ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КЛАПАНОМ, СОЕДИНЯЮЩИМ ДВЕ ПОЛОСТИ Российский патент 2013 года по МПК F01D11/24 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и направлено на средство управления циркуляцией воздуха между двумя полостями внутри двигателя, при этом относительное давление между двумя полостями меняется а зависимости от рабочего режима.

Газотурбинный двигатель содержит, по меньшей мере, три части: воздушный компрессор, камеру сгорания и турбину; при этом компрессор обеспечивает снабжение камеры сгорания, в которой происходит образование горячих газов, приводящих в движение турбину. Турбина сопряжена с компрессором посредством вала, при помощи которого она приводит в движение компрессор. Двигатель может иметь несколько валов, каждый из которых содержит ротор, образованный компрессором, турбиной и валом, механически их соединяющим. В авиастроении, как правило, используются двух- или трехвальные двигатели. В связи с этим они содержат, по меньшей мере, одно вращающееся тело, использующее для работы рабочие газы, так называемого, низкого давления (ВР), и вращающееся тело, использующее для работы рабочие газы, так называемого, высокого давления (HP), при этом оба тела механически независимы друг от друга и вращаются с различными скоростями.

Постоянное стремление получить более высокий коэффициент полезного действия влечет за собой разработку для одного и того же двигателя турбин низкого давления, средний радиус которых, в частности, увеличивается относительно среднего радиуса турбин высокого давления с целью снижения аэродинамической нагрузки на крыло. Вследствие этого возникает необходимость предусмотреть имеющую соответствующую геометрическую форму переходную трубу между ступенями турбины высокого давления и входом в турбину низкого давления. Эта переходная труба остается относительно короткой в связи с тем, что двигатель применяется на самолетах. Такая труба заставляет проходящие по нему газы существенно изменять направление на коротком отрезке, при этом она имеет сильные углы наклона и большую степень диффузии. В этом случае для сохранения соответствующего качества движения в изогнутой части, образуемой переходным каналом, недопущения образования утолщения и даже отслаивания пограничного слоя предусматриваются средства воздушного обдува, осуществляемого вдоль внешней стенки газо-воздушного тракта. Заявитель настоящего изобретения подготовил решение этой проблемы. Полость распределения предназначенного для обдува газообразного вещества расположена между внешней стенкой переходного канала и конструктивным элементом корпуса турбины. Полость соединена посредством отверстия подачи газообразного вещества с зоной отбора перед переходным каналом. Этот отбор производится, предпочтительно, на уровне компрессора таким образом, что нагнетаемый воздух образует тонкий теплозащитный слой стенки.

Кроме того, на входе в данный переходный канал кольцевой газо-воздушный тракт, по которому движется рабочий газ, с внешней стороны ограничен кольцом статора. Зазор между вершиной лопаток турбины высокого давления и внутренней стороной данного кольца на всех рабочих режимах двигателя поддерживается как можно малым, поскольку от этого зависит производительность турбины. Образующие единую конструкцию статор и ротор высокого давления в процессе эксплуатации испытывают относительно различные осевые и радиальные смещения, вследствие этого возникают изменения зазора, которыми следует управлять. В этих целях используется воздух, отбираемый в передней части двигателя, на уровне компрессора, для осуществления вентиляции основания кольца статора и управления процессом его расширения в зависимости от режима. Воздух, циркулирующий в вентилируемой полости, впоследствии подается в газо-воздушный тракт. Это общеизвестный факт. Следует отметить, что управление влечет за собой непостоянную циркуляцию используемого для вентиляции воздуха. Этот воздушный поток уменьшается и прерывается/ в частности, когда режим стабилизируется.

В том случае, если двигатель содержит одновременно и такое средство управления расширением кольца статора турбины с используемым для вентиляции воздушным потоком, циркулирующим в вентилируемой полости, и расположенную непосредственно после этого полость распределения предназначенного для обдува воздуха, расположенную вокруг стенки переходного канала, было бы желательно использовать этот предназначенный для вентиляции воздух, по меньшей мере, частично для обдува внешней стенки газо-воздушного тракта в переходном канале. Однако в процессе эксплуатации дифференциальное давление между данной вентилируемой полостью и полостью распределения воздуха, предназначенного для обдува, способно меняться. Таким образом, когда циркуляция используемого для вентиляции воздуха прерывается или уменьшается, давление в вентилируемой полости становится меньше давления в полости для распределения. Если бы между двумя полостями существовало соединение, то создавалось бы негативное обратное движение газов из полости для распределения, создающее трудности в управлении зазором между кольцом статора и вершиной лопаток турбины.

