PL112264B1 - Turbojet engine - Google Patents

Description

Opis patentowy opublikowano: 30.12.1981 112264 Int. C1.'F02C 7/16 F01D 11/08 F02K 11/04 Twórcy wynalazku: Ira Henry Redinger, David Sadovsky, Philip Stenley , - Stripinis, Vincent Paul Laurello Uprawniony z patentu: United Technologies Corporation, Hartford (Sta¬ ny Zjednoczone Ameryki) Silnik turboodrzutowy Przedmio/tem wynalazku jest silnik turboodrzu¬ towy w którym nastepuje sterowanie szczelina wierzcholkowa wirnika turbiny.Wielkosc szczeliny wierzcholkowej pomiedzy ze¬ wnetrzna uszczelka powietrzna, a wierzcholkiem wirnika turbany ma duzy wplyw na sprawnosc silnika turbinowego poniewaz przecieki powietrza powoduja spadek sprawnosci silnika oraz straty paliwa. W "warunkach idealnych wielkosc szcze¬ liny powinna by£ równa zeru co zapewniloby pra¬ ce silnika bez strat sprawnosci i przecieków po¬ wietrza. Z uwagi na warunki pracy w tej czesci turbiny gazowej uzyskanie' zerowej szczeliny o- kazalo sie niemozliwe, chociaz dokonano wielu prób aby te szczeline zmniejszyc.Znane jest chlodzenie korpusu silnika turbino¬ wego przy pomocy powietrza, jednakze w znanych rozwiazaniach chlodzenie nastepuje podczas cale¬ go okresu pracy silnika. Aby zwiekszyc efektyw¬ nosc chlodzenia korpus silnika zaopatruje sie w zebra chlodzace. Chlodzenie tego typu nie stwa¬ rza problemów w silnikach (turbosmiglowych gdzie powietrze tloczone przez smiglo przeplywa w kie¬ runku wyiloitu turbiny poniewaz wystarczy za¬ pewnic wlasciwa droge przeplywu powietrza. W innych rozwiazaniach powietrze tloczone przez .smiglo przeplywa w -znacznej odleglosci od kor¬ pusu silnika, tak, ze sterowanie wielkoscia szczs- 10 15 20 25 30 liny wierzcholkowej uzyskuje sie ma drodze chlo¬ dzenia wewnetrznego.Ciagle chlodzenie korpusu silnika nie zapewnia wlasciwego sterowania wielkoscia szczeliny wierz- xbolkowej poniewaz nie umozliwia zmniejszenia - szczeliny ponizej maksymalnej mocy silnika. Mini¬ malna wielkosc szczeliny wystepuje przy maksy¬ malnej mocy, poniewaz silnik jest goracy i osia¬ ga maksymalna predkosc obrotowa. Poniewaz. kor¬ pus jest chlodzony, nastepuje skurcz, a przy pra¬ cy turbiny na mniejszych obrotach korpus dazy do powrócenia do poprzednich wymiarów, zwiek¬ szajac szczeline.Figura 2 przedstawia wykres wielkosci szczeliny w funkcji predkosci sprezarki.Punkt A na linii B okresla minimalna wielkosc szczeliny, ponizej której uszczelka styka sie z wir¬ nikiem turbiny. Jest to punkt najwiekszych ob¬ ciazen silnika w wyniku dzialania sil odsrodko¬ wych oraz naprezen termicznych, co wystepuje w chwili startu na poziomie morza. Silnik jest wiec zaprojektowany tak aby najmniejsza szczelina wy¬ stepowala przy starcie. Bez chlodzenia korpusu skurcz nastepuje zgodnie z linia B wykresu. Li¬ nia O przedstawia szczeline przy zastosowaniu chlodzenia korpusu.Zgodnie z linia C w miare zblizania sie do za¬ kresu dzialania silnika przy starcie na poziomie morza szczelina sie zamyka i nastepuje ocieranie 112 264iiz s wirnika o uszczelke. Konstrukcja silnika musi temu zapobiec. Tak wiec przy ciaglym chlodzeniu korpusu nalezy przeskoczyc z linii C do góry tak, aby osiagnac punkt A przy najbardziej nieko¬ rzystnych warunkach. W powyzszym rozwiazaniu przy lzejszych warunkach pracy silnika wystapi wieksza szczelina.Celem wynalazku jest zmniejszenie przecieków powietrza przez turbine oraz poprawa sprawnosci turbiny przez optymalizacje