Устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя

Предлагается устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя. Устройство предотвращает проход посторонних предметов к ступеням компрессора высокого давления за счет сепарации их в вентиляторной и подпорных ступенях компрессора низкого давления. Отвод отсепарированных посторонних предметов предлагается выполнять в последней подпорной ступени в виде пространственного кольцевого отвода во внешней стенке проточного канала отводящей ступени в зоне осевого зазора между венцами рабочего колеса и спрямляющего аппарата ступени. Данный отвод одновременно может использоваться для перепуска и отбора воздуха на нужды двигателя и систем летательного аппарата. Предусматривается, при необходимости, возможность повысить степень очистки воздуха от посторонних предметов за счет включения в устройство для очистки первых ступеней компрессора высокого давления с отводом отсепарированных посторонних предметов в одной из средних ступеней компрессора высокого давления, имеющей отвод воздуха на нужды двигателя и систем летательного аппарата. Предлагаемое устройство позволяет в большей мере предотвращать попадание посторонних предметов к осевым ступеням компрессора высокого давления, что увеличивает надежность работы двигателя при эксплуатации летательного аппарата с грунтовых, ледовых и заснеженных аэродромов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, конкретно к двухконтурным турбореактивным двигателями (ТРДЦ)(Принятые сокращения поясняются по тексту, также на стр. 8 приведен полный перечень сокращений.) с вентиляторной ступенью на входе. В настоящее время данный тип двигателя широкого применяется в эксплуатации на самолетах гражданской и военной авиации. Кроме того, изобретение может применяться на наземных газотурбинных установках (ГТУ), где также часто возникает необходимость защиты двигателя от попадания в его газовоздушный тракт (ГВТ) посторонних предметов.

Особенностью компоновки многих современных самолетов является низкое (близкое к поверхности земли) расположение двигателя под крылом летательного аппарата (ЛА), что приводит к попаданию в ГВТ двигателей посторонних предметов (ПП), вследствие чего происходит выход двигателя из строя по причине разрушения лопаток компрессора.

В итоге снижаются надежность работы двигателей, безопасность полетов, боеготовность, мобильность и регулярность вылетов, нередки случаи досрочных съемов двигателей из-за появления неустранимых в условиях эксплуатации повреждений лопаток компрессора.

Кроме того, существенно ухудшаются показатели эксплуатационной технологичности - увеличиваются объемы работ по техническому обслуживанию (ТО) двигателей, время простоя авиатехники (AT), стоимость эксплуатации AT.

В практике авиадвигателестроения известны конструктивные решения, направленные на снижение количества попаданий ПП во внутренний контур ТРДД. Обычно с этой целью используют процесс инерционной сепарации ПП при взаимодействии их с лопатками вентилятора и осевого компрессора, при этом часть ПП, движущихся по центральной привтулочной зоне вентилятора, перемещается к периферии канала внутреннего контура и выводится во внешний контур двигателя по осевому зазору между венцами рабочего колеса РК вентилятора и входного направляющего аппарата (ВНА) внутреннего контура. Другая часть ПП, оставшаяся во внутреннем контуре, сепарируется группой последующих подпорных ступеней компрессора низкого давления (КНД), перемещается к периферии проточного канала, а после последней ступени выводится в канал перепусков и отбора воздуха во внешний контур или в окружающее воздушное пространство. Описанное конструктивное решение используется в разных типах зарубежных и отечественных ТРДД и в наземных ГТУ [1, 2, 3], оно позволяет существенно сократить количество попаданий ПП в ГВТ двигателей. Однако задача по снижению количества попаданий ПП во внутренний тракт ТРДД окончательно не решена и остается актуальной в настоящее время для многих типов двигателей.

