ВЕРТОЛЕТНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОЧИСТКОЙ ВОЗДУХА ОТ ПОСТОРОННИХ ЧАСТИЦ
HELICOPTER GAS TURBINE ENGINE WITH AIR CLEANING FROM FOREIGN PARTICLES

Изобретение относится к области двигателестроения, конкретно к газотурбинным двигателям (ГТД), используемым преимущественно в силовых установках (СУ) вертолетов, но может быть использовано в наземных стационарных и передвижных газотурбинных установках (ГТУ), работающих в условиях загрязненного окружающего воздуха.
Попадание в газовоздушный тракт (ГВТ) ГТД абразивоопасных посторонних частиц песка и пыли приводит к эрозионному износу лопаток компрессора двигателя, следствием чего являются: снижение мощности двигателя и запасов его газодинамической устойчивости (помпаж), снижение прочностных характеристик, снижение безопасности полетов, ухудшение эксплуатационной технологичности, удорожание технического обслуживания в эксплуатации и ремонта двигателя, ухудшение топливной экономичности и т.п.
В итоге, вертолетные ГТД, работающие в пыльных условиях, досрочно снимаются, кратно не вырабатывая межремонтный ресурс, при этом стоимость ремонта двигателя существенно возрастает из-за необходимости полной замены лопаток компрессора.
Основной вклад в данный перечень последствий от попадания посторонних частиц в ГВТ двигателя вносит интенсивный эрозионный износ малоразмерных лопаток последних ступеней компрессора, и повышенный износ уплотняющего (изнашиваемого) слоя в зазорах рабочих колес указанных ступеней. Основная причина преждевременного съема двигателя происходит из-за снижения запасов газодинамической устойчивости работы компрессора. С целью решения обозначенной проблемы СУ вертолетов оборудуют воздухоочистительными (пылезащитными) устройствами, устанавливаемыми на входе в двигатели. Некоторые виды устройств входят в состав вертолета [1, 4], другие - в состав двигателя [2, 3]. Все они работают по принципу инерционной сепарации посторонних (тяжелых) частиц в искривленных каналах вышеуказанных воздухоочистителей.
Данные устройства уже в течение длительного времени эксплуатации вертолетной техники в той или иной мере решают задачи очистки воздуха, но по мере расширения регионов эксплуатации вертолетной техники, ужесточения условий эксплуатации в загрязненной атмосфере, по мере увеличения межремонтного ресурса двигателей, проблема недостаточности очистки воздуха вообще и особенно перед последними ступенями компрессора закономерно сохраняет свою актуальность и требует решения. В этой связи, не снимая задачи по совершенствованию воздухоочистительных устройств на входе в двигатели, правомерна постановка вопроса об использовании и других возможных способов и устройств, увеличивающих способность ГТД работать в загрязненной атмосфере.
Известно, что в ступенях осевого компрессора частицы песка и пыли от взаимодействия с вращающимися рабочими лопатками компрессора приобретают радиальную составляющую скорости движения и, двигаясь вместе с воздушны потоком вдоль компрессора двигателя, одновременно перемещаются из центральных зон проточного канала к периферийной зоне. В итоге пройдя несколько осевых ступеней основная масса посторонних частиц собирается у внешней стенки проточного канала и движется по поверхности стенки в тонком пристеночном слое в виде пылевого концентрата с большой объемной плотностью. Участки пера лопаток рабочего колеса (РК) и спрямляющего аппарата (СА), находящиеся в зоне взаимодействия с указанным концентратом, подвергаются наиболее интенсивному абразивному износу. Например, по величине абразивного износа (надрезу материала у корня) лопатки СА 6-й ступени компрессора контролируют степень абразивной изношенности двигателя ТВ2-117А [7].
Также известно, что у современных ГТД с осевым компрессором в зоне средних ступеней (в зоне, где посторонние частицы в основном уже отсепарированы к периферии) обычно располагаются отборы воздуха от компрессора, необходимые для обеспечения работоспособности самого двигателя (в систему охлаждения теплонагруженных деталей, перепуска воздуха в противопомпажной системе), а также отборы воздуха на нужды летательного аппарата (ЛА) (систему кондиционирования, противообледенительную, воздушного запуска соседней СУ и др.).
