ВОЗДУШНЫЙ КОЛЛЕКТОР В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2013 года по МПК F04D27/02 F02C9/18 

Предлагаемое изобретение относится к газотурбинному двигателю, оснащенному системой впрыскивания воздуха в компрессор высокого давления.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит располагающийся в его передней части воздухозаборник, который питает первичный поток воздуха, проходящий через ступени сжатия компрессора низкого и высокого давления и поступающий затем в камеру сгорания, и вторичный поток воздуха, обтекающий снаружи ступени сжатия компрессора и камеру сгорания и соединяющийся на выходе с первичным потоком воздуха для увеличения тяги двигателя.

Компрессор высокого давления содержит лопаточные направляющие аппараты и подвижные колеса, располагающиеся чередующимся между собой образом и охваченные наружным кожухом.

В процессе функционирования газотурбинного двигателя может проявляться феномен помпажа, состоящий во внезапном изменении на противоположное направление течения газов в компрессоре высокого давления. Этот феномен проявляется в форме удара и может иметь катастрофические механические последствия, такие, как разрушение лопаток либо повреждение устройств герметизации в канале компрессора высокого давления.

Отрыв пограничного слоя воздуха на внутренней поверхности наружного кожуха компрессора высокого давления может приводить к возмущениям в течении первичного потока воздуха, способствующим помпажу компрессора высокого давления.

Для исключения отрыва пограничного слоя и увеличения, таким образом, так называемого запаса по помпажу, известно использование отбора воздуха в задней по потоку части компрессора высокого давления между ступенью лопаточного направляющего аппарата и подвижным колесом и осуществление повторного впрыскивания этого воздуха по потоку перед первым подвижным колесом на входе компрессора высокого давления.

Эта технология подразумевает использование кольцевого воздушного коллектора, установленного в радиальном направлении вокруг наружного кожуха компрессора высокого давления. Однако пригодное для использования пространство вокруг этого наружного кожуха уже весьма плотно занято вспомогательными устройствами и оборудованием газотурбинного двигателя, таким, например, как топливные и масляные трубопроводы, электрические системы, элементы силовых приводов и т.п. Обычно первые ступени лопаточных направляющих аппаратов выполняются с изменяемым углом установки лопаток и лопатки этих направляющих аппаратов содержат поворотные оси, проходящие сквозь наружный кожух и связанные при помощи системы тяг и рычагов с кольцом управления, установленным вокруг наружного кожуха и приводимым в движение силовым приводом или двигателем, размещенным в упомянутом выше пространстве. Таким образом, оказывается затруднительным, или даже невозможным, разместить упомянутый коллектор вокруг наружного кожуха для того, чтобы обеспечить повторное впрыскивание воздуха перед первым подвижным колесом.

При этом не рассматривается вариант удлинения компрессора высокого давления и размещения коллектора между входной ступенью лопаточного направляющего аппарата и первым подвижным колесом, поскольку такое техническое решение будет приводить к неприемлемому увеличению длины и массы газотурбинного двигателя.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит, в частности, в том, чтобы решить эту проблему простым, эффективным и экономичным образом.

Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается газотурбинный двигатель, такой, например, как двухконтурный турбореактивный двигатель, включающий промежуточный кожух, содержащий внутреннюю стенку, выполненную в форме тела вращения и ограничивающую с наружной стороны канал течения первичного потока воздуха, на заднем по потоку конце которой закрепляется наружный кожух компрессора высокого давления, и средства отбора воздуха в задней части канала компрессора высокого давления, связанные на выходе со средствами повторного впрыскивания воздуха по потоку перед этим компрессором высокого давления, отличающийся тем, что средства отбора воздуха связаны со средствами повторного впрыскивания воздуха при помощи кольцевого коллектора, охватывающего внутреннюю выполненную в форме тела вращения стенку промежуточного кожуха по потоку перед компрессором высокого давления и располагающегося в радиальном направлении между этой выполненной в форме тела вращения внутренней стенкой и выполненной в форме тела вращения наружной стенкой промежуточного кожуха, которая ограничивает с внутренней стороны канал течения вторичного потока воздуха в этом газотурбинном двигателе.

