АГРЕГАТ УПРАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДЕНИЕМ ТУРБИНЫ ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использована в системах охлаждения турбин газотурбинных (ГТД) и турбореактивных (ТРД) двигателей летательных аппаратов.
Известна система охлаждения турбины ГТД, содержащая последовательно соединенные между собой воздушными каналами компрессор, обратный клапан-сигнализатор, нагнетатель с узлом регулирования его производительности, соединенный с ротором двигателя. В турбине ГТД выполнены охлаждаемые каналы, соединенные с выходом теплообменника, входом подсоединенного к нагнетателю. Система также содержит клапан аварийного сброса, соединенный своим входом с выходом охлаждаемых каналов, а выходом - с проточной частью турбины, подкачивающий насос, соединенный с баком для охладителя. На лимитирующей температуру детали турбины установлен датчик температуры, определяющий в процессе работы турбины текущую температуру этой детали. Выход датчика соединен с узлом регулирования производительности нагнетателя, с краном аварийного сброса и с подкачивающим насосом.
В процессе работы системы сжатый воздух, являющийся основным охладителем предлагаемой системы, от компрессора через обратный клапан-сигнализатор поступает на нагнетатель, в котором происходит дополнительное повышение его давления и, соответственно, улучшение теплофизических свойств за счет увеличения его плотности и объемной теплоемкости. Изменение производительности нагнетателя обеспечивается работой узла ее регулирования, изменяющего или частоту вращения ротора нагнетателя, или угол установки лопаток его входного направляющего аппарата, или какой-либо другой параметр.
После нагнетателя сжатый воздух с повышенным полным давлением сначала поступает на вход теплообменника, в котором происходит его охлаждение, а затем в охлаждаемые каналы турбины.
В датчике температуры формируется управляющий сигнал, пропорциональный измеренной температуре. Если температура не превышает расчетную величину, то система осуществляет работу по принципу работы системы охлаждения закрытого типа. В данном случае основная часть подогретого в охлаждаемых каналах воздуха проходит через закрытый клапан аварийного сброса обратно на вход в нагнетатель. Таким образом обеспечивается принудительная циркуляция основной части охладителя в замкнутом контуре, при этом охладитель используется многократно и играет роль промежуточного теплоносителя, отбирая тепло от нагретых элементов турбины и отдавая его в теплообменнике. Съем тепла от нагретого охладителя в теплообменнике осуществляется внешними источниками хладоресурса, такими, как забортный воздух, бортовое топливо, воздух наружного контура.
При увеличении температуры детали турбины выше расчетной, но ниже максимально допустимой формируется управляющий сигнал на включение подкачивающего насоса, посредством которого на вход в нагнетатель из емкости подается дополнительный охладитель с повышенными теплофизическими параметрами. При этом значительно увеличивается отвод тепла от нагретых деталей турбины ГТД. При снижении температуры деталей турбины до расчетного значения с датчика снимается команда на включение насоса. (см. патент РФ №2263219, кл. F02C 7/12, 2005 г.)
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она обеспечивает интенсивное охлаждение узлов турбины за счет принудительной циркуляции охладителя и регулирования его расхода. Однако, данная система весьма сложна, обладает довольно большой инерционностью, что не позволяет эффективно использовать ее при работе двигателя на переходных и предельных режимах. Кроме того, она не позволяет осуществлять охлаждение агрегатов, осуществляющих управление работой двигателя в процессе его работы.
Известна система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину авиационного двигателя, содержащая агрегат управления расходом воздуха, выполненный в виде корпуса, в котором с возможностью перемещения размещен шток-поршень. В корпусе образованы две изолированные друг от друга полости, в первой из которых расположен поршень шток-поршня, а во второй - выполненный на штоке запирающий клапан. Часть полости, в которой расположен поршень (бесштоковая) имеет канал подвода топлива. В поршне выполнен канал для перепуска топлива из бесштоковой части полости в штоковую, которая каналом сообщена со сливом топлива. В штоковой части полости размещен упругий элемент.
Запирающий клапан, расположенный во второй полости корпуса, имеет профилированные пояски, имеющие возможность контакта с седлами, выполненными в полости. К данной полости подведены каналы для связи полости с воздухо-воздушным тепелообменником (ВВТ) и клапанным устройством, регулирующим подвод охлаждающего воздуха к турбине. Вторая полость корпуса также имеет возможность связи посредством воздушного канала с полостью мотогондолы.
