Двухроторный газотурбинный двигатель Российский патент 2017 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относятся к газотурбинным двигателям, а именно к маслосистемам их агрегатам наддува полостей и устройствам суфлирования масла.

Известен двухроторный газотурбинный двигатель, содержащий полости наддува опоры компрессора низкого давления, полость наддува опоры компрессора высокого давления и полость наддува опор турбины, сообщенные через подвижные уплотнения с газовоздушным трактом двигателя и с полостями маслосистемы, дополнительно оснащенными предмасляными полостями, клапаном суфлирования с воздуховодом, при этом предмасляные полости сообщены с одноименными полостями наддува и полостями маслосистемы через подвижные уплотнения.

/RU РФ №2153590, МПК F02C 7/06, опубл. 27.07.2000 г/.

Основным недостатком здесь является то, что на всех режимах работы двигателя через клапан суфлирования выбрасывается в атмосферу горячий воздух с парами масла из предмасляных полостей двигателя, что, во-первых, является неэффективным с точки зрения термодинамики двигателя, поскольку этот воздух не участвует в рабочем цикле двигателя, а во-вторых, является источником загрязнения окружающей среды, особенно на крейсерских режимах и режимах с малым перепадом давления на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя, которые являются самыми продолжительными по времени из всего ресурса эксплуатации двигателя.

Задачей изобретения является повышение экономичности двигателя, уменьшение негативного влияния на окружающую среду, повышение ресурса и надежности подвижных уплотнений маслосистемы двигателя.

Ожидаемый технический результат - исключение выбросов в атмосферу на продолжительных по времени крейсерских режимах и поддержание оптимального перепада на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя на максимальных и форсажных режимах работы двигателя.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что двухроторный газотурбинный двигатель, содержащий полости наддува опоры компрессора низкого давления, полость наддува опоры компрессора высокого давления и полость наддува опор турбины, сообщенные через подвижные уплотнения с газовоздушным трактом двигателя и с полостями маслосистемы, дополнительно оснащенными предмасляными полостями, клапаном суфлирования с воздуховодом, при этом предмасляные полости сообщены с одноименными полостями наддува и полостями маслосистемы через подвижные уплотнения, по предложению снабжен системой последовательно сообщенных друг с другом посредством дополнительных воздуховодов предмасляных полостей компрессора низкого давления и предмасляной полости компрессора высокого давления, одновременно сообщенных с предмасляной полостью турбины, эжектором, содержащим эжектируемую полость, эжектирующую полость и камеру смешения, предмасляная полость турбины сообщена, с одной стороны, через воздуховод с клапаном суфлирования, а с другой стороны, с входом эжектируемой полости эжектора, выход которой сообщен с входом камеры смешения, при этом эжектирующая полость своим входом сообщена с источником питания, а выходом с входом камеры смешения, выход камеры смешения сообщен с входной полостью форсажной камеры.

Кроме того, источником питания может являться вторичная зона камеры сгорания или промежуточная ступень компрессора высокого давления.

Наличие системы последовательно сообщенных друг с другом посредством дополнительных воздуховодов предмасляных полостей компрессора низкого давления и предмасляной полости компрессора высокого давления, одновременно сообщенных с предмасляной полостью турбины позволяет выполнить единую систему суфлирования предмасляных полостей двигателя, что делает ее более управляемой.

Наличие эжектора, содержащего эжектируемую полость, эжектирующую полость и камеру смешения позволяет использовать его основные свойства, а именно, увеличение полного давления потока с низким давлением (эжектируемого) под действием струи другого потока с более высоким давлением (эжектирующего), для того, чтобы суфлировать воздух с низким давлением из предмасляных полостей двигателя в область с более высоким давлением внутри двигателя, исключая тем самым выброс этого воздуха в атмосферу.

Сообщение предмасляной полости турбины, с одной стороны, через воздуховод с клапаном суфлирования, а с другой стороны, с входом эжектируемой полости эжектора, позволяет, во-первых, на продолжительных по времени крейсерских режимах и режимах с малым перепадом давления на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя, при закрытии клапана суфлирования, рассчитанного на закрытие или открытие в зависимости от перепада давления между входом в клапан суфлирования и атмосферой, по основному свойству эжекции, при сохранении низкого давления в предмасляных полостях двигателя на всем протяжении системы последовательно сообщенных друг с другом предмасляных полостей компрессоров низкого и высокого давлений и турбины, суфлировать этот воздух в область с более высоким давлением, одновременно обеспечивая ресурс и надежную работу подвижных уплотнений маслосистемы двигателя, минимальные утечки воздуха в маслосистему двигателя, повышение экономичности двигателя, а именно снижение удельного расхода топлива на данных режимах и уменьшение негативного влияния на окружающую среду. Во-вторых, на максимальных и форсажных режимах работы двигателя при открытии клапана суфлирования воздух выбрасывается из предмасляных полостей двигателя одновременно и в атмосферу, и, с помощью эжектора, в область внутри двигателя, тем самым обеспечивая оптимальный перепад на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя и использование эжектора с меньшей мощностью, тем самым также обеспечивая повышение экономичности двигателя, поскольку требуется меньшее количество «дорогого» с точки зрения термодинамики эжектирующего воздуха.

