RU189970U1 - ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МОЩНОСТНОГО РЯДА ОТ 15 ДО 40 МВт - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области газотурбостроения и может быть использована при разработке морских газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок, в промышленных стационарных ГТД, предназначенных для привода нагнетателей природного газа, в ГТД, используемых в качестве механического привода на химических производствах, в ГТД для привода электрогенераторов на газотурбинных и парогазотурбинных электростанциях, а также для привода электрогенераторов передвижных электростанций.Задачей данной полезной модели является повышение ресурса и надежности, ремонтопригодности, упрощение технического обслуживания ГТД в условиях эксплуатации при повышении его КПД (топливной эффективности) и улучшении массогабаритных показателей.Устройство работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре, предварительно в КНД 3 (см. Фиг. 1). При этом некоторая часть воздуха из КНД через кольцевой канал 18 (см. фиг. 2) поступает в полость равномерного отбора воздуха 17 и в дальнейшем используется для охлаждения ряда деталей ГТД, в т.ч. и ротора СТ и подпоров масляных полостей. Некоторая часть воздуха из проточной части КНД перетекает в разгрузочную полость 19 за ротором КНД. В зависимости от величин осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник КНД, часть воздуха из этой полости можно стравливать либо за промежуточную ступень КНД, либо в атмосферу. Некоторая часть воздуха из проточной части за переходником перетекает в разгрузочную полость 22 перед ротором КВД. Из этой полости, также, в зависимости от величин осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник ротора КВД (размещен в переходнике), может стравливаться в атмосферу. Воздух, поступивший из проточной части переходника далее сжимают в КВД 4 (см. Фиг. 1). При этом за одной из промежуточных ступеней КВД организован равномерный отбор некоторой части воздуха через кольцевой канал 27 (см. Фиг. 3), из которой этот воздух поступает в полость 26, образованную внутренним корпусом с горизонтальным разъемом и наружным силовым корпусом. Далее, этот воздух по системе наружных труб, на выходе из которых установлен кольцевой секционированный экран 51 (см. Фиг. 6) подают на охлаждение теплоинерционного кольца 47 через экран перфорированный 48. Температурные расширения кольца 47 обеспечивают необходимые величины радиальных зазоров над РЛ ТВД. Затем этот же воздух подают на охлаждение ТНД. Основная часть воздуха после сжатия в КВД поступает в диффузор 7 за компрессором (см. Фиг. 3), расположенный в заднем корпусе КВД, который изменяет осевое течение воздуха за КВД в радиальное, для подачи в противоточную трубчато-кольцевую камеру сгорания, размещенную вокруг КВД 8 (см. Фиг. 1). При этом в диффузоре происходит снижение скорости потока воздуха, практически пропорционально соотношению проходных площадей на выходе из диффузора к площади на входе, что обеспечивает минимальные потери полного давления в системе диффузор-камера сгорания. Некоторую часть воздуха из-за диффузора 7 за компрессором подают на охлаждение СЛ и РЛ ТВД, при этом на РЛ ТВД воздух подают через направляющий аппарат 46 (см. Фиг. 6), необходимый для создания закрутки потока, который смещен к оси двигателя, относительно горизонтального выступа 38 (см. Фиг. 4) в задней (по ходу газа) стенке диффузора, что затрудняет попадание твердых частиц в систему охлаждения РЛ ТВД.Некоторая часть воздуха из-за КВД, не доходя до диффузора (см. Фиг. 3), через лабиринтное уплотнение 34, поступает в разгрузочную полость 33 за ротором КВД, что также позволяет регулировать величины осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник ротора ТКВД. В отличие от разгрузочных полостей, расположенных за ротором КНД и перед ротором КВД, в данной разгрузочной полости регулируется не давление, а ее площадь за счет применения сменных сегментов (ротора) и крышек (статора) в лабиринтных уплотнениях 34 и 35, которые при необходимости переносят на другие диаметры, что позволяет дополнительно регулировать величины осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник КВД.Основная часть воздуха из-за диффузора 7 поступает в камеру сгорания, где вместе с подаваемым через горелочные устройства топливом используется в процессе горения и подается на охлаждение жаровых труб, а также на формирование равномерного поля температур на выходе из камеры сгорания. Образовавшийся в процессе сгорания топлива в камере сгорания газ последовательно поступает в ТВД, ротор которой приводит во вращение ротор КВД, а затем в ТНД, ротор которой приводит во вращение ротор КНД. Задняя опора ротора ТНД размещена в масляной полости опорного венца ТНД. Для подпора этой масляной полости используется воздух, отбираемый из полости равномерного отбора 17 (см. Фиг. 2) в переходнике между КНД и КВД. Этот воздух подводится к полости подпора 61 (см. Фиг. 7) по трубе 57, расположенной внутри трубы 56 большего диаметра, через которую воздух подают на охлаждение ротора СТ через

Description

Полезная модель относится к области газотурбостроения и может быть использована при разработке морских газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок, в промышленных стационарных ГТД, предназначенных для привода нагнетателей природного газа, в ГТД, используемых в качестве механического привода на химических производствах, в ГТД для привода электрогенераторов на газотурбинных и парогазотурбинных электростанциях, а также для привода электрогенераторов передвижных электростанций.

