Малоразмерный двухконтурный турбореактивный двигатель Российский патент 2024 года по МПК F02K3/06 F02C7/06 F02C7/16 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к малоразмерным двухконтурным турбореактивным двигателям с системой смазки и охлаждения деталей двигателя.

Известен двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий размещенный в корпусе газогенератор с топливной системой, камерой сгорания и с установленными на полом роторе рабочим колесом турбины высокого давления и центробежным компрессором высокого давления с напорным трубопроводом, вентилятор с приводным устройством, турбину низкого давления с валом, расположенным в полости ротора газогенератора и механически связанным с приводным устройством вентилятора, и внутренний контур с соплом и проточной частью, а также систему смазки и охлаждения деталей двигателя с источником подачи смазки и каналами подвода охлаждающей среды, причем ротор газогенератора и вал турбины низкого давления установлены в корпусе на передних и задних подшипниковых опорах, подключенных к каналам подвода охлаждающей среды (патент США № 9476321, 2016 г.).

В известном двигателе система смазки и охлаждения деталей двигателя выполнена в виде масляной циркуляционной трехконтурной системы, в которой смазочная жидкость от источника подачи смазки распределяется через коллектор и каналы подвода смазочной жидкости к подшипниковым опорам. Отработавшее в опорах масло собирается в поддонах, суфлируется, очищается, охлаждается и после этого возвращается в источник подачи смазки.

Циркуляционные системы смазки характеризуются сложностью конструкции и эксплуатации, повышенным расходом смазочной жидкости, применяются, как правило, в силовых турбоустановках большой мощности и габаритов и малопригодны для малоразмерных двигателей.

Наиболее близким по технической сути аналогом изобретения является малоразмерный двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий размещенный в корпусе газогенератор с топливной системой, камерой сгорания и с установленными на полом роторе рабочим колесом турбины высокого давления и центробежным компрессором высокого давления с напорным трубопроводом, вентилятор с приводным устройством, турбину низкого давления с валом, расположенным в полости ротора газогенератора и механически связанным с приводным устройством вентилятора, и внутренний контур с соплом и проточной частью, а также систему смазки и охлаждения деталей двигателя с источником подачи смазки, охлаждающим теплообменником, каналом подачи воздуха высокого давления, подключенным к напорному трубопроводу компрессора высокого давления, и каналами подвода охлаждающей среды, причем компрессор высокого давления установлен в корпусе с образованием внутренней полости, ротор газогенератора и вал турбины низкого давления установлены в корпусе на передних и задних подшипниковых опорах, подключенных к каналам подвода охлаждающей среды, рабочее колесо турбины высокого давления установлено в корпусе с образованием преддисковой и задисковой полостей, связанных с каналом подачи воздуха высокого давления и с проточной частью внутреннего контура (патент США № 6966191, 2005 г.).

В известном двигателе система смазки деталей двигателя и система воздушного охлаждения деталей двигателя выполнены раздельными. Смазка всех подшипниковых опор осуществляется принудительной масляной системой, в которой смазочное масло подается от источника подачи смазки к каждой подшипниковой опоре отдельно. В системе воздушного охлаждения имеются каналы подачи воздуха высокого давления и каналы подвода охлаждающей среды, сообщенные с подшипниковыми опорами, а также с преддисковой и задисковой полостями турбины высокого давления.

Такое выполнение предполагает наличие в каждой системе отдельных устройств, обеспечивающих оптимальные параметры подаваемых к деталям двигателя охлаждающего воздуха высокого давления и смазочного масла. К таким устройствам относятся маслоотделители, фильтры для очистки, теплообменники, дополнительные нагнетатели воздуха и откачивающий масляный насос. Наличие в системе такого количества агрегатов снижает надежность работы малоразмерного двухконтурного турбореактивного двигателя.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение экономических показателей двигателя за счет утилизации тепла в системе смазки и охлаждения деталей двигателя, а также повышение надежности его работы за счет снижения гидравлической составляющей потерь на трение в подшипниковых опорах.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности двигателя и надежности его работы.

