Газотурбинный двигатель
Газотурбинный двигатель содержит компрессор и турбину. Компрессор имеет несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие лопатки. Турбина содержит корпус и как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом. Двигатель содержит средство регулирования радиальных зазоров, по меньшей мере, одной ступени компрессора и/или турбины. Средство регулирования радиального зазора выполнено в виде кольцевой вставки из полупроводникового материала в корпусе компрессора и/или турбины, установленной над соответствующими рабочими лопатками как минимум одной ступени. Средство регулирования также содержит сердечники из магнитопроводного материала с обмотками, установленные радиально на наружной поверхности корпуса по обе стороны рабочих лопаток соответствующей ступени с равномерным шагом. Достигается эффективное регулирование радиальных зазоров, повышение тяги двигателя на взлетном и форсажном режиме, повышение КПД и надежности двигателя. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным газотурбинным двигателям ГТД и может найти применение в авиастроении, судостроении, на газоперекачивающих станциях и для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.
Известен газотрубинный двигатель по патенту на изобретение №2435039 МПК F01D 11/24 убл 27.04.08 г. Это изобретение относится к области регулирования зазора между вершинами подвижных лопаток и стационарным кольцевым узлом в газовой турбине. Корпус турбины включает радиальную стенку и содержит со стороны своей внутренней поверхности опору для крепления кольца, окружающего подвижные лопатки турбины. Опора содержит периферийную стенку, окружающую кольцо соосно с ним. Корпус включает в себя множество перфораций, обеспечивающих подачу воздуха для равномерной вентиляции наружной поверхности периферийной стенки. Перфорации образованы через радиальную стенку корпуса, проходящую радиально внутрь. Стенка по существу охватывает вентиляционную камеру, которая также образована внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью периферийной стенки опоры. Вентиляционная камера включает в себя небольшое отверстие между радиальным ребром опоры и внутренней поверхностью радиальной стенки для выпуска воздуха из камеры. Другие изобретения группы относятся к турбине, содержащей указанный выше корпус, и турбомашине, включающей такую турбину. Изобретения позволяют повысить равномерность температурного поля опоры крепления кольца, окружающего подвижные лопатки турбины.
Недостатки-конструктивная сложность и невозможность регулирования радиального зазора на всех режимах работы двигателя.
Известен газотрубинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2235908 МПК F04C 18/00, опубл. 10.09.04 г. Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и надежности компрессора за счет использования системы перепуска воздуха для регулирования радиальными зазорами между статором и ротором. Сущность изобретения заключается в том, что в компрессоре газотурбинного двигателя с клапанами перепуска воздуха, включающем наружный корпус и внутренний корпус с отверстиями перепуска воздуха из последовательно расположенных направляющих аппаратов и фланцы, разделяющие воздушную полость между наружным и внутренним корпусами, при этом средний фланец установлен телескопически относительно внутреннего корпуса и выполнен с зигзагообразной радиальной стенкой, согласно изобретению, зигзагообразная радиальная стенка последовательно отделяет отверстия с клапанами перепуска друг от друга в наружном корпусе, причем h/d=0,5…2; h1/d1=1…2,5; F/Fотв=1,1…2; F1/Fотв1=1,1…2, где h - минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и внутренним корпусом; h1 - минимальная высота воздушной полости между средним фланцем и наружным корпусом; d - диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе в первом по потоку воздуха направляющем аппарате; d1 - диаметр отверстий перепуска воздуха во внутреннем корпусе во втором по потоку воздуха направляющем аппарате; отв - суммарная площадь отверстий диаметром d; Fотв1 - суммарная площадь отверстий диаметром d1; F - суммарная площадь клапанов перепуска воздуха первого по потоку направляющего аппарата; F1 - суммарная площадь клапанов перепуска воздуха второго по потоку направляющего аппарата. Недостаток- конструктивная сложность.
Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2304221 МПК F01D 11/14, опубл. 10.08.07 г, прототип. Этот ГТД содержит компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие кола, и турбину, содержащую корпус и, как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины
Недостатки - низкая эффективность регулирования радиального зазора, особенно на переходных режимах, при форсировании или дроссилировании двигателя, конструктивная сложность устройства регулирования радиального зазора.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие лопатки, турбину, содержащую корпус и, как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины, тем, что согласно изобретению средство регулирования радиального зазора выполнено в виде кольцевой вставки в корпусе компрессора и/или турбины, установленное над соответствующими рабочими лопатками, как минимум одной ступени и магнитопроводы с обмотками, установленные радиально на наружной поверхности по обе стороны рабочих лопаток соответствующей ступени. На входе в газотурбинный двигатель установлен электрогенератор, обмотки возбуждения соединены между собой электрическими проводами, а электрогенератор силовым кабелем через регулятор тока соединен с электрогенератором. Компрессор и/или турбина оборудована датчиками измерения радиальных зазоров. Газотурбинный двигатель может быть оборудован компьютером, с которым электрическими связями соединены регулятор тока и датчики измерения радиальных зазоров.
Сущность изобретения представлена на чертежах (фиг.1-10), где:
- на фиг.1 представлена схема газотурбинного двигателя,
- на фиг.2 представлена схема регулирования радиальных зазоров в компрессоре ГТД,
- на фиг.3 представлена схема регулирования радиальных зазоров в турбине ГТД,
- на фиг.4 представлен вид по А первого варианта исполнения,
- на фиг.5 представлен вид по Б второго варианта исполнения,
- на фиг.6 представлен вид газотурбинного двигателя с бортовым компьютером,
- на фиг.7 представлено диаграмма изменения радиальных зазоров,
- на фиг.8 представлена вставка с мягким покрытием,
- на фиг.9 представлена вставка с сотовым уплотнением,
- на фиг, 10 представлена конструкция сотового уплотнения из отдельных модулей, вид В.
Конструкция газотурбинного двигателя представленная на чертежах фиг 1-10. Газотурбинный двигатель (ГТД) содержит входное устройство 1, с входным обтекателем 2, компрессор 3, камеру сгорания 4, турбину 5, выхлопное устройство 6, выходной обтекатель 7, валы 8 и 9, опоры 10 и 11.
Компрессор 3 содержит корпус 12, по меньшей мере, одну ступень 13, которая в свою очередь, направляющий аппарат 14 и рабочие лопатки 15 и диски 16.
Турбина 5 также содержит корпус 17, по меньшей мере, одну ступень 18. На фиг.1 приведена турбина 5 с тремя ступенями 18, каждая из которых, в свою очередь, содержит сопловой аппарат 19 и рабочие лопатки 20 и диски 21.
Кроме того, компрессор 3 и/или/ турбина 5 содержит средства регулирования радиального зазора 22. Средства регулирования радиального зазора 22 для компрессора 3 и турбины 5 выполнены одинаковыми по конструкции (фиг 2 и 3).
Средства регулирования радиального зазора 22 для компрессора 3 (фиг.2) содержит кольцевую вставку 23 из полупроводникового материала, установленную внутри корпуса 12 над рабочими лопатками 15 и сердечники 24 из магнита проводного материала с обмотками 25, установленные по обе стороны от кольцевой вставки 23 по окружности корпуса 12 с равномерным шагом..
Средства регулирования радиального зазора 22 для турбины 5 (фиг.3) содержит установленную кольцевую вставку 26 из полупроводникового материала, установленную внутри корпуса 17 над рабочими лопатками 20 и сердечники из магнитопроводного материала 27 с обмотками 28, установленные по обе стороны от кольцевой вставки 2 6 тоже с равномерным шагом.
Средства регулирования радиального зазора 22 могут быть установлены и на компрессоре 3 и на турбине 5 одновременно. При этом возможны различные варианты исполнения сердечников 24 и 27, например круглые в поперечном сечении (фиг.4) или прямоугольные (фиг.5). Соответственно различной формы могут быть обмотки 25 и 28 (фиг.4 и 5).
Обмотки 25 и 28 соединены между собой электрическими проводами 29. к обмоткам 25 и 28 подключен электрический кабель 30, другой конец которого соединен с источником электроэнергии. В качестве источника электроэнергии может быть применен электрогенератор 31, вал которого 32 соединен с валом 8 газотурбинного двигателя.