Известен ГТД, состоящий из газогенератора, содержащего компрессор, камеру сгорания, турбины, переходный канал, подшипники и свободную турбину (СТ) с датчиками частоты вращения и другими устройствами (патент Российской Федерации №RU122447U1, МПК F02C 3/04, Газотурбинный двигатель ГТД-25СТА, компрессор, камера сгорания, турбина газогенератора, свободная турбина), который принят за прототип.

Конструкция данного двигателя имеет следующие недостатки. Как видно, практически по всей длине газогенератора установлен тонкостенный корпус. Это решение является типичным для многих ГТД, конвертированных из авиационных, двухконтурных турбореактивных двигателей, например, ГТД, согласно патенту Российской Федерации №RU31816, МПК⁷ F02C 3/00, F02C7/00, F04D 17/00, F04D 29/00, F23R 3/00, опубликован 27.08.2003 г., патенту Российской Федерации №RU2354839 МПК F02C 7/20, F02C 7/28, опубликован 10.05.2009. В этих ГТД аналогичные корпуса закрывают еще и наружные корпуса свободной турбины (СТ), что позволяет охладить наружные корпуса компрессоров и турбин за счет организации их продувки воздухом, отбираемым из компрессора. Вместе с тем, такое техническое решение ухудшает массогабаритные показатели ГТД, затрудняет техническое обслуживание, в частности, отсутствует возможность визуального контроля за состоянием коммуникаций системы смазки, топливной системы и других элементов ГТД, что затрудняет эксплуатацию и снижает ремонтопригодность ГТД.

Диаметры проточных частей, как компрессора высоко давления (КВД), так и компрессора низкого давления (КНД) расположены практически на одном диаметре. Такое решение приводит к уменьшению высот лопаток КВД, особенно в последних ступенях, что снижает КПД КВД и ГТД в целом.

Корпуса каждой ступени КВД отдельные, стыкуемые между собой с помощью болтовых соединений. Такое конструктивное решение затрудняет сборку и разборку КВД, затрудняет достижение газоплотности.

В конструкции прототипа применена кольцевая прямоточная камера сгорания, характерная для большинства авиационных ГТД. Данная камера сгорания имеет малую длину, что необходимо для уменьшения длины ГТД и обеспечения достаточных запасов по критическим частотам вращения роторов. Отношение длины жаровой трубы (от топливной горелки до выхода) к расстоянию между кожухами наружным и внутренним менее 2. Вместе с этим, сокращение длины камеры сгорания приводит к увеличению неравномерности температурного поля, прежде всего, в радиальном направлении, что снижает надежность сопловых лопаток (СЛ) и рабочих лопаток (РЛ) турбин ввиду их перегрева в среднем по высоте сечении и требует увеличения расхода воздуха из-за компрессора на их охлаждение, а это снижает экономичность ГТД в целом. Кроме того, применение кольцевой камеры сгорания делает невозможным ремонт или замену в условиях эксплуатации составных частей камеры сгорания, в частности, кожухов наружного и внутреннего - наименее надежных деталей камеры сгорания, а также СЛ первой ступени турбины, что является существенным недостатком ГТД-прототипа.

Отношение площади диффузора на выходе из компрессора (КВД) составляет порядка 1,35, что не позволяет снизить скорость воздушного потока непосредственно на входе в камеру сгорания до величин, дальнейшее торможение воздушного потока происходит в полости корпусов, что затрудняет внедрение низко-эмиссионных горелочных устройств и это также является недостатком прототипа.

Недостатком конструкции прототипа можно считать применение межвального подшипника, который служит одновременно опорой ротора ТВД и КВД по нижнему кольцу и опорой ротора турбины низкого давления (ТНД) по наружному кольцу. Такое конструктивное решение, хотя и улучшает массогабаритные показатели ГТД, но сам принцип его работы ввиду разных частот вращения роторов ТВД и КВД и ТНД создает условия для проскальзывания роликов этого подшипника и приводит к сокращению его срока службы, а также межремонтного ресурса ГТД, даже несмотря на то, что этот подшипник вынесен в зону низких температур.

Недостатком конструкции прототипа также является размещение перед ротором ТВД разгрузочной полости, необходимой для снижения величин осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник. Разброс фактических величин зазоров в лабиринтных уплотнениях и их увеличение в процессе эксплуатации будет приводить к разбросу давлений в разгрузочной полости, а также к разбросу давлений воздуха на входе в охлаждаемую РЛ первой ступени ТВД, что будет влиять на глубину ее охлаждения и, соответственно, ресурс и надежность, как и на ресурс и надежность ГТД в целом. Разброс величин указанных зазоров и их возможное увеличение в процессе длительной эксплуатации влияет также на расходы воздуха, перетекающего через разгрузочную полость, следовательно, и на температурное состояние диска первой ступени ТВД, а это, в свою очередь, влияет на величину радиального зазора над бандажными полками РЛ первой ступени и на КПД ступени и ГТД в целом.

