RU2211346C1

RU2211346C1 - Oil system of gas turbine engine

Info

Publication number: RU2211346C1
Application number: RU2002102772A
Authority: RU
Inventors: А.В. Жихарев; Д.Л. Бронштейн; В.С. Тараскин; С.И. Пудков; Е.А. Махаринский
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2003-08-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas turbine engines. SUBSTANCE: proposed oil system of gas turbine engine contains oil tank which is connected through delivery oil pump, fine oil filter and heat exchanger with oil spaces of engine supports. Oil spaces are connected with oil tank through corresponding oil pumping out pumps and air separator. Oil tank is connected by oil tank breathing pipeline with breathing pipelines of oil spaces to form combined pipeline. Angle between axis of oil tank breathing pipeline and axis of oil space breathing pipeline ay inlet into combined breathing pipeline is less than 90^o. Other oil space is connected by breathing pipeline with combined breathing pipeline to form second combined pipeline. Angle between axes of breathing pipeline of said space and combined pipeline at inlet into second combined breathing pipeline, is less than 90^o also. Outlet section of combined pipeline in this case, the last in flow before breather, is arranged at a distance of L≥0,1d, from its inlet section, where d is diameter of combined pipeline, last in direction of flow. EFFECT: improved quality and reliability of oil system of gas turbine engine. 2 dwg

Description

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к масляным системам газотурбинных двигателей. The invention relates to aircraft engine building, in particular to oil systems of gas turbine engines.

От степени совершенства масляной системы двигателя зависит не только общий срок службы двигателя, но и безотказность его работы. На всех режимах работы двигателя и при любых условиях эксплуатации масляная система должна обеспечивать надежную подачу в двигатель масла с заданными параметрами. Различного рода нарушения подачи масла, даже кратковременные, могут вызвать повышенный износ, перегрев, а следовательно, и разрушение двигателя. Not only the overall engine life, but also the reliability of its operation depends on the degree of perfection of the engine oil system. At all engine operating modes and under any operating conditions, the oil system must provide a reliable supply of oil with specified parameters to the engine. Various types of oil supply disturbances, even short-term ones, can cause increased wear, overheating, and, consequently, engine destruction.

В процессе работы повышение давления в масляных полостях двигателя может привести к переполнению масляных полостей маслом и, следовательно, к перегреву подшипников и нарушению работы маслосистемы в целом. Кроме того, в процессе нахождения в двигателе масло насыщается газами, возрастает его нагрев и ускоряется процесс его окисления, поэтому масляная система должна не только обеспечивать подачу масла в двигатель, но и своевременно удалять отработавшее масло. Отработавшее, нагретое и насыщенное воздухом масло сливается в маслосборники масляных полостей двигателя и откачивается оттуда насосами. During operation, an increase in pressure in the oil cavities of the engine can lead to overfilling of the oil cavities with oil and, consequently, to overheating of the bearings and disruption of the oil system as a whole. In addition, in the process of being in the engine, the oil is saturated with gases, its heating increases and the process of its oxidation is accelerated, therefore, the oil system must not only ensure the supply of oil to the engine, but also remove the spent oil in a timely manner. Used, heated and air-saturated oil is discharged into the oil sumps of the engine oil cavities and pumped out by pumps.

Для предотвращения сбоев в работе двигателя необходимо отводить в атмосферу воздух из масляных полостей через систему суфлирования. To prevent engine malfunctions, it is necessary to bleed air from oil cavities through the venting system.

В настоящее время используются масляные системы, в которых соединение трубопроводов суфлирования масляных полостей и маслобака осуществляются под углом 90^o, что технологически наиболее просто в изготовлении. Однако при соединении трубопроводов под таким углом имеет место наибольшее сопротивление в объединенном трубопроводе при слиянии потоков и тем самым повышается давление в масляных полостях и маслобаке, что приводит к ухудшению работоспособности масляной системы двигателя.Currently used oil systems in which the connection of the venting piping of the oil cavities and the oil tank is carried out at an angle of 90 ^o , which is technologically the easiest to manufacture. However, when connecting pipelines at such an angle, the greatest resistance occurs in the combined pipeline when the flows merge, and thereby the pressure in the oil cavities and oil tank rises, which leads to a deterioration in the operability of the engine oil system.