В соответствии с предлагаемым изобретением этот кольцевой коллектор выполнен внутри промежуточного кожуха, что исключает удлинение компрессора и утяжеление газотурбинного двигателя, и имеет, тем не менее, возможность достаточно простым образом быть запитанным воздухом, отбираемым в задней по потоку части компрессора высокого давления. Соединение средств повторного впрыскивания воздуха с кольцевым коллектором является простым в реализации, что позволяет минимизировать стоимость его изготовления.

В соответствии с другой характеристикой предлагаемого изобретения упомянутый коллектор проходит между задним по потоку кольцевым фланцем промежуточного кожуха и искривленными стенками отклонения воздушного потока, сформированными в промежуточном кожухе на выходе из клапанов сброса давления.

Таким образом, здесь используют существующие стенки для по меньшей мере частичного ограничения коллектора.

Коллектор также ограничивается наружной в радиальном направлении стенкой, которая связывает стенки отклонения потока воздуха с задним кольцевым фланцем промежуточного кожуха.

Эта наружная в радиальном направлении стенка предпочтительно может быть реализована в литейном производстве совместно со стенками отклонения потока воздуха и задним по потоку кольцевым фланцем.

В качестве варианта реализации эта стенка может быть присоединена между стенками отклонения потока воздуха и задним по потоку кольцевым фланцем.

Коллектор проходит сквозь по меньшей мере некоторые из радиальных кронштейнов промежуточного кожуха и на некоторой угловой протяженности, как это показано на фиг.2, причем эта угловая протяженность может иметь величину, достигающую 360°.

Предпочтительно, чтобы коллектор имел поперечное сечение, площадь которого изменяется в окружном направлении для того, чтобы обеспечивать по существу однородное давление воздуха во всех средствах повторного впрыскивания.

Коллектор может содержать одно или несколько питающих отверстий, выполненных в заднем по потоку кольцевом фланце промежуточного кожуха и связанных со средствами отбора воздуха.

В соответствии с еще одной характеристикой предлагаемого изобретения средства повторного впрыскивания воздуха содержат множество отверстий, выполненных в заднем по потоку кольцевом фланце промежуточного кожуха и распределенных на периферийной части коллектора.

Каждое из этих отверстий может открываться сзади по потоку в другое отверстие, сформированное в толще наружного кожуха компрессора, причем это другое отверстие открывается в канал компрессора по потоку перед первым подвижным колесом. Это другое отверстие может содержать первую часть, открывающуюся во вторую наклонную часть, ориентированную в направлении передних кромок лопаток первого подвижного колеса компрессора.

Другие особенности, преимущества и характеристики предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания, используемого в качестве не являющегося ограничительным примера, приводимого со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:

Фиг.1 представляет собой частичный половинный схематический вид в осевом разрезе газотурбинного двигателя, имеющего в своем составе компрессор высокого давления, располагающийся по потоку позади промежуточного кожуха, и средства повторного впрыскивания воздуха в этот компрессор высокого давления в соответствии с предлагаемым изобретением;

Фиг.2 представляет собой схематический вид сзади промежуточного кожуха, содержащего кольцевой коллектор в соответствии с предлагаемым изобретением;

Фиг.3 представляет собой частичный схематический вид в осевом разрезе средств повторного впрыскивания воздуха в компрессор высокого давления в соответствии с предлагаемым изобретением;

Фиг.4 представляет собой частичный схематический перспективный вид ступени входного лопаточного направляющего аппарата, установленного в наружном кожухе компрессора высокого давления, и средства повторного впрыскивания воздуха в этот компрессор.

