ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области газотурбиностроения и может быть использовано для газотурбинных установок различного назначения.
Известно техническое решение по (1), где газотурбинный двигатель содержит диффузор 5 (фиг.1), камеру сгорания вихревого противоточного типа с кольцевой жаровой трубой 3, в кольцевом канале которой, между кольцевым козырьком 13, наружной кольцевой втулкой 4 и кожухом 18 расположено фронтовое устройство - завихритель 6 с поворотными лопатками 21. Топливо в камеру сгорания подается через струйные топливные форсунки 28, расположенные между лопатками 21 завихрителя 6. Расход и закрутка топливовоздушного потока из фронтового устройства меняется при повороте лопаток 21 завихрителя 6.
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность газотурбинного двигателя из-за больших потерь давления воздуха в камере сгорания, определяемых перепадом давления перед и за завихрителем фронтового устройства. Потери значительно возрастают при повороте лопаток завихрителя в сторону увеличения закрутки потока.
Экономически неэффективным является также работа диффузора с большим углом раскрытия, при отсутствии специальных устройств организации потоков воздуха (2). На фиг.1 этот угол 50°, что значительно больше оптимального значения данного угла для кольцевого диффузора.
Нерациональным является также использование подогретого в камере сгорания воздуха, из отверстий внутреннего кожуха 2, в системе охлаждения турбины.
Известен также газотурбинный двигатель (3), содержащий компрессор 28 (фиг.2, 3), многосекторный диффузор 36 с фронтовым устройством, включающим топливоподводящий канал 34 со струйными отверстиями 50 и стабилизатором пламени 90. Имеется кольцевая жаровая труба 12, турбина с охлаждаемой сопловой лопаткой 42, охлаждающий воздух к которой поступает по пневмопроводу 110, 106 через теплообменник 100 из полости 102, соединенной с периферийным каналом проточной части 32 диффузора. Представлен вариант (фиг.4), когда часть воздуха из-за компрессора поступает в межтрубное пространство 24, 26 камеры сгорания через периферийные 31 и корневые 33 секции проточной части многосекторного диффузора, а система охлаждения сопловой лопатки 42 соединена с межтрубным пространством камеры сгорания.
Недостатком данного технического решения является неоптимальная работа камеры сгорания на различных режимах работы газотурбинного двигателя ввиду отсутствия конструктивных элементов, обеспечивающих изменение проходной площади для воздуха к фронтовому устройству.
Использование воздуха с низким давлением из теплообменника не позволяет обеспечить эффективное охлаждение входной кромки сопловой лопатки путем ее перфорации.
Известен также газотурбинный двигатель с изменяемой геометрией камеры сгорания (4), содержащий диффузор 58 (фиг.5), кольцевую камеру сгорания с противоточной жаровой трубой, имеющей фронтовое устройство с завихрителями 84, 86, и перепускные окна 64 в районе фронтового устройства и 92 в районе диффузора. Имеются две кольцевые ленты 104, 96 с рессорами 132 и 134, соединенными с управляющим механизмом, включающим привод, систему рычагов, рессор, колец и шарниров, таким образом, что ленты 104, 96 могут синхронно двигаться вдоль жаровой трубы - оси двигателя. В ленте 96, охватывающей патрубок 60 фронтового устройства, есть отверстия 98. На максимальном режиме газотурбинного двигателя лента 96 находится в положении, когда ее отверстия 98 совпадают с окнами 64 входа в патрубок 60. При этом лента 104 располагается так, что перекрывает перепускные окна 92. В этом случае воздух из диффузора 58 поступает в зону горения жаровой трубы через завихрители 84, 86, пройдя отверстия 98, окна 64, распределившись в патрубке 60. В зоне горения обеспечивается оптимальное соотношение воздух - топливо. При снижении режима работы двигателя, путем уменьшения количества топлива, подаваемого в двигатель, оптимальное соотношение воздуха и топлива в зоне горения обеспечивается перекрытием проходного сечения окон 64. Для этого с помощью управляющего механизма и рессорой 134 кольцевая лента сдвигается на закрытие окон 64. При этом синхронно с помощью рессоры 132 кольцевая лента 104 сдвигается в положение, когда открываются перепускные окна 92 для прохода воздуха внутрь жаровой трубы. Таким образом, в известном газотурбинном двигателе предпринимается попытка обеспечить на частичных режимах его работы перепуск воздуха, что должно обеспечить оптимальное горение и снижение потерь давления воздуха в камере сгорания.
