УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ МАСЛА И ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
OIL DISCHARGE DEVICE FOR AND TURBOMACHINE CONTAINING SUCH A DEVICE

Настоящее изобретение относится к области авиации и, в частности, к устройству для выведения утечек масла из масляной коробки, расположенной в выходной части двигателя газотурбины.
В двигателях газовой турбины подшипники, смазываемые и охлаждаемые маслом, расположены в коробках, функция которых помешать маслу вытекать из двигателя. Утечки масла, тем не менее, случаются часто на низких оборотах в результате низкой герметизации выводов масляной коробки. Утечка масла также может произойти в случае затопления коробки (например, в результате перекрытия линии рекуперации масла, поломки насоса рекуперации масла и т.д.).
Для выведения масла при такой утечке известно использование средств для выведения масла, выполненных для выведения, по меньшей мере, части масла, содержащегося в масляной коробке, из двигателя, когда уровень указанной коробки превышает пороговый уровень. Для упрощения выведения масла, когда это разрешено, предусмотрены средства захвата масла, чтобы позволить прохождение потока воздуха, течение которого вызывает вывод масла наружу, например, посредством просверливания отверстий в обечайке ротора или затоплением маслосборника («sump flooding»).
Эти средства захвата могут представлять собой тип «просверливание отверстий в обечайке ротора». Они позволяют, при утечке, направить масляный воздух до внутренней обечайки турбины. Этот масляный воздух выталкивается центробежными силами непосредственно в первичный поток. Из этого следует необходимость установки частного наблюдения (зонды превышения температуры) в этих зонах, чтобы предупредить риск воспламенения масла, если стенки вблизи утечки масла (в частности, обечайки турбины) могут вызвать самовозгорание.
Для исключения этого недостатка из патента FR 2926738 компании СНЕКМА известна система затопления коробки (называемая «sump flooding»), которая заключается в оборудовании средств захвата закрывающим кожухом, вентилируемым и имеющим одно или несколько каналов, предназначенных выводить воздух (или масляный воздух в случае утечки масла) в хвостовой конус из листового железа (называемый «plug»), а затем к окружающей среде через канал указанного plug. Таким образом, масляный воздух, выведенный из компрессора, напрямую направляется наружу от двигателя.
Тем не менее, упомянутый предыдущий уровень техники имеет неудобство, связанное с необходимостью использования значительной дополнительной массы из-за факта наличия закрывающего кожуха и разных каналов. Кроме этого, воздух, предназначенный для вентилирования закрывающего кожуха, работает в турбине на всех фазах полета, что способствует низкой эффективности двигателя.
Задачей изобретения является устранение этих недостатков и разработка устройства для выведения утечек масла с обтекателем, который является более легким и который позволяет выведение масла так, чтобы поток воздуха, необходимый для выведения, не был бы непосредственно потерян, оказывая при этом минимальное неблагоприятное влияние в смысле массы и характеристик двигателя, чем в системе, называемой затоплением маслосборника («sump flooding»).
В настоящем изобретении также предлагается устройство для выведения утечек масла, которое в условиях функционирования не имеет требований вентиляции, связанных с риском огня (условий, благоприятных для возникновения огня, вызываемого маслом).
Для этого согласно настоящему изобретению устройство для выведения масла, определенное выше, масляная коробка, расположенная в выходной части двигателя газовой турбины, причем это устройство включает в себя:
- средства выведения масла, выполненные так, чтобы позволить вывести наружу из двигателя, по меньшей мере, одну часть масла, содержащуюся в коробке, когда уровень в указанной коробке превышает пороговый уровень, и
- средства захвата масла, способные пропускать поток воздуха, течение которого участвует в захвате масла для его выведения наружу из указанного двигателя,
и замечательно тем фактом, что средства захвата содержат:
- вентиляционный канал, выполненный в выходной части указанного двигателя так, что масло проходит через этот канал, и
- направляющий элемент, выполненный так, чтобы масло, после прохождения через указанный вентиляционный канал, направлялось в выходную зону очистки турбины низкого давления.
Понятно, что выведение масла из двигателя обеспечивается не только указанными средствами захвата, но также действием силы тяжести и центробежных сил соответственно на стенках статора и ротора.
Таким образом, благодаря настоящему изобретению воздух, который используется для захвата масла в случае утечки из коробки из двигателя, непосредственно не теряется, так как он выполняет двойную функцию. В действительности помимо захвата воздуха поток воздуха направляется в выходную зону очистки турбины низкого давления. Там на этот поток действует избыточное давление, которое препятствует воздуху, поступающему из первичного потока двигателя, вновь быть введенным на уровне связи диск-лопатки колеса турбины, подвергая риску разрыва этой связи и освобождению лопаток. Таким образом, первоначально предусмотренный объем для очистки может быть ограничен с добавлением в него этого потока воздуха, вследствие чего отбор на компрессор может быть ограничен и эффективность двигателя увеличена.