В дальнейшем будут использованы ссылки на фиг.1, на которой схематически представлен компрессор 10 высокого давления, имеющий ось 11 и размещенный по потоку позади промежуточного кожуха 12, который содержит две внутренние коаксиальные и имеющие форму тел вращения стенки, то есть внутреннюю стенку 14 и наружную стенку 16, соединенные между собой на своих задних по потоку концах при помощи кольцевого фланца 18. Внутренняя имеющая форму тела вращения стенка 14 ограничивает с наружной стороны канал течения первичного потока воздуха (показан стрелкой А) и наружная имеющая форму тела вращения стенка 16 ограничивает с внутренней стороны канал течения вторичного потока воздуха (показан стрелкой В).

Компрессор 10 высокого давления содержит последовательность чередующихся между собой подвижных колес 20, 22, 24, 26, 28, 30 и лопаточных направляющих аппаратов 32, 34, 36, 38, 40, 42, охваченных наружным кожухом 44, закрепленным при помощи болтов 46 своим передним по потоку концом на заднем по потоку фланце 18 промежуточного кожуха 12. Входная часть компрессора 10 высокого давления содержит лопаточный направляющий аппарат 32, позволяющий подводить к первому подвижному колесу 20 поток воздуха, выходящий из канала промежуточного кожуха 12. Три первые ступени 32, 34, 36 лопаточных направляющих аппаратов компрессора 10 высокого давления выполнены с возможностью изменения угла установки лопаток, то есть это означает, что ориентация этих лопаточных направляющих аппаратов по отношению к первичному потоку А воздуха является изменяемой в зависимости от режима работы двигателя, что позволяет оптимизировать функционирование рассматриваемого газотурбинного двигателя. Для этого каждый лопаточный направляющий аппарат 32, 34, 36 содержит на своем наружном в радиальном направлении конце поворотную ось 48, установленную в отверстии наружного кожуха 44. Каждая поворотная ось лопатки 48 связана своим наружным в радиальном направлении концом при помощи тяги 50 с управляющим кольцом 52, которое проходит вокруг наружного кожуха 44 компрессора 10 и которое имеет возможность перемещаться по вращательному движению при помощи силового привода или двигателя вокруг оси 11 компрессора 10 для того, чтобы передавать на лопатки вращательное движение относительно их поворотных осей 48.

Отбор воздуха предусматривается, например, в целях обеспечения работы противообледенительной системы, между четвертой ступенью лопаточного направляющего аппарата 38 и четвертым подвижным колесом 26 компрессора 10 высокого давления. Для этого между задним по потоку наружным в радиальном направлении концом ступени лопаточного направляющего аппарата 38 и передним по потоку наружным в радиальном направлении концом подвижного колеса 26 сформировано кольцевое осевое пространство 53. Средства отбора воздуха от компрессора 10 высокого давления содержат канал 54, всасывающий конец которого смонтирован в отверстии наружного кожуха 44. Это отверстие позиционировано в осевом направлении на наружном кожухе 44 таким образом, чтобы оно сообщалось с осевым пространством 53, располагающимся между ступенью 38 лопаточного направляющего аппарата и подвижным колесом 26.

В процессе функционирования часть воздуха из первичного потока А воздуха, движущегося в компрессоре 10 высокого давления, выходит в осевое пространство 53 и всасывается в канал 54, позволяющий подвести этот поток воздуха под давлением к оборудованию, подлежащему противообледенительной обработке. Часть отобранного таким образом воздуха в соответствии с предлагаемым изобретением повторно впрыскивается по потоку перед первым подвижным колесом 20 для того, чтобы ограничить отрывы пограничного слоя воздуха на стенках, ограничивающих с наружной стороны канал для движения воздуха, проходящего через компрессор 10 высокого давления, что будет иметь следствием уменьшение запаса по помпажу для этого компрессора 10.

Этот тип повторного впрыскивания воздуха требует установки воздушного коллектора вокруг наружного кожуха 44 компрессора 10 высокого давления, что оказывается весьма затруднительным в реализации вследствие наличия систем 48, 50, 52 с изменяемым углом установки лопаток и другого оборудования, такого, например, как электрические, смазочные и топливные системы.