Технический результат достигается тем, что малоразмерный двухконтурный турбореактивный двигатель содержит размещенный в корпусе газогенератор с топливной системой, камерой сгорания и с установленными на полом роторе рабочим колесом турбины высокого давления и центробежным компрессором высокого давления с напорным трубопроводом, вентилятор с приводным устройством, турбину низкого давления с валом, расположенным в полости ротора газогенератора и механически связанным с приводным устройством вентилятора, и внутренний контур с соплом и проточной частью, а также систему смазки и охлаждения деталей двигателя с источником подачи смазки, охлаждающим теплообменником, каналом подачи воздуха высокого давления, подключенным к напорному трубопроводу компрессора высокого давления, и каналами подвода охлаждающей среды, причем компрессор высокого давления установлен в корпусе с образованием внутренней полости, ротор газогенератора и вал турбины низкого давления установлены в корпусе на передних и задних подшипниковых опорах, подключенных к каналам подвода охлаждающей среды, рабочее колесо турбины высокого давления установлено в корпусе с образованием преддисковой и задисковой полостей, связанных с каналом подачи воздуха высокого давления и с проточной частью внутреннего контура. Приводное устройство вентилятора совмещено с передней подшипниковой опорой вала турбины низкого давления и выполнено в виде планетарного редуктора с автономной системой смазки, система смазки и охлаждения деталей двигателя снабжена смесителем, подключенным входами к внутренней полости корпуса и к источнику подачи смазки, а выходом - к каналам подвода охлаждающей среды, а охлаждающий теплообменник подключен к топливной системе газогенератора и размещен во внутренней полости корпуса, сообщенной с каналом подачи воздуха высокого давления, причем один из каналов подвода охлаждающей среды

подключен последовательно к передней и задней подшипниковым опорам ротора газогенератора и преддисковой полости турбины высокого давления, а другой канал подвода охлаждающей среды последовательно сообщает заднюю подшипниковую опору ротора газогенератора с задней подшипниковой опорой вала турбины низкого давления и задисковой полостью турбины высокого давления.

Задняя подшипниковая опора вала турбины низкого давления может быть выполнена в виде межвального подшипника.

Существенность отличительных признаков малоразмерного двухконтурного турбореактивного двигателя подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышения эффективности двигателя и надежности его работы.

Предложенное изобретение поясняется описанием конструкции малоразмерного двухконтурного турбореактивного двигателя и его работы со ссылкой на чертежи, где:

на фиг. 1 представлен общий вид спереди малоразмерного двухконтурного турбореактивного двигателя;

на фиг. 2 показан вид двигателя в сечении А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 показан вид двигателя в сечении Б-Б на фиг. 1;

на фиг. 4 показан вид В двигателя на фиг. 2.

Малоразмерный двухконтурный турбореактивный двигатель, содержит размещенный в корпусе 1 вентилятор 2 с приводным устройством 3 (фиг. 1), газогенератор 4 с топливной системой 5, камерой сгорания бис установленными на полом роторе 7 рабочим колесом 8 турбины высокого давления 9 и центробежным компрессором высокого давления 10 с напорным трубопроводом 11, турбину низкого давления 12 с валом 13, расположенным в полости ротора 7 газогенератора 4 и механически связанным с приводным устройством 3 вентилятора 2, которое совмещено с передней подшипниковой опорой 14 вала 13 турбины низкого давления 12 и выполнено в виде планетарного редуктора 15 с автономной системой смазки 16 (фиг. 2).

Ротор 7 газогенератора 4 установлен в корпусе 1 на передней подшипниковой опоре 17 и задней подшипниковой опоре 18, а задняя подшипниковая опора вала 13 турбины низкого давления 12 выполнена в виде межвального подшипника 19, предусматривающего сонаправленное вращение ротора 7 и вала 13. Компрессор высокого давления 10 установлен в корпусе 1 с образованием внутренней полости 20, а рабочее колесо 8 турбины высокого давления 9 установлено в корпусе 1 с образованием преддисковой полости 21 и задисковой полости 22, связанных с проточной частью 23 внутреннего контура турбореактивного двигателя.

Внутренний контур турбореактивного двигателя содержит проточную часть 23, проходящую через компрессор высокого давления 10 с напорным трубопроводом 11, камеру сгорания 6, турбину высокого давления 9, турбину низкого давления 12 и сопло 24.

Система смазки и охлаждения деталей двигателя содержит источник подачи смазки 25, охлаждающий теплообменник 26, расположенный во внутренней полости 20 корпуса 1, канал подачи воздуха высокого давления 27, подключенный к напорному трубопроводу 11 компрессора высокого давления 10 и связанный с преддисковой полостью 21 и задисковой полостью 22 через каналы подвода охлаждающей среды 28 и 29. Система смазки и охлаждения деталей двигателя снабжена смесителем 30, подключенным входами к внутренней полости 20 корпуса 1 и к источнику подачи смазки 25, а выходом - к каналам подвода охлаждающей среды 28 и 29 (фиг. 3).

