Способ подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя Российский патент 2017 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к способам управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, преимущественно двухконтурного турбореактивного двигателя с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре и может быть использовано в турбоэнергомашиностроении в газотурбинных приводах газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, который реализует система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину турбореактивного двигателя. Известный способ подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя, включает подачу воздуха через клапаны, расположенные по окружности двигателя, регулирование расхода воздуха исполнительным устройством системы управления, перекрытие клапана поршнем из положения "открыто" в положение "закрыто" и наоборот и его фиксирование /RU 2194179 С1 МПК 7 F02C 9/00. Опубликовано: 10.12.2002/.

Известная система управления расходом воздуха использует пневматические исполнительные устройства системы управления. Поэтому реализуемый системой способ обеспечивает оптимальную подачу охлаждающего воздуха в турбины только на двух режимах: максимальном и крейсерском. При необходимости дополнительно обеспечить варьирование расхода охлаждающего воздуха по режимам работы в интервале - от крейсерского до максимального, надежность и стабильность подачи охлаждающего воздуха за счет системы снижается, удельный расход топлива и масса конструкции турбореактивного двигателя увеличиваются.

Задачей изобретения является повышение надежности и стабильности подачи охлаждающего воздуха через систему управления расходом воздуха, охлаждающего турбину.

Ожидаемый технический результат - уменьшение удельного расхода топлива, на всех режимах эксплуатации, повышение стабильности охлаждения.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что известный способ подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя, включающий подачу воздуха через клапаны, расположенные по окружности двигателя, регулирование расхода воздуха исполнительным устройством системы управления, перекрытие клапана поршнем из положения "открыто" в положение "закрыто" и наоборот и его фиксирование, по предложению, для перекрытия клапана поршень поворачивают или перемещают относительно корпуса клапана механизмом перемещения, дополнительно положение поршней всех клапанов изменяют синхронно до промежуточных положений в интервале от положения "открыто" в положение "закрыто" и наоборот, при этом расход воздуха изменяют и фиксируют одновременно на всех клапанах с помощью средства передачи управляющего воздействия, связанного с механизмом перемещения каждого клапана и системой управления, причем средство передачи управляющего воздействия на расход воздуха выполнено механическим и/или электрическим. Предусмотрено, что в положении "закрыто" на всех клапанах одновременно обеспечивают с помощью системы управления минимально допустимый "дежурный" расход охлаждающего воздуха, необходимый для уменьшения до минимума концевых потерь за профилями на сопловом аппарате и рабочих лопатках турбины.

Подача топлива в двигатель должна соответствовать оптимальному уровню подачи воздуха на каждом режиме работы турбореактивного двигателя. Этот уровень на каждом режиме определяется температурным режимом турбины (особенно ее проточной части) и одновременно высоким запасом прочности, то есть ресурса и надежности. В изобретении предусмотрено воздух подавать синхронно при изменении уровня закрытия клапанов из положения "открыто" в положение "закрыто" и наоборот. При уменьшении расхода охлаждающего воздуха в случае его синхронной подачи на промежуточном режиме между максимальным и крейсерским, доля воздуха, на которую уменьшается его расход, возвращается в камеру сгорания двигателя. Масса рабочего тела, проходящая через турбину, возрастает, что увеличивает мощность турбины и ее обороты. Для сохранения мощности турбины, которая задается мощностью компрессора, снижают температуру газа перед турбиной, что приводит к восстановлению оборотов турбины, уменьшению ее мощности, что достигается уменьшением расхода топлива. Таким образом, снижается удельный расход топлива.

Для надежной фиксации уровня закрытия клапанов путем изменения положения поршня относительно корпуса каждого клапана при дискретном изменении расхода воздуха, в изобретении, предусмотрен механизм перемещения каждого клапана, связанного со средством передачи управляющего воздействия и исполнительным устройством системы управления. В положении "закрыто" на всех клапанах одновременно обеспечивают минимально допустимый "дежурный" расход охлаждающего воздуха, необходимый для уменьшения до минимума концевых потерь за профилями на сопловом аппарате и рабочих лопатках турбины.

Средство передачи управляющего воздействия, используемое в изобретении, позволяет изменять и фиксировать расход воздуха одновременно на всех клапанах и может быть выполнено механическим и/или электрическим. При регулировании расхода охлаждающего воздуха поршень может поворачиваться или перемещаться относительно корпуса клапана, изменяя уровень открытия клапана. Такие перемещения поршня требуют различных конструкций механизмов, обеспечивающих эти перемещения. Существуют различные конструкции клапанов в зависимости от перемещения поршня. Например с механическим механизмом перемещения - шиберного или игольчатого типа, и с электрическим механизмом перемещения - дроссельного или сельсинного типа. В рамках изобретения конкретные конструкции клапанов и механизмов передачи воздействий не рассматриваются.

