Трехвальный газотурбинный двигатель

 

Использование: транспортные, судовые и энергетические установки, от которых требуется высокая экономичность на частичных нагрузках, а также при конверсии газотурбинных двигателей для гражданских целей. Сущность изобретения: турбина среднего давления снабжена устройством для перепуска части газа помимо нее в силовую турбину низкого давления. Устройство для перепуска выполнено в виде подвижных в радиальном направлении кольцевых сегментов с перепускными отверстиями , которые имеют грани с наклоном , равным выходному углу сопловых лопаток. Кольцевые сегменты установлены на выходе из соплового аппарата с перекрышей его периферийных проходных сечений и подпружинены относительно опорных поверхностей прижимами. Двигатель снабжен вращающимся регенератором, имеющим во входном и выходном воздушных патрубках запорные клапаны, а во входном газовом патрубке-поворотную заслонку. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sx)s F 01 D 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4788551/06 (22) 06.02,90 (46) 15.10.92. Бюл. N. 38 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) Н.Ф,Галицкий (56) Манушин Э.А, "Газовые турбины: проблемы и перспективы", М,: Энергоатомиздат, 1986, с.118, (54) ТРЕХВАЛЬНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ

ДВИГАТЕЛЬ (57) Использование: транспортные, судовые и энергетические установки, от которых требуется высокая экономичность на частичных нагрузках, а также при конверсии газотурбинных двигателей для гражданских целей, Сущность изобретения: турбина

Изобретение относится к области транспортного газотурбостроения и может быть использовано в транспортных, судовых и энергетических установках, от которых требуется высокая экономичность на частичных нагрузках, составляющих 20—

30% от полной, а также при конверсии трехвальных ГТД ВГМ для гражданских целей.

Известен транспортный трехвальный нерегенеративный ГТД, широко применяемый на транспортных машинах и ВГМ, содержащий корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, а другой с турбиной среднего давления, камеру сгорания, силовую турбину низкого давления с регулируемым сопловым аппаратом (PCA) (Попов Н.С. и др. Транспортные машины с газотурбинными двигателями, Л., Машиностроение, 1987, с,54, рис.1.41).

„„. Ж„„176876б А1 среднего давления снабжена устройством для перепуска части газа помимо нее в силовую урбину низкого давления. Устройство для перепуска выполнено в виде подвижных в радиальном направлении кольцевых сегментов с перепускными QTверстиями, которые имеют грани с наклоном, равным выходному углу сопловых лопаток, Кольцевые сегменты установлены на выходе из соплового аппарата с перекрышей его периферийных проходных сечений и подпружинены относительно опорных поверхностей прижимами. Двигатель снабжен вращающимся регенератором, имеющим во входном и выходном воздушных патрубках запорные клапаны, а во входном газовом патрубке — поворотную заслонку. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Недостатком этого ГТД является неудовлетворительная экономичность на малых частичных нагрузках, составляющих

20 — 30% от полной нагрузки, что обусловлено отсутствием теплообменника и снижением начальной температуры газа. Это затрудняет его конверсию, например, на аварийно-спасательные, инженерные, карьерныее, дорожно-строител ьн ые, лесонавалочные и другие гусеничные и колесные машины, которые в основном работают при указанных нагрузках. а полную мощность используют в течение 1 — 3% времени эксплуатации.

Известен авиационный трехвальный нерегенеративный ГТД (Патент ФРГ N2242048, ГО2С 7/02, 1974 г.), который содержит корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, а другой — с турбинсй

1768766 среднего давления, имеющей РСА и поворотные заслонки перед входом в него, которая связана с вентилятором, создающим горизонтальную тягу, камеры сгорания, силовую турбину низкого давления с РСА, соединенную с винтом вертикальной тяги, а также двухконтурное реактивное сопла и газораспределительные тракты, В этом ГТД заслонки и РСА служат для переключения газового потока либо в,.ТСД, либо в ТНД, сохраняя низменным давление за ТВД, чтобы исключить возможность выбега ротора

ТВД за допустимые по условиям прочности обороты.