sterowania cieplnego.Uzyskuje sie to przez wlaczenie lub wylaczenie przeplywu powietrza chlodzacego w okreslonych warunkach pracy silnika ponizej zakresu pracy przy starcie. Przy pracy silnika w czasie lotu nalezy wlaczyc doplyw powietrza chlodzacego.Zgodnie z fig. 2 minimalna szczelina wystepuje w chwili startu, w punkcie .A na linii B, a nastepnie rosnie po linii B. W chwili wlaczenia doplywu po¬ wietrza chlodzacego korpus silnika kurczy sie (li¬ nia D). Przy pelnym chlodzeniu w miare spadku mocy silnika nastepuje kurczenie sie turbiny oraz zwiekszenie szczeliny (linia C).Z uwagi na proistote rozwiazania zaleca sie za¬ stosowanie dwupolozeniowej iregulacji . wielkosci szczeliny. W rozwiazainiach bardziej zlozonych mozna stosowac zmienne natezenie przeplywu po¬ wietrza chlodzacego uzyskujac stala wartosc szcze¬ liny pomiedzy uszczelka, a wirnikiem turbiny (li¬ nia przerywana %B).Zgodnie z rozwiazaniem wedlug wynalazku sil¬ nik zawiera zespól sterujacy szczelina wierzchol¬ kowa wirnika turbiny, obejmujacy przewody po¬ dajace strumienie powietrza chlodzacego na kor¬ pus silnika oraz regulator doplywu powietrza chlo¬ dzacego.Korzysltnie przewody powietrza chlodzacego sa usytuowane na zewnatrz korpusu silnjlka. Silnik zawiera ponadto zespól mocujacy uszczelki do kor¬ pusu silnika.Regulator doplywu powietrza chlodzacego zawie¬ ra sumator, porównujacy syginal predkosci odnie¬ sienia z sygnalem predkosci sprezarki, sterujacy dzialaniem regulatora.Korzystnie regulator doplywu powietrza chlodza¬ cego jest polaczony z przewodem obejsciowym.Regulaitor doplywu powietrza chlodzacego za¬ wiera zawór osadzony na przewodzie doprowadza¬ jacym powietrze do- korpusu silnika, majacy po¬ lozenie Otwarte, zapewniajace przeplyw powietrza -przez przewód oraz polozenie zamkntiejte, bloku¬ jace* przeplyw powietrza przez przewód, przy czym zawór, sterowany parametrem pracy silnika, zo¬ staje otwarty, gdy moc silnika jest mniejisza od jego mocy maksymalnej.Silnik zawieira równiez przelacznik barometirycz- ny wylaczajacy regulator doplywu powietrza po¬ nizej okreslonej wyisokosci.Korzystnie korpus silnika zawiera kolnierze roz¬ mieszczone w kieruniku poosiowym, przy czym co najimniej jeden przewód powieitrza chlodzacego o- tacza korpus silnika w poblizu kolnierzy, zas o- twory w przewodzie sa tak usytuowane, ze stru¬ mienie powietrza chlodzacego sa skierowane na Scianki boczne kolnierzy, przy czym skurcz kor* pusu silnika zmniejsza srednice uszczelki ofaz szczeline wierzcholkowa pomiedzy wirnikiem tur¬ biny, a uszczelka.Przedmiot wynalazku zostal 'uwidoczniony w 5 przykladzie wy/konania na rysunku na którym fig. 1 przedstawia silnik turboodrzutowy wedlug wy¬ nalazku, w widoku,, fig. 2 — wylkres szczeliny wierzcholkowej w funkcji predkosci sprezaoM, fig. 3 — korzystny przyklad wykonania zespolu chlo- 10 dzacego, fig. 4 — fragment silnika turboodrzuto¬ wego, w przekroju. ' • - Figura 1 przedstawia silnik turbosmiglowy 10 o przeplywie poosiowym zawierajacy sprezairke, komore spalania, turbine gazowa (nie pokazana) 15 umieszczona w korpusie 9 silnika oraz przewód o- bejseiowy 12 otaczajacy smiglo (nie pokazane).Silnik zawiera regulator doplywu paliwa 14 ste¬ rowany takimi parametrami jak sygnal dzwigni mocy 16 oraz sygnal 18 predkosci sprezarki. Prze- 20 licznik regulatora 14 przeksztalca podane para¬ nieitry okreslajac ilosc paliwa wymagana do uzy¬ skania optymalnego dzialania