ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F02C7/06 F02C7/14 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и может быть использовано в авиационной промышленности.

Известен газотурбинный двигатель, в котором воздушные полости вала и подшипниковых опор соединены с компрессором с помощью радиальных воздушных полостей (патент RU №2124644, F02C 7/06, опубл. 10.01.1999 г.).

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за возможной утечки масла из масляных полостей подшипниковых опор на пониженных режимах работы газотурбинного двигателя.

Наиболее близким к заявленному является газотурбинный двигатель, в котором воздушные полости валов и подшипниковых опор соединены с кольцевыми коллекторами повышенного и пониженного давления воздуха с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора повышенного давления воздуха на коллектор пониженного давления воздуха (патент RU №2324063, МПК F02C 7/06, 7/047, опубл. 10.05.2008 г.).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность вследствие повышенной температуры воздуха, отбираемого из коллектора повышенного давления, что может привести к коксованию масла и перегреву подшипников в опорах, что может привести к поломке газотурбинного двигателя.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности газотурбинного двигателя за счет снижения температуры воздуха, поступающего из коллектора повышенного давления на охлаждение валов газотурбинного двигателя и на наддув воздушных полостей подшипниковых опор.

Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинном двигателе, воздушные полости валов и подшипниковых опор в котором соединены с кольцевыми коллекторами повышенного и пониженного давления воздуха, выполненными с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора повышенного на коллектор пониженного давления воздуха, коллектор пониженного давления воздуха на входе соединен с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора низкого давления, а коллектор повышенного давления воздуха на входе соединен с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора высокого давления, причем между коллектором повышенного давления воздуха и воздушными полостями подшипниковых опор и валов установлен воздухо-воздушный теплообменник, размещенный в канале наружного контура газотурбинного двигателя.

Соединение коллектора пониженного давления воздуха на входе с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора низкого давления позволяет на основных режимах работы газотурбинного двигателя надежно охладить валы вентилятора и турбины низкого давления, а также подшипниковые опоры вентилятора, компрессора высокого давления, турбины высокого давления и турбины низкого давления; исключить подтекание масла из масляных полостей опор подшипников за счет наддува избыточным давлением воздуха лабиринтных уплотнений опор. Такое выполнение конструктивных частей газотурбинного двигателя позволяет получить воздушный поток, который является оптимальным по сочетанию температуры и давления для охлаждения и наддува валов и подшипниковых опор.

Соединение коллектора повышенного давления воздуха на входе с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора высокого давления позволяет обеспечить наддув избыточным давлением воздуха лабиринтных уплотнений опор на пониженных режимах работы двигателя, когда ротор компрессора низкого давления, установленный на рабочем колесе вентилятора, имеет низкие обороты и, соответственно, низкое давление на выходе из третьей ступени компрессора низкого давления.

Наличие воздухо-воздушного теплообменника между коллектором повышенного давления воздуха и воздушными полостями валов и подшипниковых опор позволяет снизить температуру воздуха на пониженных режимах работы двигателя на входе в воздушные полости опор и валов, что повышает надежность газотурбинного двигателя.

Размещение воздухо-воздушного теплообменника в канале наружного контура газотурбинного двигателя обеспечивает охлаждение теплообменника воздухом канала наружного контура, что позволяет за счет повышения температуры воздуха в канале наружного контура, получаемого при охлаждении теплообменника, увеличить тягу и улучшить экономичность газотурбинного двигателя, а также снизить отрицательное влияние отбора «дорогого» воздуха из-за третьей ступени компрессора высокого давления.

На фиг.1 изображен продольный разрез газотурбинного двигателя.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

На фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.

На фиг.4 - элемент III на фиг.1 в увеличенном виде.

Газотурбинный двигатель 1 включает вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру сгорания 5, турбину 6 высокого давления и турбину 7 низкого давления. Ротор 8 компрессора 3 низкого давления установлен на рабочем колесе 9 вентилятора 2, которое в свою очередь с помощью вала 10 установлено в шарикоподшипнике 11 передней опоры 12 вентилятора 2. Ротор 13 компрессора 4 высокого давления с помощью вала 14 установлен в шарикоподшипнике 15 опоры 16 компрессора 4 высокого давления, а ротор 17 турбины 6 высокого давления установлен в роликоподшипнике 18 опоры 19 турбины 6 высокого давления. Ротор 20 турбины 7 низкого давления задним хвостовиком 21 вала 22 турбины 7 низкого давления установлен в роликоподшипнике 23 опоры 24 турбины 7 низкого давления. Поток 25 воздуха из вентилятора 2 поступает в канал 26 наружного контура, из которого через сопло 27 наружного контура выбрасывается в атмосферу.