Однако данное техническое решение не в полной мере отвечает заявленной цели. Расположение окон 92 и торца 106 диффузора 58 не позволяют обеспечить беспрепятственное протекание воздуха в перепускные окна 92 при их открытии. Воздух, выходящий из диффузора с большой скоростью уменьшает статическое давление за торцом 106 перед окном 92, что не позволяет снизить сопротивление камеры сгорания. Кроме того, частичное закрытие перепускных отверстий 64 ведет к снижению давления перед завихрителями 84, 86, что снижает эффективность их работы.
В рассматриваемом прототипе отсутствует также эффективная система заградительного охлаждения входной кромки сопловой лопатки турбины.
Заявленное изобретение направлено на решение ряда задач: повышение эффективности газотурбинного двигателя путем снижения потерь давления воздуха; повышение экологических характеристик двигателя при обеспечении устойчивости пусковых и рабочих характеристик; реализацию оптимального и экономически эффективного использования хладоресурса рабочего тела в системе охлаждения высокотемпературных турбин и камеры сгорания.
Эти задачи решены в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор, лопаточные диффузоры, канальные патрубки, кольцевую полость-ресивер, петлевую камеру сгорания с межтрубным пространством между внутренним, наружным корпусами и кольцевой жаровой трубой вихревого типа с фронтовыми устройствами, турбину с охлаждаемым сопловым аппаратом, лопатки которого вдоль профиля пера от входной кромки имеют первую, вторую, третью и четвертую внутренние полости, соединенные с проточной частью через отверстия в пере лопатки, и перепускное устройство, и в соответствии с сущностью изобретения вход фронтового устройства кольцевой жаровой трубы соединен с проточной частью компрессора последовательно от компрессора, через кольцевой сегмент лопаточного диффузора, выход которого соединен с входом канального патрубка, выход которого соединен с входом в третью внутреннюю полость охлаждаемой лопатки соплового аппарата, один из выходов из которой соединен со входом во фронтовое устройство жаровой трубы.
Кроме того, имеются еще два выхода из третьей внутренней полости лопатки соплового аппарата. Один выход располагается в периферийной полке лопатки. Он соединяет третью внутреннюю полость лопатки с межтрубным пространством камеры сгорания, которое через окна во внутреннем корпусе камеры сгорания, кольцевую полость-ресивер и отверстие во внутренней полке лопатки соединено со входом в первую внутреннюю ее полость. Кольцевая полость-ресивер располагается между турбиной и компрессором и ограничена внутренним корпусом камеры сгорания с закрепленным на нем сопловым аппаратом и над роторным кожухом.
Вторым выходом из третьей внутренней полости лопатки является окно в разделительной стенке с четвертой внутренней полостью лопатки соплового аппарата.
Помимо этого, имеются, по крайней мере, одна или несколько лопаток в сопловом аппарате, у которых третья внутренняя полость имеет четвертый выход, соединяющий ее через окно в разделительной стенке со второй внутренней полостью. Причем в этих лопатках располагается также перепускное устройство, и их вторая полость через отверстия в периферийной полке соединена со второй полостью лопатки, не имеющей перепускного устройства. Такие лопатки располагаются рядом с лопатками, не имеющими перепускного устройства, у которых стенка между второй и третьей полостью сплошная - не имеет окна. Перепускные устройства имеют кинематическую связь с клапанами на входе в топливные форсунки. Причем перепускное устройство связано с клапаном форсунки, расположенной во фронтовом устройстве, соединенном с лопаткой соответствующего перепускного устройства. Перепускное устройство соединяется также с управляющим механизмом. Один управляющий механизм может быть связан с одним или несколькими перепускными устройствами и соответствующими им клапанами форсунок.
Еще, внутреннее сечение канального патрубка - пневмопровода, соединяющего лопаточный диффузор с третьей внутренней полостью охлаждаемой лопатки соплового аппарата, выполнено диффузором с эквивалентным углом раскрытия менее 12°.