Следствием вышеизложенных факторов правомерным является вывод о наличии противоречивой ситуации - с одной стороны, сам двигатель сепарирует и концентрирует в локальной зоне абразивоопасный материал до поступления его в последние ступени, после чего весь абразивный концентрат направляется в наиболее уязвимые последние ступени.
С другой стороны, имеющиеся в компрессоре средства отвода воздуха из зоны нахождения концентрата, расположенные до входа в последние ступени компрессора, не используются для отвода и удаления абразива из канала компрессора, в результате чего двигатели быстро выходят из строя.
Фактически в долговременную программу рабочего процесса вертолетного ГТД заложена подпрограмма быстрого саморазрушения и самоуничтожения его при работе в абразивоопасной среде. В конструкции многих вертолетных двигателей в качестве последних ступеней вместо быстроизнашиваемых осевых ступеней в качестве высоконапорной части используют эрозионностойкую центробежную ступень и, кроме того, в комплект двигателя [2, 3] включают эффективный воздухоочистительный модуль на входе.
Поскольку в отечественных вертолетных ГТД, выпускаемых в настоящее время, в компрессоре используются осевые ступени и не устанавливается входной воздухоочистительный модуль (устанавливается вертолетное пылезащитное устройство - ПЗУ), то задачу повышения эрозионной стойкости двигателя можно решать за счет повышения эффективности воздухоочистки в вертолетном ПЗУ, а также за счет использования очистных возможностей самого вертолетного ГТД. Именно на решение данной задачи и направлено настоящее изобретение.
Известны устройства, использующие для очистки воздуха, поступающего в ГТД от посторонних частиц, сепарационные и очистные свойства самого ГТД. В наземной ГТУ, описанной в [5], для этой цели используют сепарацию частиц после рабочего колеса первой ступени компрессора (первая ступень очистки) и в двух последующих ступенях компрессора низкого давления (вторая ступень очистки). Опыт эксплуатации подобного устройства показал, что получаемая степень очистки воздуха от посторонних частиц не соответствует требуемому уровню. Причина неэффективной работы устройства заключается в недостаточной сепарации частиц в первой ступени очистки и в нерациональном, с точки зрения получения эффективной очистки, исполнении отвода отсепарированных частиц во второй ступени очистки. В результате большая часть посторонних предметов не отводится из потока, а следует к последующим ступеням компрессора высокого давления.
В другом устройстве [6] решается задача сепарационного радиального перемещения посторонних частиц к периферии проточного канала в ступени осевого компрессора и одновременно предлагается вариант отвода отсепарированных частиц за внешние габариты венца СА за счет увеличенного осевого зазора между венцами РК и СА. По совокупности признаков заявляемого устройства, совпадающих с признаками устройства-аналога, изобретение [6] принято в качестве прототипа.
Сущность настоящего изобретения состоит в использовании процесса сепарации посторонних частиц, происходящего в передних ступенях компрессора, а также процесса концентрации абразивного материала в пристеночном слое последней осевой ступени, находящейся перед ступенями высокого давления, формировании эффективного процесса отвода концентрата из проточного канала указанной ступени с высокой степенью очистки воздуха, а также в использовании для отвода концентрата из воздушного потока пространства осевого зазора между венцом РК и СА, в использовании, при последующем выводе концентрата, системы отборов воздуха для нужд двигателя и ЛА (доработанной для возможности осуществления эффективного отбора концентрата). Кроме того, в изобретении предлагается вариант решения задачи по снижению потерь мощности ГТД при отборе вместе с посторонними частицами некоторой части воздуха.
