уплотнительное устройство газотурбинного двигателя
Классы МПК: | F02C7/28 размещение уплотнений |
Автор(ы): | Тункин Анатолий Иванович (RU), Кузнецов Валерий Алексеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "АВИАДВИГАТЕЛЬ" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-10-03 публикация патента:
10.07.2007 |
Изобретение относится к уплотнительным устройствам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении эффективности уплотнительного устройства за счет регулирования расхода охлаждающего воздуха и обеспечения постоянной минимальной величины уплотняемого радиального зазора. Уплотнительное устройство газотурбинного двигателя, включающее рабочую часть, состоящую из лабиринта с уплотнительными гребешками и ответного им статорного фланца, а также дефлектор, образующий с фланцем щелевую полость, согласно изобретению дополнительно содержит регулирующую часть, которая установлена на выходе из рабочей части, состоит из лабиринта с гребешками и статорного фланца и отделена от рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе каналами с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, при этом щелевая полость на выходе соединена с межгребешковой полостью регулирующей части, лабиринты и статорные фланцы рабочей и регулирующей частей, соответственно, выполнены за одно целое или скреплены неподвижным соединением, причем F1/F2=1÷20 и Н/ 2=2÷50, где F 1 - площадь каналов; F2 - площадь кольцевого зазора между гребешком лабиринта и статором рабочей части уплотнительного устройства; Н - минимальная высота щелевой полости; 2 - радиальный зазор между первым гребешком лабиринта и статором регулируемой части. 1 ил.
Формула изобретения
Уплотнительное устройство газотурбинного двигателя, включающее рабочую часть, состоящую из лабиринта с уплотнительными гребешками и ответного им статорного фланца, а также дефлектор, образующий с фланцем щелевую полость, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит регулирующую часть, которая установлена на выходе из рабочей части, состоит из лабиринта с гребешками и статорного фланца и отделена от рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе каналами с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, при этом щелевая полость на выходе соединена с межгребешковой полостью регулирующей части, лабиринты и статорные фланцы рабочей и регулирующей частей соответственно выполнены за одно целое или скреплены неподвижным соединением, причем F1/F 2=1÷20 и Н/ 2=2÷50,
где F 1 - площадь каналов;
F2 - площадь кольцевого зазора между гребешком лабиринта и статором рабочей части уплотнительного устройства;
Н - минимальная высота щелевой полости;
2 - радиальный зазор между первым гребешком лабиринта и статором регулируемой части.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к уплотнительным устройствам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.
Известно уплотнительное устройство между ротором и статором авиационного двигателя в виде лабиринтного воздушного уплотнения [С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981, стр.120, рис.3.58].
Недостатками такой конструкции являются ее низкие эффективность и надежность из-за возможности «закусывания» этого уплотнения на режимах сброса газа из-за неодинаковой температурной деформации лабиринта и фланца лабиринта.
Наиболее близким к заявляемому является уплотнительное устройство за компрессором газотурбинного двигателя, включающее лабиринт с уплотнительными гребешками, закрепленный на последнем колесе компрессора, и ответное лабиринту неподвижное кольцо с дефлектором, щелеобразная полость между которыми на входе соединена с полостью компрессора низкого давления [Патент РФ №2036312, F01D 11/02, 1995 г.].
Недостатком такого устройства является ее низкая эффективность, т.е. повышенные утечки уплотняемого воздуха при изменении режима работы двигателя или при изменении температуры воздуха на входе в компрессор, а также при износе уплотняющих элементов.
Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении эффективности уплотнительного устройства за счет регулирования расхода охлаждающего воздуха и обеспечения постоянной минимальной величины уплотняемого радиального зазора.
Сущность изобретения заключается в том, что уплотнительное устройство газотурбинного двигателя, включающее рабочую часть, состоящую из лабиринта с уплотнительными гребешками и ответного им статорного фланца, а также дефлектор, образующий с фланцем щелевую полость, согласно изобретению дополнительно содержит регулирующую часть, которая установлена на выходе из рабочей части, состоит из лабиринта с гребешками и статорного фланца и отделена от рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе каналами с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, при этом щелевая полость на выходе соединена с межгребешковой полостью регулирующей части, лабиринты и статорные фланцы рабочей и регулирующей частей, соответственно, выполнены за одно целое или скреплены неподвижным соединением, причем F1/F 2=1÷20 и Н/ 2=2÷50, где
F 1 - площадь каналов;
F2 - площадь кольцевого зазора между гребешком лабиринта и статором рабочей части уплотнительного устройства;
Н - минимальная высота щелевой полости;
2 - радиальный зазор между первым гребешком лабиринта и статором регулируемой части.
Разделение уплотнительного устройства на рабочую часть и установленную на выходе из рабочей регулирующую часть позволяет использовать рабочую часть устройства по своему прямому назначению - уплотнению перетекающего рабочего тела, а регулирующая часть ограничивает и изменяет в зависимости от величины радиального зазора 2 расход охлаждающего воздуха в щелевой полости, что в свою очередь позволяет корректировать за счет температурной деформации статорного фланца радиальный зазор 1 по рабочей части, минимизируя тем самым утечки уплотняемого рабочего тела через рабочую часть уплотнительного устройства на всех режимах работы газотурбинного двигателя, что повышает его надежность и экономичность.
Отделение регулирующей части уплотнительного устройства от его рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, позволяет снизить до минимума влияние утечек уплотняемого рабочего тела на величину расхода охлаждающего воздуха, протекающего в щелевой полости, и таким образом повысить точность поддержания минимального радиального зазора 1 по рабочей части.
Выполнение регулирующей части из лабиринта с гребешками и ответного им статорного фланца позволяет избежать катастрофического износа и разрушения в случае касания гребешками лабиринта статорного фланца, что повышает надежность уплотняемого устройства.
