Турбинный двигатель

 

Турбинный двигатель снабжен корпусом, установленной в корпусе секцией компрессора, имеющей центробежное рабочее колесо с верхней кромкой и диффузор, расположенный вокруг верхней кромки рабочего колеса и являющийся выходом воздуха под давлением, секцией турбины, валом. Вал установлен с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси и соединяет рабочее колесо с секцией турбины. За рабочим колесом по направлению основного газового потока установлена центральная опора, прикрепленная к корпусу и поддерживающая вал. Между рабочим колесом и секцией турбины расположена задняя полость со стенкой полости, расположенной окружающей заднюю полость между рабочим колесом и центральной опорой. Турбинный двигатель также снабжен средством отвода первого потока воздуха от верхней части рабочего колеса в заднюю полость, средством отвода второго потока воздуха в теплообменник охлаждения второго потока воздуха и средством подачи охлажденного воздуха из теплообменника в заднюю полость с перемешиванием с первым потоком воздуха и снижением температуры смешанного воздуха в задней полости. Изобретение увеличивает срок службы втулки рабочего колеса, снижает вес и стоимость узла подшипника, уменьшает затраты на охлаждение. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к турбинным двигателям, в частности к турбинным двигателям с усовершенствованным распределением охлажденного сжатого воздуха за рабочим колесом центробежного компрессора по направлению газового потока.

В целях нагрузки рабочего колеса центробежного компрессора и уменьшения нагрузки на расположенные рядом подшипники производится отбор воздуха под высоким давлением, называемого воздухом Р3, из диффузора компрессора, и его перепуск в заднюю полость рабочего колеса, расположенную за рабочим колесом центробежного компрессора. Однако этот воздух под высоким давлением обычно имеет высокую температуру, что приводит к снижению прочностных характеристик втулки рабочего колеса, что сокращает эффективный срок службы рабочего колеса. Известно также, что подшипники рабочего колеса необходимо изолировать от воздействия такого горячего воздуха, что приводит к увеличению веса двигателя.

С целью уменьшения снижения прочностных характеристик рабочего колеса делались попытки использования термостойких материалов. Однако это только повышает стоимость рабочего колеса, делая его в то же время еще более подверженным разрушению под действием высоких центробежных сил.

Центральный подшипник, расположенный за рабочим колесом рядом с задней полостью рабочего колеса, иногда охлаждается отбираемым от компрессора воздухом, охлаждаемым посредством внешнего теплообменника с использованием байпасного воздуха в качестве охлаждающего агента. Этот воздух, обозначаемый как Р2Х, имеет более низкое давление и, следовательно, требует дополнительных уплотнений для изоляции воздуха Р2Х и центрального подшипника от воздуха Р3 в задней полости рабочего колеса, окружающей центральный подшипник. Воздух Р3 имеет сравнительно высокую температуру Т3.

В патенте США № 4825643, выданном компании MTU (Motoren-und-Turbinen-Union Munchen GmbH) от 02 мая 1989 г., раскрывается отбор воздуха от компрессора для охлаждения турбины.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции двигателя, позволяющей воздуху под высоким давлением Р3 поступать в заднюю полость рабочего колеса при температуре, более низкой, чем Т3, с целью увеличения срока службы втулки рабочего колеса, выполняемой из обычных материалов.

Еще одной задачей данного изобретения является обеспечение возможности подачи более холодного воздуха Р3 для охлаждения центральной опоры (подшипника), устраняя необходимость в уплотнениях и снижая тем самым вес и стоимость опорного узла.

Еще одна задача данного изобретения заключается в использовании вместо охлаждаемого воздуха Р2Х воздуха Р25, не охлаждаемого посредством каких-либо внешних устройств, а используемого для охлаждения передней и задней опор двигателя и турбины низкого давления.

В данном изобретении предлагается турбинный двигатель, снабженный корпусом, установленной в корпусе секцией компрессора, имеющей центробежное рабочее колесо с верхней кромкой и диффузор, расположенный вокруг верхней кромки рабочего колеса и являющийся выходом воздуха под давлением Р3, секцией турбины, валом, установленным с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси и соединяющим рабочее колесо с секцией турбины, центральной опорой, установленной прикрепленной к корпусу за рабочим колесом по направлению основного газового потока и поддерживающей вал, задней полостью между рабочим колесом и секцией турбины, стенкой полости, расположенной окружающей заднюю полость между рабочим колесом и центральной опорой, средством отвода первого потока воздуха Р3 от верхней части рабочего колеса в заднюю полость, причем турбинный двигатель содержит средство отвода второго потока воздуха Р3 в теплообменник охлаждения второго потока воздуха Р3 и средство подачи охлажденного воздуха Р3 из теплообменника в заднюю полость с перемешиванием с первым потоком воздуха Р3 и снижением температуры смешанного воздуха Р3 в задней полости как минимум до величины, обеспечивающей увеличение срока службы втулки рабочего колеса и устраняющей необходимость в уплотнениях центральной опоры.

