УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ВТУЛКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F01D11/02 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, в частности уплотнительным устройствам.

Известна уплотнительная втулка с двойным лабиринтом в турбине высокого давления газотурбинного двигателя Д-30 (1). Этот лабиринт отделяет воздушную полость высокого давления из-за компрессора высокого давления (КВД) от полости сброса в наружный контур. Он предназначен для пропуска небольшого количества охлаждающего воздуха, так как двигатель Д-30 относительно низкотемпературный и вторая рабочая лопатка его турбины является неохлаждаемой.

Известна также уплотнительная втулка с двойным лабиринтом в турбине высокого давления двигателя Д-30КУ/КП (2) с осевыми выступами без лабиринтных гребешков, в котором равномерно расположены наклонные каналы подвода охлаждающего воздуха. Лабиринт разделяет воздух, идущий на охлаждение I и II рабочих лопаток.

Однако данный лабиринт не обладает высокой надежностью в работе, т.к. не исключает термических напряжений и растрескивания, а также не обеспечивает очистку охлаждающего воздуха от загрязнений.

Наиболее близкой по конструкции к заявленному изобретению является уплотнительная втулка газотурбинного двигателя, содержащая осевые выступы с лабиринтными гребешками и равномерно расположенные каналы подвода воздуха (3).

Недостатком известной втулки также является недостаточно высокая надежность.

Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении надежности работы двигателя за счет снижения термических напряжений, исключения растрескивания и осуществления очистки охлаждающего воздуха.

Данная задача решается за счет того, что в уплотнительной втулке газотурбинного двигателя с осевыми выступами с лабиринтными гребешками и равномерно расположенными в нем каналами подвода охлаждающего воздуха, согласно изобретению отношение длины (L) входного отверстия канала к его ширине (b) равно 1-3, отношение величины перемычки (m) между соседними входными отверстиями к ширине (b) входного отверстия равно 0,6-1,1, а отношение минимальной длины каналы (n) к ширине входного отверстия канала (b) лежит в интервале 0,6-3.

Выполнение осевых выступов с лабиринтными гребешками вызвано необходимостью уменьшения утечек охлаждающего воздуха, вызывающих перегрев и термические напряжения в лабиринте.

Опытные данные подтверждают, что в случае, когда отношение длины входного отверстия канала (L) к его ширине (b) меньше 1, будет наблюдаться увеличение гидравлического сопротивления канала. При L/b > 3 из-за термических напряжений появляются трещины на гребешках лабиринта, кроме того, ухудшается очистка от загрязнения.

Соотношение m/b должно укладываться в интервал 0,6-1,1 исходя из следующих опытных данных. При m/b > 1,1 имеют место высокие термические напряжения на гребешках лабиринта и гидравлическое сопротивление каналов подвода охлаждающего воздуха выше допустимой величины. При m/b < 0,6 наблюдается растрескивание перемычек из-за термических напряжений.

Снижение соотношения n/b ниже 0,6 приводит к уменьшению несущей способности перемычки между каналами, характеризующейся минимальной длиной канала (n), что приводит к ее поломке. Кроме того, ухудшается очистка воздуха от загрязнений.

Если отношение n/b > 3, будет наблюдаться увеличение гидравлического сопротивления каналов выше допустимой величины.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.

На фиг. 1 показан продольный разрез турбины высокого давления газотурбинного двигателя; на фиг. 2 - элемент I по фиг. 1 в увеличенном виде; на фиг. 3 показан вид А по фиг. 2; на фиг. 4 - сечение Е-Е по фиг. 3, на котором показаны:
c - абсолютная скорость воздуха и загрязняющей частицы в полости B,
u - окружная скорость вращения лабиринта,
w - относительная скорость воздуха и загрязняющей частицы.

