Способы и системы для предотвращения протечки смазочного масла в газовых турбинах Российский патент 2018 года по МПК F01D11/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Описанный в настоящем документе предмет изобретения в целом относится к газотурбинным двигателям, а более конкретно к системам уплотнения маслосборника для газотурбинных двигателей.

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Подшипники валов, такие как, например шариковые подшипники или роликовые подшипники, непрерывно питаются маслом для смазки и охлаждения. Подшипниковые узлы расположены внутри маслосборников, которые объединены с питающей трубкой и питающим масляным насосом, который подает смазочное масло под давлением к подшипниковому узлу. Дополнительно предусмотрен продувочный насос, который удаляет смазочное масло из маслосборника. Продувочный насос заставляет обратный поток масла проходить через теплообменник перед возвращением масла в бак или резервуар. Маслосборники подшипникового узла также содержат уплотнительные узлы, которые способствуют уменьшению протечки масла из маслосборников вдоль вала ротора.

В патенте США №6470666 раскрыты способы и системы для предотвращения протечки смазочного масла из подшипниковых узлов в газотурбинных двигателях. Системы, описанные в этом документе, содержат масляную камеру маслосборника, окружающую подшипниковый узел и находящуюся в проточном сообщении с источником смазочного масла для доставки масла под давлением к подшипниковому узлу, и продувочный насос для удаления масла из масляной камеры. Масляная камера маслосборника содержит уплотнительные элементы для уплотнения прохода вала, предотвращая протечку масла вдоль вращающегося вала изнутри наружу масляной камеры. Масляная камера маслосборника заключена в уплотнительную камеру маслосборника, окружающую масляную камеру и содержащую дополнительные уплотнительные средства, предотвращающие попадание воздуха в уплотнительную камеру. Уплотнительная камера маслосборника находится в проточном сообщении с источником сжатого воздуха, расположенным на газотурбинном двигателе. Давление внутри уплотнительной камеры маслосборника предотвращает протечки масла из масляной камеры маслосборника наружу к уплотнительной камере. Давление воздуха в уплотнительной камере маслосборника также предотвращает проникновение горячего наружного воздуха в масляную камеру маслосборника. Давление воздуха в уплотнительной камере маслосборника поддерживается элементом, приводимым в действие газотурбинным двигателем.

Обычно сжатый воздух поставляется воздушным компрессором газогенератора самой газовой турбины. Во время работы двигателя на малой мощности и на холостом ходу, давление в уплотнительной камере маслосборника может быть недостаточным для предотвращения протечки масла из масляной камеры маслосборника. Когда режимы работы газовой турбины таковы, что давление в уплотнительной камере маслосборника не может поддерживаться на достаточном уровне, рабочее давление в масляной камере маслосборника снижают, по сравнению с рабочим давлением в уплотнительной камере, используя систему вентиляции, которая соединена с линией всасывания для удаления воздуха из масляной камеры. Это предотвращает протечки масла через уплотнительное устройство масляной камеры маслосборника к уплотнительной камере маслосборника.

Путем снижения рабочего давления в масляной камере маслосборника, протечки масла эффективно предотвращаются. Тем не менее, горячий воздух, присутствующий в области газотурбинного двигателя, окружающей подшипниковый узел, может проникать через уплотнительную камеру маслосборника и из него в масляную камеру маслосборника, приводя к подгоранию смазочного масла из-за высокой температуры такого воздуха.

Существует, следовательно, потребность в усовершенствовании подшипниковых систем, включая конструкцию маслосборника, в частности направленном на улучшение их условий эксплуатации при установке в местах с повышенной температурой вращающейся машины, такой как газовая турбина.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с изобретением, раскрытым в настоящем документе, предлагается способ работы газотурбинного двигателя, в котором приводят в действие внешний (т.е. расположенный вне газотурбинного двигателя) источник сжатого воздуха для доставки достаточного количества сжатого воздуха в уплотнительную камеру маслосборника, в которую заключена масляная камера маслосборника, в которой расположен подшипник турбины. В определенных режимах работы газотурбинного двигателя, в случае недостаточного давления, обеспечиваемого расположенным на двигателе источником сжатого воздуха, внешний источник сжатого воздуха подает в достаточной степени сжатый воздух. Например, внешний, т.е. расположенный вне двигателя, источник сжатого воздуха приводят в действие, когда газотурбинный двигатель работает на малой мощности или на холостом ходу.

Более конкретно, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения, предлагается способ управления газотурбинным двигателем для содействия уменьшению протечки смазочного масла и предотвращению подгорания масла, используемого в газотурбинном двигателе, содержащем по меньшей мере один подшипниковый узел, расположенный в масляной камере маслосборника, и уплотнительную камеру маслосборника, в которой по меньшей мере частично заключена масляная камера маслосборника, находящаяся с ней в проточном сообщении. Способ включает этапы:

подачу воздуха для уплотнения маслосборника в уплотнительную камеру маслосборника из газотурбинного двигателя, например, из одного из компрессоров газовой турбины или из другого встроенного источника сжатого воздуха, чтобы поддерживать в указанной уплотнительной камере маслосборника рабочее давление, которое выше, чем давление в указанной масляной камере маслосборника, и выше, чем давление вокруг уплотнительной камеры маслосборника; при этом

когда давления воздуха из газотурбинного двигателя (т.е. из встроенного источника сжатого воздуха) недостаточно для поддержания рабочего давления в указанной уплотнительной камере маслосборника, подачу дополнительного воздуха для уплотнения маслосборника в указанную уплотнительную камеру маслосборника из по меньшей мере одного вспомогательного источника сжатого воздуха, т.е. из внешнего источника.

