Устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя Российский патент 2020 года по МПК F02C7/52 F04D29/70 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, конкретно к двухконтурным турбореактивным двигателями (ТРДЦ)(Принятые сокращения поясняются по тексту, также на стр. 8 приведен полный перечень сокращений.) с вентиляторной ступенью на входе. В настоящее время данный тип двигателя широкого применяется в эксплуатации на самолетах гражданской и военной авиации. Кроме того, изобретение может применяться на наземных газотурбинных установках (ГТУ), где также часто возникает необходимость защиты двигателя от попадания в его газовоздушный тракт (ГВТ) посторонних предметов.

Особенностью компоновки многих современных самолетов является низкое (близкое к поверхности земли) расположение двигателя под крылом летательного аппарата (ЛА), что приводит к попаданию в ГВТ двигателей посторонних предметов (ПП), вследствие чего происходит выход двигателя из строя по причине разрушения лопаток компрессора.

В итоге снижаются надежность работы двигателей, безопасность полетов, боеготовность, мобильность и регулярность вылетов, нередки случаи досрочных съемов двигателей из-за появления неустранимых в условиях эксплуатации повреждений лопаток компрессора.

Кроме того, существенно ухудшаются показатели эксплуатационной технологичности - увеличиваются объемы работ по техническому обслуживанию (ТО) двигателей, время простоя авиатехники (AT), стоимость эксплуатации AT.

В практике авиадвигателестроения известны конструктивные решения, направленные на снижение количества попаданий ПП во внутренний контур ТРДД. Обычно с этой целью используют процесс инерционной сепарации ПП при взаимодействии их с лопатками вентилятора и осевого компрессора, при этом часть ПП, движущихся по центральной привтулочной зоне вентилятора, перемещается к периферии канала внутреннего контура и выводится во внешний контур двигателя по осевому зазору между венцами рабочего колеса РК вентилятора и входного направляющего аппарата (ВНА) внутреннего контура. Другая часть ПП, оставшаяся во внутреннем контуре, сепарируется группой последующих подпорных ступеней компрессора низкого давления (КНД), перемещается к периферии проточного канала, а после последней ступени выводится в канал перепусков и отбора воздуха во внешний контур или в окружающее воздушное пространство. Описанное конструктивное решение используется в разных типах зарубежных и отечественных ТРДД и в наземных ГТУ [1, 2, 3], оно позволяет существенно сократить количество попаданий ПП в ГВТ двигателей. Однако задача по снижению количества попаданий ПП во внутренний тракт ТРДД окончательно не решена и остается актуальной в настоящее время для многих типов двигателей.

Одной из существенных причин недостаточной очистки воздуха, поступающего в компрессор высокого давления (КВД) двигателя, от ПП является низкая эффективность процесса отвода ПП в последней отводящей ступени группы подпорных ступеней КНД. Известно, что в существующих устройствах очистки воздуха отвод ПП из группы подпорных ступеней производится после спрямляющего аппарата (СА) отводящий ступени - см [1, 2, 3]. Но в таком исполнении отвода практически не используются инерционные и сепарационные возможности посторонних предметов, которыми они обладают после окончания взаимодействия с лопатками РК отводящей ступени. Указанные возможности связаны с наличием у выходящих ПП в векторе скорости радиальной и тангенциальной составляющих, благодаря чему ПП могут интенсивно перемещаться в радиальном направлении. Но расположенный за РК в непосредственной от него близости лопаточный венец СА (его внешняя стенка) препятствует радиальному перемещению ПП, и более того при взаимодействии с деталями СА на ПП налагаются связи, под действием которых радиальная составляющая скорости ПП меняет свое направление и преобразуется из центробежной в центростремительную.

