Способ регулирования трехвального регенеративного газотурбинного двигателя и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК F02C7/08 

Изобретение относится к области транспортного, судового и энергетического газотурбостроения и может быть использовано в трехвальных регенеративных ГТД соответственно транспортного, судового и энергетического назначения, от которых требуется высокая экономичность на частичных нагрузках.

Известен способ регулирования трех- вального ГТД с помощью соплового аппарата со сплошными лопатками в турбине среднего давления и в турбине низкого давления 1. Регулирование производят в сочетании с поворотными заслонками, расположенными на входе в перепускной канал, с целью перераспределения мощности между турбиной среднего давления, вращающий турбокомпрессор низкого давления и винтовентилятор, создающий горизонтальную тягу, а также между турбиной низкого давления, вращающей воздушный вит, создающий вертикальную тягу. При этом сохраняют неизменной суммарную

площадь проходных сечений для исключения разгона турбокомпрессора высокого давления сверх максимально допустимых по условиям прочности оборотов.

Недостатками этого способа и устройства являются усложнение конструкции ГТД, снижение его КПД из-за увеличения потерь в турбинах при перекрытии сопловых лопаток из-за наличия радиальных зазоров между ними и наружным и внутренним корпусами регулируемых сопловых аппаратов, из-за потерь в перепускных каналах и заслоночных устройствах.

Известен способ регулирования с целью повышения экономичности трехваль- ного регенеративного ГТД с силовой турбиной низкого давления путем изменения расхода газа и подачи топлива в камеру сгорания в зависимости от нагрузки, в котором поддерживают постоянной начальную температуру газа посредством изменения проходного сечения соплового аппарата силовой турбины низкого давления,повора 1

О О

Ј СО

чиппя сопловые лопатки в сторону уменьше- кия выходного угла 2

Последнее приводит к повышению давления на выходе из турбины среднего давления и следовательно, к уменьшению ее степени понижения давления, теплопере- пада и мощности. Таким образом снижают у связанного с ней турбокомпрессора низкого давления (первого каскада) частоту вращения, следовательно, расход воздуха и степень повышения давления. Одновременно с ним снижают частоту вращения и турбокомпрессора высокого давления (второго каскада). Так как оптимальная степень повышения давления, расчетная степень реге- нерации и максимальный КПД турбомашин соответствуют в транспортном ГТД режиму 70% от полной мощности, то дальнейшая работа ГТД на меньших частичных нагрузках при постоянной начальной температуре происходит на неоптимальных степенях повышения давления и, следовательно, не с максимальной экономичностью, особенно на малых нагрузках. Этот способ (прототип) применен панамериканском трехвальном регенеративном ГТД AGT-1500. Это главный недостаток этйго способа. Применяемые для его осуществления регулируемые сопловые аппараты со сплошными поворотными лопатками имеют радиальные зазоры между торцами лопаток и сферическими сопряженными с ними поверхностями корпуса, что приводит к снижению КПД силовой турбины и ГТД на 2-3% на всех режимах. Кроме того, по мере уменьшения выходного угла увеличивается потеря от ударного входа газа в рабочий венец, что также повышает КПД турбины еще на 1-2%

Известен также регулируемый сопловой аппарат авт. св. № 1474285, кл. F 01 9/02, 1987, имеющий поворотные сопловые лопатки, выполненные в виде набора пластин аэродинамического профиля с осью и приводом для поворота и штоком для изменения взаимного положения пластин, который позволяет перераспределять газовый поток между турбинами среднего и низкого давления без заслонок и перепускных каналов; однако он не может обеспечить неизменность суммарной площади и вели- чины критического сечения междулопаточных каналов при увеличении выходного угла периферийной части сопловых лопаток, которое необходимо для реализации упомянутого способа регулирования мощности трехвального регенеративного ГТД. При взаимном смещении пластин поверхность сопловых лопаток становится ребристой, что существенно увепичив ает профильные потери и снижает КПД соплового аппарата

и турбины. Кроме того, металлические профильные пластины под действием многократных неравномерных нагревов и охлаждений их тонких выходных кромок и массивного тела, при которых разность температур упомянутых частей при пусках ГТД достигает 550-600°С, коробятся и образуют между собой щели, а керамические пластины трескаются и выкрашиваются; через щели происходит утечка газа с вогнутой стороны на выпуклую, что также вызывает значительные потери энергии и отклонение выходного угла газового потока от расчетного и, следовательно, снижение КПД турбины и и ГТД. Консольные крепления пластинчатых лопаток на поворотной оси в виде полого разрезного цилиндра обуславливает, во- первых, утечки газа через корневой радиальный зазор и снижение КПД турбины на 2-3% и, во-вторых, невозможность использования сопловых лопато в качестве силовых элементов, связывающих внешний корпус с внутренним в то время как сопловые аппараты многих конструкций двигателей являются силовыми элементами, передающими нагрузки с ротора турбокомпрессора на статор двигателя Гарькавый А.А., Чайковский А.В., Ловинский С.Н. Двигатели летательных аппаратов. Машиностроение, 1987, с. 123.

