Выходное устройство газотурбинного двигателя

Предложение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве выходного устройства турбовального газотурбинного двигателя со свободной турбиной при его установке на вертолет.

Выходное устройство газотурбинного двигателя, преимущественно для вертолета, содержит корпус диффузора, выхлопной патрубок, выполненный с поворотом потока газов под углом к оси двигателя, и расположенный внутри выхлопного патрубка пустотелый обтекатель для вывода вала назад, при этом угол поворота составляет 55-65°, а выхлопной патрубок выполнен профилированным от круглого сечения диффузора до овального выходного сечения в месте стыка с насадком вертолета, при этом обтекатель по ходу потока снабжен эжектором и элементом с радиальными каналами для забора охлаждающего атмосферного воздуха с возможностью дальнейшего его поступления сначала к внутренней поверхности обтекателя, а затем через эжектор вдоль наружной поверхности.

Предложение позволяет получить легкое по весу и работоспособное при высокой температуре выходное устройство оптимальных размеров с максимальной диффузорностью.

1 н.п.ф., 2 з.п.ф., 5 ил.

Предложение относится к машиностроению, в частности к конструкции выходных устройств газотурбинных двигателей и может быть использовано в качестве выходного устройства турбовального газотурбинного двигателя со свободной турбиной при его установке на вертолет.

Выходное устройство предназначено для отвода отработавших в турбинах газов за пределы силовой установки с минимальными гидравлическими потерями.

Известно выходное устройство газотурбинного двигателя, содержащее наружный корпус и расположенный внутри корпуса обтекатель [1].

Недостатком данного устройства является то, что оно обеспечивает отвод отработавших горячих газов по продольной оси двигателя и непригодно для летательных аппаратов, например, для вертолетов с двумя двигателями, где требуется разворот газового потока от указанной оси.

Известен также насадок к выхлопному патрубку газотурбинного двигателя двухдвигательной силовой установки вертолета, выполненный в виде трубчатого элемента, примыкающего к выходу выхлопного патрубка [2].

Выходное устройство с таким насадком позволяет развернуть газовый поток, отвести отработавшие горячие газы за пределы летательного аппарата и улучшить при этом характеристики силовой установки вертолета.

Недостатком известного устройства являются его значительные габариты и вес.

Следует также отметить, что детали проточной части выходных устройств работают в тяжелых условиях. Они нагреваются потоком горячих газов, при этом температурное поле потока газов внутри выходного устройства неоднородно, что может вызвать коробление деталей и местный прогар.

Известно выходное устройство газотурбинного двигателя, содержащее корпус, внутренний канал для прохода вала назад, образованный конической поверхностью внутри газового тракта двигателя, и экран для защиты стенок корпуса и канала от высоких температур [3].

Недостатком известного устройства является наличие дополнительного устройства для защиты стенок от перегрева, что приводит к увеличению массы двигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является выходное устройство турбовального газотурбинного двигателя, включающее входной диффузор, кожух выводного вала, выпускной канал и стойку [4].

Недостатками известного устройства являются значительные потери полного давления за счет недостаточной плавности проточной части, а также возможность перегрева элементов конструкции.

Технический результат заявляемого решения заключается в снижении массы двигателя за счет легкого и работоспособного при высокой температуре выходного устройства оптимальных размеров, полученных путем обеспечения его максимальной диффузорности и уменьшения потерь полного давления.

Для достижения указанного технического результата в выходном устройстве газотурбинного двигателя, преимущественно для вертолета, содержащее корпус диффузора, выхлопной патрубок, выполненный с поворотом потока газов под углом к оси двигателя, и расположенный внутри

выхлопного патрубка пустотелый обтекатель для вывода вала назад, согласно предложению, угол поворота составляет 55-65°, а выхлопной патрубок выполнен профилированным от круглого сечения диффузора до овального выходного сечения в месте стыка с насадком вертолета, при этом обтекатель по ходу потока снабжен эжектором и элементом с радиальными каналами для забора охлаждающего атмосферного воздуха с возможностью дальнейшего его поступления сначала к внутренней поверхности обтекателя, а затем через эжектор вдоль наружной поверхности.

Также, согласно предложению, на внутренней поверхности обтекателя установлены теплозащитные экраны, и в месте стыка выхлопного патрубка с насадком вертолета установлен стяжной хомут с уплотнением.

Наличие отличительных признаков, а именно разворот газового потока под углом 55-65° к оси двигателя, выполнение выхлопного патрубка криволинейным, профилированным от круглого сечения диффузора до овального выходного сечения в месте стыка с насадком вертолета, выполнение обтекателя с эжектором на входе в устройство, а на выходе из него - с элементом, например фланцем, снабженным радиальными каналами для забора охлаждающего атмосферного воздуха с возможностью дальнейшего его поступления сначала к внутренней поверхности обтекателя, а затем через эжектор вдоль наружной поверхности, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид выходного устройства; на фиг.2 представлен общий вид выходного устройства с видом на обтекатель, расположенный внутри выхлопного патрубка; на фиг.3 схематично показан продольный разрез выходного устройства; на фиг.4 представлен узел уплотнения стыка выхлопного патрубка и насадка вертолета; на фиг.5 представлен эжектор.

Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа

технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, на чертежах не представлены.

