Вентиляция и наддув компонентов турбомашины

Двухконтурная турбомашина, по существу, содержит вентилятор, компрессор, камеру сгорания, турбину, выхлопной корпус и вспомогательный воздушный компрессор, приводимый в действие двигателем Стирлинга. Двигатель Стирлинга установлен ниже по потоку от камеры сгорания и имеет горячую камеру в термическом контакте с потоком горячих газов, выходящих из турбины, и холодную камеру в термическом контакте с потоком холодных газов, создаваемым вентилятором и проходящим вокруг турбины и выхлопного корпуса. Изобретение направлено на снижение удельного расхода топлива. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение касается двухконтурных турбомашин, таких как авиационные турбореактивные двигатели.

Как известно, в турбомашине производят отбор энергии для обеспечения работы органов турбомашины. Например, этот отбор энергии предусмотрен для приведения в действие топливного насоса, питания исполнительных устройств и вычислительных устройств или для наддува в масляных камерах. В случае авиационного турбореактивного двигателя обычно предусматривают дополнительный отбор энергии, например, для подачи электричества в бортовую сеть, питания исполнительных устройств самолета, таких как рули, или для наддува кабины самолета.

В основном этот отбор энергии состоит в отборе воздуха из воздушного потока, циркулирующего в компрессоре высокого давления турбомашины, или в механическом отборе на роторе высокого давления этой турбомашины.

Однако этот отбор требует дополнительной работы со стороны компрессора турбомашины, что приводит к повышению удельного расхода топлива.

Настоящее изобретение призвано предложить простое, экономичное и эффективное решение этой проблемы, позволяющее снизить удельный расход топлива турбомашин, и его объектом является турбомашина, оборудованная источником энергии, позволяющим, по меньшей мере, частично избежать вышеуказанных видов отбора.

Документы DE-A1-3234679 и DE-A1-3031872 описывают двигатели Стирлинга.

В этой связи изобретением предлагается двухконтурная турбомашина, по существу, содержащая вентилятор, компрессор, камеру сгорания, турбину и выхлопной корпус, отличающаяся тем, что содержит вспомогательный воздушный компрессор, приводимый в действие двигателем Стирлинга, установленным ниже по потоку от камеры сгорания и имеющим горячую камеру в термическом контакте с потоком горячих газов, выходящих из турбины, и холодную камеру в термическом контакте с потоком холодных газов, создаваемым вентилятором и проходящим вокруг турбины и выхлопного корпуса.

Тепловой двигатель с циклом Стирлинга, обычно называемый «двигателем Стирлинга», позволяет использовать разность температуры между потоком горячих газов или первичным потоком, выходящим из турбины, и потоком холодных газов или вторичным потоком, создаваемым вентилятором, для производства механической энергии. Этот тип двигателя отличается очень хорошим КПД порядка 40%, а также высокой надежностью и большим сроком службы.

Теоретический цикл работы такого двигателя содержит четыре последовательные фазы: фазу изохорного нагревания с последующей фазой изотермического расширения рабочей текучей среды в горячей камере, затем фазу изохорного охлаждения с последующей фазой изотермического сжатия рабочей текучей среды в холодной камере.

Механическая энергия, создаваемая двигателем Стирлинга, служит для приведения в действие вспомогательного воздушного компрессора, предназначенного для подачи воздуха под давлением в компоненты турбомашины, чтобы сократить потребность в отборе воздуха из воздушного потока, циркулирующего в компрессоре высокого давления этой турбомашины.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения двигатель Стирлинга закреплен на корпусе турбины или на выхлопном корпусе, что позволяет использовать значительное свободное пространство между проточными трактами первичного и вторичного потоков для размещения двигателя Стирлинга и вспомогательного компрессора. Эта зона является тем более предпочтительной, поскольку температурный перепад между первичным потоком горячих газов и вторичным потоком холодных газов составляет в ней примерно 450 градусов при нормальном рабочем режиме, что представляет собой достаточный температурный градиент для обеспечения нормальной работы двигателя Стирлинга.

Согласно другому отличительному признаку изобретения, двигатель Стирлинга содержит теплообменник, расположенный в потоке холодных газов, и теплообменник, расположенный в потоке горячих газов, при этом упомянутые теплообменники предпочтительно содержат внутренние и/или наружные ребра.

Эти теплообменники позволяют максимально увеличить тепловые обмены между потоком холодных газов, соответственно потоком горячих газов, и рабочей текучей средой, содержащейся в двигателе Стирлинга, для оптимизации характеристик последнего.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения выход вспомогательного воздушного компрессора соединен со средствами вентиляции или наддува компонента турбомашины при помощи трубопровода, оборудованного управляемым или автономным двухпозиционным вентилем, соединяющим средства вентиляции или наддува компонента либо с выходом вспомогательного компрессора, либо со средствами отбора воздуха на компрессоре турбомашины.

Таким образом, когда турбомашина работает на низком режиме, температурный градиент между горячими газами и холодными газами является недостаточным для обеспечения нормальной работы двигателя Стирлинга, и охлаждение или наддув компонента турбомашины обеспечивается классически за счет отбора из воздушного потока компрессора турбомашины. И только когда режим достигает достаточного уровня для обеспечения нормальной работы двигателя Стирлинга, управляемый вентиль переключается в положение соединения средств вентиляции или наддува с выходом вспомогательного компрессора.

Предпочтительно вентиль управляется электронным блоком управления, например, на основании измерения температуры газов, проходящих через турбину.

В варианте, вентиль является автономным клапаном, калиброванным по уровню давления, требуемому для вентиляции и наддува компонентов газотурбинного двигателя.

Настоящее изобретение, его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе турбомашины в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - схематичный увеличенный вид в осевом разрезе турбомашины, показанной на фиг.1.

На фиг.1 показан двухконтурный турбореактивный двигатель 10, содержащий гондолу 12, в которой находится крыльчатка 14 вентилятора, установленная на входе корпуса 16 двигателя, по существу, содержащего, от входа к выходу, компрессор 20, камеру 21 сгорания, турбину 22, выхлопной корпус 24 и реактивное сопло 26.

Крыльчатка 14 вентилятора приводится во вращение турбиной 22 турбореактивного двигателя, что хорошо известно специалистам. Во время работы двигателя вентилятор 14 создает вторичный воздушный поток А, который проходит в заднюю часть вокруг турбореактивного двигателя в канале 18 вентилятора и который обеспечивает создание части тяги двигателя. Часть воздуха, входящая в двигатель, образует первичный поток В, который питает входной компрессор 20 турбореактивного двигателя, затем смешивается с топливом в камере 21 сгорания. Газообразные продукты сгорания, выходящие из камеры сгорания, приводят в действие турбину 22, затем выбрасываются между двух коаксиальных стенок 32, 34 выхлопного корпуса 24 и выходят из турбореактивного двигателя, проходя вдоль реактивного сопла 26.

Канал 18 вентилятора образован двумя по существу цилиндрическими коаксиальными стенками, соответственно внутренней 28 и наружной 30. Внутреннюю стенку 28 канала вентилятора обычно называют I.F.D. (Inner Fun Duct), а наружную стенку 30 обычно называют O.F.D. (Outer Fun Duct), и она окружена гондолой 12.

Обе коаксиальные стенки, соответственно внутренняя 32 и наружная 34, выхлопного корпуса 24 соединены конструктивными радиальными стойками 36.

Каждая радиальная стойка 36 выхлопного корпуса 24 соединяет коаксиальные стенки 32, 34 этого корпуса с цилиндрическими стенками 28, 30 канала 18 вентилятора таким образом, что часть 40 стойки 36 преграждает первичный поток В, тогда как другая часть 42 этой стойки преграждает вторичный поток А.

Радиальная стойка 36, показанная в верхней половине фиг.1, содержит двигатель с циклом Стирлинга типа Бета. Этот двигатель классически содержит горячую камеру и холодную камеру, соединенные между собой для циркуляции рабочей текучей среды, содержащейся в камерах и перемещающейся из одной камеры в другую движением перемещающего поршня.

Горячая камера расположена в части 40 стойки 36, которая преграждает первичный поток В горячего воздуха, тогда как холодная камера расположена в части 42 стойки 36, которая преграждает вторичный поток А холодного воздуха.

Предпочтительно на наружной и/или внутренней поверхности радиальных стоек 36 на уровне частей 40 и 42 этих стоек выполнены ребра 38 для оптимизации тепловых обменов между потоком В горячего воздуха и рабочей текучей средой, содержащейся в горячей камере, расположенной в части 40 радиальной стойки, с одной стороны, и потоком А холодного воздуха и рабочей текучей средой, содержащейся в холодной камере, расположенной в части 42 этой стойки.

Во время циркуляции в холодной и горячей камерах рабочая текучая среда описывает термодинамический цикл Стирлинга, состоящий из четырех последовательных фаз, во время которых она поочередно охлаждается, сжимается, нагревается, затем расширяется, приводя в поступательное движение рабочий поршень.

Перемещающий и рабочий поршни установлены в рабочей камере, соединенной с горячей и холодной камерами и расположенной в пространстве 44, часто называемом «межтрактовым», заключенном между проточными трактами первичного В и вторичного А потоков, то есть между наружной стенкой 34 выхлопного корпуса и внутренней стенкой 28, ограничивающей канал вентилятора, таким образом, что эта рабочая камера не находится в термическом контакте с первичным и вторичным потоками. Рабочая камера может быть также закреплена на радиально внутренней стороне внутренней стенки 32 выхлопного корпуса, при условии, что тепловые обмены с первичным потоком, находящимся в контакте с этой стенкой 32, ограничены средством тепловой изоляции.

Рабочий поршень двигателя Стирлинга образует или приводит в действие подвижный орган вспомогательного воздушного компрессора, расположенного в межтрактовом пространстве 44 и предназначенного для питания воздухом под давлением компонентов турбомашины, например, для обеспечения их вентиляции или наддува.