В целом, встроенный источник сжатого воздуха или источник, расположенный на двигателе, может представлять собой любой источник сжатого воздуха, который обеспечивает давление воздуха, которое может зависеть от режимов работы газотурбинного двигателя. Таким образом, при некоторых режимах работы газотурбинного двигателя давление воздуха, доставляемое источником, расположенным на двигателе, может быть недостаточным, чтобы должным образом герметизировать уплотнительную камеру маслосборника. Этот режим может быть определен, например, с помощью системы преобразователя давления. Сигнал, обеспечиваемый системой преобразователя давления, может быть использован, чтобы начать доставку сжатого воздуха из внешнего источника. В общих чертах, внешний источник может обеспечивать давление нагнетания, которое не зависит или частично не зависит от режима работы газотурбинного двигателя. Расположенный вне двигателя или внешний источник сжатого воздуха может содержать нагнетатель воздуха, например, объемный нагнетатель воздуха. В других вариантах выполнения может быть предусмотрена линия сжатого воздуха. В некоторых вариантах выполнения могут быть предусмотрены в комбинации как нагнетатель воздуха, так и линия сжатого воздуха. Нагнетатель воздуха, если он имеется, может быть с приводом от электродвигателя. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, скорость вращения двигателя и нагнетателя воздуха может быть управляемой, чтобы обеспечивать требуемое давление воздуха в уплотнительной камере маслосборника.

Дополнительные признаки и варианты выполнения способа изложены далее.

В способе, согласно изобретению, на этапе подачи дополнительного воздуха для уплотнения маслосборника могут приводить в действие нагнетатель воздуха.

В способе, согласно изобретению, на этапе подачи дополнительного воздуха для уплотнения маслосборника могут приводить в действие нагнетатель воздуха с переменной скоростью вращения для поддержания рабочего давления в уплотнительной камере маслосборника.

В способе, согласно изобретению, уплотнительная камера маслосборника может содержать первые уплотнительные элементы для уплотнения первых проходов вала между масляной камерой маслосборника и уплотнительной камерой маслосборника, и вторые уплотнительные элементы для уплотнения вторых проходов вала между уплотнительной камерой маслосборника и окружающей средой, при этом рабочее давление в уплотнительной камере маслосборника поддерживают на уровне, достаточном для предотвращения проникновения воздуха через вторые уплотнительные элементы внутрь уплотнительной камеры маслосборника.

В способе, согласно изобретению, могут дополнительно определять давление, которое свидетельствует о давлении внутри уплотнительной камеры маслосборника, при этом, если определенное давление ниже минимального порогового давления маслосборника, то могут проточно соединять уплотнительную камеру маслосборника с дополнительной линией подачи сжатого воздуха и доставлять дополнительный воздух для уплотнения маслосборника через указанную дополнительную линию подачи воздуха в уплотнительную камеру маслосборника.

В способе, согласно изобретению, могут обеспечивать проточное сообщение между уплотнительной камерой маслосборника и каналом сжатого воздуха и проточное сообщение между указанным каналом сжатого воздуха и, выборочно, расположенным на газотурбинном двигателе источником сжатого воздуха и расположенной вне двигателя дополнительной линией подачи воздуха, причем между газотурбинным двигателем и каналом сжатого воздуха может быть установлен первый клапан, а между дополнительной линией подачи воздуха и указанным по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха может быть установлен второй клапан, при этом в способе могут закрывать первый клапан и открывать второй клапан, когда давление воздуха от расположенного на газотурбинном двигателе источника сжатого воздуха недостаточно для поддержания указанного рабочего давления в уплотнительной камере маслосборника.

В соответствии с другим аспектом, раскрытое в настоящем документе изобретение относится к системе уплотнения маслосборника для газотурбинного двигателя, содержащей масляную камеру маслосборника, вмещающую подшипниковый узел, и уплотнительную камеру маслосборника, в которой по меньшей мере частично заключена указанная масляная камера маслосборника, находящаяся с ней в проточном сообщении. Система дополнительно содержит вспомогательную линию доставки сжатого воздуха для проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха, т.е. внешним источником сжатого воздуха. Кроме того, предусмотрена линия сжатого воздуха для проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и встроенным источником сжатого воздуха, т.е. источником, расположенным на газотурбинном двигателе. Вспомогательный источник сжатого воздуха может представлять собой источник, расположенный вне двигателя, выполненный с возможностью доставки воздуха под давлением, которое, по меньшей мере частично, предпочтительно в целом не зависит от режимов работы газотурбинного двигателя, тогда как встроенный источник (например компрессор газогенератора газотурбинного двигателя), по меньшей мере частично, зависит от режимов работы газотурбинного двигателя. Также предусмотрен клапанный узел для выборочного соединения уплотнительной камеры маслосборника с линией сжатого воздуха, проточно сообщающейся со встроенным источником сжатого воздуха, или со вспомогательной линией доставки сжатого воздуха, проточно сообщающейся с внешним источником сжатого воздуха.

