Двухконтурный газотурбинный двигатель со средствами отведения избыточного количества воздуха с упрощенным управлением

 

Изобретение касается двухконтурного газотурбинного двигателя, в частности авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащего между каналом первичного контура и каналом вторичного контура промежуточный структурный корпус, располагающийся в осевом направлении между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления, и который содержит средства отведения избыточного количества воздуха, позволяющие обеспечить отведение части газового потока, нагнетаемого компрессором низкого давления, в канал вторичного контура. Средства отведения избыточного количества воздуха содержат кольцевую полость, образующую коллектор, располагающуюся по потоку перед промежуточным корпусом в наружной стенке канала первичного контура и сообщающуюся в непрерывном режиме с каналом этого первичного контура, множество по существу осевых каналов, выполненных в этом промежуточном корпусе и соединенных с коллектором, и множество трубок, располагающихся вокруг компрессора высокого давления для того, чтобы обеспечить сообщение этих каналов с каналом вторичного контура. Трубки оборудованы клапанами регулирования расхода. Изобретение позволяет упростить систему отведения избыточного количества воздуха. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области двухконтурных газотурбинных двигателей, конкретно авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей.

В двухконтурном турбореактивном двигателе, имеющем высокую степень двухконтурности, если его рассматривать в направлении течения потока газов в первичном контуре, предусмотрены компрессор низкого давления, располагающийся непосредственно за ним компрессор высокого давления, который подает сжатый воздух в камеру сгорания, где этот воздух смешивается с топливом под давлением и полученная смесь сгорает с тем, чтобы передать образовавшуюся таким образом энергию на располагающуюся по потоку позади этой камеры сгорания турбину высокого давления, которая приводит в движение компрессор высокого давления, а затем на турбину низкого давления, которая приводит в движение вентилятор и компрессор низкого давления. Поток газов на выходе из этих турбин обеспечивает остаточную тягу, которая добавляется к тяге, создаваемой потоком газов, движущимся в канале вторичного контура, причем обе эти составляющие тяги необходимы для приведения в движение данного летательного аппарата.

В определенных условиях полета, при неполной нагрузке двигателей, например, в процессе снижения летательного аппарата, количество воздуха, подаваемое компрессором низкого давления, может оказаться слишком большим для нормального функционирования двигателя, вследствие чего необходимо отвести часть этого воздуха в канал вторичного контура для того, чтобы исключить возникновение эффекта так называемого помпажа, связанного с отрывом воздушных струй вдоль лопаток и приводящего к неустойчивости течения газового потока.

Кроме того, в том случае, когда летательный аппарат проходит сквозь облака значительного объема, большое количество воды в форме дождевых капель или града может попадать в компрессоры двигателя. Если при этом данный двигатель работает на режиме максимальной тяги, эта вода испаряется и находится в состоянии водяного пара, достаточно горячего и рассеянного для того, чтобы не вызывать самогашения пламени в камере сгорания, которая в данном случае запитывается значительным количеством топлива. Зато в том случае, когда данный летательный аппарат находится в фазе снижения или захода на посадку и двигатель работает на малом газе или в режиме минимальной тяги, степень сжатия, обеспечиваемая компрессорами, является относительно небольшой и вода в жидком или в твердом состоянии может достигнуть камеры сгорания и вызвать прекращение горения на одной из топливных форсунок или даже на всех форсунках, поскольку количество подаваемого в данном случае топлива является относительно малым. Это обстоятельство может повлечь за собой тяжелые последствия.

Именно поэтому устройства отведения избыточного количества воздуха в турбореактивных двигателях обычно оборудованы подвижными воздухозаборными ковшами, которые имеют возможность под действием достаточно сложных органов управления входить в канал первичного контура в кольцевом пространстве, отделяющем компрессор низкого давления от компрессора высокого давления. Поскольку это кольцевое пространство в продольном разрезе имеет S-образную форму, частицы воды, которые вследствие их достаточно большой удельной массы движутся вдоль наружной стенки канала первичного контура, захватываются этими воздухозаборными ковшами и отводятся в направлении канала вторичного контура.