silnika. Paliwo po¬ dawane ze zbiornika paliwa 20 jest sprezane przy pomocy poimpy 22 i przesylane do komory spala- » 25 nia przewodem 24.Uwidocznienie regulatora doplywu paliwa 14 ma na celu podikresienie faktu, ze wykorzystuje on sygnal "18 predkosci sprezarki, który jest jednym n z parametrów stosowanych w niniejszym rozwia¬ zaniu. Zgodnie z wynalazkiem chlodne powietrze jest kierowane do korpusu silnika do goracej czes¬ ci turbiny przy czym doplyw powietrza jest wla¬ czany lub wylaczany w funkcji odpowiedniego pa- • v rameitru. Przewód 30 zawierajacy lejkowaty wlot 32 przechodzacy przez sciane boczna pierscienio¬ wego przewodu obejsciowego 12 kieruje przeply¬ wem "o podwyzszonym cisnieniu statycznym do rury rozgaleznej- 34 polaczonej z szeregiem roz- . mieszczonych poosiowe koncentrycznych przewo¬ dów rozpylajacych 36, bitaczajacych calkowicie lub czesciowo korpus silnika.Kazdy przewód zawiera szereg otworów przez któire sa wtryskiwane strumienie powietrza chlo- 45 dzacego korpus silnika. Tak wiec powietrze wy¬ chodzace z przewodu obejsciowego smigla uderza o scianke korpusu silnika zmniejszajac jego tem¬ perature. Poniewaz zewnetrzna uszczelka' powie¬ trza jest zamocowana do koripusu, zmniejszenie na- 60 grzewania korpusu powoduje kurczenie uszczelki i zmniejszenie szczeliny wierzcholkowej wirnika turbiny. W typowych rozwiazaniach uszczelek po¬ wietrznych elementy uszczelniajace sa rozdzielone na segmenty na obwodzie turbiny tak, ze sily 55 powstajace w korpusie w wyniku zmniejszenia temperatury zmniejtszaja koncentrycznie , srednice uszczelki. Zmniejszenie szczeliny wierzcholkowej jest uzaleznione od ilosci powietrza oplywajacego „ korpus isilnika. 60 Zwykle rozpylanie powietrza chlodzacego na po¬ wierzchni korpusu silnika w czasie calego okresu pracy silnika lotniczego lub w calym zakresie mocy nie stanowi ulepszenia. Celem zastosowania chlo¬ dzacego powietrza jest zmniejszenie szczeliny 66 wierzcholkowej gdy silnik pracuje ponizej mocys maksymalnej,, przykladowo w czasie lotu samolo¬ tu. Aby uzyskac zmniejszenie szczeliny wierziohol- kowej w trakcie lotu nalezy zmniejszac pochodna f stasumku przyrostu temperatury korpusu wzgle¬ dem wirnika w trakcie lotu wzgledem, tej samej 5 wielkosci wystepujacej przy starcie (maksimum mocy).Eigura 2 przedstawia przejscie z linii B na linie C lub E wzdluz linii D. Tak wiec zmniejszenie szczeliny wierzcholkowej w czasie lotu wymaga 40 wlaczenia przeplywu powietrza na tyim etapie pra¬ cy silnika. Przy zastopowaniu zmiennego nateze¬ nia przeplywu powietrza tak, aby natezenie prze-' plywu wzrastalo w miare spadku mocy., uzyskuje sie szczeline o zasadniczo stalej wielkosci (linia 15 kreskowa F). Przy zastosowaniu regulacji dwu- polozeniowej uzyskuje sie wielkosc szczeliny o- kreslona linia C. Poniewaz regulacja doplywu po¬ wietrza chlodzacego moze byc sterowana w funk¬ cji wielkosci szczeliny pomiedzy zewnetrzna usz- 20 czelka powietrzna, a wierzcholkiem wirnika tur¬ biny, rozwiazanie takie jest bardzo skomplikowa¬ ne i zlozone.Zgodnie z rozwiazaniem wedlug wynalazku do wlaczania lub wylaczania zespolu chlodzacego u- 25 zywa sie zmiennego parametru okreslajacego moc silnika oiraz warunki lotu samolotu. Dobór odpo¬ wiedniego parametru jest uzalezniony ,od wymaga¬ nej dokladnosci, niezawodnosci i zlozonosci ukla¬ du. Punkt w którym, nastepuje wlaczenie lub wy- 30 laczenie zespolu chlodzacego zalezy od