Другие предпочтительные варианты выполнения и характеристики системы изложены далее.

В системе, согласно изобретению, дополнительная линия подачи сжатого воздуха может быть выполнена с возможностью проточного соединения с указанным по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха и еще одним дополнительным вспомогательным источником сжатого воздуха.

В системе, согласно изобретению, вспомогательный источник сжатого воздуха может содержать нагнетатель воздуха.

В системе, согласно изобретению, дополнительный вспомогательный источник сжатого воздуха может содержать нагнетатель воздуха.

В системе, согласно изобретению, нагнетатель воздуха может приводиться в действие приводом с переменной скоростью.

В системе, согласно изобретению, может быть предусмотрен продувочный насос, находящийся в проточном сообщении с масляной камерой маслосборника.

В соответствии с другим аспектом, раскрытое в настоящем документе изобретение относится к газотурбинному двигателю, содержащему по меньшей мере один подшипниковый узел и систему уплотнения маслосборника, выполненную с возможностью подачи смазочного масла к подшипниковому узлу, причем система уплотнения маслосборника выполнена в соответствии с предыдущим аспектом изобретения, а подшипниковый узел расположен в масляной камере.

В соответствии с другим аспектом, раскрытое в настоящем документе изобретение относится к газотурбинному двигателю, содержащему по меньшей мере один подшипниковый узел, систему уплотнения маслосборника, содержащую масляную камеру маслосборника, в которой заключен подшипниковый узел, и уплотнительную камеру маслосборника, причем масляная камера маслосборника по меньшей мере частично заключена в уплотнительную камеру маслосборника и находится с ней в проточном сообщении, соединительную линию сжатого воздуха, проточно соединяющую уплотнительную камеру маслосборника и источник воздуха газотурбинного двигателя, дополнительную соединительную линию сжатого воздуха, проточно соединяющую уплотнительную камеру маслосборника с по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха, клапанный узел для выборочного соединения уплотнительной камеры маслосборника с соединительной линией сжатого воздуха или с дополнительной соединительной линией сжатого воздуха.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, источник воздуха может содержать по меньшей мере один воздушный компрессор газотурбинного двигателя.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, клапанный узел может быть выполнен с возможностью управления с возможностью соединения уплотнительной камеры маслосборника со вспомогательным источником сжатого воздуха, когда сжатого воздуха, доставляемого газовой турбиной, недостаточно для поддержания рабочего давления в уплотнительной камере маслосборника.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, может быть дополнительно предусмотрен второй вспомогательный источник сжатого воздуха.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, клапанный узел может содержать первые клапанные элементы для установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и соединительной линией сжатого воздуха, вторые клапанные элементы для установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха, и третьи клапанные элементы для установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и вторым вспомогательным источником сжатого воздуха.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, по меньшей мере один вспомогательный источник сжатого воздуха может содержать нагнетатель воздуха.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, второй вспомогательный источник сжатого воздуха может содержать нагнетатель воздуха.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, нагнетатель воздуха может приводиться в действие двигателем с переменной скоростью.

В газотурбинном двигателе, согласно изобретению, клапанный узел может быть выполнен с возможностью управления с возможностью, поочередно: установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и соединительной линией сжатого воздуха и закрытия дополнительной соединительной линии сжатого воздуха, или закрытия соединительной линии сжатого воздуха и установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и дополнительной соединительной линией сжатого воздуха.

Признаки и варианты выполнения описаны далее ниже и дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью настоящей заявки. Приведенное выше краткое описание излагает признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы последующее подробное описание могло быть лучше понято, и для того, чтобы вклад, обеспечиваемый настоящим изобретением, в уровень техники мог быть лучше понят. Имеются, конечно, и другие признаки изобретения, которые описаны ниже и которые изложены в прилагаемой формуле изобретения. В этом отношении, прежде чем в деталях объяснить несколько вариантов выполнения настоящего изобретения, следует понимать, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении деталями конструкции и расположением элементов, как изложено в последующем описании или как показано на чертежах. Изобретение допускает другие варианты выполнения и может использоваться и осуществляться различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, приведены лишь в описательных целях и не должны рассматриваться как ограничивающие.

Таким образом, специалистам должно быть понятно, что концепция, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для реализации нескольких целей настоящего изобретения. Важно поэтому, что формулу изобретения следует рассматривать как включающую такие эквивалентные конструкции, поскольку они не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полное понимание раскрытых вариантов выполнения изобретения и многих сопутствующих преимуществ будет легко получено, поскольку они станут понятны со ссылкой на последующее подробное описание при рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 изображает продольный разрез иллюстративного газотурбинного двигателя, воплощающего предложенную систему;

Фиг. 2 схематически изображает продольный разрез подшипникового узла, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 3, 4 и 5 изображают схематическую диаграмму пневматической уплотнительной системы для подшипникового узла, изображенного на Фиг. 2, в одном варианте выполнения и в различных режимах работы;

Фиг. 6 изображает схематическую диаграмму пневматической уплотнительной системы в еще одном варианте выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Вдобавок, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

Ссылка по всему описанию на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включен(а) по меньшей мере в один вариант выполнения раскрытого изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения.

Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.

Фиг. 1 изображает схематический разрез газотурбинного двигателя 10, содержащего компрессор 12 низкого давления, компрессор 14 высокого давления и камеру 16 сгорания. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит турбину 18 высокого давления и турбину 20 низкого давления. Компрессор 12 низкого давления и турбина 20 низкого давления соединены с помощью первого вала 22. Компрессор 14 высокого давления и турбина 18 высокого давления соединены с помощью второго вала 24. Валы 22 и 24 являются коаксиальными, причем вал 24 окружает вал 22. Посредством вала 20 турбина 20 низкого давления может быть соединена, непосредственно или через редуктор, с нагрузкой (не показана), например, компрессором или электрическим генератором. Горячий конец газотурбинного двигателя является стороной, где расположена турбина 20 низкого давления. Холодный конец газотурбинного двигателя является стороной, где расположен компрессор 12 низкого давления.

Примером такого газотурбинного двигателя является двигатель, поставляемый компанией General Electric Company из г. Эвендэйл, штат Огайо, США, под маркировкой LM6000. Еще один газотурбинный двигатель, в который может быть включено раскрытое здесь изобретение, представляет собой газотурбинный двигатель LM2500 или LM2500+, поставляемый компанией General Electric Company из г. Цинциннати, штат Огайо, США.

Газотурбинный двигатель содержит несколько подшипниковых узлов, некоторые из которых схематично изображены на Фиг. 1. Более конкретно, подшипниковые узлы показаны номерами позиций 25, 26, 27, 28 и 29. В частности, подшипниковый узел 28 находится в горячей зоне газотурбинного двигателя, т.е. в камере сгорания газовой турбины или около нее. В этой области газотурбинного двигателя воздух, окружающий подшипниковый узел, является особенно горячим из-за высокой температуры газообразных продуктов сгорания, образующихся в камере сгорания.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует один вариант выполнения подшипникового узла 28 и соответствующего маслосборника подшипника. Маслосборник подшипника в целом обозначен номером позиции 32. В некоторых вариантах выполнения подшипниковый узел 28 состоит из трех подшипников 28А, 28В, 28С, расположенных в маслосборнике 32 подшипника. Уплотнительная камера 45 маслосборника окружает подшипниковый узел, как это будет описано более подробно позже.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует также часть вала 24, поддерживаемого подшипниковым узлом 28, и часть внутреннего вала 22, проходящего через вал 24. В других вариантах выполнения, как известно специалистам в данной области техники, газотурбинный двигатель 10 может состоять из одного вала или может иметь более чем один вал, но в не концентрическом расположении. Подшипниковый узел, изображенный на Фиг. 2, можно использовать также и в этих различных конфигурациях газовой турбины.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, подшипниковый узел 28 расположен в масляной камере 33 маслосборника. Внутренняя часть масляной камеры 33 маслосборника может находиться в проточном сообщении через каналы 35 подачи масла с емкостью для смазочного масла, схематически показанной как 36. Масло под давлением доставляют к подшипниковому узлу 28 через каналы 35 подачи масла, например, с помощью насоса 34, находящегося в проточном сообщении с емкостью 36 для смазочного масла. В некоторых вариантах выполнения канал 37 удаления масла, заканчивающийся внутри масляной камеры 33 маслосборника, находится в проточном сообщении с продувочным насосом, схематически показанным как 39. Масло, удаляемое из масляной камеры 33 маслосборника через продувочный насос 39, может направляться через фильтр 40 и, например, также через теплообменник 42, а затем возвращаться обратно в емкость 36 для смазочного масла.

Смазочное масло, подаваемое через каналы 35 подачи масла, смазывает подшипники 28А, 28В, 28С подшипникового узла 28, отводит тепло от него, а затем возвращается через канал 37 удаления масла и продувочный насос 39 в емкость 36 для смазочного масла, после того, как оно было отфильтровано фильтром 40 и охлаждено в теплообменнике 42.

В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2, масляная камера 33 маслосборника имеет первые уплотнительные элементы 41, 43, ограничивающие проходы 31А, 31В вала через масляную камеру 33 маслосборника. Масляная камера 33 маслосборника заключена в уплотнительную камеру 45 маслосборника. Уплотнительные элементы 41 и 43 предотвращают или снижают протечку масла из масляной камеры 33 маслосборника в направлении уплотнительной камеры 45 маслосборника вдоль вала 24, который проходит через проходы 31А, 31В вала 31.

Уплотнительная камера 45 маслосборника содержит дополнительные уплотнительные элементы 47, 49, через которые проходит вал 24 и которые предотвращают или снижают протечку воздуха из уплотнительной камеры 45 маслосборника наружу. Проходы 48, 50 второго вала окружены уплотнительными элементами 47, 49, а вал 24 проходит через указанные проходы второго вала. Давление воздуха в уплотнительной камере 45 маслосборника предотвращает или ограничивает протечки смазочного масла через уплотнительные элементы 41 и 43. Указанное давление воздуха дополнительно предотвращает проникновение горячего воздуха через уплотнительные элементы 47 и 49 в уплотнительную камеру 45 маслосборника и, следовательно, в масляную камеру 33 маслосборника.

