вращения ротора, причем зазор образован между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра и кольцеобразным кожухом, при этом множество турбулизаторов, расположенных на криволинейной внешней поверхности турбулизирующего цилиндра, повышает теплопередачу к хладагенту, проходящему между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра и кольцеобразным кожухом.

Турбулизаторы повышают температурный градиент вдоль оси ротора, и этот градиент может быть установлен для снижения воздействия тепла на конкретные элементы, которые, в случае конкретного варианта осуществления, представляют собой чувствительные элементы контрольно-измерительной аппаратуры.

Турбулизаторы могут принимать несколько форм, например углублений или поверхностных выемок. Предпочтительной формой турбулизаторов является продольное ребро. Они могут быть предусмотрены под разными углами относительно оси вращения ротора, но в предпочтительном описываемом варианте осуществления, ребра, по существу, являются параллельными относительно оси вращения.

Турбулизаторы могут быть выполнены фрезерованием на поверхности турбулизирующего цилиндра или добавлены на поверхность и прикреплены к ней посредством сварки.

Высота продольного ребра, предпочтительно, меньше чем 0,3, умноженное на зазор между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра и кольцеобразным кожухом. Предпочтительно, высота ребра больше, чем 0,05, умноженное на зазор.

Предпочтительно, высота ребра задается, по существу, отношением шага ребра, поделенного на коэффициент, в этом случае, десять.

Предпочтительно, турбулизаторы имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение.

Предпочтительно, по меньшей мере, один из передних и задних краев каждого турбулизатора имеет скругленную форму.

Предпочтительно, каждый турбулизатор имеет высоту, которая, по существу, составляет одну четвертую зазора между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра и кольцеобразным кожухом.

Предпочтительно, отношение шага турбулизаторов к их высоте составляет 10 к 1.

Турбулизаторы предпочтительно расположены для того, чтобы создавать область отделения и область присоединения между смежными турбулизаторами для потока охлаждающей текучей среды.

Двигатель предпочтительно включает в себя тепловой экран, расположенный в цилиндре турбулизатора, для предотвращения теплопередачи к цилиндру турбулизатора.

Далее будет описан конкретный вариант осуществления изобретения со ссылкой на чертежи.

На фиг.1 в упрощенном виде показана турбомашина, в соответствии с изобретением.

На фиг.2 показано местное сечение через один конец турбомашины на фиг.1, иллюстрирующее устройство охлаждения в соответствии с изобретением, а также устройство токособирательного кольца для электрических проводов датчиков.

На фиг.3 показан турбулизирующий цилиндр, использующийся в турбомашине, показанной на фиг.2, при этом фиг.3а представляет сечение вдоль оси ротора, фиг.3b представляет собой вид сбоку турбулизирующего цилиндра, иллюстрирующий его взаимное расположение относительно статора, и фиг.3с представляет собой увеличенную область dd на виде сбоку на фиг.3b, иллюстрирующую часть ребер турбулизаторов на турбулизирующем цилиндре.

Фиг.4 представляет собой пояснительный чертеж, показывающий воздействие ребер турбулизаторов на поток текучей среды.

Как показано на фиг.1, турбомашина 1 предусмотрена с проходящим в осевом направлении ротором 2, имеющим лопастные диски 3, обеспечивая компрессорную и турбинную часть. Ротор включает в себя соединительный стержень 4, который проходит в расположенный дальше по ходу корпус 5 токособирательного кольца. Корпус токособирательного кольца обеспечивает электрическое соединение между датчиками с турбомашиной 1 и набором инструментов 6 посредством электрических кабелей 7.

Корпус 5 токособирательного кольца показан более подробно на фиг.2. Он содержит кожух, по существу, в форме усеченного конуса, имеющий расположенный на нижней боковой стенке кабель и канал 8 для хладагента, по существу, цилиндрической формы, который открывается в корпусе. Концевая пластина 9 выполнена присоединенной болтами к основной верхней части конического кожуха. Внутренняя поверхность стенок корпуса предусмотрена с изолирующим материалом 10.

Корпус 5 размещает и защищает устройство 12 токособирательного кольца, которое передает электрические сигналы на кабели 7 от набора электрических проводов 13 датчиков, которые проходят в турбомашину 1 и, следовательно, на датчики (не показаны), распределенные для измерения параметров в турбомашине 1. Измеренные параметры могут включать, например, температуру.

Ротор 2 турбомашины выступает внутрь корпуса 5. Он содержит уравновешивающий поршень 14, соединенный с соединительным стержнем 4 посредством гайки 15 соединительного стержня. Уравновешивающий поршень 14 имеет присоединенный к нему болтами турбулизирующий цилиндр 16. Турбулизирующий цилиндр 16 соединен с полым валом 17, через который электрические провода 13 датчиков подведены к устройству 12 токособирательного кольца. Следует отметить, что эти элементы являются частью ротора и вращаются вокруг оси 18 вращения.