В патентном документе GB 2259328 описано такое устройство отведения избыточного количества воздуха, в котором эти ковшовые воздухозаборники приводятся в действие при помощи устройства синхронизации, располагающегося в промежуточном корпусе, таким образом, чтобы направить отобранный воздух и имеющиеся в нем частицы в неподвижные трубки, которые обеспечивают их отведение в канал вторичного контура позади по потоку от опорных кронштейнов двигателя.

В патентном документе ЕР 0407297 предусматривается использование синхронно приводимых в действие створок люков, выполненных во внутренней и наружной стенках межконтурного кожуха и являющихся подвижными в радиальном направлении наружу.

В патентном документе ЕР 0374004 также предусматриваются в наружной стенке канала первичного контура створки люков, связанные с ковшовым воздухозаборным устройством.

Во всех этих устройствах отведения избыточного количества воздуха органы управления ковшовыми воздухозаборниками и створками люков располагаются в межконтурном кожухе и функционируют синхронно. Эти органы управления, содержащие кольцо управления, систему тяг и рычагов, гидравлические силовые цилиндры или тросы, предназначенные для приведения в движение шарнирно закрепленных створок или ковшовых воздухозаборников, являются достаточно сложными и, кроме того, труднодоступными при выполнении обязательных операций технического обслуживания и ремонта.

Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить двухконтурный газотурбинный двигатель, в котором средства отведения избыточного количества воздуха образованы в основном статическими или неподвижными элементами.

Таким образом, предлагаемое изобретение касается двухконтурного газотурбинного двигателя, в частности, авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя, который содержит между каналом первичного контура и каналом вторичного контура промежуточный структурный корпус, располагающийся в осевом направлении между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления, и который содержит средства отведения избыточного количества воздуха, позволяющие обеспечить отведение части газового потока, нагнетаемого компрессором низкого давления, в канал вторичного контура.

Этот газотурбинный двигатель отличается тем, что его средства отведения избыточного количества воздуха содержат кольцевую полость, образующую коллектор, располагающуюся по потоку перед промежуточным корпусом в наружной стенке канала первичного контура и постоянно сообщающуюся с каналом этого первичного контура, множества по существу осевых каналов, выполненных в этом промежуточном корпусе и соединенных с упомянутым коллектором, и множество трубок, располагающихся вокруг компрессора высокого давления для того, чтобы обеспечить сообщение упомянутых каналов с каналом вторичного контура, причем эти трубки оборудованы клапанами регулирования расхода.

Предпочтительным образом этот промежуточный корпус и эти каналы выполнены в виде единой литой детали. При этом данный промежуточный корпус содержит множество радиальных кронштейнов и упомянутые каналы располагаются между этими радиальными кронштейнами.

Предпочтительным образом этот коллектор сообщается с каналом первичного контура при помощи множества отверстий, выполненных в наружной стенке канала внутреннего контура и образующих решетку.

Весьма благоприятным образом эти клапаны регулирования расхода управляются раздельно.

Таким образом, в том случае, когда все клапаны регулирования расхода находятся в открытом положении, значительная часть воздуха отбирается в канале первичного контура и направляется в канал вторичного контура через упомянутые выше кольцевой коллектор, каналы и трубки.

В том случае, когда открыт только один клапан регулирования расхода, из канала первичного контура отбирается лишь небольшое количество воздуха. Это небольшое количество воздуха, поступающее из наружной в радиальном направлении зоны канала первичного контура, насыщено частицами воды. При этом данное устройство отведения избыточного количества воздуха выступает в роли ловушки для этих частиц воды. Реализация этой же функции обеспечивается и в том случае, когда все эти клапаны установлены в положение малого расхода.

Решетка, отделяющая канал первичного контура от коллектора, обеспечивает аэродинамическую непрерывность канала первичного контура в том случае, когда эти клапаны регулирования расхода находятся в закрытом положении.

Каналы, выполненные в виде единой детали вместе с промежуточным корпусом, благоприятным образом позволяют повысить жесткость этого промежуточного корпуса.

В предложенном устройстве отведения избыточного количества воздуха не содержится никаких подвижных механизмов, находящихся в контакте с каналом первичного контура, и никаких подвижных механизмов, располагающихся в этом промежуточном структурном корпусе. Клапаны регулирования расхода, располагающиеся в трубках, проложенных вокруг компрессора высокого давления, представляют собой системы, без особенных затруднений взаимозаменяемые при выполнении технического обслуживания. Кроме того, в данном случае отсутствуют сложные системы герметизации, используемые для герметизации стыков вокруг створок люков и воздухозаборников ковшового типа.

