ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F02C7/06 F01D25/14 

Изобретение относится к лопаточным машинам газотурбинных двигателей, например к турбинам, и может найти применение в авиадвигателестроении, в том числе при наземном применении двигателей.

Улучшение параметров газотурбинного двигателя (ГТД), в частности уменьшение удельного расхода топлива, требует повышения КПД турбины. Одним из путей повышения КПД является уменьшение зазора между уплотнительными элементами статора и ротора проточной части двигателя.

Известна конструкция ГТД АИ-24, в которой датчик флюгирования винта срабатывает при перемещении шарикоподшипника, воспринимающего тягу винта, с помощью двух гидравлических поршней, один из которых поджат к шарикоподшипнику с помощью цилиндрической пружины [1].

Такая конструкция позволяет перемещать ротор винта в осевом направлении, однако не обеспечивает демпфирование вибрации, возникающее при вращении ротора.

Известна конструкция ГТД, в которой осуществляется регулирование зазоров между наружным воздушным уплотнением турбины и законцовкой турбинных лопаток ротора [2] . Устройство включает смонтированные вокруг корпуса турбины перфорированные трубки, соединенные с трубопроводом подвода воздуха, отбираемого из вентиляторного контура. Уменьшение зазоров достигается обдувом корпуса охлаждаемым воздухом.

Недостатком данной конструкции является малый диапазон регулирования зазоров, а также невозможность их регулирования при внезапном выключении двигателя и запуска только что остановленного двигателя при прогретых дисках турбины, что связано с разной скоростью прогрева тонкостенных лопаток и толстостенного статора. Это приводит к снижению КПД турбины и эффективности двигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в осуществлении активного регулирования осевых зазоров между уплотнительными элементами статора и ротора турбины в проточной части двигателя путем осевой сдвижки поршня ротора турбины с одновременным демпфированием колебаний ротора.

Задача решается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий статор и ротор с регулируемыми осевыми зазорами, дополнительно включает неподвижную опору, поршень и упорный подшипник ротора, который установлен относительно опоры подвижно в осевом направлении на поршне, с одного конца контактирующем с пружиной, а с противоположного ограниченном полостью подвода рабочей жидкости высокого давления, причем поршень и удерживающий его в осевом направлении фланец опоры выполнен с опорными торцами, зазор между которыми равен осевому зазору между уплотнительными элементами статора и ротора, осевая длина окружной рабочей поверхности поршня равна 1-5 осевым длинам наружного кольца упорного подшипника, а радиальный зазор между окружной опорной поверхностью поршня и опорой равен 0,1-0,4 мм.

Демпфирование колебаний ротора осуществляется за счет выдавливания масляной пленки между развитой внешней поверхностью поршня и опорой, а также механического трения опорного торца поршня о неподвижный фланец опоры.

Запуск двигателя осуществляется при максимальной величине осевых зазоров Δ между уплотнительными элементами статора и ротора в проточной части двигателя. Это объясняется разной скоростью нагрева массивного ротора и тонкостенного статора. На время отработки переходных режимов осевой зазор Δ должен оставаться максимальным для предотвращения заклинивания ротора.

После окончания переходных процессов необходимо уменьшение зазора Δ практически до нуля на двигателе, работающем на длительном экономичном режиме, что снизит до минимума потери в статоре турбины, связанные с утечками в осевых зазорах Δ между уплотнительными элементами статора и ротора, и приводит к повышению КПД на 3-4%.

Установка упорного подшипника ротора на поршне, имеющем возможность осевого перемещения вместе с подшипником относительно неподвижной опоры, позволяет регулировать осевые зазоры Δ между уплотнительными элементами в проточной части турбины. Уменьшение зазора Δ осуществляется в результате подачи масла в полость подвода рабочей жидкости, обеспечивающей осевой сдвиг поршня при сжатии пружины до соприкосновения опорных торцев фланца опоры и поршня. После остановки двигателя давление в полости падает и ротор возвращается в исходное состояние за счет усилия пружин, увеличивая осевые зазоры Δ до максимальных рабочих размеров.

Выполнение зазора между опорными торцами по величине равным зазору Δ объясняется удобством активного регулирования их в данной конструкции.

Осевая длина окружной опорной поверхности поршня выполняется равной 1-5 осевым длинам наружного кольца упорного подшипника. Это связано с тем, что демпфирующие свойства устройства зависят от площади масляной пленки, которая из радиального зазора между окружной рабочей поверхностью и опорой ( Δ₁ ) выдавливается в процессе колебаний ротора. Поэтому, если длина окружной опорной поверхности поршня составляет менее одной осевой длины наружного кольца подшипника, то демпфирующие свойства опоры будут недостаточными для гашения колебаний ротора. Если же повышение составляет более чем в 5 раз, то существенно возрастают габариты опоры и вес конструкции.

Размер радиальных зазоров выбран в интервале 0,1-0,4 мм исходя из следующих соображений: при Δ₁< 0,1 мм масло не сможет поступать в зазор, а при Δ₁> 0,4 мм наблюдается возрастание амплитуды колебаний ротора при запуске и выбеге.

