УСТРОЙСТВО ОТБОРА ВОЗДУХА В КОМПРЕССОРЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F04D29/54 F02C9/18 

Изобретение относится к компрессору газотурбинного двигателя, оборудованного системой отбора воздуха, а также к газотурбинному двигателю, такому как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, оборудованному компрессором этого типа.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит на входе воздухозаборник для впуска воздуха, который делится на первичный воздушный поток, питающий ступени сжатия и сгорания, и на вторичный воздушный поток, огибающий турбореактивный двигатель и соединяющийся на выходе турбореактивного двигателя с первичным воздушным потоком.

Часть воздуха, проходящая через компрессор, отбирается для различных нужд, в том числе для создания давления в кабине, для борьбы с обледенением или для вентиляции турбореактивного двигателя с целью его охлаждения.

Как правило, отбор воздуха производят в компрессоре высокого давления, который содержит наружный картер, предназначенный для повышения жесткости ступени сжатия, и стенку, ограничивающую снаружи контур первичного воздушного потока внутри компрессора высокого давления и выполненную в виде конструкции из кольцевых сегментов, одни из которых содержат спрямляющие ступени, а другие сегменты чередуются с предыдущими и расположены на радиально наружном конце подвижных колес.

Наружный картер содержит отверстие, на котором установлен всасывающий канал и которое выходит в кольцевое пространство, образованное между кольцевым сегментом спрямляющей ступени и кольцевым сегментом подвижного колеса.

Во время работы часть воздуха, циркулирующего в первичном воздушном контуре компрессора высокого давления, отбирается в пространстве между сегментами и направляется в различные агрегаты, требующие питания воздухом под давлением, при помощи канала всасывания, выходящего в наружный картер.

Однако напротив конца всасывающего канала отбор воздуха является максимальным, что приводит к падению статического давления в этом месте. Таким образом, отмечаются сильные перепады статического давления в межсегментном пространстве вокруг оси газотурбинного двигателя, что снижает характеристики газотурбинного двигателя. Эти перепады тем больше, чем интенсивнее отбирается воздух.

В некоторых критических ситуациях, таких как отказ двигателя, весь отбор воздуха приходится на исправный двигатель. Например, при нормальной работе максимальный отбор составляет примерно 8% средней пропускной способности компрессора, а в случае неисправности двигателя другой двигатель должен обеспечивать отбор до 16% среднего расхода, что может оказаться невыполнимым в случае сильных перепадов статического давления вокруг оси компрессора.

Увеличение числа всасывающих каналов вокруг наружного картера не представляется приемлемым решением, так как это усложнит систему трубопроводов подачи воздуха под давлением и увеличит массу газотурбинного двигателя.

Задачей изобретения является, в частности, ограничение перепадов статического давления вокруг оси газотурбинного двигателя при сохранении одинаковой возможности обора воздуха в компрессоре высокого давления.

В этой связи изобретением предлагается компрессор газотурбинного двигателя, такой как компрессор высокого давления, содержащий средства отбора воздуха, содержащие канал, всасывающий конец которого выходит в наружный картер компрессора на уровне подвижного колеса и спрямляющей ступени компрессора, отличающийся тем, что внутри картера напротив части всасывающего конца канала радиально устанавливают листовой щиток кольцевой формы таким образом, чтобы обеспечить равномерный отбор воздуха на 360° вокруг оси компрессора.

Использование листового щитка, часть которого частично перекрывает конец всасывающего канала, позволяет ограничивать отбор воздуха в этом месте и избегать, таким образом, существенного падения статического давления в этом месте. Для этого увеличивают отбор воздуха в частях контура, более удаленных в угловом направлении от конца всасывающего канала. Листовой щиток позволяет, таким образом, распределить на 360° отбор воздуха в контуре компрессора, что ограничивает угловые перепады статического давления и улучшает характеристики газотурбинного двигателя.

Согласно другому отличительному признаку изобретения листовой щиток содержит на своем переднем конце средства радиальной опоры на фланец картера, при этом задний конец щитка крепят винтами на кольцевом фланце спрямляющей ступени, установленной на выходе подвижного колеса.

Таким образом, листовой щиток устанавливают на уже существующих деталях, и его интегрирование в окружающую среду компрессора высокого давления не требует никаких конструктивных изменений этого компрессора.

