Газотурбінний двигун

1. Газотурбінний двигун, що включає турбокомпресори низького і високого тиску, силову турбіну, що приводить споживач потужності з боку силової турбіни, у якого ротори турбомашин розташовані співвісно, а з'єднувальний вал турбіни і компресора низького тиску проходить через ротор компресора і турбіни високого тиску, який відрізняється тим, що застосований роторний роздільник крутного моменту, що складається із з'єднаних між собою ротора силової турбіни, трансмісійного вала, еластичної муфти з боку задньої цапфи силової турбіни і еластичної муфти з боку передньої частини трансмісійного вала, що C2 2 86648 1 3 Цей газотурбінний двигун реалізує цикл Брайтона, характеризується співвісним розташуванням всіх елементів у послідовності протікання робочого процесу і містить турбокомпресори низького і високого тиску, силову турбіну, що приводить споживач потужності з боку силової турбіни. Вал, який передає крутний момент від турбіни низького тиску до компресора низького тиску проходить через ротор, який передає крутний момент від турбіни високого тиску до компресора високого тиску. Ротор силової турбіни двоопорний. Опори силової турбіни розташовані в опорному вінці на виході із силової турбіни, робочі диски силової турбіни консольно стосовно опор. Цапфа ротора силової турбіни з боку виходу із силової турбіни має зовнішнє шліцьове з'єднання з пружною муфтою, через яку відбирається потужність на привод споживача. Недоліком цього газотурбінного двигуна є неможливість забезпечення силовою турбіною спільного привода споживачів потужності з боку силової турбіни і з боку компресора. Відзначений недолік приводить до ускладнення схем енергетичних установок для об'єктів з декількома споживачами потужності, необхідністю введення в їхній склад редукторних роздільників потужності, збільшення номенклатури, геометричних розмірів і ваги трансмісій передачі потужності, збільшенню числа опор і систем їхнього забезпечення. Наслідком є підвищення габаритів, металоємності, вартості енергетичної установки з одночасним істотним зниженням її надійності. Для суднових двигуннорухомих комплексів і транспортних енергетичних установок, зазначений недолік газотурбінного двигуна приводить у цілому до суттєвого зменшення корисного ефекту об'єкта використання. У винаході вирішується задача створення газотурбінного двигуна, що реалізує спільний привод споживачів потужності від силової турбіни, як з боку силової турбіни, так і з боку компресора. Рішення задачі досягається тим, що у відомому газотурбінному двигуні з двокаскадним компресором і вільною силовою турбіною, привод споживача потужності здійснюється з боку силової турбіни, згідно винаходу, застосований роторний роздільник крутного моменту силової турбіни, який складається з з'єднаних між собою ротора силової турбіни, трансмісійного вала, що проходить через з'єднувальний пустотілий вал турбіни і компресора низького тиску, еластичної муфти з боку задньої цапфи силової турбіни і еластичної муфти з боку передньої частини трансмісійного вала Роторний роздільник крутного моменту, виконаний трьохопорним, передня опора розташована в передньому корпусі компресора, середня опора розташована в опорному вінці перед робочими дисками силової турбіни, фіксуюча опора - в опорному вінці за робочими дисками силової турбіни. Ротор силової турбіни, трансмісійний вал, еластичні муфти з'єднані між собою шліцьовими з'єднаннями, трансмісійний вал сполучений з передньою цапфою силової турбіни через внутрішнє шліцьове з'єднання і гвинтову стяжку розташованими під середньою опорою роторного роздільника крутного моменту. Опори роторного роздільника крутного 86648 4 моменту демпфіровані. Співвідношення геометричних розмірів, конфігурацію зовнішніх поверхонь і внутрішніх порожнин роторного роздільника потужності вибирають з умови проявлення резонансів коливань перших двох критичних чисел оборотів на режимах роботи не перевищуючий холостий хід газотурбінного двигуна, і з умови проявлення резонансу коливань на значеннях критичних чисел оборотів вищих порядків перевищуючих обмеження по максимальній потужності газотурбінного двигуна. Новизна пропонованого газотурбінного двигуна полягає в наявності наступних сукупностей відмітних ознак. Роторний роздільник крутного моменту, який складається з з'єднаних між собою ротора силової турбіни, трансмісійного вала, еластичної муфти з боку задньої цапфи силової турбіни і еластичної муфти з боку передньої частини трансмісійного вала, забезпечує заданий поділ потужності силової турбіни і спільний привод споживачів потужності з боку силової турбіни і з боку компресора. У результаті цього крутні моменти, які діють на деталі роздільника крутного моменту силової турбіни з боку силової турбіни і з боку компресора зменшуються відповідно до заданого поділу потужностей, що дозволяє збільшувати запаси міцності, знижувати габарити розміри і вагу з одночасним збільшенням надійності пристрою. З'являється можливість найбільш оптимально з позицій максимізації корисного ефекту розташувати газотурбінний двигун на об'єкті використання. Завдяки поділу потужності силової турбіни на два потоки істотно спрощуються кінематичні схеми енергетичних установок об'єктів використання за рахунок виключення редукторних роздільників потужності і зменшення