ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F01D11/18 F01D11/24 

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным газотурбинным двигателям ГТД, и может найти применение в авиастроении, судостроении, на газоперекачивающих станциях и для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.

Известен газотрубинный двигатель по патенту на изобретение №2435039, МПК F01D 11/24, опубл 27.04.08 г. Это изобретение относится к области регулирования зазора между вершинами подвижных лопаток и стационарным кольцевым узлом в газовой турбине. Корпус турбины включает радиальную стенку и содержит со стороны своей внутренней поверхности опору для крепления кольца, окружающего подвижные лопатки турбины. Опора содержит периферийную стенку, окружающую кольцо соосно с ним. Корпус включает в себя множество перфораций, обеспечивающих подачу воздуха для равномерной вентиляции наружной поверхности периферийной стенки. Перфорации образованы через радиальную стенку корпуса, проходящую радиально внутрь. Стенка по существу охватывает вентиляционную камеру, которая также образована внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью периферийной стенки опоры. Вентиляционная камера включает в себя небольшое отверстие между радиальным ребром опоры и внутренней поверхностью радиальной стенки для выпуска воздуха из камеры. Другие изобретения группы относятся к турбине, содержащей указанный выше корпус, и турбомашине, включающей такую турбину. Изобретения позволяют повысить равномерность температурного поля опоры крепления кольца, окружающего подвижные лопатки турбины.

Недостатки - конструктивная сложность и невозможность регулирования радиального зазора на всех режимах работы двигателя.

Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2235908, МПК F04C 18/00, опубл. 10.09.04 г. Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и надежности компрессора за счет использования системы перепуска воздуха для регулирования радиальными зазорами между статором и ротором. Сущность изобретения заключается в том, что в компрессоре газотурбинного двигателя с клапанами перепуска воздуха, включающем наружный корпус и внутренний корпус с отверстиями перепуска воздуха из последовательно расположенных направляющих аппаратов и фланцы, разделяющие воздушную полость между наружным и внутренним корпусами, при этом средний фланец установлен телескопически относительно внутреннего корпуса и выполнен с зигзагообразной радиальной стенкой, согласно изобретению зигзагообразная радиальная стенка последовательно отделяет отверстия с клапанами перепуска друг от друга в наружном корпусе, причем h/d=0,5…2; h₁/d₁=1…2,5; F/F_отв=1,1…2; F₁/F_отв1=1,1…2, где h - минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и внутренним корпусом; h₁ - минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и наружным корпусом; d - диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе в первом по потоку воздуха направляющем аппарате; d₁ - диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе во втором по потоку воздуха направляющем аппарате; F_отв - суммарная площадь отверстий диаметром d; F_отв1 - суммарная площадь отверстий диаметром d₁; F - суммарная площадь клапанов перепуска воздуха первого по потоку направляющего аппарата; F₁ - суммарная площадь клапанов перепуска воздуха второго по потоку направляющего аппарата.

Недостаток - конструктивная сложность.

Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2304221? МПК F01D 11/14, опубл. 10.08.07 г, прототип. Этот ГТД содержит компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие лопатки, и турбину, содержащую корпус и как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины.

Недостатки - низкая эффективность регулирования радиального зазора, особенно на переходных режимах, при форсировании или дросселировании двигателя, конструктивная сложность устройства регулирования радиального зазора.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие лопатки, и турбину, содержащую корпус и как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины, средство регулирования радиального зазора выполнено в виде кольцевой вставки из материала «с памятью формы» в корпусе компрессора и/или турбины и установлено над соответствующими рабочими лопатками как минимум одной ступени. Кольцевая вставка может быть выполнена пористой. На внутренней поверхности кольцевой вставки нанесено мягкое покрытие, например графитовое. На внутренней поверхности кольцевой вставки могут быть закреплены панели «сотового уплотнения».

Применение материала с «памятью формы» для регулирования радиального зазора в турбомашинах известно из патента ЕР №1686243, МПК F01D 11/18, опубл. 02.08.2006 г. Однако в этом техническом решении материал с «памятью формы» используется как средство (исполнительный орган) для радиального перемещения кольцевых вставок, выполненных из обычного материала. В заявленном техническом решении сами кольцевые вставки выполнены из материала с «памятью формы» и не содержат другие средства управления. Это упрощает конструкцию устройства.