На фиг. 1 представлена силовая турбина газотурбинного двигателя с активным регулированием осевых зазоров; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1 в нерабочем положении или на режиме запуска; на фиг. 3 - то же в положении экономичного режима работы турбины; на фиг. 4 - зазор Δ между уплотнительными элементами статора и ротора (узел II на фиг. 1) на нерабочем режиме; на фиг. 5 - то же на экономичном режиме работы турбины.

Силовая турбина 1 ГТД состоит из статора 2 и ротора 3 с рабочими колесами 4. Статор 2 содержит переднюю опору 5 с роликоподшипником 6 и заднюю опору 7 с радиально-упорным подшипником 8, воспринимающим осевую нагрузку, действующую на ротор 3 силовой турбины 1. Роликовый подшипник 9 служит для разгрузки шарикоподшипника 8 от радиальных усилий. Подшипники 8 и 9 закреплены в поршне 10 с помощью гайки 11. Поршень 10 установлен в корпусе опоры 12 с радиальным зазором Δ₁= 0,1-0,4 мм. Между поршнем 10 и корпусом 12 выполнена полость A, в которую через трубу 13 попадает рабочая жидкость от маслонасоса ГТД под высоким давлением (20-40 кг/см²). От утечек масла полость A уплотнена кольцами 14 и 15, установленными на поршне 10.

На корпусе 12 установлен фланец 16, в котором расположены пружины 17, прижимающие на переходных режимах или на неработающей турбине поршень 10 к корпусу 12. От проворота поршень 10 фиксируется относительно неподвижного фланца 16 с помощью торцевых шлиц 18. Поршень 10 и фланец 16 имеют упорные торцы Т₁ и Т₂, по которым контактируют при работе на длительном экономичном режиме.

Между уплотнительными элементами статора и ротора, т.е. между сотовым уплотнением 19 сопловой лопатки 20 и гребешками 21 рабочих лопаток 27 на неработающем ГТД существует осевой зазор Δ , который необходимо уменьшить до величины, близкой к нулю на ГТД, работающем на длительном экономичном режиме, что существенно повышает КПД турбины. Зазор такой же величины предусмотрен и между сотовым уплотнением 23 на разрезном кольце 24 статора 2 и гребешком 25 рабочей лопатки 22. На передней опоре 5 закреплен индуктивный датчик Д, по сигналу которого начинается активное регулирование осевого зазора Δ , которое может осуществляться также по сигналу временного механизма.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Запуск турбины производится при осевых зазорах Δ , равных 3-4 мм, исходя из опытных данных. Для этого в полость A через трубу 13 подают масло с низким давлением (3-4 кг/см²), которое протекает через зазор Δ₁ между опорной окружной поверхностью поршня 20 и неподвижной опорой 12, демпфируя колебания ротора 3 за счет выдавливания масляной пленки из зазора Δ₁ . В этом случае поршень 10 прижат к корпусу 12 за счет осевых усилий, возникающих от газовых сил, действующих на ротор 3, а также за счет усилия пружин 17.

По окончании переходных процессов нагрева ротора 3 и статора 2 по сигналу датчика Д или временного механизма через трубу 13 в полость A подается масло с высоким давлением (30-40 кг/см²). При этом поршень 10 за счет давления, действующего на него, сдвигается влево (фиг. 2, 3), сжимая пружины 17 до упора торца Т₂ в торец Т₁ фланца 16. Вместе с поршнем 10 сдвигается радиально-упорный подшипник с ротором 3, что ведет к уменьшению зазоров Δ до околонулевых величин и повышению КПД статора турбины на 3-4%.

Эффект демпфирования колебаний ротора 1 усиливается за счет сил трения торцов Т₁ и Т₂. Кроме того, контакт по торцам Т₁ и Т₂ уменьшает утечки масла из полости A.

При выключении ГТД ротор 3 под воздействием сил пружины 17 сдвигается вместе с поршнем 10 вправо, увеличивая осевой зазор Δ до максимальной величины (3-4 мм).

Использование: газотурбостроение. Сущность изобретения: осуществляют активное регулирование осевых зазоров между уплотнительными элементами статора и ротора турбины в проточной части двигателя путем осевой сдвижки поршня ротора турбины с одновременным демпфированием колебаний ротора. 5 ил.

Газотурбинный двигатель, содержащий статор и ротор с регулируемыми осевыми зазорами, отличающийся тем, что он дополнительно включает неподвижную опору, поршень, а также упорный подшипник ротора, установленный относительно опоры подвижно в осевом направлении на поршне, с одного конца контактирующем с пружиной, а с противоположного ограниченном полостью подвода рабочей жидкости высокого давления, причем поршень и удерживающий его в осевом направлении фланец опоры выполнены с опорными торцами, зазор между которыми равен осевому зазору между уплотнительными элементами статора и ротора, осевая длина окружной опорной поверхности поршня равна 1-5 осевым длинам наружного кольца упорного подшипника, а радиальный зазор между опорной поверхностью поршня и опорой равен 0,1-0,4 мм.