ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С БИРОТАТИВНЫМ ВЕНТИЛЯТОРОМ
GAS TURBINE ENGINE WITH BIROTATE FAN

Изобретение относится к газотурбинным двигателям с биротативным вентилятором авиационного применения.
Известен газотурбинный двигатель с биротативным вентилятором, который приводится во вращение от турбины низкого давления через редуктор (Патент RU 2347929, МПК F02K 3/072, опубл. 27.02.2009).
Недостатком такой конструкции является низкая надежность и увеличенный вес из-за низкого ресурса и повышенного веса редуктора. Для создания обратной тяги на режимах реверсирования на двигателе установлено реверсивное устройство, что также увеличивает вес двигателя.
Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятому за прототип является газотурбинный двигатель, биротативный вентилятор в котором приводится во вращение биротативной турбиной, причем подпорные ступени двигателя расположены между рабочими колесами биротативного вентилятора и также выполнены биротативными (Патент RU 2302545, МПК F02K 3/072, 10.07.2007).
Выполнение подпорных ступеней биротативными, с размещением их между рабочими колесами биротативного вентилятора, позволяет повысить степень сжатия подпорных ступеней как на режимах прямой тяги, так и на режимах обратной тяги. Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является повышенный вес двигателя и ухудшенная экономичность из-за отсутствия поворота лопаток биротативного вентилятора вокруг их радиальной оси для создания обратной тяги, что требует установки на газотурбинный двигатель тяжелого реверсивного устройства и регулируемого сопла наружного контура. Также недостатком известной конструкции является низкая надежность из-за отсутствия в газотурбинном двигателе системы защиты роторов биротативной турбины от раскрутки в случае обрыва валов турбины и пониженная экономичность двигателя из-за повышенных утечек газа в уплотнении между внешним ротором и статором биротативной турбины, а также из-за повышенных гидравлических потерь при обтекании воздухом из-за подпорных ступеней хвостовиков лопаток заднего рабочего колеса вентилятора.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности, экономичности и в снижении веса газотурбинного двигателя.
Технический результат достигается тем, что в газотурбинном двигателе с биротативным вентилятором, содержащим подпорные ступени, размещенные между рабочими колесами биротативного вентилятора, а также с биротативной турбиной, соединенной валами с рабочими колесами биротативного вентилятора, согласно изобретению лопатки переднего и заднего рабочих колес биротативного вентилятора выполнены поворотными вокруг радиальной оси, подпорные биротативные ступени на выходе выполнены с диффузорным каналом, первая лопатка внешнего ротора биротативной турбины выполнена с выпуклыми на продольном разрезе газотурбинного двигателя в осевом направлении входной и выходной кромками, а лабиринтное уплотнение между внешним ротором и статором биротативной турбины выполнено с внутренним и с внешним ярусами, с промежуточной воздушной полостью между ярусами, соединенной на входе с промежуточной ступенью компрессора, и оснащено системой активного управления радиальным зазором внешнего яруса уплотнения.
Выполнение лопаток переднего и заднего рабочих колес биротативного вентилятора поворотными вокруг радиальной оси позволяет снизить вес и габариты гондолы газотурбинного двигателя, так как путем поворота лопаток вокруг радиальной оси обеспечивается реверсирование потока воздуха в канале наружного контура для получения обратной тяги.
Выполнение биротативных подпорных ступеней с диффузорным каналом на их выходе позволяет снизить гидравлические потери при обтекании воздухом хвостовиков лопаток заднего рабочего колеса биротативного вентилятора, что повышает экономичность газотурбинного двигателя.
Выполнение первой по потоку газа лопатки внешнего ротора биротативной турбины с выпуклыми в осевом направлении входной и выходной кромками обеспечивает касание между собой лопаток внешнего и внутреннего роторов биротативной турбины при обрыве любого из валов биротативной турбины, что приведет к разрушению лопаток турбины и к ее остановке.
Выполнение лабиринтного уплотнения между внешним ротором и статором биротативной турбины с внутренним и внешним ярусами, с промежуточной воздушной полостью между ярусами, соединенной на входе с промежуточной ступенью компрессора, позволяет за счет избыточного давления воздуха из промежуточной ступени компрессора исключить паразитные утечки газа через лабиринтное уплотнение, что повышает надежность и экономичность газотурбинного двигателя с биротативным вентилятором.