Одной из существенных причин недостаточной очистки воздуха, поступающего в компрессор высокого давления (КВД) двигателя, от ПП является низкая эффективность процесса отвода ПП в последней отводящей ступени группы подпорных ступеней КНД. Известно, что в существующих устройствах очистки воздуха отвод ПП из группы подпорных ступеней производится после спрямляющего аппарата (СА) отводящий ступени - см [1, 2, 3]. Но в таком исполнении отвода практически не используются инерционные и сепарационные возможности посторонних предметов, которыми они обладают после окончания взаимодействия с лопатками РК отводящей ступени. Указанные возможности связаны с наличием у выходящих ПП в векторе скорости радиальной и тангенциальной составляющих, благодаря чему ПП могут интенсивно перемещаться в радиальном направлении. Но расположенный за РК в непосредственной от него близости лопаточный венец СА (его внешняя стенка) препятствует радиальному перемещению ПП, и более того при взаимодействии с деталями СА на ПП налагаются связи, под действием которых радиальная составляющая скорости ПП меняет свое направление и преобразуется из центробежной в центростремительную.

Кроме того, тангенциальная (окружная) составляющая скорости предметов изменяет свою величину фактически до нулевого уровня, так как при взаимодействии с лопатками СА ПП приобретают направление движения, лежащее в меридиональной плоскости ступени. При этом осевая составляющая скорости движения ПП увеличивается. В итоге, выходя из венца СА ПП уже не имеют высоких сепарационных возможностей, не успевают попасть в приемное отверстие для отсепарированных предметов, расположенное после СА, и остаются в пределах проточного канала. Далее ПП поступают в последующие ступени КВД, имеющие более высокий уровень окружной скорости, и группу последних ступеней с малоразмерными лопатками, на которых воздействие ПП проявляется с особой интенсивностью. Описываемая проблема в большей или меньшей степени свойственна всем вышеуказанным устройствам - аналогам [1, 2, 3]. По совокупности признаков заявляемого устройства, совпадающих с признаками устройства - аналога, в качестве прототипа настоящего изобретения принят отечественный серийновыпускаемый ТРДД типа ПС-90А[1]. Данный двигатель используется на нескольких типах отечественных ЛА и для него решение задачи по снижению количества попаданий ПП во внутренний контур ГВТ двигателя весьма актуально.

Техническая задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в повышении надежности работы ТРДД, улучшении его эксплуатационной технологичности, снижении стоимости ТО двигателя за счет улучшения очистки от ПП воздуха, поступающего в КВД.

Сущность изобретения заключается в том, что в последней осевой ступени группы подпорных ступеней КНД, в которой осуществляется отвод отсепарированных ПП и вывод их из проточного тракта компрессора, отвод выполнен на участке осевого зазора между РК и СА ступени.

На указанном участке между РК и СА по внешнему контуру проточного канала выполнено приемное кольцевое отверстие, расположенное по всему круговому периметру проточного канала. Ширина указанного приемного отверстия от выходной фронтальной плоскости РК ступени до входа в СА ступни выполнена с учетом обеспечения прохождения через приемное отверстие возможно большей части ПП, движущихся из проточного канала к внешнему пространству отводного кольцевого канала. Данный отводной канал образован между внешней стенкой проточного канала ступени и внешней обечайкой СА. Через приемное кольцевое отверстие и отводной кольцевой канал ПП, отсепарированные к периферии проточного канала, вместе с некоторой частью воздуха отводятся из проточного канала ступени и направляются далее либо во внешний контур двигателя либо к потребителю воздуха, при необходимости воздух может подвергаться предварительной очистке от ПП.

Предлагаемый вариант исполнения отвода ПП в отводящей ступени обеспечивает существенное улучшение эффективности процесса отвода предметов из проточного канала, так как в данном исполнении отводящей ступени устранены основные причины, препятствующие эффективному отводу ПП (- расположение венца СА в непосредственной близости от выхода из РК), и созданы условия для беспрепятственного выхода ПП, обладающим высоким сепарационным потенциалом, к отводному каналу.

В случае, если ТРДД эксплуатируется на ЛА с аэродромов, имеющих повышенную загрязненность опасными ПП (грунтовом, ледовом, заснеженном), что приводит к повышенной частоте появления забоин на лопатках КВД, в том числе на последних малоразмерных ступенях КВД, в предлагаемом устройстве предусмотрен вариант повышения эффективности очистки воздуха, поступающего к последним ступеням КВД, за счет включения в состав устройства дополнительной ступени очистки из нескольких первых осевых ступеней КВД с отводом отсепарированных ПП в средней ступени КВД. В этом случае отвод ПП из проточного канала отводящей ступени КВД выполнен аналогично тому, как в подпорной ступени КНД.

