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, 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 (патент РФ №2241844, МПК F02С 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 является 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, или подвести к ротору механическую энергию, что значительно усложняет процесс запуска, особенно в экстремальных условиях для запуска (при высоких температурах окружающей среды, высокогорных условиях, на режимах авторотации), а также снижает надежность запуска из-за высокой вероятности поломки элементов трансмиссии.
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 известное 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, снабжено системой подвода воздуха высокого давления, системой подвода воздуха низкого давления, клапаном, размещенным в системе подвода воздуха высокого давления, дополнительным клапаном, размещенным в системе подвода воздуха низкого давления, воздуховодом, выполненным во внутреннем тракте сопловых лопаток турбины, аппаратом закрутки статора, безлопаточным диффузором, каналами подвода воздуха высокого давления, каналами подвода воздуха низкого давления, и рабочими лопатками, имеющими внутреннюю полость, разделенную вдоль средней линии профиля перегородкой, образующей канал, примыкающий к корыту профиля, и канал, примыкающий к спинке профиля, при этом канал, примыкающий к корыту профиля, последовательно сообщен через каналы подвода воздуха высокого давления, безлопаточный диффузор, аппарат закрутки статора, воздуховод, и с системой подвода воздуха высокого давления и со вспомогательной силовой установкой, а канал, примыкающий к спинке профиля, сообщен через каналы подвода воздуха низкого давления с системой подвода воздуха низкого давления, причем каналы, примыкающие к корыту и спинке профиля, через перфорационные отверстия на корыте и спинке соответственно сообщены с проточной частью турбины, а каналы аппарата закрутки статора направлены в сторону вращения рабочего колеса.
Снабжение устройства системой подвода воздуха высокого давления и системы подвода воздуха низкого давления позволяет иметь два автономных источника подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины с требуемым уровнем давления.
Снабжение клапаном, размещенным в системе подвода воздуха высокого давления, позволяет перекрывать воздух, идущий в систему охлаждения турбины на режимах запуска, а на стационарных режимах при открытии клапана обеспечивать подачу охлаждающего воздуха к сопловым и рабочим лопаткам турбины.
Снабжение дополнительным клапаном, размещенным в системе подвода воздуха низкого давления, позволяет перекрывать воздух, идущий на рабочие лопатки турбины на режимах запуска, а на стационарных режимах при открытии дополнительного клапана обеспечивать подачу охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам турбины.
Снабжение рабочими лопатками, имеющими внутреннюю полость, разделенную вдоль средней линии профиля перегородкой, образующей канал, примыкающий к корыту профиля, и канал, примыкающий к спинке профиля и сообщение канала, примыкающего к корыту профиля, через каналы подвода воздуха высокого давления, безлопаточный диффузор, аппарат закрутки статора, воздуховод, с системой подвода воздуха высокого давления, а канала, примыкающего к спинке профиля, через каналы подвода воздуха низкого давления с системой подвода воздуха низкого давления позволяет запитать канал, примыкающий к спинке профиля, более «дешевым» с точки зрения термодинамики двигателя воздухом низкого давления, поскольку на спинке профиля рабочей лопатки турбины происходит разгон воздушного потока, в результате которого давление вдоль спинки профиля падает, а канал, примыкающий к корыту профиля, воздухом высокого давления, поскольку на корыте профиля рабочей лопатки турбины разгон воздушного потока происходит медленнее, чем на спинке профиля, поэтому давление вдоль корыта профиля значительно выше, чем на спинке профиля, таким образом, требуется источник воздуха высокого давления.
Сообщение канала, примыкающего к корыту профиля, и с системой подвода воздуха высокого давления и с вспомогательной силовой установкой, позволяет на режимах запуска подавать воздух от вспомогательной силовой установки в систему охлаждения турбины, а на режимах выше режима «малого газа» и стационарных режимах подавать охлаждающий воздух из системы подвода воздуха высокого давления, тем самым обеспечивая раскрутку на режимах запуска и охлаждение элементов турбины на стационарных режимах.
Сообщение каналов, примыкающих к корыту и спинке профиля, через перфорационные отверстия с проточной частью турбины, позволяет обеспечить требуемое температурное состояние пера рабочей лопатки турбины на стационарных режимах работы двигателя, а на режимах запуска при подаче воздуха от вспомогательной силовой установки в канал, примыкающий к корыту профиля, и перекрытию подачи воздуха в канал, примыкающий к спинке профиля, обеспечить выброс струи воздуха из перфорационных отверстий на корыте профиля, создавая тем самым крутящий момент на рабочем колесе 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.
На фиг. 1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя.
На фиг. 2 показано сечение профиля рабочей лопатки турбины.
На фиг. 3 приведен продольный разрез рабочей лопатки турбины, показывающий канал, примыкающий к корыту профиля.
На фиг. 4 приведен продольный разрез рабочей лопатки турбины, показывающий канал, примыкающий к спинке профиля.
На фиг. 5 показан разрез по каналам аппарата закрутки статора в направлении вращения рабочего колеса.
Устройство для запуска газотурбинного двигателя содержит ротор 1, образованный компрессором 2, 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, и рабочее колесо 13 с диском 14 и рабочими лопатками 15.
