Устройство для запуска газотурбинного двигателя
DEVICE FOR STARTING GAS TURBINE ENGINE

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, 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, с аппаратом закрутки статора, снабжено управляющим клапаном, размещенным в трубопроводе, соединяющем вспомогательную силовую установку с системой охлаждения турбины, воздуховодом, установленным во внутреннем тракте сопловых лопаток турбины, при этом воздуховод сообщен и с вспомогательной силовой установкой и с аппаратом закрутки статора, 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, установленного во внутреннем тракте сопловых лопаток турбины, и сообщение его и с вспомогательной силовой установкой и с аппаратом закрутки статора позволяет подать воздух высокого давления от вспомогательной силовой установки к охлаждаемым 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.
Устройство поясняется чертежами
Фиг. 1 - продольный разрез газотурбинного двигателя.
Фиг. 2 - разрез по каналам аппарата закрутки статора в направлении вращения рабочего колеса.
Фиг. - 3 направление векторов скорости на режиме запуска («турбинный» режим).
Фиг. - 4 показано направление векторов скорости на стационарном режиме («компрессорный» режим).
Фиг. 5 - 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, и аппарат закрутки статора 17.
Внутренняя полость 18 охлаждаемых рабочих лопаток 15 сообщена через щели в выходных кромках 19 с проточной частью турбины 11.
Управляющий клапан 20 размещен в трубопроводе 7, соединяющем вспомогательную силовую установку 6 с системой охлаждения турбины 8.
Устройство для запуска газотурбинного двигателя снабжено воздуховодом 21, установленным во внутреннем тракте 10 сопловых лопаток турбины 9. При этом воздуховод 21 сообщен и с вспомогательной силовой установкой 6, и с аппаратом закрутки статора 17.
Каналы 22 аппарата закрутки статора 17 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 21 во внутреннем тракте 10 сопловых лопаток 9 воздух поступает в аппарат закрутки статора 17. Поскольку двигатель не работает, то в проточной части 11 и за аппаратом закрутки статора 17 устанавливается давление, близкое к давлению окружающей среды. Таким образом, на аппарате закрутки статора 17 создается сверхзвуковой перепад и поток воздуха с абсолютной скоростью С выходит из каналов 22 аппарата закрутки статора 17 и устремляется в воздушные каналы 16 в рабочем колесе 13 турбины 3.
max
Поскольку диск 14 турбины 3 не вращается или вращается с малыми оборотами (n≤n), то его окружная скорость U невелика, и поэтому относительная скорость потока W в воздушных каналах 16 рабочего колеса 13 по модулю и по направлению близка к абсолютной скорости потока С, реализуется так называемый «турбинный» режим. Поток воздуха давит на стенки воздушных каналов 16 в направлении вращения ротора 1. Это первая область подвода мощности для раскрутки ротора. Потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую энергию. Начитается раскрутка ротора 1. При этом мощность пропорциональна оборотам ротора 1.
В воздушных каналах 16 рабочего колеса 13 происходит некоторое увеличение давления потока воздуха за счет центробежных сил начинающего раскрутку диска 14 турбины 3. Этот воздух поступает во внутреннюю полость 18 рабочей лопатки 15 турбины 3 и выбрасывается через щели в выходной кромке 19 рабочей лопатки 15 в проточную часть 11, образуя реактивную струю и тем самым создавая вторую область подвода мощности для раскрутки.
Одновременно с подачей воздуха от вспомогательной силовой установки 6 на аппарат закрутки статора 17 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 увеличивая мощность раскрутки ротора 1. Это третья область подвода мощности для раскрутки ротора.
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 нарастают 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 20 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, постепенно в воздушных каналах 16 рабочего колеса 13 реализуется «компрессорный» режим, т.е. в аппарат закрутки статора 17 подается воздух, отбираемый из воздушного тракта двигателя. На аппарате закрутки статора 17 реализуется штатный режим, в котором носителем основной мощности является турбина 3.
По мере раскрутки у диска 14 появляется окружная скорость и поэтому относительная скорость потока в этом случае уже равна сумме векторов абсолютной и окружной скоростей, так называемый «компрессорный» режим. Происходит преобразование механической работы вращения ротора 1 в потенциальную энергию воздушного потока. Ротор 1 выходит на стационарный режим.
Реализация данного изобретения позволяет упростить и повысить надежность запуска, а также значительно расширить диапазон запуска двигателя, в частности при отказе двигателя в полетных условиях, снизить вес системы запуска двигателя за счет исключения элементов дополнительной механической раскрутки ротора.