Само перепускное устройство, расположенное внутри охлаждаемой сопловой лопатки, имеет поворотный клапан с осью вращения, опирающуюся, со стороны спинки и корыта лопатки на патрубок, соединяющий третью внутреннюю полость лопатки с входом во фронтовое устройство жаровой трубы. Поворотный клапан выполнен профилированным, в виде закрылка. Седлом для этого клапана является в положении «открыто» - стенка окна между второй и третьей внутренними полостями лопатки, а в положении «закрыто» - торец патрубка, соединяющий третью внутреннюю полость лопатки с входом во фронтовое устройство жаровой трубы.
И еще по высоте пера сопловой лопатки выполнены отверстия, соединяющие первую, вторую и четвертую внутренние полости лопатки с проточной частью турбины, причем отверстия первой полости выполнены на входной кромке лопатки, второй - на корыте и спинке, а четвертой - в выходной кромке.
Выполнение газотурбинного двигателя заявленным образом, включая соединение фронтового устройства с компрессором через сопловую лопатку, лопаточный и канальный патрубок, обеспечивает минимальные потери давления в газогенераторе и эффективное конвективное охлаждение сопловой лопатки. Специальное профилирование канального патрубка обеспечивает максимальную степень преобразования скоростного напора в давление. Оптимального и экономически эффективного использования хладоресурса рабочего тела в системе охлаждения камеры сгорания и соплового аппарата высокотемпературных турбин удается достичь благодаря соединению отверстий во входной кромки лопатки с компрессором через конвективную систему охлаждения лопатки - третью внутреннюю полость и межтрубное пространство камеры сгорания. И наконец, наличие перепускных устройств и связанных с ними топливных клапанов позволяет обеспечить экологически чистую работу камеры сгорания во всем ее диапазоне режимов работы, без дополнительных потерь давления воздуха.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг.6 - продольный разрез газогенератора газотурбинного двигателя;
фиг.7 - элемент A на фиг.6, перепускное устройство в положении «открыто»;
фиг.8 - сечение B-B на фиг.7;
фиг.9 - элемент А на фиг.6, перепускное устройство в положении «закрыто»;
фиг.10 - элемент Б на фиг.7, перепускное устройство в положении «открыто»;
фиг.11 - элемент А на фиг.6 сечения фиг.7, повернутого в окружном направлении на одну лопатку (на 360°/N, где N - число лопаток в сопловом аппарате).
Устройство - газотурбинный двигатель содержит компрессор 1 (фиг.6) с рабочими 2 и спрямляющими лопатками 3, диффузор 4 (фиг.7) со спрямляющим аппаратом 5, лопаточным диффузором 6, канальные патрубки 7, петлевую камеру сгорания 8 (фиг.6) с межтрубным пространством 9 между внутренним 10 и наружным 11 корпусами и кольцевой жаровой трубой 12 вихревого типа с фронтовыми устройствами 13, имеющими вход 14 (фиг.8) и выход 15. Ротор 16 (фиг.7) соединяет компрессор с турбиной 17, которая имеет охлаждаемый сопловый аппарат 18 (фиг.9) с равномерно чередующимися полыми лопатками 19, 20 (фиг.8, 9, 11). Кроме этого, сопловые лопатки имеет первую 21 (фиг.10) вторую 22, третью 23 и четвертую 24 внутренние полости, разделенные стенками 25, 26 (фиг.11), и 27 (фиг.10), в которых есть окна 28 (фиг.9) и 29 (фиг.10). Перо лопатки имеет входную 30 (фиг.10), выходную 31 кромки и отверстия 32, (фиг.10), 33 (фиг.9) и 34. Во внутренней 35 (фиг.10) и периферийной 36 полке охлаждаемой лопатки выполнены отверстия 37, 38, 39, 40 и патрубок 41 (фиг.9). Имеются сегментная полость 42 (фиг.10), кольцевая полость-ресивер 43 (фиг.9), кожух 44, перепускные устройства 45 (фиг.7) с клапаном 46 на оси 47, с рессорами 48 и с управляющими механизмами 49, топливные форсунки 50. Обозначены направления потоков воздуха 51 (фиг.8), 52, 53 (фиг.7), 54 (фиг.9), 55, 56, 57, 58, 59 (фиг.11), 60 и 61. Показаны торец 62 (фиг.10), окна 63, 64, 65 вход 66 (фиг.8) и выход 67 патрубка канального диффузора, клапан 68 (фиг.8), топливный коллектор 69 и положения перепускного устройства «открыто» на фиг.7 и «закрыто» на фиг.9.