Известна масляная система газотурбинного двигателя, содержащая маслобак, масляную полость и трубопроводы суфлирования (Патент РФ 2117794, F 02 C 7/06, БИ 23 за 1998 г.) - аналог. Known oil system of a gas turbine engine containing an oil tank, an oil cavity and venting pipelines (RF Patent 2117794, F 02 C 7/06, BI 23 for 1998) - analogue.

Недостатком известного решения является то, что трубопроводы суфлирования опоры и центробежного суфлера соединяются под углом 90^o. Соединение трубопроводов под углом 90^o дает максимальное сопротивление при слиянии воздушно-масляной смеси в объединенном трубопроводе. Это может привести к уменьшению расхода в трубопроводе суфлирования опоры, что приведет к увеличению в нем давления. Чем больше разность расходов воздушно-масляной смеси в трубопроводе, который соединяет суфлер с клапаном, и в трубопроводе суфлирования опоры, тем больше вероятность того, что в трубопроводе суфлирования опоры может произойти запирание (гидравлический удар) воздушно-масляной смеси, что приведет к увеличению давления за откачивающими маслонасосами и ухудшению откачки масла из опор двигателя. Ухудшению откачки масла из опор двигателя приводит к повышению температуры масла и перегреву подшипников опор двигателя.A disadvantage of the known solution is that the pipelines of venting support and centrifugal prompter are connected at an angle of 90 ^o . The connection of pipelines at an angle of 90 ^o gives maximum resistance when merging the air-oil mixture in the combined pipeline. This can lead to a decrease in flow rate in the support venting pipeline, which will lead to an increase in pressure in it. The greater the difference in the flow rates of the air-oil mixture in the pipeline that connects the breather to the valve and in the support venting pipe, the greater the likelihood that a blocking (water hammer) of the air-oil mixture can occur in the support venting pipe, which will lead to an increase in pressure for pumping out oil pumps and deteriorating pumping oil from engine mounts. The deterioration of oil pumping from the engine mounts leads to an increase in oil temperature and overheating of the bearings of the engine mounts.

Известна масляная система газотурбинного двигателя, содержащая маслобак и, по меньшей мере, одну масляную полость, трубопроводы суфлирования маслобака и масляной полости, которые соединены между собой с образованием объединенного трубопровода (Бич М.М., Вейнберг Е.В., Сурнов Д.Н. Смазка авиационных газотурбинных двигателей. М., Машиностроение, 1979, с. 34). Known oil system of a gas turbine engine containing an oil tank and at least one oil cavity, venting pipelines of the oil tank and oil cavity, which are interconnected to form a combined pipeline (Beach M.M., Weinberg E.V., Surnov D.N. Lubrication of aircraft gas turbine engines. M., Mechanical Engineering, 1979, S. 34).