Сообщение входа эжектирующей полости с источником питания обеспечивает требуемый уровень давления для осуществления эжекции эжектируемого потока.

Сообщение выхода эжектируемой и эжектирующей полостей с входом камеры смешения позволяет эжектирующему потоку истекать в камеру смешения, создавая на входе камеры смешения статическое давление, которое ниже полного давления эжектируемого потока. Под действием разности давлений эжектируемый поток устремляется в камеру смешения и в конечном итоге эжектируемый и эжектирующий потоки смешиваются с выравниванием параметров по сечению камеры смешения.

Сообщение выхода камеры смешения с входной полостью форсажной камеры обеспечивает, с одной стороны, отсутствие выбросов воздуха из предмасляных полостей двигателя в атмосферу, тем самым не загрязняя окружающую среду, а с другой стороны, воздух из предмасляных полостей двигателя участвует в работе цикла двухконтурного газотурбинного двигателя в форсажной камере сгорания.

На чертеже показан продольный разрез двигателя.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит компрессор низкого давления 1 с передней 2 и задней 3 опорами, компрессор высокого давления 4 с передней опорой 5, турбину 6 с опорами 7, полости наддува 8 и 9 опор 2 и 3 компрессора низкого давления 1, полость наддува 10 передней опоры 5 компрессора высокого давления 4 и полости наддува 11 опор 7 турбины 6. Полости наддува 8, 9, 10, 11 сообщены через подвижные уплотнения 12, 13, 14, 15 с газовоздушным трактом двигателя 16 и через подвижные уплотнения 17, 18, 19, 20 - с полостями 21, 22, 23 маслосистемы 24, которая дополнительно оснащена предмасляными полостями 25, 26, 27, 28 и клапаном суфлирования 29 с воздуховодом 30. Предмасляные полости 25, 26, 27, 28 сообщены с одноименными полостями наддува 8, 9, 10, 11 и полостями 21, 22, 23 маслосистемы 24 через подвижные уплотнения 17, 18, 19, 20, 31, 32, 33, 34. Предмасляные полости 25 и 26 компрессора низкого давления 1 сообщены посредством системы дополнительных воздуховодов 35 и 36 с предмасляной полостью 27 компрессора высокого давления 4 и одновременно сообщены с предмасляной полостью 28 турбины 6. Эжектор 37 содержит эжектируемую полость 38, эжектирующую полость 39 и камеру смешения 40. Предмасляная полость 28 турбины 6 сообщена, с одной стороны через воздуховод 30 с клапаном суфлирования 29, а с другой стороны, с входом 41 эжектируемой полости 38, выход 42 которой сообщен с входом 43 камеры смешения 40, при этом эжектирующая полость 39 своим входом 44 сообщена с источником питания 45, а выходом 46 с входом 43 камеры смешения 40, выход 47 камеры смешения 40 сообщен с входной полостью форсажной камеры 48.

Двигатель работает следующим образом.

При работе двигателя на рабочих режимах в полости наддува 8 и 9 опор 2 и 3 компрессора низкого давления 1 и в полость наддува 10 передней опоры 5 компрессора высокого давления 4 поступает воздух с давлением, обеспечивающим наддув полостей 8, 9, 10, обеспечивая при этом непопадание масла из маслосистемы 24 в газовоздушный тракт двигателя 16. Далее воздух, с одной стороны, через подвижные уплотнения 12, 13, 14 поступает в газовоздушный тракт двигателя 16, а, с другой стороны, через подвижные уплотнения 31, 32, 33 поступает в предмасляные полости 25 и 26 компрессора низкого давления 1 и предмасляную полость 27 компрессора высокого давления 4, обеспечивая оптимальный перепад давления на подвижных уплотнениях 17, 18, 19. В свою очередь, воздух из предмасляных полостей 25 и 26 компрессора низкого давления 1 посредством дополнительных воздуховодов 35 и 36 поступает в предмасляную полость 27 компрессора высокого давления 4 и далее в полость наддува 11 турбины 6, которая через подвижное уплотнение 34 соединена с предмасляной полостью 28 турбины 6. Воздух, направляясь таким образом в предмасляную полость 28, также обеспечивает оптимальный перепад давления на подвижных уплотнениях 20 и непопадание масла из маслосистемы 24 в газовоздушный тракт двигателя 16.