Турбина ГТД состоит из статора 1, на котором с помощью роликового подшипника 2 крепится ротор турбины 3, состоящий из вала 4, рабочего колеса I ступени 5 и рабочего колеса II ступени 6. Перед рабочим колесом 5 на валу 4 закреплена уплотнительная втулка 7 с двойным лабиринтом, который отделяет полость подвода воздуха высокого давления Б от полости В подвода воздуха пониженного давления, а полость В отделяет от полости сброса Г с низким давлением. Разделение полостей с разным давлением осуществляется с помощью осевых выступов 8 и 9 лабиринта с лабиринтными гребешками 10 и 11, работающими по сотовым фланцам 12 и 13, зафиксированными на статоре 1.

Уплотнительная втулка 7 содержит наклонные каналы 14, по которым охлаждающий воздух пониженного давления перетекает из полости В в полость Д для охлаждения ротора турбины и рабочего колеса II ступени. Между каналами 14 во втулке 7 имеются перемычки 15, (ширина которых обозначена m), которые связывают между собой выступы 8 и 9. Наклонные каналы 14 с минимальной длиной n имеют входное отверстие, имеющее длину L и ширину b. Позицией 16 показана загрязняющая частица, попавшая в канал 14 вместе с охлаждающим воздухом и расположенная на боковой поверхности 17 перемычки 15.

Устройство работает следующим образом.

При работе двигателя уплотнительная втулка 7 вращается совместно с рабочими колесами 5 и 6. В полость Б подается охлаждающий воздух повышенного давления из-за компрессора с высокой температурой. В полость В подается охлаждающий воздух пониженного давления из-за промежуточной ступени компрессора, имеющий температуру ниже температуры воздуха в полости Б.

Из полости В воздух по каналам 14 поступает в полость Д, давление в которой ниже, чем в полости В, и далее - на охлаждение ротора и II-го рабочего колеса 6. Из полости Б повышенного давления часть воздуха перетекает через лабиринтное уплотнение в полость В пониженного давления, разогревая выступ 8 двойного лабиринта.

Из полости В часть воздуха пониженного давления перетекает через лабиринт в полость сброса Г, причем перетекание осуществляется неравномерно: в местах напротив перемычек 15 - больше, а в местах напротив каналов - меньше, так как против каналов местное давление в полости В несколько ниже из-за отсоса в полость Д, что вызывает появление термических напряжений. Выполнение лабиринта согласно формуле изобретения позволяет свести к минимуму термические напряжения в лабиринте и исключить его поломку.

Очистка охлаждающего воздуха происходит следующим образом.

Как показано на треугольнике скоростей (фиг. 4), загрязняющая частица 16, попадая по треугольнику скоростей на боковую поверхность 17 перемычки 15, попадая в поле действия центробежных сил вращающейся уплотнительной втулки 7, отбрасывается на периферию и сбрасывается в полость низкого давления Г, тем самым предотвращая загрязнение внутренних полостей ротора турбины и перегрев деталей ротора.

Источники информации
1. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30 II серии. Техническое описание. - М.: Машиностроение, 1973, с. 58, рис. 62, 59.

2. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30 КУ. Техническое описание. - М.: Машиностроение, 1975, с. 64, рис. 78, 75.

3. Патент США 5333993, F 01 D 11/02, 1984, фиг. 3.

Уплотнительная втулка газотурбинного двигателя содержит осевые выступы с лабиринтными гребешками и равномерно расположенные каналы подвода охлаждающего воздуха. Отношение длины (L) входного отверстия канала к его ширине (b) равно 1-3. Отношение величины перемычки (m) между соседними входными отверстиями к ширине входного отверстия (b) равно 0,6-1,1. Отношение минимальной длины канала (n) к ширине входного отверстия канала (b) лежит в интервале 0,6-3. Такое выполнение втулки приводит к повышению надежности в работе двигателя за счет снижения термических напряжений, исключения растрескивания и осуществления очистки охлаждающего воздуха. 4 ил.

Уплотнительная втулка газотурбинного двигателя, содержащая осевые выступы с лабиринтными гребешками и равномерно расположенные каналы подвода охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что отношение длины L входного отверстия канала к его ширине b равно 1 - 3, отношение величины перемычки m между соседними входными отверстиями к ширине b входного отверстия равно 0,6 - 1,1 и отношение минимальной длины n канала к ширине b его входного отверстия - 0,6 - 3.