Недостатком данной схемы является то, что трубопроводы суфлирования маслобака и масляных полостей также соединяются под углом 90^o, что приводит к возникновению максимального сопротивления при повороте воздушно-масляной смеси и, следовательно, к потере энергии потоков воздушно-масляной смеси. Эти потери, как известно, имеют место главным образом из-за отрыва потока от внутренних стенок трубопровода, что приводит к поджатию струи потока в трубопроводе суфлирования маслобака в месте ее поворота и к последующему ее расширению в объединенном трубопроводе. Поджатие струи, а затем расширение происходит уже в месте слияния обоих потоков и, следовательно, сказывается на потерях не только в трубопроводе суфлирования маслобака, но и в объединенном трубопроводе, что естественно ухудшает суфлирование двигателя. Под объединенным трубопроводом понимается трубопровод, образованный в результате соединения трубопровода суфлирования маслобака и трубопровода суфлирования масляных полостей. Ухудшение суфлирования двигателя приводит к уменьшению скорости воздушно-масляного потока в трубопроводах суфлирования. В этом случае частицы масла, проходящие через горячие стойки опор двигателя, перегреваются и осаждаются в виде кокса в трубопроводах суфлирования, уменьшая их проходное сечение. Уменьшение проходного сечения трубопроводов суфлирования приводит к следующим недостаткам в работе двигателя: увеличению давления в масляных опорах, переполнению опор маслом, перегреву подшипников, ухудшению работы откачивающих маслонасосов, обмасливанию воздушно-масляного тракта двигателя, обмасливанию лопаток турбины после остановки двигателя. Перечисленные факторы могут привести к нарушению заданных режимов функционирования маслосистемы, а следовательно, и всего двигателя.The disadvantage of this scheme is that the venting pipelines of the oil tank and oil cavities are also connected at an angle of 90 ^o , which leads to the appearance of maximum resistance when turning the air-oil mixture and, consequently, to the loss of energy flows of the air-oil mixture. These losses, as is known, take place mainly due to the separation of the flow from the internal walls of the pipeline, which leads to the compression of the stream stream in the venting line of the oil tank at the point of its rotation and its subsequent expansion in the combined pipeline. The compression of the jet, and then the expansion, occurs already at the confluence of both flows and, consequently, affects losses not only in the oil tank venting pipeline, but also in the combined pipeline, which naturally worsens the engine venting. A combined pipeline is understood to mean a pipeline formed as a result of the connection of the oil tank venting pipeline and the oil cavity venting pipeline. Deterioration in engine venting results in a decrease in air-oil flow rate in venting pipelines. In this case, the oil particles passing through the hot struts of the engine mounts are overheated and deposited in the form of coke in the venting pipelines, reducing their flow area. A decrease in the flow cross-section of the venting pipelines leads to the following disadvantages in the engine operation: an increase in pressure in the oil bearings, overfilling of the bearings with oil, overheating of the bearings, deterioration of the pumping oil pumps, oiling the air-oil duct of the engine, oiling the turbine blades after engine shutdown. The listed factors can lead to a violation of the set operating modes of the oil system, and therefore the entire engine.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения качества и надежности работы масляной системы газотурбинного двигателя. The claimed invention solves the problem of improving the quality and reliability of the oil system of a gas turbine engine.

Указанная задача решается тем, что в масляной системе газотурбинного двигателя, содержащей маслобак и, по меньшей мере, одну масляную полость, трубопроводы суфлирования маслобака и масляной полости соединены между собой с образованием объединенного трубопровода, причем угол между осью трубопровода суфлирования масляной полости и осью трубопровода суфлирования маслобака на входе в объединенный трубопровод составляет менее 90^o, а выходное сечение последнего по потоку объединенного трубопровода располагается от его входного сечения на расстоянии L≥0,1d, где d - диаметр объединенного трубопровода.This problem is solved in that in the oil system of a gas turbine engine containing an oil tank and at least one oil cavity, the venting pipelines of the oil tank and the oil cavity are interconnected to form a combined pipeline, the angle between the axis of the oil cavity venting pipeline and the axis of the venting pipeline the oil tank at the inlet to the combined pipeline is less than 90 ^o , and the output section of the latter downstream of the combined pipeline is located from its inlet section distance L≥0,1d, where d is the diameter of the combined pipeline.

На фиг. 1 представлена схема масляной системы газотурбинного двигателя; на фиг.2 - узел А фиг.1 в увеличенном масштабе. In FIG. 1 is a schematic diagram of a gas turbine engine oil system; figure 2 - node And figure 1 on an enlarged scale.

