обтекатель компрессора газотурбинного двигателя

Формула изобретения

Обтекатель компрессора газотурбинного двигателя с основной и обогреваемой частями, последняя из которых включает наружную, внутреннюю обечайки и щелевую полость для теплоносителя, отличающийся тем, что на входе в щелевую полость установлено сопло соосно с компрессором, а в щелевой полости обогреваемой части на внутренней обечайке установлены радиальные ребра с зазором относительно наружной обечайки, при этом соотношение высот щелевой полости на ее входе и на ее выходе составляет 1,2-3, при этом D/d=1,2-1,6, d/d₁=20-40, где D - наружный диаметр основной части обтекателя; d - наружный диаметр обогреваемой части обтекателя; d₁ - диаметр сопла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обтекателям компрессоров газотурбинных двигателей, в частности к входным обогреваемым обтекателям.

Известен входной обогреваемый обтекатель компрессора газотурбинного двигателя, содержащий наружную и внутреннюю обечайки со щелевой полостью между ними для прохода подогревающего воздуха [1].

Недостатком известной конструкции является пониженная надежность из-за недостаточной эффективности обогрева наружной поверхности обтекателя и термических напряжений.

Наиболее близким к заявляемому является обтекатель компрессора газотурбинного двигателя, содержащий наружную и внутреннюю обечайки со щелевой полостью между ними и трубу подвода подогревающего воздуха, установленную по оси компрессора [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность и экономичность из-за недостаточной эффективности обогрева наружной поверхности обтекателя, особенно его поверхности вблизи оси вращения компрессора и примыкающим к ней поверхностям.

Современные газотурбинные двигатели для получения необходимой экономичности выполняют с высокой степенью двухконтурности, что приводит к увеличению наружного диаметра компрессора (вентилятора) и внешних габаритов газотурбинного двигателя. Для уменьшения внешнего диаметра компрессора (вентилятора), последний выполняется с малым диаметром втулки на входе, т.е. с малым диаметром входного обтекателя на входе в компрессор, что в свою очередь снижает уровень центробежных сил, действующих на отложения льда на внешней поверхности этого обтекателя и требует его подогрева, например, горячим воздухом, отбираемым из-за промежуточной ступени компрессора.

Такой отбор приводит к снижению экономичности газотурбинного двигателя и поэтому проблема повышения эффективности обогрева внешней поверхности обтекателя является актуальной.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности и эффективности за счет подогрева внешней поверхности обтекателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в обтекателе компрессора газотурбинного двигателя с основной и обогреваемой частями, последняя из которых включает наружную, внутреннюю обечайки и щелевую полость для теплоносителя, согласно изобретению, на входе в щелевую полость установлено сопло, соосное с компрессором, а в щелевой полости обогреваемой части на внутренней обечайке установлены радиальные ребра с зазором относительно наружной обечайки, при этом соотношение высот щелевой полости на ее входе Н и на ее выходе h составляет 1,2-3, при этом D/d=1,2-1,6; d/d₁=20-40, где D - наружный диаметр основной части обтекателя, d - наружный диаметр обогреваемой части обтекателя, d₁ - диаметр сопла.

При работе обтекателя компрессора газотурбинного двигателя в условиях пониженных температур на его внешней поверхности образуется лед, куски которого попадают в проточную часть, вызывая поломку компрессора. Наиболее опасной с точки зрения накопления льда является зона внешней поверхности вблизи оси вращения компрессора, т.к. в этой зоне из-за малой окружной скорости центробежные силы близки к нулю, что и способствует накоплению льда. С увеличением расстояния от оси компрессора центробежные силы возрастают, и с определенной величины адгезионных свойств льда уже недостаточно для его удержания и накопления на внешней поверхности, и поэтому подогрев обтекателя в этой зоне не требуется.

Установка сопла соосно с компрессором на входе в щелевую полость с оптимальным диаметром позволяет осуществлять струйное натекание горячего воздуха из-за промежуточной ступени компрессора с максимальной эффективностью подогрева.

Горячий воздух проходит через щелевую полость, в которой установлены радиальные ребра с зазором относительно наружной обечайки, что оптимизирует распределение скоростей этого воздуха от входа в щелевую полость к ее выходу и подогрев поверхности внешней обечайки. При этом радиальные ребра в щелевой полости создают насосный эффект, увеличивая расход горячего воздуха и повышая экономичность двигателя.