Недостатком этого ГТД является сравнительно низкая экономичность на крейсерских режимах из-за снижения начальной температуры и отсутствие теплаобменилка, а также усложнение конструкции ТСД заслонками и РСА, которые снижают надежность и увеличивают стоимость I Ti, Известен прототип — транспортный трехвальный регеиеративный ГТД AGT1500, ширака применяемый на американских ВГМ MI, vlIAI и морских катерах, аи содержит корпус, двухкаскадный KoMRpeccop, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, а другой — с турблной среднего давления, камеру сгорания, сиг!овую турбину низкого давления с

РСА и теплообмениик, подключенный по воздуху к компрессору высокого давления и к камере efopàíëÿ, а па газу -- к выхлопу силовой турбины (Уанушин Э,А. Газовые турбины, Проблемы и перспектлвы, V;„

Эиергаа амиздат, 1986, с.118I.

Недостатками этого прототипа являются, во-первых, пг охая экономичность на нагрузках 20-30 / от полной вследствие снижения Teviпературы газа а ТВД; ас-вторых, ограниченность степени регене»ации тепла рекуперативным типом тег!лаобменника, обусловленное стремительным ростом габаритов ripl увеличении степени регенерации ca i!ue 75с o aen»! i H!,! oта рой зависи- экономичность регенеративного ГТД, Целью изобретения является повышение экономичности аа частичиь!х нагрузка;. и снижение габаритаь ГТД.

Для достижения пастаьле,-:най цели трехвальный газотурбинный двигатн ь, содержащий корпус, двухкаскадиый комг.:рессор, один каскад котарога соедииеH с турби:-!ай высокого давления, а дру ой — с турбинол среднего давления, имеющей сапловые лопатки, камеру сгорания, силовую турбину низкого давления, регулирующие расход рабочеro тела Gpl BHb!., теплоаамеиник, подключенный по воздуху к компресса5

2l

40 .15 .. 0 !

" г ру высокого давления и к камере сгорания, а по газу — к выхлопу силовой турбины, согласно изобретению, двигатель снабжен газоперепускным каналом, выполненным в корпусе над турбиной среднего давления, подключенным к выходу турбины высокого давления и входу силовой турбины, а регулирующие органы выполнены в виде плоских кольцевых сегментов с перепускными отверстиями, подпружиненных со стороны опорных поверхностей и установлены с возможностью радиального перемещения на выходе из сопловых лопаток с перекрышей их периферийного сечения, причем торцевые поверхности сегментов наклонены под углом к оси двигателя равным выходному углу сопловых лопаток; двигатель снабжен также запориыми клапанами и поворотной заслонкой, установленными соответственно на входах па воздуху и газу теплаабменника, а теплаобменник выполнен в виде вращаю ",егося регенератора.

Пере .уск газа устройствам в силовую турбину г,азваляет снизить мащностьтурбииы среднего давления и, следовательно, обороты и расход воздуха компрессора низкого давления, при котором в результате повышения температуры газа и оборотом каскада высокого давления до начального значения и увеличения степени регенерации получается необходимая мощность, составляющая 20 — 30 j от полной при максимальной экономичности ГТД иа уровне равноценного транспортного дизеля.

Перекрыша периферийного проходного сечения сапловага аппарата исключает abl бег ротора каскада высокого давления за допустимые па уславлям прочности обороты, Наклон боковых граигл сегментов под выходным углом сопловых лопаток обеспечивает безударное обтекание рабочих лопаток струями газа, вытекающими из щелей при неплатном прилеганил боковых граней соседних сегMGHTQB. Пружиинь!е прижимы обеспечивают плотное прилегание сегментов к опорным поверхностям и этим исключают утечки -аза при работе ГТД с выключенным перепуском газа.

Выполнение теплоабменника в виде вращающегося регеиератара существенно снижает габариты и обеспечивает полученле наивысшей степени регенерации, а наличие в нем запорных клапанов и поворотной заслонки исключают утечки воздуха и газа при рабате ГТД с отключенным реганератором, Заслонки на выходе из компрессора высокого давления, воздушные коллекторы позволяют присоединить pere1768766 нератор к ГТД с наименьшими переделками

ГТД ВГМ при его конверсии.

Автору неизвестны другие решения, которые обладают аналогичными признаками, поэтому, по мнению автора, заявленноетехническое решение обладает существенными отличиями, придающими новые свойства, а именно — глубокое количественное регулирование мощности с оптимизацией термодинамического цикла при восстановлении начальной температуры газа.

На фиг.1 представлен продольный разрез трехвального ГТД при работе на частичной нагрузке.