Масляная система газотурбинного двигателя содержит маслобак 1, который через ряд элементов, например через нагнетающий насос 2, фильтр тонкой очистки 3 и теплообменник 4, соединен с масляными полостями 5 и 6 опор двигателя. Масляные полости 5 и 6 через соответствующие откачивающие масляные насосы 7 и 8 соединены с маслобаком 1 через воздухоотделитель 9. Маслобак 1 посредством трубопровода суфлирования 10 маслобака 1 соединен с трубопроводом суфлирования 11 масляной полости 6 с образованием объединенного трубопровода 12. Угол между осью трубопровода суфлирования 10 маслобака 1 и осью трубопровода суфлирования 11 масляной полости 6 на входе в объединенный трубопровод 12 составляет менее 90^o. Масляная полость 5 трубопроводом суфлирования 13 соединена с объединенным трубопроводом суфлирования 12 с образованием второго объединенного трубопровода 14. Угол между осями трубопровода суфлирования 13 и объединенного трубопровода 12 на входе во второй объединенный трубопровод 14 также составляет менее 90^o. Выходное сечение объединенного трубопровода суфлирования 14, в данном случае - последнего по потоку перед суфлером, располагается от его входного сечения на расстоянии L≥0,1d, где d - диаметр последнего по потоку объединенного трубопровода.The oil system of a gas turbine engine contains an oil tank 1, which is connected to the oil cavities 5 and 6 of the engine mounts through a series of elements, for example through a pressure pump 2, a fine filter 3 and a heat exchanger 4. The oil cavities 5 and 6 are connected to the oil tank 1 through the air separator 9 through the respective pumping oil pumps 7 and 8. The oil tank 1 is connected to the venting pipe 10 of the oil tank 1 via a venting pipe 11 to form an integrated pipe 12. The angle between the axis of the oil venting pipe 10 1 and the axis of the venting pipe 11 of the oil cavity 6 at the entrance to the combined pipe 12 is less than 90 ^o . The oil cavity 5 by the venting pipe 13 is connected to the joint venting pipe 12 with the formation of the second combined pipe 14. The angle between the axes of the venting pipe 13 and the combined pipe 12 at the entrance to the second combined pipe 14 is also less than 90 ^o . The output section of the joint venting pipeline 14, in this case the last downstream of the prompter, is located at a distance L≥0.1d from its inlet section, where d is the diameter of the last downstream combined pipeline.

Масляная полость, как правило, включает в себя подшипник, обеспечивающий вращение валов двигателя; масляный коллектор, обеспечивающий смазку, охлаждение и удаление продуктов износа; масляный откачивающий насос, который обеспечивает откачку горячего масла из полости; уплотнения, предотвращающие попадание масла в газовоздушный тракт двигателя; система суфлирования, обеспечивающая удаление горячей воздушно-масляной смеси из масляной полости. The oil cavity, as a rule, includes a bearing that provides rotation of the motor shafts; an oil manifold providing lubrication, cooling and removal of wear products; an oil evacuation pump that pumps hot oil out of the cavity; seals to prevent oil from entering the engine’s gas-air path; a venting system that removes hot air-oil mixture from the oil cavity.