Запирающий клапан, размешенной во второй полости корпуса, попеременно сообщает через воздухопроводы с полостью коллектора командного давления управляющего воздуха, сообщенного через каналы, образованные в кожухе камеры сгорания и крышках, с надпоршневыми полостями клапанов, при закрытии перекрывающего устройства или с полостью мотогондолы при его открытии соответственно.
В процессе работы системы, при запуске и работе двигателя на дроссельных режимах, характеризующихся пониженной температурой газов перед турбиной, воздух из полости коллектора охлаждающего воздуха по воздухопроводу поступает на вход второй полости агрегата управления. Под действием пружины шток-поршень находится в положении, разделяющем между собой вторую полость и воздух по воздухопроводу попадает в коллектор командного давления. При этом система управления расходом воздуха, охлаждающего турбину, находится в положении "закрыто" и одновременно обеспечивает минимально допустимый "дежурный" расход охлаждающего воздуха на дроссельном режиме.
При работе двигателя на режимах, близких к максимальным и максимальных, характеризующихся повышенной температурой газов перед турбиной, в первую полость, в ее бесштоковую часть, подается под давлением топливо, в результате чего шток-поршень, преодолевая усилие пружины, перемещает шток-поршень в положение, перекрывающее канал сообщения с ВВТ и соединяющее вторую полость со сливом (с полостью мотогондолы), в результате чего срабатывает клапанный механизм и охлаждающий воздух поступает в полном объеме на охлаждение турбины. (см. патент РФ №2194179, кл. F02C 9/00, 2002 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известного агрегата, необходимо отметить, что она весьма надежна, характеризуется низкими удельными нагрузками и температурой, однако, в процессе работы ГТД (или ТРД) сам агрегат управления подвергается значительному нагреву, что снижает эффективность его работы и эффективность охлаждения воздуха.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка агрегата управления охлаждения турбины двигателя, обеспечивающего как эффективное управление подачей воздуха к турбине двигателя, так и охлаждение самого агрегата в процессе его работы.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в агрегате управления охлаждением турбины двигателя, содержащем корпус, объем которого перегородкой, в которой выполнено осевое отверстие, разделен на две изолированные друг от друга полости, в осевом отверстии перегородки с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен шток, с поршнем на одном его конце и клапаном на другом, каждый из которых расположен в одной из полостей корпуса, в полости корпуса, в которой размещен шток, между штоком и перегородкой установлен упругий элемент, причем штоковая и бесштоковая части данной полости соединены друг с другом выполненным в поршне отверстием, бесштоковая часть полости имеет возможность соединения с магистралью подачи топлива, а штоковая - с магистралью его слива, вторая полость корпуса имеет возможность соединения с воздухо-воздушным теплообменником и с клапанным аппаратом регулирования подачи воздуха к турбине, новым является то, что агрегат оснащен датчиком положения поршня и клапаном регулирования подачи топлива в бесштоковую часть полости корпуса, имеющими возможность соединения с системой управления двигателя, а также дросселем, при этом канал подвода топлива в бесштоковую полость имеет возможность соединения с магистралью подачи топлива через два параллельных канала, в одном из которых установлен дроссель, а в другом - запорный элемент клапана, при этом, датчик положения поршня и клапан регулирования подачи топлива выполнены двухканальными.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема агрегата управления охлаждением турбины двигателя.
Агрегат управления охлаждением турбины двигателя состоит из корпуса 1, объем которого перегородкой 2 разделен на две изолированные друг от друга полости «а» и «б». В перегородке 2 выполнено осевое отверстие, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен шток 3. На одном конце штока имеется поршень 4, размещенный в полости «а», а на другом - клапан 5 с профилированными поясками «в» и «г», размещенный в полости «б». Поршень 4 делит полость «а» на бесштоковую и штоковую части. В штоковой части полости «а» корпуса 1 между поршнем 4 и перегородкой 2 размещен упругий элемент 6.
Положение поршня 4 в полости «а» отслеживается датчиком 7 линейного перемещения, имеющим возможность соединения с системой управления двигателем, которая принимает сигнал о включении или не включении охлаждения турбины. В случае невключения агрегата (выход из строя) в систему управления поступает сигнал о необходимости снижения режим работы во избежание перегрева турбины. Агрегат также оснащен клапаном 8, например, электрогидравлическим, управляемым от системы управления двигателем. Датчик 7 и клапан 8 могут быть установлены на корпусе 1. К бесштоковой части полости «а» подведен канал 9, к которому подсоединены два параллельных канала 10 и 11, имеющих возможность соединения с нагнетательной магистралью высокого давления (Pa) топливной системы. В канале 10 установлен дроссель 12, а в канале 11 - запорный элемент клапана 8 регулирования подачи топлива в бесштоковую часть полости. Бесштоковая часть полости «а» полость через перепускное отверстие 13 в поршне сообщена со штоковой частью полости, в которой размещен упругий элемент 6. Бесштоковая часть полости посредством канала 14 имеет возможность соединения со сливной топливной магистралью (например, с выходом двигательного центробежного насоса - ДЦН).