Во время нормальной работы двигателя воздух попадает в компрессор 12 низкого давления, сжимается в нем до первого давления, доставляется в компрессор 14 высокого давления и дополнительно сжимается до окончательного давления. Сжатый воздух поступает в камеру 16 сгорания, где поток сжатого воздуха смешивается с топливом и смесь воспламеняется, создавая газообразные продукты сгорания при высокой температуре и высоком давлении. Газообразные продукты сгорания последовательно расширяются, соответственно, в турбине 18 высокого давления и в турбине 20 низкого давления. Мощность, генерируемая турбиной 18 высокого давления, используется для приведения в действие компрессора 14 высокого давления. Мощность, генерируемая турбиной 20 низкого давления, частично используется для приведения в действие компрессора 12 низкого давления и частично снимается с вала 22 для приведения в действие нагрузки (не показана).

Смазочное масло циркулирует в подшипниковых узлах 25-29. Сжатый воздух, приходящий из расположенного на двигателе источника сжатого воздуха, поступает в уплотнительную камеру 45 маслосборника по меньшей мере одного из подшипниковых узлов, чтобы предотвратить протечку масла и проникновение воздуха в масляную камеру маслосборника. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения расположенный на двигателе источник сжатого воздуха может содержать компрессор 12 низкого давления или компрессор 14 высокого давления. В более общем случае, расположенный на двигателе источник сжатого воздуха представляет собой любой источник сжатого воздуха, который входит в состав газотурбинного двигателя и который приводится им в действие, так что давление на выходе расположенного на двигателе источника сжатого воздуха зависит от режимов работы газотурбинного двигателя 10.

В некоторых режимах работы, например, во время работы двигателя с низкой мощностью или на холостом ходу, давления воздуха, доставляемого в уплотнительную камеру 45 маслосборника через канал 51 (Фиг. 2), может быть недостаточно для предотвращения протечки смазочного масла из масляной камеры 33 маслосборника и проникновения горячего воздуха через уплотнительные элементы 47, 49 снаружи уплотнительной камеры 45 маслосборника по направлению к ее внутренней части, а оттуда к масляной камере 33 маслосборника. В этом случае масло «подгорает», из-за высокой температуры воздуха в горячей области газотурбинного двигателя 10.

Чтобы предотвратить эту ситуацию, в некоторых вариантах выполнения предложена система уплотнения маслосборника, в комбинации с расположенным на двигателе источником сжатого воздуха.

Фиг. 3, 4 и 5 схематически изображают схему иллюстративного варианта выполнения системы уплотнения маслосборника в трех различных режимах работы. На Фиг. 3, 4 и 5 газотурбинный двигатель 10 вместе с расположенным на двигателе источником сжатого воздуха обозначен номером позиции 14, а маслосборники подшипника обозначены номером позиции 32.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, система уплотнения маслосборника, в целом обозначенная номером позиции 60, содержит проточные соединения 61, 63 между расположенным на двигателе источником 14 сжатого воздуха и маслосборниками 32 подшипника. Проточные соединения 61, 63 проходят наружу газотурбинного двигателя 10 для целей, которые станут очевидными из последующего описания.

На проточном соединении 61, в комбинации с первым обратным клапаном 67 установлен автоматический запорный клапан 65 со стороны двигателя. Номера позиций 65А и 65В схематично обозначают первый датчик положения и второй датчик положения, которые определяют полностью открытое и полностью закрытое положения автоматического запорного клапана 65. В других, не показанных, вариантах выполнения может быть предусмотрен только один из указанных клапанов 65, 67. Также вместо двух датчиков положения может быть использован преобразователь положения.

Система 69 измерения давления определяет давление воздуха, подаваемого в уплотнительную камеру 45 маслосборника. В некоторых вариантах выполнения система 69 измерения давления может состоять из первого преобразователя 69А давления и второго преобразователя 69В давления, расположенных параллельно, образуя избыточную конфигурацию. В других вариантах выполнения может быть предусмотрено более двух преобразователей давления. В более простых вариантах выполнения, где применяются менее строгие условия безопасности, может быть достаточно одного преобразователя давления.

В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 3, 4 и 5, система 60 уплотнения маслосборника содержит нагнетатель 71 воздуха. В некоторых вариантах выполнения нагнетатель 71 воздуха может представлять собой объемный нагнетатель воздуха. В других вариантах выполнения вместо объемного нагнетателя воздуха может быть предусмотрен турбонагнетатель воздуха, например, центробежный компрессор или вентилятор. В показанном иллюстративном варианте выполнения нагнетатель 71 воздуха приводится во вращение электродвигателем 73, например, электродвигателем переменного тока. Электродвигатель 73 может управляться с помощью контроллера 75 скорости. Контроллер 75 скорости может содержать драйвер переменной частоты, так что скоростью нагнетателя 71 воздуха можно управлять. Контроллер скорости обеспечивает возможность управления давлением на выходе нагнетателя 71 воздуха. В других вариантах выполнения нагнетатель воздуха может работать с постоянной скоростью вращения и может также иметь стравливающий клапан или аналогичное устройство для регулирования давления на выходе.