Кроме этого, также благодаря настоящему изобретению захват масла за пределы двигателя в большей части осуществляется через продуманно расположенный вентиляционный канал и направляющий элемент. Масса двигателя, оборудованного в соответствии с настоящим изобретением, таким образом, увеличена направляющим элементом, при этом материал, из которого образован вентиляционный канал, а также трубки, связывающие полость под обтекателем и хвостовым конусом из листового железа, наоборот извлечен, что в целом облегчает двигатель.
Более того, настоящее изобретение также позволяет удалить избыточное масло, так как оно вытекает под силой действия тяжести и под действием потока воздуха в направлении нижней точки двигателя и, таким образом, до зоны очистки турбины низкого давления, где оно выводится в заднюю часть двигателя, избегая попадания масла в полость, где аэротермическая среда благоприятна для возникновения воспламенения масла и его распространения. Ни одна система определения возгорания не устанавливается (в противоположность системе типа «просверливания обечайки»), так как ни одна стенка на пути масла не позволяет самовозгорания масла.
Предпочтительно направляющий элемент представляет собой обтекатель, примыкающий к выходной части двигателя. Этот обтекатель позволяет избежать присутствия масла на входе последнего диска турбины низкого давления.
В этом случае в соответствии с разными вариантами настоящего изобретения протяженность обтекателя может охватывать:
- по существу путь, ведущий от вентиляционного отверстия до выходной зоны очистки турбины низкого давления для направления оптимальным образом масла и потока воздуха; или
- по существу ближайшую область вентиляционного отверстия для минимизации массы двигателя.
Также в случае направляющего элемента в виде обтекателя последний может иметь профиль, по меньшей мере частично, кольцевой (чтобы охватывать кольцом масло и поток воздуха) или также, по меньшей мере, по существу плоский.
В соответствии с настоящим изобретением для адаптации устройства для выведения масла к количеству масла, которое необходимо вывести при затоплении коробки, можно предусмотреть адаптацию размера вентиляционного отверстия к объему выводимого масла или к объему проходящего воздуха в случае функционирования без утечек.
Выходная часть двигателя содержит в целом элемент выходного статора и элемент ротора турбины низкого давления, соответственно связанные друг с другом. В этом случае масляная коробка предпочтительно выполнена в элементе выходного статора.
В этом случае средства выведения расположены предпочтительно на уровне первой зоны уплотнений, соединяющей элементы выходного статора и ротора турбины низкого давления таким образом, что масло выводится в направлении элемента ротора турбины низкого давления, причем это выведение может осуществляться под действием силы тяжести так, что выводимое масло направляется до элемента ротора турбины низкого давления также под действием потока воздуха.
Предпочтительно вентиляционный канал выполнен в элементе выходного статора для того, чтобы позволить создание пути между масляной коробкой и зоной очистки.
Также предпочтительно, чтобы средства захвата дополнительно содержали приспособление элемента ротора низкого давления на уровне второй зоны уплотнений между соответственно элементами выходного статора и ротора низкого давления, обеспечивающее направление воздуха и/или масла к вентиляционному каналу. Такое выполнение, например с наклоном, упрощает направление масла к вентиляционному отверстию, что позволяет избежать объемов накопления масла.
Также настоящее изобретение относится к турбомашине, содержащей устройство для выведения масла в соответствии с одним из вариантов воплощения, раскрытых выше.
Настоящее изобретение будет более понятно из прилагаемых чертежей, на которых:
фиг.1 показывает вид в разрезе двигателя газовой турбины, на который может быть установлено устройство для выведения масла в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 показывает схему, иллюстрирующую выполнение устройства выведения масла в соответствии с настоящим изобретением на уровне выходной части двигателя в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
фиг.3 показывает схему, иллюстрирующую выполнение устройства выведения масла, в соответствии с настоящим изобретением на уровне выходной части двигателя в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения;
фиг.4 показывает различные варианты воплощения направляющего элемента, интегрированного в устройство выведения масла в соответствии с настоящим изобретением.
Для лучшего прочтения чертежей идентичные ссылочные номера обозначают аналогичные технические элементы.
