Газотурбинный двигатель
Газотурбинный двигатель содержит компрессор с установленными со стороны входа поворотными направляющими аппаратами и с расположенными ниже по потоку клапанами перепуска воздуха, с расположенным между ними кольцевым коллектором. Кольцевой коллектор соединен на входе с проточной частью компрессора, а на выходе через радиальные воздушные полости на входе в компрессор с воздушными полостями подшипниковых опор. Газотурбинный двигатель также содержит механизм переключения отборов воздуха, соединенный на выходе с радиальными воздушными полостями, а на входе - с кольцевым воздушным коллектором пониженного давления, а также с кольцевым воздушным коллектором повышенного давления. Кольцевой воздушный коллектор пониженного давления расположен между поворотными направляющими аппаратами и клапанами перепуска воздуха. Кольцевой воздушный коллектор повышенного давления расположен ниже по потоку клапанов перепуска воздуха с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора повышенного давления на коллектор пониженного давления одновременно с закрытием клапанов перепуска воздуха. Коллектор пониженного давления соединен с проточной частью через ступень компрессора за последним по потоку поворотным направляющим аппаратом. Коллектор повышенного давления соединен с проточной частью ступени перепуска воздуха или следующей за ним ступени. Изобретение повышает надежность газотурбинного двигателя путем наддува воздушных полостей подшипниковых опор при работе двигателя на пониженных режимах воздухом повышенного давления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в том числе наземного применения для механического привода и привода для электрогенератора.
Известен газотурбинный двигатель, на компрессоре которого для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости на пониженных режимах работы установлены клапаны перепуска воздуха из-за промежуточных ступеней (Патент РФ №2189499, F04C 18/00, 2002 г.).
Недостатком такой конструкции является низкая надежность газотурбинного двигателя из-за повышенной температуры воздуха, отбираемого для наддува воздушных полостей подшипниковых опор.
Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель, содержащий компрессор с установленными со стороны входа поворотными направляющими аппаратами, а также с расположенными ниже по потоку воздуха в компрессоре клапанами перепуска воздуха и кольцевым коллектором, расположенным между поворотными направляющими аппаратами и клапанами перепуска и соединенным на входе с проточной частью компрессора, а на выходе - через радиальные воздушные полости на входе в компрессор - с воздушными полостями подшипниковых опор (Патент РФ №2124644, F02C 7/06, 1999 г.).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность газотурбинного двигателя из-за пониженного давления воздуха, отбираемого на наддув воздушных полостей подшипниковых опор на пониженных режимах работы газотурбинного двигателя, при работе на которых для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости компрессора производится поворот лопаток направляющих аппаратов и открытие клапанов перепуска воздуха. В результате этого из-за нерасчетных углов обтекания лопаток компрессора снижается давление воздуха в кольцевом коллекторе и в воздушных полостях подшипниковых опор, что приводит к вытеканию масла из подшипниковых опор с последующим поступлением масла в газовоздушный тракт двигателя.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности газотурбинного двигателя путем наддува воздушных полостей подшипниковых опор при работе двигателя на пониженных режимах воздухом повышенного давления.
Сущность изобретения заключается в том, что газотурбинный двигатель, содержащий компрессор с установленными со стороны входа поворотными направляющими аппаратами и с расположенными ниже по потоку клапанами перепуска воздуха, а также с расположенным между ними кольцевым коллектором, соединенным на входе с проточной частью компрессора, а на выходе через радиальные воздушные полости на входе в компрессор с воздушными полостями подшипниковых опор, согласно изобретению дополнительно включает механизм переключения отборов воздуха, соединенный на выходе с радиальными воздушными полостями, а на входе - с кольцевым воздушным коллектором пониженного давления, расположенным между поворотными направляющими аппаратами и клапанами перепуска воздуха, а также с кольцевым воздушным коллектором повышенного давления, расположенным ниже по потоку клапанов перепуска воздуха, с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора повышенного давления на коллектор пониженного давления одновременно с закрытием клапанов перепуска воздуха, причем коллектор пониженного давления соединен с проточной частью через ступень компрессора за последним по потоку поворотным направляющим аппаратом, а коллектор повышенного давления соединен с проточной частью ступени перепуска воздуха или следующей за ним ступени.
