Газотурбинный двигатель Российский патент 2019 года по МПК F02C7/06 F02C7/14 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к системам наддува опор газотурбинных двигателей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор низкого давления с опорами, компрессор высокого давления с опорой, турбину высокого давления и турбину низкого давления с опорами и дисками, образующими между собой междисковую полость турбин, источник высокого давления, источник низкого давления, клапан переключения наддува, единую централизованную систему наддува опор, каждая из которых включает полость наддува и предмасляную полость, полости наддува через клапан переключения наддува сообщены питающими воздуховодами и с источником высокого давления и с источником низкого давления, а воздуховодами друг с другом, междисковая полость турбин через подвижные уплотнения сообщена и с газовоздушным трактом двигателя и с предмасляными полостями турбин, /RU №2188331 С1 МПК F02C 7/06 Опубликовано 27.08.2002 г./

Недостатком данного решения является то, что для стационарных газотурбинных двигателей, особенно эксплуатируемых в жарких странах, температура наддува опор достаточно высока, и в масляные полости поступает горячий воздух, нагревая не только масло, но и элементы всей масляной опоры, от которых масло нагревается дополнительно. Это может привести к коксообразованию внутри опоры, изменению свойств масла, делающего его непригодным для использования, а также снижает ресурс работы масляных подвижных уплотнений. Увеличенный подогрев масла может приводить к повышению температуры элементов конструкции подшипника, что уменьшает его долговечность. Вследствие этого возникает необходимость частой замены масла, что увеличивает стоимость эксплуатации, а в случае возгорания масла в опоре и уменьшения долговечности подшипника снижается безопасность, надежность и ресурс работы двигателя.

Задача изобретения - обеспечение безопасности эксплуатации двигателя, повышение его надежности и экономичности.

Ожидаемый технический результат - сохранение свойств использованного масла, повышение надежности подшипника и его долговечности, а также исключение появление кокса и возгорания масла и кокса в процессе эксплуатации, что обеспечивает безопасность и повышает ресурс двигателя.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что известный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор низкого давления с опорами, компрессор высокого давления с опорой, турбину высокого давления и турбину низкого давления с опорами и дисками, образующими между собой междисковую полость турбин, источник высокого давления, источник низкого давления, клапан переключения наддува, единую централизованную систему наддува опор, каждая из которых включает полость наддува и предмасляную полость, полости наддува через клапан переключения наддува сообщены питающими воздуховодами и с источником высокого давления и с источником низкого давления, а воздуховодами друг с другом, междисковая полость турбин через подвижные уплотнения сообщена и с газовоздушным трактом двигателя и с предмасляными полостями турбин, по предложению он снабжен теплообменником, оснащенным трактом охлаждающего воздуха и трактом охлаждаемого воздуха, при этом тракт охлаждающего воздуха своим входом сообщен с источником низкого давления, а выходом с газовоздушным трактом за турбиной низкого давления, а тракт охлаждаемого воздуха своим входом сообщен с источником высокого давления, а выходом через подводящие воздуховоды сообщен и с клапаном переключения наддува и/или с междисковой полостью турбин. Источником высокого давления может использоваться вторичная зона камеры сгорания или одна из последних ступеней компрессора высокого давления.

Снабжение газотурбинного двигателя теплообменником, оснащенным трактом охлаждающего воздуха и трактом охлаждаемого воздуха, обеспечивает снижение температуры воздуха, поступающего в тракт охлаждаемого воздуха от источника высокого давления, на требуемую величину, а сообщение тракта охлаждаемого воздуха с клапаном переключения наддува обеспечивает стабильный наддув опор газотурбинного двигателя холодным воздухом с требуемым высоким давлением на режимах запуска и режимах «малого газа», поскольку эти режимы характеризуются тем, что частота вращения ротора низкого давления составляет 15…40% от его максимального значения, а частота вращения ротора высокого давления составляет 60…80% от своего максимального значения. При этом на входе в компрессор низкого давления и на входе в компрессор высокого давления имеет место разрежение относительно атмосферы, а давление в маслосистеме соответствует атмосферному. Возникают условия для выброса масла в газовоздушный тракт двигателя. Поэтому на данных режимах очень важно иметь стабильный наддув опор воздухом с высоким давлением. Наддув опор более холодным воздухом существенно снижает подвод тепла к элементам конструкции опор газотурбинного двигателя, а также снижает температуру масла в масляных полостях опор за счет того, что в масляные полости через масляные подвижные уплотнения поступает более холодный воздух.

При этом сообщение входа тракта охлаждающего воздуха с источником низкого давления обеспечивает обдув теплообменника более холодным воздухом, что повышает его эффективность.

