СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОМ ВОЗДУХА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНЫ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к системам управления расходом воздуха для охлаждения турбины двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД) с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре. Такая система предназначена для повышения экономичности двигателя за счет поддержания минимального расхода топлива на длительных, как правило, крейсерских режимах и обеспечения максимальной тяги на взлетном режиме.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предложенному является "Система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину двухконтурного турбореактивного двигателя" (см. патент РФ 2194179, F02C 9/00 от 07.08.2000).

Эта система в созданных конструкциях двигателей и представленная в патенте прототипа требует создания сложного агрегата управления, расположенного снаружи двигателя на наружном контуре с подводом к нему топлива из системы регулирования, и воздушных трубопроводов из внутреннего контура от коллектора охлаждающего воздуха теплообменников и обратно к внутреннему контуру в качестве командного давления к двухступенчатому клапану. Это означает, что воздушные трубопроводы высокого давления (до 47 кг/см²) должны дважды пройти через проточную часть наружного контура двигателя, а это обычно представляет непростую техническую задачу. Для подвода командного давления к каждому клапану требуется отдельный коллектор, что так же усложняет конструкцию двигателя. Кроме того, конструкция клапана в указанной системе не может быть выполнена с одноступенчатым уплотнительным поясом на поршне, а только двухступенчатой с разными диаметрами уплотнительных поясов, что создает дополнительные сложности при изготовлении, при обеспечении соосности, сборки, герметичности и др.

Клапаны прототипа имеют возможность регулировать проход охлаждающего воздуха только в двух положениях - открыто и закрыто, без промежуточных положений, а это ограничивает плавность регулировки расхода воздуха в более широком диапазоне.

Задачей предлагаемого изобретения является создание плавного регулирования подачи воздуха для охлаждения турбины и повышение надежности работы за счет упрощения конструкции и системы управления расходом воздуха.

Указанная задача решается тем, что в известной системе управления расходом воздуха для охлаждения турбины двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащей перекрывающие устройства, выполненные в виде поршневых клапанов, установленных перед входом в охлаждающий тракт турбины, теплообменник, установленный в наружном контуре, выход которого сообщен с коллектором охлаждающего воздуха, и лопаточный коллектор, сообщенный с охлаждаемыми полостями лопаток турбины, причем вход клапана сообщен с коллектором охлаждающего воздуха, а выход - с лопаточным коллектором, согласно изобретению каждый клапан выполнен однопоршневым, его вход размещен со стороны надпоршневой полости, выход - со стороны боковой поверхности поршня, а подпоршневая полость сообщена с наружным контуром и в ней установлена пружина.

Пружины в разных клапанах могут быть выполнены с различной жесткостью.

Такое выполнение устройства позволяет создать эффективную систему управления охлаждением лопаток турбины без применения специальной системы, формирующей команды на управление перекрывающих устройств, а также отказаться от сложного агрегата управления, расположенного снаружи двигателя на наружном контуре с подводящими топливными трубопроводами, через которые передается команда от системы управления двигателем, и с подводящими воздушными трубопроводами. Упрощается конструкция всей системы и поршневого клапана, а следовательно, повышается надежность.

Наличие пружины в перекрывающем устройстве позволяет производить плавное открытие клапана и плавное увеличение дозирования охлаждающего воздуха, что позволяет обеспечить более плавную регулировку расхода подаваемого на охлаждение лопаток воздуха и повышает общую экономичность двигателя на переходных режимах.

Выполнение пружин клапанов с различной жесткостью может привести к их разному началу открытия при разных давлениях на входе в клапан, а это в свою очередь позволит увеличить диапазон плавной регулировки подачи охлаждающего воздуха в охлаждаемые полости лопаток и турбины для разных режимов работы двигателя.

Пример выполнения изобретения приведен на прилагаемых чертежах.

На фиг. 1 показана система управления расходом воздуха для охлаждения турбины ДТРД при закрытом положении клапана;

на фиг. 2 - система управления расходом воздуха для охлаждения турбины ДТРД при частично открытом положении клапана;

на фиг. 3 - система управления расходом воздуха для охлаждения турбины ДТРД при полностью открытом положении клапана.

Система управления расходом воздуха для охлаждения турбины ДТРД содержит перекрывающие устройства 1 с поршневыми клапанами 2, установленными перед входом в охлаждающий тракт турбины, теплообменник 3 (воздухо-воздушный теплообменник ВВТ), установленный в наружном контуре 4. Выход из теплообменника 5 сообщен с коллектором охлаждающего воздуха 6. Система содержит лопаточный коллектор 7, сообщенный с охлаждаемыми полостями 8 лопаток турбины, причем канал входа клапана 9 сообщен с коллектором охлаждающего воздуха 6, а канал выхода 10 - с лопаточным коллектором 7. Клапан 2 выполнен однопоршневым, его вход 9 размещен со стороны надпоршневой полости 11, выход 10 - со стороны боковой поверхности поршня 12, а подпоршневая полость 13 сообщена с наружным контуром 4 и в ней установлена пружина 14. Применение жаростойких пружин (например, по ОСТ 103682-74 до 500°С) позволяет не опасаться за их перегрев.