В конструкции ТВД прототипа применен тонкостенный наружный корпус, не обладающий тепловой инерционностью, что при наличии массивных, теплоинерционных дисков ротора ТВД может приводить к его заклинкам по радиальному зазору при аварийных и экстренных остановках ГТД вследствие разного темпа остывания тонкостенного корпуса и дисков.

При «горячих» запусках, т.е. при запусках непосредственно после остановок ГТД, с предварительно прогретыми дисками происходит врезание ротора в статор с увеличением радиального зазора над РЛ и снижение КПД ТВД и ГТД в целом.

Также к недостаткам прототипа следует отнести выполнение переходного канала между газогенератором и свободной турбины в виде тонкостенных однослойных корпусов. Аналогичное техническое решение применено и в ГТД по патенту RU2354839 МПК F02C 7/20, F02C 7/28, опубликованном 10.05.2009. При этом, как наружный, так и внутренний корпуса переходного канала воспринимают высокие температуры газа в проточной части, что требует их изготовления из жаропрочных и дорогих сплавов. Кроме того, тепло от газа через внутренний корпус передается во внутренние полости за ТНД и перед свободной турбиной, что крайне нежелательно для задней опоры ротора ТНД, размещенной в непосредственной близости от полости внутреннего корпуса, особенно после остановки ГТД, при отсутствии прокачки масла. Потери тепла, передающегося через наружный корпус приводят к снижению температуры газа перед СТ и снижению КПД ГТД. К тому же, фланцевые соединения наружного корпуса нагружены осевыми усилиями, обусловленными не только разницей диаметров при разнице давлений в проточной части и снаружи ее, но и осевыми усилиями от соплового аппарата первой ступени свободной турбины, что делает проблематичным обеспечение газоплотности фланцевого соединения.

Система измерения частоты вращения ротора свободной турбины также имеет ряд недостатков. Так, преобразователи частоты вращения ротора с датчиками проходят через проточную часть свободной турбины, т.е. через зону высоких температур, что требует применения термостойких кабелей и датчиков, несмотря на применение трубчатого корпуса и трубки. Нижняя часть преобразователя частоты вращения входит непосредственно в масляную полость опорного венца свободной турбины, в районе переднего роликового подшипника. Это в свою очередь требует обеспечения герметичности в месте закрепления преобразователя с датчиком в стенке масляной полости, что необходимо для исключения выбросов масла из масляной полости, т.к. может привести к его возгоранию при соприкосновении с нагретыми до высоких температур деталями свободной турбины. Аналогичное решение приято и для ГТД согласно патенту RU31816.

Согласно прототипу, в свободной турбине применено два датчика, чего по опыту длительной эксплуатации стационарных ГТД недостаточно, однако в данном случае их количество ограничено числом трубчатых корпусов, проходящих через проточную часть. Кроме того, замена преобразователя частоты вращения и датчика в условиях эксплуатации затруднена: в укрытии ГТД должно быть достаточно места для его монтажа и демонтажа, либо для этой цели должен быть предусмотрен дополнительный люк, который при каждой проверке преобразователя должен быть демонтирован, а затем снова установлен. При установке преобразователя частоты вращения и датчика, взамен вышедшего из строя, необходимо обеспечить герметичность его крепления в масляной полости, однако визуально это проконтролировать вследствие особенностей конструкции невозможно.