На фиг. 1 показан продольный разрез компрессора ТРДД и устройства для очистки воздуха от ПП;

На фиг. 2 - продольный разрез КНД (вентиляторная и подпорная ступени) в увеличенном виде;

На фиг. 3 - продольный разрез отводящей ступени КВД, в которой производится отвод ПП и отбор воздуха из компрессора на нужды систем двигателя и ЛА - место I фиг. 1, в увеличенном виде;

На фиг. 4 - фрагмент поперечного сечения проточного тракта в отводящий ступени группы первых ступеней КВД, траектория движения ПП - вид по стрелке Б фиг. 1.

Устройство для очистки воздуха от ПП в компрессоре ТРДД входит в состав компрессора - 1 фиг. 1 и включает в себя КНД - 2. Кроме того, в состав устройства может также входить и часть ступеней КВД - 3. Соединение модулей КНД и КВД производится с помощью промежуточного корпуса - 2.

В состав КНД входит вентиляторная ступень - 4, состоящая из РК с лопатками - 7 фиг. 1, 2 и двух венцов СА - ВНА внутреннего контура с лопатками 10 и СА наружного контура с лопатками - 10', а также группа подпорных ступеней - 5, включающая в себя несколько осевых ступеней, из которых последняя с рабочими лопатками - 12 и СА с лопатками - 14 является отводящей ступенью.

Между венцами РК и СА предусмотрен осевой зазор - 13, который выполнен с размером по сравнению с типовыми размерами указанного зазора, с целью получения лучшей эффективности удаления ПП из отводящей ступени.

В пределах ширины осевого зазора - 13 между РК и передней кромкой - 18 внешней обечайки - 17 спрямляющего аппарата по внешнему контуру проточного канала ступени выполнено приемное кольцевое отверстие - 15'', расположенное по всему круговому периметру проточного канала и сообщающее внутреннее пространство проточного канала - 13'' ступени с внешним пространством - 16''. Ширина приемного отверстия - 15'' от задней фронтальной плоскости РК ступени до передней кромки 18 внешней обечайки - 17 СА (в данном случае обечайка выполняет функцию разделителя потоков) выполнена с учетом обеспечения прохода через указанное приемное отверстие возможно большей части ПП, движущихся из проточного канала - 13'' к внешнему (периферийному) пространству - 16''.

В пределах осевого зазора - 13 пространство проточного канала - 13'' ступени и внешнее пространство - 16'' ограничиваются с внешней стороны стенкой - 16, которая проходит с зазором - 19 от обечайки - 17 СА, образуя с ней отводной кольцевой канал - 20.

Входной частью указанного канала является приемное отверстие - 15'' и внешнее пространство - 16''.

Дополнительно к КНД в состав устройства для очистки воздуха при необходимости могут быть включены также передние ступени - 3' Фиг. 1, входящие в состав КВД-3.

За указанными ступенями располагается промежуточная ступень КВД, в которой выполнены отборы (перепуски) воздуха из КВД. Данная ступень место I фиг. 1 также включается в состав устройства очистки в качестве отводящей ступени. В указанной отводящей ступени присутствуют те же составные элементы, что и в отводящей ступени КНД. Нумерация элементов на фиг. 3 также сохранена с добавлением штриха. Между венцами РК с лопатками - 12' фиг. 3 и СА с лопатками - 14' предусмотрен осевой зазор - 13'. На внешней обечайке СА ступени с входной стороны выполнен разделитель - 17' с передней кромкой - 18'. По ширине осевого зазора - 13' между РК ступени и передней кромкой 18' по внешнему контуру проточного канала - 13''' ступени выполнено приемное кольцевое отверстие - 15''', расположенное по всему круговому периметру проточного канала и сообщающее внутреннее пространство проточного канала 13''' с внешним (периферийным) пространством 16'''. Ширина приемного отверстия - 15''' от задней фронтальной плоскости РК ступени до передней кромки - 18' разделителя - 17' выполнена с учетом обеспечения прохода через указанное приемное отверстие возможно части ПП, движущихся из проточного канала 13''' к внешнему пространству - 16'''.

