ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ВАЛАМИ Российский патент 2016 года по МПК F02C3/10 

2420-184715RU/072

Настоящее изобретение относится к области авиационной тяги и в особенности к турбинным двигателям с газогенератором и свободной турбиной.

Турбомашины обычно используются для обеспечения тяги летательных аппаратов и, в частности, для обеспечения тяги и подъемной силы летательных аппаратов с вращающимся винтом или вертолетов. Эти двигатели содержат газогенератор, образованный компрессором, кольцевой камерой сгорания и турбиной, называемой генераторной турбиной, которая приводит в движение компрессор с помощью вала, называемого генераторным валом. Газогенератор является обычно одноступенчатым, то есть он содержит только один компрессор и единственную турбину, соединенные между собой одним валом, но он может быть также многоступенчатым, то есть содержать несколько компрессоров и несколько турбин, при этом каждый компрессор связан с турбиной специальным валом. Выходящий из газогенератора газ направляется затем на вторую турбину, называемую свободной турбиной, которая соединена с силовым валом, не зависимого от одного или нескольких генераторных валов и который передает полезную мощность для тяги. Этот вал приводит в действие редуктор, связанный с основной коробкой передач вертолета (или ВТР), которая приводит в движение ступицу основного несущего винта и рулевого винта. Эта редукторная система обычно сочленена с коробкой приводов вспомогательных агрегатов для оборудования, необходимого для правильного функционирования двигателя или летательного аппарата.

С целью упрощения конструкции свободная турбина обычно размещена на выходе последней турбины генератора, и вал, который она приводит в движение, коаксиален валу газогенератора. Этот силовой вал может выходить сзади двигателя, либо, как в большинстве случаев, располагаться концентрично с валом газогенератора и выходить спереди. С целью уменьшения габаритов и/или облегчения доступа такая конструкция позволяет разместить редуктор и коробку приводов вспомогательных агрегатов на уровне воздухозаборника газогенератора.

Такие двигатели с концентрическими валами, как, например, двигатель, описанный в британском патенте GB 594207, имеют тот недостаток, что они сложны в изготовлении и, следовательно, представляют определенную трудность для их изготовления относительно недорогими. К этому добавляется сложность камеры сгорания вследствие ее кольцевой формы, что также мешает удешевлению производства; такая кольцевая форма требует значительного количества точек впрыска, что на двигателях малого размера усложняет установку устройств для уменьшения выбросов окислов азота NO_x.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков путем предложения турбинного двигателя малых размеров, который не имеет некоторых проблем известных турбинных двигателей и который имеет простую конструкцию для уменьшения стоимости производства и позволяет использовать устройства для уменьшения выбросов NO_x.

Для достижения этой цели объектом изобретения является турбинный двигатель со свободной турбиной, содержащий газогенератор, включающий в себя, по меньшей мере, один питаемый воздухом компрессор, камеру сгорания, в которую с выхода упомянутого компрессора поступает сжатый воздух, и, по меньшей мере, одну генераторную турбину, механически связанную с упомянутым компрессором приводным валом и приводимую в движение газами - продуктами сгорания топлива, осуществляемого в упомянутой камере сгорания, и содержащий также свободную турбину, питаемую газами - продуктами сгорания после их прохода через упомянутую генераторную турбину, и которая приводит во вращение силовой вал, размещенный некоаксиально с приводным валом газогенератора и передающий мощность турбинного двигателя через редуктор, отличающийся тем, что камера сгорания представляет собой, по существу, камеру сгорания цилиндрической формы или формы усеченного конуса, коаксиальную с осью генераторной турбины и содержащую единственный инжектор.

Под коаксиальными валами понимают два вала, которые расположены в продолжение друг друга независимо от их относительного направления вращения.

