УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ВОЗДУХА, ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО ВНУТРИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE TO CONTROL FEED OF AIR CIRCULATING INSIDE GAS TURBINE ENGINE REVOLVING SHAFT

Область техники
Изобретение относится к устройству, предназначенному для регулирования подачи воздуха, циркулирующего внутри вращающегося вала газотурбинного двигателя, в частности внутри вала компрессора такого газотурбинного двигателя.
Предшествующий уровень техники
На газотурбинном двигателе обычно осуществляют отбор воздуха для различных нужд, в частности для регулирования давления в масляных полостях, чтобы предупредить утечки масла, или для охлаждения определенных деталей газотурбинного двигателя.
Функции регулирования давления и охлаждения этих частей газотурбинного двигателя реализуют за счет отбора воздуха, поступающего, в частности, от компрессоров высокого и низкого давления газотурбинного двигателя, при этом выбор зависит от значений температуры и давления, необходимых для осуществления отбора. Отбираемый таким образом воздух, как правило, проходит внутри валов компрессора или турбины, после чего нагнетается к масляным полостям для регулирования давления или на охлаждаемые элементы газотурбинного двигателя.
Следовательно, отбор воздуха в компрессорах высокого и низкого давления зависит от режима вращения вала, приводящего во вращение эти компрессоры. Для регулирования давления в масляных полостях необходимо, в частности, на пониженных режимах отбирать сильно сжатый воздух, чтобы обеспечить хорошую герметизацию масляных полостей.
Вместе с тем, отбор воздуха на повышенных режимах отрицательно сказывается на сроке службы систем уплотнения. Действительно, это приводит к чрезмерному нагреву некоторых чувствительных деталей газотурбинного двигателя и отрицательно сказывается на эффективности работы.
В патенте ЕР 0698739 В1 раскрыто устройство отбора, содержащее тороидальный корпус, расположенный в стенке, обдуваемой воздушным потоком, причем этот корпус выполнен с возможностью поворота вокруг оси для перехода из положения максимального выступания на стенке в утопленное положение в этой стенке. Однако это устройство не позволяет регулировать расход отбираемого воздуха в зависимости от потребностей.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков с помощью устройства регулирования подачи воздуха, циркулирующего внутри вращающегося вала газотурбинного двигателя, в зависимости от потребности в воздухе предназначенного для герметизации или для охлаждения элемента газотурбинного двигателя с целью оптимизации общих характеристик газотурбинного двигателя.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство регулирования подачи воздуха, циркулирующего внутри вращающегося вала газотурбинного двигателя, при этом вал содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для прохождения воздуха, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один запорный клапан, перекрывающий отверстие, жестко соединенный с деформирующейся пластиной билинейного действия, при этом пластину закрепляют на валу с возможностью деформирования под действием центробежной силы, возникающей при вращении вала, таким образом, чтобы клапан мог занимать два разных положения в зависимости от режима вращения вала: одно положение, в котором он перекрывает отверстие, и другое положение, в котором он освобождает отверстие для прохождения воздуха.
Изобретение основано на использовании действия центробежной силы, возникающей при вращении вала, для модулирования сечения канала прохождения воздуха через этот вал, предназначенного для герметизации или для охлаждения некоторых частей газотурбинного двигателя. Клапан устройства в соответствии с настоящим изобретением располагается в положении, соответствующем требуемому эффекту: в исходном положении он может либо перекрывать, либо освобождать отверстие вала. Под действием центробежной силы и в зависимости от исходного положения клапана жестко соединенная с клапаном пластина деформируется, что приводит к открыванию или перекрыванию отверстия вала.
Использование пластины билинейного действия дает надежные результаты с точки зрения открытия или закрытия отверстия вала, которые происходят не постепенно и не пропорционально скорости вращения вала, а скорее мгновенно при заранее определенном значении скорости вращения вала.
Таким образом, получают возможность осуществлять открытие или закрытие отверстия вала исключительно при заранее определенных значениях скорости вращения вала, соответствующих режимам работы газотурбинного двигателя, при которых сечение канала для прохода воздуха внутрь вала может меняться. Так происходит регулирование подачи воздуха, циркулирующего внутри вала, в зависимости от реальных потребностей в воздухе, предназначенном для герметизации или охлаждения элемента газотурбинного двигателя.
Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения деформируемая пластина имеет поперечное сечение, изогнутое перпендикулярно к направлению ее деформации. В этом случае изогнутое сечение пластины предпочтительно является по существу параллельным оси вращения вала.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением может дополнительно содержать упорный элемент, обеспечивающий стопорение запорного клапана, когда он освобождает отверстие вала.
Деформируемая пластина и запорный клапан устройства в соответствии с настоящим изобретением могут быть закреплены снаружи вала, при этом клапан расположен таким образом, чтобы перекрывать отверстие, когда режим вращения не достигает заранее определенного значения, и освобождать отверстие, когда режим вращения превышает заранее определенное значение.
Альтернативно деформируемая пластина и запорный клапан могут быть закреплены внутри вала, при этом клапан расположен таким образом, чтобы освобождать отверстие, когда режим вращения не достигает заранее определенного значения, и перекрывать отверстие, когда режим вращения превышает заранее определенное значение.
Объектом настоящего изобретения также является вал компрессора газотурбинного двигателя, содержащий определенное выше устройство регулирования подачи воздуха.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующих пример выполнения, который не является ограничительным.
Фиг.1, 1А, 2 и 2А представляют частичный вид в разрезе вала газотурбинного двигателя, оборудованного устройством регулирования согласно варианту осуществления настоящего изобретения в двух разных положениях.
Фиг.3 изображает кривую, отражающую сечение открытия отверстия вала, показанного на фиг.1 и 2, в зависимости от режима вращения этого вала.
Фиг.4, 4А, 5 и 5А изображают частичный вид в разрезе вала газотурбинного двигателя, оборудованного устройством регулирования согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения в двух разных положениях.
Фиг.6 изображает кривую, отражающую сечение открытия отверстия вала, показанного на фиг.4 и 5, в зависимости от режима вращения этого вала.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
На фиг.1 и 2 частично показан вращающийся вал 10 газотурбинного двигателя, оборудованный устройством регулирования подачи циркулирующего в нем воздуха.
Вал 10 может быть валом компрессора высокого или низкого давления или валом турбины. Этот вал отцентрирован по продольной оси х-х газотурбинного двигателя, вокруг которой он вращается.
Вращающийся вал 10 содержит сквозное отверстие 12 для прохождения воздуха. Таким образом, воздух, поступающий в вал 10 через отверстие или отверстия 12, циркулирует внутри него от входа к выходу и/или от выхода к входу.
Воздух, циркулирующий внутри вала 10, может отбираться на уровне компрессора низкого давления или компрессора высокого давления газотурбинного двигателя. Он может быть использован для герметизации масляных полостей, находящихся на входе или на выходе газотурбинного двигателя, или для охлаждения некоторых его частей, таких, например, как лопатки турбины.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено для регулирования подачи воздуха, циркулирующего внутри такого вращающегося вала 10, путем модулирования отбора воздуха в зависимости от потребностей герметизации или охлаждения.
Для этого устройство регулирования подачи воздуха содержит, по меньшей мере, один клапан 14 для перекрывания отверстия 12. Этот клапан 14 жестко соединен с деформируемой пластиной 16, закрепленной на вращающемся валу 10. Запорный клапан 14 может иметь поперечное сечение в виде полуокружности, а отверстие 12 вала может быть оборудовано коническим седлом 18, на которое опирается клапан, предотвращая любую утечку воздуха.
В примере выполнения, показанном на фиг.1 и 2, пластина 16 и клапан 14 устройства регулирования закреплены снаружи вращающегося вала 10.
Пластина 16 выполнена с возможностью деформирования под действием центробежной силы, возникающей при вращении вала 10, таким образом, чтобы клапан мог занимать два разных положения в зависимости от режима вращения вала: одно положение (фиг.1), в котором он перекрывает отверстие, и другое положение (фиг.2), в котором он освобождает отверстие для прохождения воздуха.
