Способ выпуска отработавших газов из газовой турбины и выпускная система, имеющая оптимизированную конфигурацию - RU2635001C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение касается способа выпуска отработавших газов из газовой турбины, а также выпускной системы, содержащей соединение между выпускной трубой и выпускным патрубком с конфигурацией, позволяющей осуществлять этот способ.

Изобретение относится к области газовых турбин и, в частности, к средствам, предназначенным для выпуска газов, выходящих из этих турбин.

Классически вертолетные двигатели содержат газогенератор (система из компрессора, камеры сгорания и турбины), который создает газовый поток с большой кинетической энергией из смеси топлива и воздуха под давлением, впрыскиваемой в камеру сгорания, и турбину, приводимую во вращение газовым потоком для создания механической мощности на выходном валу через зубчатую передачу.

Эта турбина, называемая силовой турбиной, связана с выпускной трубой, которая продолжена выпускным патрубком, при этом весь комплекс предназначен для поддержания статического давления на выходе свободной турбины на низком уровне и для ограничения потерь общего давления. За счет этого повышается КПД комплекса из свободной турбины и выпускной системы, и увеличивается механическая мощность, передаваемая на выходной вал. Кроме того, предпочтительно выпускной патрубок можно выполнить изогнутым для отклонения выхода газового потока от хвостовой фермы или от несущего винта вертолета.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как схематично показано в разрезе на Фиг. 1, для вентиляции и охлаждения агрегатов (насос, генератор переменного тока, электрические блоки и т.д.) двигателя М независимо от рабочего состояния системы вертолета-двигатель используют вторичные потоки свежего воздуха Fs, поступающего снаружи при атмосферном давлении через входные каналы Е1а, Е1b капота двигателя Мс и проходящего в моторном отсеке Mb. Вторичные потоки Fs проходят вдоль двигателя М, а также вдоль первичной выпускной трубы 2. На заднем конце газовой турбины эти потоки Fs, по меньшей мере, частично всасываются через периферическое отверстие 1 между выходным концом трубы 2 и входным концом выпускного патрубка 3, который охватывает ее на расстоянии. Вторичные потоки Fs возникают за счет эффекта вращения горячего первичного потока Fp, выходящего из трубы 2, вокруг конуса 4, а также за счет эффекта разрежения, порождаемого формой выпускного патрубка 3. Например, входной конец выпускного патрубка 3 может иметь форму охотничьего рога.

При номинальной работе выпускной патрубок должен обеспечивать высасывание свежего воздуха через отверстие 1, образованное между этим выпускным патрубком 3 и трубой 2. Однако в зависимости от режимов работы двигателя (взлет, переходные фазы, режим набора высоты, посадка и т.д.) и от условий полета через это же отверстие может проходить в обратном направлении часть горячего первичного потока Fp, которая в этом случае частично возвращается в моторный отсек Mb, как показано стрелками Fr.

В этом случае вместо охлаждения моторный отсек Mb и агрегаты нагреваются. Кроме того, всасываемый вторичный поток свежего воздуха при этом уменьшается, что приводит к меньшему охлаждению горячих газов первичного потока на выходе выпускной системы.

Кроме того, вращение воздуха на выходе турбины вызывает вращение воздуха, всасываемого во вторичном потоке Fs через периферическое отверстие 1. Это дополнительное явление следует учитывать в завихрениях, которые могут приводить к обратному нагнетанию через периферическое отверстие 1. Известны средства спрямления потока, проходящего через периферическое отверстие (см. ЕР 1780124), которые предназначены для уменьшения этого нагнетания за счет увеличения импульса в сторону выхода. Однако эти средства не гарантируют результата на всех режимах работы двигателя, и их установка может быть затруднена, если выпускной патрубок 3 выполнен изогнутым.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является разработка решения, препятствующего обратному нагнетанию горячего потока через описанное выше периферическое отверстие. Задача решается тем, что в изобретении предлагается частично закрывать это периферическое отверстие для предупреждения нагнетания первичного потока в моторный отсек.

В частности, объектом настоящего изобретения является способ выпуска отработавших газов из газовой турбины при помощи выпускной трубы для выпуска первичного потока горячих газов, при этом газовая турбина содержит газовый отсек с агрегатами двигателя и оснащена входами вторичных потоков свежего воздуха для вентиляции моторного отсека, охлаждения агрегатов двигателя и первичного газового потока за счет смешивания в выпускной системе. Выпускная труба продолжена выпускным патрубком, который охватывает ее с определенной степенью перекрывания, чтобы вместе образовать выпускной тракт для газов. Между трубой и выпускным патрубком образовано периферическое отверстие. Положение и центральный угол по меньшей мере одного сектора периферического отверстия, который может образовать зону всасывания первичного потока в моторный отсек, определяют через корреляцию взаимодействий между вторичными потоками и первичным потоком на основании параметров вращения и скорости воздуха на входе трубы, геометрии тракта и моторного отсека, а также геометрии и положения входов вторичных потоков охлаждения первичного потока. Это периферическое отверстие закрывают на идентифицированном(ых) таким образом угловом(ых) секторе(ах). Согласно предпочтительным вариантам осуществления:

- высоту периферического отверстия, отнесенную к внутреннему гидравлическому диаметру трубы, определяют в зависимости от тех же вышеуказанных параметров вращения и скорости воздуха, от геометрии выпускной системы и вторичных потоков, чтобы препятствовать повторному нагнетанию первичного потока;

- периферическое отверстие закрывают по меньшей мере на одном угловом секторе, расположенном по меньшей мере частично диаметрально противоположно по меньшей мере одному входу вторичного потока моторного отсека;

- поскольку выпускной патрубок образует колено для отклонения выхода газовых потоков, амплитуда угла выпускного тракта на уровне этого колена и осевое положение этого потока обуславливают амплитуду угла закрываемого сектора;

- в этом последнем случае периферическое отверстие закрывают по меньшей мере на одном угловом секторе, расположенном на входном участке наружной кривизны, образованной коленом выпускного патрубка. Объектом изобретения является также выпускная система газовой турбины, выполненная с возможностью осуществления вышеуказанного способа и содержащая моторный отсек и выпускную трубу для выпуска первичного потока горячих газов. В этой системе труба продолжена выпускным патрубком, который перекрывает ее на данном продольном расстоянии, образуя периферическое отверстие между трубой и выпускным патрубком. Каналы входа вторичных потоков свежего воздуха выполнены в капоте двигателя, который охватывает моторный отсек. Периферическое отверстие имеет по меньшей мере одно перекрытие на угловом секторе, по меньшей мере равном по существу 30 градусам. Согласно предпочтительным вариантам выполнения:

- перекрытие углового сектора осуществляют в виде приклеенной полосы из композитного материала, либо приваренной полосы из листового проката, либо соответствующего изгиба выпускного патрубка, который соединяется

с трубой, либо крепления выпускного патрубка на трубе посредством неподвижного соединения находящихся друг против друга протяженных деталей; эти решения позволяют избежать использования крепежных лапок для крепления выпускного патрубка на его входном конце, которые перекрывают остающееся открытым периферическое отверстие;

- два закрытых сектора одного выступа разделены промежуточным открытым сектором, причем последний в целом является диаметрально противоположным остальной части периферического отверстия;

- два закрытых сектора расположены в интервале от 30 до 90 градусов, а промежуточный сектор - в интервале от 30 до 60 градусов;

- перекрытие отверстия при совокупных закрытых секторах расположено по существу между 30 и 270 градусами, предпочтительно между 60 и 180 градусов;

- число открытых секторов не превышает 5.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие особенности, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 (уже описана) - схематичный вид в частичном продольном разрезе заднего конца известной газовой турбины.

Фиг. 2 - вид сбоку периферического отверстия между трубой и изогнутым выпускным патрубком с примером локального перекрытия этого отверстия труба/патрубок в соответствии с изобретением.

Фиг. 3а и 3b - схематичный вид в поперечном размере на уровне перекрытия труба/патрубок с соединением между выпускным патрубком и трубой для образования соответственно одного и двух закрытых секторов в соответствии с изобретением.

Фиг. 4 - схематичный вид в продольном разрезе на уровне открытого сектора между трубой и выпускным патрубком.

Фиг. 5 - вид в частичном продольном разрезе заднего конца газовой турбины, показанной на фиг. 1, с примером расположения закрытого сечения отверстия в зависимости от положения входа вторичного потока охлаждения первичного потока.

Фиг. 6 - вид в частичном продольном разрезе заднего конца газовой турбины, показанной на фиг. 1, с примером расположения закрытого сечения отверстия, когда выпускной патрубок выполнен изогнутым.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В настоящем тексте термин «продольный» обозначает «вдоль центральной линии газовой турбины», термин «поперечный» обозначает «перпендикулярно к этой оси», и термин «радиальный» обозначает «в поперечной плоскости, начиная от этой оси». Термины «входной» и «выходной» относятся к общему направлению похождения воздушных потоков вдоль продольной оси газовой турбины до их конечного выхода в трубу. В представленных примерах вертолеты работают на тяге, создаваемой газовыми турбинами. Кроме того, одинаковые обозначения относятся к разделам, в которых описаны эти элементы. Вид сбоку периферического отверстия 1 на фиг. 2 иллюстрирует пример локального перекрытия этого отверстия 1 между трубой 2 и изогнутым выпускным патрубком 3 газовой турбины. Это перекрытие осуществляют в виде детали 20, присоединяемой к трубе 2 и к выпускному патрубку 3 на уровне входного конца 30 выпускного патрубка, образующего край этого конца, приподнятый в виде «охотничьего рога». Деталь может быть выполнена из листового проката или из композитного материала. При этом можно использовать любое средство неподвижного соединения: сварка, клей и т.д. В данном примере деталь 20 перекрытия расположена на угловом секторе, по существу равном 120°. Согласно другим примерам осуществления, показанным на фиг. 3а и 3b, закрытое сечение 21 может быть расположено соответственно на едином секторе 21а порядка 180° (фиг. 3а) или на двух секторах 21b и 21с с центральным углом, равным 60° для каждого (фиг. 3b). Закрытые сектора 21а и 21b-21с дополнены открытыми секторами 1а и 1b-1с.