В результате внедрения настоящего изобретения:
- приобретают соответствующий статус, приоритетность и реализуются требования по сохранению работоспособности ГТД в агрессивной абразивной среде;
- устраняются противоречия в использовании рабочих процессов, происходящих в вертолетном ГТД;
- снижается эрозионный износ высоконапорной части компрессора и сохраняется к.п.д двигателя в течение более длительного времени работы, соответствующем получаемой степени очистки воздуха;
- увеличивается межремонтный ресурс двигателя при работе в запыленной атмосфере за счет сохранения запасов газодинамической устойчивости;
- улучшаются характеристики топливной экономичности ГТД;
- затраты на доработку двигателя, предназначенного для работы в загрязненной атмосфере, существенно меньше ожидаемого положительного эффекта, от увеличения межремонтного ресурса;
- снижаются финансовые затраты по всему жизненному циклу двигателя.
Помимо вышеобозначенных моментов по очистке воздуха перед последними ступенями осевого компрессора правомерна постановка вопроса о концептуальном облике вертолетного ГТД с осевым компрессором, в соответствии с которым все передние ступени осевого компрессора могут включаться в систему очистки воздуха, поступающего к последним осевым ступеням высокого давления.
Сущность заявленного вертолетного ГТД с очисткой воздуха от посторонних частиц поясняется схемой и эскизами, на которых изображены:
- на фиг. 1 - продольный разрез компрессорной части ГТД;
- на фиг. 2 - продольный разрез осевой ступени компрессора, из которой производится отвод отсепарированных посторонних частиц (место А фиг 1);
- на фиг. 3 - поперечный разрез осевой ступени в зоне отвода посторонних частиц (разрез по Б-Б фиг. 2).
В состав вертолетного ГТД входит многоступенчатый осевой компрессор - 1 (фиг. 1), с передней входной стороны перед ним располагается воздухоочистительное устройство - 1', которое может входить в состав ГТД в виде отдельного модуля (сепаратора посторонних частиц [2, 3]), или пылезащитное устройство, входящее в состав СУ вертолета [1, 4]. Сзади компрессора располагается камера сгорания 1''. Условно весь компрессор по длине разбит на три группы (фиг. 1):
- поз. 2 - группа передних ступеней низкого давления;
- поз. 3 - группа средних ступеней, соответственно, среднего давления;
- поз. 4 - группа последних ступеней высокого давления.
В известных отечественных вертолетных ГТД, (ТВ2-117А, ТВ3-117) с осевым компрессором в серединной его части (между группами 3 и 4) выполняются отборы воздуха, потребные для обеспечения работоспособности двигателя, и для обеспечения нужд ЛА - поз. 3'. С этой целью в последний ступени группы среднего давления на участке расположения венца СА в корпусе 11 (фиг. 2) компрессора и кольце 15 (СА с лопатками 21) выполнены отверстия 20', через указанные отверстия воздух из проточного канала ступени поступает в полость сборно-раздаточной коробки 19 перепуска воздуха из компрессора 11 и далее по патрубку 20 следует к потребителю или на выброс (в противопомпажной системе).
Однако приведенный пример выполнения отбора воздуха из-за осевой ступени не позволяет осуществлять эффективный отвод посторонних частиц, движущихся в пристеночном слое 24 и вывод их из проточного канала.
В настоящем изобретении отвод воздуха из проточного канала ступени компрессора выполнен на участке между венцами рабочего колеса и последующего спрямляющего аппарата. С этой целью в ступени компрессора между кольцом 12 рабочих лопаток 13 и кольцом 15 спрямляющих лопаток 21 выполнено боковое ответвление от проточного канала ступени, представляющее собой пространственный отводной канал, примыкающий к внешней стенке проточного канала ступени по всему окружному периметру канала. Начало ответвления расположено в районе плоскости выходного фронта лопаточной решетки рабочего колеса. У кольца 12 выполнена хвостовая часть, имеющая форму расширяющегося конуса 14, которая продолжается в пределах осевого зазора ступени и заканчивается выходной кромкой 14'. Указанная конусная поверхность является внешней стенкой проточного канала ступени и одновременно внешней стенкой бокового ответвления. Выходная кромка 14' внешней стенки имеет радиальный размер больше радиального размера входного отверстия в спрямляющий аппарат ступени. На входе в спрямляющий аппарат ступени по внешнему периметру входа с передней стороны кольца 15 выполнен разделитель потоков, имеющий разделительную кромку 17 в форме окружности с радиусом, равным или близким по размеру радиусу входного отверстия спрямляющего аппарата ступени, и конусную поверхность 15', начинающуюся от разделительной кромки 17 и продолжающуюся назад и во внешнюю сторону к корпусу 11 компрессора.