На фиг.2 схематично показано соединение воздушного выхода вспомогательного компрессора 48 с входом контура распределения сжатого воздуха (не показан) на компоненты турбомашины.

Отбор 50, 52 из воздушного потока, проходящего в компрессоре 20 высокого давления турбомашины, выполнены для обеспечения питания контура распределения сжатого воздуха во время фаз работы турбореактивного двигателя, при которых температурный перепад между холодными газами вторичного потока А и горячими газами первичного потока В является слишком незначительным, чтобы позволить двигателю 53 Стирлинга подавать достаточную механическую мощность для приведения в действие вспомогательного компрессора 48.

Двухпозиционный вентиль 54 позволяет поочередно соединять вход контура распределения воздуха с отбором 50 на четвертой ступени компрессора 20 высокого давления во время фаз запуска турбореактивного двигателя и с отбором 52 на девятой ступени компрессора 20 высокого давления в крейсерском режиме, пока температурный перепад между первичным и вторичным потоками остается недостаточным для обеспечения приведения в действие вспомогательного компрессора 48 двигателем Стирлинга или в случае неисправности двигателя Стирлинга или вспомогательного компрессора.

Двухпозиционный вентиль 56 позволяет соединять попеременно вход контура распределения воздуха с вентилем 54, когда турбореактивный двигатель находится в одной из вышеуказанных ситуаций работы, и со вспомогательным компрессором 48, когда температурный перепад между первичным и вторичным потоками достигает порогового значения, позволяющего двигателю Стирлинга эффективно приводить в действие вспомогательный компрессор 48.

Вентили 54 и 56 управляются электронным блоком управления типа FADEC на основании измерений температуры горячих и холодных газов, проходящих в турбомашине вблизи двигателя Стирлинга.

В альтернативном варианте вентили могут управляться на основании измерения давления воздуха, подаваемого от отбора 50, 52 и вспомогательным компрессором 48.

Вентили могут быть также автономными и калиброванными по уровням давления, необходимым для питания контура подачи сжатого воздуха.

Этот контур подачи воздуха обеспечивает, например, наддув в капотах камер опорных подшипников турбомашины, вентиляцию первой ступени направляющего соплового аппарата турбины низкого давления, вентиляцию венцов дисков турбины низкого давления и продувание полости, находящейся ниже по потоку от диска турбины высокого давления.

Для этого вспомогательный компрессор 48 выдает воздух с расходом примерно 1,5 кг/с при относительном давлении порядка 0,3 бар при номинальном рабочем режиме. Этот компрессор выполнен в виде цилиндра диаметром примерно 100 мм при приблизительной длине в 120 мм.

Приведение в действие этого компрессора требует механической мощности примерно 10 кВт, обеспечиваемой двигателем Стирлинга, который в основном выполнен в виде цилиндра диаметром примерно 100 мм при приблизительной длине в 200 мм.

В целом изобретение позволяет ограничить отбор из воздушного потока, используемого для создания тяги и проходящего через компрессор турбореактивного двигателя, за счет вспомогательного компрессора, приводимого в действие двигателем Стирлинга, выполненным с возможностью преобразования тепловой энергии, содержащейся в первичном потоке горячих газов, поступающих из камеры сгорания турбореактивного двигателя, в механическую энергию.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается применением для авиационных турбореактивных двигателей и может применяться для любого типа двухконтурной турбомашины.

1. Двухконтурная турбомашина, по существу, содержащая вентилятор, компрессор, камеру сгорания, турбину и выхлопной корпус, отличающаяся тем, что содержит вспомогательный воздушный компрессор, приводимый в действие двигателем Стирлинга, установленным ниже по потоку от камеры сгорания и имеющим горячую камеру в термическом контакте с потоком горячих газов, выходящих из турбины, и холодную камеру в термическом контакте с потоком холодных газов, создаваемым вентилятором и проходящим вокруг турбины и выхлопного корпуса.

2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что двигатель Стирлинга закреплен на корпусе турбины или на выхлопном корпусе.

3. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что двигатель Стирлинга содержит теплообменник, расположенный в потоке холодных газов, и теплообменник, расположенный в потоке горячих газов.

4. Турбомашина по п.3, отличающаяся тем, что теплообменники содержат внутренние и/или наружные ребра.

5. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что выход вспомогательного воздушного компрессора соединен со средствами вентиляции или наддува компонента турбомашины при помощи трубопровода, оборудованного управляемым или автономным двухпозиционным вентилем, соединяющим средства вентиляции или наддува компонента либо с выходом вспомогательного компрессора, либо со средствами отбора воздуха на компрессоре турбомашины.

6. Турбомашина по п.5, отличающаяся тем, что вентиль управляется температурой газов, проходящих в турбине.

7. Турбомашина (10) по п.5, отличающаяся тем, что вентиль управляется электронным блоком управления.

8. Турбомашина по п.5, отличающаяся тем, что вентиль является автономным клапаном, калиброванным по уровню давления, требуемому для вентиляции и наддува турбомашины.