РОТОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F01D5/06 F01D11/00 

Изобретение относится к турбостроению, а более конкретно - к турбинам газотурбинных двигателей.

Известен ротор газотурбинного двигателя, содержащий кольцевое уплотнение в виде упругих нержавеющих разрезных колец, в котором сопротивление перетеканию жидкостей и газов осуществляется за счет прижатия уплотняющих элементов с определенным удельным давлением к подвижным и неподвижным деталям узла [1] .

Известная конструкция ротора позволяет выполнять уплотнение между вращающимися и невращающимися деталями, однако эффективность его невелика из-за малой упругости колец - усилие прижатия кольца к периферийной поверхности не превышает, как правило, нескольких килограммов. Для получения больших усилий необходимо увеличивать сечение кольца, что является неприемлемым из-за габаритно-массовых ограничений.

Наиболее близким к заявляемому является ротор газотурбинного двигателя, в котором уплотнение между деталями ротора осуществляется за счет осевого натяга, например, уплотнение между дефлектором диска II ступени и лабиринтом двигателя Д-30КУ/КП [2].

Известная конструкция отличается простотой, однако осевой натяг при длительной работе двигателя может исчезнуть из-за термофиксации деталей, и ротор потеряет свою герметичность. Потеря герметичности ротора, обтекаемого горючим газом, приводит к следующим недостаткам:
- в случае, если давление окружающего газа выше давления охлаждающего воздуха в роторе, газ прорывается в ротор и попадает в систему охлаждения рабочей лопатки, что может привести к ее обрыву и поломке двигателя;
- в случае, если давление окружающего газа ниже давления охлаждающего воздуха в роторе, воздух вытекает из ротора в месте неплотности, что приводит к уменьшению расхода охлаждающего воздуха на охлаждение рабочей лопатки, ее перегреву и дальнейшей поломке.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности ротора ГТД путем уплотнения радиального зазора между дефлектором и лабиринтом, а также в демпфировании колебаний дефлектора.

Сущность технического решения заключается в том, что в роторе газотурбинного двигателя, включающем в себя вал с лабиринтом и диски I и II ступени с закрепленным на диске II ступени дефлектором, согласно изобретению, в кольцевом пазу лабиринта между дефлектором и лабиринтом установлены разрезные вращающиеся кольца.

Установка разрезных вращающихся колец в кольцевом пазу лабиринта между дефлектором и лабиринтом позволяет под действием центробежных сил отслеживать радиальные и осевые перемещения, надежно уплотняя ротор высокотемпературной турбины на всех режимах работы двигателя, одновременно позволяя взаимно перемещаться деталям ротора турбины, в случае же колебаний дефлектора разрезные кольца гасят эти колебания, все это обеспечивает надежность ротора в целом.

На фиг. 1 изображен ротор ГТД.

На фиг. 2 - элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде.

На фиг. 3 - элемент II на фиг. 2 в увеличенном виде.

На фиг. 4 - вид А на фиг. 3 (вид на разрезные уплотняющие кольца).

Ротор 1 газотурбинного двигателя содержит вал 2, на котором закреплены: диск I ступени 3, диск II ступени 4, последний закреплен на своем фланце 5 с помощью гайки 6. На диске 4 с помощью болтов 7 закреплен дефлектор диска II ступени 8, а на валу 2 - лабиринт 9. Радиальный зазор δ между дефлектором 8 и лабиринтом 9 уплотняется с помощью разрезных вращающихся колец 10 и 11, которые расположены в кольцевом пазу 12 лабиринта 9. В междисковую полость 13 подается охлаждающий воздух, давление которого выше давления окружающего ротор газа.

Работает устройство следующим образом. После запуска двигателя разрезные кольца 10 и 11 под действием центробежных сил прижимаются к поверхности D ступицы дефлектора 8, уплотняя радиальный зазор δ. С повышением режима работы двигателя возрастает давление охлаждающего воздуха в междисковой полости 13, что может привести к увеличению утечек охлаждающего воздуха через разрезные кольца 10 и 11. Однако с повышением режима работы двигателя повышаются обороты ротора двигателя, что приводит к увеличению центробежных сил, с помощью которых разрезные кольца прижимаются к поверхности D, что улучшает работу уплотнения. Усилие прижатия колец к периферийной поверхности в таком устройстве ~ в 100 раз больше (из-за действия центробежных сил на кольца), чем усилие прижатия невращающегося кольца из-за сил упругости, т.е. достигает величины нескольких сотен килограммов, что и повышает эффективность уплотнения. Так как силы упругости в таком кольце составляют ~ 1% от центробежных сил, то кольца могут быть сделаны как упругими, так и неупругими. В процессе работы двигателя детали вращающегося ротора под действием различных приложенных нагрузок и различных температур взаимно перемещаются относительно друг друга, например, ступица диска под действием температур и центробежных сил перемещается относительно более холодного вала на 0,5 мм на радиус в радиальном направлении, ступица дефлектора диска II ступени относительно лабиринта, закрепленного на валу, перемещается на такую же величину. Разрезные вращающиеся кольца под действием центробежных сил отслеживают эти радиальные и осевые перемещения, уплотняя ротор высокотемпературной турбины на всех режимах работы двигателя, одновременно позволяя взаимно перемещаться деталям ротора турбины. Также для улучшения работы уплотнения и уменьшения утечек двойные разрезные вращающиеся кольца имеют разрезы шириной Δ , взаимно развернутые на 180^o.

Источники информации
1. Ю. М. Никитин. Конструирование элементов деталей и узлов авиационных двигателей. - М., 1961 г., стр. 99, 100, фиг. 4.43.

2. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30КУ. Техническое описание. М.: Машиностроение, 1975 г., с. 165, рис. 228.

Изобретение относится к трубостроению, а более конкретно - к турбинам газотурбинных двигателей (ГТД). Ротор ГТД включает в себя вал с лабиринтом и диски I и II ступени с закрепленным на диске II ступени дефлектором. В кольцевом пазу лабиринта между дефлектором и лабиринтом установлены разрезные вращающиеся кольца. Изобретение позволяет повысить надежность ротора ГТД путем уплотнения радиального зазора между дефлектором и лабиринтом. 4 ил.

Ротор газотурбинного двигателя, включающий в себя вал с лабиринтом и диски I и II ступени с закрепленным на диске II ступени дефлектором, отличающийся тем, что в кольцевом пазу лабиринта между дефлектором и лабиринтом установлены разрезные вращающиеся кольца.