Заявляемая масляная система работает следующим образом. При запуске двигателя масло из маслобака 1 поступает в нагнетающий насос 2. После нагнетающего насоса 2 масло поступает в фильтр тонкой очистки 3, а затем в топливный теплообменник 4. Масло, охлаждаемое топливом в теплообменнике 4, поступает на смазку и охлаждение узлов и деталей двигателя. Количество масла, поступающего к смазываемым узлам двигателя, определяется сечениями жиклеров в форсунках подачи масла. После смазки и охлаждения узлов и деталей трения масло интенсивно перемешивается с воздухом, что приводит к образованию масляно-воздушной смеси. Масляно-воздушная смесь откачивается из масляных полостей 5 и 6 двигателя откачивающими насосами 7 и 8 и поступает через воздухоотделитель 9 в маслобак 1. В воздухоотделителе 9 воздух отделяется из масляно-воздушной смеси и через трубопровод суфлирования 10 маслобака 1 отводится к суфлеру 15, а масло сливается в маслобак 1. Масляно-воздушная смесь из трубопровода суфлирования 10 смешивается с масляно-воздушной смесью, которая поступает по трубопроводу суфлирования 11 из масляной полости 5, с образованием объединенного трубопровода 12. Угол между осью трубопровода суфлирования 10 маслобака 1 и осью трубопровода суфлирования 11 масляной полости 6 на входе в объединенный трубопровод 12 составляет менее 90^o. После этого объединенный поток масляно-воздушной смеси по трубопроводу 12 направляется к суфлеру 15, перед которым соединяется с суфлирующим трубопроводом 13 масляной полости 6, с образованием еще одного объединенного потока в объединенном трубопроводе 14. Угол между осями трубопровода суфлирования 13 и объединенного трубопровода 12 на входе во второй по потоку объединенный трубопровод 14 также составляет менее 90^o. Выходное сечение объединенного трубопровода суфлирования 14, в данном случае последнего по потоку, располагается от его входного сечения на расстоянии L≥0,1d, где d - диаметр последнего по потоку объединенного трубопровода. Под объединенным трубопроводом понимается трубопровод, образованный в результате соединения трубопровода суфлирования маслобака и трубопроводов суфлирования масляных полостей. Если, как в рассматриваемом случае, объединенных трубопроводов несколько, то условиям формулы должен соответствовать, по меньшей мере, один из них, а именно объединенный трубопровод, расположенный последним среди всех объединенных трубопроводов, по направлению движения потока рабочей среды. В суфлере 15 происходит выделение масла из воздушно-масляной смеси, причем воздух в дальнейшем отводится в атмосферу, а масло по трубопроводу 16 возвращается в маслобак 1. Производительность откачивающих насосов 7 и 8 предварительно рассчитывается таким образом, чтобы они смогли обеспечить необходимую для нормальной работы двигателя откачку масла из масляных полостей.The inventive oil system operates as follows. When the engine is started, oil from the oil tank 1 enters the discharge pump 2. After the injection pump 2, the oil enters the fine filter 3, and then into the fuel heat exchanger 4. The oil cooled by the fuel in the heat exchanger 4 is supplied to lubricate and cool the engine components and parts. The amount of oil entering the lubricated engine components is determined by the cross sections of the nozzles in the oil nozzles. After lubricating and cooling the friction units and components, the oil is intensively mixed with air, which leads to the formation of an oil-air mixture. The oil-air mixture is pumped out of the oil cavities 5 and 6 of the engine by the pumping pumps 7 and 8 and flows through the air separator 9 into the oil tank 1. In the air separator 9, air is separated from the oil-air mixture and through the venting pipe 10 of the oil tank 1 is discharged to the breather 15, and the oil drained into the oil tank 1. The oil-air mixture from the venting pipeline 10 is mixed with the oil-air mixture, which enters through the venting pipeline 11 from the oil cavity 5, with the formation of the combined pipeline 12. The angle between Sue venting pipe 10, the oil tank 1 and the oil chamber venting conduit 6 on the axis 11 of the inlet pipe 12 to the joint is less than 90 ^o. After that, the combined flow of the oil-air mixture through the pipeline 12 is directed to the prompter 15, in front of which it is connected to the venting pipe 13 of the oil cavity 6, with the formation of another combined flow in the combined pipe 14. The angle between the axes of the venting pipe 13 and the combined pipe 12 at the inlet in the second downstream, the combined pipe 14 is also less than 90 ^o . The output section of the combined venting pipeline 14, in this case the last downstream, is located at a distance L≥0.1d from its input section, where d is the diameter of the last downstream combined pipe. A combined pipeline is understood to mean a pipeline formed as a result of connecting the oil tank venting pipeline and oil cavity venting piping. If, as in the case under consideration, there are several combined pipelines, then at least one of them must correspond to the conditions of the formula, namely, the combined pipeline located last among all combined pipelines in the direction of flow of the working medium. In the prompter 15, oil is extracted from the air-oil mixture, the air is subsequently discharged into the atmosphere, and the oil is returned to the oil tank 1 through the pipe 16. The performance of the pumping pumps 7 and 8 is preliminarily calculated so that they can provide the necessary for normal engine operation pumping oil from oil cavities.

В описании рассмотрена масляная система, имеющая две масляные полости, однако их число может быть различным и зависит от особенностей конструкции масляных систем. В случае, если масляная система имеет одну масляную полость, то ее работа осуществляется по той же схеме. Только в данном случае в результате соединения суфлирующего трубопровода одной масляной полости и суфлирующего трубопровода маслобака образуется только одна объединенная полость, для которой также должны выполняться условия, изложенные в формуле изобретения. The description describes an oil system having two oil cavities, however, their number may be different and depends on the design features of the oil systems. If the oil system has one oil cavity, then its operation is carried out according to the same scheme. Only in this case, as a result of the connection of the venting pipeline of one oil cavity and the venting pipeline of the oil tank, only one combined cavity is formed, for which the conditions set forth in the claims must also be fulfilled.