При описанном выше снижении температуры воздуха Р3 в задней полости рабочего колеса устраняется необходимость в отборе воздуха Р2Х для охлаждения центральной опоры, что устраняет необходимость в уплотнениях опоры.

Таким образом, обеспечиваемые данным изобретением преимущества позволяют устранить сложные уплотнения опоры и, следовательно, снижают вес и стоимость. Кроме того, взамен требующего более высоких затрат охлаждаемого воздуха под низким давлением Р2Х можно использовать применяемый для охлаждения передней и задней опор и турбин воздух Р25.

За счет использования более холодного воздуха Р3 в задней полости рабочего колеса сохраняется возможность применения обычных материалов для изготовления втулки рабочего колеса при одновременном значительном уменьшении снижения его рабочих характеристик.

Становится возможным регулирование нагрузки на опору за счет регулирования степени завихрения охлажденного воздуха Р3 в задней полости рабочего колеса, чем обеспечивается хороший контроль нагрузки опоры.

С другой стороны, поскольку не требуется более поддерживать пониженные температуры Т3 на выходе компрессора, их можно повышать, повышая тем самым характеристики двигателя. Это является результатом охлаждения второго потока воздуха Р3, направляемого в заднюю полость рабочего колеса центробежного компрессора.

На чертежах иллюстрируется предпочтительный вариант выполнения изобретения, а именно:

Фиг.1 - увеличенный фрагмент поперечного сечения секций компрессора, камеры сгорания и турбины турбинного двигателя с установленным в нем средством согласно изобретению; и

Фиг.2 - увеличенный фрагмент поперечного сечения, более подробно показывающий элементы, приведенные на Фиг.1.

На чертежах в качестве варианта выполнения изобретения представлена часть газотурбинного двигателя 10, содержащего секцию компрессора 12, расположенную за (по направлению основного газового потока) компрессором камеру сгорания 14 и часть секции турбины 16. Двигатель 10 окружен каналом внешнего контура 18. Из двигателя выходит вал 20, установленный с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси и соединяющий рабочее колесо 22 с секцией турбины 6.

Компрессор 12 включает рабочее колесо 22 центробежного компрессора со втулкой (диском) 28. Центробежное рабочее колесо имеет верхнюю кромку, вокруг которой расположен диффузор 24, проходящий далее вниз (по направлению основного газового потока) внутри корпуса 26 и являющийся выходом воздуха под давлением Р3. Задняя полость 30 рабочего колеса находится за втулкой, как показано на чертежах. Задняя полость 30 ограничивается стенкой 34. Камера сгорания 14 содержит стенку 52 и форсунку 54.

Воздух выходит из верхней части рабочего колеса 22 в точку 46. Как описывается в патенте США № 08/771906 от 23 декабря 1996 г., воздух из верхней части рабочего колеса стравливается в заднюю полость 30 рабочего колеса для обеспечения давления на заднюю стенку рабочего колеса с целью компенсации нагрузки на упорный подшипник.

Первый поток воздуха поступает от верхней части рабочего колеса центробежного компрессора через средство 46 отвода первого потока воздуха Р3 от верхней части рабочего колеса в заднюю полость 30. Данное изобретение предусматривает средство отвода второго потока воздуха Р3 в теплообменник 36 охлаждения второго потока воздуха Р3, содержащее, в частности, воздухопровод 38, как показано на Фиг.1, и средство подачи охлажденного воздуха Р3 из теплообменника 36 в заднюю полость 30 с перемешиванием с первым потоком воздуха Р3 и снижением температуры смешанного воздуха Р3 в задней полости 30 (на Фиг.1 данное средство содержит воздухопровод 40.

