УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F02C7/28 

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно - к лабиринтным устройствам, размещенным за компрессором газотурбинного двигателя.

Известно лабиринтное уплотнение радиального зазора турбомашины, содержащее расположенное на роторе кольцо с гребешками и охватывающее его сотовое кольцо [1].

Недостатком такого устройства является повышенный радиальный зазор в уплотнении.

Наиболее близким к заявляемому по конструкции является уплотнительное устройство за компрессором, которое содержит лабиринт, соединенный с валом и ответный лабиринту уплотнительный фланец с дефлектором со щелеобразной полостью между ними [2].

Такое устройство позволяет регулировать радиальный зазор на установившихся режимах работы двигателя, однако на переходных режимах, например при сбросе газа, возможно взаимное "врезание" лабиринта и фланца как результат разных темпов охлаждения массивного лабиринта и тонкостенного фланца лабиринта.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности за счет исключения "врезания" лабиринта во фланец, а также в повышении экономичности двигателя путем поддержания минимальных величин радиальных зазоров между лабиринтом и ответным его фланцем уплотнительного устройства на рабочих режимах газотурбинного двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в уплотнительном устройстве газотурбинного двигателя, содержащем лабиринт, а также ответный ему фланец и дефлектор, образующие между собой щелевую полость, согласно изобретению, со стороны щелевой полости на дефлекторе выполнено множество опорных выступов, а величина монтажных радиальных зазоров между опорными выступами дефлектора и фланцем установлена в интервале 0 - 5 δ₁, где δ₁ - радиальный зазор между лабиринтом и ответным ему фланцем. Кроме того, радиальные стенки фланца со стороны ротора компрессора выполнены теплоизолированными.

Выполнение множества опорных выступов на дефлекторе со стороны щелевой полости позволяет ограничить радиальное перемещение фланца относительно дефлектора, исключая вероятность "врезания" лабиринта во фланец или излишнее увеличение зазора δ₁.
Монтажные радиальные зазоры δ₂, δ₃, δ₄ и δ₅ между опорными выступами дефлектора и фланцем величиной 0 - 5 δ₁ (где δ₁ - радиальный зазор между лабиринтом и ответным ему фланцем) ограничивают радиальные перемещения фланца относительно дефлектора на переходных режимах и обеспечивают поддержание минимальных величин радиальных зазоров между лабиринтом и ответным ему фланцем уплотнительного устройства на рабочих режимах газотурбинного двигателя.

При монтажных радиальных зазорах δ₂, δ₃, δ₄, δ₅, меньших нуля, затрудняется сборка фланца лабиринта с дефлектором.

Согласно расчетно-экспериментальным данным в случае, когда величины этих зазоров больше 5 δ₁, дефлектор не будет контактировать по опорным выступам с фланцем лабиринта на переходных режимах, что приведет к увеличению радиальных зазоров и снижению эффективности работы двигателя.

На переходных режимах при работе "на упорах" по дефлектору, когда охлаждающий воздух в полость, в которой расположен дефлектор, не подается, уплотнительное устройство сохраняет минимальные радиальные зазоры между лабиринтом и ответным ему фланцем δ₁ на всех режимах работы, что обеспечивает высокую экономичность двигателя.

Теплоизоляция радиальных стенок фланца со стороны ротора компрессора позволяет увеличить время нагрева и охлаждения тонкостенного фланца со стороны потока горячего воздуха и замедлить скорость изменения величин радиальных зазоров.

На фиг. 1 показано заявляемое уплотнительное устройство; на Фиг. 2 - элемент I заявляемого устройства в увеличенном виде; на фиг. 3 показан вид А на фиг. 2; график изменения радиального зазора δ₁ в уплотнительном устройстве в зависимости от режима работы двигателя представлен на фиг. 4.

Заявляемое устройство включает вращающийся лабиринт 1, закрепленный на диске 2 последней ступени ротора компрессора с помощью байонетного замка 3, ответный лабиринту 1 неподвижный сотовый фланец 4 с дефлектором 5 с щелеобразной полостью 6 между ними. Фланец 4 через упругий цилиндрический элемент 7 закреплен болтами 8 к статору 9 двигателя. На входе в щелевую полость 6 выполнена кольцевая коллекторная полость 10, в которую охлаждающий воздух подается с помощью труб подвода воздуха 11.

На выходе щелевая полость 6 соединена с кольцевой полостью низкого давления 12, которая в свою очередь соединена с наружным контуром двигателя и с атмосферой.

Фланец лабиринта 4 содержит протяженные радиальные участки 13, которые обладают повышенной жесткостью и в основном определяют величину радиального зазора δ₁ между лабиринтом 1 и фланцем лабиринта 4, через который перетекает горячий воздух 14. Радиальные участки 13 фланца 4 имеют теплоизоляцию 15. На дефлекторе 5 со стороны щелевой полости 6 выполнено множество опорных выступов 16, между которыми расположены сопла 17.

