ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F01D11/22 

Изобретение относится к лопаточным машинам газотурбинных двигателей /ГТД/, например к ротору низкого давления ГТД, и может найти применение как в авиадвигателестроении, так и при наземном использовании двигателей.

Улучшение параметров ГТД, в частности уменьшение удельного расхода топлива требует повышения КПД лопаточных машин двигателя, в том числе вентилятора, подпорных ступеней и турбины низкого давления. Одним из путей повышения КПД является уменьшение зазоров между плотнительными элементами статора и ротора этих узлов в проточной части двигателя.

Известна конструкция ГТД, в которой осуществляется регулирование зазоров между наружным воздушным уплотнением турбины и законцовкой турбинных лопаток ротора. Недостатком данной конструкции является малый диапазон регулирования зазоров, а также невозможность их регулирования при внезапном выключении 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.

Известна конструкция ГТД, в которой осуществляется регулирование зазоров между наружным воздушным уплотнением статора турбины законцовкой турбинных лопаток ротора. Устройство включает в себя смонтированные вокруг корпуса турбины перфорированные трубки, соединенные с трубопроводом подвода воздуха, отбираемого из вентиляторного контура. Уменьшение зазоров достигается обдувом корпуса турбины охлаждающим воздухом, в результате чего температура корпуса и соответственно его диаметр уменьшаются. При этом сокращаются радиальные зазоры между уплотнением статора и законцовками турбинных лопаток.

Недостатком данной конструкции является невозможность регулирования осевых и радиальных зазоров с одновременным демпфированием колебаний ротора на рабочих режимах ГТД. При низких температурах корпуса вентилятора или подпорных ступеней осуществление регулирования зазоров невозможно из-за отсутствия необходимой для регулирования разницы температур между охлаждающим воздухом и корпусом.

Регулирование зазоров невозможно при внезапном выключении двигателя и запуске только что остановленного двигателя при прогретых дисках турбины, что связано с разной скоростью подогрева тонкостенных лопаток, более толстостенного статора и еще более массивных и толстостенных дисков. Это приводит к увеличению зазоров между плотнительными элементами статора и ротора на рабочих режимах ГТД и соответственно к снижению КПД турбины и эффективности двигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в осуществлении регулирования осевых и радиальных зазоров между плотнительными элементами статора и ротора с одновременным демпфированием колебаний.

Эта задача решается путем сдвижки всего ротора двигателя относительно статора в осевом направлении, которое осуществляется в результате того, что в газотурбинном двигателе, содержащем статор и ротор с регулируемыми зазорами, наружное кольцо радиально-упорного подшипника ротора выполнено в виде поршня с возможностью осевого перемещения относительно статора и контактирующего с обеих сторон с активными силовыми элементами, а периферийная проточная часть лопаток выполнена конусообразной с острым углом раскрытия, причем радиальный зазор между рабочими поверхностями кольца и опоры подшипника составляет 0,1 - 0,4 мм.

Для исключения перегрева масла полость радиального зазора между рабочими поверхностями кольца и опоры подшипника соединена с полостью опоры отверстиями.

Выполнение наружного кольца радиально-упорного подшипника ротора в виде поршня с возможностью осевого перемещения относительно статора позволяет осуществлять сдвижку всего ротора относительно статора в осевом направлении.

То, что поршень контактирует с обеих сторон с активными силовыми элементами, позволяет после окончания переходных процессов на режимах максимальной экономичности уменьшать радиальные зазоры Δ₁ по вентилятору и Δ₂ по подпорным ступеням, а также осевые зазоры δ₂ по уплотнительным элементам турбины низкого давления до величины, близкой к нулю.

Между величинами радиального зазора Δ₁, осевой сдвижкой δ₁ и углом образующей конуса проточной части лопаточной машины по периферии (α) существует зависимость Δ₁= δ₁•tgα. Для уменьшения величины осевой сдвижки ротора δ₁ относительно статора и увеличения диапазона регулирования радиального зазора Δ₁ угол α выполнен острым, максимально большим, что обеспечивается профилировкой проточной части лопаточной машины.

Размер радиального зазора Δ₃ между рабочей поверхностью выступа наружного кольца подшипника и неподвижной опорой выбран в интервале 0,1 - 0,4 мм исходя из следующих соображений: при Δ₃ < 0,1 мм масло не сможет поступать в зазор, а при Δ₃ > 0,4 мм наблюдается возрастание амплитуды колебаний ротора при запуске и выбеге.