Настоящий заявитель поставил перед собой задачу:

- повторно использовать воздух, задействуемый для вентиляции основания кольца, статора турбины высокого давления (HP);

- обеспечить, чтобы используемый для вентиляции воздух способствовал обдуву внешней стенки переходного канала, и не допустить при этом обратного движения воздуха из полости для распределения воздуха, предназначенного для обдува.

Согласно предлагаемому изобретению, эти задачи представляется возможным решить при помощи двухвального газотурбинного двигателя, содержащего кольцо статора турбины высокого давления (HP) и внешнюю стенку переходного канала между ступенями высокого давления (HP) и низкого давления (ВР), первую полость для управления кольцом статора и вторую полость для распределения воздуха, предназначенного для обдува внешней стенки переходного канала, отличающегося тем, что две полости соединены друг с другом посредством отверстия, открытие которого управляется клапаном, устанавливаемым для обеспечения открытия, когда давление Р1 в первой полости больше давления Р2 во второй полости, и закрытия, когда Р1<Р2.

Изобретение, предпочтительно, применимо к двигателям, две полости которого разделены перегородкой, в которой просверлено данное отверстие.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, клапан содержит: трубчатый элемент, установленный в отверстии, с расширяющейся частью; закрывающий ползун, перемещающийся в трубчатом конструктивном элементе между положением закрытия, упираясь при этом в расширяющуюся часть, и положением открытия, удаляясь от расширяющейся части.

Настоящее решение в виду различия поверхностей, на которые оказывается давление Р1 и Р2, имеет дополнительное преимущество, позволяющее обеспечить открытие клапана, когда образуется значительная разница давлений между двумя полостями и, следовательно, стабильное функционирование устройства.

Трубчатый конструктивный элемент может вставляться в отверстие или, согласно одному варианту, образовывать вместе с перегородкой единую деталь.

Согласно другому отличительному признаку, клапан содержит просверленную крышку, устанавливаемую на трубчатом элементе, в которую ползун упирается в положении открытия.

Согласно другому отличительному признаку, клапан содержит закрывающий ползун с переливным отверстием, обеспечивающим уменьшение пропускной способности газа между полостью распределения и вентилируемой полостью в положении закрытия.

Данное решение является предпочтительным, поскольку оно позволяет избежать слишком большой разницы давлений в полостях.

Согласно другому отличительному признаку, клапан содержит ползун с несколькими радиальными вырезами, между которыми образуются проходы для воздуха.

Согласно другому отличительному признаку, клапан содержит трубчатый конструктивный элемент, который включает в себя часть с уменьшенным диаметром, часть большего диаметра; при этом две части соединены друг с другом посредством расширяющейся части; ползун, содержащий часть направляющей поверхности, которая взаимодействует с частью большего диаметра, для придания направления ползуну внутри трубчатого конструктивного элемента.

Тем самым обеспечивается плавная работа ползуна и уменьшается опасность остановки в том или ином положении.

Согласно одному варианту, клапан включает в себя трубчатый конструктивный элемент, содержащий часть с уменьшенным диаметром, часть большего диаметра; при этом две части соединены друг с другом посредством расширяющейся части; ползун, содержащий часть направляющей поверхности, которая взаимодействует с частью с уменьшенным диаметром, для придания направления ползуну внутри трубчатого конструктивного элемента.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения станут понятны после изучения нижеприводимого описания различных способов его осуществления, которые не носят ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, на которых:

- фиг.1 схематично изображает вид в разрезе двигателя, выполненного по оси;

- фиг.2 изображает часть корпуса двигателя в зоне турбины высокого давления (HP) и установленного переходного канала согласно изобретению;

- фиг.3 изображает осевое сечение клапана согласно изобретению;

- фиг.4-7 изображают вид в разрезе, выполненном по оси, вариантов клапана согласно изобретению.