Электрогенератор 31 может быть соединен с обмотками 25 и 28 через регулятор тока 33 (фиг.5). Кроме того, газотурбинный двигатель может иметь бортовой компьютер 34 и датчики измерения радиальных зазоров 35. С бортовым компьютером 34 соединены электрическими связями 36 регулятор тока 33 и датчики измерения радиальных зазоров 35.
На фиг.7 показано изменение радиальных зазоров 37 в ГТД на режиме форсирования без средства регулирования радиального зазора 22 и при наличии такового - 38. Сравнение показывает, что радиальный зазор 38 всегда меньше чем радиальный зазор 37 и почти постоянный независимо от режима работы ГТД.
Возможно нанесение на внутренней поверхности вставок 23 и 36 мягкого покрытия 39 (фиг.8) или сотового уплотнения 40 (фиг.9). Возможно выполнение сотового уплотнения 40 из отдельных модулей 41 (фиг.10). Применение мягкого покрытия 39 и сотового уплотнения 41 возможно как в компрессоре 3, так и в турбине 5.
Работа ГТД осуществляется следующим образом.
При резком изменении режима работы газотурбинного двигателя, например, при его форсировании, температура продуктов сгорания перед турбиной 5 возрастает, частота вращения валов 8 и 9 ГТД также возрастает, степень сжатия воздуха в компрессоре 3 увеличивается, температура воздуха в компрессоре 3 увеличивается. При отсутствии средства регулирования радиального зазора 22, радиальные зазоры δ изменялись бы как это указано линией позиция 37 на фиг.7, т.е. зазоры бы увеличивались за счет того что корпуса компрессора 3 и турбины 5 прогревались бы быстрее, чем диски компрессора 3 и турбины 5, соответственно 16 и 21.
В предложенной схеме магнитное поле пронизывающее кольцевые вставки 23 и 26 из полупроводникового материала, уменьшают теплопроводность этих вставок, тем самым уменьшают прогрев корпусов компрессора 3 и/или турбины 5. Теплопроводность вставок 23 и 26 уменьшается за счет поперечного термомагнитного эффекта Маджи-Риги-Ледюка (смотри А.М. Прохоров, Физический энциклопедический словарь, М., изд. Советская энциклопедия, с.388). Применение вставок 23 и 26 из полупроводникового материала усиливает этот эффект. Возможно создание ГТД, в котором радиальные зазоры не изменяются по режимам его работы.
Применение изобретения позволило:
1. Обеспечить эффективное регулирование радиальных зазоров как в компрессоре, так и в турбине газотурбинного двигателя на всех режимах, особенно на режимах форсирования тяги.
2. Обеспечить увеличение взлетной тяги и тяги двигателя на форсажных режимах.
3. Обеспечить взлет самолета с двигателями оборудованными такими системами регулирования радиального зазора без предварительного прогрева ГТД или значительно уменьшить время прогрева ГТД.
4. Практически мгновенно переводить режим работы ГТД с крейсерского на форсажный режим.
1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, имеющий несколько осевых ступеней, содержащих корпус, направляющие аппараты и рабочие лопатки, и турбину, содержащую корпус и как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, а также средство регулирования радиальных зазоров, по меньшей мере одной ступени компрессора и/или турбины, отличающийся тем, что средство регулирования радиального зазора выполнено в виде кольцевой вставки из полупроводникового материала в корпусе компрессора и/или турбины, установленной над соответствующими рабочими лопатками, как минимум одной ступени, и сердечников из магнитопроводного материала с обмотками, установленных радиально на наружной поверхности корпуса по обе стороны рабочих лопаток соответствующей ступени с равномерным шагом.
2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на входе в газотурбинный двигатель установлен электрогенератор, обмотки возбуждения соединены между собой электрическими проводами, а электрогенератор силовым кабелем через регулятор тока соединен с электрогенератором.
3. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что компрессор и/или турбина оборудована датчиками измерения радиальных зазоров.
4. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что двигатель оборудован компьютером, с которым электрическими связями соединены регулятор тока и датчики измерения радиальных зазоров.