На фиг.1 схематично показан общий вид двигателя газовой турбины, например турбореактор самолета с двойным контуром. Этот двигатель 1 содержит, спереди и сзади, вентилятор 2, компрессор низкого давления 3, компрессор высокого давления, камеру 5 сгорания, турбину высокого давления 6 и турбину низкого давления 7. Выходная часть двигателя (более детально представлена на фиг. 2), на уровне которой установлено устройство выведения масла в соответствии с настоящим изобретением, обозначена ссылочным номером 9.
На фиг. 2 схематично представлен элемент 10 выходного статора в связи, в частности, с элементом 11, соединенным с ротором низкого давления, эти две детали 10 (картер) и 11 (ротор низкого давления) сопряжены друг с другом на уровне двух уплотнений воздух-масло 14А и 14В.
Выходная часть 9 двигателя 1 дополнительно содержит деталь 12, соединенную с ротором высокого давления, в соединении также с деталью 11 посредством уплотнения 14С и 14D, и, наконец, деталь 13 покрытия, соединенную с деталями 10 и 12 также посредством уплотнений 14Е и 14F.
На уровне высокой части детали выходного статора 10 образована масляная полость 21, которая ограничивает один или несколько последовательных подшипников двигателя (не показано). Эти подшипники смазываются посредством протекания масла, поступающего от жиклера в этой полости. Вращение подшипников рождает масляный туман, который заполняет полость 21, последняя помимо прочего ограничена закрывающим кожухом полости (10В) с высоким давлением. Для обеспечения выведения, по меньшей мере, части масла 20, содержащегося в масляной полости 21, устройство выведения масла в соответствии с настоящим изобретением выполнено для направления масла 20 к низкой точке двигателя, причем эта низкая точка, в частности, соответствует зоне 16 очистки последнего диска турбины 15 низкого давления.
Устройство выведения масла, прежде всего, содержит средства выведения в виде зазора 30 ротор-статор, образованного первым уплотнением 14А между элементами выходного статора 10 и ротором 11 турбины низкого давления, расположенным на уровне, определенном на уровне масляной полости 21. Уровень этих средств 30 выведения (или зоны уплотнения) выбирается так, чтобы, по меньшей мере, часть масла 20, находящаяся в полости, могла быть выведена наружу из двигателя, в частности из его нижней части, когда уровень указанной полости 21 переходит пороговый уровень, соответствующий уровню уплотнения 14А. Таким образом, вывод масла разрешается, только если уровень масла в полости 21 рассматривается как повышенный относительно риска утечки масла в результате затопления полости при нарушении герметизации. Расположенные таким образом средства 30 выведения позволяют вывести избыточное масло в низкой точке 20А двигателя через уплотнение 14А, затем под действием центробежных сил на деталь 11, связанную с ротором турбины низкого давления.
Кроме этого, средство выведения масла в соответствии с настоящим изобретением также содержит средства захвата масла, позволяющие продвижение воздуха и захват части масла в направлении зоны 16 очистки последнего диска турбины 15 низкого давления в случае утечки в полости, которая соответствует зоне, к которой хотят направить это избыточное масло 20А.
Эти средства захвата содержат, в частности, два канала (или серию отверстий) 11А и 12А, выполненных соответственно в деталях 11 и 12, причем эти каналы расположены так, чтобы поток воздуха 40 мог циркулировать через промежуточную зону между средствами 30 выведения и нижней частью детали 11 ротора турбины низкого давления, причем эта зона представляет собой ту зону, в которой избыточное масло вытекает под действием силы тяжести. Этот поток 40 воздуха, сам захватываемый средствами инжектирования (не показаны на фиг.2), позволяет захватывать масло 20А вдоль низкой части детали 11 в направлении выхода двигателя. При нормальном функционировании двигателя эти просверленные отверстия заставляют воздух 40 циркулировать в направлении зоны 16 очистки. Масло 20А, помимо прочего, захватывается вдоль детали 11 под действием центробежной силы.
В рамках настоящего патента понимается соответственно под понятиями «входной» и «выходной» передняя и задняя части двигателя 1 со ссылкой на направление воздуха, проходящего через указанный двигатель, показанный стрелкой F на фиг.2.
Таким образом, масло 20А течет вдоль детали 11 в направлении выхода и достигает детали 10 через второе уплотнение 14В между указанным деталями 10 и 11. Для надлежащего течения можно также предусмотреть приспособление 11В на стенке детали 11, по которому течет масло 20А на уровне связующей зоны между деталями 10 и 11. Это приспособление может заключаться в наклоне, заданном так, чтобы масло скользило вдоль этого наклона и предпочтительно направлялось к детали выходного статора 10. Таким же образом наклон может быть задан для детали 10 для того, чтобы масло скользило вдоль этого наклона и направлялось соответственно к каналу 10А.