Кроме того, тангенциальная (окружная) составляющая скорости предметов изменяет свою величину фактически до нулевого уровня, так как при взаимодействии с лопатками СА ПП приобретают направление движения, лежащее в меридиональной плоскости ступени. При этом осевая составляющая скорости движения ПП увеличивается. В итоге, выходя из венца СА ПП уже не имеют высоких сепарационных возможностей, не успевают попасть в приемное отверстие для отсепарированных предметов, расположенное после СА, и остаются в пределах проточного канала. Далее ПП поступают в последующие ступени КВД, имеющие более высокий уровень окружной скорости, и группу последних ступеней с малоразмерными лопатками, на которых воздействие ПП проявляется с особой интенсивностью. Описываемая проблема в большей или меньшей степени свойственна всем вышеуказанным устройствам - аналогам [1, 2, 3]. По совокупности признаков заявляемого устройства, совпадающих с признаками устройства - аналога, в качестве прототипа настоящего изобретения принят отечественный серийновыпускаемый ТРДД типа ПС-90А[1]. Данный двигатель используется на нескольких типах отечественных ЛА и для него решение задачи по снижению количества попаданий ПП во внутренний контур ГВТ двигателя весьма актуально.

Техническая задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в повышении надежности работы ТРДД, улучшении его эксплуатационной технологичности, снижении стоимости ТО двигателя за счет улучшения очистки от ПП воздуха, поступающего в КВД.

Сущность изобретения заключается в том, что в последней осевой ступени группы подпорных ступеней КНД, в которой осуществляется отвод отсепарированных ПП и вывод их из проточного тракта компрессора, отвод выполнен на участке осевого зазора между РК и СА ступени.

На указанном участке между РК и СА по внешнему контуру проточного канала выполнено приемное кольцевое отверстие, расположенное по всему круговому периметру проточного канала. Ширина указанного приемного отверстия от выходной фронтальной плоскости РК ступени до входа в СА ступни выполнена с учетом обеспечения прохождения через приемное отверстие возможно большей части ПП, движущихся из проточного канала к внешнему пространству отводного кольцевого канала. Данный отводной канал образован между внешней стенкой проточного канала ступени и внешней обечайкой СА. Через приемное кольцевое отверстие и отводной кольцевой канал ПП, отсепарированные к периферии проточного канала, вместе с некоторой частью воздуха отводятся из проточного канала ступени и направляются далее либо во внешний контур двигателя либо к потребителю воздуха, при необходимости воздух может подвергаться предварительной очистке от ПП.

Предлагаемый вариант исполнения отвода ПП в отводящей ступени обеспечивает существенное улучшение эффективности процесса отвода предметов из проточного канала, так как в данном исполнении отводящей ступени устранены основные причины, препятствующие эффективному отводу ПП (- расположение венца СА в непосредственной близости от выхода из РК), и созданы условия для беспрепятственного выхода ПП, обладающим высоким сепарационным потенциалом, к отводному каналу.

В случае, если ТРДД эксплуатируется на ЛА с аэродромов, имеющих повышенную загрязненность опасными ПП (грунтовом, ледовом, заснеженном), что приводит к повышенной частоте появления забоин на лопатках КВД, в том числе на последних малоразмерных ступенях КВД, в предлагаемом устройстве предусмотрен вариант повышения эффективности очистки воздуха, поступающего к последним ступеням КВД, за счет включения в состав устройства дополнительной ступени очистки из нескольких первых осевых ступеней КВД с отводом отсепарированных ПП в средней ступени КВД. В этом случае отвод ПП из проточного канала отводящей ступени КВД выполнен аналогично тому, как в подпорной ступени КНД.

На фиг. 1 показан продольный разрез компрессора ТРДД и устройства для очистки воздуха от ПП;

На фиг. 2 - продольный разрез КНД (вентиляторная и подпорная ступени) в увеличенном виде;

На фиг. 3 - продольный разрез отводящей ступени КВД, в которой производится отвод ПП и отбор воздуха из компрессора на нужды систем двигателя и ЛА - место I фиг. 1, в увеличенном виде;

На фиг. 4 - фрагмент поперечного сечения проточного тракта в отводящий ступени группы первых ступеней КВД, траектория движения ПП - вид по стрелке Б фиг. 1.

Устройство для очистки воздуха от ПП в компрессоре ТРДД входит в состав компрессора - 1 фиг. 1 и включает в себя КНД - 2. Кроме того, в состав устройства может также входить и часть ступеней КВД - 3. Соединение модулей КНД и КВД производится с помощью промежуточного корпуса - 2.

