Жидкостный контур в газотурбинном двигателе
LIQUID CIRCUIT IN GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к масляному контуру, а также к газотурбинному двигателю, имеющему такой масляный контур.
Как и все двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели, будь то турбореактивные двигатели или турбовинтовые двигатели, содержат движущиеся детали, трущиеся о другие движущиеся детали или о неподвижные детали.
Чтобы эти детали не ломались вследствие нагревания, вызванного трением, их опрыскивают маслом, что позволяет ограничить (или сдержать) их нагрев и, с другой стороны, смазать их для обеспечения скольжения деталей одна поверх другой.
Масло протекает в контуре 10, имеющем теплообменники, в частности, воздушно-масляные теплообменники 12, как показано на Фиг. 1, имеющие теплообменный элемент, или матрицу 14, в виде извилистой трубы, форма которой обеспечивает теплообмен и в которую из указанных деталей вводится масло, которое затем охлаждается перед повторным распрыскиванием на указанные детали.
При запуске газотурбинного двигателя в условиях пониженной температуры (например, при температуре ниже 0°С) масло в матрице 14 воздушно-масляного теплообменника 12 (или, при необходимости, теплообменников) может замерзнуть, что затрудняет или делает невозможным теплообмен между маслом и воздухом, поскольку масло не может циркулировать в матрице 14 теплообменника 12. В этом случае необходимо предварительно нагреть матрицу 14 теплообменника 12.
Для этого известно выполнение воздушно-масляного теплообменника 12 с перепускным каналом 16, используемым в качестве канала для размораживания и окружающим матрицу 14 теплообменника 12 для нагрева замерзшего масла. Этот перепускной канал 16 соединен на своем верхнем по потоку конце с впуском 18 теплообменника 12 и с выпуском 20 теплообменника 12. Масляный контур 10 также содержит клапан 22, предназначенный для управления потоком масла в перепускном канале 16, чтобы обеспечить возможность протекания масла через матрицу 14 теплообменника 12 только при температуре ниже заданного порогового значения. Однако, так как поперечное сечение прохода для масла в канале 16 меньше поперечного сечения прохода для масла в воздушно-масляном теплообменнике, при замерзании матрицы 14 теплообменника 12 в масляном контуре возникает избыточное давление. При избыточном давлении существует опасность повреждения масляного контура 10.
Для снижения этого избыточного давления очевидным решением является увеличение поперечного сечения перепускного канала 16 для увеличения скорости потока без изменения параметров рабочего давления подающих насосов. Однако, исходя из требований по размещению, увеличение поперечного сечения канала 16 не представляется возможным.
Более конкретно, цель изобретения состоит в создании простого, эффективного и экономичного решения этой проблемы.
Для достижения этой цели в изобретении предложен узел для газотурбинного двигателя, содержащий масляный контур, имеющий воздушно-масляный теплообменник, основной перепускной канал, соединяющий впуск указанного теплообменника с выпуском этого теплообменника и окружающий указанный теплообменник с обеспечением теплообмена с воздушно-масляным теплообменником, и вспомогательный перепускной канал основного канала, соединяющий верхний по потоку конец основного перепускного канала с нижним по потоку концом основного перепускного канала, при этом контур также содержит по меньшей мере один клапан для управления прохождением потока масла по основному и вспомогательному перепускным каналам и средство для управления открытием указанного по меньшей мере одного клапана при температуре ниже порогового значения.
В соответствии с изобретением, добавление вспомогательного перепускного канала обеспечивает возможность перепускать часть текучей среды в обход основного перепускного канала, снижая давление текучей среды в основном перепускном канале в условиях эксплуатации при пониженной температуре. Комбинация клапана для управления потоком масла через основной и вспомогательный перепускные каналы и средства для управления открытием клапана при температуре выше ее порогового значения обеспечивает возможность использования основного и вспомогательного перепускных каналов только в условиях эксплуатации при пониженной температуре, при этом, когда температура выше заданного порогового значения температуры, поток масла не циркулирует по указанным каналам.
В связи с тем, что перепад давления возрастает с понижением температуры в результате увеличения вязкости масла, очевидно, что добавление вспомогательного перепускного канала особенно эффективно. При этом этот вспомогательный канал оказывает незначительное влияние на функцию нагрева масла в основном канале воздушно-масляного теплообменника. Например, перепуск 30% потока масла из основного перепускного канала во вспомогательный перепускной канал позволяет поддерживать то же самое время размораживания теплообменника.