Сущность изобретения представлена на чертежах (фиг.1-10), где:

- на фиг.1 представлена схема газотурбинного двигателя,

- на фиг.2 представлена схема регулирования радиальных зазоров в компрессоре ГТД,

- на фиг.3 представлена схема регулирования радиальных зазоров в турбине ГТД,

- на фиг.4 представлена схема образования радиального зазора на крейсерском режиме,

- на фиг.5 представлена схема образования радиального зазора при форсировании двигателя.,

- на фиг.6 представлена вставка с мягким покрытием,

- на фиг.7 представлена вставка с сотовым уплотнением.

Конструкция газотурбинного двигателя представлена на чертежах фиг 1-10. Газотурбинный двигатель (ГТД) содержит входное устройство 1 с входным обтекателем 2, компрессор 3, камеру сгорания 4, турбину 5, выхлопное устройство 6, выходной обтекатель 7, валы 8 и 9, опоры 10 и 11.

Компрессор 3 содержит корпус 12, по меньшей мере, одну ступень 13, которая в свою очередь содержит направляющий аппарат 14 и рабочие лопатки 15 и диски 16.

Турбина 5 также содержит корпус 17, по меньшей мере одну ступень 18. На фиг.1 приведена турбина 5 с тремя ступенями 18, каждая из которых, в свою очередь, содержит сопловой аппарат 19 и рабочие лопатки 20 и диски 21.

Кроме того, компрессор 3 и/или турбина 5 содержит средства регулирования радиального зазора 22. Средства регулирования радиального зазора 22 для компрессора 3 и турбины 5 выполнены одинаковыми по конструкции (фиг 2 и 3).

Средства регулирования радиального зазора 22 для компрессора 3 (фиг.2) содержат кольцевую вставку 23 из полупроводникового материала, установленную внутри корпуса 12 над рабочими лопатками 15.

Средства регулирования радиального зазора 22 для турбины 5 (фиг.3) содержат установленную кольцевую вставку 24, установленную внутри корпуса 17 над рабочими лопатками 20. Кольцевая вставка 23 или 24 выполнена из материала «с памятью формы».

Средства регулирования радиального зазора 22 могут быть установлены и на компрессоре 3 и на турбине 5 одновременно.

На фиг.4 приведена схема образования радиального зазора δ1 на крейсерском режиме, а на фиг.5 показано изменение радиальных зазоров δ2 в ГТД на режиме форсирования. Сравнение показывает, что радиальный зазор δ2 всегда меньше чем радиальный зазор δ1.

Возможно нанесение на внутренней поверхности вставок 23 и 36 мягкого покрытия 25 (фиг.6) или сотового уплотнения 26 (фиг.7). Применение мягкого покрытия 25 и сотового уплотнения 26 возможно как в компрессоре 3, так и в турбине 5.

Работа ГТД осуществляется следующим образом.

При резком изменении режима работы газотурбинного двигателя, например, при его форсировании, температура продуктов сгорания перед турбиной 5 возрастает, частота вращения валов 8 и 9 ГТД также возрастает, степень сжатия воздуха в компрессоре 3 увеличивается, температура воздуха в компрессоре 3 увеличивается. На крейсерском режиме радиальный зазор δ1, а на форсажном режиме радиальные зазоры δ2 изменялись бы, как это указано на фиг.7, в сторону уменьшения, т.е. зазоры компенсируют резкое увеличение диаметра корпуса D2. Это получается за счет того, что высота вставки 23 в компрессоре 3 (или 24 в турбине 5) увеличивается.

Применение изобретения позволило упростить конструкцию устройства.

В заявленном техническом решении сами кольцевые вставки выполнены из материала с «памятью формы» и не содержат других средств управления. Это упрощает конструкцию устройства (меньше деталей).

Газотурбинный двигатель содержит компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие лопатки, и турбину, содержащую корпус и как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины. Средство регулирования радиального зазора выполнено в виде кольцевой вставки из материала «с памятью формы» в корпусе компрессора и/или турбины, установленной над соответствующими рабочими лопатками как минимум одной ступени. Средство регулирования выполнено пористым. На внутренней поверхности кольцевой вставки нанесено мягкое покрытие, например графитовое, или могут быть закреплены панели «сотового уплотнения». Достигается эффективное регулирование радиальных зазоров, повышение тяги двигателя на взлетном и форсажном режиме, повышение КПД и надежности двигателя. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие лопатки, и турбину, содержащую корпус и как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины, отличающийся тем, что средство регулирования радиального зазора выполнено в виде кольцевой вставки из материала «с памятью формы» в корпусе компрессора и/или турбины, установленной над соответствующими рабочими лопатками как минимум одной ступени, причем средство регулирования выполнено пористым.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности кольцевой вставки нанесено мягкое покрытие, например графитовое.

3. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности кольцевой вставки закреплены панели «сотового уплотнения».