В примере, показанном на фиг. 3b, закрытые сектора 21b и 21с имеют одинаковую протяженность и разделены промежуточным открытым сектором 1с с углом в центре С, равным примерно 60°, причем этот открытый сектор в целом является диаметрально противоположным остальной части 1b периферического отверстия, имеющей большую амплитуду, чем промежуточный сектор 1с, и угол в центре порядка 180°. В частности, открытые сектора 1a, 1b и 1с расположены симметрично вокруг радиальной оси х'х, ориентированной по положению входа вторичного потока свежего воздуха, что будет описано ниже. Кроме того, расположение труба/патрубок имеет геометрию, показанную на фиг. 4 в продольном разрезе вдоль оси Y'Y на уровне открытого сектора между трубой 2 и выпускным патрубком 3. Исходя из этой геометрии, предпочтительно определяют две относительные характеристики:

- длину перекрытия "Lr" между краем 30 выпускного патрубка 3 и концом трубы 2, отнесенную к высоте "h", радиально отделяющей трубу от выпускного патрубка, где

1 ≤ Lr/h ≤ 15,

- степень открывания высоты "h", отнесенную к внутреннему гидравлическому диаметру "Dhi" трубы 2, где

3% ≤ h/Dhi ≤ 12%.

В целом положение и угол в центре секторов периферического отверстия определяют посредством корреляции взаимодействий путем моделирования, например, при помощи цифровых инструментов, между вторичными потоками Fs и первичным потоком Fp на основании параметров вращения и скорости воздуха на входе свободной турбины 12 (фиг. 1), геометрии выпускного тракта и моторного отсека Mb и положения входов Е1а и E1b вторичных потоков. Это периферическое отверстие перекрывают на идентифицированных таким образом угловых секторах. Пример расположения закрытого сечения 21 периферического отверстия 1 показан в частичном продольном размере на фиг. 5, где представлен задний конец газовой турбины. Закрытое сечение 21 простирается с соответствующей кривизной «непрерывно», начиная от входного конца 3а выпускного патрубка 3, который соединяется при этом с трубой 2. В этом примере последний входной воздушный канал E1b вторичного потока Fs находится на том же радиальном уровне, что и всасывание этого вторичного потока Fs в отверстие 1 между трубой 2 и выпускным патрубком 3. При этом сечение 21 расположено диаметрально противоположно входному воздушному каналу E1b вторичного потока Fs через капот двигателя Мс моторного отсека Mb.

Преимуществом «непрерывного» или эквивалентного соединения является возможность отказаться от использования крепежных лапок между трубой и выпускным патрубком, в частности, когда закрытые сектора расположены более чем на 180°.

Как показано в частичном продольном разрезе на фиг. 6, задний конец газовой турбины содержит изогнутый выпускной патрубок 3. Закрытое сечение 21 расположено на угловом секторе, находящемся на входном участке наружной кривизны Се, образованной коленом 33 выпускного патрубка.

Изобретение не ограничивается описанными и показанными на чертежах вариантами выполнения. В частности, можно предусмотреть другие конфигурации для направления вторичных потоков в моторном отсеке с целью охлаждения первичного потока. Кроме того, вращение воздуха на выходе свободной турбины является основным параметром для определения вращения воздуха на входе выпускной трубы. Геометрия выпуска газов зависит, в частности, от по меньшей мере частичной осесимметричной конфигурации тракта трубы, от присутствия и числа стоек или препятствий в выпускном тракте. Труба и выпускной патрубок могут иметь несколько колен: число и положение колен тоже могут быть учитываемыми факторами. Кроме того, что касается геометрии моторного отсека, принимаемой в качестве параметра, следует учитывать присутствие препятствий в отсеке и стенок, входящих в контакт с вторичными потоками, а также число, положение и конфигурацию входов вторичных потоков.

Реферат

Изобретение призвано предложить решение, препятствующее обратному нагнетанию горячего потока в периферическое отверстие, образованное между выпускной трубой и выпускным патрубком выпускного тракта газовой турбины. Для этого изобретением предлагается частично закрывать это периферическое отверстие для предупреждения нагнетания первичного потока в моторный отсек. В частности, изобретением предусмотрен способ выпуска отработавших газов из газовой турбины, в котором положение и центральный угол по меньшей мере одного сектора (21) периферического отверстия (1) с центром в точке С, который может образовать зону всасывания первичного потока (Fp) в моторный отсек (Mb), определяют через корреляцию взаимодействий между вторичными потоками (Fs) и первичным потоком (Fp) на основании параметров вращения и скорости воздуха на входе трубы (2), геометрии выпускного тракта (2, 3) и пути вторичного потока (Fs) охлаждения моторного отсека (Mb), а также геометрии и положения входов (Е1) вторичных потоков (Fs). Это периферическое отверстие закрывают на идентифицированном(ых) таким образом угловом(ых) секторе(ах) (21). Достигается способность адаптироваться к различным режимам работы двигателя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула