Двухконтурный двигатель Российский патент 2020 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к выходным устройствам двухконтурного двигателя.

Известен двухконтурный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, тракт наружного контура, многоступенчатую охлаждаемую турбину с рабочим колесом турбины низкого давления с охлаждаемыми рабочими лопатками, охлаждающие каналы которых своими выходами сообщены с газовым трактом турбины, а входами с магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, при этом магистраль подвода через воздухозаборники, повернутые своими входами ко входу двигателя, сообщена с трактом наружного контура.

/патент РФ №2143574, МПК F02C 7/12, опубл. 27.12.1999 г./

Недостатком такого решения является то, что в данной схеме существующий перепад давления в системе охлаждения рабочей лопатки турбины низкого давления минимальный, , где - полное давление на входе в воздухозаборники магистрали подвода охлаждающего воздуха из тракта наружного контура; P_вых - статическое давление в газовоздушном тракте двигателя за турбиной, существенно снижает возможность интенсификации процессов охлаждения.

Поэтому эффективность охлаждения составляет Θ=0,18…0,2, где ; - температура газа; Т_ст - температура стенки пера лопатки; - температура охлаждающего воздуха. Однако, за счет низкой температуры охлаждаемого воздуха, отбираемого из тракта наружного контура, происходит приемлемое охлаждение пера рабочей лопатки. Тем самым температура охлаждающего воздуха (300…400°С) компенсирует низкую эффективность охлаждения.

В случае выхода двигателя на скоростные режимы, особенно при увеличении высоты полета, где температура газа достигает своего максимума, требуется повысить активный перепад в системе охлаждения рабочей лопатки турбины низкого давления, что увеличивает скорость охлаждающего воздуха, тем самым интенсифицируются процессы охлаждения в рабочей лопатки. В данной схеме, при сохранении источника охлаждающего воздуха решение этой задачи является затруднительной.

Задача изобретения - повышение эффективности охлаждения турбины.

Ожидаемый технический результат - повышение активного перепада в системе охлаждения рабочей лопатки турбины на скоростных режимах, особенно при увеличении высоты полета.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что двухконтурный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, тракт наружного контура, многоступенчатую охлаждаемую турбину с рабочим колесом турбины низкого давления с охлаждаемыми рабочими лопатками, охлаждающие каналы которых своими выходами сообщены с газовым трактом турбины, а входами с магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, при этом магистраль подвода через воздухозаборники, повернутые своими входами ко входу двигателя, сообщена с трактом наружного контура, по предложению, снабжен смесителем, расположенным за радиальными стойками за турбиной, и выполненный в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура, при этом выходная полость наружного контура сообщена с трактом наружного контура, а выходная полость внутреннего контура сообщена с газовым трактом турбины, при этом воздухозаборники размещены по тракту наружного контура перед смесителем.

Кроме того отношение площади выходной полости наружного контура к площади выходной полости внутреннего контура в радиальной плоскости может быть равно:

где

F_выхНК - площадь выходной полости наружного контура;

F_выхВК - площадь выходной полости внутреннего контура.

Снабжение двухконтурного двигателя смесителем, расположенным за радиальными стойками за турбиной на высотных скоростных режимах работы двигателя, где температура газа максимальная, и существует необходимость иметь высокую эффективность охлаждения рабочей лопатки турбины низкого давления при отсутствии возможности изменить источник охлаждающего воздуха, позволяет снизить статическое давление в газовом тракте турбины (Р_вых), которое становится равным статическому давлению на выходе из наружного контура. При этом поскольку на данных режимах степень двухконтурности двигателя выше, чем на земных режимах, при этом степень двухконтурности принята в общеизвестном диапазоне для двигателей со смешением, то через тракт наружного контура проходит больший расход воздуха, увеличивается скорость истечения потока из наружного контура и, при равенстве статических давлений за смесителем, полное давление в тракте наружного контура повышается, т.е. повышается активный перепад в системе охлаждения рабочей лопатки турбины низкого давления, что обеспечивает при том же самом источнике охлаждающего воздуха повышение эффективности охлаждения рабочей лопатки.

Выполнение смесителя в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура обеспечивает с одной стороны, требуемое смешение потоков с выравниванием статического давления в области за смесителем, а с другой стороны, обеспечивает минимальную массу конструкции, поскольку в этом случае смеситель возможно изготовить из листового материала.

Сообщение выходной полости наружного контура с трактом наружного контура и выходной полости внутреннего контура с газовым трактом турбины обеспечивает связь внутреннего и наружного контуров между собой, поскольку в данной конструкции смеситель выполняет роль эжектора, где эжектируемым рабочим телом является воздух из канала наружного контура, а эжектирующим рабочим телом является газ из внутреннего контура, поскольку он обладает большей энергией потока (выше температура и расход потока). Таким образом, выполняется основное свойство эжекции, когда под действием энергии эжектирующего потока статическое давление на выходе из смесителя становится ниже полного давления эжектируемого потока. Под действием разности давлений эжектируемый поток устремляется в смеситель, на выходе из которого, в конечном итоге, эжектируемый и эжектирующий потоки смешиваются с выравниванием параметров по выходу из смесителя.

Соотношение площадей является оптимальным соотношением, при котором с одной стороны, скорости истечения из выходных полостей наружного и внутреннего контура, потери по внутреннему контуру находятся в оптимальной точке, когда полное давление смешения становится максимальным, статическое давление максимально падает и эжектирующая способность внутреннего контура повышается, тем самым повышается активный перепад в системе охлаждения рабочей лопатки турбины.

Размещение воздухозаборников по тракту наружного контура перед смесителем однозначно определяет, что область отбора охлаждающего воздуха на охлаждение рабочей лопатки турбины будет с большим полным давлением, чем в области за смесителем.

Изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 - продольный разрез двухконтурного двигателя;

На фиг. 2 - продольный разрез последней ступени турбины;

На фиг. 3 - сечение смесителя.

Двухконтурный двигатель содержит вентилятор 1, компрессор высокого давления 2, камеру сгорания 3, тракт наружного контура 4, многоступенчатую охлаждаемую турбину 5 с рабочим колесом 6 турбины низкого давления 7 с охлаждаемыми рабочими лопатками 8. Охлаждающие каналы 9 рабочих лопаток 8 своими выходами 10 сообщены с газовым трактом 11 турбины 7, а входами 12 через каналы диска 13, входной направляющий аппарат 14 и внутренние полости 15 расположенных за турбиной 7 радиальных стоек 16 с трактом наружного контура 4 двигателя. Причем каналы диска 13, входной направляющий аппарат 14 и внутренние полости 15 радиальных стоек 16 образуют магистраль подвода 17 охлаждающего воздуха из тракта наружного контура 4 к входам 12 каналов охлаждения 9 рабочей лопатки 8 турбины низкого давления 7.

Также двухконтурный двигатель снабжен смесителем 18, расположенным за радиальными стойками 16 за турбиной 7, и выполненный в виде чередующихся по периметру каналов 19, образующих выходную полость наружного контура 20 и выходную полость внутреннего контура 21. При этом выходная полость наружного контура 20 сообщена с трактом наружного контура 4, а выходная полость внутреннего контура 21 сообщена с газовым трактом турбины 11.

Входы магистрали повода 17 охлаждающего воздуха выполнены в виде воздухозаборников 22, повернутых своими входами 23 ко входу двигателя и размещенных по тракту наружного контура 4 перед смесителем 18.

Двигатель работает следующим образом:

При работе двигателя воздух из вентилятора 1 разделяется на два потока: один из них поступает в компрессор высокого давления 2, а другой -в тракт наружного контура 4. Из тракта наружного контура 4 охлаждающий воздух поступает в воздухозаборники 22, повернутые своими входами 23 к входу двигателя. При этом давление отбора охлаждающего воздуха из тракта наружного контура 4 соответствует давлению торможения воздуха в воздухозаборниках 22. Далее воздух по магистрали подвода 17 охлаждающего воздуха через внутренние полости 15 расположенных за турбиной 7 радиальных стоек 16, входной направляющий аппарат 14 и каналы диска 13 попадает на входы 12 охлаждающих каналов 9 рабочих лопаток 8, охлаждая их внутренние полости. Далее воздух через выходы 10 выбрасывается в газовый тракт 11 турбины 7, и, смешиваясь с газом, поступает в выходную полость внутреннего контура 21.

