ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F01D3/02 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а именно - к газотурбинным установкам наземного применения.

Известны "гибридные" газотурбинные установки, использующие конвертирование для применения в наземных условиях авиационные двигатели и специально спроектированные стационарные силовые турбины [1].

Недостатком такой конструкции является высокая стоимость газотурбинной установки, т.к. в ней используются авиационные двигатели, отработавшие летный ресурс, однако, силовую стационарную турбину необходимо изготавливать заново.

Известна также газотурбинная установка НК-12, созданная на базе турбовинтового авиационного двигателя НК-12 со свободной силовой турбиной, за которой размещена разгрузочная полость. Отбор полезной мощности от силовой турбины в ней осуществляется со стороны сопла, т.е. горячей части двигателя [2].

Недостатком известной конструкции является размещение подшипника в зоне воздействия горячих газов, а также появление сжимающих усилий, действующих на вал силовой турбины, что ведет к снижению ресурса подшипника и устойчивости вала ротора силовой турбины.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности установки за счет увеличения ресурса подшипника и устойчивости вала ротора силовой турбины путем компенсации осевых сил, действующих на подшипник, и размещения его вне зоны воздействия горячих газов, а также исключения сжимающих усилий, действующих на вал силовой турбины.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбирнной установке, содержащей входное устройство и силовую турбину с радиально-упорным подшипником, согласно изобретению подшипник размещен со стороны входного устройства, а перед ним расположена разгрузочная полость, образованная лабиринтным диском, закрепленным на валу, и статорным фланцем лабиринтного уплотнения.

Размещение подшипника со стороны входного устройства, внутри входной "улитки", т. е. вне зоны воздействия горячих газов, способствует повышению ресурса подшипника.

Величина осевой газовой силы, действующей на лабиринт в разгрузочной полости, не является стабильной и зависит от давления и размера радиального зазора в лабиринтном уплотнении этой полости, который может меняться в процессе работы двигателя из-за износа лабиринтного диска. Поэтому результирующая нагрузка, действующая на подшипник турбины, может быть направлена как в сторону сопла, так и в противоположную сторону.

Размещение разгрузочной полости с лабиринтным уплотнением, образованной закрепленным на валу лабиринтным диском и статорным фланцем, со стороны входного устройства турбины, перед подшипником позволяет минимизировать величину осевой силы, действующей на подшипник со стороны турбины низкого давления, что существенно увеличивает ресурс подшипника и его долговечность, которая пропорциональна величине этой силы в кубе.

Кроме того, такая конструктивная особенность позволяет работать валам силовой турбины только на растяжение. А в случае размещения разгрузочной полости за турбиной низкого давления вал работает также и на сжатие, что является в данной конструкции недопустимым. При работе на сжатие "длинный" вал теряет устойчивость.

Кроме всего прочего, устройство, приводимое в действие заявляемой установкой (электрогенератор или нагнетатель газоперекачки), размещено вне зоны воздействия горячих газов, и поэтому не требует дополнительной теплоизоляции, противопожарных перегородок и т.п., что повышает надежность установки в целом.

Использование в качестве "конвертируемых" авиационных двигателей высокой степени двухконтурности позволяет применять в качестве силовой свободной турбину низкого давления двухконтурного двигателя, а для отбора полезной мощности от этой турбины со стороны входа в двигатель - валы привода вентилятора двухконтурного двигателя от турбины низкого давления.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.

На фиг. 1 представлен разрез газотурбинной установки, на фиг. 2 - элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде, на фиг. 2 - элемент II на фиг. 1 в увеличенном виде.

Газотурбинная установка 1 состоит из входной улитки 2, входного корпуса 3, компрессора 4, камеры сгорания 5, двухступенчатой турбины высокого давления 6, четырехступенчатой силовой турбины низкого давления 7 и выходного сопла 8. Турбина низкого давления 7, являющаяся в данной схеме силовой и свободной, состоит из статора 9 и ротора 10, вал 11 которого опирается на радиальные роликовые подшипники 12, 13 и радиально-упорный шариковый подшипник 14, расположенный со стороны входного устройства в двигатель, внутри входной улитки 2. Разгрузочная полость 15 образована статорным фланцем 16 и лабиринтным диском 17, расположенным перед радиально-упорным подшипником 14. Труба 18 служит для подачи воздуха на наддув разгрузочной полости 15 из-за промежуточной ступени компрессора 4. К переднему хвостовику вала 11 крепится муфта 19 для передачи полезной мощности к потребителю - электрогенератору или к нагнетателю для перекачки газа. Лабиринтный диск 17 и статорный фланец 16 образуют лабиринтное уплотнение 20.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе установки 1 воздух всасывается через входную улитку 2 и входной корпус 3 и сжимается в компрессоре 4. В камере 5 сгорает топливо, и образовавшиеся газы расширяются в турбине высокого давления 6, которая вращает компрессор 4, и в силовой турбине 7, которая с помощью вала 11 и муфты 19 передает полезную мощность потребителю - на электрогенератор или нагнетатель газоперекачки.

На ротор 10 силовой турбины 7 действует газовая осевая сила F. В полость 15 по трубе 18 подается воздух повышенного давления из-за промежуточной ступени компрессора 4. При этом на лабиринтный диск 17 действует газовая осевая сила F₂, противоположная силе F₁. Радиально-упорный шариковый подшипник 14, находящийся внутри улитки 2, воспринимает разницу осевых сил ΔF = F₁ - F₂, причем величина ΔF может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от зазоров в лабиринтном уплотнении 20 и давления в разгрузочной полости 15.

Однако независимо от направления ΔF вал 11 силовой турбины 7 работает только на растяжение и никогда на сжатие.

Источники информации
1. Б. С. Ревзин. Газотурбинные газоперекачивающие установки, М.: Недра, 1986, стр. 135.

2. Б. С. Ревзин. Газотурбинные газоперекачивающие установки, М.: Недра, 1986, стр. 131.

Газотурбинная установка содержит входное устройство и силовую турбину с радиально-упорным подшипником. Подшипник размещен со стороны входного устройства, а перед ним расположена разгрузочная полость, образованная лабиринтным диском, закрепленным на валу, и статорным фланцем лабиринтного уплотнения. Изобретение позволяет повысить надежность установки за счет увеличения ресурса подшипника и устойчивости вала ротора силовой турбины путем компенсации осевых сил, действующих на подшипник, и размещения его вне зоны воздействия горячих газов, а также исключения сжимающих усилий, действующих на вал силовой турбины. 3 ил.

Газотурбинная установка, содержащая входное устройство и силовую турбину с радиально-упорным подшипником, отличающаяся тем, что подшипник размещен со стороны входного устройства, а перед ним расположена разгрузочная полость, образованная лабиринтным диском, закрепленным на валу, и статорным фланцем лабиринтного уплотнения.