Другие преимущества и характеристики предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примера его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, среди которых:

фиг.1 представляет собой схематический вид в продольном разрезе половины промежуточного корпуса и передней по потоку части канала первичного контура, иллюстрирующий устройство отведения избыточного количества воздуха двухконтурного турбореактивного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением;

фиг.2 представляет собой фронтальный схематический перспективный вид части промежуточного корпуса.

Как можно видеть на приведенных в приложении чертежах, двухконтурный турбореактивный двигатель 1, имеющий продольную ось х, содержит в своей передней части вентилятор, не показанный на фиг.1 и 2 и обеспечивающий подачу потока воздуха в кольцевой воздушный канал первичного контура 2 и в кольцевой воздушный канал вторичного контура 3, отделенные друг от друга межконтурным кожухом 4.

В канале первичного контура 2 последовательно располагаются, в направлении спереди назад по потоку, компрессор низкого давления 5, кольцевой канал 6, который имеет в продольном сечении S-образную форму, и компрессор высокого давления 7, который обеспечивает подачу сжатого воздуха в камеру сгорания двигателя (не показанную).

Межконтурный кожух 4 содержит, в направлении спереди назад по потоку, носок разделения воздушного потока 8, внутренняя стенка которого образует статор компрессора низкого давления 5, промежуточный структурный корпус 9, содержащий в своей внутренней зоне кольцевой канал 6, имеющий в продольном сечении S-образную форму, и статор 10 компрессора высокого давления 7.

Канал вторичного контура 3 ограничен изнутри наружной стенкой 11 разделительного носка 8, внутренними платформами 12 опорных кронштейнов 13 двигателя, которые проходят сквозь канал вторичного контура 3 и которые закреплены на периметре промежуточного корпуса 9 при помощи фланцев, и капотами 14, охватывающими статор 10 компрессора высокого давления 7.

Промежуточный корпус 9 содержит внутри кольцевого канала 6 множество радиальных кронштейнов 15, предназначенных для передачи усилий, создаваемых вентилятором, на опорные кронштейны 13 через кольцевую часть 9а промежуточного корпуса 9, который охватывает кольцевой канал 6.

В соответствии с предлагаемым изобретением разделительный носок 8 содержит в своей внутренней зоне, примыкающей к промежуточному корпусу 9, кольцевую полость 16, охватывающую канал первичного контура 2 и располагающуюся в осевом направлении между последней ступенью компрессора низкого давления 5 и радиальными кронштейнами 15.

Кольцевая полость 16 сообщается в непрерывном режиме с каналом первичного контура 2 посредством, например, множества отверстий 17, образующих решетку и выполненных в зоне наружной стенки канала первичного контура 2, ограничивающей полость 16. Полость 16 открывается на задней поверхности разделительного носка 8.

Кольцевая часть 9а промежуточного корпуса 9, которая охватывает кольцевой канал 6, содержит множество по существу осевых каналов 18, которые открываются спереди по потоку при помощи отверстий 19 в кольцевую полость 16 и открываются сзади по потоку в задней поверхности этой кольцевой части 9а.

Каналы 18 продолжаются, в пространстве вокруг статора 10 компрессора высокого давления 7, при помощи наклонных трубок 20, которые открываются в канал вторичного контура 3 при помощи отверстий 21, выполненных в капотах 14.

Каждая из трубок 20 содержит свой собственный клапан регулирования расхода 22, который может управляться отдельно. В качестве этого клапана регулирования расхода может быть использован клапан любого подходящего в данном случае типа, например клапан гильотинного типа или клапан со сферическим золотником, причем ориентация оси вращения этого клапана в данном случае не имеет значения. Расположение клапанов 22 вокруг компрессора высокого давления 7 облегчает доступ к ним в процессе проведения технического обслуживания, поскольку в данном случае достаточно открыть наружные капоты 14 межконтурного кожуха для того, чтобы получить доступ к этим клапанам 22.

Как можно видеть на фиг.2, каналы 18 предпочтительным образом располагаются в круговом пространстве, разделяющем два смежных радиальных кронштейна 15, которые продолжаются в наружной кольцевой части 9а промежуточного корпуса.