Смеситель 18 выравнивает статические давления потоков из выходной полости наружного контура 20 и из выходной полости внутреннего контура 21. Поскольку выходная полость внутреннего контура 21 сообщена с газовым трактом 11 турбины 7, то и там устанавливается такое же статическое давление. Перепад давлений, необходимый для обеспечения охлаждения рабочих лопаток 8, складывается из перепада давлений между полным давлением отбора из тракта наружного контура 4 и статическим давлением в газовом тракте 11 турбины 7.

При работе двигателя на высотных скоростных режимах через тракт наружного контура 4 проходит большее количество воздуха, чем на земном режиме. Таким образом, скорость истечения охлаждающего воздуха в выходной полости наружного контура 20 увеличивается. Известно, что при увеличении скорости, при постоянстве статического давления, полное давление потока повышается. Поэтому полное давление отбора охлаждающего воздуха из тракта наружного контура 4 увеличивается, при сохранении равенства статических давлений выходной полости наружного контура 20 и выходной полости внутреннего контура 21, тем самым повышается активный перепад в системе охлаждения рабочих лопаток 8 турбины низкого давления 7.

Реализация изобретения позволяет повысить надежность рабочей лопатки турбины и снизить эксплуатационные затраты за счет повышения эффективности охлаждения турбины на режимах с максимальной температурой газа, а, следовательно, повысить ресурс как самой рабочей лопатки, так и двигателя в целом.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к выходным устройствам двухконтурного двигателя. Известный двухконтурный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, тракт наружного контура, многоступенчатую охлаждаемую турбину с рабочим колесом турбины низкого давления с охлаждаемыми рабочими лопатками, охлаждающие каналы которых своими выходами сообщены с газовым трактом турбины, а входами - с магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, при этом магистраль подвода через воздухозаборники, повернутые своими входами к входу двигателя, сообщена с трактом наружного контура, согласно изобретению снабжен смесителем, расположенным за радиальными стойками за турбиной и выполненным в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура, при этом выходная полость наружного контура сообщена с трактом наружного контура, а выходная полость внутреннего контура сообщена с газовым трактом турбины, при этом воздухозаборники размещены по тракту наружного контура перед смесителем. Кроме того, отношение площади выходной полости наружного контура к площади выходной полости внутреннего контура в радиальной плоскости может быть равно где F_выхНК - площадь выходной полости наружного контура; F_выхВК - площадь выходной полости внутреннего контура. Реализация изобретения позволяет повысить надежность рабочей лопатки турбины и снизить эксплуатационные затраты за счет повышения эффективности охлаждения турбины на режимах с максимальной температурой газа, а следовательно, повысить ресурс как самой рабочей лопатки, так и двигателя в целом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухконтурный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, тракт наружного контура, многоступенчатую охлаждаемую турбину с рабочим колесом турбины низкого давления с охлаждаемыми рабочими лопатками, охлаждающие каналы которых своими выходами сообщены с газовым трактом турбины, а входами с магистралью подвода, проходящей через внутренние полости расположенных за турбиной радиальных стоек, при этом магистраль подвода через воздухозаборники, повернутые своими входами к входу двигателя, сообщена с трактом наружного контура, отличающийся тем, что он снабжен смесителем, выполненным в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура, и расположенным за радиальными стойками за турбиной, выходная полость наружного контура сообщена с трактом наружного контура, а выходная полость внутреннего контура сообщена с газовым трактом турбины, при этом воздухозаборники размещены по тракту наружного контура перед смесителем.

2. Двухконтурный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что отношение площади выходной полости наружного контура к площади выходной полости внутреннего контура в радиальной плоскости равно:

где

F_выхНК - площадь выходной полости наружного контура;

F_выхВК - площадь выходной полости внутреннего контура.