Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ВАЛА СВОБОДНОЙ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к малогабаритным микрогазотурбинным двигателям наземного применения, выполненным на основе турбокомпрессора от ДВС, и позволяет упростить конструкцию охлаждения вала свободной турбины.

Свободная турбина состоит из направляющего аппарата, турбины с лопатками, расположенными на конце вала, установленного на подшипниках в корпусе, подводящим и отводящим воздуховодами.

Известен способ охлаждения вала, где в турбокомпрессоре газотурбинного двигателя с расположенной под камерой сгорания задней опорой согласно изобретению в валу турбокомпрессора и в примыкающих к валу деталях: лабиринтах и фланцах, выполнены перед подшипником отверстия забора, а за подшипником отверстия выпуска охлаждающего воздуха, при этом отверстия забора связаны с отверстиями выпуска через перепускные отверстия (патент RU №2300003 от 27.05.2007 г.). Перед отверстиями выпуска охлаждающего воздуха за подшипником на валу турбокомпрессора выполнен бурт с уменьшенным кольцевым зазором между валами. Отверстия забора воздуха наклонены навстречу потоку, направленному в сторону турбины, а отверстия выпуска - по потоку.

Недостатком известной конструкции является низкая надежность и экономичность двигателя из-за наличия отверстий выпуска воздуха через вал (концентраторы напряжений).

Известен способ охлаждения вала, где турбокомпрессор газотурбинного двигателя, состоящий из компрессора, турбины с расположенной между ними задней опорой с подшипником, установленной под камерой сгорания (патент RU №2369759 от 10.10.2009 г.). Вокруг масляной полости расположена первая полость охлаждения. Над полостью между внутренним и наружным фланцами расположена вторая полость охлаждения. Между первой и второй полостями находится полость сброса. Между второй и полостью сброса обечайками образована третья полость охлаждения, соединенная с полостью каналами охлаждения во внутреннем фланце над внутренним лабиринтом. Снаружи второй полости образована обечайками четвертая полость охлаждения. В наружном фланце над наружным лабиринтом выполнены каналы охлаждения. Вокруг масляных труб организованы полости охлаждения. Путем охлаждения фланцев уменьшаются зазоры в лабиринтных уплотнениях, что повышает надежность и экономичность двигателя.

Недостатком известной конструкции является наличие большого количество деталей, что приводит к усложнению конструкции и снижению ее надежности.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности, является турбокомпрессор, в котором охлаждение валов ротора и внутренних обойм подшипников осуществляется холодным воздухом, проходящим внутри валов турбокомпрессора (патент US 6050079 A от 18.04.2000 г.). Охлаждение фланцев опор и наддув масляных полостей опор турбокомпрессора, расположенных под камерой сгорания, осуществляется воздухом с подводом его через стоики камеры сгорания.

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является наличие сложной двухсторонней подачи воздуха на охлаждение опор турбокомпрессора, расположенных под камерой сгорания.

Задачей предлагаемого изобретения является понижение температуры вала свободной турбины для обеспечения необходимого температурного режима подшипников качения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство охлаждения вала свободной турбины газотурбинной установки, включающее турбину с валом, содержит направляющий аппарат, при этом в корпусе между направляющим аппаратом и первым подшипником выполнены два диаметрально расположенных отверстия с воздуховодами, причем по одному из воздуховодов подается холодный воздух к валу турбины, а по другому воздуховоду отводится нагретый валом воздух, при этом в районе отверстий с воздуховодами вал имеет не проходящие через центр вращения вала поперечные отверстия, расположенные на разных поперечных сечениях вала и имеющие равное угловое смещение, поперечные отверстия выполнены с возможностью захватывания при вращении вала холодного воздуха и пропускания его через тело вала, тем самым охлаждая последний, в районе подвода воздуха вал имеет увеличенный диаметр, площадь поперечного сечения которого больше на величину площади продольного сечения поперечного отверстия в этом сечении.

Сущность технического решения заключается в том, что газовая струя с температурой 400-450°C, приводящая во вращение турбину, нагревает направляющий аппарат, турбину и вал, на котором находятся подшипники качения, внутренние обоймы которых нагреваются, что приводит к снижению ресурса работы подшипников. Подшипники находятся в корпусе, который прикреплен к направляющему аппарату через термоизолирующие прокладки. Температура от горячей турбины через вал передается на внутреннюю обойму подшипников. Согласно изобретению в корпусе между направляющим аппаратом и первым подшипником устраиваются два диаметрально расположенных отверстия с подводящим и отводящим воздуховодами, по которым подается холодный воздух к валу турбины, где в районе этих отверстий вал имеет увеличенный диаметр с отверстиями, не проходящими через центр вращения вала и расположенными на разных поперечных сечениях вала, имеющих равное угловое смещение и которые при вращении вала захватывают холодный воздух, пропуская его через тело вала, тем самым охлаждая его.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлена общая схема свободной турбины газотурбинного устройства; на фиг. 2 представлена схема вала свободной турбины с навесным оборудованием.

Свободная турбина газотурбинной установки содержит направляющий аппарат 1, прикрепленный через термоизолирующую прокладку 2 к корпусу 3, в котором через первый подшипник качения 4 и второй подшипник качения 5 установлен вал 6. Вал 6 с турбиной 7, первым подшипником 4 и вторым подшипником 5, между которыми установлена распорная втулка 8, закреплен гайкой 9. Проникновению горячих газов 10 во внутреннюю полость корпуса 11 препятствует защитная пластина 12. В корпусе турбины 3 имеется подводящий холодный воздух воздуховод 13 и отводящий нагретый валом воздух воздуховод 14. В районе подвода воздуха вал имеет увеличенный диаметр на величину компенсации потерь прочности вала из-за просверленных поперечных отверстий 15.

При работе двигателя холодный атмосферный воздух поступает во внутреннюю полость корпуса 11, где, попадая в отверстия 15, расположенные на вращающимся валу 6, охлаждает его и выходит в компрессор газотурбинного двигателя. Отверстия 15 расположены на разных поперечных сечениях вала 6 в непосредственной близости друг от друга, не проходят через центр вращения вала и имеют равное угловое смещение. Количество и диаметр отверстий регулируется необходимым уровнем снижения температуры.