На рабочих режимах двигателя наддув опор осуществляется от источника низкого давления воздухом с низкой температурой и приемлемым уровнем давления, поскольку частота вращения ротора низкого давления и частота вращения ротора высокого давления выравниваются и составляют 90…100% от максимальных значений и нет разрежения в полостях на входе в компрессор низкого давления и на входе в компрессор высокого давления.

Сообщение тракта охлаждаемого воздуха с междисковой полостью турбин обеспечивает дополнительный наддув опоры турбины более холодным воздухом, при этом все особо нагретые элементы конструкции турбины оказываются в области подвода более холодного воздуха, что благоприятно сказывается на условиях работы турбины, а также дополнительно снижается температура масла в опоре турбины за счет попадания более холодного воздуха через масляные подвижные уплотнения в масляную полость турбины.

Выбор в качестве источника высокого давления вторичной зоны камеры сгорания обеспечивает требуемый уровень давления для наддува опор двигателя на режимах запуска и малого газа.

Выбор в качестве источника высокого давления одной из последних ступеней компрессора высокого давления обеспечивает помимо требуемого уровня давления в систему наддува опор, более низкую температуру отбираемого воздуха.

На рисунке показана схема продольного разреза газотурбинного двигателя с централизованной системой наддува и охлаждения опор турбины.

Газотурбинный двигатель содержит компрессор низкого давления 1 с опорами 2 и 3, компрессор высокого давления 4 с опорой 5, турбину высокого давления 6 и турбину низкого давления 7 с опорами 8, 9 и дисками 10 и 11, образующими между собой междисковую полость турбин 12, а также источник высокого давления 13, источник низкого давления 14, клапан переключения наддува 15.

Двигатель также содержит единую централизованную систему наддува опор, каждая из которых включает полости наддува 16 и 17 опор 2 и 3 компрессора низкого давления 1, полость наддува 18 опоры 5 компрессора высокого давления 4 и полость наддува 19 опор 8 и 9 турбин высокого 6 и низкого 7 давления. Полости наддува 16, 17, 18, 19 сообщены воздуховодами 20, 21, 22, 23 друг с другом и через клапан переключения наддува 15 сообщены питающими воздуховодами 24 и 25 с источником высокого давления 13 и с источником низкого давления 14 соответственно. Система наддува опор содержит также предмасляные полости 26, 27 опор 2, 3 компрессора низкого давления 1, предмасляную полость 28 опоры 5 компрессора высокого давления 4 и предмасляную полость 29 опор 8, 9 турбины высокого 6 и низкого 7 давления. Предмасляные полости 26, 27, 28, 29 сообщены через подвижные уплотнения 30, 31, 32, 33, 34, 35 с маслосистемой 36, а через воздуховоды 37, 38, 39 с клапанами суфлирования 40 и 41. Полости наддува 16, 17, 18 сообщены с газовоздушным трактом 42 двигателя.

Междисковая полость турбин 12 через подвижные уплотнения 43, 44 сообщена с газовоздушным трактом 42 двигателя, а через подвижное уплотнение 45 с предмасляными полостями турбин 29.

Теплообменник 46 оснащен трактом охлаждающего воздуха 47 и трактом охлаждаемого воздуха 48. При этом тракт охлаждающего воздуха 47 своим входом сообщен с источником низкого давления 14, а выходом с газовоздушным трактом 42 за турбиной низкого давления 7, а тракт охлаждаемого воздуха 48 своим входом сообщен с источником высокого давления 13, а выходом через подводящий воздуховод 49 сообщен с клапаном переключения наддува 15, а через подводящий воздуховод 50 с междисковой полостью турбин 12.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом:

На режимах запуска и режиме «малого газа» клапан переключения наддува 15 находится в положении, когда единая централизованная система наддува опор сообщена питающим воздуховодом 24 с источником высокого давления 13. В этом случае воздух, отбираемый от источника высокого давления 13, направляется в тракт охлаждаемого воздуха 48 теплообменника 46, где благодаря свойствам охладителя - воздуха, отбираемого от источника низкого давления 14 и проходящего через тракт охлаждающего воздуха 47 - температура воздуха от источника высокого давления 13 снижается. Через последовательно установленные подводящий воздуховод 49, клапан переключения наддува 15 и воздуховод 20 воздух поступает в полость наддува 17 задней опоры 3 компрессора низкого давления 1 и далее в предмасляную полость 27, газовоздушный тракт 42 и в воздуховоды 21 и 22. Из воздуховода 21 воздух направляется в полость наддува 16 передней опоры 2 компрессора низкого давления 1 и далее в предмасляную полость 26 и в газовоздушный тракт двигателя 42.

