ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ВХОДНОГО КОНУСА АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ANTI-ICE SYSTEM OF AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE INLET CONE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к противообледенительной системе входного конуса авиационного турбинного двигателя, в частности турбореактивного или турбовинтового.
Изобретение относится как к турбинному двигателю, оснащенному такой противообледенительной системой входного конуса, так и непосредственно к способу удаления обледенения с входного конуса авиационного турбинного двигателя.
Предшествующий уровень техники
Специалистам в данной области техники известна противообледенительная система входного конуса турбинного двигателя, которая в основном базируется на принципе особого отбора воздуха в средней части компрессора высокого давления или на выходе из него, где формируется достаточно горячий воздух, позволяющий в дальнейшем решить задачу по удалению обледенения с конуса. В этом контексте следует отметить, что подобный отбор, как правило, не может быть выполнен на выходе из компрессора низкого давления ввиду слабого энергетического уровня воздуха, циркулирующего в этой части турбинного двигателя.
Может возникнуть необходимость включения в противообледенительную систему специально предназначенных для удаления обледенения конструктивных элементов отбора воздуха, в том числе воздуховодов, одной или нескольких систем герметизации или вентилей, регулирующих поступление воздуха.
Безусловно, крайне негативным моментом установки этих конструктивных элементов, специально предназначенных для удаления обледенения с входного конуса, является повышение себестоимости производства и увеличение веса.
Кроме того, следует уточнить, что особый отбор воздуха, осуществляемый в средней части компрессора высокого давления или на выходе из него, в значительной степени ухудшает общие рабочие характеристики турбинного двигателя.
Краткое изложение существа изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание противообледенительной системы входного конуса авиационного турбинного двигателя, которая позволила бы устранить упоминавшиеся выше проблемы, связанные с использованием предшествующего уровня техники.
Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем создания противообледенительной системы входного конуса авиационного турбинного двигателя, содержащей средства воздушного диффузора, предназначенные для установки во входном конусе турбинного двигателя и обеспечивающие подачу в него горячего воздуха. Согласно предлагаемому изобретению система содержит также контур для удаления нагнетаемого воздуха, по меньшей мере, из одной ограниченной полости-площадки турбинного двигателя, при этом контур соединен со средствами воздушного диффузора для подачи в них горячего воздуха.
Кроме того, предметом настоящего изобретения является также авиационный турбинный двигатель, снабженный противообледенительной системой, указанной выше.
Настоящее изобретение относится также к способу удаления обледенения с входного конуса авиационного турбинного двигателя. Согласно способу в средство воздушного диффузора, устанавливаемое во входном конусе турбинного двигателя, подается горячий воздух, поступающий из контура удаления нагнетаемого воздуха, по меньшей мере, из одной ограниченной полости-площадки турбинного двигателя.
Таким образом, характеристикой настоящего изобретения является использование принципа рециркуляции нагнетаемого воздуха из ограниченных полостей-площадок турбинного двигателя, поскольку этот горячий, обезжиренный воздух, поступающий из ограниченных полостей-площадок, используется для удаления обледенения с входного конуса турбинного двигателя. Следовательно, учитывается количество теплоты, образуемой в результате рассеивания тепла на уровне подшипников качения, устанавливаемых в ограниченных полостях-площадках, при этом во внимание принимается то, что это тепло выделяется непосредственно в воздух, энергетический уровень которого может повыситься и оказаться вполне достаточным для обеспечения удаления обледенения с входного конуса. Такое использование теплоты отличается от недостаточного уровня оптимизации, которая встречается в известных разработках, когда обезжиренный воздух, выходящий из ограниченных полостей-площадок, непосредственно отводился назад при помощи системы ведущих валов турбинного двигателя.
Более того, в настоящее время представляется возможным существенно упростить принципиальную схему турбинного двигателя, поскольку отсутствует необходимость сохранения специального контура для удаления воздуха, который используется в известных разработках и описание которого приведено выше. Действительно, теперь отбор воздуха, предназначенного для удаления обледенения с входного конуса, соответствует количеству отбираемого воздуха, предназначенного для нагнетания в ограниченные полости-площадки, что позволяет не использовать такие конструктивные элементы, как, например, воздуховоды, системы герметизации или вентили регулирования подачи воздуха. Эта характеристика преимущественно позволяет уменьшить себестоимость и общий вес турбинного двигателя.
