ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F02C7/47 F02C7/18 

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

Противообледенительная система (ПОС) газотурбинного двигателя (ГТД) предназначена для сведения к минимуму влияния метеорологических условий, вызывающих обледенение двигателя, на безопасность и регулярность полетов.

Известна противообледенительная система газотурбинного двигателя, содержащая теплообменник, установленный в проточной части двигателя, через который воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, подается в систему охлаждения турбины, теплообменник установлен перед входом в компрессор (патент US 2812897 А, МПК F02C 7/047, 1957).

Известны системы охлаждения газовых турбин, в которых используют воздух, отбираемый от компрессора двигателя (Теория авиационных двигателей. Под ред. П.К. Казанджана. - М.: Машиностроение, 1983, с. 189, рис. 1.11). Их эффективность при степенях повышения давления воздуха в компрессоре более 25 снижается из-за роста температуры охлаждающего воздуха (там же, с. 196, рис. 11.10).

Известна система защиты газотурбинного двигателя от попадания посторонних предметов, в которой используется защитная сетка, установленная на входе в компрессор двигателя. Система установлена на самолете Су-27. Недостатком системы является высокая вероятность обледенения сетки, что делает ее использование небезопасным.

Целью изобретения является повышение безопасности эксплуатации ГТД, их газодинамической эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что в проточной части ГТД перед входом в компрессор, степень повышения давления которого более 25, установлен теплообменник, через который воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, подается в систему охлаждения турбины. Для исключения возможности появления отрицательных температур на входе в двигатель при температурах наружного воздуха от плюс 5 до минус 25°С, при которых возможно обледенение, расход воздуха, отбираемого от компрессора, составляет δ=(0,05÷0,08)·(1+m), где δ - доля отбираемого воздуха; m - степень двухконтурности ГТД.

Сущность изобретения заключается в том, что тепловая энергия воздуха, отбираемого от высоконапорного компрессора, в количествах, указанных выше, используется (достаточна) для защиты двигателя от обледенения, а хладоресурс, поступающего в двигатель воздуха, - для дополнительного охлаждения турбины.

Дополнительно:

для защиты двигателя от попадания посторонних предметов между теплообменником и входом в компрессор установлена защитная сетка;

для регулирования (в зависимости от температуры наружного воздуха) расхода воздуха, отбираемого от компрессора, в магистрали его подачи установлен регулятор расхода воздуха.

На фиг. 1 изображен двухконтурный ГТД, оборудованный ПОС;

на фиг. 2 показаны температуры газа перед турбиной и подогревы воздуха в теплообменнике для ГТД с различными степенями повышения давления в компрессоре.

В канале двухконтурного ГТД (фиг. 1) на входе в компрессор установлен теплообменник 1. Через теплообменник 1 проходит воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, который подается в систему охлаждения турбины. В магистрали подачи воздуха от компрессора до теплообменника установлен регулятор расхода воздуха 2. Между теплообменником 1 и входом в компрессор установлена защитная сетка 3.

Работа ПОС осуществляется следующим образом. Воздух сжимается в компрессоре, степень повышения давления которого более 25, нагревается. Часть воздуха δ=(0,05÷0,08)·(1+m), где m - степень двухконтурности ГТД, поступает в теплообменник 1. В результате теплообмена воздух, поступающий в компрессор, нагревается до температуры, при которой обледенение двигателя (сетки) не наступает, а воздух, поступающий из теплообменника в систему охлаждения турбины, охлаждается. Величина относительного расхода воздуха δ изменяется в пределах, указанных выше, в зависимости от температуры наружного воздуха при помощи регулятора 2.

При положительных температурах наружного воздуха необходимость в защите двигателя (сетки) от обледенения отпадает. В этом случае регулятор расхода воздуха 2 устанавливается на минимальный расход воздуха δ, при котором обеспечивается потребное охлаждение турбины.

На фиг. 2 представлены результаты оценки эффективности ПОС. Оценка выполнена с использованием коэффициентов интенсивности охлаждения воздуха в теплообменнике υ₁ и лопаток в турбине υ₂, представляющими собой: а) отношение разности температур воздуха за компрессором и на входе в систему охлаждения турбины к перепаду температур воздуха между выходом из компрессора и входом в двигатель; б) отношение разности температур газа и лопатки турбины к перепаду температур между температурой газа перед турбиной и температурой воздуха на входе в систему охлаждения турбины (Теория авиационных двигателей. Под ред. П.К. Казанджана. - М.: Машиностроение, 1983, с. 193).

Исходные данные: температура лопаток турбины Т_л=1100 К; коэффициент интенсивности охлаждения воздуха в теплообменнике υ₁=0,5; коэффициент интенсивности охлаждения лопаток в турбине υ₂=0,6÷0,65; относительный расход воздуха δ=(0,05÷0,08)·(1+m); степень повышения давления в компрессоре π_к=20÷40.

Из фиг. 2 видно, что применение ПОС (при заданных коэффициентах интенсивности охлаждения) обеспечивает подогрев воздуха ΔТ_теп на входе в двигатель, при котором обледенение двигателя (сетки) не наступает (при температурах наружного воздуха, больших минус 25°С, и π_к, больших 25, температура воздуха на входе в двигатель остается положительной). Также видно, что применение ПОС позволяет повысить температуру газа перед турбиной Т_г* более чем на 20% по отношению к охлаждению, при котором воздух, отбираемый от компрессора, подается в турбину непосредственно (без теплообменника).

Применение ПОС позволяет повысить безопасность эксплуатации ГТД за счет исключения попадания льда в двигатель, а с сеткой - и других посторонних предметов.

Применение ПОС позволяет повысить эффективность ГТД как тепловой машины за счет повышения температуры газа перед турбиной до 2000 К и более как следствие охлаждения лопаток турбины более холодным воздухом.

Применение ПОС позволяет улучшить тяговые и расходные характеристики ГТД при температурах наружного воздуха менее минус 15°С за счет оптимизации программы регулирования двигателя (отпадает необходимость использования ограничителя приведенных оборотов, который снижает физическую частоту вращения турбокомпрессора).

Наибольший эффект от применения ПОС (δ<0,16) достигается на двигателях со степенями двухконтурности менее единицы.

Противообледенительная система газотурбинного двигателя содержит теплообменник, установленный в проточной части двигателя перед входом в компрессор двигателя. Воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, через теплообменник подается в систему охлаждения турбины. Степень повышения давления в компрессоре более 25, а расход воздуха, отбираемого от компрессора, составляет δ=(0,05÷0,07)·(1+m), где δ - доля отбираемого от компрессора воздуха; m - степень двухконтурности двигателя. Между теплообменником и компрессором установлена защитная сетка. Противообледенительная система защищает двигатель от попадания льда и других посторонних предметов, улучшает тяговые и расходные характеристики двигателя. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Противообледенительная система газотурбинного двигателя, содержащая теплообменник, установленный в проточной части двигателя перед входом в компрессор двигателя, в которой воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, через теплообменник подается в систему охлаждения турбины, отличающаяся тем, что степень повышения давления в компрессоре более 25, а расход воздуха, отбираемого от компрессора, составляет δ=(0,05÷0,07)·(1+m), где δ - доля отбираемого от компрессора воздуха; m - степень двухконтурности двигателя.

2. Противообледенительная система газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что между теплообменником и входом в компрессор установлена защитная сетка.

3. Противообледенительная система газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что в магистрали подачи воздуха установлен регулятор расхода воздуха.

4. Противообледенительная система газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что степень двухконтурности двигателя менее единицы.