Вход 14 фронтового устройства 13 кольцевой жаровой трубы 12 соединен с проточной частью компрессора 1, последовательно от компрессора 1: через спрямляющий аппарат 5, диффузора 4; кольцевой сегмент лопаточного диффузора 6; выход из которого соединен далее с входом 66 пневмопровода - канального патрубка 7, выход 67 которо, через окно 65 во внутреннем корпусе 10 соединен через отверстие 40 во внутренней полке 35 с третьей внутренней полостью 23 охлаждаемой лопатки 19, 20 соплового аппарата 18. И наконец, патрубок 41 на периферийной полке 36 лопатки 19, 20 соединяет третью внутреннюю полость 23 с входом 14 фронтового устройства 13. В патрубке 41 лопатки 20 соплового аппарата 18 располагается клапан 46 перепускного устройства 45. Лопатки 20 установлены рядом с лопатками 19, у которых нет перепускных устройств 45. Вторые внутренние полости 22 попарно соседних лопаток 19 и 20 соединены между собой через отверстия 38 в их периферийных полках 36 и сегментную полость 42. Первая внутренняя полость 21, в районе входной кромки 30 лопатки 19, 20 соединена через отверстия 37 во внутренней полке 35 и окна 63 во внутреннем корпусе 10 камеры сгорания 8 с кольцевой полостью-ресивером 43. Кольцевая полость-ресивер 43 располагается между компрессором 1 и турбиной 17. По периферии кольцевая полость 43 ограничена кольцевым внутренним корпусом 10 камеры сгорания 8 с закрепленным на нем сопловым аппаратом 18, внутри - кольцами: лопаточным диффузором 6 и над роторным 16 кожухом 44. Кольцевая полость-ресивер 43 соединена через окна 61 во внутреннем корпусе 10 петлевой камеры сгорания 8 с межтрубным пространством 9. С межтрубным пространством 9 соединяется также третья внутренняя полость 23 лопатки 19, 20 через отверстие 39 в периферийной полке 36.
Внутреннее проходное сечение патрубка 7, от входа 66 к выходу 67 выполнено диффузором с эквивалентным углом раскрытия менее 12°.
Клапан 46 перепускного устройства 45, расположенный внутри охлаждаемой сопловой лопатки 20, имеет поперечную ось вращения 47, опирающуюся со стороны спинки и корыта лопатки 20 на патрубок 41. Сам поворотный клапан 46 выполнен профилированным, в виде закрылка и через механизм, состоящий из рычагов и рессор 48, соединен с управляющим механизмом 49. За поворотным клапаном 46 во фронтовом устройстве 13 установлена топливная форсунка 50 с клапаном 68 между форсункой 50 и топливным коллектором 69. В аналогичном месте по длине фронтового устройства 13 располагается топливная форсунка 50 и за лопаткой 19. Эти форсунки 50 соединены с топливным коллектором 69 напрямую. Количество управляющих механизмов 49 меньше или равно количеству лопаток 20 с поворотным клапаном 46. Если количество управляющих механизмов 49 не соответствует количеству лопаток 20, то поворотные клапаны 46 нескольких лопаток 20 с помощью дополнительных рычагов и рессор 48 объединяются в группы, с подключением к общему для них управляющему механизму 49. При этом управляющий механизм 49 одновременно связан с помощью рычагов и рессор 48 с клапаном 68, установленным между топливным коллектором 69 и топливной форсункой 50 соответствующего фронтового устройства 13, за лопаткой 20 или группой лопаток 20, поворотный клапан 46 которых связан с этим же управляющим механизмом 49.
В стенке 26 лопаток 20 есть окно 28, соединяющее вторую внутреннюю полость 22 с третьей 23. В стенке 27 лопатки 19, 20 есть окно 29, соединяющее третью 23 внутреннюю полость с четвертой 24. Стенка окна 28 являются также седлом для перепускного поворотного клапана 46 в положении «открыто». В положении «закрыто» седлом для клапана 46 является торец 62 патрубка 41.
