Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для запуска газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам запуска авиационных турбореактивных двигателей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является раскрытое в описании патента на способ запуска газотурбинного двигателя устройство для запуска газотурбинного двигателя, содержащее ротор, образованный компрессором, турбиной и валом, соединяющим их, камеру сгорания, вспомогательную силовую установку, трубопровод, соединяющий вспомогательную силовую установку с системой охлаждения турбины, содержащей сопловые лопатки с внутренним трактом, связанным с проточной частью турбины через щели в выходных кромках сопловых лопаток, и рабочее колесо с диском и рабочими лопатками (патент РФ №2241844, МПК F02C 7/26, опубл. 10.12.2004 г.).

В этом случае запуск двигателя осуществляется путем подачи сжатого воздуха из вспомогательной силовой установки в систему охлаждения турбины, а именно в сопловые лопатки и далее через щели выходных кромок последних в проточную часть, где воздух, попадая на рабочие лопатки, создает крутящий момент на рабочем колесе. Недостатком здесь является то, что подача воздуха только через щели выходных кромок сопловых лопаток в проточную часть имеет низкую удельную мощность, что может оказаться недостаточным для надежного запуска, особенно при эксплуатации в различных климатических условиях. Можно увеличить удельную мощность вспомогательной силовой установки за счет увеличения размерности самой установки, но это значительно увеличивает ее габариты и вес, поэтому не всегда такая вспомогательная силовая установка может вписаться в существующую мотогондолу.

Задача изобретения: упрощение и повышение надежности запуска двигателя.

Ожидаемый технический результат: повышение удельной мощности раскрутки ротора при запуске двигателя, а также уменьшение веса конструкции.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что устройство для запуска газотурбинного двигателя, содержащее ротор, образованный компрессором, турбиной и валом, соединяющим их, камеру сгорания, вспомогательную силовую установку, трубопровод, соединяющий вспомогательную силовую установку с системой охлаждения турбины, содержащей сопловые лопатки с внутренним трактом, связанным с проточной частью турбины через щели в выходных кромках сопловых лопаток, и рабочее колесо с диском и рабочими лопатками, по предложению, для газотурбинного двигателя с охлаждаемой турбиной с охлаждаемыми рабочими лопатками, внутренняя полость которых сообщена через щели в выходных кромках с проточной частью турбины, с воздушными каналами, выполненными в рабочем колесе, и аппаратом закрутки статора, оно снабжено установленным на рабочем колесе безлопаточным диффузором, управляющим клапаном, размещенным в трубопроводе, соединяющем вспомогательную силовую установку с системой охлаждения турбины, и воздуховодом, установленным во внутреннем тракте сопловых лопаток турбины, при этом воздуховод сообщен, и с вспомогательной силовой установкой, и с аппаратом закрутки статора, и безлопаточным диффузором, а каналы аппарата закрутки статора направлены в сторону вращения рабочего колеса.

Наличие управляющего клапана, размещенного в трубопроводе, соединяющем вспомогательную силовую установку с системой охлаждения турбины, позволяет управлять расходом воздуха от вспомогательной силовой установки, а именно на режимах запуска открывать подачу сжатого воздуха от вспомогательной силовой установки, а на режимах в области розжига камеры сгорания до режима «малого газа» перекрывать поток воздуха от вспомогательной силовой установки.

Наличие воздуховода, выполненного во внутреннем тракте сопловых лопаток турбины, и сообщение его и с вспомогательной силовой установкой и с аппаратом закрутки статора позволяет подвести воздух высокого давления от вспомогательной силовой установки к рабочим лопаткам турбины.

Направление каналов аппарата закрутки статора в сторону вращения рабочего колеса является необходимым условием, поскольку только в этом случае при запуске поток воздуха, выходящий из каналов аппарата закрутки статора, будет раскручивать ротор.

На фиг. 1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя.

На фиг. 2 показан разрез по каналам аппарата закрутки статора в направлении вращения рабочего колеса.

На фиг. 3 показано направление векторов скорости на режиме запуска.

На фиг. 4 показано сечение профиля рабочей лопатки турбины.

Устройство для запуска газотурбинного двигателя содержит ротор 1, образованный компрессором 2, охлаждаемой турбиной 3 и валом 4, соединяющим их, камеру сгорания 5, вспомогательную силовую установку 6, трубопровод 7, соединяющий вспомогательную силовую установку 6 с системой охлаждения турбины 8, содержащей сопловые лопатки 9 с внутренним трактом 10, связанным с проточной частью турбины 11 через щели в выходных кромках 12 сопловых лопаток 9.

Также устройство для запуска содержит рабочее колесо 13 с диском 14 и охлаждаемыми рабочими лопатками 15, воздушные каналы 16, выполненные в рабочем колесе 13, безлопаточный диффузор 17 и аппарат закрутки статора 18.

Внутренняя полость 19 охлаждаемых рабочих лопаток 15 сообщена через щели в выходных кромках 20 с проточной частью турбины 11.

Управляющий клапан 21 размещен в трубопроводе 7, соединяющем вспомогательную силовую установку 6 с системой охлаждения турбины 8.