Выполнение внешнего яруса лабиринтного уплотнения с системой активного управления радиальными зазорами между статором и внешним ротором биротативной турбины позволяет минимизировать паразитные утечки воздуха повышенного давления из промежуточной воздушной полости, что повышает экономичность газотурбинного двигателя с биротативным вентилятором.
На фиг. 1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя с биротативным вентилятором;
на фиг. 2 показан элемент I ГТД в увеличенном виде;
на фиг. 3 показан элемент II ГТД в увеличенном виде;
на фиг. 4 показан элемент III ГТД в увеличенном виде.
Газотурбинный двигатель с биротативным вентилятором 1 состоит из переднего 2 и заднего 3 рабочих колес биротативного вентилятора, соединенных валами 4 и 5 с внешним 6 и внутренним 7 роторами биротативной турбины 8. Между передним 2 и задним 3 рабочими колесами биротативного вентилятора размещены биротативные подпорные ступени 9, причем внутренний ротор 10 биротативных подпорных ступеней 9 соединен с передним рабочим колесом 2 биротативного вентилятора, а внешний ротор 11 биротативных подпорных ступеней 9 соединен с задним рабочим колесом 3. На выходе из биротативных подпорных ступеней 9 для уменьшения гидравлических потерь при обтекании воздухом хвостовиков 12 лопаток 13 заднего рабочего колеса 3, воздушный канал 14 биротативных подпорных ступеней 9 выполнен диффузорным.
На выходе из заднего рабочего колеса 3 в канале 15 наружного контура установлены силовые стойки 16, необходимые для крепления мотогондолы 17 двигателя с биротативным вентилятором 1.
Для обеспечения реверсирования воздушного потока в канале наружного контура 15 лопатки 18 переднего рабочего колеса 2 биротативного вентилятора выполнены поворотными вокруг радиальной оси 19, а лопатки 13 заднего рабочего колеса 3 биротативного вентилятора выполнены поворотными вокруг радиальной оси 20.
Рабочие колеса передние 2 и задние 3 биротативного вентилятора консольно установлены в разделительном корпусе 21, на выходе из которого последовательно размещены компрессор 22, камера сгорания 23 и турбина 24, на выходе из которой установлена биротативная турбина 8.
Для исключения раскрутки внешнего 6 и внутреннего 7 роторов биротативной турбины 8 в случае аварийной поломки валов 4 и 5 первая по потоку газа 25 лопатка 26 внешнего ротора 6 биротативной турбины 8 выполнена с выпуклыми в осевом направлении входной 27 и выходной 28 кромками, что обеспечивает ее взаимное касание либо с передней по потоку газа 25 лопаткой 29, либо с задней по потоку газа 25 лопаткой 30 и лавинообразной поломкой лопаток внешнего 6 и внутреннего 7 роторов при осевой сдвижке любого ротора при поломке любого из валов 4 или 5.
С внешней стороны от первой лопатки 26 внешнего ротора 6 размещено лабиринтное уплотнение 31 между внешним ротором 6 и неподвижным статором 32, состоящее из внутреннего яруса 33 и внешнего яруса 34 с промежуточной воздушной полостью 35 между ними, которая на входе соединена с промежуточной ступенью (не показано) компрессора 22. Для уменьшения паразитных утечек охлаждающего воздуха 36 из промежуточной воздушной полости 35 внешний ярус 34 лабиринтного уплотнения 31 выполнен с системой активного управления радиальными зазорами, включающей в себя трубы 37 подвода охлаждающего воздуха низкого давления для струйного охлаждения неподвижного статора 32 и систему управления расходом этого воздуха (не показано).
Работает данное устройство следующим образом.
При работе газотурбинного двигателя 1 с биротативным вентилятором вследствие пониженных окружных скоростей и увеличенного осевого расстояния между передним 2 и задним 3 рабочими колесами биротативного вентилятора уровень шума, создаваемый газотурбинным двигателем 1, чрезвычайно низок при повышенной экономичности двигателя. Снижению удельного расхода топлива также способствует система активного управления радиальным зазором внешнего яруса 34 лабиринтного уплотнения 31 биротативной турбины 8.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками, путем обеспечения обратной тяги газотурбинного двигателя, поворотом рабочих лопаток биротативного вентилятора вокруг радиальной оси, снижением утечек газа в лабиринтном уплотнении биротативной турбины, самоторможением роторов биротативной турбины в случае аварийного обрыва ее валов, позволяет повысить надежность, экономичность и снизить вес газотурбинного двигателя.