Соединение щелевой полости на выходе с межгребешковой полостью регулирующей части позволяет регулировать расход охлаждающего воздуха, протекающего через щелевую полость, пропорционально величине радиального зазора 2 между статором и ротором регулирующей части, что позволяет поддерживать минимальную величину радиального зазора 1 по рабочей части уплотнительного устройства - за счет температурной деформации статорного фланца.
Выполнение за одно целое или взаимно неподвижное соединение лабиринтов и статорных фланцев соответственно рабочей и регулирующей частей уплотнительного устройства позволяет получить синхронное изменение радиальных зазоров 2 и 1 за счет совместного радиального перемещения лабиринтов и статорных фланцев регулирующей и рабочей частей, что повышает точность поддержания минимальной величины радиального зазора 1 на всех режимах работы газотурбинного двигателя.
При F1/F 2<1 утечки уплотняемого рабочего тела будут существенно влиять на расход охлаждающего воздуха через щелевую полость, что ухудшит точность поддержания радиального зазора 1.
При F1 /F2>20 существенно увеличиваются габариты уплотнительного устройства, а также напряжения от центробежных сил в лабиринте, что повышает вес и снижает надежность газотурбинного двигателя.
При Н/ 2<2 снижается точность регулирования радиального зазора 1 по рабочей части из-за существенного влияния гидравлического сопротивления щелевой полости на величину расхода охлаждающего воздуха через щелевую полость, а при Н/ 2>50 существенно возрастают габариты и вес уплотнительного устройства.
На чертеже изображено уплотнительное устройство заявляемой конструкции.
Уплотнительное устройство 1 газотурбинного двигателя, отделяющее полость высокого давления А от полости низкого давления Б, состоит из рабочей части 2 и установленной на выходе из рабочей регулирующей части 3, отделенной от рабочей части 2 с помощью кольцевой полости 4, соединенной на выходе каналами 5 во втулках 6 с полостью низкого давления Б. На входе кольцевая полость 4 соединена с межгребешковыми кольцевыми полостями 7 и 8 рабочей 2 и регулирующей 3 частей уплотнительного устройства 1.
Рабочая часть 2 и регулирующая часть 3 состоят из лабиринтов 9 и 10 соответственно, установленных на роторе 11, и ответных лабиринтам статорных фланцев 12 и 13 с сотовыми вставками 14. Лабиринты 9 и 10, а также статорные фланцы 12 и 13 соответственно выполнены за одно целое или соединены неразъемными соединениями (сваркой, пайкой) либо соединены взаимно неподвижными соединениями (не показано).
С внешней стороны на статорных фланцах 12 и 13 установлен дефлектор 15 с образованием щелевой полости 16, которая на входе 17 соединена с промежуточной ступенью компрессора газотурбинного двигателя (не показано), а на выходе 18 - каналами 19 соединена с межгребешковой кольцевой полостью 8 регулирующей части 3. В щелевой полости 16 протекает охлаждающий воздух 20 из-за промежуточной ступени компрессора. Полость 8 на выходе соединена с полостью низкого давления Б со стороны рабочей части 2 через кольцевой зазор 2 между передним уплотнительным гребешком 21 лабиринта 10 и фланцем 13, кольцевую полость 4 и каналы 5, а с внешней стороны - через кольцевой зазор 3 между задним уплотнительным гребешком 22 и статорным фланцем 13.
Лабиринт 9 рабочей части 2 по уплотнительным гребешкам 23 установлен относительно статорного фланца 12 с радиальным зазором 1.
Работает данное устройство следующим образом.
При монтаже радиальный зазор 1 между лабиринтом 9 и статорным фланцем 12 рабочей части 2 уплотнительного устройства 1, с целью обеспечения минимальных утечек рабочего тела из полости высокого давления А в полость низкого давления Б устанавливается минимально возможным.
При изменении режима работы газотурбинного двигателя происходит температурная деформация лабиринта 9 и статорного фланца 12, в результате чего возможно врезание уплотнительных гребешков 23 в сотовые вставки 14, что может привести к износу уплотнительного устройства 1 и его разрушению, а также к заклиниванию ротора 11.
Однако этого не происходит, так как синхронно с тепловой деформацией лабиринта 9 и фланца 12 рабочей части 2 происходит деформация связанных с ними лабиринта 10 и фланца 13 регулирующей части 3 с уменьшением радиальных зазоров 2 и 3, что приводит к уменьшению расхода охлаждающего воздуха 20 в щелевой полости 16, увеличению температуры статорных фланцев 12 и 13 и к увеличению радиального зазора 1.
В случае, если в результате температурных деформаций при изменении режима работы газотурбинного двигателя радиальный зазор 1 излишне увеличится, то синхронно с зазором 1 произойдет увеличение радиальных зазоров 2 и 3, что приведет к увеличению расхода охлаждающего воздуха 20 в щелевой полости 16, уменьшению температуры статорных фланцев 12 и 13 и к уменьшению радиального зазора 1. Таким же образом парируется и возможный износ уплотнительного устройства 1 по рабочей части 2.
Т.е. данное устройство работает как система с обратной связью, обеспечивая на всех режимах работы минимально возможный, оптимальный радиальный зазор 1 по рабочей части 2 уплотнительного устройства 1, что обеспечивает минимальные утечки рабочего тела из полости высокого давления А в полость низкого давления Б, повышая тем самым экономичность и надежность газотурбинного двигателя.
Настройка зазора 1 на минимальную рабочую величину происходит при сборке уплотнительного устройства 1 за счет регулирования радиальных зазоров 2 и 3, т.е. за счет изменения расхода охлаждающего воздуха 20 в щелевой полости 16.
Класс F02C7/28 размещение уплотнений