Между выступами 16 дефлектора 5 и ответными им поверхностями на фланце 4 выполнены монтажные радиальные зазоры δ₂, δ₃, δ₄, δ₅, ограничивающие радиальное перемещение фланца 4 относительно дефлектора 5 на переходных режимах.

Работает уплотнительное устройство следующим образом.

После запуска двигателя на переходном режиме при выходе на взлетный режим горячий воздух 14 стремится перетекать через уплотнительное устройство, одновременно нагревая лабиринт 1 и ответный ему фланец 4. Более тонкостенный фланец 4 прогревается быстрее, что приводит к увеличению радиального зазора δ₁ по лабиринту и ведет к снижению тяги двигателя на взлете. Теплоизоляция 15 на радиальных участках 13 фланца 4 уменьшает темп нагрева фланца 4.

Увеличение зазора δ₁ ограничено зазорами δ₃ и δ₅ между опорными выступами 16 и ответными поверхностями фланца 4, т.к. на переходных режимах воздух в щелевую полость 6 не подается, и она является непроточной. По этой причине темп изменения температуры дефлектора 5 существенно ниже, чем у фланца 4 и приближается по темпу нагрева лабиринта 1.

После того, как по опорным выступам 16 дефлектор 5 коснется лабиринта 4б будет наблюдаться дальнейшее незначительное увеличение величины радиального зазора δ₁, т. к. дефлектор 5 медленно изменяет свою температуру, т.е. темп увеличения величины зазора δ₁ резко замедляется.

При выходе двигателя на стационарный режим ("малый газ") в щелевую полость 6 подается охлаждающий воздух, что приводит к снижению величины радиального зазора δ₁ до околонулевых величин.

При сбросе газа (переходный режим) тонкостенный фланец 4 охлаждается быстрее лабиринта 1 при перетекании воздуха 14, при этом фланец 4 будет перемещаться в радиальном направлении, стремясь уменьшить радиальный зазор δ₁ до величин, меньших нуля, что может привести к износу лабиринтного уплотнения или к его заклиниванию. Но зазоры δ₂ и δ₄ препятствуют уменьшению величины зазора δ₁ меньше нуля. На этом режиме охлаждающий воздух в щелевую полость 6 не подается, поэтому темп охлаждения дефлектора 5 будет существенно ниже, чем у фланца лабиринта 4. После касания опорными выступами 16 дефлектора 5 фланцем 4 дальнейшее уменьшение радиального зазора δ₁ на режиме сброса газа резко замедляется.

Охлаждающий воздух, подаваемый в щелевую полость 6 на основных режимах (взлет, крейсерский режим, "малый газ"), разгоняется в соплах 17 между выступами 16, интенсифицируя охлаждение радиальных участков фланца 4, определяющих величину радиального зазора δ₁, что позволяет сократить расход охлаждающего воздуха и повысить экономичность двигателя.

Источники информации
1. Патент РФ N 2039872, F 01 D 11/08, 1995 г.

2. Патент РФ N 2036312, F 01 D 1 1/02, 1995 г.

Уплотнительное устройство предназначено для газотурбинного двигателя. В уплотнительном устройстве газотурбинного двигателя, содержащем лабиринт, а также ответный фланец и дефлектор, образующие между собой щелевую полость, согласно изобретению со стороны щелевой полости на дефлекторе выполнено множество опорных выступов, а величина монтажных радиальных зазоров между опорными выступами дефлектора и фланцем установлена в интервале 0 - 5δ_1, где δ₁- радиальный зазор между лабиринтом и ответным ему фланцем. Кроме того, радиальные стенки фланца со стороны ротора компрессора выполнены теплоизолированными. Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности за счет исключения "врезания" лабиринта во фланец, а также в повышении экономичности двигателя путем поддержания минимальных величин радиальных зазоров между лабиринтом и ответным его фланцем уплотнительного устройства на рабочих режимах газотурбинного двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Уплотнительное устройство газотурбинного двигателя, содержащее лабиринт, а также ответный ему фланец и дефлектор, образующие между собой щелевую полость, отличающееся тем, что со стороны щелевой полости на дефлекторе выполнено множество опорных выступов, а величина монтажных радиальных зазоров между опорными выступами дефлектора и фланцем установлена в интервале 0 - 5 δ_1, где δ₁- радиальный зазор между лабиринтом и ответным ему фланцем. 2. Уплотнительное устройство газотурбинного двигателя по п.1, отличающееся тем, что радиальные стенки фланца со стороны ротора компрессора выполнены теплоизолированными.