В пределах ширины осевого зазора - 13' пространство проточного канала - 13''' и внешнее пространство - 16''' ограничиваются снаружи внешней стенкой - 16', которая проходит с зазором - 19' от разделителя - 17', образуя с ним отводной кольцевой канал - 20'. Входной частью указанного канала является приемное отверстие - 15''' и внешнее пространство - 16'''. Отводной кольцевой канал - 20' сообщается со сборнораздаточной полостью 21' и служит для вывода отсепарированных ПП из отводящей ступени.

При работе ТРДД в воздушном пространстве, содержащем ПП, воздух вместе с ПП поступает из самолетного воздухозаборника во входной канал - 6 фиг. 1 двигателя. Пройдя по межлопаточным каналам рабочих лопаток - 7 вентилятора воздушный поток разделяется на две части: центральная (привтулочная) часть потока поступает во внутренний контур - 8 фиг. 1, 2, внешняя часть - в наружный контур - 9. Разделение потока по контурам производится разделителем, роль которого выполняет внешняя обечайка 11 входного направляющего аппарата (ВНА) внутреннего контура - 8. Во внутреннем контуре воздух поступает в лопаточный венец ВНА с лопатками 10, а в наружном контуре - в СА наружного контура с лопатками 10' фиг. 1, 2. На фиг. 2 показано, как воздух, поступающий во внутренний контур, проходит через привтулочную зону пера вентиляторной лопатки - 7, условно обозначенную сечениями а-а, в-в, с-с. Траектории ПП, поступающих во внутренний контур, показаны штриховыми линиями. При взаимодействии с вращающимися вентиляторными лопатками часть ПП перемещается в радиальном направлении и выходит по кольцевому зазору 8' между лопатками - 7 РК и передней кромкой - 11' внешней обечайки - 11 ВНА из внутреннего контура - 8 в наружный - 9. В основном это ПП, движущихся из периферийной зоны (между сечениями в-в и с-с) - по траекториям - 22.

Другая часть ПП, поступивших в привтолочную зону в районе сечений а-а и в-в, в основной своей массе не успевают переместиться в радиальном направлении до зазора - 8 и выйти в наружный контур, остаются в проточном канале внутреннего контура, движутся по траекториям 23 и достигают в подпорных ступенях КНД периферийную зону проточного канала. В отводящей ступени под воздействием лопаток - 12 РК ПП получают соответствующий импульс и выходной вектор скорости, имеющий радиальную и окружную составляющие.

Двигаясь по инерции в свободном от препятствий пространстве осевого зазора - 13 в радиально-тангенциально-осевом направлении ПП перемещаются из периферийной зоны проточного канала - 13'' к приемному отверстию - 15'', проходят через него и попадают во внешнее пространство 16'', являющееся входным участком отводного кольцевого канала 20. Далее ПП поступают в сборно-раздаточную полость - 21 и направляются на выброс в наружный контур двигателя, или вместе с воздухом - к потребителю. При необходимости воздух предварительно очищают от содержащихся в нем отсепарированных ПП.

Несмотря на то, что при прохождении через КНД основная масса ПП удаляется из воздушного потока, идущего в КВД, в нем остается некоторая часть ПП, которые не удалены, они следуют по траекториям - 24 фиг. 1 и проходят к ступеням КВД. При эксплуатации двигателя в обычных условиях указанные ПП уже не так опасны для лопаток КВД (более мелкие фракции, меньшее количество), что соответствует требованиям к надежности и эксплуатационной технологичности двигателя.

Но при регулярной эксплуатации ТРДД в условиях повышенной загрязненности воздуха проход даже небольшого в процентном отношении количества ПП может оказаться недопустимым.

В настоящем изобретении предусмотрена возможность повышения эффективности очистки воздуха, идущего к последним ступеням КВД, за счет формирования в устройстве дополнительной ступени очистки воздуха в КВД, повторяющей работу по очитке воздуха в подпорных ступенях КНД.