Предпочтительно, средства радиальной опоры листового щитка содержат бортики цилиндрической формы, направленные в сторону входа.

Предпочтительно, листовой щиток простирается менее чем на 360° и содержит цилиндрический бортик на каждом из своих окружных концов. Таким образом, он может опираться на фланец картера только своими окружными концами, и воздушный поток может циркулировать между фланцем и передним концом щитка. Ограничение окружного размера листового щитка позволяет сохранять среднее статическое давление вокруг оси компрессора, аналогичное давлению в известных технических решениях, что позволяет отказаться от других источников отбора воздуха, применение которых могло бы повысить расход топлива.

В варианте выполнения изобретения листовой щиток простирается примерно на 234°, и его цилиндрические бортики простираются в угловом направлении на несколько десятков градусов.

Задний конец листового щитка может содержать отверстия большого диаметра, чередующиеся с отверстиями малого диаметра, предназначенными для прохождения крепежных винтов.

Таким образом, листовой щиток крепят на кольцевом фланце спрямляющей ступени только при помощи винтов, заходящих в отверстия малого диаметра и затягиваемых на фланце. Отверстия большого диаметра служат только для прохождения головок винтов крепления фланца задней спрямляющей ступени во фланец следующей спрямляющей ступени. Поскольку листовой щиток не участвует в обеспечении механического крепления ступени компрессора, нет необходимости в его креплении на фланце задней спрямляющей ступени при помощи большого числа крепежных винтов.

Опорное положение переднего конца листового щитка можно реализовать с предварительным упругим напряжением опоры на фланец картера.

Спрямляющая ступень, находящаяся на входе подвижного колеса, закреплена на фланце картера при помощи обечайки, содержащей отверстия для прохождения воздуха, при этом отверстия, расположенные на уровне центральной части листового щитка, перекрываются полностью, тогда как отверстия, расположенные напротив концевых частей листового щитка, перекрываются на 50%.

Полное или частичное перекрывание отверстия обечайки позволяет лучше контролировать распределение отбора воздуха вокруг оси газотурбинного двигателя.

Листовой щиток содержит также, по меньшей мере, одно отверстие для прохождения эндоскопа, позволяющего проверять состояние деталей компрессора, находящихся радиально внутри относительно листового щитка.

Объектом изобретения является также листовой щиток кольцевой формы, предназначенный для использования в компрессоре описанного выше типа, отличающийся тем, что его сечение имеет L-образную форму, и тем, что он содержит цилиндрическую стенку, сопрягающуюся одном концом с радиальной стенкой, содержащей отверстия для прохождения крепежных винтов, при этом другой конец сопрягается с усеченной конусной стенкой.

Согласно другому отличительному признаку усеченная конусная стенка листового щитка содержит радиальные бортики, направленные наружу относительно ее окружных концов.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающийся тем, что содержит компрессор описанного выше типа.

Настоящее изобретение, его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе части компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, содержащего устройство отбора воздуха из предшествующего уровня техники.

Фиг.2 - график изменений статического давления в зависимости от углового положения вокруг оси газотурбинного двигателя.

Фиг.3 - схематичный вид в осевом разрезе части компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, содержащего устройство отбора воздуха в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - схематичный вид сверху части листового щитка, установленного напротив отверстия всасывания воздуха, выполненного в наружном картере.

Фиг.5 - схематичный вид в перспективе эндоскопа, установленного на наружном картере и заходящего в отверстие листового щитка в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.6 - схематичный вид в перспективе листового щитка в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7 - схематичный вид в перспективе и в разрезе отверстия отбора воздуха в наружном картере и листового щитка в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.8 - схематичный увеличенный вид, иллюстрирующий установку винтов крепления листового щитка на кольцевом фланце спрямляющей ступени.

На фиг.1 показана задняя часть компрессора 10 высокого давления с осью 12, установленного на выходе компрессора низкого давления и на входе камеры сгорания. Компрессор 10 высокого давления содержит наружный картер 14 и стенку 16, в которой вращаются несколько подвижных колес 18, 20, 22, чередующихся со спрямляющими ступенями 24, 26, 28. Стенка 16 содержит ряд кольцевых сегментов, из которых одни сегменты 30, 32, 34 содержат установленные на них радиально наружные концы спрямляющих ступеней 24, 26, 28, а другие сегменты 36, 38, 40, чередующиеся с предыдущими, находятся напротив радиально наружных концов подвижных колес 18, 20, 22, установленных на валу 27 вращения. Кольцевые сегменты соединены между собой при помощи кольцевых фланцев 42, 44, 46, 48 и все вместе соединены с наружным картером 14.