Уплотнение между выходом клапана 10 и подпоршневой полостью 13 поршневого клапана 2 выполнено в виде поршневых колец 15.

Пружины 14 поршневых клапанов 2 могут быть выполнены с различной жесткостью для различного начала срабатывания клапанов.

Пружина 14 поджата к поршневому клапану гайкой 16. Настройка срабатывания поршневого клапана производится путем установки или снятия регулировочных шайб 17. Коллектор охлаждающего воздуха 6 образован корпусом внутреннего контура двигателя 18 и внутренней обечайкой 19. Лопаточный коллектор 7 охлаждающего воздуха образован корпусом внутреннего контура двигателя 18 и внутренним корпусом 20.

В поршневом клапане 2 выполнены постоянно дросселирующие отверстия 21. Вход в теплообменник 3 расположен в полости за компрессором высокого давления (не показан).

В начале работы двигателя пружина 14 прижимает поршневой клапан 2 к седлу 22 в корпусе перекрывающего устройства 1. В этом положении воздух из теплообменников 3 в охлаждаемые полости лопаток турбины 8 не поступает, но частично может проходить через постоянно дросселирующие отверстия 21. По мере раскрутки двигателя давление за компрессором высокого давления и соответственно в канале 9 за теплообменником 3 (на чертеже Рввт) повышается и в какой-то момент преодолевает усилие пружины 14 и давление в наружном контуре 4 (на чертеже Рнк). Клапан 2 передвигается вправо и открывает проходное сечение перекрывающего устройства 1 на высоту H₁ (фиг. 2), осуществляя частичный перепуск охлаждающего воздуха в полость охлаждения лопаток и повышая давление в этой полости (Рохл). Настройка пружины дозатора должна обеспечивать начало перепуска воздуха преимущественно на режимах выше крейсерского. Кроме того, характеристики пружины должны обеспечивать полное раскрытие проходного сечения Н₂ (фиг. 3) и максимальный расход воздуха для охлаждения лопаток на максимальных режимах работы двигателя. Описанную работу дозатор должен обеспечить на одном из выбранных режимов работы двигателя, обычно это крейсерский режим на высоте около 9…11 км.

Земные и околоземные характеристики двигателя отличаются от высотных в сторону больших давлений воздуха и газа по тракту двигателя. И на большинстве земных режимов двигателя клапан будет открыт, включая и крейсерский режим. Но на крейсерском режиме у земли самолеты обычно не летают. Самый распространенный режим работы двигателя у земли - взлетный, на нем двигатель должен обеспечить максимальную тягу и максимальное охлаждение лопаток, что предлагаемая система и позволяет выполнить.

Предложенная система регулирования расхода воздуха для охлаждения турбины ДТРД позволяет существенно упростить конструкцию всей системы регулирования подачи воздуха для охлаждения турбины, снизить вес и повысить надежность системы за счет отказа от агрегата управления, расположенного снаружи двигателя, на наружном контуре с подводящими топливными и воздушными трубопроводами.

Предложенная система позволяет производить плавное изменение расхода охлаждающего воздуха на режимах работы двигателя от крейсерского до максимального (в прототипе расход воздуха изменяется скачком после срабатывания поршневого клапана).

Такую систему изменения расхода охлаждающего воздуха можно рекомендовать к применению на пассажирских, транспортных и других малорежимных двигателях для летательных аппаратов.

Система управления расходом воздуха для охлаждения турбины двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД) относится к авиационному двигателестроению. В системе каждый клапан выполнен однопоршневым, его вход размещен со стороны надпоршневой полости, выход - со стороны боковой поверхности поршня, а подпоршневая полость сообщена с наружным контуром и в ней установлена пружина. Осуществление изобретения позволяет существенно упростить конструкцию системы регулирования подачи воздуха для охлаждения турбины ДТРД, повысить ее надежность, а также производить плавное изменение расхода охлаждающего воздуха на всех режимах работы двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система управления расходом воздуха для охлаждения турбины двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащая перекрывающие устройства, выполненные в виде поршневых клапанов, установленных перед входом в охлаждающий тракт турбины, теплообменник, установленный в наружном контуре, выход которого сообщен с коллектором охлаждающего воздуха, и лопаточный коллектор, сообщенный с охлаждаемыми полостями лопаток турбины, причем вход клапана сообщен с коллектором охлаждающего воздуха, а выход - с лопаточным коллектором, отличающаяся тем, что каждый клапан выполнен однопоршневым, его вход размещен со стороны надпоршневой полости, выход - со стороны боковой поверхности поршня, а подпоршневая полость сообщена с наружным контуром и в ней установлена пружина.

2. Система управления расходом воздуха для охлаждения турбины двухконтурного турбореактивного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что пружины поршневых клапанов выполнены с различной жесткостью.