В приведенном примере конкретного выполнения заявляемое выходное устройство выполнено на авиационном турбовальном газотурбинном двигателе, установленном на вертолете. Двигатель представляет собой тепловую машину, в которой происходит преобразование энергии, выделяемой при сгорании топлива, в механическую работу на выходном валу свободной турбины, кинематически не связанной с турбиной компрессора. Являясь основным источником энергии, он служит для привода несущих (несущего и рулевого) винтов и агрегатов различных систем вертолета.

Выходное устройство данного двигателя выполнено в виде расширяющегося дозвукового диффузора. Оно обеспечивает отвод отработавших горячих газов под углом от оси двигателя за пределы силовой установки вертолета.

Устройство включает корпус диффузора 1 и выхлопной патрубок 2, каждый из них представляет собой сварную конструкцию из титанового сплава (фиг.1). Выхлопной патрубок 2 изготовлен в виде специально спрофилированной трубы, изогнутой в горизонтальной плоскости под углом к оси двигателя =60° и имеющей изменяющиеся формы поперечного сечения от кольцевого сечения на входе газового потока до овала на выходе (фиг.2). Внутри выхлопного патрубка 2 расположен затурбинный пустотелый конусный обтекатель 3 с валом свободной турбины, который выведен назад по продольной оси двигателя и при этом пересекает выхлопной патрубок 2 (фиг.3). К выходу выхлопного патрубка 2 примыкает насадок 4 вертолета с узлом уплотнения (фиг.4). Узел уплотнения включает фланец 5 выхлопного патрубка 2 и фланец 6 насадка 4, которые сопряжены между собой соединительным хомутом 7. Между внешней поверхностью стенки выхлопного патрубка 2, фланцами 5 и 6 установлено кольцевое уплотнение 8, выполненное, например, из асбестового шнура.

На входе потока газов в выходное устройство на обтекателе 3 выполнен

эжектор 9 (фиг.5).

Устройство также содержит элемент 10, выполненный в виде фланца с радиальными каналами 11, которые предназначены для забора атмосферного воздуха на охлаждение деталей выходного устройства.

Вдоль внутренней поверхности обтекателя 3 для защиты от высоких температур расположенного внутри его вала, установлены теплозащитные экраны 12.

Устройство работает следующим образом.

При работе двигателя превращение тепловой энергии в механическую работу происходит в результате осуществления процессов сжатия - расширения рабочего тела (воздуха и газа) при его движении по газовоздушному тракту двигателя.

За начальное состояние принимаются параметры рабочего тела в невозмущенном потоке, где они соответствуют стандартным атмосферным условиям.

Для увеличения мощности свободной турбины она выполнена с перерасширением в ней газа. Поэтому в полости за свободной турбиной, а именно перед корпусом диффузора 1 выходного устройства, давление ниже атмосферного. На выходе из свободной турбины газы обладают давлением Р=0,098 МПа, температурой Т=437°С, осевой скоростью 154 м/с.

В выходном устройстве происходит торможение потока газа, в результате чего статическое давление возрастает до атмосферного, а абсолютная скорость снижается до 50 м/с.

Выходящие из двигателя газы обладают некоторым запасом тепловой энергии, однако практически не создают реактивную тягу. Это является специфической особенностью вертолетного газотурбинного двигателя с поворотом потока в выходном устройстве.

Охлаждение деталей выходного устройства осуществляется двумя путями: охлаждающим воздухом, поступающим из корпуса сопловых аппаратов свободной турбины и воздухом из окружающей среды, забор

которого осуществляется через радиальные каналы 11.

Вышеуказанное разрежение в полости за свободной турбиной используется для организации воздушного охлаждения обтекателя 3. Благодаря наличию эжектора 9, охлаждающий поток воздуха меняет направление движения. При этом газовым потоком, движущимся в проточной части, охлаждающий воздух прижимается к обтекателю 3, образуя вокруг него воздушную завесу и тем самым, обеспечивая его эффективное охлаждение.

Устройство было разработано и изготовлено на заводе имени В.Я.Климова и успешно использовано на предприятии заказчика.

Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации:

1. Патент RU №2096631, F 01 D 25/30, F 02 K 1/04, 1997;

2. Патент RU №2230005, B 64 D 33/04, F 01 N 7/00, F 01 N 7/08, 2004;

3. Свидетельство RU №9202, B 64 D 33/08, 1999;

4. Масленников М.М., Шальман Ю.Н., «Авиационные газотурбинные двигатели», М., «Машиностроение», 1975, стр.446, рис.14.1, д.

1. Выходное устройство газотурбинного двигателя, преимущественно для вертолета, содержащее корпус диффузора, выхлопной патрубок, выполненный с поворотом потока газов под углом к оси двигателя, и расположенный внутри выхлопного патрубка пустотелый обтекатель для вывода вала назад, отличающееся тем, что угол поворота составляет 55-65°, а выхлопной патрубок выполнен профилированным от круглого сечения диффузора до овального выходного сечения в месте стыка с насадком вертолета, при этом обтекатель по ходу потока снабжен эжектором и элементом с радиальными каналами для забора охлаждающего атмосферного воздуха с возможностью дальнейшего его поступления сначала к внутренней поверхности обтекателя, а затем через эжектор вдоль наружной поверхности.

2. Выходное устройство газотурбинного двигателя по п.1, отличающееся тем, что на внутренней поверхности обтекателя установлены теплозащитные экраны.

3. Выходное устройство газотурбинного двигателя по п.1, отличающееся тем, что в месте стыка выхлопного патрубка с насадком вертолета установлен стяжной хомут с уплотнением.