Задачей данной полезной модели является повышение ресурса и надежности, ремонтопригодности, упрощение технического обслуживания ГТД в условиях эксплуатации при повышении его КПД (топливной эффективности) и улучшении массогабаритных показателей.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от прототипа, №RU122447U1 Газотурбинный двигатель ГТД-25СТА, компрессор, камера сгорания, турбина газогенератора, свободная турбина), в заявляемом ГТД, газогенератор и свободная турбина, в КНД и КВД, которые соединены между собой переходником, соединяющим проточные части КНД и КВД, соотношение средних диаметров в проточной части переходника (на входе и на выходе, согласно полезной модели, составляет от 1,11 до 1,23. В переходнике, за счет разности диаметров, выполнена специальная полость равномерного отбора воздуха, образованная стенкой, формирующей проточную часть, и наружной стенкой, входящей в силовую схему ГТД; отбор воздуха из проточной части переходника в эту полость осуществлен через кольцевой канал на входе. В переходнике расположены опоры КНД и КВД и сформированы разгрузочные полости за ротором КНД и перед ротором КВД, вместо полости перед ТВД, как в прототипе. Корпус КВД двойной, внутренний корпус, в который непосредственно вставлены спрямляющие аппараты всех ступеней, имеет горизонтальный разъем, при этом он вставлен и закреплен с помощью фланцевых соединений в наружном силовом корпусе, который входит в силовую схему ГТД и не имеет горизонтального (вертикального) разъема; между корпусами КВД образована полость равномерного отбора воздуха из промежуточной ступени КВД. В заднем корпусе КВД, который входит в силовую схему ГТД, размещена задняя опора ротора ТКВД, отделенная от опоры ТНД, диффузор за компрессором, изменяющий осевое течение воздуха в радиальное, стенки диффузора не входят в силовую схему ГТД и спрофилированы таким образом, что соотношение проходных площадей на выходе из диффузора к площади на входе в него составляет, в зависимости от конкретно применяемой жаровой трубы, от 3,0 до 5,1. Задняя (по ходу газа) стенка диффузора имеет горизонтальный выступ перед входом в каналы отбора воздуха в систему охлаждения РЛ ТВД. Камера сгорания содержит неразъемные наружный кольцевой и внутренний кожуха, при этом фланцы наружного кожуха выполнены таким образом, чтобы его можно было сдвигать вперед; при этом каждая жаровая труба содержит горелочное устройство с фланцем увеличенного диаметра. За счет размещения камеры сгорания снаружи КВД, жаровые трубы удлинены, отношение их длины к максимальному диаметру - от 2,9 до 3,4. Оси жаровых труб изогнуты таким образом, чтобы отношение среднего диаметра расположения жаровых труб на входе к среднему диаметру их расположения на выходе составило от 1,12 до 1,20. Одноступенчатая охлаждаемая ТВД содержит кольца и накладки, необходимые для телескопической стыковки соплового аппарата с жаровыми трубами, СЛ установлены в зацепах силового корпуса, входящего в силовую схему ГТД, СЛ ТВД - одиночные; величина радиального зазора над РЛ регулируется при помощи теплоинерционного кольца со струйным обдувом, в котором закреплены вставки ТВД, обдуваемые воздухом из промежуточной ступени КВД, который подводится в специально выделенную полость по наружным трубам; на выходе из них установлен кольцевой секционированный экран. ТНД - одноступенчатая, охлаждается воздухом, который ранее использовался для охлаждения теплоинерционного кольца. Задняя опора ротора ТНД размещена в опорном венце ТНД, в котором размещена труба подвода воздуха на охлаждение ротора СТ, а внутри этой трубы проходит отдельная труба подвода воздуха на подпор масляной полости задней опоры ротора ТНД. Между наружным корпусом опорного венца и внутренней стенкой, формирующей проточную часть, уложена теплоизоляция. Газогенератор соединен с СТ газодинамически, с помощью переходного патрубка, у которого наружный и внутренний корпуса двухстенные, а между ними уложена теплоизоляция; внутренние стенки переходного патрубка специально спрофилированы с целью снижения потерь в нем. СТ снабжена тремя бесконтактными датчиками частоты вращения, которые размещены в районе выходного вала, вокруг индуктора муфты отбора мощности.

Применение переходника, соединяющего проточные части КНД и КВД с соотношением средних диаметров в проточной части переходника на входе и на выходе от 1,11 до 1,23 позволяет достичь максимальных значений КПД КНД и КВД и обеспечить оптимальные высоты лопаток, как на входе в КНД, так и на выходе из КВД. Выполнение полости равномерного отбора воздуха через кольцевой канал на входе в переходный патрубок позволяет минимизировать неравномерности полей скоростей и давлений в проточной части и, тем самым, влияет на отбор динамических нагрузки лопаток КНД и КВД, что повышает их ресурс и надежность. Выполнение разгрузочных полостей в переходнике позволяет не только снизить величины осевых усилий, воздействующих на упорные подшипники роторов КНД и КВД, но и обеспечить их регулирование в необходимых пределах. Поскольку в обе разгрузочные полости поступает воздух из проточной части за КНД, количество поступающего в них воздуха и уровни давления в них не оказывают влияния на температурное состояние ни КНД, ни КВД, ни, тем более, ТВД (как в прототипе).

Применение двойного корпуса КВД, с внутренним корпусом с горизонтальным разъемом существенно облегчает сборку КВД. Отсутствие горизонтального (вертикального) разъема в наружном силовом корпусе, относительно которого центрируется внутренний корпус, позволяет уменьшить коробление последнего и за счет этого уменьшить величины радиальных зазоров над лопатками КВД, что повышает его КПД и КПД ГТД в целом. Двойная конструкция корпуса КВД также позволяет сформировать полость равномерного отбора воздуха из промежуточной ступени КВД с температурой ниже, чем за КВД и, тем самым, снизить его расход, что дополнительно позволяет повысить КПД ГТД.