В соответствии с предлагаемым изобретением кольцевой воздушный коллектор 56 устанавливается между выполненными в форме тел вращения внутренней стенкой 14 и наружной стенкой 16 промежуточного кожуха 12 и питает средства впрыскивания воздуха, сформированные в кольцевом фланце 18 и в наружном кожухе 44 этого компрессора 10.

Кольцевой воздушный коллектор 56 проходит сквозь по меньшей мере некоторые из радиальных кронштейнов 58 промежуточного кожуха 12 (см. фиг.2). Эти кронштейны 58 проходят сквозь каналы течения первичного потока А воздуха и вторичного потока В воздуха и выполняют функцию передачи усилий в полете и обеспечения возможности прохождения вспомогательных средств или оборудования, такого, например, как электрические кабели, трубопроводы гидравлической системы и т.п. Каждое окружное пространство между двумя последовательно расположенными кронштейнами 58 промежуточного кожуха 12 содержит криволинейную стенку 60, которая проходит в окружном направлении от одного из этих кронштейнов до другого и которая предназначена для отклонения потока воздуха, выходящего из клапана 62 сброса давления, установленного по потоку перед каждой криволинейной стенкой 60 и представленного на фиг.1 в открытом положении.

При взлете и посадке, а также в том случае, когда самолет проходит сквозь облака, имеется возможность вхождения элементов града в первичный поток воздуха и достижения ими камеры сгорания (не показанной на приведенных в приложении фигурах), в которую открывается компрессор 10 высокого давления, следствием чего является опасность возможного самопроизвольного отключения камеры сгорания. Открытие клапанов 62 сброса давления обеспечивает возможность того, чтобы часть потока воздуха, содержащего элементы града, была отклонена криволинейными стенками 60 через решетки 64 кольцевой наружной стенки 16 промежуточного кожуха 12 для его отведения во вторичный поток В воздуха. Таким образом, открытие клапанов 62 сброса давления позволяет в некоторых конфигурациях исключить помпаж компрессора 10 высокого давления.

Поперечное сечение кольцевого коллектора 56 ограничивается с внутренней стороны при помощи имеющей форму тела вращения внутренней стенки 14 промежуточного кожуха 12, с задней по потоку стороны при помощи кольцевого фланца 18 и с передней по потоку стороны при помощи стенок 60 отклонения воздушного потока, вогнутость которых обращена в направлении внутрь коллектора 56. Наружная в радиальном направлении стенка 65 связывает криволинейные стенки 60 с задним по потоку кольцевым фланцем 18 промежуточного кожуха 12 для закрытия коллектора 56.

Коллектор 56 содержит по меньшей мере одно питающее отверстие 66, выполненное в заднем по потоку кольцевом фланце 18 промежуточного кожуха 12 и присоединенное при помощи трубопровода 68 к каналу 54 отбора воздуха.

Средства повторного впрыскивания воздуха запитываются при помощи коллектора 56 для того, чтобы обеспечить впрыскивание, по потоку перед первым подвижным колесом 20, воздуха, отобранного в задней по потоку части компрессора 10 высокого давления. Эти средства повторного впрыскивания воздуха содержат множество отверстий 70, выполненных в заднем по потоку кольцевом фланце 18 и равномерно распределенных на его периферийной части. Эти отверстия 70 позиционированы в радиальном направлении между питающим отверстием 66 и внутренней стенкой 14 промежуточного кожуха 12 и распределены в окружном направлении между болтами 46 крепления наружного кожуха 44 на заднем по потоку фланце 18. Каждое отверстие 70 открывается в своей задней по потоку части в отверстие, сформированное в толще кожуха 44 компрессора 10 высокого давления, которое само, в свою очередь, открывается в канал компрессора по потоку перед первым подвижным колесом 20. Отверстие в наружном кожухе 44 содержит первую переднюю по потоку часть 72 и вторую заднюю по потоку часть 74. Первая часть 72 отверстия в наружном кожухе 44 сформирована в переднем по потоку кольцевом фланце наружного кожуха 44 компрессора 10 и ориентирована таким образом, чтобы ее передний по потоку конец открывался в отверстие 70 заднего по потоку фланца 18, располагающееся между болтами 46, и чтобы его задний по потоку конец открывался в переднем по потоку конце второй части 74 этого отверстия и между двумя лопатками входного лопаточного направляющего аппарата 32 компрессора 10 высокого давления (см. фиг.4). Вторая часть 74 этого отверстия выполнена наклонной и открывается на своем заднем по потоку конце в канал компрессора 10 высокого давления. Эта вторая часть 74 отверстия ориентирована по существу касательным образом по отношению к внутренней поверхности наружного кожуха 44 и в направлении передних кромок лопаток первого подвижного колеса 20 компрессора 10.