Посторонние предметы, прошедшие к КВД и движущиеся по траекториям - 24 фиг. 1, 2, 3, подходят к лопаткам - 12' РК фиг. 3 отводящей ступени КВД, приобретают от рабочей лопатки выходной вектор скорости, имеющий осевую, радиальную и окружную составляющие. Двигаясь по инерции в пространстве осевого зазора - 13' ПП перемещаются из периферийной зоны проточного канала - 13''' к приемному отверстию - 15''', проходят через него и попадают во внешнее пространство 16''', являющееся входным участком отводного кольцевого канала 20'. Далее ПП поступают в сборно-раздаточную полость 21', и направляются через патрубок - 25 фиг. 1 на выброс во внешний контур двигателя или вместе с воздухом - к его потребителю. На фиг. 4 показана траектория - 24 движения ПП после окончания движения предмета совместно с рабочей лопаткой 12' - вид по стрелке Б фиг. 3. Предмет свободно перемещается в радиально-окружном направлении в пространстве проточного канал 13''' ступени, достигает радиального расстояния расположения передней кромки 18' разделителя 17' - R пер. кр. 18', проходит через приемное кольцевое отверстие 15''', соударяется (или не соударяется) с конической поверхностью разделителя 17 и следует далее по отводному кольцевому каналу 20 - фиг. 3 в приемнораздаточную полость 21', откуда по патрубку - 25 фиг. 1 выводится в отводящую магистраль.

Источники информации.

1. А.А. Иноземцев и др. «Авиационный двигатель ПС-90А» Москва, Либра-К, 2007 г.

2. RU патент №2198311 03.01.2001, F02C 7/052 Газотурбинная установка

3. US патент №5123240 июнь 23, 1992, F02G 3/00 Способ и устройство для удаления посторонних предметов из внутреннего контура газотурбинного двигателя.

Перечень принятых сокращений

AT - авиационная техника;

ВНА - входной направляющий аппарат;

ГВТ - газовоздушный тракт;

ГТУ - газотурбинная установка;

КВД - компрессор высокого давления;

КНД - компрессор низкого давления;

ЛА - летательный аппарат;

ПП - посторонние предметы;

РК - рабочее колесо;

СА - спрямляющий аппарат;

ТО - техническое обслуживание;

ТРДД - турбореактивный двигатель двухконтурный.

1. Устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя, состоящем из вентиляторной ступени и подпорных ступеней компрессора низкого давления, а также ступеней компрессора высокого давления, основанное на принципе инерционной сепарации посторонних предметов при взаимодействии их с лопатками компрессора и перемещении предметов из проточного канала компрессора к периферийной зоне канала, включающее в себя вентиляторную ступень и группу подпорных ступеней компрессора низкого давления, у которых в последней ступени группы выполнен отвод отсепарированных из воздушного потока посторонних предметов, отличающееся тем, что отвод посторонних предметов из проточного канала отводящей ступени выполнен на участке осевого зазора между рабочим колесом и спрямляющим аппаратом ступени, на участке указанного осевого зазора между рабочим колесом и спрямляющим аппаратом по внешнему контуру проточного канала ступени выполнено приемное кольцевое отверстие, расположенное по всему внешнему круговому периметру проточного канала ступени и сообщающее внутреннее пространство проточного канала с внешним пространством отводного канала, при этом ширина указанного приемного кольцевого отверстия от выходной фронтальной плоскости рабочего колеса ступени до передней кромки, расположенной на внешней обечайке спрямляющего аппарата ступени, выполнена с учетом обеспечения прохождения через приемное кольцевое отверстие возможно части посторонних предметов, движущихся из проточного канала к внешнему пространству отводного канала, также на указанном участке осевого зазора внешняя стенка проточного канала ступени выполнена располагающейся на расстоянии от оси ступени по сравнению с внешним диаметром входа в спрямляющий аппарат ступени и его внешней обечайки, и образующей совместно с указанной внешней обечайкой отводной кольцевой канал, предназначенный для вывода посторонних предметов из отводящей ступени.