Теплообменник 36 может быть расположен за пределами корпуса и охлаждается воздухом, отобранным из внешнего контура за пределами корпуса двигателя, который, поступая из воздухопровода 42, проходит через теплообменник и поступает обратно через воздухопровод 42 во внешний контур. За счет охлаждения воздуха Р3 и подачи его непосредственно в полость 30 обычная температура задней полости 30 рабочего колеса центробежного компрессора снижается от 497°С (926°F) до приблизительно 338°С (640°F). Поступление такого сравнительно более холодного воздуха в полость 30 устраняет или значительно снижает ухудшение рабочих характеристик рабочего колеса 22, в частности втулки 28, вызываемое высокой температурой воздуха Р3.

Кроме того, более холодный воздух Р3 в полости 30 теперь можно использовать для охлаждения центральной опоры (далее "подшипника") 32, установленной прикрепленной к корпусу за рабочим колесом 22 по направлению основного газового потока и поддерживающей вал 20. Как показано на Фиг.2, подшипник 32 содержит роликовый подшипник 48 и графитовые уплотнения 49. Следует отметить, что лабиринтные, равно как и щеточные уплотнения были убраны, чтобы дать возможность воздуху Р3 под более высоким давлением проникать в узел подшипника 32. Подшипник 32 снабжен маслопроводом 50 для смазывания подшипника. Отверстия, сообщающиеся с пространством вокруг вала 20, через которые охлажденный воздух Р2Х обычно проходил нормально для охлаждения подшипника 32, в данном варианте перекрыты. Таким образом, поток смешанного воздуха Р3 из задней полости 30 рабочего колеса центробежного компрессора является средством охлаждения центральной опоры 32.

Преимуществом такого изменения конструкции подшипника и распределения охлаждающего воздуха является устранение необходимости охлаждения воздуха Р2Х, и, следовательно, достаточно обычного воздуха Р25, используемого для охлаждения переднего и заднего подшипников. Путь прохождения воздуха Р25 на чертежах показан стрелками X.

Еще одним преимуществом такой конструкции является то, что температуру воздуха Р3, выходящего из диффузора 24, можно поддерживать более высокой, что обеспечивает повышение давления Р3 и более высокие рабочие характеристики двигателя.

Следует отметить также, что охлажденный воздух Р3 поступает в заднюю полость по воздухопроводу 40 в направлении, противоположном направлению завихрения воздуха, отбираемого от верхней части рабочего колеса, что уменьшает степень завихренности и выравнивает градиент давления на рабочем колесе.

Поток воздуха из задней полости рабочего колеса центробежного компрессора после охлаждения подшипников 32 может быть использован для дополнительного охлаждения турбины в секции турбины 16. Таким образом, поток воздуха Р3 будет смешиваться с потоком воздуха Р25, концентричным валу 20, и подводиться к турбине низкого давления для ее охлаждения.

Формула изобретения

1. Турбинный двигатель, снабженный корпусом, установленной в корпусе секцией компрессора (12), имеющей центробежное рабочее колесо (22) с верхней кромкой и диффузор (24), расположенный вокруг верхней кромки рабочего колеса и являющийся выходом воздуха под давлением РЗ, секцией турбины (16), валом (20), установленным с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси и соединяющим рабочее колесо (22) с секцией турбины (16), центральной опорой (32), установленной прикрепленной к корпусу за рабочим колесом (22) по направлению основного газового потока и поддерживающей вал (20), задней полостью (30) между рабочим колесом (22) и секцией турбины (16), стенкой (34) полости, расположенной окружающей заднюю полость (30) между рабочим колесом (22) и центральной опорой (32), и средством отвода первого потока воздуха РЗ от верхней части рабочего колеса в заднюю полость (30), отличающийся тем, что он содержит средство отвода второго потока воздуха РЗ в теплообменник (36) охлаждения второго потока воздуха РЗ и средство подачи охлажденного воздуха РЗ из теплообменника (36) в заднюю полость (30) с перемешиванием с первым потоком воздуха РЗ и снижением температуры смешанного воздуха РЗ в задней полости (30).

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поток смешанного воздуха РЗ из задней полости (30) рабочего колеса центробежного компрессора является средством охлаждения центральной опоры (32).

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что средство отбора второго потока воздуха РЗ и подачи его в теплообменник (36) содержит воздухопровод (38), расположенный соединяющим поток воздуха РЗ внутри корпуса с теплообменником (36), расположенным за пределами корпуса, и воздухопровод (40), расположенный проходящим от теплообменника (36) через стенку (34) полости в заднюю полость (30).

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что теплообменник (36), расположенный за пределами корпуса двигателя, соединен с отбираемым за пределами корпуса двигателя охлажденным воздухом через воздухопроводы (42).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2