Применение заднего корпуса КВД, в котором размещена задняя опора ротора ТКВД, позволяет, в отличие от прототипа, разделить опоры роторов ТКВД и ТНД. Выполнение разгрузочной полости в заднем корпусе позволяет снизить величины осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник КВД. Площадь разгрузочной полости может изменяться за счет применения сменных сегментов (ротора) и крышек лабиринтных уплотнений (статора), расположенных на разных диаметрах, что позволяет дополнительно регулировать величины осевых усилий.

Профилирование стенок диффузора осуществляется таким образом, чтобы соотношение проходных площадей на выходе из диффузора к площади на входе составляло от 3,0 до 5,1, что позволяет минимизировать потери давления в системе диффузор-камера сгорания. Горизонтальный выступ задней (по ходу газа) стенки диффузора затрудняет попадание твердых частиц в систему охлаждения РЛ ТВД.

Конструкция фланцев неразъемного кольцевого наружного кожуха камеры сгорания позволяет сдвигать его вперед (против течения воздуха) и обеспечивает доступ ко всем жаровым трубам с целью их осмотра и замены в условиях эксплуатации: возможен демонтаж, как отдельных жаровых труб, так всего комплекта. Каждая жаровая труба содержит горелочное устройство с фланцем увеличенного диаметра, что позволяет извлекать, осматривать и заменять каждое горелочное устройство по отдельности, без демонтажа наружного кожуха. Эти конструктивные особенности позволяют повысить надежность и ресурс ГТД, а также его ремонтопригодность. Удлиненные жаровые трубы с отношением их длины к внутреннему диаметру от 2,9 до 3,4 позволяют выровнять температурное поле на выходе из камеры сгорания и, тем самым, повышают ресурс надежность лопаток турбин. Несмотря на увеличение длины жаровых труб, размещение камеры сгорания снаружи КВД, оси жаровых труб выгнуты таким образом, чтобы отношение среднего диаметра расположения жаровых труб на входе к среднему диаметру их расположения на выходе составляет от 1,12 до 1,20, позволяет уменьшить длину ГТД, а также роторов ТВД и КВД и ТНД по сравнению с прямоточным вариантом камеры сгорания и, тем самым, улучшить массогабаритные показатели ГТД. Кроме того, отмеченный изгиб осей жаровых труб обеспечивает их стыковку с ТВД, расположенной на диаметре, оптимальном в плане аэродинамики.

Возможность демонтажа отдельных, а, при необходимости, и всех жаровых труб позволяет производить не только осмотр, но и замену СЛ ТВД ввиду их одиночной (не пакетной) конструкции, а также за счет телескопической стыковки с жаровыми трубами, что также повышает ресурс и надежность ТВД и ГТД в целом.

Применение в ТВД теплоинерционного кольца со струйным обдувом воздухом из промежуточной ступени КВД, в котором закреплены вставки ТВД, позволяет, с одной стороны, согласовать темп остывания кольца и ротора после остановки двигателя, с другой - обеспечивает достаточно высокий темп прогрева кольца при наборах мощности. Поскольку температура воздуха перед промежуточной ступенью КВД ниже, чем за КВД, это позволяет уменьшить количество отбираемого воздуха. Подвод воздуха в специально выделенную полость по наружным трубам, на выходе из которых установлен кольцевой секционированный экран, позволяет улучшить раздачу воздуха в окружном направлении, снизить температурную неравномерность корпусных деталей, уменьшить радиальные зазоры над РЛ ТВД и ТНД и, тем самым, повысить их КПД и КПД ГТД в целом. Использование для охлаждения ТНД воздуха, который ранее использовался для охлаждения теплоинерционного кольца, дополнительно снижает его расход и повышает экономичность ГТД. Размещение в опорном венце ТНД трубы подвода воздуха на охлаждение ротора СТ, при том, что внутри этой трубы проходит отдельная труба подвода воздуха на подпор масляной полости задней опоры ротора ТНД, позволяет, с одной стороны, уменьшить количество коммуникаций, с другой стороны, разделить тракты подвода воздуха на подпор и для охлаждения и исключить попадание масла из масляной полости опорного венца ТНД в полости ротора СТ, что повышает надежность ГТД. Применение между наружным корпусом и внутренней стенкой теплоизоляции снижает температуру первого и, тем самым, повышает его прочность и уменьшает потерю тепла с наружной поверхности.

Применение для газодинамической связи газогенератора с СТ переходного патрубка, у которого наружный и внутренний корпуса двухстенные и между которыми уложена теплоизоляция, позволяет, с одной стороны, спрофилировать внутренние стенки переходного патрубка из условия минимизации потерь в переходном патрубке, с другой - снизить температуры внешних силовых корпусов (стенок) патрубка и уменьшить количество отводимого через них тепла. В свою очередь, снижение температур внешних корпусов, входящих в силовую схему двигателя, повышает их прочность, уменьшает коробление и улучшает газоплотность фланцевых соединений, что повышает надежность ГТД. Снижение температур наружных корпусов переходного патрубка, как и наружного корпуса опорного венца ТНД, позволяет отказаться от наружного кожуха (как в прототипе) и визуально контролировать состояние коммуникаций ГТД - системы смазки, топливной системы, воздушной, облегчает замену установленных на корпусах ГТД датчиков (вибрации, температуры и. т.п.), что улучшает его ремонтопригодность в условиях эксплуатации и надежность.