Другой особенностью изобретения является то, что узел содержит один единственный клапан, расположенный на выпуске из основного перепускного канала и ниже по потоку от выпуска из вспомогательного перепускного канала. Конечно, можно было бы установить по одному клапану для каждом из основного и вспомогательного перепускных каналов. Однако очевидно, что это усложнит узел.
В другом варианте выполнения один единственный клапан может быть расположен на впуске основного перепускного канала и выше по потоку от впуска вспомогательного перепускного канала.
Управляющий клапан может представлять собой клапан, который может принимать по меньшей мере два положения: первое, открытое положение, позволяющее маслу проходить через него, и второе, закрытое положение, блокирующее прохождение масла. В результате пороговое значение температуры составляет, например, приблизительно 70°С.
В другом варианте выполнения управляющий клапан может представлять собой однонаправленный двухходовый клапан, который может принимать по меньшей мере два положения: первое, открытое положение, позволяющее маслу проходить через него, и второе, закрытое положение, блокирующее прохождение масла через клапан, но также и промежуточные положения.
Другой особенностью изобретения является то, что вспомогательный перепускной канал может быть по меньшей мере в десять раз короче основного перепускного канала. При этом контур содержит вспомогательное ответвление, диаметр которого может быть по меньшей мере в три раза меньше диаметра основного ответвления.
Использование вспомогательного перепускного канала меньшей длины и/или меньшего диаметра, чем длина и/или диаметр основного перепускного канала, в соответствии с вышеупомянутыми соотношениями, делает возможным подходящее распределение потока между основным и вспомогательным перепускными каналами для снижения перепада давления в основном канале при обеспечении надлежащего размораживания теплообменника.
Кроме того, вспомогательный перепускной канал меньшей длины и/или меньшего диаметра, в соответствии с вышеуказанными соотношениями, препятствует возникновению избыточного давления в масляном контуре при замерзании матрицы масляного теплообменника, без необходимости увеличения поперечного сечения основного перепускного канала. Это уменьшает размеры и массу основного перепускного канала.
Вспомогательный перепускной канал меньшей длины будет предпочтительным благодаря конструктивному уменьшению массы. Кроме того, размещение впуска и выпуска в непосредственной близости друг от друга имеет определенные преимущества. Диаметр вспомогательного перепускного канала, тем самым, регулируется в зависимости от длины канала для обеспечения надлежащего распределения потока масла в основном и вспомогательном перепускных каналах.
Изобретение также относится к газотурбинному двигателю с масляным контуром, описанным выше, в котором воздушно-масляный теплообменник ограничивает в радиальном направлении обтекаемую поверхность для вспомогательного воздушного потока в радиальном наружном направлении.
Изобретение будет более понятным, а также другие детали, характеристики и преимущества изобретения станут более очевидными после прочтения нижеследующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фиг. 1 изображает схематический вид масляного контура с использованием известного технического решения, уже описанного выше;
- Фиг. 2 изображает схематический вид масляного контура, выполненного в соответствии с изобретением, при этом клапан показан в открытом положении;
- Фиг. 3 изображает схематический вид масляного контура, выполненного в соответствии с изобретением, при этом клапан показан в закрытом положении;
- Фиг. 4 изображает схематический вид в аксонометрии, если смотреть с нижней по потоку стороны, газотурбинного двигателя, содержащего теплообменник, выполненный в соответствии с изобретением;
- Фиг. 5 изображает схематический вид в разрезе, иллюстрирующий расположение теплообменника в одном проточном тракте газотурбинного двигателя,
- Фиг. 6а изображает схематический вид узла, выполненного в соответствии с изобретением;
- Фиг. 6b изображает схематический вид в разрезе указанного узла в радиальной плоскости;
- Фиг. 7 изображает схематический вид в аксонометрии в радиальном разрезе указанного узла, показанного на Фиг. 6а.
На Фиг. 2 изображен масляный контур 24, выполненный в соответствии с изобретением. В этом описании термин «теплообменник» относится к средству, выполненному с возможностью теплообмена между двумя объектами. Обычно обменивающиеся теплом средства окружены конструктивным корпусом, так что этот узел можно называть теплообменником без конструктивного корпуса, активно участвующего в теплообмене. Таким образом, понятно, что изобретение также охватывает и данный тип устройства.
Как показано на Фиг. 2, масляный контур 24 содержит основной перепускной канал 26, аналогичный перепускному каналу 16, показанному на Фиг. 1, и вспомогательный перепускной канала 28, соединяющий верхний по потоку конец основного перепускного канала 26 с нижним по потоку концом основного перепускного канала 26. В частности, верхний по потоку конец основного перепускного канала 26 и верхний по потоку конец вспомогательного перепускного канала 28 соединены друг с другом на впуске подающей трубы 30 теплообменника 31 или, более конкретно, матрицы 33 теплообменника 31.