В состав КНД входит вентиляторная ступень - 4, состоящая из РК с лопатками - 7 фиг. 1, 2 и двух венцов СА - ВНА внутреннего контура с лопатками 10 и СА наружного контура с лопатками - 10', а также группа подпорных ступеней - 5, включающая в себя несколько осевых ступеней, из которых последняя с рабочими лопатками - 12 и СА с лопатками - 14 является отводящей ступенью.

Между венцами РК и СА предусмотрен осевой зазор - 13, который выполнен с размером по сравнению с типовыми размерами указанного зазора, с целью получения лучшей эффективности удаления ПП из отводящей ступени.

В пределах ширины осевого зазора - 13 между РК и передней кромкой - 18 внешней обечайки - 17 спрямляющего аппарата по внешнему контуру проточного канала ступени выполнено приемное кольцевое отверстие - 15'', расположенное по всему круговому периметру проточного канала и сообщающее внутреннее пространство проточного канала - 13'' ступени с внешним пространством - 16''. Ширина приемного отверстия - 15'' от задней фронтальной плоскости РК ступени до передней кромки 18 внешней обечайки - 17 СА (в данном случае обечайка выполняет функцию разделителя потоков) выполнена с учетом обеспечения прохода через указанное приемное отверстие возможно большей части ПП, движущихся из проточного канала - 13'' к внешнему (периферийному) пространству - 16''.

В пределах осевого зазора - 13 пространство проточного канала - 13'' ступени и внешнее пространство - 16'' ограничиваются с внешней стороны стенкой - 16, которая проходит с зазором - 19 от обечайки - 17 СА, образуя с ней отводной кольцевой канал - 20.

Входной частью указанного канала является приемное отверстие - 15'' и внешнее пространство - 16''.

Дополнительно к КНД в состав устройства для очистки воздуха при необходимости могут быть включены также передние ступени - 3' Фиг. 1, входящие в состав КВД-3.

За указанными ступенями располагается промежуточная ступень КВД, в которой выполнены отборы (перепуски) воздуха из КВД. Данная ступень место I фиг. 1 также включается в состав устройства очистки в качестве отводящей ступени. В указанной отводящей ступени присутствуют те же составные элементы, что и в отводящей ступени КНД. Нумерация элементов на фиг. 3 также сохранена с добавлением штриха. Между венцами РК с лопатками - 12' фиг. 3 и СА с лопатками - 14' предусмотрен осевой зазор - 13'. На внешней обечайке СА ступени с входной стороны выполнен разделитель - 17' с передней кромкой - 18'. По ширине осевого зазора - 13' между РК ступени и передней кромкой 18' по внешнему контуру проточного канала - 13''' ступени выполнено приемное кольцевое отверстие - 15''', расположенное по всему круговому периметру проточного канала и сообщающее внутреннее пространство проточного канала 13''' с внешним (периферийным) пространством 16'''. Ширина приемного отверстия - 15''' от задней фронтальной плоскости РК ступени до передней кромки - 18' разделителя - 17' выполнена с учетом обеспечения прохода через указанное приемное отверстие возможно части ПП, движущихся из проточного канала 13''' к внешнему пространству - 16'''.

В пределах ширины осевого зазора - 13' пространство проточного канала - 13''' и внешнее пространство - 16''' ограничиваются снаружи внешней стенкой - 16', которая проходит с зазором - 19' от разделителя - 17', образуя с ним отводной кольцевой канал - 20'. Входной частью указанного канала является приемное отверстие - 15''' и внешнее пространство - 16'''. Отводной кольцевой канал - 20' сообщается со сборнораздаточной полостью 21' и служит для вывода отсепарированных ПП из отводящей ступени.