Такое расположение валов обеспечивает свободу для размещения двух частей двигателя и позволяет выбрать камеру сгорания, называемую камерой с единой чашей, то есть имеющей, по существу, цилиндрическую форму или форму усеченного конуса с единственным инжектором, размещенным в центре этого цилиндра, что позволяет легко встроить инжекторную систему, обеспечивающую уменьшение образования окислов азота. Камера сгорания, коаксиальная с осью генераторной турбины, имеет то преимущество, что она не вызывает чрезмерного увеличения габаритных размеров, которое не соответствовало бы ни одной из искомых целей, а именно изготовлению турбинного двигателя малого размеров. Кроме того, газы с выхода камеры сгорания направляются непосредственно на турбину генератора, что не требует наличия днища камеры сгорания, которое, в противном случае, являлось бы необходимым для выравнивания потока газов и которое было бы необходимо охлаждать. Учитывая весьма высокую температуру газов на выходе камеры сгорания в современных двигателях, в предложенной конструкции устраняют эту операцию, которую было бы особенно трудно осуществить.

Предпочтительным образом силовой вал ориентирован параллельно упомянутому приводному валу. Такое расположение придает двигателю большую компактность. Еще более предпочтительно, редуктор сочленен с коробкой приводов вспомогательных агрегатов, при этом оба расположены в продольном направлении, по существу, на уровне воздухозаборника компрессора. Таким образом, компактность увеличивается еще больше, и система редуктор - коробка приводов вспомогательных агрегатов расположена в относительно холодной зоне.

Предпочтительно камера сгорания содержит инжектор с технологией LPP (Lean Premixed Prevaporised, для обедненной, предварительно смешанной и предварительно испаренной топливовоздушной смеси). Цилиндрическая или усеченная конусная форма камеры позволяет осуществить установку инжектора этого типа, который является относительно громоздким, но оптимальным для уменьшения выбросов окислов азота.

В варианте воплощения выход камеры сгорания ориентирован в направлении компрессора. Такое расположение способствует компактности двигателя.

Предпочтительно газы, являющиеся продуктом сгорания, поступают в кольцевой коллектор, расположенный на выходе генераторной турбины, для их перемещения в кольцевую распределительную камеру, расположенную на входе свободной турбины.

Предпочтительно, картер системы редуктор - коробка приводов вспомогательных агрегатов и картер газогенератора объединены в едином картере. Конструкция устройства смазки системы таким образом упрощается, и общий картер является более легким и менее дорогим.

В особом варианте воплощения газогенератор является многоступенчатым генератором, содержащим компрессор высокого давления и компрессор низкого давления, турбину высокого давления и турбину низкого давления, при этом упомянутые турбины приводят в движение упомянутые компрессоры с помощью соответственно приводного вала высокого давления и приводного вала низкого давления, причем силовой вал, приводимый в движение свободной турбиной, не коаксиален с приводным валом высокого давления упомянутого генератора, а камера сгорания коаксиальна с приводным валом высокого давления.

Предпочтительно в случае многоступенчатого турбинного двигателя силовой вал коаксиален с приводным валом низкого давления. Еще более предпочтительно, приводной вал низкого давления выполнен полым, и внутри него проходит силовой вал.

В особых вариантах воплощения турбинный двигатель снабжен высокоскоростным электрическим генератором переменного тока и/или теплообменником горячие газы/сжатый воздух между газами на выходе свободной турбины и воздухом на выходе из компрессора.

Изобретение касается также турбинного двигателя, содержащего, по меньшей мере, одно описанное выше устройство.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 схематично изображает в разрезе вид турбинного двигателя в соответствии с вариантом воплощения по изобретению;

- фиг.2 изображает принципиальную схему двухступенчатого турбинного двигателя со свободной турбиной, выполненного в соответствии с вариантом воплощения изобретения.

- фиг.3 схематично изображает канал для передачи газов между двумя частями турбинного двигателя по изобретению.

