ВЫХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предложение относится к машиностроению, в частности к конструкции выходных устройств газотурбинных двигателей и может быть использовано в качестве выходного устройства турбовального газотурбинного двигателя со свободной турбиной при его установке на вертолет.
Выходное устройство предназначено для отвода отработавших в турбинах газов за пределы силовой установки с минимальными гидравлическими потерями.
Известно выходное устройство газотурбинного двигателя, содержащее наружный корпус и расположенный внутри корпуса обтекатель [1].
Недостатком данного устройства является то, что оно обеспечивает отвод отработавших горячих газов по продольной оси двигателя и непригодно для летательных аппаратов, например, для вертолетов с двумя двигателями, где требуется разворот газового потока от указанной оси.
Известен также насадок к выхлопному патрубку газотурбинного двигателя двухдвигательной силовой установки вертолета, выполненный в виде трубчатого элемента, примыкающего к выходу выхлопного патрубка [2].
Выходное устройство с таким насадком позволяет развернуть газовый поток, отвести отработавшие горячие газы за пределы летательного аппарата и улучшить при этом характеристики силовой установки вертолета.
Недостатком известного устройства являются его значительные габариты и вес.
Следует также отметить, что детали проточной части выходных устройств работают в тяжелых условиях. Они нагреваются потоком горячих газов, при этом температурное поле потока газов внутри выходного устройства неоднородно, что может вызвать коробление деталей и местный прогар.
Известно выходное устройство газотурбинного двигателя, содержащее корпус, внутренний канал для прохода вала назад, образованный конической поверхностью внутри газового тракта двигателя, и экран для защиты стенок корпуса и канала от высоких температур [3].
Недостатком известного устройства является наличие дополнительного устройства для защиты стенок от перегрева, что приводит к увеличению массы двигателя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является выходное устройство турбовального газотурбинного двигателя, включающее входной диффузор, кожух выводного вала, выпускной канал и стойку [4].
Недостатками известного устройства являются значительные потери полного давления за счет недостаточной плавности проточной части, а также возможность перегрева элементов конструкции.
Технический результат заявляемого решения заключается в снижении массы двигателя за счет легкого и работоспособного при высокой температуре выходного устройства оптимальных размеров, полученных путем обеспечения его максимальной диффузорности и уменьшения потерь полного давления.
Для достижения указанного технического результата в выходном устройстве газотурбинного двигателя, преимущественно для вертолета, содержащее корпус диффузора, выхлопной патрубок, выполненный с поворотом потока газов под углом к оси двигателя, и расположенный внутри
выхлопного патрубка пустотелый обтекатель для вывода вала назад, согласно предложению, угол поворота составляет 55-65°, а выхлопной патрубок выполнен профилированным от круглого сечения диффузора до овального выходного сечения в месте стыка с насадком вертолета, при этом обтекатель по ходу потока снабжен эжектором и элементом с радиальными каналами для забора охлаждающего атмосферного воздуха с возможностью дальнейшего его поступления сначала к внутренней поверхности обтекателя, а затем через эжектор вдоль наружной поверхности.
Также, согласно предложению, на внутренней поверхности обтекателя установлены теплозащитные экраны, и в месте стыка выхлопного патрубка с насадком вертолета установлен стяжной хомут с уплотнением.
Наличие отличительных признаков, а именно разворот газового потока под углом 55-65° к оси двигателя, выполнение выхлопного патрубка криволинейным, профилированным от круглого сечения диффузора до овального выходного сечения в месте стыка с насадком вертолета, выполнение обтекателя с эжектором на входе в устройство, а на выходе из него - с элементом, например фланцем, снабженным радиальными каналами для забора охлаждающего атмосферного воздуха с возможностью дальнейшего его поступления сначала к внутренней поверхности обтекателя, а затем через эжектор вдоль наружной поверхности, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид выходного устройства; на фиг.2 представлен общий вид выходного устройства с видом на обтекатель, расположенный внутри выхлопного патрубка; на фиг.3 схематично показан продольный разрез выходного устройства; на фиг.4 представлен узел уплотнения стыка выхлопного патрубка и насадка вертолета; на фиг.5 представлен эжектор.
Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа
технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, на чертежах не представлены.