2. Устройство для очистки воздуха от посторонних предметов в компрессоре двухконтурного турбореактивного двигателя по п. 1, у которого в состав устройства для очистки воздуха включена дополнительно группа из нескольких первых ступеней компрессора высокого давления, в последней из которых, являющейся отводящей ступенью, отвод посторонних предметов из проточного канала ступени выполнен аналогично отводу, описанному в п. 1, и может быть совмещен с отбором воздуха из ступени на нужды двигателя и систем летательного аппарата.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к насосостроению. Cпособ отстройки от резонанса системы «вертикальный электронасосный агрегат (ЭНА) - фундамент - входной и выходной трубопроводы» заключается в измерении спектра уровней виброскорости на верхнем подшипнике двигателя ЭНА в горизонтальном направлении и определении собственной частоты fc колебаний системы в Гц.

Способ крепления рабочего колеса используется при производстве лопастных насосов с разъемным корпусом. Способ включает закрепление внутренних колец радиально-торцевых опорных подшипников (3) на рабочем колесе (4) насоса, нанесение клея на наружные поверхности внешних колец подшипников (3) и на сами посадочные места, закрепление внешних колец подшипников (3) на корпусе (1) и крышке (2) насоса, сборку корпуса (1) с валом (5), рабочим колесом (4) и крышкой (2), выполнение поворота рабочего колеса (4) на 360° и оставление насоса в покое до полного отверждения клея.

Настоящее изобретение относится к способу регулирования выходной температуры компрессора или вакуумного насоса (1) с впрыском масла, содержащего сжимающий или вакуумирующий элемент (4), имеющий вход (5) для газа, выход (6) элемента и входной масляный трубопровод (12); указанный способ включает стадии измерения выходной температуры (Тout) на выходе (6) элемента; регулирования положения регулирующего клапана (15) для регулирования расхода масла, протекающего через охлаждающее устройство (13), соединенное с указанным входным масляным трубопроводом (12); при этом стадия регулирования положения регулирующего клапана (15) включает применение алгоритма нечеткой логики к измеренной выходной температуре (Тout); дополнительно способ включает стадию регулирования числа оборотов вентилятора (21), охлаждающего масло, протекающее через охлаждающее устройство (13), посредством применения алгоритма нечеткой логики и, кроме того, исходя из положения регулирующего клапана (15).

Группа изобретений относится к области насосостроения. Узел рабочего колеса для центробежных насосов содержит диски меньшего и большего диаметра, расположенные коаксиально по отношению к оси вращения и обращенные друг к другу с образованием промежуточного пространства.

Способ изготовления рабочего колеса турбомашины, содержащего диск, бандаж, рабочие лопатки, расположенные между диском и бандажом, и проточные каналы, расположенные между смежными лопатками, включает изготовление трубчатых компонентов, каждый из которых образует соответствующий проточный канал рабочего колеса и имеет впускное отверстие и выпускное отверстие.

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к машинам с вращающимся ротором, и может быть использована при создании турбонасосных агрегатов (ТНА) летательных аппаратов.

Изобретение может быть использовано в турбокомпрессорах. Система турбокомпрессора имеет центробежный компрессор (901), содержащий рабочее колесо с множеством радиально расположенных лопаток, соединенных с неполным задним диском (952), и вал (904).

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий космической техники. Электронасосный агрегат содержит металлический корпус с входным и выходным патрубками, установленный в корпусе электродвигатель с рабочими колесами, размещенный снаружи электродвигателя, и присоединенный к корпусу герметизирующий кожух, а также электрический соединитель и стакан с кронштейном, в пазах которого размещены параллельно соединенные резисторы.

Изобретение относится к области машиностроения, к средствам охлаждения электродвигателей насосных агрегатов, подшипниковых узлов и частотных преобразователей электродвигателей, установленных в помещениях перекачивающих станций.

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано, в частности в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей. Щелевое уплотнение-демпфер для гашения энергии колебаний вращающегося в бесконтактных подшипниках ротора центробежного насоса содержит корпус с уплотнительной поверхностью, плавающее кольцо, выполненное из отдельных секторов (6), уплотнительный выступ (5) центробежного колеса насоса и упругое демпферное кольцо (7).

Группа изобретений относится к бытовому прибору (100) с насосом (105) для перекачивания жидкости. Насос (105) содержит корпус (111) насоса, камеру (107) всасывания, содержащую всасывающий патрубок (109) для соединения с всасывающей линией с возможностью передачи текучей среды, и фильтр насоса с фильтрующим элементом для отфильтровывания загрязнений из жидкости.
Наверх