На фиг.1 изображен в разрезе турбинный двигатель со свободной турбиной, выполненный из двух расположенных встык частей, при этом первая часть содержит совокупность частей, образующих газогенератор, а вторая часть включает в себя элементы, образующие свободную турбину и редуктор. Первая часть содержит компрессор 1, представленный в данном случае центробежным компрессором, в который поступает воздух через всасывающее сопло 2, направляющее сжатый воздух в выходную улитку 3. Улитка размещена в виде короны вокруг компрессора с непрерывно возрастающим сечением для приема этого сжатого воздуха и подачи его через входные каналы 4 передачи в цилиндрическую камеру 5 сгорания, где он участвует в сгорании топлива, впрыскиваемого инжектором 6. Газы от этого сгорания подвергаются первому расширению в генераторной турбине 7, связанной с компрессором 1 генераторным валом 15, затем собираются в кольцевом коллекторе 8 для прохода во вторую часть двигателя. Вращающиеся детали газогенератора, требующие смазки, такие как подшипники или зубчатые колеса, размещены в картере двигателя 17.

Газы поступают из выходного кольцевого коллектора 8 турбины генератора 7 в расположенную на входе свободной турбины распределительную камеру 10 через выходной канал 9 передачи, схематично изображенный на фиг.1 и более детально на фиг.3.

Газы выходят из распределительной камеры 10, проходя через свободную турбину 11, где они подвергаются второму расширению, отдавая свою энергию свободной турбине. Свободная турбина установлена на силовом валу 12, который отбирает энергию газов. Этот силовой вал сочленен с редуктором 13 для уменьшения его частоты вращения и передачи мощности на главную коробку передач вертолета (не изображенную на чертеже) с помощью передающего вала 14. Система редуктор - коробка приводов вспомогательных агрегатов находится в картере коробки 16.

Обе части, образующие турбинный двигатель, размещены, как изображено на фиг.1, параллельно одна другой таким образом, что механические детали, требующие смазки, сгруппированы в одной зоне. Картер коробки 16 и картер газогенератора 17 образуют единый картер, что облегчает смазку системы этих деталей и позволяет уменьшить общую массу этого элемента.

Вследствие выбранной конструкции с разделением турбинного двигателя на две части, камера сгорания 5 не пересекается приводным валом 15, как в случае двигателя из известного уровня техники. Устранение недостатка, связанного с наличием этого вала, создает новые возможности для выбора формы, которую может принимать камера, и, в частности, она может принимать цилиндрическую форму, как изображено на фиг.1. Она имеет также ориентацию, противоположную ориентации двигателей из известного уровня техники с выходом газов, который ориентирован в направлении компрессора 1. Приводной вал может быть также значительно укорочен, что приводит к упрощению его изготовления и, в конечном итоге, к уменьшению его веса.

Со ссылкой на фиг.2 ниже будет описан второй вариант воплощения, в соответствии с которым изобретение используется в двухступенчатом турбинном двигателе. Два генераторных вала 15 и 25 ступеней низкого и высокого давления газогенератора, в данном случае, не коаксиальны. Вал ступени низкого давления 25 является полым, и сквозь него проходит силовой вал 12 свободной турбины.

Функционирование этого турбинного двигателя второго варианта воплощения аналогично предыдущему функционированию первого варианта воплощения с воздухом, который всасывается во входное сопло, затем сжимается в компрессоре низкого давления (или ВР) 21. Этот воздух затем поступает по первому входному каналу 24 передачи в компрессор высокого давления (или НР) 1. После второго сжатия, осуществляемого в компрессоре НР, он поступает по второму входному каналу 4 передачи в цилиндрическую камеру 5 сгорания и участвует в сгорании топлива, вводимого в эту камеру инжектором 6. После сгорания газы расширяются в турбине 7 высокого давления, механически связанной с компрессором НР 1 приводным валом НР 15, и проходят по выходному каналу 9 передачи в распределительную камеру, расположенную на входе турбины ВР. Из этой распределительной камеры они проходят через турбину ВР 27, которая приводит в движение компрессор ВР 21 посредством вала ВР 25. На выходе из турбины ВР они направляются в свободную турбину 11, которая приводит в движение силовой вал 12, как было указано выше.

В конструкции, изображенной на фиг.2, силовой вал 12 проходит сквозь полый приводной вал 25 ВР для входа в редуктор 13. Напротив, приводной вал НР вращается отдельно, будучи механически не зависимым от двух других валов. В данном случае, обеспечение вращения силового вала 12 внутри приводного вала ВР 25 не представляет неудобств, как в случаях одноступенчатых турбинных двигателей из известного уровня техники с коаксиальными валами, так как скорость вращения вала ВР относительно мала и сравнима по величине со скоростью вращения силового вала 12.