Полость «б» корпуса 1 разделена на две сообщающиеся между собой части, в одной из которых установлен клапан 5. К данной части полости подведен канал 15, предназначенный для соединения полости с ВВТ и канал 16, который имеет возможность связи с клапанным аппаратом регулирования подачи воздуха к турбине двигателя. На внутренней поверхности корпуса 1 и со стороны торца подвода воздуха (канала 15) выполнены посадочные поверхности (седла) «д» и «е» для контакта с профилированными поясками «в» и «г» клапана 5.
Сброс воздуха из полости «б» осуществляется через канал 17 в мотоотсек.
Для комплектации агрегата используются стандартные блоки и элементы. В качестве датчика положения поршня может быть использован двухканальный датчик положения типа LVDT, в качестве клапана может быть использован стандартный электрогидравлический двухканальный нормально открытый клапан.
Использование двухканальных датчика и клапана весьма перспективно, так как при отказе одного из каналов датчика и/или клапана, агрегат сохраняет свою работоспособность.
Агрегат управления охлаждением турбины двигателя функционирует следующим образом.
Для эксплуатации агрегата, на его корпусе устанавливают датчик 7 и клапан 8, монтируют агрегат на летательном аппарате, датчик и клапан соединяют с системой управления двигателем.
Каналы агрегата соединяют с насосом высокого давления топливной магистрали, выходом ДЦН, ВВТ, клапанным аппаратом отключения, мотоотсеком.
В процессе работы двигателя летательного аппарата на режимах, не требующих охлаждения турбины, топливо от насоса высокого давления под давлением (Pa) поступает во входной канал 9 по каналу 10 во входной канал через дроссель 12, предназначенный для снижения давления в бесштоковой полости и попадает в бесштоковую часть полости «а» корпуса 1, из которой через отверстие 13 перепускается в штоковую полость, откуда через канал 14 подается на слив, на выход насоса ДЦН топливной системы. Клапан 8 при этом закрыт. Так как на входе установлен дроссель 12, а клапан закрыт, давления топлива в бесштоковой части полости недостаточно для преодоления силы упругого элемента 6 и шток 3 находится во втянутом положении. Пропускаемое через агрегат топливо способствует охлаждению агрегата. Поршень 5 при этом находится в положении, при котором его поясок «в» контактирует с посадочной поверхностью «д» канала 15. При этом воздух от ВВТ давлением Pк по каналу 14 поступает в часть полости «б» между торцом корпуса 1 и седлом «е» и подводится через канал 16 к управляющим полостям клапанного аппарата, при этом клапаны закрыты и воздух от ВВТ не поступает в каналы охлаждения турбины.
В случае, когда требуется охлаждение турбины, с системы управления двигателем подается команда на открытие клапана 8, в результате чего топливо в бесштоковую часть полости «а» поступает через каналы 10 и 11, давление в данной полости повышается и в определенный момент преодолевает усилие упругого элемента 6, в результате чего поршень 4 со штоком 3 перемещаются и сообщают перемещение клапану 5, который своим профилированным пояском «г» контактирует с седлом «е» корпуса 1, в результате чего перекрывается поступление в управляющие полости клапанного аппарата воздуха, под действием пружин клапаны клапанного аппарата открываются, при этом воздух из управляющих полостей клапанных аппаратов стравливается в мотоотсек через агрегат управления охлаждением турбины, и открывают каналы подвода воздуха от ВВТ в каналы охлаждения турбины.
Достоинством конструкции данного агрегата является обеспечение постоянной циркуляции через него топлива, которое охлаждает агрегат. При закрытом клапане 8 топливо проходит через дроссель 12, попадает в бесштоковую полость корпуса 1, затем через вентиляционное отверстие 13 попадает через штоковую полость на слив из агрегата через канал 14. При открытом клапане 8 количество топлива, проходящего через агрегат увеличивается и повышается эффективность его охлаждения.