Турбулизирующий цилиндр 16, по существу, является цилиндрическим по форме, но включает в себя внутренний конус 16а, который уменьшается в диаметре слева направо (как показано на фиг.2) и имеет вершину в полом вале 17. Это создает пустоту 16b, которая уменьшает теплопередачу за счет контакта металл-металлу, и также благодаря излучению, так как конус 16а работает в качестве теплового экрана. Конус 16а удален от соединительного стержня 4 и гайки 15 и закрывает ее для дополнительного уменьшения теплопередачи посредством конвективного теплообмена. Будет очевидным, что некоторые варианты осуществления могут не требовать этого теплового экрана.

Ротор перемещается относительно статора. Он содержит множество элементов, которые хорошо известны для специалиста в данной области, но на фиг.2 показаны концевая пластина 19 в виде кольца с ротором 2, проходящим через центральное отверстие в корпусе 5. Лабиринтное уплотнение 20 предусмотрено для предотвращения прохождения нагретых газов в полость корпуса. Концевая пластина 19 также является изолированной для предотвращения теплопередачи.

Статор также включает в себя группу опорных перекладин 21, две из которых можно видеть. Они прикреплены к радиально выступающей наружу части концевой пластины 19 и наклонены внутрь к оси 18 вращения. Радиально внутренние концы перекладин 21 присоединены болтами к кольцеобразному кожуху 22. Он выполнен с центральной частью, которая, по существу, является цилиндрической, которая проходит в направлении, по существу, параллельном к оси 18. Эта часть конструкции показана более подробно на фиг.3.

Как показано на фиг.3а и 3b, турбулизирующий цилиндр 16 выполнен с множеством турбулизаторов в виде ребер 16с, выполненных фрезерованием на его поверхности. Они проходят в параллельном направлении относительно оси. На фиг.3b показано, что ребра 16с проходят в радиальном направлении. Между ребрами 16с имеется интервал 16d. Два соседних ребра показаны увеличенными на фиг.3с. Следует отметить, что они, по существу, имеют прямоугольное поперечное сечение и выступают радиально от поверхности на турбулизирующем цилиндре 16. Видно, что их самые наружные края углов скруглены. Это является предпочтительным для улучшения потока хладагента, хотя могут использоваться другие формы краев.

Предпочтительная форма ребра имеет высоту Н ребра от поверхности турбулизирующего цилиндра 16 до радиально самой наружной поверхности ребра, межреберное расстояние или шаг, заданный размером Р между центральными линиями ребер, ширину W ребра, и имеется зазор С относительно статора, где, в этом случае, Н задана С/4 и отношение шага к высоте равно 10. Геометрические пределы могут быть Р/Н = интервалу от 5 до 15, С/Н = интервалу от 0,1 до 0,5 и W/H = интервалу от 0,3 до 3,0. В этом конкретном случае, имеются семьдесят два ребра, шаг Р составляет 5 мм, высота Н составляет от 0,55 до 0,75 мм, ширина W ребра составляет от 0,5 до 0,75 мм, зазор С составляет 1,6 мм. Края ребер имеют радиус от 0,10 до 0,15 мм.

Размеры для ребра и шага выбраны для способствования эффективному возмущению потока текучей среды и рекомбинации потока для обеспечения улучшенного охлаждения. Теперь это будет описываться со ссылкой на фиг.4. Поток текучей среды обозначен простой линией, но поток текучей среды в действительности является более сложным, чем обозначенный. Однако, по мере того, как поток текучей среды проходит через первое ребро 16с¹, он отделяется и закручивается в области Х отделения, а затем присоединяется в области Y до прохождения через следующее ребро 16с². Максимальное охлаждение осуществляется по всей области Y присоединения. Выбранные отношения размеров увеличивают до максимума эффективность этого процесса.

В конкретном варианте осуществления изобретения сигналы от датчиков выходят из турбомашины с помощью устройства токособирательного кольца. Следует понимать, что могут использоваться другие бесконтактные средства, например дистанционные измерительные приборы, использующие беспроводные технологии или запоминающие устройства для хранения информации до ее загрузки во время обслуживания турбомашины.

В описанном варианте осуществления ребра проходят в направлении, параллельном относительно оси вращения. В альтернативных вариантах осуществления они могут быть расположены под любым углом, что может способствовать продвижению потока хладагента. Турбулизаторы могут быть расположены на кольцеобразном кожухе в дополнение к турбулизирующему цилиндру.