Турбинный двигатель, объект настоящего изобретения, обладает также, кроме того, следующими характеристиками:

- газогенератор расположен по линии вала, а свободная турбина по второй линии вала, не коаксиальной с первой,

- камера сгорания, называемая камерой с единой чашей, то есть, по существу, цилиндрической формы или в форме усеченного конуса с единственным инжектором, расположена с выходной стороны газогенератора в соответствии с направлением потока газов,

- единый картер для вращающихся смазываемых деталей газогенератора и для основной коробки передач.

Описанная выше конструкция создает определенные преимущества.

Она создает благоприятные условия для «низкой стоимости» турбинного двигателя путем выбора, прежде всего, общего картера для смазываемых частей газогенератора, редуктора и коробки приводов вспомогательных агрегатов, затем камеры сгорания с единой чашей и, наконец, отсутствия концентрических валов (или в случае двух ступеней только двух концентрических валов вместо трех).

Установка двигателя в вертолет облегчается выбором газогенератора, расположенного параллельно системе, соединенной со свободной турбиной и более усовершенствованной установкой системы, образованной свободной турбиной и редуктором. Таким образом обеспечивается лучшая компактность турбинного двигателя, чем компактность двигателя из известного уровня техники. Кроме того, такая установка осуществляется при сохранении, как в известном уровне техники с коаксиальными валами, размещения редуктора в холодной зоне вертолета при его расположении со стороны воздухозаборника в газогенераторе, а не со стороны выхлопной трубы.

Конструкция из двух частей является легко разделяемой, одна часть для газогенератора и одна для свободной турбины и привода вспомогательных агрегатов, и придает турбинному двигателю модульную архитектуру, которая облегчает ремонт и уменьшает стоимость технического обслуживания.

Приводной вал 15 газогенератора (или приводной вал НР в случае многоступенчатого двигателя), который не пересекается другим валом, может иметь уменьшенный диаметр и вследствие этого быть оптимизирован с точки зрения механической устойчивости и массы.

Наконец, двигатель содержит воздухозаборник и выпускное устройство, ориентированные по оси относительно двигателя, что исключает улитки для выпрямления газовых потоков и потери кпд, которые бы они вызывали.

Такая конструкция двигателя является, кроме того, совместимой с различными вспомогательными агрегатами, улучшающими работу турбинных двигателей, такого как высокосоростной генератор переменного тока или стартер-генератор переменного тока, который позволяет уменьшить удельный расход на 2-3%, инжектор 6 с технологией LLP (Leah Premixed Prevaporised) для уменьшения выбросов NO_x, который является относительно объемным, но использование которого становится возможным благодаря размеру и цилиндрической форме или форме усеченного конуса камеры 5 сгорания, либо также теплообменник, расположенный на выходе выхлопных газов, который уменьшает удельный расход, примерно, на 10% благодаря нагреву воздуха на выходе компрессора 1 (или компрессора ВР 21 в случае многоступенчатого турбинного двигателя). Общее расположение турбинного двигателя с параллельными валами с учетом введения силового вала внутрь газогенератора и смещения вспомогательных агрегатов от оси этого генератора значительно облегчает установку таких устройств.

Хотя изобретение было описано в отношении нескольких вариантов особого воплощения, очевидно, что оно ими не ограничено и включает все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинаций, если последние входят в рамки изобретения.

