Устройство перепуска воздуха и газотурбинный двигатель, содержащий устройство перепуска воздуха
AIR BYPASS DEVICE AND GAS TURBINE ENGINE CONTAINING AIR BYPASS DEVICE

Заявляемое техническое решение относится к области газотурбинного двигателестроения и предназначено к использованию в конструкции газотурбинных двигателей (ГТД), применяемых как в стационарных газотурбинных установках (ГТУ), так и в ГТУ мобильного базирования.
Изобретение направлено на расширение диапазона устойчивой работы камеры сгорания (КС) и снижение уровня содержания вредных веществ (ВВ) в выхлопных газах на различных режимах работы ГТД. Достижение поставленных целей обеспечивается применением в ГТД устройства перепуска воздуха модульной конструкции, расположенного перед первым сопловым аппаратом турбины на выходе из камеры сгорания и содержащего корпус, статор, регулирующее кольцо, имеющее возможность поворота вокруг продольной оси двигателя, механизм привода регулирующего кольца и роликовые опоры. Регулируемая площадь проходного сечения устройства расположена в плоскости поперечной продольной оси двигателя.
Модульность устройства повышает ремонтопригодность и сокращает время ремонта ГТД. Кроме этого модульность конструкции узла перепуска обеспечивает его доводку (отработку и совершенствование конструкции) в модельных условиях.
Другим объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, оснащенный модульным перепускным устройством.
к
г
Последние десятилетия характеризуются широким использованием стационарных ГТУ на базе высокоэффективных авиапроизводных ГТД, которые имеют высокие параметры рабочего процесса (степень сжатия в компрессоре π*>20, температура газа на входе в турбину Т*>1450 К). Учитывая, что производство современных ГТД является одним из самых наукоемких и дорогостоящих производств, особо значимы задачи сокращения времени и снижения затрат на доводку и совершенствование конструкции узлов ГТД; повышение эффективности использования ГТД за счет сокращения длительности ремонта, снижения материальных и финансовых затрат на его проведение.
x
Как правило, стационарные ГТУ большую часть времени эксплуатируются на режимах с высокими параметрами рабочего цикла, которым характерны высокое содержание в выхлопных газах окислов азота (NO) и низкое содержание продуктов неполного сгорания топлива (СО и СН). Количество ВВ, содержащихся в выхлопных газах ГТД, нормируется как национальными, так и международными стандартами.
Одним из способов, обеспечивающих приемлемый уровень эмиссии ВВ, является организация процесса горения в КС бедной, гомогенной (хорошо перемешанной) топливовоздушной смеси (ТВС) с температурой пламени не выше 1750К, что обеспечивается довольно в узком диапазоне соотношения топливо - воздух. Обеспечение такого соотношения на всех режимах работы ГТД, от режима «малый газ» до номинального режима, ведет к необходимости регулирования подачи не только количества топлива, но и количества воздуха, участвующего в горении. Особенно это важно для мобильных ГТУ, мультирежимный рабочий цикл которых существенным образом отличается от режима работы стационарных ГТУ.
Патентными исследованиями выявлено около пятидесяти технических решений, имеющих целью регулирование расхода воздуха через камеру сгорания ГТД.
Большинство решений основаны на способе регулирования площади проходных сечений в жаровой трубе КС, а именно:
- регулирование площади проходных сечений первичной зоны и горелок КС (см. патент Англии №1377636; патент РФ №2024775; АС СССР №1482334; патент США №4041694);
- регулирование площади проходных сечений зоны смешения КС (см. Европатент №0100135; патент РФ №2076276; патент США №4594848).
Другой способ заключается в отборе воздуха на входе в КС и его перепуска в зону смешения КС или в турбину по воздуховоду с запорным элементом (см. патенты РФ №№2076276, 2162988). Примером реализации этого способа перепуска воздуха может служить конструкция камеры сгорания ГТУ «Марс» фирмы «Солар», внешний вид которой представлен на рис. 86 монографии А.М. Постникова «Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ» (Самарский научный центр РАН., Самара, 2002).