Закрепление радиальных ребер на внутренней обечайке в случае поломки крепежных элементов исключает попадание их фрагментов на вход в компрессор, а зазор между радиальными ребрами и наружной обечайкой исключает появление термических напряжений между наружной и внутренней обечайками. Одновременно ребра увеличивают жесткость внутренней обечайки, нагруженной избыточным давлением горячего воздуха, что обеспечивает надежность конструкции.

Оптимальное соотношение наружного диаметра D основной части обтекателя и наружного диаметра d обогреваемой части обтекателя снижает расход горячего воздуха и одновременно исключает образование льда, что повышает надежность и экономичность газотурбинного двигателя.

При соотношении Н/h<1,2 эффективность подогрева обтекателя на выходе из щелевой полости уменьшается, что приводит к отложению льда и поломке компрессора.

При Н/h>3 будет наблюдаться увеличение гидравлического сопротивления щелевой полости, что ведет к уменьшению расхода теплоносителя (горячего воздуха) и отложению льда.

В случае, если D/d<1,2, обогреваемая площадь обтекателя увеличится, что приведет к ухудшению экономичности газотурбинного двигателя, а при D/d>1,6 снизится уровень центробежных сил, действующих на отложение льда, что приведет к его накоплению и поломке компрессора.

При d/d₁<20 ухудшится обогрев обтекателя на малых диаметрах, особенно в зоне оси компрессора, что также приведет к отложению льда, а при d/d₁>40 будет наблюдаться увеличение гидравлических потерь в системе подвода теплоносителя в щелевую полость, что приведет к ухудшению обогрева обтекателя в его обогреваемой части.

На фиг.1 показан продольный разрез обтекателя с компрессором газотурбинного двигателя, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Обтекатель 1 компрессора 2 газотурбинного двигателя установлен на рабочем колесе 3 компрессора 2 и состоит из основной 4 и обогреваемой 5 частей, последняя состоит из наружной 6 и внутренней 7 обечаек с образованием щелевой полости 8 между ними. Внутри полости 8 на внутренней обечайке 7 установлены с помощью крепежных элементов 9 радиальные ребра 10 с зазором 11 относительно наружной 6 обечайки. Щелевая полость 8 выполнена шириной Н на входе и соединена на входе 12 с трубой 13 подвода обогревающего воздуха, через сопло 14 с осью 15, совпадающей с осью компрессора 2, и кольцевую полость 16. На выходе полость 8 выполнена шириной h и соединена через отверстия 17 во внешней обечайке 6 с проточной частью 18 компрессора 2 на его входе.

На наружной поверхности 19 обтекателя вероятно отложение льда, куски которого могут попасть в проточную часть 18 компрессора 2, вызвав его поломку. Наиболее опасной с точки зрения накопления льда является зона 20 наружной поверхности 19 вблизи оси вращения 15 компрессора 2.

На внутреннюю поверхность 21 наружной обечайки 6 через сопло 14 осуществляется струйное натекание горячего воздуха 22, поступающего по трубе 13 из-за промежуточной ступени (не показано) компрессора 2.

Работает данное устройство следующим образом.

По трубе 13 из-за промежуточной ступени (не показана) через сопло 14 на внутреннюю поверхность 21 наружной обечайки 6 осуществляется струйное натекание горячего воздуха 22. Это позволяет предотвратить образование и накопление льда в зоне 20 и обогреваемой части обтекателя в области поверхности 19.

Далее горячий воздух 22 протекает в щелевой полости 8, ширина Н которой уменьшается от входа к выходу, что оптимизирует распределение скоростей воздуха от входа в щелевую полость 8 к ее выходу и, соответственно, оптимизирует подогрев поверхности 19 наружной обечайки 6. Расход горячего воздуха растет за счет насосного эффекта, который создают радиальные ребра 10 в щелевой полости 8.

С увеличением расстояния от оси 15 компрессора центробежные силы возрастают, и с некоторого радиуса адгезионных свойств льда уже недостаточно для его удержания и накопления на наружной поверхности 19, и поэтому подогрев обтекателя 1 в зоне не требуется.

Горячий воздух 22 из щелевой полости 8 через отверстие 17 истекает на вход в проточную часть 18 компрессора 2, осуществляя пленочный подогрев наружной поверхности 22 основной части 4 входного обтекателя 1.

Источники информации:

1. Патент РФ №1542156, F 02 К 3/00,1995 г.

2. А.С.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. - Москва: Машиностроение, 1981, с.92, рис.3.30.