Диаметр отверстия 70, выполненного в заднем по потоку фланце 18, превышает диаметр первой части 72 отверстия, выполненного в наружном кожухе 44, который сам, в свою очередь, превышает диаметр второй части 74 отверстия, выполненного в наружном кожухе 44.

Функционирование контура повторного впрыскивания воздуха в компрессор высокого давления осуществляется следующим образом. Часть воздуха, движущегося в канале компрессора 10 высокого давления, отбирается при помощи канала 54 и при помощи трубопровода 68, питающего коллектор 56. Воздух, который движется в кольцевом направлении в коллекторе 56, снова впрыскивается в поток через отверстия 70, 72, 74 заднего по потоку фланца 18 и наружного кожуха 44. Диаметры первой 72 и второй 74 частей отверстия в наружном кожухе 44 могут иметь величину порядка 5 мм и 3 мм соответственно.

В качестве варианта реализации коллектор 56 может содержать несколько питающих отверстий 66, распределенных по окружности заднего по потоку фланца 18, причем каждое из этих питающих отверстий 66 присоединено при помощи трубопровода 68 к каналу 54 отбора воздуха в канале компрессора 10 высокого давления.

Кольцевой коллектор 56 может иметь поперечное сечение, площадь которого изменяется в окружном направлении для того, чтобы обеспечивать по существу однородное давление воздуха во всех отверстиях 70 заднего по потоку фланца 18 и устранять окружные неоднородности статического давления относительно оси 11 компрессора 10, которые могли бы неблагоприятным образом сказываться на его функционировании.

Коллектор 56 может проходить по дуге, протяженность которой составляет 360° или менее. В соответствии со способом реализации, представленным на приведенных в приложении фигурах, этот коллектор 56 проходит на окружной протяженности, составляющей примерно 320°, и пересекает восемь из десяти кронштейнов 58 промежуточного кожуха 12.

Наружная в радиальном направлении стенка 65 коллектора 56 может быть реализована в литейном производстве совместно со стенками 60 отклонения потока воздуха и задним по потоку кольцевым фланцем 18, или же может быть присоединена между стенками 60 отклонения потока воздуха и кольцевым фланцем 18.

