Патент на изобретение №2302540

(54) УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

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 F₁ – 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.

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/F₂=1÷20 и Н/₂=2÷50, где

F₁ – 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/F₂<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.

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/F₂=1÷20 и Н/₂=2÷50,

где F₁ – 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.

РИСУНКИ