Воздушные полости 28 подшипниковых опор 12, 16, 19, 24 и валов 10, 22 соединены с кольцевыми коллекторами 29 и 30 соответственно пониженного и повышенного давления воздуха с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора 30 повышенного давления воздуха на коллектор 29 пониженного давления воздуха. Коллектор 29 пониженного давления воздуха на его входе соединен с проточной частью 31 газотурбинного двигателя 1 за третьей ступенью 32 компрессора 3 низкого давления. Коллектор 30 повышенного давления на его входе соединен с проточной частью 33 газотурбинного двигателя 1 за третьей ступенью 34 компрессора 4 высокого давления. Между коллектором 30 повышенного давления воздуха и воздушными полостями 28 подшипниковых опор 12, 16, 19, 24 и валов 10, 22 установлен воздухо-воздушный теплообменник 35, размещенный в канале 26 наружного контура газотурбинного двигателя 1.

На основных режимах работы газотурбинного двигателя 1 охлаждающий воздух, поступающий в коллектор 29 пониженного давления из проточной части 31 за третьей ступенью 32 компрессора 3 низкого давления, через механизм 36 переключения отборов воздуха поступает по каналам 37 на наддув воздушных полостей 28 опор 12, 16, 19, 24 и на охлаждение валов 10 и 22, обеспечивая надежную работу двигателя 1. На пониженных и переходных режимах работы газотурбинного двигателя 1 механизм 36 переключения отборов воздуха соединяет каналы 37 с коллектором 30 повышенного давления воздуха, соединенного на входе с проточной частью 33 газотурбинного двигателя 1 за третьей ступенью 34 компрессора 4 высокого давления, тем самым предотвращая поступление масла из масляных полостей 38, в воздушные полости 28 опор 12, 16, 19, 24 и далее - в газовоздушный тракт 39. Отбираемый из коллектора 30 поток 40 воздуха повышенного давления имеет избыточную температуру, и для ее снижения между коллектором 30 и механизмом 36 переключения отборов воздуха в канале 26 наружного контура установлен воздухо-воздушный теплообменник 35, в котором поток 40 воздуха повышенного давления охлаждается до необходимой температуры потоком 25 воздуха канала 26 наружного контура. Это приводит к подогреву потока 25 воздуха наружного контура и к повышению тяги газотурбинного двигателя 1 за счет повышения скорости истечения воздуха из сопла 27 наружного контура. Далее охлажденный поток 40 воздуха повышенного давления по каналам 37 поступает на охлаждение валов 10 и 12, а также на наддув воздушных полостей 28 опор 12, 16, 19 и 24.

Использование воздуха из-за третьей ступени компрессора 3 низкого давления для охлаждения валов 10 и 22, а также для наддува и охлаждения опор 12, 16, 19 и 24 позволяет улучшить экономичность газотурбинного двигателя 1 на основных режимах его работы, так как используется наименее «дорогой» охлаждающий воздух.

В газотурбинном двигателе воздушные полости валов и подшипниковых опор соединены с кольцевыми коллекторами повышенного и пониженного давления воздуха, выполненными с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора повышенного на коллектор пониженного давления воздуха. Коллектор пониженного давления воздуха на входе соединен с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора низкого давления. Коллектор повышенного давления воздуха на входе соединен с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора высокого давления. Между коллектором повышенного давления воздуха и воздушными полостями подшипниковых опор и валов установлен воздухо-воздушный теплообменник, размещенный в канале наружного контура газотурбинного двигателя. Изобретение повышает надежность газотурбинного двигателя путем снижения температуры воздуха, поступающего из коллектора повышенного давления на охлаждение валов газотурбинного двигателя и на наддув воздушных полостей подшипниковых опор. 4 ил.

Газотурбинный двигатель, воздушные полости валов и подшипниковых опор в котором соединены с кольцевыми коллекторами повышенного и пониженного давления воздуха, выполненными с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора повышенного на коллектор пониженного давления воздуха, отличающийся тем, что коллектор пониженного давления воздуха на входе соединен с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора низкого давления, а коллектор повышенного давления воздуха на входе соединен с проточной частью газотурбинного двигателя за третьей ступенью компрессора высокого давления, причем между коллектором повышенного давления воздуха и воздушными полостями подшипниковых опор и валов установлен воздухо-воздушный теплообменник, размещенный в канале наружного контура газотурбинного двигателя.