Канал 77 доставки сжатого воздуха соединяет нагнетатель 71 воздуха с проточным соединителем 63. Вдоль канала 77 доставки сжатого воздуха может быть установлен автоматический запорный клапан 78 со стороны нагнетателя воздуха. Обратный клапан 79 может быть расположен последовательно с автоматическим запорным клапаном 78. В других вариантах выполнения, которые не показаны, может быть предусмотрен только один из указанных клапанов 78, 79. Последовательно с клапанами 79 и 78 может быть дополнительно расположен ручной клапан 80. В некоторых вариантах выполнения с автоматическим запорным клапаном 78 могут быть связаны первый датчик 78А положения и второй датчик 78В положения, чтобы определять, соответственно, полностью закрытое положение и полностью открытое положение клапана 78. Указанные два датчика положения могут быть заменены преобразователем положения.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, выше по потоку от нагнетателя 71 воздуха может быть установлен дополнительный ручной клапан 81, а ниже по потоку от нагнетателя 71 воздуха может быть установлен предохранительный клапан 83.

Дополнительная линия подачи сжатого воздуха, показанная в целом номером позиции 85, может быть соединена через линию 86 с проточным соединением 63 между источником 14 сжатого воздуха и маслосборниками 32 подшипника. Линия 85 подачи сжатого воздуха может, например, представлять собой сервисную линию сжатого воздуха с завода, на котором установлен газотурбинный двигатель 10.

В некоторых вариантах выполнения между линией 85 подачи сжатого воздуха и проточным соединителем 61, 63 установлен автоматический запорный / регулирующий давление клапан 87. Последовательно с автоматическим запорным клапаном 87 может быть дополнительно расположен обратный клапан 88 и/или ручной клапан 89. Для обнаружения полностью закрытого положения автоматического запорного / регулирующего давление клапана 87 может быть предусмотрен датчик 87А положения. В некоторых вариантах выполнения для определения фактического положения датчик преобразователя положения может быть связан с автоматическим запорным / регулирующим давление клапаном 78. Наконец, с линией 86 может быть соединен предохранительный клапан 90 давления. В некоторых вариантах выполнения один из клапанов 88 и 87 может отсутствовать.

Далее, со ссылками на Фиг. 3, 4 и 5, более подробно описана работа уже описанной системы 60 уплотнения маслосборника.

На Фиг. 3 двигатель 10 показан работающим, например, при полной мощности, при этом расположенный на двигателе источник сжатого воздуха, например, компрессор 14 высокого давления, обеспечивает достаточное давление в уплотнительной камере 45 маслосборников 32 подшипника. Это изображено стрелками «fl», показывающими циркуляцию воздуха из расположенного на двигателе источника 14 сжатого воздуха к маслосборникам 32 подшипника вдоль проточных соединителей 61, 63. Автоматический запорный клапан 65 со стороны двигателя открыт, тогда как автоматический запорный клапан 78 со стороны нагнетателя воздуха и автоматический запорный / клапан 87 закрыты. Нагнетатель 71 не работает, или открыт клапан 83.

Если давление воздуха, подаваемого через проточный соединитель 61, 63 со стороны расположенного на двигателе источника 14 сжатого воздуха двигателя 10 становится недостаточным, чтобы надлежащим образом загерметизировать уплотнительную камеру 45 маслосборников подшипника, то будет задействован либо один, либо другой из вспомогательных источников 71, 85 сжатого воздуха. Падение давления воздуха, доставляемого в уплотнительную камеру 45, определяется системой 69 измерения давления.

Если система 69 измерения давления определяет, что давление воздуха упало ниже порогового значения, то выполняют следующие операции. Автоматический запорный клапан 65 со стороны двигателя закрывают, а автоматический запорный клапан 78 со стороны нагнетателя воздуха открывают. Нагнетатель 71 запускают, а клапан 87 оставляют закрытым. Сжатый воздух, таким образом, будет доставляться нагнетателем 71 к маслосборникам 32 подшипника через проточные соединители 63, как показано стрелками «f2» на Фиг. 4. Скоростью вращения нагнетателя 71 можно управлять с помощью системы 75 управления скоростью нагнетателя воздуха, пока системой 69 измерения давления не будет определено требуемое значение давления. Контроллер 75 поддерживает необходимое значение скорости вращения нагнетателя воздуха, чтобы обеспечить требуемое давление в уплотнительных камерах маслосборника.

Закрытие клапана 65 предотвращает поступление сжатого воздуха из нагнетателя 71 воздуха в газотурбинный двигатель 10. В этом режиме работы, показанном на Фиг. 4, в уплотнительных камерах 45 поддерживается достаточное давление, чтобы, с одной стороны, предотвращать протечку масла из масляной камеры 33 маслосборника по направлению к уплотнительной камере 45, и чтобы, с другой стороны, предотвращать проникновение высокотемпературного воздуха в уплотнительную камеру 45 маслосборника и оттуда в масляную камеру 33 маслосборника с последующим вредом для смазочного масла из-за высокой температуры воздуха, окружающего уплотнительную камеру 45 маслосборника, особенно в горячей области газотурбинного двигателя 10.