Серьезным недостатком всех известных регулируемых сопловых аппаратов с поворотными сплошными и пластинчатыми лопатками является наличие большого количества поворотных осей, подшипников, а в случае пластинчатых лопаток - штоков с винтовыми самотормозящимися парами, которые снижают надежность ГТД. а упомянутое коробление пластин вызывает их задевание друг за друга и делает сопловой аппарат неработоспособным.

Целью изобретения является повышение экономичности и надежности трехвального регенеративного ГТД, имеющего регулируемый сопловой аппарат в турбине среднего давления турбокомпрессора 1-го каскада и в силовой турбине низкого давления, путем изменения расхода газа и воздуха, а также подачи топлива в камеру сгорания в соответствии с нагрузкой, в котором поддерживают начальную температуру газа близкой к постоянной и контролируют параметры рабочего процесса.

Эта цель достигается тем, что на режимах от 70% полной мощности до холостого хода включительно отклоняют на 5-7° периферийную часть потока в сторону увеличения выходного угла и сохраняют неизменным его критическое сечение на выходе из регулируемого соплового аппарата турбины среднего давления

Указанная цель в устройстве достигается тем, чго регулируемый сопловой аппарат осевой турбины, содержащий наружный и внутренний корпусы с размещенными между ними регулируемыми сопловыми лопатками, имеет сопловые лопатки, выполненные полужесткими; жесткая часть лопаток связывает наружный и внутренний корпусы соплового аппарата без зазоров, а периферийная часть выполнена гибкой с возможностью отклонения от расчетного выходного угла и возможностью сохранения неизменным критического сечения при отклонении ее в сторону увеличения выходного угла с помощью поворотного кольца с отверстиями, в которые входят подвижно цапфы, расположенные на конце гибкой части сопловой лопатки.

Указанное отклонение газового потока с помощью гибкой периферийной части полужестких сопловых лопаток позволяет пройти этой части газового потока в турбину низкого давления через рабочий венец турбины среднего давления без совершения им работы и таким образом снизить мощность турбины среднего давления,следовательно, частоту вращения, расход воздуха и степень повышения давления в турбокомпрессоре низкого давления (первого каскада)

Сохранение неизменным критического сечения газового потока на выходе из регулируемого соплового аппарата турбины среднего давления исключает разгон турбокомпрессора высокого давления (второго каскада) сверх допустимых по условиям прочности оборотов при увеличении температуры газа до величины, близкой к начальной.

При этом достигается оптимальная суммарная степень повышения давления, соответствующая увеличенным значениям степени регенерации и температуры газа, и, следовательно, максимальный КПД ГТД на заданном режиме частичной нагрузки.

При углах отклонения потока меныиеб0 происходит увеличение, а при больших, чем 7°, уменьшение окружного усилия в рабочем венце турбины среднего давления. Эти отступления приводят к отступлению от оптимальной величины степени повышения давления соответственно в сторону ее повышения или в сторону снижения, в результате снижается КПД ГТД от его максимального значения. Полужесткие сопловые лопатки не имеют корневого радиального зазора, что повышает КПД предлагаемого соплового аппарата на -Зс/о по сравнению с регулируемыми сопловыми аппаратами с поворотными лопатками. Жесткая часть полужестких сопловых лопаток является силовым элементом соплового аппарата. Гибкая

часть исключает необходимость в поворотных осях и подшипниках, что упрощает конструкцию и повышает надежность регулируемого соплового аппарата, турбины и ГТД.

Автору неизвестны другие решения, которые обладают аналогичными признаками, поэтому заявленный способ и устройство обладают существенными отличиями. На фиг.1 представлен продольный разрез трехвального регенеративного ГТД, в котором реализуются предложенный способ и устройство для его регулирования; на фиг.2 - неохлаждаемый регулируемый сопловой аппарат с полужесткими лопатками

и рабочий аппарат турбины среднего давления, необходимые для реализации предложенного способа; на фиг.З - сечение А-А на фиг.2 и треугольники скоростей периферийного сечения турбины среднего давления с

неохлаждаемыми лопатками; на фиг.4 - охлаждаемый регулируемый сопловой аппарат с полужесткими лопатками и рабочий венец осевой турбины, пригодные как для турбины среднего, так и для турбины высокого давления высокотемпературного ГТД; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4.

ГТД (фиг.1) содержит компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2, камеру сгорания 3, турбину высокого давления 4, турбину среднего давления с регулируемым сопловым аппаратом, имеющим полужесткие лопатки 5, силовую турбины низкого давления с регулируемым сопловым аппаратом б, рекуперативный теплообменник 7 и редуктор 8. Компрессор низкого давления 1 и турбина среднего давления 5 образуют турбокомпрессор низкого давления 1-го каскада, Компрессор высокого давления 2 и турбина высокого давления 4 образуют турбокомпрессор высокого давления 2-го каскада.