Способ иллюстрируется схемами механизмов передачи воздействий, обеспечивающих реализацию предложения.

Фиг. 1 - схема передачи механического управляющего воздействия для изменения расхода воздуха перемещаемым или поворачиваемым поршнем относительно корпуса клапана.

Фиг. 2 - схема передачи электрического управляющего воздействия для изменения расхода воздуха перемещаемым или поворачиваемым поршнем относительно корпуса клапана.

Фиг. 3 – график, пример реализации способа подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя.

Клапаны оснащены механизмом I перемещения или поворота поршня, соединенные средством II, передачи управляющего воздействия от исполнительного устройства III системы управления.

Сигнал от исполнительного устройства III, через средство II, передачи управляющего воздействия подают на механизм I перемещения или поворота поршня. Приведенные устройства позволяют реализовать любую схему подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя.

Пример

На летательном аппарате, оснащенном системой подачи воздуха для охлаждения турбины проводили испытания различных вариантов подачи воздуха на режимах от максимального (взлетного) до крейсерского. На графике приведены результаты испытаний. При подаче воздуха на турбину с постоянным расходом на режимах от максимального (взлетного) до крейсерского удельный расход топлива C_R соответствует (кривой 1). Снижение расхода охлаждающего воздуха на крейсерском режиме в закрытом положении клапана до уровня, который позволяет обеспечить минимально допустимый "дежурный" расход охлаждающего воздуха и иметь сравнимые минимальные потери давления охлаждающего воздуха в положении системы управления "открыто", как на максимальном режиме. Удельный расход топлива C_R соответствует (кривой 2) и на 5% меньше, чем на режиме с полным охлаждением. В соответствии с изобретением реализована схема синхронной подачи охлаждающего воздуха на промежуточных режимах полета. Расход воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя ступенчато равномерно убавляли от режима взлета до крейсерского режима. Фиксируемый при этом удельный расход топлива равномерно сокращался (кривая 3) и на крейсерском режиме соответствовал его расходу 5%, как и при двухпозиционном охлаждении.

Таким образом применение предложенного способа регулирования подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя на каждом режиме полета оптимизирует расход топлива за полет, удешевляет час эксплуатации летательного аппарата, увеличивает время продолжительности полета, увеличивает радиус действия летательного аппарата.

Изобретение относится к способам управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, преимущественно двухконтурного турбореактивного двигателя с воздухо-воздушным теплообменником в наружном контуре. Для перекрытия клапана поршень поворачивают или перемещают относительно корпуса клапана механизмом перемещения, дополнительно положение поршней всех клапанов изменяют синхронно до промежуточных положений в интервале от положения "открыто" в положение "закрыто" и, наоборот, при этом расход воздуха изменяют и фиксируют одновременно на всех клапанах с помощью средства передачи управляющего воздействия, связанного с механизмом перемещения каждого клапана и системой управления, причем средство передачи управляющего воздействия на расход воздуха выполнено механическим и/или электрическим. Предусмотрено, что в положении "закрыто" на всех клапанах одновременно обеспечивают с помощью системы управления минимально допустимый "дежурный" расход охлаждающего воздуха, необходимый для уменьшения до минимума концевых потерь за профилями на сопловом аппарате и рабочих лопатках турбины. Технический результат – уменьшение удельного расхода топлива на всех режимах эксплуатации, повышение стабильности охлаждения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя, включающий подачу воздуха через клапаны, расположенные по окружности двигателя, регулирование расхода воздуха исполнительным устройством системы управления, перекрытие клапана поршнем из положения "открыто" в положение "закрыто" и наоборот и его фиксирование, отличающийся тем, что для перекрытия клапана поршень поворачивают или перемещают относительно корпуса клапана механизмом перемещения, дополнительно положение поршней всех клапанов изменяют синхронно до промежуточных положений в интервале от положения "открыто" в положение "закрыто" и наоборот, при этом расход воздуха изменяют и фиксируют одновременно на всех клапанах с помощью средства передачи управляющего воздействия, связанного с механизмом перемещения каждого клапана и системой управления, причем средство передачи управляющего воздействия на расход воздуха выполнено механическим и/или электрическим.

2. Способ подачи воздуха для охлаждения турбины турбореактивного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что в положении "закрыто" на всех клапанах одновременно обеспечивают с помощью системы управления минимально допустимый "дежурный" расход охлаждающего воздуха, необходимый для уменьшения до минимума концевых потерь за профилями на сопловом аппарате и рабочих лопатках турбины.