В детали 10 выполнен вентиляционный канал (или отверстие) 10А (который образует часть средства захвата масла), в направлении которого масло захватывается потоком 40 воздуха (и возможный наклон в детали 10 вблизи отверстия). Этот канал 10А может быть кольцевым с диаметром, выбранным в зависимости от объема (заранее заданного) выводимого масла.
Избыточное масло 20A и поток 40 воздуха, путь которого описан выше, проходят по этому каналу 10А, чтобы соединиться в нижней части двигателя 1 (масло захватывается под действием силы тяжести и потока 40 воздуха) и более конкретно в зоне 16 очистки, расположенной поблизости и на выходе от последнего диска турбины 15 низкого давления. Масло 20A и поток 40 воздуха, таким образом, выталкиваются из двигателя под действием силы тяги двигателя в направлении стрелки F.
Для облегчения этого выброса к зоне 16 в соответствии с настоящим изобретением средства захвата также содержат направляющий элемент 50, представляющий собой обтекатель, стыкующийся с деталью 10 статора, по меньшей мере, частично вокруг вентиляционного канала 10А. Этот обтекатель выполняет функцию направления масла таким образом, что его путь протекает предпочтительно в направлении зоны 16. Таким образом, для эффективного выброса масла поток 40 воздуха порождает избыточное давление в зоне 16 очистки так, чтобы препятствовать проникновению воздуха, проходящего через двигатель в направлении стрелки F, в выходную зону диска турбины 15 низкого давления, вследствие чего в этой зоне возникает турбулентность, способная ухудшить аэродинамические характеристики двигателя 1 и повредить связь диск-лопатки последнего диска турбины 15 низкого давления. Итак, устройство для выведения масла функционирует следующим образом:
- при нормальном функционировании отсутствует избыточное масло, и поток 40 воздуха последовательно пересекают отверстия 12А, 11А, 10А для создания избыточного давления на уровне зоны 16 для очистки этой зоны;
- при утечке масла (из-за, например, слабой герметичности в масляной коробке 21 на низких режимах или при затоплении коробки 20) избыточное масло 20А протекает через зазор ротор-статор 30 под действием силы тяжести до зоны, в котором оно захватывается центробежными силами на ротор 11 и потоком 40 воздуха до вентиляционного канала 10А, затем в нижнюю часть двигателя, где оно выбрасывается.
Как следствие из вышесказанного, оказывается, что масло направляется, таким образом, к зоне, не имеющей условий вентиляции и температуры, способствующей возникновению огня, без ухудшения характеристик двигателя. Более того, поток 40 воздуха выполняет две функции: захват избыточного масла вне двигателя (при утечках масла) и очистка выходной части 16 турбины низкого давления (непрерывно), что одновременно оптимизирует использование потока 40 воздуха и его участие в эффективности двигателя.
Представляется очевидным, что было бы предпочтительным, насколько это возможно, чтобы средства захвата устройства выведения масла в соответствии с настоящим изобретением были расположены как можно ближе к детали 10 выходного статора, что позволяет перенаправлять все масло к первичному потоку без риска возникновения огня.
Как показано на виде сбоку на фиг. 2, направляющий элемент 50 (короткий) может быть выполнен так, что его протяженность охватывает соседнюю область с вентиляционным каналом 10А, что позволяет направлять масло 20A и поток 40 воздуха из указанного канала 10А без избыточного утяжеления двигателя. В соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения, представленным на фиг. 3, направляющий элемент 50 (длинный) выполнен так, что его протяженность охватывает по существу путь, ведущий от вентиляционного отверстия 10А к выходной зоне 16 очистке турбины низкого давления, чтобы масло и поток воздуха были направлены оптимальным образом, а также для того, чтобы течение масла осуществлялось как можно ближе к выходной зоне 16 очистки турбины низкого давления.
Схемы 4А и 4В на фиг. 4, которые показывают вид снизу направляющего элемента 50, иллюстрируют два варианта его воплощения не в смысле протяженности (эти варианты применяются независимо от того, короткий обтекатель или длинный), а в смысле его формы. В варианте согласно схеме 4А направляющий элемент 50 образован из плоского листового железа, выполненного из того же материала, что и элемент 10 выходного статора. В варианте согласно схеме 4В направляющий элемент 50 образован из полукруглого желоба, интегрированного в деталь 10. В любом случае подразумевается, что направляющий элемент 50 должен иметь достаточную большую толщину, чтобы не деформироваться в условиях работы двигателя. Направляющий элемент 50 может также быть полностью интегрированным в деталь 10 для того, чтобы минимизировать дополнительную массу, возникающую из-за сборки деталей 10 и 50 (масса болтов и винтов).