Трехвальный газотурбинный двигатель Советский патент 1992 года по МПК F01D17/00 

Изобретение относится к области транспортного газотурбостроения и может быть использовано в транспортных, судовых и энергетических установках, от которых требуется высокая экономичность на частичных нагрузках, составляющих 20- 30% от полной, а также при конверсии трех- вальных ГТД ВГМ для гражданских целей.

Известен транспортный трехвальный нерегенеративный ГТД, широко применяемый на транспортных машинах и ВГМ, содержащий корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, а другой с турбиной среднего давления, камеру сгорания, силовую турбину низкого давления с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) Попов Н.С. и др. Транспортные машины с газотурбинными двигателями, Л., Машиностроение, 1987, с.54, рис.1.41.

Недостатком этого ГТД является неудовлетворительная экономичность на малых частичных нагрузках, составляющих 20-30% от полной нагрузки, что обусловлено отсутствием теплообменника и снижением начальной температуры газа. Это затрудняет его конверсию, например, на аварийно-спасательные, инженерные, карьерные, дорожно-строительные, лесонава- лочные и другие гусеничные и колесные машины, которые в основном работают при указанных нагрузках, а полную мощность используют в течение 1-3% времени эксплуатации.

Известен авиационный трехвальный нерегенеративный ГТД Патент ФРГ № 2242048, F02C 7/02, 1974 г., который содержит корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, а другой - с турбиной

О

о

о

среднего давления, имеющей РСА и поворотные заслонки перед входом в него, которая связана с вентилятором, создающим горизонтальную тягу, камеры сгорания, силовую турбину низкого давления с РСА, соединенную с винтом вертикальной тяги, а также двухконтурное реактивное сопло и газораспределительные тракты. В этом ГТД заслонки и РСА служат для переключения газового потока либо , либо в ТНД, сохраняя низменным давление за ТВД, чтобы исключить возможность выбега ротора ТВД за допустимые по условиям прочности обороты.

Недостатком этого ГТД является сравнительно низкая экономичность на крейсерских режимах из-за снижения начальной температуры и отсутствие теплообменника, а также усложнение конструкции ТСД заслонками и РСА. которые снижают надежность и увеличивают стоимость ГТД.

Известен прототип - транспортный трехвальный регенеративный ГТД AGT- 1500, широко применяемый на американских ВГМ Mi, MIAI и морских катерах, он содержит корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, г другой - с турбиной среднего давления, камеру сгорания, силовую турбину низкого давления с РСА и теплообменник, подключенный но воздуху к компрессору высокого давления и к камере сгорания, а по газу -- к выхлопу силовой турбины Манушин Э.А. Газовые турбины: Проблемы и перспективы, М,, Энергоатомиздат, 1986, с. 118.

Недостатками этого прототипа являются, во-первых, плохая экономичность на нагрузках 20-30% от полной вследствие снижения температуры газа в ТВД; во-вторых, ограниченность степени регенерации, тепла рекуперативным типом теплообменника, обусловленное стремительным ростом габаритов при увеличении степени регенерации свыше 75% от величины которой зависит экономичность регенеративного ГТД.

Целью изобретения является повышение экономичности на частичных нагрузках и снижение габаритов ГТД.

Для достижения поставленной цели трехвальный газотурбинный двигатель, содержащий корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, а другой - с турбиной среднего давления, имеющей сопловые лопатки, камеру сгсрэния, силовую гурбину низкого давления, регулирующие расход рабочего тела органы, теплообменник, подключенный по воздуху к компрессору высокого давления и к камере сгорания, а по газу - к выхлопу силовой турбины, согласно изобретению, двигатель снабжен газоперепускным каналом, выполненным в

корпусе над турбиной среднего давления, подключенным к выходу турбины высокого давления и входу силовой турбины, а регулирующие органы выполнены в виде плоских кольцевых сегментов с перепускными

отверстиями, подпружиненных со стороны опорных поверхностей и установлены с возможностью радиального перемещения на выходе из сопловых лопаток с перекрышей их периферийного сечения, причем торцевые поверхности сегментов наклонены под углом к оси двигателя равным выходному углу сопловых лопаток; двигатель снабжен также запорными клапанами и поворотной заслонкой, установленными соответственно на входах по воздуху и газу теплообменника, а теплообменник выполнен в виде вращающегося регенератора.

Пере ;уск газа устройством в силовую турбину гюзволяетснизить мощностьтурбины среднего давления и, следовательно, обороты и расход воздуха компрессора низкого давления, при котором в результате повышения температуры газа и оборотом каскада высокого давления до начального

значения и увеличения степени регенерации получается необходимая мощность, со- ставляющая 20-30% от полной при максимальной экономичности ГТД на уровне равноценного транспортного дизеля.

Перекрыша периферийного проходного

сечения соплового аппарата исключает выбег ротора каскада высокого давления за допустимые по условиям прочности обороты.

Наклон боковых граней сегментов под

выходным углом сопловых лопаток обеспечивает безударное обтекание рабочих лопаток струями газа, вытекающими из щелей при неплотном прилегании боковых граней

сосздних сегментов. Пружинные прижимы обеспечивают плотное прилегание сегментов к опорным поверхностям и этим исключают утечки газа при работе ГТД с выключенным перепуском газа.

Выполнение теплообменника в виде вращающегося регенератора существенно снижает габариты и обеспечивает получение наивысшей степени регенерации, а наличие в нем запорных клапанов и

поворотной заслонки исключают утечки воздуха и газа при работе ГТД с отключенным рэгйнератором. Заслонки на выходе из компрессора высокого давления, воздушные коллекторы позволяют присоединить регенератор к ГТД с наименьшими переделками ГТД ВГМ при его конверсии.

