Малоразмерный газотурбинный двигатель Российский патент 2020 года по МПК F01D15/10 F02C7/06 

Известен малоразмерный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, турбину, камеру сгорания, ротор турбокомпрессора, опирающийся на высокоскоростные подшипники, систему охлаждения и смазки подшипников, при этом подшипники охлаждаются воздухом, отобранным за компрессором, смешанным с топливомасляной смесью (см. патент RU 2597322 класса F02C 7/06, опубл. в 2016 г.).

Недостатком такой конструкции является низкая эффективность охлаждения смазываемых подшипников, так как топливомасляная смесь подается в поток воздуха, отбираемого из средней части компрессора и имеющего высокую температуру. Кроме того, задний подшипник находится за турбиной, в зоне высоких температур, и, получая дополнительный тепловой поток от корпусных деталей, требует дополнительного расхода охлаждающей смеси, которая затем выбрасывается за сопло и не участвует в создании тяги, тем самым увеличивая расход топлива.

Известен выбранный за прототип малоразмерный газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, турбину, камеру сгорания, ротор турбокомпрессора, опирающийся на высокооборотные подшипники, систему управления температурным состоянием двигателя, систему смазки подшипников топливо-масляной смесью, при этом подшипники и другие детали двигателя охлаждаются набегающим потоком воздуха, проходящего через фильтр в переднем кожухе входного устройства (публикация США US 7475549 В2 «Thermal management system for a gas turbine engine», заявка № US 11/197248, опубл. 13.01.2009 [2]).

Недостатком прототипа является низкий ресурс подшипников, из-за повышенной нагрузки со стороны консольно-расположенного ротора. Кроме того, задний подшипник охлаждается смесью воздуха, нагретого от генератора и переднего подшипника, и топливомасляной смесью, что снижает эффективность охлаждения.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат - повышение эффективности системы смазки и охлаждения подшипников малоразмерных газотурбинных двигателей, а также уменьшение действующей на подшипники нагрузки.

Указанных технический результат достигается за счет того, что в газотурбинном двигателе, содержащем передний корпус, в котором на подшипниках консольно-закреплен ротор с компрессором и турбиной, стартер-генератор, содержащий систему постоянных магнитов, камеру сгорания, систему охлаждения и смазки, согласно изобретению, в переднем корпусе перед стартер-генератором имеются отверстия, которые соединяют внутреннею полость переднего корпуса с участком на входе в двигатель, площадь проточной части которого меньше площади на входе в компрессор, а стартер-генератор консольно-расположен по другой сторону компрессора и турбины относительно подшипников. Для организации циркуляционной системы смазки отверстия могут располагаются в верхней части опоры, тогда в нижней части опоры располагаются отверстия для удаления смазывающей жидкости.

Консольное расположение стартер-генератора позволяет снизить нагрузки на подшипники за счет частичной компенсации момента силы, вызванного весом компрессора и турбины.

Размещение отверстий на участке на входе в двигатель, где площадь проточной части меньше площади на входе в компрессор, а, следовательно, на участке более низкого статического давления, позволяет организовать течение охлаждающего воздуха через зазор между компрессором и опорой в направлении статор-генератора. Таким образом холодный воздух сначала проходит через более нагруженный, а, следовательно, более теплонапряженный, задний подшипник, затем через передний подшипник, через стартер-генератор и выходит через отверстия, что повышает эффективность охлаждения подшипников (по сравнению с конструкцией прототипа, в которой менее нагруженный передний подшипник охлаждается холодным воздухом, а более нагруженный - воздухом, нагретым от переднего подшипника и стартер-генератором). Одновременно с этим на подшипники подается смазывающая жидкость (масло или топливомасляная смесь), которая вместе с охлаждающим воздухом, проходит через подшипники и стартер-генератор и выходит через отверстия в проточную часть.

Поток воздуха будет препятствовать утечке смазывающей жидкости через зазор между опорой и компрессором. А размещение отверстий в верхней части опоры препятствует попаданию смазывающей жидкости в проточную часть. Это позволяет организовать циркуляционную систему смазки подшипников маслом и масляную полость, из которой при помощи отверстий в нижней части опоры откачивается масло. Циркуляционная система смазки маслом позволяет увеличить ресурс подшипников за счет использования масла вместо топливомасляной смеси, снизить безвозвратные утечки масла, снизить размер масляного бака и соответственно вес двигателя (по сравнению с разомкнутой системой смазки маслом).