На крейсерских режимах или режимах с малыми перепадами давления на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя, перепад давления между входом в клапан суфлирования и атмосферой становится минимальным так, что клапан суфлирования 29 закрывается, и весь воздух, поступающий из предмасляной полости 28 турбины 6 направляется на вход 41 эжектируемой полости 38 эжектора 37. Одновременно от источника питания 45 воздух с высоким давлением поступает на вход 44 эжектирующей полости 39, где при его истечении из выхода 46 эжектирующей полости 39 на входе 43 камеры смешения 40 устанавливается статическое давление, которое всегда ниже полного давления воздуха, поступающего на вход 41 эжектируемой полости 38 из предмасляной полости 28 турбины 6. Поскольку выход 42 эжектируемой полости 38 и выход 46 эжектирующей полости 39 одновременно соединены со входом 43 камеры смешения 40, то под действием разности давлений между воздухом, истекающим из выхода 46 эжектирующей полости 39 и воздухом, истекающим из выхода 42 эжектируемой полости 38, воздух с низким давлением из предмасляной полости 28 устремляется на вход 43 камеры смешения 40, где происходит смешение потоков с выравниванием параметров воздуха по длине камеры смешения 40. Далее воздух суфлируется во входную полость форсажной камеры 48, где он участвует в рабочем цикле двухконтурного газотурбинного двигателя.

На максимальных и форсажных режимах работы двигателя перепад давления между входом в клапан суфлирования и атмосферой становится максимальным так, что клапан суфлирования 29 открывается и воздух из предмасляной полости 28 турбины 6, с одной стороны, через воздуховод 30 и открытый клапан суфлирования 29 выбрасывается в атмосферу, а с другой стороны, суфлируется во входную полость форсажной камеры 48 посредством использования свойств эжектора 37.

Реализация изобретения позволяет, с одной стороны, суфлировать воздух из предмасляных полостей двигателя в область внутри двигателя, где он участвует в рабочем цикле двигателя, на продолжительных по времени крейсерских режимах и режимах с малыми перепадами давления на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя, обеспечивая при этом повышение экономичности двигателя, а именно снижение удельного расхода топлива, а с другой стороны, сохранить оптимальный перепад давления на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя на непродолжительных по времени максимальных и форсажных режимах, обеспечивая надежность и ресурс данных уплотнений, а также использовать эжектор с меньшей мощностью и меньшим расходом эжектирующего воздуха за счет одновременного использования двух элементов: клапана суфлирования и эжектора, поскольку часть функций по обеспечению суфлирования воздуха из предмасляных полостей двигателя берет на себя клапан суфлирования, снижая при этом удельный расход топлива и повышая экономичность двигателя в целом.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а именно к маслосистемам, их агрегатам наддува полостей и устройствам суфлирования масла. Двухроторный газотурбинный двигатель снабжен системой последовательно сообщенных друг с другом посредством дополнительных воздуховодов предмасляных полостей компрессора низкого давления и предмасляной полости компрессора высокого давления, одновременно сообщенных с предмасляной полостью турбины, эжектором, содержащим эжектируемую полость, эжектирующую полость и камеру смешения, предмасляная полость турбины сообщена, с одной стороны, через воздуховод с клапаном суфлирования, а с другой стороны, с входом эжектируемой полости эжектора, выход которой сообщен с входом камеры смешения, при этом эжектирующая полость своим входом сообщена с источником питания, а выходом с входом камеры смешения, выход камеры смешения сообщен с входной полостью форсажной камеры. Кроме того, источником питания может являться вторичная зона камеры сгорания или промежуточная ступень компрессора высокого давления. Технический результат изобретения – исключение выбросов в атмосферу на продолжительных крейсерских режимах и поддержание оптимального перепада на подвижных уплотнениях маслосистемы двигателя на максимальных и форсажных режимах работы двигателя. 2 з.п. ф-лы,1 ил.

1. Двухроторный газотурбинный двигатель, содержащий полости наддува опоры компрессора низкого давления, полость наддува опоры компрессора высокого давления и полость наддува опор турбины, сообщенные через подвижные уплотнения с газовоздушным трактом двигателя и с полостями маслосистемы, дополнительно оснащенными предмасляными полостями, клапаном суфлирования с воздуховодом, при этом предмасляные полости сообщены с одноименными полостями наддува и полостями маслосистемы через подвижные уплотнения, отличающийся тем, что он снабжен системой последовательно сообщенных друг с другом посредством дополнительных воздуховодов предмасляных полостей компрессора низкого давления и предмасляной полости компрессора высокого давления, одновременно сообщенных с предмасляной полостью турбины, эжектором, содержащим эжектируемую полость, эжектирующую полость и камеру смешения, предмасляная полость турбины сообщена, с одной стороны, через воздуховод с клапаном суфлирования, а с другой стороны, с входом эжектируемой полости эжектора, выход которой сообщен с входом камеры смешения, при этом эжектирующая полость своим входом сообщена с источником питания, а выходом с входом камеры смешения, выход камеры смешения сообщен с входной полостью форсажной камеры.

2. Двухроторный газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что источником питания является вторичная зона камеры сгорания.

3. Двухроторный газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что источником питания является промежуточная ступень компрессора высокого давления.