Устройство для запуска газотурбинного двигателя снабжено воздуховодом 22, установленным во внутреннем тракте 10 сопловых лопаток турбины 9. При этом воздуховод 22 сообщен и с вспомогательной силовой установкой 6, и с аппаратом закрутки статора 18.

Каналы 23 аппарата закрутки статора 18 направлены в сторону вращения рабочего колеса 13.

Устройство для запуска газотурбинного двигателя работает следующим образом.

Вспомогательная силовая установка 6 подает воздух высокого давления в систему охлаждения турбины 8, а именно через воздуховод 22 во внутреннем тракте 10 сопловых лопаток 9 воздух поступает в аппарат закрутки статора 18. Поскольку двигатель не работает, то в проточной части 11 устанавливается давление, близкое к давлению окружающей среды. Таким образом, на аппарате закрутки статора 18 создается сверхзвуковой перепад, и поток воздуха с абсолютной скоростью C₁ выходит из каналов 23 аппарата закрутки статора 18 и направляется в безлопаточный диффузор 17.

Наличие безлопаточного диффузора 17 позволяет повысить давление потока охлаждающего воздуха, поступающего на вход в воздушные каналы 16 в рабочем колесе 13 турбины 3.

Известно, что полное давление на выходе из аппарата закрутки статора 18:

где

Р₁ - статическое давление на выходе из аппарата закрутки статора 18;

С_1U - окружная составляющая абсолютной скорости потока на выходе из аппарата закрутки статора 18;

ρ - плотность потока.

Полное давление на выходе из безлопаточного диффузора 17:

где

Р₂ - статическое давление на выходе из безлопаточного диффузора 17;

С_2U - окружная составляющая абсолютной скорости потока на выходе из безлопаточного диффузора 17.

Также известно, что минимальные потери на выходе из безлопаточного диффузора 17 будут в случае постоянства циркуляции, т.е. С_2U ⋅ R₂=С_1U⋅R₁, причем C_2U=U₂, где

R₁ - радиус расположения выхода из аппарата закрутки статора 18;

R₂ - радиус расположения выхода безлопаточного диффузора 17;

U₂ - окружная скорость потока на выходе из безлопаточного диффузора 17.

Поэтому радиус выхода потока из безлопаточного диффузора 17 всегда выбирается исходя из этих условий.

Таким образом, поскольку R₂>R₁, то С_2U < С_1U, и при постоянстве полных давлений потока статическое давление на выходе из безлопаточного диффузора 17 должно быть больше статического давления на выходе из аппарата закрутки статора 18: Р₂>Р₁ - в безлопаточном диффузоре 17 происходит повышение статического давления потока, входящего в воздушные каналы 16 в рабочем колесе 13 турбины 3. Это условие справедливо и в случае неподвижного безлопаточного диффузора 17: на запуске или при минимальной скорости диска 14.

Таким образом, поток воздуха выходит из безлопаточного диффузора 17 с более высоким давлением и поступает в воздушные каналы 16 в рабочем колесе 13 турбины. За счет большего давления на выходе из безлопаточного диффузора 17 массовый расход воздуха, поступающего в воздушные каналы 16 в рабочем колесе 13 турбины 3, увеличивается. За счет сил давления увеличенного расхода воздуха на стенки воздушных каналов 16 повышается мощность раскрутки ротора 1.

Далее воздух поступает во внутреннюю полость 19 охлаждаемых рабочих лопаток 15 и через щели в выходных кромках 20 истекает в проточную часть турбины 11, создавая реактивную силу в направлении вращения рабочего колеса 13.

Одновременно с подачей воздуха от вспомогательной силовой установки 6 через аппарат закрутки статора 18 воздух от вспомогательной силовой установки 6 направляется через щели выходных кромок 12 сопловых лопаток 9 турбины 3 в проточную часть 11 и попадает на рабочие лопатки 15 турбины 3, тем самым дополнительно увеличивая мощность раскрутки ротора 1.

Таким образом, потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую энергию. Начинается раскрутка ротора 1. При этом мощность пропорциональна оборотам ротора 1.

По мере дальнейшей раскрутки ротора 1 увеличивается прокачка воздуха через компрессор 2, и воздух с повышенным уровнем давления поступает в камеру сгорания 5 и турбину 3. При достижении определенного уровня давления за компрессором 2 производится розжиг в камере сгорания 5. В результате чего на выходе из камеры сгорания 5 появляется горячий газ, который начинает интенсивно раскручивать турбину 3 и связанный с ней компрессор 2. Также интенсивно нарастает давление и расход воздуха в камере сгорания 5, что приводит к существенному увеличению мощности турбины 3, и двигатель выходит на режим устойчивой работы, называемый «малый газ».

Отключение подвода сжатого воздуха от вспомогательной силовой установки 6 осуществляется управляющим клапаном 21 в диапазоне выше розжига камеры сгорания 5 до области режима «малого газа» включительно.

После того как вспомогательная силовая установка 6 свои функции выполнила, после ее отключения, в аппарат закрутки статора 18 подается воздух, отбираемый из воздушного тракта двигателя. На аппарате закрутки статора 18 реализуется штатный режим, в котором носителем основной мощности является турбина 3.

Реализация данного изобретения позволяет упростить и повысить надежность запуска, а также снизить вес системы запуска двигателя за счет исключения элементов дополнительной механической раскрутки ротора.