Система 69 измерения давления постоянно определяет давление воздуха, подаваемого к уплотнительной камере 45 маслосборника. Если, например, в связи с выходом из строя нагнетателя 71, такое давление падает ниже порогового значения, которое необходимо для достижения эффекта предотвращения протечки масла и проникновения горячего воздуха, то система 60 уплотнения маслосборника переключается в режим работы, показанный на Фиг. 5. Автоматический запорный клапан 78 со стороны нагнетателя воздуха закрывают, автоматический запорный клапан 65 со стороны двигателя оставляют закрытым, а клапан 87 открывают. Сжатый воздух из линии 85 сжатого воздуха, таким образом, доставляют (см. стрелку «f3» на Фиг. 5) по линии 86 в направлении проточного соединителя 63 и к маслосборникам 32 подшипника.

В этом варианте выполнения, поэтому, линия 85 сжатого воздуха обеспечивает вспомогательный источник безопасности для использования в случае выхода из строя нагнетателя 71.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения, схематически показанным на Фиг. 6, линия 85 сжатого воздуха может быть единственной линией сжатого воздуха или источником системы 60 уплотнения маслосборника, расположенной снаружи двигателя 10. На Фиг. 6 для обозначения одинаковых или соответствующих компонентов, частей или элементов, что и в вариантах выполнения, изображенных на Фиг. 3, 4 и 5, использованы те же самые номера позиций.

Когда система 69 измерения давления определяет падение давления воздуха, доставляемого к маслосборникам подшипника, автоматический запорный клапан 65 со стороны двигателя закрывают, а автоматический запорный клапан 87 открывают, чтобы обеспечить возможность протекания сжатого воздуха из линии 85 сжатого воздуха (стрелка «f4») по направлению к маслосборникам подшипника по линии 63.

Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения описанного в настоящем документе изобретения были показаны на чертежах и подробно описаны выше со спецификой и детализацией в связи с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что многие модификации, замены и исключения возможны без существенного отхода от изобретательских идей, принципов и концепций, изложенных в данном описании, и преимуществ изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, надлежащий объем раскрытых инноваций должен определяться только в широком толковании прилагаемой формулы изобретения таким образом, чтобы охватывать все такие модификации, замены и исключения. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа могут быть изменены или повторены в другой последовательности, в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.

Описана система уплотнения маслосборника, содержащая внешний источник сжатого воздуха, выполненный с возможностью дополнительной подачи сжатого воздуха к маслосборнику подшипникового узла, когда режимы работы газотурбинного двигателя таковы, что встроенный источник сжатого воздуха, например компрессор газогенератора, таков, что генерируемое давление воздуха оказывается недостаточным для создания избыточного давления в уплотнительной камере маслосборника. Описан также газотурбинный двигатель (варианты), содержащий такую систему уплотнения маслосборника. Кроме того, описан соответствующий способ управления газотурбинным двигателем для содействия снижению протечек смазочного масла. Технический результат изобретения – повышение надежности работы маслосборника путем предотвращения подгорания смазочного масла. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ управления газотурбинным двигателем для содействия снижению протечки смазочного масла, причем газотурбинный двигатель содержит:

по меньшей мере один подшипниковый узел, расположенный в масляной камере маслосборника,

уплотнительную камеру маслосборника, в которой по меньшей мере частично заключена масляная камера маслосборника, находящаяся с ней в проточном сообщении,

при этом способ содержит этапы, на которых:

подают воздух для уплотнения маслосборника в уплотнительную камеру маслосборника из встроенного источника воздуха указанного газотурбинного двигателя для поддерживания в указанной уплотнительной камере маслосборника рабочего давления, которое выше, чем давление в указанной масляной камере маслосборника;

когда давление воздуха, подаваемого из встроенного источника воздуха указанного газотурбинного двигателя, недостаточно для поддержания указанного рабочего давления в уплотнительной камере маслосборника, подают дополнительный воздух для уплотнения маслосборника к указанной уплотнительной камере маслосборника из по меньшей мере одного вспомогательного источника сжатого воздуха.

2. Способ по п. 1, в котором на этапе подачи дополнительного воздуха для уплотнения маслосборника приводят в действие нагнетатель воздуха.

3. Способ по п. 1, в котором на этапе подачи дополнительного воздуха для уплотнения маслосборника приводят в действие нагнетатель воздуха с переменной скоростью вращения для поддержания рабочего давления в уплотнительной камере маслосборника.

4. Способ по п. 1, в котором уплотнительная камера маслосборника содержит первые уплотнительные элементы для уплотнения первых проходов вала между масляной камерой маслосборника и уплотнительной камерой маслосборника и вторые уплотнительные элементы для уплотнения вторых проходов вала между уплотнительной камерой маслосборника и окружающей средой, при этом рабочее давление в уплотнительной камере маслосборника поддерживают на уровне, достаточном для предотвращения проникновения воздуха через вторые уплотнительные элементы внутрь уплотнительной камеры маслосборника.