На фиг.1 в схематичном виде изображен пример турбомашины, представленной двухвальным двухпоточным турбореактивным двигателем с истечением первичного и вторичного воздуха. Расположенный в передней части вентилятор 2 обеспечивает подачу воздуха в двигатель. Сжатый вентилятором воздух разделяется на два концентричных потока. Поток вторичного воздуха выбрасывается непосредственно в атмосферу без какого-либо подвода энергии и обеспечивает основную реактивную тягу двигателя. Поток первичного воздуха направляется через несколько ступеней компрессии в камеру сгорания 5, где он смешивается с топливом и сжигается. Сжатие производится последовательно посредством компрессора наддува, который жестко связан в процессе вращения с ротором вентилятора и представляет собой часть ротора низкого давления (ВР), затем посредством компрессора высокого давления (HP). Истекающие из камеры сгорания горячие газы подаются на различные ступени турбины, турбину высокого давления 6 и турбину низкого давления 8. Роторы низкого и высокого давления турбины жестко соединены, соответственно, с роторами низкого и высокого давления компрессора и приводят, таким образом, в движение вентилятор и рабочие колеса компрессора. После этого газы выбрасываются в атмосферу.

Турбина высокого давления имеет только одну ступень, в то время как в турбине низкого давления увеличение объема происходит раздельно на нескольких ступенях, установленных на одном и том же роторе. Переходный канал располагается между двумя секциями высокого и низкого давления, а именно между ротором турбины высокого давления и входным направляющим устройством турбины низкого давления. Вследствие расширения газов увеличивается объем, а также средний диаметр газовоздушного тракта. Однако данное увеличение продолжает оставаться соответствующим условиям беспрепятственного истечения.

В рамках проводимых исследований проведена оптимизация профиля аэродинамического канала для увеличения коэффициента полезного действия турбины низкого давления. Среди этих оптимизаций уделено внимание увеличению угла наклона на входе в турбину низкого давления в переходном канале, который позволяет быстро увеличить средний радиус турбины низкого давления. Кроме того, такое увеличение сечения на входе в направляющее устройство низкого давления, обусловленное более сильным рассеиванием в канале, приводит к увеличению производительности на первой ступени и лучшему ускорению в направляющем устройстве.

Однако сильный угол наклона на входе в турбину низкого давления создает опасность отслоения пограничного слоя вдоль внешней стенки движения основного потока, истекающего из турбины высокого давления. Такие отслоения существенно ухудшают эксплуатационные характеристики турбины низкого давления.

Решение заключается в нагнетании значительного потока газов на выходе из турбины высокого давления на уровне стенки. Такое нагнетание обычно называется обдувом.

На фиг.2 изображена часть корпуса газотурбинного двигателя на уровне турбины высокого давления и входа в переходный канал, расположенного после последней.

Ротор турбины высокого давления, лопатка 14, которого мы видим, вращается внутри кольцевого пространства, ограниченного с внешней стороны кольцом статора 15, образующим средство герметизации. Установленный после турбины газо-воздушный тракт, в котором перемещаются рабочие газы, ограничен с внешней стороны стенкой 20. Данная стенка образована площадками, имеющими форму кольцевого сегмента, которые вытянуты в осевом направлении между кольцом статора турбины 15 и направляющим устройством первой ступени турбины низкого давления (на фигуре чертежа не видно).

В свою очередь кольцо статора 15 образовано из сегментов, установленных в промежуточном кольцевом конструктивном элементе 16. В данном случае кольцевые сегменты 15 удерживаются путем соединения в шпунт и гребень с передней стороны и скоб с задней стороны. Промежуточный конструктивный элемент 16 устанавливается в конструктивном элементе внутреннего корпуса 17, находящегося внутри внешнего корпуса 11.

Внутренний корпус 17 содержит две радиальные нервюры 17а и 17b, имеющие кольцевое расположение в двух поперечных плоскостях, проходящих через ротор турбины высокого давления. Кольцеобразный железный лист 12 покрывает нервюры 17а и 17b и упирается радиальным выступающим краем 12r во внутреннюю сторону внешнего корпуса 11. Таким образом, вентилируемая полость 19 расположена между железным листом 12 и внутренним корпусом 17. В нервюрах 17а и 17b в осевом направлении выполнены отверстия 17а1 и 17b1, позволяющие газу циркулировать между зоной, находящейся перед нервюрами, и зоной, расположенной после нервюр. Вентиляция обеспечивается потоком газов F, поступающих из соответствующего прохода, расположенного перед вентилируемой полостью 19.

На выходе радиального зажима 17с внутреннего корпуса 17 полость распределения воздуха, предназначенного для обдува, образована железным листом, который выполнен таким образом, что имеет фактически радиальную переднюю перегородку 21а, в целом также ориентированную в радиальном направлении заднюю перегородку 21b, внутреннюю радиальную перегородку 21с и внешнюю радиальную перегородку 21d. Между радиальным зажимом 17с внутреннего корпуса 17 и перегородкой 21а устанавливается герметичное соединение 22 в виде пластинки. Полость 21 соединена с полостью 19 посредством отверстия 21а1, которое имеет клапан 30. Полость 21 соединена с газо-воздушным трактом посредством выполненного во внутренней радиальной перегородке 21с отверстия 21с1, трубки 23 и отверстий 20а, выполненных вдоль стенки 20 переходного канала.