Размещение бесконтактных преобразователей-датчиков частоты вращения ротора СТ в районе выходного вала, вокруг муфты отбора мощности, т.е. в относительно холодной зоне, облегчает их обслуживание, ремонт и замену в процессе эксплуатации, не требует демонтажа дополнительных элементов ГТД, что также улучшает его ремонтопригодность. Количество преобразователей-датчиков увеличено до трех, (при таком варианте их установки ограничений по количеству нет); при этом два преобразователя частоты вращения-датчика используются непосредственно для измерения частоты вращения СТ, а один используется для реализации системы защиты от превышения частоты вращения СТ. Это дает возможность не останавливать ГТД, даже в случае выхода из строя одного из преобразователей-датчиков.

На фиг. 1 показан ГТД на раме, состоящий из газогенератора 1 и СТ 2. Газогенератор состоит из КНД 3 и КВД 4, которые соединены переходником 5, соединяющим проточные части КВД и КНД. КВД содержит двойной корпус КВД 6 и диффузор 7 за компрессором. Газогенератор, кроме того, содержит камеру сгорания 8, турбину газогенератора, состоящую из ТВД 9 и ТНД 10; задняя опора ротора ТНД размещена в опорном венце ТНД, в котором выполнен подвод воздуха на охлаждение ротора СТ 12.

Газогенератор соединен с СТ с помощью переходного патрубка 13. На выходной части ротора СТ 12 установлена муфта отбора мощности 14, соединяющая его с валом (рессорой) потребителя.

На фиг. 2 изображен переходник 5, соединяющие проточные части КНД и КВД, в котором между наружной стенкой 15 и стенкой, формирующей проточную часть 16, образована полость равномерного отбора 17, которая соединена с проточной частью переходника на входе кольцевым каналом 18. С передней стороны переходника выполнена разгрузочная полость 19, выделенная лабиринтными уплотнениями 20, 21. С задней стороны организована разгрузочная полость 22, отделенная от проточной части лабиринтным уплотнением 23. На фиг. 2 также показаны средний диаметр на входе в переходник (Dвх) и на выходе из него (Dвых).

На фиг. 3 показан КВД с двойным корпусом, который, в свою очередь, состоит из внутреннего корпуса 24 с горизонтальным разъемом и наружного силового корпуса 25 без горизонтального (вертикального) разъема. Между этими корпусами выполнена полость равномерного отбора воздуха 26 из промежуточной ступени КВД; воздух в эту полость отбирают из проточной части через кольцевой канал 27. Внутренний и наружный корпуса соединены между собой с помощью фланцевых соединений 28 и 29. Корпус внутренний 24 и корпус наружный 25 состыкованы с переходником 5. Корпус внутренний 24 также состыкован с задним корпусом КВД 30 через фланцевое соединение 31, в котором размещена задняя опора ротора ТКВД 32. Перед задним корпусом КВД имеется разгрузочная полость КВД 33, отделенная от других полостей лабиринтными уплотнениями 34, 35. На выходе из проточной части КВД размещен диффузор за компрессором 7.

На фиг. 4 отдельно представлен диффузор за компрессором, на котором показаны передняя стенка 36 и задняя (по ходу газа) стенка 37. Стенка 37 снабжена горизонтальным выступом 38, который затрудняет попадание твердых частиц в систему охлаждения РЛ ТВД. На фиг. 4 также показаны проходные площади диффузора на входе (Fвх) и выходе из него (Fвых).

На фиг. 5 показана жаровая труба с выступом 39 и проточкой 40 для телескопического соединения с сопловым аппаратом ТВД. На фиг. 5 также показаны: диаметр жаровой трубы (Dжт), длина жаровой трубы (Lжт), а также средний диаметр расположения жаровых труб на входе (Dcp.вх) и на выходе (Dcp.вых).

На фиг. 6 показан сопловый аппарат ТВД. СЛ 41 (одиночные) установлены в соответствующих зацепах корпуса силового 42, для крепления этих лопаток также используют кольца 43 и 44. К кольцу 43 крепят накладки 45, которые вместе с кольцом обеспечивают телескопическое соединение с жаровыми трубами камеры сгорания. Кольцо 44 также обеспечивает телескопическое соединение с жаровыми трубами, что, в свою очередь, позволяет выполнять демонтаж последних. Изнутри СЛ соединены с аппаратом направляющим 46, через который охлаждающий воздух подают на охлаждение РЛ ТВД. В корпусе силовом 42 установлено теплоинерционное кольцо 47 с перфорированным экраном 48, через который подают воздух на охлаждение этого кольца. В зацепах теплоинерционного кольца закреплены сегментные вставки 49, внутренний диаметр которых определяет величину радиального зазора над РЛ ТВД. Для уплотнения стыков между кольцом 47 и другими корпусными деталями используют уплотнительные сектора 50. К силовому корпусу также прикреплен кольцевой секционированный экран 51, который крепится в силовом корпусе 42 вместе с кольцом 47 и экраном 48 с помощью болтового соединения 52.