В частности, клапан расположен таким образом, чтобы перекрывать отверстие 12 вала 10, когда режим вращения не достигает заранее определенного значения (фиг.1), и освобождать это отверстие, когда режим вращения превышает заранее определенное значение (фиг.2). Само собой разумеется, что запорный клапан 14 должен иметь массу, достаточную для деформирования пластины 16 под действием центробежной силы.
Заплечик 20 вращающегося вала 10 может выполнять функцию упора для стопорения запорного клапана 14 после того, как он открывает отверстие 12 вала 10. Таким образом, упор позволяет избежать чрезмерной деформации пластины 16, жестко соединенной с клапаном 14.
Пластина 16 является пластиной билинейного действия, то есть деформация пластины приводит к изменению распределения зон растяжения/сжатия в рабочем сечении. Она может быть выполнена из нержавеющей стали, обладающей высокой термостойкостью, и содержит рабочую часть 16а (то есть зону пластины, в которой деформации являются наиболее выраженными), предпочтительно выполненную по существу параллельно оси х-х вращения вала 10.
Одним из своих концов рабочая часть 16а пластины 16 закреплена на вращающемся валу 10. На противоположном конце рабочая часть пластины содержит колено 16b, на котором закреплен запорный клапан 14.
Как показано на фиг.1А и 2А, в своей центральной зоне рабочая часть 16а пластины 16 содержит участок 16с, называемый «нейтральным», то есть участок рабочей части пластины, который после деформации не находится под нагрузкой.
В своем исходном положении, соответствующем перекрыванию отверстия 12 (фиг.1), рабочая часть 16а пластины 16 имеет поперечное сечение, изогнутое перпендикулярно к направлению ее деформации (то есть рабочая часть 16а пластины имеет вид дуги, обращенной к оси х-х вращения вала - фиг.1А).
Когда пластина 16 оказывается под воздействием центробежной силы (фиг.2), участки рабочей части 16а пластины, находящиеся по обе стороны от нейтрального участка 16с, подвергаются сильному действию нагрузок сжатия и растяжения. Таким образом, сначала пластина 16 работает в основном на простое сжатие и деформируется лишь очень незначительно, поэтому запорный клапан 14 по существу остается в своем исходном положении.
По мере возрастания центробежной силы поперечное сечение рабочей части 16а пластины 16 меняется, и силовое соотношение между изгибом и сжатием меняется на обратное. При этом пластина 16 в основном работает на простой изгиб, и усилие, необходимое для деформирования пластины, сильно уменьшается таким образом, что запорный клапан 14 перемещается в свое другое положение, высвобождая отверстие 12 (фиг.2). В этом положении рабочая часть 16а пластины 16 имеет по существу прямое поперечное сечение, как показано на фиг.2А.
Вариант открывания и закрывания отверстия 12 вала 10 устройством регулирования в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг.3. На этой фигуре кривая 100 показывает для устройства регулирования в соответствии с настоящим изобретением относительное сечение открывания отверстия 12 вращающегося вала 10, показанного на фиг.1 и 2, в зависимости от режима вращения этого вала (выраженного в оборотах в минуту). Кривая 102 показана для эквивалентного устройства регулирования, содержащего деформирующуюся пластину линейного действия, то есть работающую на простой изгиб.
Кривая 102 показывает, что при использовании пластины линейного действия открывание отверстия происходит постепенно и пропорционально скорости вращения вала. Кроме того, аэродинамические силы, действующие на запорный клапан, накладываются на центробежную силу и препятствуют, таким образом, полному закрыванию или открыванию отверстия. При таком технологическом решении в некоторых режимах работы газотурбинного двигателя отбор воздуха может быть слишком большим, что приводит к чрезмерному нагреву некоторых чувствительных деталей и снижает КПД газотурбинного двигателя.
В отличие от этого решения при использовании пластины билинейного действия в устройстве регулирования в соответствии с настоящим изобретением полное открытие отверстия происходит мгновенно и при заранее определенной скорости вращения вала (в данном случае порядка 12000 об/мин). Аналогично полное закрытие отверстия также происходит мгновенно.