Из всего многообразия технических решений опробовано не более 15%, а доведено до реального применения буквально единицы. Трудности реализация того или иного технического решения вызваны не столько усложнением конструкции самой КС, а в основном тем, что детали КС, включаемые в конструктивную схему устройств, испытывают неравномерный нагрев до высоких температур, что приводит к их деформации, а в совокупности с вибронагрузками и к повышенному износу. В результате происходит потеря подвижности (заклинивание) деталей регулирующего устройства или механизма его привода.
Целями предполагаемого изобретения являются:
- улучшение экологических характеристик ГТД,
- повышение КПД двигателя при работе на режимах неполной мощности,
- расширение диапазона устойчивой работы КС ГТД,
- снижение затрат на доводку и совершенствование конструкции устройства перепуска,
- сокращение времени нахождения ГТД в ремонте.
Достижение поставленных целей обеспечивается применением в ГТД устройства перепуска воздуха модульной конструкции, расположенного перед первым сопловым аппаратом турбины на выходе из камеры сгорания.
Суть предлагаемого изобретения раскрывается в приведенном ниже описании примера реализации этого изобретения и его вариантов, где даются ссылки на имеющиеся в приложении фигуры, среди которых:
фигура 1 представляет общий вид перепускного устройства со стороны камеры сгорания;
фигура 2 представляет общий вид перепускного устройства со стороны турбины;
фигура 3 представляет продольный разрез по оси опоры подвижного элемента;
фигура 3а. представляет вариант исполнения опоры подвижного элемента;
фигура 4 представляет вид фрагмента статора устройства;
фигуры 5 и 6 представляют поперечный разрез механизма привода в положении «открыто» и «закрыто» соответственно.
Устройство перепуска воздуха представляет собой модульную конструкцию и содержит в своем составе: корпус 1, статор 2, механизм привода 3 и регулирующее кольцо 4, имеющего возможность поворота вокруг продольной оси двигателя. Регулируемая площадь проходного сечения устройства расположена в плоскости поперечной продольной оси двигателя.
Корпус перепуска 1 представляет собой соосную с продольной осью ГТД оболочку с фланцами на торцах, посредством которых осуществляется соединение с задним фланцем наружного корпуса КС с одной стороны и передним фланцем наружного корпуса 28 первого соплового аппарата турбины с другой стороны. Скрепление корпусов КС, перепуска и 1СА осуществляется с помощью резьбовых пар (болт - гайка). На наружной поверхности корпуса 1 перепуска имеется как минимум одна площадка для установки и закрепления с помощью болтов механизма привода 3, и несколько площадок (в варианте исполнения) для установки опор 30 регулирующего кольца 4. Корпус 1 перепуска является элементом силовой схемы ГТД.
Статор перепуска состоит из двух соосных колец - опорного 5 и неподвижного кольца 6 перепуска. Скрепление колец 5 и 6 статора осуществляется с помощью резьбовых пар 10, часть из которых (в варианте исполнения) являются осями 11 опорных роликов регулирующего кольца 4 перепуска.
Опорное кольцо 5 статора имеет два фланца:
- внешний, с отверстиями для закрепления статора в стыке корпуса 1 перепуска и корпуса 28 1СА,
- внутренний - для закрепления на нем неподвижного кольца 6. Во внутреннем фланце выполнены окна 7 для прохода воздуха на охлаждение 1СА и отверстия для элементов скрепления колец 5 и 6.
В неподвижном кольце 6 перепуска выполнены отверстия 8 для прохода перепускаемого воздуха, оси которых расположены на одной окружности и параллельны продольной оси ГТД. Форма отверстий в плане может быть как круглой, для наибольшей технологичности, так и прямоугольной (трапецеидальной), позволяющей максимально использовать площадь регулируемого сечения перепуска. На внутреннем диаметре неподвижного кольца 6 имеется цилиндрическая полка 9, направленная в сторону КС, служащая опорой жаровой трубы 29 КС. По наружному диаметру кольца расположены проушины с крепежными отверстиями.