В приведенном примере конкретного выполнения заявляемое выходное устройство выполнено на авиационном турбовальном газотурбинном двигателе, установленном на вертолете. Двигатель представляет собой тепловую машину, в которой происходит преобразование энергии, выделяемой при сгорании топлива, в механическую работу на выходном валу свободной турбины, кинематически не связанной с турбиной компрессора. Являясь основным источником энергии, он служит для привода несущих (несущего и рулевого) винтов и агрегатов различных систем вертолета.
Выходное устройство данного двигателя выполнено в виде расширяющегося дозвукового диффузора. Оно обеспечивает отвод отработавших горячих газов под углом от оси двигателя за пределы силовой установки вертолета.
Устройство включает корпус диффузора 1 и выхлопной патрубок 2, каждый из них представляет собой сварную конструкцию из титанового сплава (фиг.1). Выхлопной патрубок 2 изготовлен в виде специально спрофилированной трубы, изогнутой в горизонтальной плоскости под углом к оси двигателя α=60° и имеющей изменяющиеся формы поперечного сечения от кольцевого сечения на входе газового потока до овала на выходе (фиг.2). Внутри выхлопного патрубка 2 расположен затурбинный пустотелый конусный обтекатель 3 с валом свободной турбины, который выведен назад по продольной оси двигателя и при этом пересекает выхлопной патрубок 2 (фиг.3). К выходу выхлопного патрубка 2 примыкает насадок 4 вертолета с узлом уплотнения (фиг.4). Узел уплотнения включает фланец 5 выхлопного патрубка 2 и фланец 6 насадка 4, которые сопряжены между собой соединительным хомутом 7. Между внешней поверхностью стенки выхлопного патрубка 2, фланцами 5 и 6 установлено кольцевое уплотнение 8, выполненное, например, из асбестового шнура.
На входе потока газов в выходное устройство на обтекателе 3 выполнен
эжектор 9 (фиг.5).
Устройство также содержит элемент 10, выполненный в виде фланца с радиальными каналами 11, которые предназначены для забора атмосферного воздуха на охлаждение деталей выходного устройства.
Вдоль внутренней поверхности обтекателя 3 для защиты от высоких температур расположенного внутри его вала, установлены теплозащитные экраны 12.
Устройство работает следующим образом.
При работе двигателя превращение тепловой энергии в механическую работу происходит в результате осуществления процессов сжатия - расширения рабочего тела (воздуха и газа) при его движении по газовоздушному тракту двигателя.
За начальное состояние принимаются параметры рабочего тела в невозмущенном потоке, где они соответствуют стандартным атмосферным условиям.
Для увеличения мощности свободной турбины она выполнена с перерасширением в ней газа. Поэтому в полости за свободной турбиной, а именно перед корпусом диффузора 1 выходного устройства, давление ниже атмосферного. На выходе из свободной турбины газы обладают давлением Р=0,098 МПа, температурой Т=437°С, осевой скоростью 154 м/с.
В выходном устройстве происходит торможение потока газа, в результате чего статическое давление возрастает до атмосферного, а абсолютная скорость снижается до 50 м/с.
Выходящие из двигателя газы обладают некоторым запасом тепловой энергии, однако практически не создают реактивную тягу. Это является специфической особенностью вертолетного газотурбинного двигателя с поворотом потока в выходном устройстве.
Охлаждение деталей выходного устройства осуществляется двумя путями: охлаждающим воздухом, поступающим из корпуса сопловых аппаратов свободной турбины и воздухом из окружающей среды, забор
которого осуществляется через радиальные каналы 11.
Вышеуказанное разрежение в полости за свободной турбиной используется для организации воздушного охлаждения обтекателя 3. Благодаря наличию эжектора 9, охлаждающий поток воздуха меняет направление движения. При этом газовым потоком, движущимся в проточной части, охлаждающий воздух прижимается к обтекателю 3, образуя вокруг него воздушную завесу и тем самым, обеспечивая его эффективное охлаждение.
Устройство было разработано и изготовлено на заводе имени В.Я.Климова и успешно использовано на предприятии заказчика.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации:
1. Патент RU №2096631, F 01 D 25/30, F 02 K 1/04, 1997;
2. Патент RU №2230005, B 64 D 33/04, F 01 N 7/00, F 01 N 7/08, 2004;
3. Свидетельство RU №9202, B 64 D 33/08, 1999;
4. Масленников М.М., Шальман Ю.Н., «Авиационные газотурбинные двигатели», М., «Машиностроение», 1975, стр.446, рис.14.1, д.