Отбор воздуха предусмотрен между спрямляющей ступенью 24 и задним подвижным колесом 18 за счет осевого промежутка между задним концом сегмента 30 передней спрямляющей ступени 24 и передним концом сегмента 36, находящегося напротив подвижного колеса 18. Сегмент 30 передней спрямляющей ступени 24 соединен с наружным картером 14 при помощи обечайки 52, направленной в сторону выхода и закрепленной своим радиально наружным концом на внутреннем фланце 54 картера 14. Обечайка 52 содержит множество отверстий 56 для прохождения воздуха, распределенных по ее окружности. Средства отбора воздуха в компрессоре 10 содержат канал 58, всасывающий конец которого установлен на отверстии 60 наружного картера 14. Это отверстие 60 позиционировано в осевом направлении на наружном картере 14 таким образом, что оказывается напротив межсегментного пространства 61. Его диаметр задан таким образом, что оно выходит по обе стороны от обечайки 52 крепления передней спрямляющей ступени 24.

Во время работы воздушный поток, входящий в газотурбинный двигатель, делится на две части, одна из которых соответствует первичному воздушному потоку, проходящему через компрессор 10 высокого давления. Часть циркулирующего в нем воздуха выходит через межсегментное пространство 61, проходит по обе стороны от передней обечайки 52 через отверстия 56 и всасывается в канал 58, обеспечивающий подачу воздуха под давлением к соответствующим агрегатам, которые испытывают в этом потребность.

На фиг.2 на кривой А показаны изменения статического давления, измеренного на уровне межсегментного пространства 61, в зависимости от углового положения вокруг оси 12 компрессора 10, для описанного выше устройства отбора. Ноль на оси абсцисс обозначает вертикаль, при этом возрастающее изменение угла происходит по часовой стрелке относительно компрессора, если на него смотреть сзади, при этом центр отверстия 60 всасывающего канала 58 центрирован на 114°.

На этом графике можно отметить, что минимальное статическое давление примерно в 2,45 п.е. (произвольных единиц) получают при угловом положении порядка 114°, соответствующем положению всасывающего канала 58. Статическое давление повышается по мере удаления от всасывающего канала 58, и достигаемое максимальное статическое давление составляет примерно 2,9 п.е.

Этот график показывает, что основной отбор воздуха происходит в непосредственной близости и напротив всасывающего отверстия 60, что приводит к большим колебаниям статического давления вокруг оси 12 компрессора 10 высокого давления.

Настоящее изобретение позволяет решить эту, а также вышеупомянутые проблемы за счет установки листа 62 кольцевой формы внутри наружного картера 14, чтобы образовать щиток напротив части всасывающего конца канала 58 и обеспечить равномерный отбор воздуха на 360° вокруг оси 12 компрессора 10 высокого давления (фиг.3 и 4).

Листовой щиток 62 расположен менее чем на 360° и имеет осевое сечение L-образной формы. Он содержит цилиндрическую стенку 64, сопряженную на своем заднем конце с радиальной стенкой 66, при этом ее передний конец сопрягается с усеченной конусной стенкой 68, сечение которой увеличивается в сторону входа.

Передний конец усеченной конусной стенки 68 содержит средства радиальной опоры на фланец 54 крепления обечайки 52 передней спрямляющей ступени 24 (фиг.3 и 5). Эти средства содержат бортики 70 цилиндрической формы, направленные в сторону входа. Бортики 70 выполнены на каждом из окружных концов листового щитка 62 и простираются в угловом направлении на несколько десятков градусов.

Радиальная стенка 66 закреплена на кольцевых фланцах 42, 44 крепления кольцевых сегментов 36, 38. Она содержит отверстия 72 малого диаметра, чередующиеся с отверстиями 74 большего диаметра. Отверстия 72 малого диаметра предназначены для прохождения крепежных винтов и затягивания головок винтов на радиальной стенке 66. Отверстия 74 большого диаметра имеют диаметр, достаточно большой, чтобы обеспечивать прохождение головок этих винтов. Эти отверстия 74 не участвуют в креплении радиальной стенки 66.