Перед неподвижным кольцом 6 расположено регулирующее кольцо 4, в котором выполнены отверстия 12 для прохода перепускаемого воздуха; оси отверстий параллельны продольной оси ГТД и расположены на одной окружности с диаметром равным диаметру окружности, на которой расположены оси отверстий 8 в неподвижном кольце 6. Форма отверстий в плане повторяет форму отверстий в неподвижном кольце. На наружной поверхности кольца 4 имеется гребень 27, располагаемый (в варианте исполнения) между двумя роликами 13 опор 14, что позволяет удерживать регулирующее кольцо от осевого перемещения в сторону КС. Взаимное положение роликов 13 и регулирующего кольца 4 по оси опор фиксируется шайбой 15 и гайкой 16.
Регулирующее кольцо приводится в движение посредством закрепленного на нем поводка 17, палец 18 которого через отверстие в корпусе 1 шарнирно соединен с механизмом привода. Механизм привода расположен на наружной поверхности корпуса 1 перепуска и представляет собой ползун 19, перемещаемый силовым агрегатом вдоль оси пальца 20, закрепленного в крышке 21. Усилие перемещения передается ползуну 19 штоком 22, закрепленным в ползуне и проходящим через уплотнение 23 в крышке 21. Крайние положения ползуна обеспечиваются установкой дистанционных колец 24 и 25: кольцо 24 - под стакан 26 уплотнения, кольцо 25 - под головку направляющего пальца 20.
x
Работа и воздействие устройства перепуска на процессы в камере сгорания ГТД заключаются в следующем. На режиме запуска ГТД и низких режимах работы регулирующее кольцо 4 под действием на шток 22 усилия от силового агрегата с помощью ползуна 19, шарнирно соединенного с поводком 17, переводится и удерживается в положение «открыто» (см. фиг. 5). В этом положении отверстия 12 и 8 становятся соосными, и часть воздуха из полости, образуемой корпусами и стенками жаровой трубы КС, проходит (перепускается) через них на вход в первый сопловой аппарат турбины (см. фиг. 3, течение воздуха показано стрелками). При этом расход воздуха через жаровую трубу уменьшается, топливовоздушная смесь обогащается, что создает благоприятные условия для воспламенения (запуск) и устойчивого горения с высокой полнотой сгорания в первичной зоне, тем самым обеспечивая в продуктах горения низкое содержание несгоревших углеводородов (CnHm) и угарного газа (СО). На режимах запуска и «малый газ» из-за низких температур и давления воздуха на входе в КС окислы азота (NO) практически не образуются. По мере повышения режима работы двигателя регулирующее кольцо 4 переводится в положение «закрыто» (см. фиг. 6). В этом положении отверстия 12 и 8 перекрываются перемычками между ними, расход воздуха через отверстия в жаровой трубе, в том числе и расположенные в первичной зоне, увеличивается, топливовоздушная смесь обедняется, что приводит к снижению температуры пламени и, как следствие, к снижению количества образуемых оксидов азота (NOx).
В зависимости от типа силового агрегата и программы регулирования изменение площади проходного сечения устройства может быть осуществлено по одному из следующих законов:
- двухпозиционно (закрыто - открыто);
- ступенчато (закрыто - частично открыто - открыто);
- плавно (изменение площади проходного сечения осуществляется синхронно с изменением режима работы ГТД).
Таким образом, применение перепускного устройства повысит КПД двигателя при работе на режимах неполной мощности, расширит диапазон устойчивой работы КС, обеспечит снижение выбросов вредных веществ во всем диапазоне работы ГТД.
Модульность конструкции, расположение механизма привода и опор подвижного элемента на внешней поверхности корпуса устройства повышают его ремонтопригодность, позволяют производить ремонт без снятия ГТД с эксплуатации, что сокращает время и затраты на ремонт ГТД. Кроме этого, модульность конструкции узла перепуска обеспечивает его доводку (отработку и совершенствование конструкции) в модельных условиях, позволяет адаптировать его к конструкции любого ГТД.