Между выходной кромкой 14' стенки бокового ответвления и конусной поверхностью 15' разделителя потоков образовано кольцевое отверстие 25, через которое проточный канал ступени сообщается с кольцевой камерой 16, образованной между кольцами 12, 15 и внутренней поверхностью корпуса 11. Через отверстия 18 в корпусе 11 камера 16 сообщается с внутренней полостью сборно-раздаточный коробки 19 перепуска воздуха из компрессора.
Двигатель работает следующим образом. При работе двигателя в загрязненной атмосфере воздух проходит очистку во входном воздухоочистительном устройстве 1' - фиг. 1 и далее поступает во вход компрессора 1. Однако, даже в очищенном воздухе всегда остается некоторое количество посторонних частиц, которые при определенных условиях также могут приводить к эрозионному износу деталей ГТД, особенно в высоконапорных ступенях компрессора. Проходя через передние ступени низкого и среднего давления - 2, 3 компрессора посторонние частицы сепарируются к периферии проточного канала, следуя по траекториям - 5. В конце группы средних ступеней 3 посторонние частицы в основной своей массе достигают внешнюю стенку проточного канала компрессора и движутся вдоль нее в пристеночном слое потока. В последней осевой ступени средней группы 3 (перед ступенями высокого давления - 4) выполнен отбор воздуха от компрессора - 8', который в соответствии с настоящим изобретением выполнен с учетом необходимости удаления из проточного канала пристеночного слоя воздуха вместе с находящимися в нем посторонними частицами.
Отбор воздуха вместе с посторонними частицами из пристеночного слоя - 24 фиг. 2 производится на участке межосевого зазора ступени, ширина которого h - 26 выполнена исходя из условия обеспечения перемещения основной массы посторонних частиц за пределы разделительной кромки 17 к кольцевому отверстию 25. Из этих же условий выполнен радиальный размер выходной кромки 14', обеспечивающий радиальное превышение над кромкой 17 и необходимую ширину кольцевого отверстия 25. В данном случае решается сепарационная задача, аналогичная той, которая решается в прототипе [6], только в настоящем случае длина участка сепарации существенно меньше, поскольку посторонние частицы уже отсепарированы и локализованы в периферийном пристеночном слое потока.
Исполнение места отбора воздуха на участке выхода потока из рабочего колеса ступени обеспечивает посторонним частицам после прекращения их взаимодействия с рабочей лопаткой 13 - фиг. 3 на выходной кромке 13' векторы скорости Vч - 25 с высоким значением тангенциальной составляющей скорости (в направлении вращения по стрелке u-26) и наличием радиальной составляющей, благодаря чему посторонние частицы имеют возможность двигаясь с пристеночным слоем 24 преодолевать радиус разделительной кромки 17 на относительно коротком участке h - 26 осевого зазора (фиг. 2).
В итоге, воздушный поток на участке между венцами рабочего колеса и спрямляющего аппарат ступени разделяется на два потока: - основной прямой поток очищенного воздуха, движущийся к ступени высокого давления (к лопаткам 23 фиг. 2), и поток воздуха из пристеночного слоя вместе с основой массой посторонних частиц, отводимой во внешнюю сторону по боковому ответвлению - вдоль стенки 14, через кольцевое отверстие 25, камеру 16, отверстия 18 в корпусе 11 компрессора, в полость сборно-раздаточной коробки 19, по патрубку 20 к потребителю или на выброс, при этом количество воздуха, отводимого вместе с посторонними частицами, соизмеримо с другими отборами воздуха, потребными на нужды двигателя и ЛА.