Нижний по потоку конец основного перепускного канала 26 соединен с впуском клапана 22, открытие/закрытие которого управляется с помощью средства 35 управления, обеспечивающего / блокирующего поток текучей среды через клапан 22 при температуре масла ниже заданного порогового значения температуры, например 70°С. В данном варианте выполнения изобретения средство управления клапаном является пассивным и выполнено из воска, обладающего способностью изменения объема в зависимости от окружающей температуры. Изменение объема воска внутри клапана обеспечивает маслу возможность выборочно проходить через клапан или блокирует поток масла выше по потоку от клапана. Выпуск клапана 22 соединен с выпускным каналом 34 теплообменной матрицы.
В альтернативном варианте выполнения (не показан) клапан 22 может быть установлен выше по потоку от верхнего по потоку конца основного перепускного канала 26 так, чтобы обеспечивать протекание текучей среды в основном перепускном канале 26 при температуре ниже заданного порогового значения и препятствовать протеканию потока масла при температуре выше заданного порогового значения, при этом допускается поток масла в подающем канале 30 масляной матрицы независимо от температуры. В этой конфигурации верхний по потоку конец вспомогательного перепускного канала 28 присоединен к выпуску клапана 22 или ниже по потоку от нижнего по потоку конца основного перепускного канала 26.
В еще одном варианте выполнения изобретения можно использовать один клапан для каждого из основного 26 и вспомогательного 28 перепускных каналов, при этом открытие и закрытие указанных клапанов одновременно управляется с помощью средства управления.
В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, клапан 22 предпочтительно представляет собой двухпозиционный однонаправленный обратный клапан, одно из положений которого обеспечивает поток масла через основной 26 и вспомогательный 28 перепускные каналы, а другое положение препятствует потоку через указанные каналы 26, 28. Кроме того, можно использовать клапан с сервоприводом с двумя отверстиями и двумя положениями.
Поток масла в матрице 33 представлен на Фиг. 2 сплошными стрелками.
В соответствии с изобретением, когда масло в матрице 33 замерзло, масло протекает через основной канал 26 и вспомогательный канал 28, как изображено на Фиг. 2 и 3 пунктирными стрелками.
Двойной масляный поток в основном канале 26 и вспомогательном канале 28 увеличивает скорость потока перемещающегося масла, когда матрица 33 замерзла, снижая избыточное давление в масляном контуре 24, в частности, в основном канале, для заданного потока масла в подающем канале 34.
Предпочтительно, поперечное сечение прохода для масла вспомогательного канала 28 меньше или равно поперечному сечению прохода для масла основного канала 26, так что масло протекает в целом по основному каналу 26 и, таким образом, обеспечивает размораживание матрицы 33.
Аналогичным образом, следует понимать, что вспомогательный канала должен быть максимально коротким для снижения перепада давления в основном канале, чтобы гарантировать надлежащее размораживание. Таким образом, например, длина вспомогательного канала может быть по меньшей мере в десять раз меньше длины основного канала и/или его диаметр может быть в три раза меньше диаметра первого канала.
На Фиг. 4 показан газотурбинный двигатель 36, если смотреть с нижнего по потоку конца (в направлении воздушного потока), содержащий вентиляторное колесо 38 и воздушно-масляный теплообменник 31, поддерживаемый наружным кольцевым корпусом 40 проточного канала для вспомогательного воздушного потока (стрелка А на Фиг. 5). Как лучше всего видно на Фиг. 5, теплообменник 31 поддерживается корпусом 40, а его матрица выполнена с образованием наружной в радиальном направлении обтекаемой поверхности для вспомогательного воздушного потока газотурбинного двигателя, то есть для воздушного потока, обходящего компрессоры низкого и высокого давления, камеру сгорания и турбины высокого и низкого давления.
По сути понятно, что воздушно-масляный теплообменник 31 выполнен в виде кольца, расположенного вокруг оси 42 газотурбинного двигателя 36.
В описании термин «вспомогательный канал» следует понимать, как относящийся к любому проходу для текучей среды, обеспечивающему протекание масла между верхним по потоку и нижним по потоку концами основного канала.
Таким образом, в описанном выше теплообменнике вспомогательный канал может представлять собой простое отверстие, выполненное в стенке, разделяющей масло, протекающее в подающем канале 30, и масло, протекающее в расположенной ниже по потоку части основного канала 33.