По воздуховоду 22 воздух одновременно подается в полость наддува 18 передней опоры 5 компрессора высокого давления 4 и далее в предмасляную полость 28, а также по воздуховоду 23 в полость наддува 19 опоры 8 турбины высокого давления 6 и опоры 9 турбины низкого давления 7. Из полости наддува 19 воздух поступает в предмасляную полость 29 турбин.

Воздух из предмасляных полостей 26, 27, 28, с одной стороны, через воздуховоды 37 и 38 поступает в клапан суфлирования 40 и далее в окружающую среду, из предмасляных полостей 29 через воздуховод 39 в клапан суфлирования 41 и далее в окружающую среду, а с другой стороны, через подвижные уплотнения 30, 31, 32, 33, 34, 35 поступает в маслосистему 36.

Одновременно воздух, отбираемый от источника высокого давления 13 и проходящий теплообменник 46 по тракту охлаждаемого воздуха 48 через подводящий воздуховод 50 поступает в междисковую полость турбин 12 и далее через подвижные уплотнения 43 и 44 направляется в газовоздушный тракт 42, а через подвижное уплотнение 45 в предмасляные полости 29 турбин, охлаждая элементы конструкции турбин и надувая предмасляные полости 29 холодным воздухом. Смешиваясь с воздухом, поступающим из полости наддува 19, этот холодный воздух поступает через подвижные уплотнения 33, 34, 35 в маслосистему двигателя 36. Причем наддув междисковой полости турбин 12 холодным воздухом, проходящим теплообменник 46, осуществляется на всех режимах работы двигателя, что обеспечивает надежный наддув опор 8 и 9 турбин 6 и 7, а также обеспечивает «омывание» холодным воздухом особо нагретых элементов конструкции опор турбин.

Реализация данного изобретения за счет снижения температуры масла обеспечивает стабильность его свойств и дальнейшее многократное использование в линии подвода масла к подшипникам опоры, улучшение условий работы подшипников турбины высокого и низкого давления и как следствие повышение их ресурса и долговечности, а также исключение образования кокса на элементах конструкции опоры турбины.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к системам наддува опор газотурбинных двигателей. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор низкого давления с опорами, компрессор высокого давления с опорой, турбину высокого давления и турбину низкого давления с опорами и дисками, образующими между собой междисковую полость турбин, источник высокого давления, источник низкого давления, клапан переключения наддува, единую централизованную систему наддува опор, каждая из которых включает полость наддува и предмасляную полость. Полости наддува через клапан переключения наддува сообщены питающими воздуховодами и с источником высокого давления, и с источником низкого давления, а воздуховодами друг с другом. Междисковая полость турбин через подвижные уплотнения сообщена и с газовоздушным трактом двигателя, и с предмасляными полостями турбин. По предложению газотурбинный двигатель снабжен теплообменником, оснащенным трактом охлаждающего воздуха и трактом охлаждаемого воздуха, при этом тракт охлаждающего воздуха своим входом сообщен с источником низкого давления, а выходом с газовоздушным трактом за турбиной низкого давления. Тракт охлаждаемого воздуха своим входом сообщен с источником высокого давления, а выходом через подводящие воздуховоды сообщен и с клапаном переключения наддува и/или с междисковой полостью турбин. Реализация данного изобретения за счет снижения температуры масла обеспечивает стабильность его свойств и дальнейшее многократное использование в линии подвода масла к подшипникам опоры, улучшение условий работы подшипников турбины высокого и низкого давления и, как следствие, повышение их ресурса и долговечности, а также исключение образования кокса на элементах конструкции опоры турбины. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор низкого давления с опорами, компрессор высокого давления с опорой, турбину высокого давления и турбину низкого давления с опорами и дисками, образующими между собой междисковую полость турбин, источник высокого давления, источник низкого давления, клапан переключения наддува, единую централизованную систему наддува опор, каждая из которых включает полость наддува и предмасляную полость, полости наддува через клапан переключения наддува сообщены питающими воздуховодами и с источником высокого давления, и с источником низкого давления, а воздуховодами друг с другом, междисковая полость турбин через подвижные уплотнения сообщена и с газовоздушным трактом двигателя, и с предмасляными полостями турбин, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником, оснащенным трактом охлаждающего воздуха и трактом охлаждаемого воздуха, при этом тракт охлаждающего воздуха своим входом сообщен с источником низкого давления, а выходом с газовоздушным трактом за турбиной низкого давления, а тракт охлаждаемого воздуха своим входом сообщен с источником высокого давления, а выходом через подводящие воздуховоды сообщен и с клапаном переключения наддува и/или с междисковой полостью турбин.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что источником высокого давления является вторичная зона камеры сгорания.

3. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что источником высокого давления является одна из последних ступеней компрессора высокого давления.