Турбинный двигатель со свободной турбиной содержит газогенератор, включающий в себя, по меньшей мере, один компрессор, питаемый воздухом, камеру сгорания, принимающую сжатый воздух от выхода упомянутого компрессора, и, по меньшей мере, одну генераторную турбину, механически связанную с упомянутым компрессором посредством приводного вала и приводимую в движение газами, получающимися при сгорании топлива в камере сгорания. Выход газов ориентирован в направлении компрессора. Турбинный двигатель содержит также свободную турбину, питаемую газами от сгорания после их прохода через генераторную турбину, которая приводит в движение силовой вал, не расположенный в продолжение приводного вала газогенератора и передающий мощность от турбинного двигателя через редуктор. генераторная турбина является турбиной аксиального типа. Камера сгорания имеет, по существу, цилиндрическую форму или форму усеченного конуса, расположена в продолжение оси генераторной турбины и содержит единственный инжектор. Изобретение направлено на уменьшение стоимости производства и уменьшение выбросов NO_x. 2 н. и 11 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Турбинный двигатель со свободной турбиной, содержащий газогенератор, включающий в себя, по меньшей мере, один компрессор (1), питаемый воздухом, камеру (5) сгорания, принимающую сжатый воздух от выхода упомянутого компрессора (1), и, по меньшей мере, одну генераторную турбину (7), механически связанную с упомянутым компрессором (1) посредством приводного вала (15) и приводимую в движение газами, получающимися при сгорании топлива в упомянутой камере (5) сгорания, причем выход газов ориентирован в направлении компрессора, при этом турбинный двигатель содержит также свободную турбину (11), питаемую газами от упомянутого сгорания после их прохода через упомянутую генераторную турбину (7) и которая приводит в движение силовой вал (12), не расположенный в продолжение приводного вала (15) газогенератора и передающий мощность от турбинного двигателя через редуктор (13), отличающийся тем, что генераторная турбина (7) является турбиной аксиального типа, и тем, что камера (5) сгорания имеет, по существу, цилиндрическую форму или форму усеченного конуса, расположена в продолжение оси генераторной турбины и содержит единственный инжектор (6).

2. Турбинный двигатель по п. 1, в котором силовой вал (12) ориентирован параллельно упомянутому приводному валу (15).

3. Турбинный двигатель по п. 2, в котором редуктор соединен с коробкой приводов вспомогательных агрегатов, при этом оба размещены, по существу, в продольном направлении на уровне воздухозаборника компрессора (1).

4. Турбинный двигатель по п. 3, в котором картер системы «коробка (16) приводов вспомогательных агрегатов - картер (17) газогенератора» объединены в единый картер.

5. Турбинный двигатель по п. 1, в котором камера (5) сгорания содержит инжектор (6) с технологией LPP (Lean Premixed Prevaporised - бедная предварительно перемешанная топливовоздушная смесь).

6. Турбинный двигатель по п. 1, в котором выход камеры (5) сгорания ориентирован в направлении компрессора (1).

7. Турбинный двигатель по п. 1, в котором газы, являющиеся продуктами сгорания, отводятся в кольцевой коллектор (8), расположенный на выходе генераторной турбины (7), для их перемещения в кольцевую распределительную камеру (10), расположенную на входе свободной турбины (11).

8. Турбинный двигатель по п. 1, в котором газогенератор является многоступенчатым и содержит компрессор (1) высокого давления и компрессор (21) низкого давления, турбину (7) высокого давления и турбину (27) низкого давления, при этом упомянутые турбины приводят в движение упомянутые компрессоры с помощью соответственно приводного вала (15) высокого давления и приводного вала (25) низкого давления, а силовой вал (12), приводимый в движение свободной турбиной (11), не расположен в продолжение приводного вала (15) высокого давления упомянутого генератора, причем турбина (7) высокого давления является турбиной аксиального типа, и тем, что камера сгорания расположена в продолжение приводного вала (15) высокого давления.

9. Турбинный двигатель по п. 8, в котором приводной вал (25) низкого давления является полым и сквозь него проходит силовой вал (12).

10. Турбинный двигатель по п. 9, в котором силовой вал (12) и приводной вал (25) низкого давления являются концентрическими.

11. Турбинный двигатель по п. 1, в котором установлен высокоскоростной генератор переменного тока.

12. Турбинный двигатель по п. 1, снабженный теплообменником горячие газы - сжатый воздух между газами на выходе свободной турбины (11) и воздухом на выходе компрессора (1).

13. Летательный аппарат, приводимый в движение с помощью турбинного двигателя по одному из предыдущих пунктов.