Также устройство для запуска содержит систему подвода воздуха высокого давления 16, систему подвода воздуха низкого давления 17, клапан 18, размещенный в системе подвода воздуха высокого давления 16, дополнительный клапан 19, размещенный в системе подвода воздуха низкого давления 17, воздуховод 20, выполненный во внутреннем тракте 10 сопловых лопаток 9 турбины 3, аппарат закрутки статора 21, безлопаточный диффузор 22, каналы подвода воздуха высокого давления 23 и каналы подвода воздуха низкого давления 24.
Рабочие лопатки 15 имеют внутреннюю полость 25, разделенную вдоль средней линии профиля перегородкой 26, образующей канал, примыкающий к корыту профиля 27, и канал, примыкающий к спинке профиля 28.
Канал, примыкающий к корыту профиля 27, последовательно сообщен через каналы подвода воздуха высокого давления 23, безлопаточный диффузор 22, аппарат закрутки статора 21, воздуховод 20, и с системой подвода воздуха высокого давления 16 и с вспомогательной силовой установкой 6.
Канал, примыкающий к спинке профиля 28, сообщен через каналы подвода воздуха низкого давления 24 с системой подвода воздуха низкого давления 17.
Каналы 27 и 28, примыкающие к корыту и спинке профиля, через перфорационные отверстия на корыте 29 и спинке 30 соответственно сообщены с проточной частью турбины 11.
Каналы аппарата закрутки статора 31 направлены в сторону вращения рабочего колеса 13.
Устройство для запуска газотурбинного двигателя работает следующим образом.
При запуске газотурбинного двигателя клапаном 18 и дополнительным клапаном 19 перекрывается подача охлаждающего воздуха из системы подвода воздуха высокого давления 16 в систему охлаждения турбины 8 и из системы подвода воздуха низкого давления к рабочим лопаткам 15 соответственно. Одновременно воздух от вспомогательной силовой установки 6 подается в систему охлаждения турбины 8, а именно через воздуховод 20 во внутреннем тракте 10 сопловых лопаток 9 воздух поступает в аппарат закрутки статора 21. Так как двигатель не работает, то за аппаратом закрутки статора 21 устанавливается давление, близкое к давлению окружающей среды. Поскольку современные вспомогательные силовые установки подают воздух высокого давления, то на аппарате закрутки статора 21 создается сверхзвуковой перепад, и поток воздуха выходит из каналов аппарата закрутки статора 31 и устремляется в безлопаточный диффузор 22.
Известно, что в безлопаточном диффузоре 22 в результате торможения потока воздуха происходит повышение давления на выходе из него. В случае неподвижного безлопаточного диффузора 22, когда на запуске диск 14 не вращается или имеет минимальную скорость, это условие остается справедливым.
Таким образом, поток воздуха выходит из безлопаточного диффузора 22 с более высоким давлением и поступает в каналы подвода воздуха высокого давления 23. За счет большего давления на выходе из безлопаточного диффузора 22 массовый расход воздуха, поступающего в каналы подвода воздуха высокого давления 23 увеличивается. За счет сил давления увеличенного расхода воздуха на стенки каналов подвода воздуха высокого давления 23 повышается мощность раскрутки ротора 1 - это первая область подвода мощности для раскрутки ротора 1.
Далее воздух поступает в канал, примыкающий к корыту профиля 27, и через перфорационные отверстия на корыте 29 истекает в проточную часть турбины 11, создавая реактивную силу в направлении вращения рабочего колеса 13 - это вторая область подвода мощности для раскрутки ротора 1.
При увеличении скорости истечения и массового расхода воздуха, проходящего через рабочие лопатки турбины 15 на запуске, при постоянстве расхода воздуха от вспомогательной силовой установки 6, уменьшаются утечки воздуха из тракта охлаждения в проточную часть турбины 11.
Следует отметить, что подача воздуха из системы подвода воздуха низкого давления 17 через каналы подвода воздуха низкого давления 24 в канал, примыкающий к спинке профиля 28, перекрыта дополнительным клапаном 19, поскольку в случае истечения воздуха из перфорационных отверстий на спинке профиля 30, создается крутящий момент против вращения рабочего колеса 13, что снижает эффективность раскрутки ротора 1.
Одновременно с подачей воздуха от вспомогательной силовой установки 6 через воздуховод 20 к аппарату закрутки статора 21, воздух от вспомогательной силовой установки 6 поступает во внутренний тракт 10 сопловых лопаток 9, где направляется через щели в выходных кромках 12 сопловых лопаток 9 в проточную часть турбины 11 и попадает на рабочие лопатки 15, тем самым увеличивая мощность раскрутки ротора 1. Это третья область подвода мощности для раскрутки ротора 1.
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 нарастает 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».
При выходе двигателя на устойчивый режим работы, после отключения вспомогательной силовой установки 6, клапан 18 и дополнительный клапан 19 открываются, и охлаждающий воздух из системы подвода воздуха высокого давления 16 направляется в сопловые 9 и рабочие лопатки 15, а из системы подвода воздуха низкого давления 17 направляется в рабочие лопатки 15 соответственно. Реализуется штатный режим, в котором носителем основной мощности является турбина 3.
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.