Возможны различные конструктивные варианты выполнения соединения трубопроводов с образованием объединенного трубопровода, которые зависят от соотношения диаметров этих трубопроводов (фиг.2). There are various constructive options for connecting pipelines with the formation of a combined pipeline, which depend on the ratio of the diameters of these pipelines (figure 2).

Предлагаемая система суфлирования масляной системы газотурбинного двигателя позволяет осуществить слияние потоков, движущихся в трубопроводах с различными скоростями. В этом случае имеет место турбулентное течение потоков, сопровождаемое при их соединении незначительными потерями энергии потока в одном из трубопроводов и повышением скорости потока во втором трубопроводе. В процессе этого смешения происходит обмен количествами движения между частицами воздушно-масляной смеси, обладающими различными скоростями. Этот обмен количествами движения ведет к выравниванию поля скоростей в объединенном потоке. При этом струя воздушно-масляной смеси, движущаяся с большей скоростью, теряет часть энергии, передавая ее воздушно-масляной струе, движущейся с меньшей скоростью. Таким образом, разность полных напоров между сечениями до и после смешения воздушно-масляных струй, движущихся с большой скоростью, будет достаточно большой положительной величиной. Эта разность будет тем больше, чем больше часть энергии, передаваемая воздушно-масляной струе, движущейся с меньшей скоростью. Запас энергии воздушно-масляной среды, движущейся с меньшей скоростью, при смешивании этих двух струй увеличивается. При этом скорость потока во втором трубопроводе будет увеличиваться при уменьшении угла между боковым и основным трубопроводом. В предлагаемом изобретении увеличивается скорость прохождения воздушно-масляной смеси в объединенных трубопроводах суфлирования маслобака и масляных полостей двигателя. Это приводит к уменьшению давления в суфлирующих полостях двигателя, снижает температуру масла в опорах, улучшает охлаждение и смазку подшипников и исключает обмасливание воздушно-газового тракта, исключает коксование в трубопроводах суфлирования и улучшает работоспособность маслосистемы двигателя в целом. The proposed system of venting the oil system of a gas turbine engine allows the merging of flows moving in pipelines with different speeds. In this case, there is a turbulent flow of flows, accompanied by their combination of insignificant losses of flow energy in one of the pipelines and an increase in the flow velocity in the second pipeline. In the process of this mixing, there is an exchange of momentum between the particles of the air-oil mixture with different speeds. This exchange of momentum leads to an equalization of the velocity field in the combined flow. In this case, the jet of the air-oil mixture, moving with a higher speed, loses part of the energy, transmitting it to the air-oil jet, moving with a lower speed. Thus, the difference between the total pressure between the sections before and after mixing the air-oil jets moving at high speed will be a sufficiently large positive value. This difference will be the greater, the greater the part of the energy transferred to the air-oil jet moving at a lower speed. The energy reserve of an air-oil medium moving at a lower speed increases when these two jets are mixed. In this case, the flow rate in the second pipeline will increase with decreasing angle between the side and the main pipeline. In the present invention, the passage speed of the air-oil mixture in the combined venting lines of the oil tank and engine oil cavities is increased. This leads to a decrease in pressure in the venting cavities of the engine, reduces the temperature of the oil in the bearings, improves cooling and lubrication of the bearings and eliminates the oiling of the air-gas path, eliminates coking in the venting pipelines and improves the performance of the engine oil system as a whole.

Claims

An oil turbine engine oil system comprising an oil tank and at least one oil cavity, whose venting pipelines are interconnected to form an integrated pipeline, characterized in that the angle between the axis of the oil cavity venting pipeline and the axis of the oil tank venting pipeline at the entrance to the combined pipeline is less than 90 ^o , and the output section of the last downstream combined pipeline is located from its inlet section at a distance L≥0,1 d, where d is the diameter of the combined the pipeline.