konstruk¬ cji instalacji oraz wykorzystania samolotu. Takim parametrem moze byc predkosc sprezarki (z obni¬ zonym lub podwyzszonym stopniem sprezania) lub temperatura wzdluz okreslonego odcinka silnika 35 na przyfklad od wlotu do wylotu sprezarki.Zgodnie z fig. 1 predkosc rzeczywista sprezarki jest okreslona sygnalem podawanym przez regula¬ tor przeplywu paliwa 14. Sygnal predkosci o war¬ tosci mniejszej -lub równej predkosci odniesienia 40 •porównywany w sumatorze 40 powoduje otwarcie zaworu 44 przez serwomotor 42. Przelacznik ba- romeitiryczny 46 reagujacy na wskazania barome¬ tru 48 odlacza uklad ponizej okreslonej wysokos¬ ci. Ma to na celu wylaczenie ukladu na zieimi przy 45 pracy silnika na malej mocy. Dzialanie uklaidu w czasie pracy . silnika na poziomie morza mogloby spowodowac ocieranie wierzcholka wirnika o ze¬ wnetrzna uszczelke powietrzna przy przyspiesza¬ niu obrotów silnika^ ,50 Figura 3 przedstawia przewody rozpylajace 36 oraz, ich polaczenie z wlotem 32. Aby ulatwic montaz stosuje sie mieszek sprezysty 48 mocowa¬ ny miedzy wlotem 32 w ksztalcie lejka oraz za¬ worem 44 polaczonym kolnierzowo z przewodem 55 30. Kazdy, przewód rozpylajacy 36 jest polaczony z rura rozgalezna 34 i przesuniety wzgledem sa¬ siedniego przewodu o ustalony odcinek.Zgodnie z fig. 4 kazdy przewód rozpylajacy 36 wchodzi pomiedzy kolnierze 50 korpusu silni|ka. 60 Zewnetrznie uszczelki 52 skladajace sie z kidik-u segmentów sa moocwane w poblizu wierzcholka lopatek turbiny przy pomocy pierscieni mocuja- cych 58 przykreconych do wystepów 8D korpusu silnika oraz wsporników 62 przykreconych do ze¬ ber 64. Ilosc uszczelek jest uzalezniona od kon¬ strukcji silnika a ilosc przewodów rozpylajacych jest uzalezniona od konstrukcji silnika i przezna¬ czenia .samolotu. Istota wynalazku polega na utrzy¬ maniu wielkosci szczeliny 54 zgodnie z wykresem z fig. 2. W tym celu otwory w przewodach roz¬ pylajacych sa tak usytuowane, ze strumienie po¬ wietrza chlodza scianki 70 kolnierzy 50. Chlodze¬ nie korpusu 10 w innych miejscach nie wywoluje wymaganego skurczu umozliwiajacego utrzymanie wymaganej wielkosci szczeliny 54.Zastrzezenia paten t o w e 1. Silnik turboodrzutowy zawierajacy turbine ó- sadzona oibrotcwo w korpusie silnika oraz zespól uszczelniajacy przy wierzcholku wirnika turbiny, znamienny tym, ze zawiera zespól sterujacy szcze¬ lina wierzcholkowa wirnika turbiny, obejmujacy przewody (36) podajace strumienie powietrza chlo¬ dzacego na korpus (10) silnika oiraz regulator do¬ plywu powietrza chlodzacego. 2. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze przewody (36) powietrza chlodzacego sa usytuowa¬ ne na zewnatrz korpusu (10) silnika. 3. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze zawiera zespól mocujacy uszczelki (52) do korpu¬ su (10) silnika.A. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze regulator doplywu powietrza chlodzacego zawie¬ ra sumator (40), porównujacy sygnal predkosci od¬ niesienia z sygnalem predkosci sprezarki, steru¬ jacy dzialaniem regulatora. 5. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny .tym, ze zawiera przelacznik barometryozny (46) wylacza¬ jacy regulator doplywu powietrza ponizej okres¬ lonej wysokosci. 6. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze regulator doplywu powietrza chlodzacego "jest po¬ laczony z przewodem obejsciowym (12). 7. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze regulator doplywu powietrza chlodzacego zawiera zawór (44) osadzony na przewodzie (30) doprowa¬ dzajacym powietrze do koirpusu (9 silnika, majacy polozenie otwarte, .zapewniajace przeplyw powie¬ trza przez przewód (30) oraz polozenie zamkniete, blokujace przeplyw powietrza przez przewód (30), przy czym zawór (44), sterowany parametrem pra¬ cy silnika, zostaje otwarty, gdy moc silnika jest mniejsza od jego mocy maksymalnej. 8. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze korpus (10) silnika zawiera kolnierze (50) roz¬ mieszczane w kierunku poosiowym, przy czym cc najmniej jeden przewód (36) powietrza chlodzace¬ go otacza torpus silnika w poMizu kolnierzy (50), zas otwory w przewodzie (36) sa tak usytuowane, ze strumienie powietrza chlodzacego sa skiero¬ wane na scianki (70) boczne kolnierzy (50), przy czym skurcz korpusu (10) silnika zmniejsza sred¬ nice uszczelki (52) oraz szczeline wierzcholkowa (54) pomiedzy wirnikiem turbiny a uszczelka (52).li(z2U tPz^. 2 *?¦¦112 264 ^. i.J iii-ii. -i c/^ =^ V^ ^2 c^ PL

Claims (8)

1. Zastrzezenia paten t o w e 1. Silnik turboodrzutowy zawierajacy turbine ó- sadzona oibrotcwo w korpusie silnika oraz zespól uszczelniajacy przy wierzcholku wirnika turbiny, znamienny tym, ze zawiera zespól sterujacy szcze¬ lina wierzcholkowa wirnika turbiny, obejmujacy przewody (36) podajace strumienie powietrza chlo¬ dzacego na korpus (10) silnika oiraz regulator do¬ plywu powietrza chlodzacego.
2. 2. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze przewody (36) powietrza chlodzacego sa usytuowa¬ ne na zewnatrz korpusu (10) silnika.
3. 3. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze zawiera zespól mocujacy uszczelki (52) do korpu¬ su (10) silnika.
4. 4. A. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze regulator doplywu powietrza chlodzacego zawie¬ ra sumator (40), porównujacy sygnal predkosci od¬ niesienia z sygnalem predkosci sprezarki, steru¬ jacy dzialaniem regulatora.
5. 5. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny .tym, ze zawiera przelacznik barometryozny (46) wylacza¬ jacy regulator doplywu powietrza ponizej okres¬ lonej wysokosci.
6. 6. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze regulator doplywu powietrza chlodzacego "jest po¬ laczony z przewodem obejsciowym (12).
7. 7. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze regulator doplywu powietrza chlodzacego zawiera zawór (44) osadzony na przewodzie (30) doprowa¬ dzajacym powietrze do koirpusu (9 silnika, majacy polozenie otwarte, .zapewniajace przeplyw powie¬ trza przez przewód (30) oraz polozenie zamkniete, blokujace przeplyw powietrza przez przewód (30), przy czym zawór (44), sterowany parametrem pra¬ cy silnika, zostaje otwarty, gdy moc silnika jest mniejsza od jego mocy maksymalnej.
8. 8. Silnik wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze korpus (10) silnika zawiera kolnierze (50) roz¬ mieszczane w kierunku poosiowym, przy czym cc najmniej jeden przewód (36) powietrza chlodzace¬ go otacza torpus silnika w poMizu kolnierzy (50), zas otwory w przewodzie (36) sa tak usytuowane, ze strumienie powietrza chlodzacego sa skiero¬ wane na scianki (70) boczne kolnierzy (50), przy czym skurcz korpusu (10) silnika zmniejsza sred¬ nice uszczelki (52) oraz szczeline wierzcholkowa (54) pomiedzy wirnikiem turbiny a uszczelka (52).li(z2U tPz^. 2 *?¦¦112 264 ^. i.J iii-ii. -i c/^ =^ V^ ^2 c^ PL