Переключение отбора воздуха с коллектора повышенного давления на коллектор пониженного давления можно также производить в зависимости от термогазодинамического параметра газотурбинного двигателя, например приведенной частоты вращения компрессора 
где
n - частота вращения компрессора;
Tвх* - температура воздуха на входе в двигатель.
Установка на газотурбинном двигателе механизма переключения отборов воздуха позволяет осуществлять наддув воздушных полостей подшипниковых опор на пониженных режимах работы газотурбинного двигателя от кольцевого воздушного коллектора повышенного давления, что исключает течь масла из подшипниковых опор в газотурбинный тракт двигателя, повышая таким образом надежность двигателя.
При повышении работы двигателя воздушные полости подшипниковых опор соединяются с кольцевым воздушным коллектором пониженного давления, что позволяет на этих режимах работы двигателя осуществлять охлаждение подшипниковых опор с одновременным гарантированным наддувом избыточным давлением их воздушных полостей.
Размещение коллектора пониженного давления между поворотными направляющими аппаратами и клапанами перепуска позволяет осуществлять отбор воздуха на наддув воздушных полостей подшипниковых опор при минимальной температуре отбираемого воздуха, повышая надежность двигателя.
Размещение коллектора повышенного давления ниже по потоку клапанов перепуска воздуха позволяет осуществлять отбор воздуха повышенного давления на пониженных режимах работы двигателя, что исключает попадание масла из полостей подшипниковых опор в газовоздушный тракт двигателя.
Соединение воздушных полостей подшипниковых опор с помощью механизма переключения с коллектором пониженного давления вместо коллектора повышенного давления одновременно с закрытием клапанов перепуска воздуха позволяет исключить снижение давления воздуха в коллекторе пониженного давления за счет отбора воздуха через клапаны перепуска, что также повышает надежность газотурбинного двигателя.
Соединение коллектора пониженного давления каналами с проточной частью через ступень компрессора за последним по потоку поворотным направляющим аппаратом позволяет минимизировать влияние поворота направляющих лопаток на понижение давления отбираемого воздуха в коллекторе. Одновременно обеспечивается отбор воздуха с минимальной температурой, что обеспечивает охлаждение подшипниковых опор.
Соединение коллектора повышенного давления каналами с проточной частью ступени перепуска воздуха или следующей за ней ступени позволяет осуществлять отбор воздуха на наддув воздушных полостей подшипниковых опор с минимальной температурой отбираемого воздуха, что повышает надежность газотурбинного двигателя при его работе на пониженных режимах.
Переключение отбора воздуха с коллектора повышенного давления на коллектор пониженного давления можно производить также в зависимости от термогазодинамического параметра газотурбинного двигателя, например приведенной частоты вращения компрессора где
n - физическая частота вращения компрессора;
Tвх* - температура воздуха на входе в двигатель.
Такое переключение отборов воздуха позволяет более точно регулировать температуру охлаждающего воздуха, отбираемого на наддув воздушных полостей подшипниковых опор, что повышает надежность газотурбинного двигателя.
На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя.
На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде, а на фиг.3 - элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.
На фиг.4 представлен элемент III на фиг.1 в увеличенном виде.
Газотурбинный двигатель 1 состоит из входного корпуса 2, компрессора 3, камеры сгорания 4 и турбины 5, которая приводит во вращение компрессор 3.