Перо лопатки 19, 20 имеет отверстия. Так, на входной кромке 30 выполнен ряд отверстий 32 заградительного охлаждения. Отверстия 32 соединяют первую внутреннюю полость 21 с проточной частью турбины 17. На спинке и корыте лопатки 19, 20 выполнены ряды отверстий 33, соединяющие вторую внутреннюю полость 22 с проточной частью турбины 17. И в районе выходной кромки 31 лопатки 19, 20 выполнен ряд отверстий 34, соединяющий четвертую внутреннюю полость 24 с проточной частью турбины 17.
При работе газотурбинного двигателя в компрессоре 1 на рабочих лопатках 2 и спрямляющих лопатках 3 сжимается воздух - рабочее тело газотурбинного двигателя. Турбина 17 через ротор 16 вращает компрессор 1. Скоростной, закрученный воздушный поток 51 из компрессора 1 поступает в диффузор 4, где в спрямляющем аппарате 5 и в лопаточном диффузоре 6 разворачивается в осевом направление и уменьшает скорость, преобразуя скоростной напор в давление. Затем воздух через вход 66 поступает в канальный патрубок 7, где продолжает тормозиться, повышая давление. Далее воздух через выход 67 патрубка 7 и отверстие 40 во внутренней полке 35 проходит в третью внутреннюю полость 23 охлаждаемой лопатки 19, 20 соплового аппарата 18 турбины 17. Здесь основной поток воздуха разделяется на несколько потоков. Часть потока 56 растекается потоками 60 и 61. Поток воздуха 60 через отверстие 39 в периферийной полке 36 вытекает в межтрубное пространство 9 камеры сгорания 8. Поток 61 через окно 29 в стенке 27 поступает в четвертую внутреннюю полость 24 лопатки 19, 20, откуда через отверстия 34 в выходной кромке 31 уходит в проточную часть турбины 17. Воздух 60, прошедший в межтрубное пространство 9, попадает из него через окна 64 потоком 55 в кольцевую полость-ресивер 43, откуда потоком 58 через окна 63 и отверстия 37 в первую внутреннюю полость 21 лопатки 19, 20, в районе входной кромки 30. Из этой полости 21 воздух выходит через отверстия 32 на входной кромке 30 в проточную часть соплового аппарата 18 турбины 17. Этот воздух формирует заградительное охлаждение лопатки 19, 20, включая ее входную кромку 30. При работе газотурбинного двигателя в районе номинального режима клапан 46 перепускного устройства 45 внутри лопаток 20 находится в положении «открыто» (фиг.7). В этом положении клапан 46 перекрывает окно 28 в стенке 26. При этом часть 52 потока воздуха, поступившего в третью полость 23, через патрубок 41 проходит во вход 14 фронтового устройства 13. Здесь воздух смешивается с топливом, поступающим во фронтовое устройство 13, через форсунку 50. Подготовленная топливовоздушная смесь выходит через выход 15 в кольцевую жаровую трубу 12, где воспламеняется и сгорает, образуя горячие газы, которые поступают в проточную часть турбины 17 через сопловый аппарат 18. Так же перетекает воздух 52 из третьей полости 23 лопатки 19 во фронтовое устройство 13. При этом количество воздуха 52 из лопатки 19, 20 и топлива из форсунки 50, поступающих во фронтовое устройство 13, после лопатки 19, 20 обеспечивают на выходе 15 топливовоздушную смесь в концентрации, реализующей горение в камере сгорания 8 с низким содержанием вредных веществ.