Охлаждающий теплообменник 26 подключен к топливной системе 5 газогенератора 4 и размещен во внутренней полости 20 корпуса 1, сообщенной с каналом подачи воздуха высокого давления 27. Канал подвода охлаждающей среды 28 подключен последовательно к передней подшипниковой опоре 17, задней подшипниковой опоре 18 ротора 7 газогенератора 4 и преддисковой полости 21 турбины высокого давления 9, а канал подвода охлаждающей среды 29 последовательно сообщает заднюю подшипниковую опору 18 ротора 7 с межвальным подшипником 19 задней опоры вала 13 турбины низкого давления 12 и задисковой полостью 22 турбины высокого давления 9.

Для распределения потоков охлаждающей среды, поступающей к подшипниковым опорам 17 и 18, предусмотрен обводной канал 31 с калиброванным сечением. Выбором размера сечения обводного канала 31 достигается рациональное распределение воздушно-масляной смеси между подшипниковыми опорами 17 и 18 из условия обеспечения достаточности охлаждения и смазки каждой опоры.

Часть канала подвода охлаждающей среды 29 между задней подшипниковой опорой 18 ротора 7 и межвальным подшипником 19 задней опоры вала 13 турбины низкого давления 12 может быть выполнена в виде межвального зазора 32 (фиг. 4), уплотненного с обоих концов вала 13 (уплотнения не показаны).

В процессе работы малоразмерного двухконтурного турбореактивного двигателя смазка и охлаждение передней и задней подшипниковых опор 14 и 18 газогенератора 4 и межвального подшипника 19 осуществляется воздушно-масляной смесью, формируемой из отбираемого из напорного трубопровода 11 компрессора высокого давления 10 воздуха и смазочного масла, подводимого из источника подачи смазки 25. Воздушно-масляной смесью осуществляется и наддув преддисковой полости 21 и задисковой полости 22 турбины высокого давления 9, при этом, баланс давления воздушно-масляной смеси в этих полостях 21 и 22 позволяет минимизировать осевую нагрузку на рабочее колесо 8 и исключить утечки рабочего тела из проточной части турбины высокого давления 9 в эти полости.

Система смазки и охлаждения деталей двигателя работает следующим образом. Часть воздуха высокого давления после сжатия в компрессоре высокого давления 10 отбирается из напорного трубопровода 11 через канал подачи воздуха высокого давления 27 во внутреннюю полость 20, в которой расположен охлаждающий теплообменник 26. Горячий воздух высокого давления передавая тепло топливу, протекающему через охлаждающий теплообменник 26, охлаждается и поступает на один из входов смесителя 30. Топливо, подогретое в теплообменнике 26, поступает через топливный коллектор топливной системы 5 в камеру сгорания.

Воздух высокого давления в смесителе 30 перемешивается с маслом, поступающим из источника подачи смазки 25, образуя воздушно-масляную охлаждающую среду, которая направляется через канал под охлаждающей среды 28 к передней подшипниковой опоре 17 газогенератора 4, смазывает и охлаждает ее и направляется к задней подшипниковой опоре 18 газогенератора 4. Часть охлаждающей среды из смесителя 30 через обводной канал 31 направляется к задней подшипниковой опоре 18, минуя переднюю подшипниковую опору 17, в результате чего смазка и охлаждение наиболее нагруженной задней подшипниковой опоры 18 осуществляется полным расходом охлаждающей среды.

После задней подшипниковой опоры 18 основной поток охлаждающей среды поступает в канал подвода охлаждающей среды 29, а незначительная часть его перепускается в преддисковую полость 21, из которой выпускается в проточную часть 23 внутреннего контура двигателя. Основной поток охлаждающей среды по каналу подвода охлаждающей среды 29, охлаждает и смазывает межвальный подшипник 19, поступает в задисковую полость 22 и перепускается в проточную часть 23 внутреннего контура двигателя.

Применение воздушно-масляной смеси в системе смазки и охлаждения опор позволяет улучшить работоспособность подшипниковых опор за счет снижения гидравлической составляющей потерь на трение в подшипнике. Масло подается в минимальном количестве, требуемом для смазки подшипников, и его расход составляет около 50 мл/час для двигателя рассматриваемой размерности (тяга - 200 кгс), в то время как утечки масла (невосполнимые потери) при циркуляционной системе составляют не менее 100 мл/час в рассматриваемой размерности двигателя.

Такое выполнение малоразмерного двухконтурного турбореактивного двигателя и его системы смазки и охлаждения деталей двигателя позволяет использовать воздушно-масляную смесь для наддува полостей двигателя, чем обеспечивается уменьшение утечек из проточной части и через лабиринтные уплотнения, а также компенсация осевых нагрузок на подшипники и дополнительное охлаждение рабочего колеса турбины.