Отверстия 56 обечайки 52 крепления передней спрямляющей ступени 24, находящиеся на уровне центральной части листового щитка 62, оказываются полностью перекрытыми, тогда как отверстия 56, находящиеся напротив концевых частей 70 листового щитка 62, перекрыты на 50%.

Во время работы газотурбинного двигателя (фиг.8) часть воздуха, циркулирующего внутри контура сжатого воздуха, выходит через межсегментное пространство 61.

Напротив всасывающего канала воздух, отбираемый в компрессоре 10, циркулирует между радиально внутренним концом фланца 54 крепления передней спрямляющей ступени 24 и передним концом усеченной конусной стенки 68 листового щитка 62 (стрелка F1). Уменьшение промежутка между фланцем 54 и передним концом листового щитка 62, а также полное перекрывание отверстий 56 передней обечайки 52 в центральной части листового щитка 62 позволяет ограничить отбор воздуха напротив канала 58 и избежать тем самым падения статического давления в этом месте (кривая В на фиг.2).

Стрелка F2 обозначает воздушный поток, поступающий из компрессора 10 и проходящий через не перекрытые или частично перекрытые отверстия 56 обечайки 52 передней спрямляющей ступени 24, которые находятся вблизи окружных концов 70 листового щитка 62.

За пределами окружных концов 70 листового щитка 62 воздух, отбираемый в компрессоре 10 высокого давления, циркулирует между листовым щитком 62 и наружным картером 14 и затем всасывается в канал 58 (стрелки F3).

Таким образом, отбор воздуха в компрессоре 10 высокого давления равномерно распределен на 360° вокруг оси 12 компрессора 10. Как показано на кривой В на фиг.2, статическое давление незначительно меняется вокруг среднего значения в зависимости от углового положения, что позволяет существенно снизить перепады статического давления вокруг оси 12 компрессора 10.

Кроме того, использование этого листового щитка не снижает способности отбора воздуха канала, так как средние значения статического давления в присутствии и в отсутствие листового щитка 62 являются по существу аналогичными и составляют примерно 2,75 п.е.

Листовой щиток 62 можно установить с упругим предварительным напряжением его переднего конца в положении опоры на фланец наружного картера, что позволяет обеспечивать постоянный контакт листового щитка с фланцем. Во время работы воздух, всасываемый в канал 58, способствует еще большему прижатию переднего конца листового щитка к фланцу 54 картера 14.

Обычно картер компрессора содержит одно или несколько отверстий, позволяющих вводить эндоскоп 75 для исследования внутреннего пространства компрессора. Для этого, как показано на фиг.5 и 6, листовой щиток 62 может содержать, по меньшей мере, одно отверстие 76 для введения такого эндоскопа.

Листовой щиток простирается, по меньшей мере, примерно на 180° и не более чем на 270°.

В практическом примере выполнения изобретения листовой щиток простирается на 234° и содержит цилиндрический бортик 70, простирающийся на угловое расстояние от 0° до 36°, при этом другой бортик простирается от 180° до 234°. Осевой размер листового щитка составляет 36,3 мм на его окружных концах и 30 мм за их пределами. Толщина листового щитка составляет порядка 1 мм.

В своей срединной части и на своем переднем конце листовой щиток 62 может содержать бортик, выступающий в сторону выхода и имеющий осевой размер, меньший осевого размера цилиндрических бортиков окружных концов 70. Этот бортик предназначен для придания листовому щитку жесткости, а также для увеличения частот его собственных вибраций, чтобы избежать любых явлений резонанса листового щитка, когда на него действуют вибрации во время прохождения воздуха и работы газотурбинного двигателя. Осевой размер этого бортика может быть равен, например, 2 мм.

Включение листового щитка 62 в соответствии с настоящим изобретением между наружным картером 14 и стенкой 16 не требует никаких конструктивных изменений компрессора 10, так как этот листовой щиток опирается одним концом на фланец 54, используемый для крепления передней обечайки 52, и крепится на фланцах 42, 44 крепления сегментов 36, 38. Таким образом, этот листовой щиток 62 можно устанавливать во всех газотурбинных двигателях во время изготовления или во время операции технического обслуживания.