На фиг. 7 показан опорный венец ТНД. Его наружный корпус 53 соединен с корпусом силовым 42 (см. фиг. 6). Между корпусом 53 и внутренней стенкой 54, формирующей проточную часть, уложена теплоизоляция 55. В опорном венце установлена труба подвода воздуха на охлаждение ротора СТ 56, при этом внутри этой трубы проходит отдельная труба 57 подвода воздуха на подпор масляной полости задней опоры ротора ТНД. Воздух на охлаждение ротора СТ подают через каналы 58 и конус 59. Воздух на подпор масляной полости опорного венца по трубе 57 и каналам 60 подают в полость подпора 61 контактного уплотнения (предмасляную полость).

На фиг. 8 показан переходный патрубок, соединяющий газогенератор с СТ. Наружный корпус переходного патрубка двухстенный, состоит из корпуса 62, являющегося силовым элементом, который соединяется с наружным корпусом опорного венца ТНД 53 (см. фиг. 7), и внутренней профилированной стенки 63, между которыми уложена теплоизоляция 64. Аналогично, корпус 65 является силовым элементом, а между ним и профилированной стенкой 66, формирующей проточную часть, уложена теплоизоляция 67.

На фиг. 9 показана установка трех преобразователей частоты вращения - бесконтактных датчиков 68 в районе муфты отбора мощности от ГТД. Датчики 68 закреплены на кронштейне 69. Сигнал частоты вращения передается на датчик от индуктора 70 с выступами по наружному диаметру, который закреплен на муфте отбора мощности 71; между наружными выступами индуктора и датчиками имеется зазор 72.

Устройство работает следующим образом. Атмосферный воздух предварительно сжимается в КНД 3 (см. фиг. 1). При этом некоторая часть воздуха из КНД через кольцевой канал 18 (см. фиг. 2) поступает в полость равномерного отбора воздуха 17 и в дальнейшем используется для охлаждения ряда деталей ГТД, в т.ч. и ротора СТ и подпоров масляных полостей. Некоторая часть воздуха из проточной части КНД перетекает в разгрузочную полость 19 за ротором КНД. В зависимости от величин осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник КНД, часть воздуха из этой полости можно стравливать либо за промежуточную ступень КНД, либо в атмосферу. Некоторая часть воздуха из проточной части за переходником перетекает в разгрузочную полость 22 перед ротором КВД. Из этой полости, также, в зависимости от величин осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник ротора КВД (размещен в переходнике), может стравливаться в атмосферу. Воздух, поступивший из проточной части переходника далее сжимают в КВД 4 (см. фиг. 1). При этом за одной из промежуточных ступеней КВД организован равномерный отбор некоторой части воздуха через кольцевой канал 27 (см. фиг. 3), из которой этот воздух поступает в полость 26, образованную внутренним корпусом с горизонтальным разъемом и наружным силовым корпусом. Далее, этот воздух по системе наружных труб, на выходе из которых установлен кольцевой секционированный экран 51 (см. фиг. 6) подают на охлаждение теплоинерционного кольца 47 через экран перфорированный 48. Температурные расширения кольца 47 обеспечивают необходимые величины радиальных зазоров над РЛ ТВД. Затем этот же воздух подают на охлаждение ТНД. Основная часть воздуха после сжатия в КВД поступает в диффузор 7 за компрессором (см. фиг. 3), расположенный в заднем корпусе КВД, который изменяет осевое течение воздуха за КВД в радиальное, для подачи в противоточную трубчато-кольцевую камеру сгорания, размещенную вокруг КВД 8 (см. фиг. 1). При этом в диффузоре происходит снижение скорости потока воздуха, практически пропорционально соотношению проходных площадей на выходе из диффузора к площади на входе, что обеспечивает минимальные потери полного давления в системе диффузор-камера сгорания. Некоторую часть воздуха из-за диффузора 7 за компрессором подают на охлаждение СЛ и РЛ ТВД, при этом на РЛ ТВД воздух подают через направляющий аппарат 46 (см. фиг. 6), необходимый для создания закрутки потока, который смещен к оси двигателя, относительно горизонтального выступа 38 (см. фиг. 4) в задней (по ходу газа) стенке диффузора, что затрудняет попадание твердых частиц в систему охлаждения РЛ ТВД.

Некоторая часть воздуха из-за КВД, не доходя до диффузора 7 (см. фиг. 3), через лабиринтное уплотнение 34, поступает в разгрузочную полость 33 за ротором КВД, что также позволяет регулировать величины осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник ротора ТВД и КВД. В отличие от разгрузочных полостей, расположенных за ротором КНД и перед ротором КВД, в данной разгрузочной полости регулируется не давление, а ее площадь за счет применения сменных сегментов (ротора) и крышек (статора) в лабиринтных уплотнениях 34 и 35, которые при необходимости переносят на другие диаметры, что позволяет дополнительно регулировать величины осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник КВД.