При снижении мощности газотурбинного двигателя посредством уменьшения расхода топлива в топливный коллектор, на выходе 15 изменяется концентрация топливовоздушной смеси. Для обеспечения сохранности оптимальной концентрации топливовоздушной смеси в зоне горения камеры сгорания 8 выполняются следующие действия. Один из управляющих механизмов 49 через рычаги и рессоры 48 одновременно поворачивает клапан 46 и воздействует на соответствующий топливный клапан 68, прекращая подачу топлива в форсунку 50 фронтового устройства 13 за поворачиваемым клапаном 46. При этом поворотный клапан 46 садится на торец 62 патрубка 41, перекрывая воздуху 52 выход из этого патрубка 41 во фронтовое устройство 13 (фиг.9). Еще открывается окно 28 в стенке 26 лопатки 20. Через это окно 28 во вторую внутреннюю полость 22 лопатки 20 перепускается воздух 54, который разделяется здесь на два потока 57, 58. Поток 57 выходит через отверстие 38 лопатки 20 и сегментную полость 42, откуда через отверстие 38 соседней лопатки 19 потоком 59 входит в ее вторую внутреннюю полость 22, откуда через отверстия 33 выходит в проточную часть турбины 17. Воздушный поток 58 также через отверстия 33 лопатки 20 выходит в проточную часть турбины 17.
Эти действия путем перераспределения воздуха и топлива в камере сгорания 8 обеспечивают на выходе 15 за лопатками 19 и лопатками 20 с клапанами в положение «открыто» топливовоздушную смесь в концентрации, реализующей горение в камере сгорания 8 с низким содержанием вредных веществ. При этом общее сопротивление воздушного тракта газогенератора не изменяется.
При дальнейшем снижении мощности газотурбинного двигателя посредством уменьшения расхода топлива в топливный коллектор, за границами оптимальной концентрации топливовоздушной смеси на выходе 15 приводится в действие следующий управляющий механизм 49. Описанный выше алгоритм перераспределения воздуха и топлива, связанный с перекрываемыми форсункой 50 и лопаткой 20 или группами форсунок 50 и лопаток 20, повторяется.
Таким образом, на всех режимах работы газотурбинного двигателя обеспечивается работа камеры сгорания 8 в оптимальном режиме, с низкими выбросами вредных веществ, связанных с недожогом или перегревом. Переключения всех управляющих механизмов 49 не приводят к заметному изменению потерь давления в газогенераторе, обеспечивая высокий КПД газотурбинного двигателя на всех режимах работы.
Высокий КПД двигателя обеспечивается также низкими потерями давления за компрессором, в каналах, выполненных диффузором с эквивалентным углом раскрытия менее 12°.
Заявляемое устройство обеспечивает экономичное использование хладоресурса охлаждающего воздуха. В заявляемом газотурбинном двигателе воздух 60 из-за компрессора с низкой температурой вначале конвективно охлаждает лопатку 19, 20 и жаровую трубу 12. Частично использовав хладоресурс, воздух 60 в дальнейшем используется в заградительном охлаждении лопатки 1, где его повышенная температура не оказывает существенного влияния на эффективность охлаждения.
Специальное профилирование поворотного клапана 46 обеспечивает в положении «открыто» и «закрыто» обтекание его потоком воздуха с низкими потерями давления.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1726917, F23R 3/04, опубл. 15.04.1992.
2. Патент РФ №2469214, F04D 29/44, опубл. 10.12.2012
3. Патент США 5791148, F01C 1/00, опубл. 11.08.1998.
4. Патент США 4497170, F02C 3/14, опубл. 05.02.1985.
5. Патент США 4532762, F23R 3/26, опубл. 06.08.1985.
6. Патент США 4918926, F01C 1/00, опубл. 24.04.1990.
7. Патент США 5077967, F01C 3/00, опубл. 07.06.1992.
8. Патент США 5335501, F01C 1/00, опубл. 09.08.1994.
9. Патент США 5619855, F01C 7/08, опубл. 15.04.1997.
10. Патент США 3691761, F01C 9/14, опубл. 19.09.1972.
11. Патент США 4527386, F01C 3/14, опубл. 09.07.1985.
12. Патент США 3290880, F23R 3/04, опубл. 13.12.1960.
13. Патент США 5548951, F02C 3/30, опубл. 27.08.1996.
12. Патент Германии 3209135, F23R 3/06, опубл. 15.09.1983.
15. Патент Швейцарии 450817, F23D 11/00, опубл. 30.04.1968.
16. Патент РФ 2215242, F23R 3/26, опубл. 27.10.2003.
17. Патент РФ 2117874, F23R 3/38, опубл. 20.08.1998.