Применение охлаждающего теплообменника в предложенной системе смазки и охлаждения деталей двигателя позволяет обеспечить предварительный нагрев топлива перед поступлением его в камеру сгорания, за счет чего повышается эффективность двигателя и надежность его работы.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к малоразмерным двухконтурным турбореактивным двигателям с системой смазки и охлаждения деталей двигателя. Малоразмерный двухконтурный турбореактивный двигатель содержит размещенный в корпусе газогенератор с топливной системой, камерой сгорания и с установленными на полом роторе рабочим колесом турбины высокого давления и центробежным компрессором высокого давления с напорным трубопроводом, вентилятор с приводным устройством, турбину низкого давления с валом, расположенным в полости ротора газогенератора и механически связанным с приводным устройством вентилятора, и внутренний контур с соплом и проточной частью, а также систему смазки и охлаждения деталей двигателя с источником подачи смазки, охлаждающим теплообменником, каналом подачи воздуха высокого давления, подключенным к напорному трубопроводу компрессора высокого давления, и каналами подвода охлаждающей среды, причем компрессор высокого давления установлен в корпусе с образованием внутренней полости, ротор газогенератора и вал турбины низкого давления установлены в корпусе на передних и задних подшипниковых опорах, подключенных к каналам подвода охлаждающей среды, рабочее колесо турбины высокого давления установлено в корпусе с образованием преддисковой и задисковой полостей, связанных с каналом подачи воздуха высокого давления и с проточной частью внутреннего контура. Приводное устройство вентилятора совмещено с передней подшипниковой опорой вала турбины низкого давления и выполнено в виде планетарного редуктора с автономной системой смазки, система смазки и охлаждения деталей двигателя снабжена смесителем, подключенным входами к внутренней полости корпуса и к источнику подачи смазки, а выходом - к каналам подвода охлаждающей среды, а охлаждающий теплообменник подключен к топливной системе газогенератора и размещен во внутренней полости корпуса, сообщенной с каналом подачи воздуха высокого давления, причем один из каналов подвода охлаждающей среды подключен последовательно к передней и задней подшипниковым опорам ротора газогенератора и преддисковой полости турбины высокого давления, а другой канал подвода охлаждающей среды последовательно сообщает заднюю подшипниковую опору ротора газогенератора с задней подшипниковой опорой вала турбины низкого давления и задисковой полостью турбины высокого давления. Применение охлаждающего теплообменника в предложенной системе смазки и охлаждения деталей двигателя позволяет обеспечить предварительный нагрев топлива перед поступлением его в камеру сгорания за счет чего повышается эффективность двигателя и надежность его работы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Малоразмерный двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий размещенный в корпусе газогенератор с топливной системой, камерой сгорания и с установленными на полом роторе рабочим колесом турбины высокого давления и центробежным компрессором высокого давления с напорным трубопроводом, вентилятор с приводным устройством, турбину низкого давления с валом, расположенным в полости ротора газогенератора и механически связанным с приводным устройством вентилятора, и внутренний контур с соплом и проточной частью, а также систему смазки и охлаждения деталей двигателя с источником подачи смазки, охлаждающим теплообменником, каналом подачи воздуха высокого давления, подключенным к напорному трубопроводу компрессора высокого давления, и каналами подвода охлаждающей среды, причем компрессор высокого давления установлен в корпусе с образованием внутренней полости, ротор газогенератора и вал турбины низкого давления установлены в корпусе на передних и задних подшипниковых опорах, подключенных к каналам подвода охлаждающей среды, рабочее колесо турбины высокого давления установлено в корпусе с образованием преддисковой и задисковой полостей, связанных с каналом подачи воздуха высокого давления и с проточной частью внутреннего контура, отличающийся тем, что приводное устройство вентилятора совмещено с передней подшипниковой опорой вала турбины низкого давления и выполнено в виде планетарного редуктора с автономной системой смазки, система смазки и охлаждения деталей двигателя снабжена смесителем, подключенным входами к внутренней полости корпуса и к источнику подачи смазки, а выходом - к каналам подвода охлаждающей среды, а охлаждающий теплообменник подключен к топливной системе газогенератора и размещен во внутренней полости корпуса, сообщенной с каналом подачи воздуха высокого давления, причем один из каналов подвода охлаждающей среды подключен последовательно к передней и задней подшипниковым опорам ротора газогенератора и преддисковой полости турбины высокого давления, а другой канал подвода охлаждающей среды последовательно сообщает заднюю подшипниковую опору ротора газогенератора с задней подшипниковой опорой вала турбины низкого давления и задисковой полостью турбины высокого давления.

2. Малоразмерный двухконтурный турбореактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что задняя подшипниковая опора вала турбины низкого давления выполнена в виде межвального подшипника.