Предпочтительно каналы 18 и промежуточный корпус 9 изготовлены в виде единой литой или сварной и механически обработанной детали. Наличие каналов 18, располагающихся в осевом направлении, позволяет усилить конструкцию промежуточного корпуса 9 с точки зрения передачи усилий, создаваемых, в частности, вентилятором.

Наличие полости 16, которая в данном случае выполняет функцию коллектора снаружи от промежуточного корпуса 9 вместе со своей решеткой забора воздуха в канале первичного контура 2, позволяет исключить наличие отверстий забора воздуха между радиальными кронштейнами 15 в стенке промежуточного корпуса 9, которая охватывает канал первичного контура 2, что упрощает технологические операции литейного производства и механической обработки при изготовлении этого промежуточного корпуса 9.

Таким образом, отбор избыточного воздуха осуществляется посредством кольцевой решетки, имеющей отверстия 17. Это обстоятельство ограничивает аэродинамические возмущения на уровне компрессора высокого давления 7.

Функционирование данной системы отведения избыточного воздуха происходит следующим образом.

В том случае, когда клапаны 22 регулирования расхода в трубках 20 находятся в закрытом положении, никакого отведения воздуха через трубки 20 не происходит. Вследствие этого обстоятельства не происходит никакого расхода воздуха через каналы 18. При этом воздух в полости 16 и в каналах 18 находится под заданным давлением в функции режима работы двигателя и совершенно не проходит через отверстия 17 решетки, которая в данном случае обеспечивает аэродинамическую непрерывность наружной стенки канала первичного контура 2.

В том случае, когда вся совокупность каналов 22 установлена в положение небольшого расхода воздуха или в том случае, когда только один из этих клапанов находится в положении значительного открытия притом, что остальные клапаны остаются закрытыми, небольшой расход воздуха проникает через отверстия 17 в полость 16 и отводится в канал вторичного контура 3. Этот небольшой расход воздуха отбирается в непосредственной близости от наружной стенки канала первичного контура и содержит наибольшую часть частиц, в частности, капелек воды, попадающих на вход канала первичного контура 2, вследствие кривизны наружной стенки этого канала первичного контура в этой зоне и собственного удельного веса этих частиц.

В том случае, когда все клапаны 22 регулирования расхода полностью открыты, наибольшее количество воздуха направляется в канал первичного контура вследствие разности давлений между зоной захвата и каналом вторичного контура 3 и вследствие уменьшения потерь давления в трубках 20.

Формула изобретения

1. Двухконтурный газотурбинный двигатель, в частности, авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий между каналом первичного контура (2) и каналом вторичного контура (3) промежуточный структурный корпус (9), располагающийся в осевом направлении между компрессором низкого давления (5) и компрессором высокого давления (7) и который содержит средства отведения избыточного количества воздуха, позволяющие обеспечить отведение части газового потока, нагнетаемого компрессором низкого давления (5), в канал вторичного контура (3), отличающийся тем, что средства отведения избыточного количества воздуха содержат кольцевую полость (16), образующую коллектор, располагающуюся по потоку перед промежуточным корпусом (9) в наружной стенке канала первичного контура (2) и сообщающуюся в непрерывном режиме с каналом этого первичного контура (2), множество по существу осевых каналов (18), выполненных в промежуточном корпусе (9) и соединенных с коллектором (16), и множество трубок (20), располагающихся вокруг компрессора высокого давления (7) для того, чтобы обеспечить сообщение каналов (18) с каналом вторичного контура (3), причем трубки (20) оборудованы клапанами регулирования расхода (22).

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что промежуточный корпус (9) и каналы (18) выполнены в виде единой литой или сварной и механически обработанной детали.

3. Газотурбинный двигатель по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что промежуточный корпус (9) содержит множество радиальных кронштейнов (15) и каналы (18) располагаются между радиальными кронштейнами (15).

4. Газотурбинный двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутый коллектор (16) сообщается с каналом первичного контура при помощи множества отверстий (17), выполненных в наружной стенке канала внутреннего контура (2) и образующих решетку.

5. Газотурбинный двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что клапаны регулирования расхода (22) управляются раздельно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2