Автору неизвестны другие решения, которые обладают аналогичными признаками, поэтому, помнению автора, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями, придающими новые свойства, а именно - глубокое количественное регулирование мощности с оптимизацией термодинамического цикла при восстановлении начальной температуры газа.

На фиг.1 представлен продольный разрез трехвального ГТД при работе на частичной нагрузке.

На фиг,2 изображен продольный разрез устройства для перепуска газа помимо турбины среднего давления во время его действия.

На фиг.З приведен разрез по А-А фиг.2.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Как показывает фиг.1. трехвальный ГТД содержит: компрессор низкого давления - 1, компрессор высокого давления - 2, камеру сгорания - 3, турбину высокого давления

-4, связанную валом с компрессором высокого давления, которые образуют каскад высокого давления; воздушные коллекторы - 5, турбину среднего давления с устройством для перепуска газа помимо нее - 6, соединенную валом с компрессором низкого давления, которые образуют каскад низкого давления; регулируемый сопловой аппарат

-7, силовую турбину низкого давления - 8, соединенную с зубчатым редуктором - 9, служащим для обеспечения движения машины и зубчатым редуктором - 10, для отбора мощности на приводы подъемного, бульдозерного и другого оборудования.

На ГТД установлены: вращающийся регенератор -11, заслонки - 12 на выходе из компрессора высокого давления, запорные клапаны - 13 и 14, соответственно во входном и выходном воздушных патрубках регенератора 11, поворотная заслонка - 15 {на выходе турбины низкого давления) во входном патрубке регенератора 11.

Вращающийся регенератор может быть дискового или барабанного типа.

В регенератор входят: упомянутая заслонка - 15, корпус - 16 с упомянутыми воздушными патрубками, диск - 19 с зубчатым венцом, сцепленным с приводом, вращающим его вокруг вертикальной оси (не показан), сеточные теплообменные конусы

-20, установленные в цилиндрических каналах диска, графитовые уплотнения - 21, а также опорные подшипники, которые не показаны.

Устройство в турбине среднего давления для перепуска газа помимо нее, фиг.2, состоит из плоских кольцевых сегментов - 22, имеющих возможность радиального перемещения, с отверстиями - 23 для перепуска газа, которые длинным штоком - 24 присоединены к роликам -25 механического привода. Ролики опираются на поверхности профильных прорезей в поворотном

0 кольце - 26, установленном на шариковом подшипнике - 27.

Кольцо может поворачиваться механическим, электрическим, гидравлическим и пневматическим приводом, который не по5 ;;гган. Непосредственный пневматический привод показан на фиг.З. Здесь сегменты 22 прилегают друг к другу гранями, которые имеют наклон, равный выходному углу сопловых лопаток - разрез по В-В, При не0 плотном прилегании или регулировании перепуска газа они образуют каналы, которые направляют газовые струи на рабочие лопатки под тем же углом, что и сопловые лопатки. Для обеспечения полной герметич5 ности после выключения перепуска, когда сегменты 22 перемещены в крайнее периферийное положение, показанное на фиг.2 пунктиром, предусмотрены пружинные прижимы 28 сегментов 22 к сопряженным опор0 ным поверхностям.

Формула изобретения 1. Трехвальный газотурбинный двигатель, содержащий корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен

5 с турбиной высокого давления, а другой - с турбиной среднего давления, имеющей сопловые лопатки, камеру сгорания, силовую турбину низкого давления, регулирующие расход рабочего тела органы, теплообмен0 ник, подключенный по воздуху к компрессору высокого давления и к камере сгорания, а по газу - к выхлопу силовой турбины, о т- личающийся тем, что, с целью повышения экономичности на малых про5 должительных частичных нагрузках и снижения габаритов, двигатель снабжен газоперепускным каналом, выполненным в корпусе над турбиной среднего давления, подключенным к выходу турбины высокого

0 давления и входу силовой турбины, а регулирующие органы выполнены в виде плоских кольцевых сегментов с перепускными отверстиями, подпружиненных со стороны опорных поверхностей, и установлены с

5 возможностью радиального перемещения на выходе из сопловых лопаток с перекрытием их периферийного сечения, причем торцевые поверхности сегментов наклонены под углом к оси двигателя, равным выходному углу сопловых лопаток.

2. Двигатель по п.1,отличающийся тем, что он снабжен запорными клапанами и поворотной заслонкой, установленными соответственно на входах по воздуху и газу теплообменника, а теплообменник выполнен в виде вращающегося регенератора.

Использование: транспортные, судовые и энергетические установки, от которых требуется высокая экономичность на частичных нагрузках, а также при конверсии газотурбинных двигателей для гражданских целей. Сущность изобретения: турбина среднего давления снабжена устройством для перепуска части газа помимо нее в силовую турбину низкого давления. Устройство для перепуска выполнено в виде подвижных в радиальном направлении кольцевых сегментов с перепускными отверстиями, которые имеют грани с наклоном, равным выходному углу сопловых лопаток. Кольцевые сегменты установлены на выходе из соплового аппарата с перекрышей его периферийных проходных сечений и подпружинены относительно опорных поверхностей прижимами. Двигатель снабжен вращающимся регенератором, имеющим во входном и выходном воздушных патрубках запорные клапаны, а во входном газовом патрубке-поворотную заслонку. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

7 / / 345587

а 21

(риг 1

фиг. 2

А-А

fit/г.З