При работе ТРДД в воздушном пространстве, содержащем ПП, воздух вместе с ПП поступает из самолетного воздухозаборника во входной канал - 6 фиг. 1 двигателя. Пройдя по межлопаточным каналам рабочих лопаток - 7 вентилятора воздушный поток разделяется на две части: центральная (привтулочная) часть потока поступает во внутренний контур - 8 фиг. 1, 2, внешняя часть - в наружный контур - 9. Разделение потока по контурам производится разделителем, роль которого выполняет внешняя обечайка 11 входного направляющего аппарата (ВНА) внутреннего контура - 8. Во внутреннем контуре воздух поступает в лопаточный венец ВНА с лопатками 10, а в наружном контуре - в СА наружного контура с лопатками 10' фиг. 1, 2. На фиг. 2 показано, как воздух, поступающий во внутренний контур, проходит через привтулочную зону пера вентиляторной лопатки - 7, условно обозначенную сечениями а-а, в-в, с-с. Траектории ПП, поступающих во внутренний контур, показаны штриховыми линиями. При взаимодействии с вращающимися вентиляторными лопатками часть ПП перемещается в радиальном направлении и выходит по кольцевому зазору 8' между лопатками - 7 РК и передней кромкой - 11' внешней обечайки - 11 ВНА из внутреннего контура - 8 в наружный - 9. В основном это ПП, движущихся из периферийной зоны (между сечениями в-в и с-с) - по траекториям - 22.

Другая часть ПП, поступивших в привтолочную зону в районе сечений а-а и в-в, в основной своей массе не успевают переместиться в радиальном направлении до зазора - 8 и выйти в наружный контур, остаются в проточном канале внутреннего контура, движутся по траекториям 23 и достигают в подпорных ступенях КНД периферийную зону проточного канала. В отводящей ступени под воздействием лопаток - 12 РК ПП получают соответствующий импульс и выходной вектор скорости, имеющий радиальную и окружную составляющие.

Двигаясь по инерции в свободном от препятствий пространстве осевого зазора - 13 в радиально-тангенциально-осевом направлении ПП перемещаются из периферийной зоны проточного канала - 13'' к приемному отверстию - 15'', проходят через него и попадают во внешнее пространство 16'', являющееся входным участком отводного кольцевого канала 20. Далее ПП поступают в сборно-раздаточную полость - 21 и направляются на выброс в наружный контур двигателя, или вместе с воздухом - к потребителю. При необходимости воздух предварительно очищают от содержащихся в нем отсепарированных ПП.

Несмотря на то, что при прохождении через КНД основная масса ПП удаляется из воздушного потока, идущего в КВД, в нем остается некоторая часть ПП, которые не удалены, они следуют по траекториям - 24 фиг. 1 и проходят к ступеням КВД. При эксплуатации двигателя в обычных условиях указанные ПП уже не так опасны для лопаток КВД (более мелкие фракции, меньшее количество), что соответствует требованиям к надежности и эксплуатационной технологичности двигателя.

Но при регулярной эксплуатации ТРДД в условиях повышенной загрязненности воздуха проход даже небольшого в процентном отношении количества ПП может оказаться недопустимым.

В настоящем изобретении предусмотрена возможность повышения эффективности очистки воздуха, идущего к последним ступеням КВД, за счет формирования в устройстве дополнительной ступени очистки воздуха в КВД, повторяющей работу по очитке воздуха в подпорных ступенях КНД.

Посторонние предметы, прошедшие к КВД и движущиеся по траекториям - 24 фиг. 1, 2, 3, подходят к лопаткам - 12' РК фиг. 3 отводящей ступени КВД, приобретают от рабочей лопатки выходной вектор скорости, имеющий осевую, радиальную и окружную составляющие. Двигаясь по инерции в пространстве осевого зазора - 13' ПП перемещаются из периферийной зоны проточного канала - 13''' к приемному отверстию - 15''', проходят через него и попадают во внешнее пространство 16''', являющееся входным участком отводного кольцевого канала 20'. Далее ПП поступают в сборно-раздаточную полость 21', и направляются через патрубок - 25 фиг. 1 на выброс во внешний контур двигателя или вместе с воздухом - к его потребителю. На фиг. 4 показана траектория - 24 движения ПП после окончания движения предмета совместно с рабочей лопаткой 12' - вид по стрелке Б фиг. 3. Предмет свободно перемещается в радиально-окружном направлении в пространстве проточного канал 13''' ступени, достигает радиального расстояния расположения передней кромки 18' разделителя 17' - R пер. кр. 18', проходит через приемное кольцевое отверстие 15''', соударяется (или не соударяется) с конической поверхностью разделителя 17 и следует далее по отводному кольцевому каналу 20 - фиг. 3 в приемнораздаточную полость 21', откуда по патрубку - 25 фиг. 1 выводится в отводящую магистраль.