Газотурбинный двигатель, например двухконтурный турбореактивный двигатель, включает промежуточный кожух, содержащий выполненную в виде тела вращения внутреннюю стенку, ограничивающую с наружной стороны канал течения первичного потока воздуха и средства отбора воздуха. На заднем по потоку конце закрепляется наружный кожух компрессора высокого давления. Средства отбора воздуха находятся в канале этого компрессора высокого давления и связаны на выходе со средствами повторного впрыскивания воздуха в переднюю по потоку часть этого компрессора высокого давления. Средства отбора воздуха связаны со средствами повторного впрыскивания воздуха при помощи кольцевого коллектора, охватывающего внутреннюю выполненную в форме тела вращения стенку промежуточного кожуха по потоку перед компрессором высокого давления. Они располагаются в радиальном направлении между этой выполненной в форме тела вращения внутренней стенкой и выполненной в форме тела вращения наружной стенкой промежуточного кожуха, которая ограничивает с внутренней стороны канал течения вторичного потока воздуха газотурбинного двигателя. Изобретение позволяет упростить запитывание кольцевого коллектора воздухом не увеличивая массу и длину газотурбинного двигателя. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, например двухконтурный турбореактивный двигатель, включающий промежуточный кожух (12), содержащий выполненную в виде тела вращения внутреннюю стенку (14), ограничивающую с наружной стороны канал течения первичного потока воздуха, на заднем по потоку конце которой закрепляется наружный кожух (44) компрессора (10) высокого давления, и средства (54, 68) отбора воздуха в канале этого компрессора высокого давления, связанные на выходе со средствами (70, 72, 74) повторного впрыскивания воздуха в переднюю по потоку часть этого компрессора (10) высокого давления, отличающийся тем, что средства (54, 68) отбора воздуха связаны со средствами (70, 72, 74) повторного впрыскивания воздуха при помощи кольцевого коллектора (56), охватывающего внутреннюю выполненную в форме тела вращения стенку (14) промежуточного кожуха (12) по потоку перед компрессором высокого давления и располагающегося в радиальном направлении между этой выполненной в форме тела вращения внутренней стенкой (14) и выполненной в форме тела вращения наружной стенкой (16) промежуточного кожуха (12), которая ограничивает с внутренней стороны канал течения вторичного потока воздуха газотурбинного двигателя.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что коллектор (56) проходит между задним по потоку кольцевым фланцем (18) промежуточного кожуха (12) и искривленными стенками (60) отклонения потока воздуха, сформированными в промежуточном кожухе (12) на выходе из клапанов (62) сброса давления.

3. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что коллектор (56) ограничивается, по меньшей мере частично, искривленными стенками (60) отклонения потока воздуха, задним по потоку кольцевым фланцем (18) промежуточного кожуха (12) и выполненной в форме тела вращения внутренней стенкой (14) кожуха (44).

4. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что коллектор (56) содержит наружную в радиальном направлении стенку (65), которая связывает стенки (60) отклонения потока воздуха с задним по потоку кольцевым фланцем (18) промежуточного кожуха (12).

5. Газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что наружная в радиальном направлении стенка (65) коллектора (56) реализуется в литейном производстве совместно со стенками (60) отклонения потока воздуха и задним по потоку кольцевым фланцем (18).

6. Газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что наружная в радиальном направлении стенка (65) коллектора (56) присоединяется между стенками (60) отклонения потока воздуха и задним но потоку кольцевым фланцем (18).

7. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что коллектор (56) проходит через по меньшей мере некоторые из радиальных кронштейнов (58) промежуточного кожуха (12).

8. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что коллектор (56) имеет угловую протяженность, меньшую или равную 360°.

9. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что коллектор (56) имеет поперечное сечение, площадь которого изменяется в окружном направлении таким образом, чтобы обеспечивать, по существу, однородное давление воздуха во всех средствах (70, 72, 74) повторного впрыскивания воздуха.

10. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что коллектор (56) содержит по меньшей мере одно питающее отверстие (66), выполненное в заднем по потоку кольцевом фланце (18) промежуточного кожуха (12) и связанное со средствами (54, 68) отбора воздуха.

11. Газотурбинный двигатель по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что средства для повторного впрыскивания воздуха содержат множество отверстий (70), выполненных в заднем по потоку кольцевом фланце (18) промежуточного кожуха (12) и распределенных на периферийной части коллектора (56).

12. Газотурбинный двигатель по п.11, отличающийся тем, что каждое из отверстий (70) открывается с задней по потоку стороны в другое отверстие, сформированное в толще наружного кожуха (44) компрессора (10), причем это другое отверстие открывается в канал компрессора по потоку перед первым подвижным колесом (20).

13. Газотурбинный двигатель по п.12, отличающийся тем, что упомянутое другое отверстие содержит первую часть (72), открывающуюся во вторую наклонную часть (74), ориентированную в направлении передних кромок лопаток первого подвижного колеса (20) компрессора (10).