Газотурбинный двигатель содержит статор, ротор, лопастные диски, установленные на роторе, и устройство токособирательного кольца, которое передает электрические сигналы на кабели от набора электрических проводов. Ротор установлен с возможностью вращения вокруг оси, которое осуществляется относительно статора, и включает в себя турбулизирующий цилиндр, на криволинейной внешней поверхности которого расположено множество турбулизаторов. Турбулизирующий цилиндр соединен с полым валом, через который электрические провода датчиков подведены к устройству токособирательного кольца. Статор включает в себя кольцеобразный кожух, который проходит вокруг турбулизирующего цилиндра. Турбулизирующий цилиндр и кольцеобразный кожух концентричны оси вращения ротора. Между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра и кольцеобразным кожухом образован зазор. Множество турбулизаторов, расположенных на криволинейной внешней поверхности турбулизирующего цилиндра, повышает теплопередачу к хладагенту, проходящему между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра и кольцеобразным кожухом. Эти особенности снижают теплопередачу от нагретых частей к чувствительным элементам контрольно-измерительной аппаратуры двигателя. 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий статор (19, 21, 22), ротор (2, 4, 14, 16, 17), лопастные диски (З), установленные на роторе (2, 4, 14, 16, 17) и устройство (12) токособирательного кольца, которое передает электрические сигналы на кабели (7) от набора электрических проводов (13), при этом ротор (2, 4, 14, 16, 17) установлен с возможностью вращения вокруг оси (18), которое осуществляется относительно статора (19, 21, 22), и включает в себя турбулизирующий цилиндр (16), на криволинейной внешней поверхности которого расположено множество турбулизаторов (16с), причем турбулизирующий цилиндр (16) соединен с полым валом (17), через который электрические провода (13) датчиков подведены к устройству (12) токособирательного кольца, а статор (19, 21, 22) включает в себя кольцеобразный кожух (22), который проходит вокруг турбулизирующего цилиндра (16), при этом турбулизирующий цилиндр (16) и кольцеобразный кожух (22) концентричны оси (18) вращения ротора (2, 4, 14, 16, 17), причем между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра (16) и кольцеобразным кожухом (22) образован зазор (С), при этом множество турбулизаторов (16с), расположенных на криволинейной внешней поверхности турбулизирующего цилиндра (16), повышает теплопередачу к хладагенту, проходящему между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра (16) и кольцеобразным кожухом (22).

2. Двигатель по п.1, в котором каждый турбулизатор (16с) представляет собой продольное ребро (16с).

3. Двигатель по п.2, в котором ребро (16с) проходит в направлении, параллельном оси (18) вращения ротора (2, 4, 14, 16, 17).

4. Двигатель по п.1, в котором турбулизаторы (16с) имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение.

5. Двигатель по п.2, в котором турбулизаторы (16с) имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение.

6. Двигатель по п.3, в котором турбулизаторы (1бс) имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение.

7. Двигатель по п.4, в котором, по меньшей мере, один из передних и задних краев каждого турбулизатора (16с) имеет скругленную форму.

8. Двигатель по п.5, в котором, по меньшей мере, один из передних и задних краев каждого турбулизатора (16с) имеет скругленную форму.

9. Двигатель по п.6, в котором, по меньшей мере, один из передних и задних краев каждого турбулизатора (16с) имеет скругленную форму.

10. Двигатель по любому из пп.1-9, в котором каждый турбулизатор (16с) имеет высоту (Н), которая, по существу, составляет одну четверную зазора (С) между смежными противоположными криволинейными поверхностями турбулизирующего цилиндра (16) и кольцеобразным кожухом (22).

11. Двигатель по любому из пп.1-9, в котором отношение шага (Р) турбулизаторов (16с) к их высоте (Н) составляет 10 к 1.

12. Двигатель по п.10, в котором отношение шага (Р) турбулизаторов (16с) к их высоте (Н) составляет 10 к 1.

13. Двигатель по любому из пп.1-9, в котором турбулизаторы (16с) расположены для того, чтобы создавать область (X) отделения и область (Y) присоединения между смежными турбулизаторами (16с) для потока охлаждающей текучей среды.

14. Двигатель по п.10, в котором турбулизаторы (16с) расположены для того, чтобы создавать область (X) отделения и область (Y) присоединения между смежными турбулизаторами (16с) для потока охлаждающей текучей среды.

15. Двигатель по п.11, в котором турбулизаторы (16с) расположены для того, чтобы создавать область (X) отделения и область (Y) присоединения между смежными турбулизаторами (16с) для потока охлаждающей текучей среды.

16. Двигатель по любому из пп.1-9, включающий в себя тепловой экран (16а), расположенный в турбулизирующем цилиндре (16), для предотвращения теплопередачи к турбулизирующему цилиндру (16).

17. Двигатель по п.10, включающий в себя тепловой экран (16а), расположенный в турбулизирующем цилиндре (16), для предотвращения теплопередачи к турбулизирующему цилиндру (16).

18. Двигатель по п.11, включающий в себя тепловой экран (16а), расположенный в турбулизирующем цилиндре (16), для предотвращения теплопередачи к турбулизирующему цилиндру (16).

19. Двигатель по п.13, включающий в себя тепловой экран (16а), расположенный в турбулизирующем цилиндре (16), для предотвращения теплопередачи к турбулизирующему цилиндру (16).