Меняя толщину и форму рабочей части пластины устройства регулирования, можно устанавливать скорость вращения вала, при которой необходимо получать полное открытие или закрытие отверстия.
Таким образом, можно управлять открыванием и закрыванием отверстия и, следовательно, регулировать количество и напор отбираемого воздуха в зависимости от реальных потребностей герметизации или охлаждения. При этом улучшаются общие характеристики газотурбинного двигателя.
Далее следует описание варианта выполнения устройства регулирования в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.4, 4А, 5 и 5А.
По сравнению с описанным выше вариантом выполнения деформируемая пластина 16' и запорный клапан 14' устройства согласно этому варианту выполнения закреплены внутри вращающегося вала 10'.
Кроме того, запорный клапан 14' расположен с возможностью открывать отверстие 12' вала 10', когда режим вращения не достигает заранее определенного значения (фиг.4), и перекрывать отверстие 10', когда режим вращения превышает заранее определенное значение(фиг.5).
Деформируемая пластина 16' билинейного действия также содержит рабочую часть 16'а, выполненную по существу параллельно оси х-х вращения вала 10'. Эта рабочая часть 16'а одним из своих концов закреплена на вращающемся валу 10', а на своем противоположном конце содержит колено 16'b, на котором закреплен запорный клапан 14'.
В своем исходном положении, соответствующем открытию отверстия 12' (фиг.4 и 4А), рабочая часть 16'а пластины 16' изогнута перпендикулярно к направлению ее деформирования. В положении, соответствующем перекрыванию отверстия 12' (фиг.5 и 5А), рабочая часть 16'а пластины 16' имеет по существу прямое поперечное сечение.
Режим деформирования пластины 16' устройства регулирования согласно этому варианту выполнения изобретения идентичен режиму, описанному для предыдущего варианта выполнения.
Вариант открывания и закрывания отверстия 12' вала 10' показан на фиг.6. Кривые 200 и 202 отражают относительное сечение открытия отверстия 12 вращающегося вала 10 в зависимости от режима вращения этого вала (выраженного в оборотах в минуту), соответственно для устройства регулирования в соответствии с настоящим изобретением и эквивалентного устройства регулирования, в котором используют деформирующуюся пластину линейного действия.
Как и в предыдущем варианте выполнения, отмечается, что при таком типе деформирующейся пластины билинейного действия (кривая 200) полное закрытие отверстия вала происходит мгновенно и при заранее определенной скорости вращения вала, тогда как в случае пластины линейного действия (кривая 202) закрывание отверстия происходит постепенно и пропорционально скорости вращения вала.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет регулировать подачу воздуха, нагнетаемого компрессором (высокого и/или низкого давления) газотурбинного двигателя, в зависимости от точных потребностей герметизации или охлаждения определенных частей газотурбинного двигателя. Количество отбираемого воздуха точно соответствует потребности элемента, предназначенного для герметизации (такого как масляная полость) или для охлаждения (такого как вал турбины). Регулирование подачи воздуха происходит автономно и независимо от других систем регулирования газотурбинного двигателя и осуществляется без приводных средств. Таким образом, улучшаются характеристики газотурбинного двигателя.
Устройство регулирования в соответствии с настоящим изобретением может применяться для регулирования герметизации масляных полостей газотурбинного двигателя, например, путем отбора на компрессоре высокого давления в критических случаях работы газотурбинного двигателя (запуск и холостой ход) и путем перевода отбора воздуха на компрессоре низкого давления, когда режим работы газотурбинного двигателя переходит на более высокие нагрузки и когда давления воздуха, отбираемого на компрессоре низкого давления, достаточно для обеспечения герметизации масляных полостей.
Устройство регулирования в соответствии с настоящим изобретением может также применяться для охлаждения подвижной лопатки турбины высокого давления газотурбинного двигателя. В этом случае воздух отбирается на уровне ступени компрессора высокого давления (он может также поступать из нижней части камеры сгорания), циркулирует внутри вала турбины и повторно сжимается вдоль диска турбины высокого давления, после чего нагнетается в контур охлаждения лопатки через ее ножку.