С другой стороны, в результате рециркуляции нагнетаемого воздуха из ограниченных полостей-площадок удается добиться экономного расходования топлива и даже улучшить общие рабочие характеристики турбинного двигателя, поскольку больше нет необходимости осуществлять отбор воздуха, количество которого превышает количество воздуха, необходимого для нагнетания в ограниченные полости-площадки. В связи с этим следует отметить, что рециркуляция, осуществляемая согласно настоящему изобретению, имеет и другие преимущества. В частности, отбор общего воздуха может осуществляться на выходе из компрессора низкого давления, а не в средней части компрессора высокого давления или на выходе из него, где отбор воздуха наносит больше вреда.
Такое техническое решение позволит постоянно удалять обледенение на входном конусе, даже в случае отсутствия изморози, и не снижать при этом коэффициент полезного действия турбинного двигателя. Следовательно, отсутствует необходимость прохождения рециркулирующего воздуха через специальный вентиль регулирования поступающего воздуха перед тем, как он попадет в средства воздушного диффузора, предназначенные для установки во входном конусе, что значительно повышает надежность удаления обледенения.
Предпочтительно, чтобы контур удаления нагнетаемого воздуха, по меньшей мере, из одной ограниченной полости-площадки турбинного двигателя содержал канал первичного воздуха, который, по меньшей мере, частично размещался бы внутри системы ведущих валов турбинного двигателя, при этом данный канал первичного воздуха был ориентирован параллельно продольной оси турбинного двигателя с центром предпочтительно на продольной оси. Можно предположить, что этот канал первичного воздуха будет, по меньшей мере, частично образован каналом, который обычно располагается внутри системы ведущих валов, при этом канал называется «центром воздушного потока» или каналом удаления газов из ограниченных полостей-площадок. Однако этот канал может быть также образован, частично или полностью, полым участком системы ведущих валов, в частности, полым участком, располагаемым глубже всего в вале низкого давления, который, как правило, служит для размещения вышеупомянутого «центра воздушного потока».
Предпочтительно, чтобы передний край канала первичного воздуха соединялся со средствами воздушных диффузоров, располагаемых во входном конусе турбинного двигателя, а задний перекрытый край преимущественно размещался рядом с задним краем ведущего вала низкого давления системы ведущих валов.
Предпочтительно также, чтобы канал первичного воздуха по всей длине имел по существу круглое и одинаковое поперечное сечение, которое бы обеспечивало истечение в достаточной степени горячего воздуха.
Предпочтительно, чтобы контур удаления нагнетаемого воздуха, по меньшей мере, из одной ограниченной полости-площадки турбинного двигателя соединялся с передней ограниченной полостью-площадкой и задней ограниченной полостью-площадкой турбинного двигателя. Возможно, чтобы контур удаления нагнетаемого воздуха, по меньшей мере, из одной ограниченной полости-площадки соединялся только с одной из двух упомянутых ограниченных полостей-площадок, оставаясь при этом в рамках данного изобретения.
Контур удаления нагнетаемого воздуха предпочтительно содержит, по меньшей мере, одну систему маслоотделения, расположенную в передней и задней ограниченных полостях-площадках, при этом каждая система маслоотделения соединена с каналом первичного воздуха отводящей части цепи.
Наконец, приведем иллюстрирующий изобретение пример, в котором средства воздушного диффузора содержат канал подачи воздуха, задний край которого соединен с трубой удаления нагнетаемого воздуха, а передний край расположен на уровне верхней точки вспомогательного конуса, ограничивающего вместе с входным конусом турбинного двигателя пространство, через которое предполагается прохождение горячего воздуха для удаления обледенения. Вместе с тем следует уточнить, что для осуществления настоящего изобретения могут использоваться все известные специалистам типы средств воздушного диффузора, которые можно было бы разместить во входном конусе.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и характеристики настоящего изобретения поясняются приводимым ниже подробным описанием, которое не носит ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает продольный разрез передней части турбинного двигателя, снабженного противообледенительной системой входного конуса, согласно изобретению;
фиг.2 - часть продольного разреза, показанного на фиг.1, согласно изобретению;
фиг.3 - продольный разрез задней части турбинного двигателя, изображенного на фиг.1, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения
На фиг.1 представлена передняя часть авиационного турбинного двигателя 1, снабженная противообледенительной системой 2 входного конуса согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения. При этом турбинный двигатель 1, в частности турбореактивный двигатель, также является объектом настоящего изобретения.
Передняя часть турбинного двигателя 1 содержит (по направлению прохождения воздуха из передней в заднюю часть турбинного двигателя, обозначенному стрелкой 6 и параллельному продольной оси 7 турбинного двигателя) входной конус 4, воздуходувку 8, компрессор 10 низкого давления и компрессор 12 высокого давления.