На фиг,2 изображен продольный разрез устройства для перепуска газа помимо турбины среднего давления ва время его действия.

На фиг,3 приведен разрез по А-А фиг,2.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Как показывает фиг.1. трехвальный ГТД содержит: компрессор низкого давления—

1, компрессор высокого давления — 2, камеру сгорания — 3, турбину высокого давления — 4, связанную валом с компрессором высокого давления, которые образуют каскад высокого давления; воздушные коллекторы—

5, турбину среднего давления с устройством для перепуска газа помимо нее — 6, соединенну а валом с компрессором низкого давления, которые образуют каскад низкого давления; регулируемый сопловой аппарат — 7, силовую турбину низкого давления — 8, соединенную с зубчатым редуктором — 9, служащим для обеспечения движения машины и зубчатым редуктором — 10, для отбора мощности на приводы подъемного, бульдозерного и другого оборудования.

На ГТД установлены: вращающийся регенератор — 11, заслонки — 12 на выходе из компрессора высокого давления, запарные клапаны — 13 и 14, соответственно во входном и выходном воздушных патрубках регенератора 11, поворотная заслонка — 15 íà выходе турбины низкого давления) во входном патрубке регенератора 11, Вращающийся регенератор может быть дискового или барабанного типа, В регенератар входят: упомянутая заслонка — 15, корпус — 16 с упомянутыми воздушными патрубками, диск — 19 с зубчатым венцом, сцепленным с приводом, вращающим его вокруг вертикальной оси (не показан), сеточные теплообменные конусь1 — 20, установленные в цилиндрических каналах диска, графитовые уплотнения — 21, а также опорные подшипники, которые не показаны, 5

15 п0

Устройство в турбине среднего давления для перепуска газа помимо нее, фиг,2, состоит из плоских кольцевых сегментов—

22, имеющих возможность радиального перемещения, с отверстиями — 23 для перепуска газа, которыс длинным штоком — 24 присоединены к роликам — 25 механического привода. Ролики опираются на поверхности профильных прорезей в поворотном кольце — 26, установленном на шариковом псдшипнике — 27, Кольцо может поворачиваться механическим, электрическим, гидравлическим и

ni-;сзматическим приводом, который не по;:азан, Непосредственный пневматический привод показан на фиг,3. Здесь сегменты 22 прилегают друг к другу гранями, которые имеют наклон, равный выходному углу сопловых лопаток — разрез по В-В, При неплатном прилегании или регулировании перепуска газа ани образуют каналы, которые направляют газовые струи на рабочие лопатки пад тем же углом. -:та и сопловые лопатки. Для обеспечения полной герл1етичности после выключения перепуска, когда сегменты 22 перемещены в крайнее периферийное положение, показанное на фиг,2 пунктирам, предусмотрены пружинные прижимы 28 сегментов 22 к сопряженным опорным поверхностям.

Формула изобретения

1. Трехвальный газотурбинный двигатель, содержащий корпус, двухкаскадный компрессор, один каскад которого соединен с турбиной высокого давления, а другой — с турбиной среднего давления, имеющей сопловые лопатки, камеру сгорания, силовую турбину низкого давления, регулирующие расход рабочего тела органы, теплоабл;енник, подключенный по воздуху к компрессору высокого давления и к камере сгорания, а по газу — к выхлопу силовой турбины, о тл и ч а ю шийся тем, чта, с целью повышения экономичности на малых продолжительных частичных нагрузках и снижения габаритов, двигатель снабжен газоперепускным каналом, выполненным в корпусе над турбиной среднего давления, подключенным к выходу турбины высокого давления и входу силовой турбины, а регулирующие органы выполнены в виде плоских кольцевых сегментов с перепускными отверстиями, годпружиненкых со стороны опорных поверхностей, и установлены с возможностью радиального перемещения на выходе из саплавь|х лопаток с перекрытием их периферийного сечения, причем торцевые поверхности сегментов наклонены под углом к оси двигателя, равным Bbl ходному углу сопловых лопаток, 1768766

2, Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен запорными клапанами и поворотной заслонкой, установленными соответственно на входах по воздуху и газу теплообменника, а теплообменник выполнен в виде вращающегося регенератора.

1768766

Составитель Н.Галицкий

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор С.Пекарь

Редактор

Производствень а-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3628 Тираж Подписное

ВНИИПИ Госудаоственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5