Регулируемый сопловой аппарат (фиг.2- 5)содержит внутренний 1 и внешний 2 корпусы и размещенные между ними полужесткие сопловые лопатки 3, которые на фиг.4 охлаждаются воздухом. Жесткая профильная часть этих лопаток связывает корпусы 1 и 2 и является силовым элементом. Гибкая часть 5 имеет на конце цапфу 6, которая подвижно входит в отверстие в поворотном кольце 7, размещенном во внешнем корпусе 1. За сопловым аппаратом , расположен рабочий аппарат 8, Благодаря жесткой корневой части сопловых лопаток в

ней отсутствует радиальный зазор, что позволяет выиграть 2-3% КПД турбины и ГТД.

На режимах ниже 70% полной мощности привод (не показан) поворачивает кольцо 7 (фиг.2 и 4), которое отклоняет на 5-7° гибкую часть 5 сопловых лопаток 3 (фиг.З и 5) в сторону увеличения выходного угла, увеличивая угол выхода газового потока на ua , сохраняя неизменным его критическое сечение а (фиг.З).

Согласно изображенным на фиг.З входному и выходному треугольникам скоростей газ в периферийной зоне проходит в силовую турбину низкого давления через рабочий венец 8 турбины среднего давления с минимальным гидравлическим сопротивлением, не совершая работы.

В прикорневой зоне он продолжает создавать полезную работу с высоким КПД. Вследствие этого мощность турбины среднего давления уменьшится, поэтому турбокомпрессор низкого давления (1-го каскада) снизит частоту вращения, расход воздуха и степень повышения давления. Одновременно с этим повышают и поддерживают температуру газа, близкой к начальному значению. В результате этого у турбокомпрессора высокого давления (2-го каскада) повышаются частота вращения и степень повышения давления.

Увеличение частоты вращения турбокомпрессора высокого давления прекращают по достижении на выходе из компрессора высокого давления оптимальной величины давления сжатого воздуха, воздействуя на величину угла отклонения гибкой части 5 сопловых лопаток 3 (фиг.2-5) и на подачу топлива в камеру сгорания 3 (фиг.1). Сохранение неизменным критического сечения а (фиг.З) позволяет исключить разгон турбокомпрессора высокого давления сверх максимально допустимых по условиям прочности оборотов и обеспечить надежность ГТД. Таким образом выводят ГТД на работу с максимальным КПД на заданной частичной нагрузке. Предлагаемое техническое решение позволяет снизить удельный расход топлива на частичных нагрузках 15-20% от полной в 1,4-1,5 раза по сравнению с прототипом.

Предлагаемый регулируемый сопловой аппарат с полужесткими сопловыми лопатками упрощает конструкцию, повышает надежность и снижает габариты ГТД по

сравнению с существующими РСА. Полужесткие сопловые лопатки не имеют корневого радиального зазора, поэтому позволяют повысить КПД турбины на 2-3% по сравнению с обычными РСА, имеющими поворотные

лопатки.

Формула изобретения

1.Способ регулирования трехвального регенеративного газотурбинного двигателя, имеющего регулируемый сопловой аппарат

в турбине среднего и низкого давления, заключающийся в изменении расхода газа посредством поворота лопаток регулируемого соплового аппарата, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности

и надежности работы двигателя на режимах от 70% полной мощности до холостого хода включительно, поворот лопаток регулируемого соплового аппарата турбины среднего давления осуществляют отклонением их периферийно-выходной части на угол 5-7° в сторону увеличения выходного угла при сохранении неизменным его критического сечения.

2.Устройство для регулирования трех- вального регенеративного газотурбинного

Двигателя, содержащее регулируемый сопловой аппарат с лопатками, размещенными между наружным и внутренними корпусами, и привод, отличающееся

тем, что, с целью повышения экономичности и надежности, лопатки выполнены полужесткими с гибким периферийно-выходным участком, закреплены входной и средней частью на наружном и внутреннем корпусах, а периферийно-выходной участок размещен с радиальным зазором относительно наружного корпуса.

3.Устройство по п.2. отличающее- с я тем, что наружный корпус снабжен соединенным с приводом поворотным кольцом с отверстиями, лопатки снабжены цапфами, расположенными на конце периферийно- выходного участка и размещенными в отверстиях поворотного кольца.

n «зо o г

Использование: транспортное и энергетическое газотурбостроение. Сущность изобретения: поворот лопаток регулируемого соплового аппарата турбины среднего давления осуществляют посредством отклонения их периферийно-выходной части на угол 5-7° в сторону увеличения выходного угла, сохраняя неизменным при этом крити«е- ское сечение РСА. 2 с.п. и 1 з п. ф-лы, 5 ил.

Фи&4

Фиг.5