Кроме того, турбинный двигатель содержит систему 14 ведущих валов, состоящую из множества концентричных, установленных на оси 7 валов, основной функцией которых является обеспечение вращения вращающихся конструктивных элементов турбинного двигателя. Система 14 ведущих валов, как правило, содержит ведущий вал 16 низкого давления, соединяющий компрессор 10 низкого давления с турбиной низкого давления (на фиг.1 не показана) турбинного двигателя. Ведущий вал 16 низкого давления по существу проходит от одного края турбинного двигателя к другому и обычно представляет собой вал, расположенный глубже всего внутри системы 14 валов. Более того, он, как правило, полый, что позволяет, в соответствии с одной из характеристик изобретения, размещать внутри него часть противообледенительной системы 2.
Действительно, противообледенительная система 2 входного конуса 4 содержит, в основном, средства 18 воздушного диффузора, предназначенные для установки во входном конусе 4, для подачи в него горячего воздуха, а также трубу 20 удаления нагнетаемого воздуха, по меньшей мере, из одной ограниченной полости-площадки турбинного двигателя, при этом этот воздуховод 20 расположен перед средствами 18 воздушного диффузора, с которыми он соединяется, как это наглядно показано на фиг.1.
В описываемом варианте средства 18 воздушного диффузора содержат трубу 24 подачи воздуха, установленную соосно оси 7, задний конец 24а которой прикреплен к трубе удаления нагнетаемого воздуха 20, а передний конец 24b расположен на уровне верхней точки вспомогательного конуса 26, который размещен сзади и внутри относительно конуса 4. Вспомогательный конус 26 вместе с конусом 4 ограничивает пространство, через которое предполагается прохождение горячего воздуха, предназначенного для удаления обледенения. Таким образом, горячий воздух, выходящий через передний конец 24b трубы 24, перемещается назад, а затем в радиальном направлении наружу, заполняя пространство 28, имеющее фактически коническую форму и используемое для удаления обледенения, а затем удаляется из турбинного двигателя через отверстия, расположенные по краям задней части конуса 4 (показано на фиг.1 стрелками 30).
Труба 20 для удаления нагнетаемого воздуха, по меньшей мере, из одной ограниченной полости-площадки турбинного двигателя содержит канал 32 первичного воздуха, размещенный внутри системы ведущих валов 14. Центр канала 32 первичного воздуха расположен на продольной оси 7, при этом его передний конец 32а крепится к заднему концу 24а трубы 24, входящей в состав средства 18 воздушного диффузора.
Канал 32 первичного воздуха, поперечное сечение которого преимущественно имеет по существу круглую форму и одинаковые размеры вдоль всей длины, вытянут предпочтительно до заднего конца (на фиг.1 не показан) вала 16 низкого давления. Более того, предусматривается, что его большую часть представляет воздуховод, называемый «центром воздушного потока», который жестко крепится внутри продольной полости 34, выполненной внутри вала 16 низкого давления, и имеет одинаковое, круглое поперечное сечение, обеспечивающее полное заполнение данного канала и беспрепятственное прохождение воздуха в направлении передней части. Наиболее отчетливо это показано на фиг.3. Следует отметить, что лишь незначительный участок, расположенный в задней части канала 32 первичного воздуха, представлен частью полости 34 вала 16, размещенной в задней части продолжения воздуховода «центра воздушного потока», который эффективно использует задний конец 35, расположенный перед заглушкой 36, закрывающей задний конец 32b канала первичного воздуха 32. Кроме того, заглушка 36 граничит на уровне заднего конца 16b вала 16 низкого давления, и в данном случае можно говорить о том, что два конца 16b и 32b расположены очень близко друг к другу и фактически соприкасаются.
На фиг.2 представлена более подробно передняя часть турбинного двигателя 1, где показаны две передние ограниченные полости-площадки 22а, 22b турбинного двигателя, расположенные соосно оси 7 и смещенные одна относительно другой по стрелке 6. Как известно специалистам, каждая ограниченная полость-площадка турбинного двигателя содержит, по меньшей мере, систему подшипника качения и закрыта при помощи множества систем герметизации воздуха (масла) типа лабиринтного уплотнения или аналогичного типа.
Таким образом, расположенная впереди передняя ограниченная полость-площадка 22а содержит две системы подшипника 40, 42 качения, устанавливаемые, соответственно, на краю передней системы 44 герметизации и задней системы 46 герметизации, которые закрывают эту ограниченную полость. На уровне каждой из двух систем 44, 46 герметизации предусматривается принудительное нагнетание воздуха внутрь ограниченной полости 22а, чтобы не допустить просачивания содержащегося внутри этой ограниченной полости 22а масла через системы 44, 46 воздушной (масляной) герметизации. Например, воздух, подаваемый на уровне систем 44, 46 и обычно называемый воздухом нагнетания передней ограниченной полости-площадки 22а, подается в системы герметизации по обычным, хорошо известным специалистам воздуховодам.