5. Способ по п. 1, в котором дополнительно определяют давление, которое свидетельствует о давлении внутри уплотнительной камеры маслосборника,

при этом, если определенное давление ниже минимального порогового давления маслосборника, то проточно соединяют уплотнительную камеру маслосборника с дополнительной линией подачи сжатого воздуха и доставляют дополнительный воздух для уплотнения маслосборника через указанную дополнительную линию подачи воздуха в уплотнительную камеру маслосборника.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором обеспечивают проточное сообщение между уплотнительной камерой маслосборника и каналом сжатого воздуха и проточное сообщение между указанным каналом сжатого воздуха и, выборочно, расположенным на газотурбинном двигателе источником сжатого воздуха и расположенной вне двигателя дополнительной линией подачи воздуха, причем между газотурбинным двигателем и каналом сжатого воздуха установлен первый клапан, а между дополнительной линией подачи воздуха и указанным по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха установлен второй клапан, при этом в способе закрывают первый клапан и открывают второй клапан, когда давление воздуха от расположенного на газотурбинном двигателе источника сжатого воздуха недостаточно для поддержания указанного рабочего давления в уплотнительной камере маслосборника.

7. Система уплотнения маслосборника для газотурбинного двигателя, содержащая:

масляную камеру маслосборника, содержащую подшипниковый узел,

уплотнительную камеру маслосборника, в которой по меньшей мере частично заключена масляная камера маслосборника, находящаяся с ней в проточном сообщении,

дополнительную линию подачи сжатого воздуха для проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха,

линию сжатого воздуха для проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и газотурбинным двигателем,

клапанный узел для выборочного соединения уплотнительной камеры маслосборника с линией сжатого воздуха или с дополнительной линией подачи сжатого воздуха.

8. Система по п. 7, в которой дополнительная линия подачи сжатого воздуха выполнена с возможностью проточного соединения с указанным по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха и еще одним дополнительным вспомогательным источником сжатого воздуха.

9. Система по п. 7, в которой указанный по меньшей мере один вспомогательный источник сжатого воздуха содержит нагнетатель воздуха.

10. Система по п. 8, в которой указанный дополнительный вспомогательный источник сжатого воздуха содержит нагнетатель воздуха.

11. Система по п. 9, в которой нагнетатель воздуха приводится в действие приводом с переменной скоростью.

12. Система по любому из пп. 7-11, дополнительно содержащая продувочный насос, находящийся в проточном сообщении с масляной камерой маслосборника.

13. Газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере один подшипниковый узел и систему уплотнения маслосборника, выполненную с возможностью подачи смазочного масла к указанному подшипниковому узлу, причем система уплотнения маслосборника выполнена по любому из пп. 7-12, а указанный подшипниковый узел расположен в масляной камере маслосборника.

14. Газотурбинный двигатель, содержащий:

по меньшей мере один подшипниковый узел,

систему уплотнения маслосборника, содержащую масляную камеру маслосборника, в которой заключен указанный подшипниковый узел, и уплотнительную камеру маслосборника, причем масляная камера маслосборника по меньшей мере частично заключена в уплотнительную камеру маслосборника и находится с ней в проточном сообщении,

соединительную линию сжатого воздуха, проточно соединяющую указанную уплотнительную камеру маслосборника и источник воздуха указанного газотурбинного двигателя,

дополнительную соединительную линию сжатого воздуха, проточно соединяющую уплотнительную камеру маслосборника с по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха,

клапанный узел для выборочного соединения уплотнительной камеры маслосборника с соединительной линией сжатого воздуха или с дополнительной соединительной линией сжатого воздуха.

15. Газотурбинный двигатель по п. 14, в котором источник воздуха газотурбинного двигателя содержит по меньшей мере один воздушный компрессор газотурбинного двигателя.

16. Газотурбинный двигатель по п. 15, в котором указанный клапанный узел выполнен с возможностью управления с возможностью соединения уплотнительной камеры маслосборника со вспомогательным источником сжатого воздуха, когда сжатого воздуха, доставляемого газовой турбиной, недостаточно для поддержания рабочего давления в уплотнительной камере маслосборника.

17. Газотурбинный двигатель по п. 14, дополнительно содержащий второй вспомогательный источник сжатого воздуха.

18. Газотурбинный двигатель по п. 17, в котором указанный клапанный узел содержит первые клапанные элементы для установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и соединительной линией сжатого воздуха, вторые клапанные элементы для установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и указанным по меньшей мере одним вспомогательным источником сжатого воздуха, и третьи клапанные элементы для установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и указанным вторым вспомогательным источником сжатого воздуха.

19. Газотурбинный двигатель по п. 14, в котором указанный по меньшей мере один вспомогательный источник сжатого воздуха содержит нагнетатель воздуха.

20. Газотурбинный двигатель по п. 17, в котором указанный второй вспомогательный источник сжатого воздуха содержит нагнетатель воздуха.

21. Газотурбинный двигатель по п. 19, в котором указанный нагнетатель воздуха приводится в действие двигателем с переменной скоростью.

22. Газотурбинный двигатель по любому из пп. 14-21, в котором указанный клапанный узел выполнен с возможностью управления с возможностью, поочередно:

установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и соединительной линией сжатого воздуха и закрытия дополнительной соединительной линии сжатого воздуха или

закрытия соединительной линии сжатого воздуха и установления проточного соединения между уплотнительной камерой маслосборника и дополнительной соединительной линией сжатого воздуха.