Полость радиального зазора соединена с полостью опоры сливными отверстиями, обеспечивающими прокачку масла и исключающими перегрев масла в зазоре Δ₃.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид ГТД.

На фиг. 2 показан элемент I с фиг. 1 - ротора вентилятора с подпорными ступенями и радиально-упорным подшипником. На фиг. 3 показан элемент II с фиг. 2 - радиально-упорный подшипник вентилятора при работе на экономичном режиме, на фиг. 4 показан элемент II с фиг. 2 - при работе на нерасчетном режиме. На фиг. 5 изображен элемент III с фиг. 1 - турбина низкого давления с системой активного управления осевыми и радиальными зазорами.

Газотурбинный двигатель 1 состоит из статора 2 и ротора 3 и низкого 4 давлений. Ротор 4 состоит из рабочего колеса вентилятора 5, ротора подпорных ступеней 6 и ротора турбины низкого давления 7, соединенных между собой с помощью вала 8. Ротор 4 с валом 8 установлен в шариковом радиально-упорном подшипнике 9, воспринимающем осевые усилия, действующие на ротор, и вес части ротора, а также двух роликовых подшипниках 10, воспринимающих только вес ротора 4. Роликовые подшипники 10 не имеют буртиков на наружном кольце подшипника и позволяют ротору перемещаться относительно статора. Радиально-упорный подшипник 9 имеет наружное кольцо, выполненное в виде поршня с уплотнительными кольцами 12 по цилиндрическим выступам этого кольца. Радиальный зазор между рабочими поверхностями выступа 13 и неподвижной опорой 14 составляет 0,1 - 0,4 мм. Причем осевая длина рабочей поверхности не менее ширины внутреннего кольца подшипника 9.

Между кольцом 11 и опорой 14 с одной стороны имеется полость, в которую через трубу 15 поступает рабочая жидкость от маслонасоса ГТД с высоким давлением ΔP = 30 - 40 кг/см². Полость A уплотнена от утечек масла с помощью резиновых колец 12. В выступе 13 имеется отверстие 16, соединяющее демпфирующую полость высокого давления Б между выступом 13 и опорой 14 с полостью масляной опоры В низкого давления.

На опоре 14 установлен фланец 17, удерживающий пакет пластинчатых пружин 18, прижимающих кольцо 11 к опоре 14 при неработающем двигателе или на переходных режимах.

Кольцо 11 и фланец 17 имеют упорные торцы T₁ и T₂, по которым они контактируют при работе на длительном экономичном режиме и между которыми на нерабочих и переходных режимах образуется осевой зазор δ₁.
На кольце 11 и фланце 17 имеются шлицы 19, с помощью которых кольцо 11 фиксируется от проворачивания.

Между плотнительными элементами статора и ротора, т.е. между корпусом 20 вентилятора 5, существует радиальный зазор Δ₁.
Между корпусом 21 подпорных ступеней и законцовками рабочих лопаток ротора подпорных ступеней 6 существует радиальный зазор Δ₂. Между сотовым уплотнением 22 разрезного кольца 23 турбины 24 и гребешком 25 рабочей лопатки 26 ротора 7 турбины низкого давления существует осевой зазор δ₂.
Над наружным корпусом 27 турбины 24 установлены перфорированные трубы 28 подвода охлаждающего воздуха, через которые на корпус турбины 27 подается воздух для активного регулирования радиального зазора Δ₄ между гребешком 25 и сотовым уплотнением 23.

Газотурбинный двигатель содержит статор и ротор с радиально-упорным подшипником, наружное кольцо которого выполнено в виде поршня с возможностью осевого перемещения относительно статора и контактирующего с обеих сторон с активными силовыми элементами. Радиальный зазор между рабочими поверхностями кольца и опоры подшипника составляет 0,1-0,4 мм. Полость радиального зазора соединена с полостью опоры отверстиями. Такое выполнение двигателя позволяет регулировать радиальные и осевые зазоры с одновременным демпфированием колебаний. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий статор и ротор с радиально-упорным подшипником, отличающийся тем, что наружное кольцо радиально-упорного подшипника выполнено в виде поршня с возможностью осевого перемещения относительно статора и контактирующего с обеих сторон с активными силовыми элементами. 2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что радиальный зазор между рабочими поверхностями кольца и опоры подшипника составляет 0,1 - 0,4 мм. 3. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что полость радиального зазора соединена с полостью опоры отверстиями.