В одном варианте выполнения изобретения диаметр основного канала составляет приблизительно 12 мм, при этом вспомогательный канал представляет собой отверстие, как указано в предыдущем абзаце, диаметром 5 мм.
Длина основного канала в одном иллюстративном варианте выполнения составляет приблизительно несколько метров.
На Фиг. 6а показан узел 44, выполненный в соответствии с изобретением и содержащий корпус, образованный первым полукольцом 46 и вторым полукольцом 48, которые соединены друг с другом с помощью центральной части 50. Узел 44 содержит, как описано выше, масляный контур 24 и теплообменную матрицу 33, а также охлаждающие пластины 70, расположенные на радиально внутренней поверхности масляной матрицы 33. Центральная часть содержит впуск 30 для масла в матрице 33, выпуск 34 для масла из матрице 33 и однонаправленный клапан 22. Как описано выше, впуск 30 для масла используется для подачи масла в основной канал 26 и вспомогательный канал 28, при этом выпуск 34 для масла соединен с выпуском однонаправленного клапана 22 или, в более широком смысле, с выпуском клапана 22.
Первое полукольцо 46 содержит первое полукруглое ответвление 46а и второе полукруглое ответвление 46с, соединенные друг с другом с помощью соединительного ответвления 46b, образованного на периферийном окружном конце, противоположном центральной части 50 (Фиг. 6b). Первое ответвление 46а образовано выше по потоку от второго ответвления 46с, а соединительное ответвление 46b первого полукольца 46 проходит по существу в осевом направлении. Первое ответвление 46а, второе ответвление 46с и соединительное ответвление 46b вместе образуют первую часть 52 основного перепускного канала 26.
Второе полукольцо 48 содержит первое ответвление 48а полукруглой формы и второе ответвление 48с полукруглой формы, соединенные друг с другом с помощью соединительного ответвления 48b, образованного на периферийном окружном конце, противоположном центральной части 50. Первое ответвление 48а образовано выше по потоку от второго ответвления 48с, а соединительное ответвление 48b проходит по существу в осевом направлении. Первое ответвление 48а, второе ответвление 48с и соединительное ответвление 48b второго полукольца 48 вместе образуют вторую часть 54 основного перепускного канала 26. Первая часть 52 основного перепускного канала и вторая часть 54 основного перепускного канала вместе в полном объеме образуют основной перепускной канал 26.
В частности, как показано на Фиг. 7, центральная часть 50 поддерживает клапан 22, имеющий трубчатый корпус 54, в котором поршень 56 установлен с возможностью скольжения между первым опорным положением на седле 58, перекрывая поток масла между выпуском 60 основного канала 26 и выпуском 34 матрицы 33, и вторым положением, в котором поршень 56 расположен на расстоянии от седла 58 и пропускает поток масла. Поршень 56 содержит первую наружную в радиальном направлении часть 56а, скользящую вместе с уплотнением в корпусе и соединенную с помощью штока 56b с головкой 56с поршня, предназначенной для размещения на седле 58 или вокруг выпускного отверстия 62. Эта головка имеет кольцевую фаску 64 для опоры на периферии отверстия 62. Когда масло протекает через отверстие 60, оно затем протекает через канал 66 и достигает выпускного отверстия 34 масляной матрицы 33.
Как показано на Фиг. 7, вспомогательный канал 28 соединяет верхний по потоку конец основного канала 26 с нижним по потоку концом основного канала 26. На этом чертеже показано также впускное отверстие 68 для масла в основном канале 26, при этом отверстие 68 соединено с впускным отверстием 30 для масла матрицы 33.
Масло подается в основной канал 26 и вспомогательный канал 28 через впускное отверстие 30 для масла матрицы 33. Затем масло в основном канале 26 и во вспомогательном канале 28 протекает в клапан 22, который блокирует масло на выпуске 60 из основного канала 26 или обеспечивает возможность выхода масла через выпуск 34 масляной матрицы 33.
Поток в основном канале 26 включает, в частности, поток в первом полукольце 46 и затем во втором полукольце 48, прежде чем он достигнет клапана 22. В частности, масло протекает в первое полукруглое ответвление 46а, затем в соединительное ответвление 46b и наконец, во второе полукруглое ответвление 46 с первого полукольца 46. Масло после того, как оно достигло нижнего по потоку конца второго полукруглого ответвления 46 с первого полукольца 46, протекает во второе полукольцо 48 по второму полукруглому ответвлению 48с, затем по соединительному ответвлению 48b и, наконец, по первому полукруглому ответвлению 48а, прежде чем оно достигнет выпускного отверстия 34 масляной матрицы 33 через клапан 22.