На фиг.3 изображен более детальный вид клапана 30. Он содержит трубчатую часть 31, ползун 33 и просверленную крышку 35. Трубчатая часть 31 образована первой цилиндрической частью 31а, имеющей диаметр d1, второй цилиндрической частью 31с, обладающей большим диаметром d2, при этом d2>d1, и расширяющейся частью 31b, соединяющей два цилиндра 31а и 31с. Ползун располагается в обладающей большим диаметром части 31с стороной, которая будет покрывать расширяющуюся часть. В ползуне 33 просверлены расположенные по кругу отверстия 33а и одно центральное отверстие 33b. Большой диаметр ползуна соответствует внутреннему диаметру цилиндрической части 31с. Установленная на этой части крышка 35 образует осевой ограничитель для ползуна. Она открыта в своей центральной части в районе 35а напротив отверстий 33а. Ползун может занимать положение открытия, упираясь при этом в крышку, в этом случае отверстия 33а разблокированы. Ползун 33 может занимать положение закрытия или запирания, когда он упирается в расширяющуюся часть 31b. В этом положении отверстия 33а закрыты расширяющейся стенкой.

Порядок работы устройства следующий.

Для обеспечения контролируемого расширения внутреннего корпуса 17 и, таким образом, управления зазором в вершинах лопаток турбины, имеющей кольцо статора 15, поступающий из компрессора воздух F, подается в полость 19 и продувает нервюры. Тем самым он позволяет расширить кольцо статора 15 турбины высокого давления. Таким образом, путем контролирования подачи и источника поступления воздуха в зависимости от различных фаз работы двигателя осуществляется контроль зазора.

Данный поток воздуха после продува нервюр используется наилучшим образом путем его направления в полость 21, расположенную непосредственно после нервюр, через отверстия 21а1 перегородки 21а для задействования в обдуве стенки 20 переходного канала. Такая циркуляция между вентилируемой полостью 19 и полостью распределения предназначенного для обдува воздуха не создает проблем в случае, если давление Р1 в полости 19 выше давления Р2 в полости 21.

Когда на некоторых режимах функционирования двигателя возникает необходимость прервать или сократить подачу воздуха для вентиляции полости 19, может образоваться, если не обращать на это внимание, перемещение воздуха или газов между полостью 21 и полостью 19, которое будет создавать помехи в управлении зазором.

Клапан предназначен для обеспечения изолированности полости 19 от полости 21, когда давление Р1 будет ниже давления Р2. Кроме того, клапану 30 с учетом различия поверхностей, на которые оказывается давление Р1 и Р2, предпочтительно, придается такая форма, что он переходит из положения закрытия, т.е. когда ползун упирается в расширяющуюся часть и обеспечивает закрывание, в положение открытия, только тогда, когда давление Р1 больше давления Р2, что позволяет обеспечить стабильное функционирование.

Когда клапан находится в положении закрытия, решение, изображенное на фиг.3, предполагает наличие центрального отверстия 33b, которое позволяет осуществлять ограниченную циркуляцию из полости 21 к полости 19 и обеспечивает повышение давления в последней. Согласно одному варианту, клапан не содержит центрального отверстия. В данном случае он имеет единственное, анти-возвратное назначение.

Другие примеры осуществления клапана представлены на следующих фигурах чертежа.

На фиг.4 изображен вариант клапана 130 с крышкой 135, имеющей осевые выступы 135b вокруг центрального отверстия 135а. Эти выступы позволяют ограничить поверхность упора ползуна. Другие конструктивные элементы клапана не изменены по сравнению с клапаном, изображенным на фиг.3.

Как это показано на фиг.5, клапан 230 отличается от предыдущего ползуном 233, диаметр которого меньше диаметра цилиндрической части, имеющей большой диаметр. Он свободно перемещается внутри последнего. Верхняя накладка 235 содержит выступы 235b, как и в предыдущем случае. Воздух циркулирует между ползуном через центральное просверленное отверстие 233b, затем огибает осевые выступы 235b и проходит через центральное отверстие 235а верхней накладки 235.