В результате выполнения отвода посторонних частиц из воздушного потока лопатки последующих ступеней высокого давления - 23, а также изнашиваемый уплотняющий слой 22 не подвергаются быстрому абразивному износу, двигатель дольше сохраняет свои рабочие характеристики и параметры, обеспечивается его межремонтный ресурс.
Поскольку отборы воздуха из средней части компрессора могут приводить к ощутимым потерям мощности двигателя (и к другим отрицательным последствиям), то с целью снижения указанных потерь в предлагаемом изобретении представлен вариант вертолетного ГТД с очисткой воздуха от посторонних частиц, в состав которого входит очистительный блок 10 фиг. 1, использующий противоточные или прямоточные циклоны. Данный очистительный блок включен в тракт отвода из компрессора воздуха, отбираемого вместе с содержащимися в нем отсепарированными посторонними частицами, и предназначен для очистки указанного воздуха от посторонних частиц с целью использования очищенного воздуха в системах двигателя или ЛА. Рабочие характеристики указанного очистительного блока выполнены исходя из требований потребителей, использующих очищенный в блоке воздух.
Отбор из компрессора воздуха с отсепарированными частицами выполнен через отвод 8' и далее, через кран 9, концентрат поступает в очистительный блок 10. В блоке воздух очищается от посторонних частиц в циклонах (на фиг. 1 в очистительном блоке показан вариант с использованием прямоточных циклонов), отделенные посторонние частицы удаляются из блока по отводу 10', очищенный воздух по отводу 10'' направляется к потребителям (например, в систему охлаждения свободной турбины с возвращением энергии сжатого воздуха в рабочий цикл двигателя). Благодаря предлагаемой схеме функционально совмещенного отбора и использования отбираемого от компрессора воздуха с посторонними частицами потери мощности двигателя можно существенно снизить.
Если в конструкции вертолетного ГТД заложена возможность отбора воздуха в зоне передних ступеней компрессора (низкого давления), а также имеется возможность на участке указанных ступеней обеспечить сепарацию посторонних частиц к периферии проточного канала компрессора, то данное обстоятельство также целесообразно использовать в целях очистки воздуха, поступающего в ГТД.
Предлагаемая схема работы системы очистки воздуха в компрессоре вертолетного ГТД может быть использована на других ГТУ, в которых существуют отборы воздуха из промежуточных ступней компрессора. В частности, в аналоге [5] имеется возможность производить отвод отсепарированных частиц в 1-й и после 3-й ступени компрессора, поскольку в конструкции двигателя заложена возможность отбора воздуха из указанных ступеней. На основании этого в аналоге предлагается сформировать в компрессоре две ступени очистки - поз. 6 и 7 фиг. 1, имеющие в каждой ступени свой отвод 6' и 7' пылевого концентрата.
Однако сепарационных возможностей лопатки 1-й ступени недостаточно для перемещения основной массы мелких посторонних частиц из привтулочной и средней зоны проточного канала к периферии. В результате большая доля посторонних частиц в 1-й ступени из потока не удаляется. Если исходить из предположения, что в результате суммарного сепарирующего воздействия первых 3-х осевых ступеней (поз. 6 и 7) основная масса посторонних частиц достигает периферийной зоны проточного канала, то выполнив в 3-й ступени отвод отсепарированных частиц в соответствии с настоящим изобретением можно будет достигнуть более высокой степени очистки воздуха.
Источники информации
1. Патент US №3421296 14.01.1969 В64С 21/00, В01d 45/12.
2. Патент US №4527387 09.07.1985 F02G 3/00.
3. Рекламные материалы фирмы Safran (Франция) о двигателях семейства Aneto (RTM-322) мощностью 2500-3000 л.с, 2018 г.
4. В.А. Данилов, В.М. Занько, Н.П. Калинин, А.И. Кривко
Вертолет Ми-8 МТВ, Москва, Транспорт, 1995 г. Пылезащитное устройство, стр. 164.
5. Патент RU №2198311 03.01.2001, F02C 7/052.
6. Патент RU №2594832 05.02.2015, F02C 7/052, F04D 29/70.
7. Бюллетень № C 79-569 Двигатель ТВ2-117А 15.10.1973 г.