Чтобы нагнетаемый воздух поступил из ограниченной полости в переднюю систему 44 герметизации ограниченной полости-площадки 22а, следует произвести первый отбор воздуха (показан стрелкой 50), такой отбор осуществляется предпочтительно на уровне выхода из компрессора 10 низкого давления. Чтобы нагнетаемый воздух поступил из ограниченной полости-площадки в заднюю систему 46 герметизации ограниченной полости-площадки 22а, следует осуществить второй отбор (обозначен стрелкой 52), при этом часть 52а отбора подается в направлении лабиринта 46 (фиг.2). Отбор 52 осуществляется предпочтительно на уровне выхода из компрессора 10 низкого давления.
Следует отметить, что другая часть 52b второго отбора 52 подается в направлении переднего лабиринта 54 самой задней передней ограниченной полости-площадки 22b.
И наконец, еще одна часть 52с второго отбора 52 подается в направлении задней ограниченной полости-площадки 22с (фиг.3). Для этого часть 52с второго отбора 52 перемещается назад по кольцеобразному пространству 56, расположенному между валом 16 низкого давления и окружающим его валом 58 высокого давления.
На фиг.2 изображена труба удаления нагнетаемого воздуха 20, входящая в состав противообледенительной системы 2 и содержащая систему 60 маслоотделения, установленную во внутренней радиальной части ограниченной полости-площадки 22а. Воздушно-масляная смесь, содержащаяся внутри полости 22а и нагреваемая в результате выделяемого подшипниками 40, 42 качения тепла, радиально отводится внутрь посредством системы 60 маслоотделения, основной задачей которой является выделить масло из смеси и сформировать поток 62 рециркулирующего горячего воздуха для подачи в средства 18 воздушного диффузора, установленные во входном конусе 4. Поток 62 рециркулирующего горячего воздуха, образуемый на выходе из системы 60 маслоотделения и выходящий через воздухоотводы 50, 52, подается по трубе 32 к ее единственному открытому концу 32а, чтобы попасть в средства 18 воздушного диффузора, установленные во входном конусе 4.
На фиг.3 изображена задняя часть турбинного двигателя 1 и показано, что задняя ограниченная полость-площадка 22с содержит две системы 71, 73 подшипника качения вала, при этом данная ограниченная полость 22с закрыта множеством передних систем 66, 68, 70 герметизации, а также задней системой 72 герметизации. Кроме того, на уровне каждой из систем воздушной (масляной) герметизации предусматривается нагнетание воздуха внутрь ограниченной полости 22с, чтобы избежать просачивания содержащегося в ограниченной полости 22с масла через системы герметизации.
Чтобы обеспечить поступление нагнетаемого воздуха из ограниченной полости до уровня каждой из систем 66, 68, 70, 72 герметизации ограниченной полости-площадки 22с, используется часть 52с второго воздухоотбора 52, проходящего в заднюю часть через кольцеобразное пространство 56, расположенное между валами 16 и 58. Таким образом, часть 52с воздухоотбора 52 разделяется на четыре потока 74а, 74b, 74c, 74d нагнетаемого воздуха, каждый из которых попадает в ограниченную полость 22с, соответственно, через системы воздушной (масляной) герметизации 66, 68, 70, 72.
На фиг.3 показано, что труба 20 удаления нагнетаемого воздуха также содержит систему 75 маслоотделения, устанавливаемую во внутренней радиальной части кольцеобразной полости 22с. Воздушно-масляная смесь, содержащаяся внутри полости 22с и нагреваемая теплом, выделяемым подшипниками 71, 73 качения, радиально отводится внутрь посредством системы 75 маслоотделения, основной задачей которой является выделить масло из смеси и сформировать поток 76 рециркулирующего горячего воздуха, который может сливаться с потоком 62 рециркулирующего воздуха для подачи в средства 18 воздушного диффузора, установленные во входном конусе 4.
Поток 76 рециркулирующего горячего воздуха, образуемый на выходе из системы 75 маслоотделения и вытекающий через воздухоотвод 52, перемещается по трубе 32 в направлении ее единственного открытого конца 32а, чтобы попасть в средства 18 воздушного диффузора, установленные во входном конусе 4. Поток 76 рециркулирующего горячего воздуха попадает в заднюю часть трубы 32, образованную полостью 34 вала 16 низкого давления, при этом поток попадает в трубопровод, называемый «центром воздушного потока», только после того, как пройдет определенное расстояние в направлении передней части по каналу 32 первичного воздуха.
Безусловно, специалисты могут вносить различные изменения в турбинный двигатель 1, описание носит исключительно иллюстративный, не ограничительный характер.