Источники информации.

1. А.А. Иноземцев и др. «Авиационный двигатель ПС-90А» Москва, Либра-К, 2007 г.

2. RU патент №2198311 03.01.2001, F02C 7/052 Газотурбинная установка

3. US патент №5123240 июнь 23, 1992, F02G 3/00 Способ и устройство для удаления посторонних предметов из внутреннего контура газотурбинного двигателя.

Перечень принятых сокращений

AT - авиационная техника;

ВНА - входной направляющий аппарат;

ГВТ - газовоздушный тракт;

ГТУ - газотурбинная установка;

КВД - компрессор высокого давления;

КНД - компрессор низкого давления;

ЛА - летательный аппарат;

ПП - посторонние предметы;

РК - рабочее колесо;

СА - спрямляющий аппарат;

ТО - техническое обслуживание;

ТРДД - турбореактивный двигатель двухконтурный.

Предлагается устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя. Устройство предотвращает проход посторонних предметов к ступеням компрессора высокого давления за счет сепарации их в вентиляторной и подпорных ступенях компрессора низкого давления. Отвод отсепарированных посторонних предметов предлагается выполнять в последней подпорной ступени в виде пространственного кольцевого отвода во внешней стенке проточного канала отводящей ступени в зоне осевого зазора между венцами рабочего колеса и спрямляющего аппарата ступени. Данный отвод одновременно может использоваться для перепуска и отбора воздуха на нужды двигателя и систем летательного аппарата. Предусматривается, при необходимости, возможность повысить степень очистки воздуха от посторонних предметов за счет включения в устройство для очистки первых ступеней компрессора высокого давления с отводом отсепарированных посторонних предметов в одной из средних ступеней компрессора высокого давления, имеющей отвод воздуха на нужды двигателя и систем летательного аппарата. Предлагаемое устройство позволяет в большей мере предотвращать попадание посторонних предметов к осевым ступеням компрессора высокого давления, что увеличивает надежность работы двигателя при эксплуатации летательного аппарата с грунтовых, ледовых и заснеженных аэродромов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя, состоящем из вентиляторной ступени и подпорных ступеней компрессора низкого давления, а также ступеней компрессора высокого давления, основанное на принципе инерционной сепарации посторонних предметов при взаимодействии их с лопатками компрессора и перемещении предметов из проточного канала компрессора к периферийной зоне канала, включающее в себя вентиляторную ступень и группу подпорных ступеней компрессора низкого давления, у которых в последней ступени группы выполнен отвод отсепарированных из воздушного потока посторонних предметов, отличающееся тем, что отвод посторонних предметов из проточного канала отводящей ступени выполнен на участке осевого зазора между рабочим колесом и спрямляющим аппаратом ступени, на участке указанного осевого зазора между рабочим колесом и спрямляющим аппаратом по внешнему контуру проточного канала ступени выполнено приемное кольцевое отверстие, расположенное по всему внешнему круговому периметру проточного канала ступени и сообщающее внутреннее пространство проточного канала с внешним пространством отводного канала, при этом ширина указанного приемного кольцевого отверстия от выходной фронтальной плоскости рабочего колеса ступени до передней кромки, расположенной на внешней обечайке спрямляющего аппарата ступени, выполнена с учетом обеспечения прохождения через приемное кольцевое отверстие возможно части посторонних предметов, движущихся из проточного канала к внешнему пространству отводного канала, также на указанном участке осевого зазора внешняя стенка проточного канала ступени выполнена располагающейся на расстоянии от оси ступени по сравнению с внешним диаметром входа в спрямляющий аппарат ступени и его внешней обечайки, и образующей совместно с указанной внешней обечайкой отводной кольцевой канал, предназначенный для вывода посторонних предметов из отводящей ступени.

2. Устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя по п. 1, у которого в состав устройства для очистки воздуха включена дополнительно группа из нескольких первых ступеней компрессора высокого давления, в последней из которых, являющейся отводящей ступенью, отвод посторонних предметов из проточного канала ступени выполнен аналогично отводу, описанному в п. 1, и может быть совмещен с отбором воздуха из ступени на нужды двигателя и систем летательного аппарата.