Основная часть воздуха из-за диффузора 7 поступает в камеру сгорания, где вместе с подаваемым через горелочные устройства топливом используется в процессе горения и подается на охлаждение жаровых труб, а также на формирование равномерного поля температур на выходе из камеры сгорания. Образовавшийся в процессе сгорания топлива в камере сгорания газ последовательно поступает в ТВД, ротор которой приводит во вращение ротор КВД, а затем в ТНД, ротор которой приводит во вращение ротор КНД. Задняя опора ротора ТНД размещена в масляной полости опорного венца ТНД. Для подпора этой масляной полости используется воздух, отбираемый из полости равномерного отбора 17 (см. фиг. 2) в переходнике между КНД и КВД. Этот воздух подводится к полости подпора 61 (см. фиг. 7) по трубе 57, расположенной внутри трубы 56 большего диаметра, через которую воздух подают на охлаждение ротора СТ через каналы 58, 59. Газ через переходный патрубок (см. фиг. 8)>у которого наружный и внутренний корпуса двухстенные и между которыми уложена теплоизоляция, поступает в проточную часть СТ.

Контроль частоты вращения ротора СТ производится с помощью трех преобразователей частоты вращения - бесконтактных датчиков 68 (см. фиг. 9), два из которых непосредственно используют для измерения частоты вращения ротора, а третий используют для реализации системы защиты по превышению частоты вращения СТ.

Использование данной полезной модели позволяет повысить ресурс и надежность ГТД, его ремонтопригодность, упростить техническое обслуживание в условиях эксплуатации, повысить КПД ГТД и уменьшить его длину, улучшив массогабаритные показатели.

Claims (1)

1. Газотурбинный двигатель, состоящий из газогенератора и свободной турбины, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, опоры, вспомогательные системы, отличающийся тем, что в нем применен переходник, соединяющий проточные части компрессора низкого и высокого давления с соотношением средних диаметров по проточной части на входе и на выходе из переходника Dвх/Dвых от 1,11 до 1,23, в переходнике выполнена полость равномерного отбора воздуха, образованная стенкой, формирующей проточную часть, и наружной стенкой, входящей в силовую схему двигателя; отбор воздуха из проточной части переходника в эту полость осуществлен через кольцевой канал на входе; корпус компрессора высокого давления двойной: внутренний корпус, в который непосредственно вставлены спрямляющие аппараты всех ступеней, имеет горизонтальный разъем, вставлен и закреплен с помощью фланцевых соединений в наружном силовом корпусе, который не имеет горизонтального или вертикального разъема; между корпусами компрессора высокого давления образована полость равномерного отбора воздуха из-за промежуточной ступени; стенки диффузора за компрессором, которые изменяют осевое течение воздуха в радиальное, спрофилированы таким образом, что соотношение площадей на выходе из диффузора к площади на входе Fвых/Fвx составляет от 3,0 до 5,1, при этом, по ходу газа, задняя стенка диффузора имеет горизонтальный выступ, который затрудняет попадание твердых частиц в систему охлаждения рабочих лопаток турбины высокого давления; площадь разгрузочной полости за ротором компрессора высокого давления регулируется за счет использования сменных сегментов ротора и крышек статора, перенося, ограничивающие ее лабиринтные уплотнения на другие диаметры; в примененной трубчато-кольцевой камере сгорания жаровые трубы удлинены, отношение их длины к диаметру Lжт/Dжт составляет от 2,9 до 3,4, при этом оси жаровых труб изогнуты таким образом, что отношение среднего диаметра расположения жаровых труб на входе к среднему диаметру их расположения на выходе Dcp.вx/Dcp.вых составляет от 1,12 до 1,20; для поддержания необходимых величин радиальных зазоров над рабочими лопатками первой ступени турбины газогенератора применено теплоинерционное кольцо, для охлаждения которого подается воздух из промежуточной ступени компрессора, который затем подается на охлаждение следующей ступени турбины газогенератора, а для снижения окружной неравномерности температур применен кольцевой секционированный экран; между наружным корпусом опорного венца турбины газогенератора и внутренней стенкой, формирующей проточную часть, уложена теплоизоляция; газодинамическая связь газогенератора со свободной турбиной осуществляется при помощи двухстенного переходного патрубка, при этом между наружными корпусами и внутренними профилированными стенками уложена теплоизоляция; для контроля частоты вращения ротора свободной турбины применены три бесконтактных датчика частоты вращения, которые размещены в районе муфты отбора мощности, при этом два из них используют непосредственно для измерения частоты вращения свободной турбины, а третий используют для реализации системы защиты по превышению частоты вращения свободной турбины.

Images