На фиг.8 показана установка крепежных винтов 78 в отверстия 72 листового щитка 62. Наличие усеченной конусной стенки 68 на переднем конце цилиндрической стенки 64 позволяет без труда вводить винты 78 в отверстия фланца 42.

Компрессор (10) газотурбинного двигателя, такой как компрессор высокого давления, содержит средства отбора воздуха. Газотурбинный двигатель представляет собой авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель. Средства отбора содержат канал (58), всасывающий конец которого выходит в наружный картер (14) компрессора (10) на уровне подвижного колеса (18) и спрямляющей ступени (24) компрессора (10). Радиально внутри картера (14) напротив части всасывающего конца канала (58) установлен листовой щиток (62) кольцевой формы, простирающийся менее чем на 360°. Щиток (62) имеет сечение L-образной формы. Обеспечивается равномерный отбор воздуха в диапазоне 360° вокруг оси (12) компрессора (10) и ограничиваются угловые перепады статического давления. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Компрессор (10) газотурбинного двигателя, такой как компрессор высокого давления, содержащий средства отбора воздуха, содержащие канал (58), всасывающий конец которого выходит в наружный картер (14) компрессора (10) на уровне подвижного колеса (18) и спрямляющей ступени (24) компрессора (10), в котором радиально внутри картера (14) напротив части всасывающего конца канала (58) установлен листовой щиток (62) кольцевой формы, простирающийся менее чем на 360° с возможностью обеспечения равномерного отбора воздуха в диапазоне 360° вокруг оси (12) компрессора (10).

2. Компрессор (10) по п.1, в котором листовой щиток (62) содержит на своем переднем конце бортики (70) на каждом из своих окружных концов, причем указанные бортики выполнены с возможностью радиальной опоры на фланец (54) картера (14) и формирования кольцевого пространства между листовым щитком (62) и фланцем (54).

3. Компрессор (10) по п.2, в котором бортики (70) имеют цилиндрическую форму и проходят в переднем направлении от переднего конца листового щитка (62).

4. Компрессор (10) по п.3, в котором задний конец (66) листового щитка закреплен винтами на кольцевом фланце спрямляющей ступени (26), установленной на выходе подвижного колеса (18).

5. Компрессор (10) по п.3, в котором листовой щиток простирается примерно на 234° и его цилиндрические бортики (70) простираются в угловом направлении на несколько десятков градусов.

6. Компрессор (10) по п.2, в котором задний конец (66) листового щитка (62) содержит отверстия (74) большого диаметра, чередующиеся с отверстиями (72) малого диаметра, предназначенными для прохождения крепежных винтов.

7. Компрессор (10) по п.2, в котором листовой щиток (62) установлен с предварительным упругим напряжением с опорой на фланец (54) картера (14).

8. Компрессор (10) по п.2, в котором спрямляющая ступень (24), находящаяся на входе подвижного колеса (18), закреплена на фланце (54) картера (14) при помощи обечайки (52), содержащей отверстия (56)для прохождения воздуха, при этом отверстия, расположенные на уровне центральной части листового щитка (62), полностью перекрыты.

9. Компрессор (10) по п.8, в котором отверстия (56) для прохождения воздуха обечайки (52), расположенные напротив концевых частей листового щитка (62), перекрыты на 50%.

10. Компрессор (10) по п.1, в котором листовой щиток (62) содержит, по меньшей мере, одно отверстие (76) для прохождения эндоскопа (75).

11. Листовой щиток (62) кольцевой формы, предназначенный для использования в компрессоре по п.1, имеющий сечение L-образной формы.

12. Листовой щиток (62) по п.11, содержащий цилиндрическую стенку (64), сопряженную одним концом с радиальной стенкой (66), содержащей отверстия (72) для прохождения крепежных винтов, при этом другой конец сопряжен с усеченной конусной стенкой (68).

13. Листовой щиток по п.12, усеченная конусная стенка (68) которого содержит радиальные бортики (70), направленные наружу относительно ее окружных концов.

14. Газотурбинный двигатель, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащий компрессор (10) по п.1.