Предлагаемое изобретение иллюстрируется фиг. 1-3.

Фиг. 1 - Схематичный вид газотурбинного двигателя

Фиг. 2 - Течение охлаждающего воздуха в опоре

Фиг. 3 - Втулка для подачи масла к заднему подшипнику

Газотурбинный двигатель содержит передний корпус 1, ротор 2 с колесами компрессора 3 и турбины 4, установленный на высокоскоростные передний 5 и задний 6 подшипники, обтекатель 7, стартер-генератор 8, камеру сгорания 9 и выходное устройство 10. Подшипники 5, 6 и стартер-генератор 8 размещаются во внутренней полости переднего корпуса (центральная часть). Стартер-генератор, состоящий из ротора 11, содержащего систему постоянных магнитов, и статора 12, консольно-расположен перед передним подшипником для снижения нагрузок действующих на подшипники. Снижение нагрузки достигается за счет уменьшения момента, вызванного весом колес компрессора 3 и турбины 4, относительно подшипника. Электроэнергия передается по проводам, проходящим через стойку корпуса, в блок управления стартер-генератора.

Камера сгорания выполнена по противоточной схеме, содержит корпус 13 и жаровую трубу 14 с испарительными трубками 15, в которые из топливного коллектора 16 подается топливо. Для воспламенения топлива в камере сгорания установлена факельная свеча накала 17.

Передний корпус 1 содержит неподвижную втулку 18 для подачи смазывающей жидкости на задний подшипник 6, волновую пружину 19 для создания предварительной осевой нагрузки на подшипники и подвижную втулку 20 для подачи смазывающей жидкости на передний подшипник 5. На втулках имеются окна 21 для доступа к отверстиям 22 в переднем корпусе 1, через которые откачивается смазывающая жидкости.

Охлаждение подшипником осуществляется воздухом, поступающим через зазор между передним корпусом 1 и компрессором 3, и смазывающей жидкостью. Течение воздуха во внутренней области переднего корпуса 1 в направлении от заднего подшипника 6 к стартер-генератору 8, возможно благодаря отверстиям 23, которые расположены на участке на входе в компрессор в сечении, где площадь проточной части F₁ меньше чем на входе в компрессор F₂ (меньшая площадь проходного сечения ведет к большей скорости, а значит к меньшему значению статического давления).

Осуществление изобретения позволяет повысить эффективность системы смазки и охлаждения подшипников малоразмерных газотурбинных двигателей, уменьшить действующей на подшипники нагрузки и повысить ресурс подшипникового узла.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к малоразмерным газотурбинным двигателям, и может быть использовано, например, в качестве основного или маневрового двигателя беспилотного летательного аппарата, а также как энергосиловая установка для выработки электроэнергии для нужд летательного аппарата. Малоразмерный газотурбинный двигатель содержит передний корпус с опорой, в которой на подшипниках консольно-закреплен ротор с компрессором и турбиной, стартер-генератор, содержащий систему постоянных магнитов, камеру сгорания, а также систему охлаждения и смазки. В переднем корпусе перед стартер-генератором имеются отверстия, которые соединяют внутреннюю полость переднего корпуса с участком на входе в двигатель, причем площадь проточной части на этом участке меньше площади на входе в компрессор. Стартер-генератор консольно расположен по другой сторону компрессора и турбины относительно подшипников. Для организации циркуляционной системы смазки отверстия могут располагаться в верхней части опоры, тогда в нижней части опоры располагаются отверстия для удаления смазывающей жидкости. Изобретение позволяет повысить эффективность системы смазки и охлаждения подшипников малоразмерных газотурбинных двигателей, а также уменьшить действующие на подшипники нагрузки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий передний корпус, в котором на подшипниках консольно закреплен ротор с компрессором и турбиной, стартер-генератор, содержащий систему постоянных магнитов, камеру сгорания, систему охлаждения и смазки, отличающийся тем, что в переднем корпусе перед стартер-генератором имеются отверстия, которые соединяют внутреннюю полость переднего корпуса с участком на входе в двигатель, площадь проточной части которого меньше площади на входе в компрессор, а стартер-генератор консольно расположен по другой сторону компрессора и турбины относительно подшипников.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что отверстия располагаются в верхней части опоры, а в нижней части опоры имеются отверстия для удаления смазывающей жидкости.