Как это показано на фиг.6, клапан 330 содержит ползун 333, по периферии которого выполнены вырезы 333b, обеспечивающие прохождение воздуха. Вместе с тем клапан похож на предыдущий.

Как это показано на фиг.7, клапан 430 содержит ползун 433 с участком 433с, вставленным в имеющую меньший диаметр часть 431а трубчатого конструктивного элемента 431. Эта часть 433с содержит проходы 433d для воздуха. Ползун также подается внутрь части 431с, имеющей больший диаметр, и содержит отверстия 433а для прохождения воздуха. Эти отверстия 433а расположены на периферии таким образом, что они закрываются расширяющейся частью 431b, когда ползун упирается в нее. Эти отверстия могут быть получены или путем вырезания, как это изображено на фиг.7, или просверливания.

Порядок работы этих вариантов клапана аналогичен работе клапана 30, изображенного на фиг.3, с которым они могут заменяться. Геометрическая форма этих клапанов обеспечивает функционирование без трения независимо от фазы работы двигателя.

Двухвальный газотурбинный двигатель содержит кольцо статора турбины высокого давления, внешнюю стенку переходного канала между ступенями высокого и низкого давления, первую полость для управления кольцом статора и вторую полость для распределения воздуха, предназначенного для обдува внешней стенки переходного канала. Две полости соединены друг с другом посредством отверстия, управляемого при помощи клапана, устанавливаемого для обеспечения открытия, когда давление в первой полости больше давления во второй полости, и закрытия, когда давление в первой полости меньше давления во второй полости. Изобретение позволяет использовать для обдува стенки переходного канала воздушный поток, предназначенный для управления кольцом турбины, без негативного влияния на такое управление. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двухвальный газотурбинный двигатель, содержащий кольцо статора турбины высокого давления (HP) и внешнюю стенку переходного канала между ступенями высокого давления (HP) и низкого давления (ВР), первую полость для управления кольцом статора и вторую полость для распределения воздуха, предназначенного для обдува внешней стенки переходного канала, отличающийся тем, что две полости соединены друг с другом посредством отверстия, управляемого при помощи клапана, устанавливаемого для обеспечения открытия, когда давление Р1 в первой полости больше давления Р2 во второй полости, и закрытия, когда Р1<Р2.

2. Двигатель по п.1, в котором две полости разделены перегородкой, в которой просверлено данное отверстие.

3. Двигатель по п.1, в котором клапан содержит установленный в отверстии трубчатый элемент с расширяющейся частью, закрывающий ползун, перемещающийся в трубчатом конструктивном элементе между положением закрытия, упираясь при этом в расширяющуюся часть, и положением открытия, удаляясь от расширяющейся части.

4. Двигатель по п.3, в котором клапан содержит просверленную крышку, устанавливаемую на трубчатом элементе, в которую ползун упирается в положении открытия.

5. Двигатель по п.3, в котором клапан содержит трубчатый конструктивный элемент, который включает в себя часть с уменьшенным диаметром, часть большего диаметра, при этом две части соединены друг с другом посредством расширяющейся части, ползун, содержащий часть направляющей поверхности, взаимодействующую с частью большего диаметра, для придания направления ползуну внутри трубчатого элемента.

6. Двигатель по п.3, в котором клапан включает в себя трубчатый конструктивный элемент, содержащий часть с уменьшенным диаметром, часть большего диаметра, при этом две части соединены друг с другом посредством расширяющейся части, ползун, содержащий часть направляющей поверхности, взаимодействующей с частью с уменьшенным диаметром, для придания направления ползуну внутри трубчатого конструктивного элемента.

7. Двигатель по любому из пп.1-6, в котором клапан содержит закрывающий ползун с переливным отверстием, обеспечивающим уменьшение пропускной способности между двумя полостями в положении закрытия.

8. Двигатель по любому из пп.1-6, в котором клапан содержит закрывающий ползун с множеством рассредоточенных по кругу отверстий, образующих проходы для воздуха.

9. Двигатель по любому из пп.1-6, в котором клапан содержит ползун с несколькими радиальными вырезами, между которыми образуются проходы для воздуха.

10. Двигатель по п.8, в котором закрывающий ползун выполнен с переливным отверстием, обеспечивающим уменьшение пропускной способности между двумя полостями в положении закрытия.

11. Двигатель по п.9, в котором закрывающий ползун выполнен с переливным отверстием, обеспечивающим уменьшение пропускной способности между двумя полостями в положении закрытия.