Ротор 6 компрессора 3 установлен на передней и задней подшипниковых опорах 7 и 8 соответственно, воздушные полости 9 и 10 которых для исключения попадания масла из опор 7, 8 в газовоздушный тракт 11 двигателя 1, включая проточную часть 12 компрессора 3, наддувается избыточным давлением охлаждающего воздуха. Воздух на наддув полостей 9 и 10 отбирается из кольцевого воздушного коллектора 13 пониженного давления или из кольцевого воздушного коллектора 14 повышенного давления. Коллектор 13 пониженного давления расположен между поворотными направляющими аппаратами 15 и клапанами перепуска воздуха 16 и соединен на входе каналами 17 с проточной частью 12 компрессора 3 через ступень 18 от последнего по потоку поворотного направляющего аппарата 19. Коллектор 14 повышенного давления расположен ниже по потоку клапанов перепуска 16 и соединен на входе каналами 20 с проточной частью 21 ступени 22 перепуска воздуха или следующей за ней ступени. Ступени 22 и 23 перепуска воздуха соединены каналами 24 и 25 соответственно с клапанами перепуска воздуха 16.
На выходе коллекторы 13 и 14 соединены с механизмом переключения отборов воздуха 26, который на выходе соединен с воздушными радиальными каналами 27 во входном корпусе 2 и далее через осевые каналы 28 с воздушными полостями 9 и 10 подшипниковых опор 7 и 8, что позволяет уплотнить масляные полости 29 и 30 опор 7 и 8 соответственно.
Работает данное устройство следующим образом.
При работе газотурбинного двигателя 1 на пониженных режимах масло из масляных полостей 29 и 30 опор 7 и 8 не поступает в газовоздушный тракт 11 двигателя 1, что не приводит к его возгоранию и поломке двигателя 1, так как на этих режимах работы с помощью механизма переключения отборов воздуха 26 воздушные полости 9 и 10 подшипниковых опор 7 и 8 соединяются на входе с кольцевым воздушным коллектором повышенного давления 14. Клапаны перепуска воздуха 16 на этих режимах открыты для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости компрессора 3, а давление воздуха в кольцевом коллекторе повышенного давления 14 при этом является достаточным для уплотнения масляных полостей 29 и 30 опор 7 и 8.
С повышением режима работы двигателя 1 давление и температура воздуха в коллекторе 14 повышается, однако это не приводит к перегреву масла в масляных полостях 29 и 30 опор 7 и 8 с последующим коксованием масла. При повышении режима работы двигателя 1 одновременно с закрытием клапанов перепуска воздуха 16 механизм переключения отборов воздуха 26 закрывает отбор воздуха из коллектора 14 и соединяет воздушный коллектор 13 пониженного давления с воздушными полостями 9 и 10 опор 7 и 8 соответственно. При этом опоры 7 и 8 наддуваются и охлаждаются холодным воздухом из коллектора 13, что обеспечивает повышение надежности двигателя.
Закрытие клапанов перепуска 16 при этом способствует повышению давления в проточной части 12 компрессора 3 в коллекторе 13 пониженного давления соответственно.
1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор с установленными со стороны входа поворотными направляющими аппаратами и с расположенными ниже по потоку клапанами перепуска воздуха, а также с расположенным между ними кольцевым коллектором, соединенным на входе с проточной частью компрессора, а на выходе через радиальные воздушные полости на входе в компрессор с воздушными полостями подшипниковых опор, отличающийся тем, что дополнительно включает механизм переключения отборов воздуха, соединенный на выходе с радиальными воздушными полостями, а на входе с кольцевым воздушным коллектором пониженного давления, расположенным между поворотными направляющими аппаратами и клапанами перепуска воздуха, а также с кольцевым воздушным коллектором повышенного давления, расположенным ниже по потоку клапанов перепуска воздуха, с возможностью переключения отбора воздуха с коллектора повышенного давления на коллектор пониженного давления одновременно с закрытием клапанов перепуска воздуха, причем коллектор пониженного давления соединен с проточной частью через ступень компрессора за последним по потоку поворотным направляющим аппаратом, а коллектор повышенного давления соединен с проточной частью ступени перепуска воздуха, или следующей за ним ступени.
2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что переключение отбора воздуха с коллектора повышенного давления на коллектор пониженного давления осуществляют в зависимости от термогазодинамического параметра газотурбинного двигателя, например, приведенной частоты вращения компрессора
,
где n - частота вращения компрессора;
Твх* - температура воздуха на входе в двигатель.