номенклатури, габаритів розмірів і ваги трансмісій механічних передач, зменшення числа опор і відповідного зменшення кількості прокачування мастила. Підсумовуючим ефектом є зменшення габаритів, металоємності, а також вартості енергетичних установок на базі газотурбінних двигунів з роторним роздільником крутного моменту силової турбіни, при одночасному підвищенні характеристик надійності. Трьохопорна конструкція роторного роздільника крутного моменту силової турбіни, де з боку компресора опора розташована у передньому корпусі компресора, середня опора розташована в опорному вінці перед робочими дисками силової турбіни, а фіксуюча опора - в опорному вінці за робочими дисками силової турбіни. Ротор силової турбіни, трансмісійний вал, еластичні муфти з'єднані між собою шліцьовими з'єднаннями, трансмісійний вал сполучений з передньою цапфою силової турбіни через внутрішнє шліцьове з'єднання і гвинтову стяжку, розташованими під середньою опорою роторного роздільника крутного моменту силової турбіни. Така конструкція забезпечує надійну роботу роздільника крутного моменту силової турбіни у всьому діапазоні експлуатаційних режимів роботи газотурбінного двигуна. Складена конструкція поліпшує ремонтноздатність газотурбінного двигуна в частині забезпечення можливості заміни в умовах експлуатації елементів силової турбіни з роздільником крутного моменту. Конс 5 трукція забезпечує, технологічність, спрощує механічну обробку, що сприяє зменшенню витрат на виробництво газотурбінного двигуна. Крім того, така конструкція гарантує мінімально можливі зміни осьових і радіальних зазорів лопаткового апарата силової турбіни при зміні теплових станів газотурбінного двигуна, що сприяє збереженню в процесі експлуатації високих значень коефіцієнта корисної дії по виробництву механічної енергії. Застосування демпфірування опор роторного роздільника крутного моменту і вибір співвідношення геометричних розмірів, конфігурації зовнішніх поверхонь і внутрішніх порожнин трансмісійного вала з умови прояву резонансів перших двох критичних чисел оборотів на режимах роботи не перевищуючі холостий хід газотурбінного двигуна, і прояву резонансу на значеннях критичних чисел оборотів вищих порядків перевищуючих обмеження по максимальній потужності газотурбінного двигуна дозволяє використовувати конструкцію гнучкого вала й обійтися без використання міжвального проміжного підшипника, що у свою чергу сприяє зниженню імовірності руйнування опор, зменшенню вироблення радіальних зазорів турбомашин і збільшенню, таким чином, надійності і паливної економічності газотурбінного двигуна в експлуатації. На Фіг.1 зображений газотурбінний двигун, що реалізує винахід. На Фіг.2 - фрагмент роторного роздільника крутного моменту при силовій турбіні газотурбінного двигуна. На Фіг.3 - фрагмент роторного роздільника крутного моменту при компресорі низького тиску газотурбінного двигуна. Газотурбінний двигун (Фіг.1) складається з компресора низького тиску 1, компресора високого тиску 2, камери згоряння 3, турбіни високого тиску 4, що приводить компресор високого тиску 2, турбіни низького тиску 5, що приводить компресор низького тиску 1, силової турбіни 6, що включає передню цапфу 7 (Фіг.2), задню цапфу 8 з еласти 86648 6 чною муфтою 9 з боку силової турбіни 6, трансмісійного вала 10 з еластичною муфтою 11 з боку компресора 1 (Фіг.3). Ротор силової турбіни 6 разом із трансмісійним валом 10, еластичними муфтами 9, 11, стяжним гвинтом 12 (Фіг.2) утворюють роторний роздільник крутного моменту, що приводить споживачі потужності з боку силової турбіни і споживач потужності з боку компресора одночасно. Роторний роздільник крутного моменту розташований на трьох опорах - передній 13 (Фіг.3), середній 14 (Фіг.2) і фіксуючій 15 (Фіг.2). Опори виконані демпфіруванними. Атмосферне повітря (Фіг.1) надходить у компресор низького тиску 1, потім у компресор високого тиску 2, стискується і подається в камеру згоряння 3, де здійснюється процес спалювання палива в кисні повітря й утворення потоку газу високого енергетичного потенціалу. Далі потік газу розширюється на турбіні високого тиску 4, що приводить компресор високого тиску 2, турбіні низького тиску 5, що приводить компресор низького тиску 1, і силовій турбіні 6, що приводить через задню цапфу 8 ротора силової турбіни 6 і еластичну муфту 9 споживач потужності з боку силової турбіни, а через трансмісійний вал 10 і еластичну муфту 11 споживач потужності з боку компресора. Із силової турбіни 6 газ відводиться в навколишнє середовище або в утилізаційний теплообмінний апарат. Практична реалізація й апробування винаходу зроблене при створенні газотурбінного двигуна потужністю 7,4МВт для привода повітряного гвинта і вентилятора енергетичної установки судна на повітряній подушці. Промислова експлуатація газотурбінного двигуна підтвердила високу ефективність і надійність запропонованого пристрою. Використання описаного винаходу дозволяє створювати газотурбінні двигуни, що забезпечують спільний привод споживачів потужності від силової турбіни, як з боку силової турбіни, так і з боку компресора, невеликої металоємності, підвищеної експлуатаційної надійності і високої економічності. 7 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 86648 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601