ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F02C7/28 

Изобретение относится преимущественно к двухконтурным газотурбинным двигателям, а именно устройствам, организующим работу уплотнений, отделяющих думисные полости от других полостей, на нестационарных режимах.

Здесь и далее в тексте описания под нестационарным режимом мы понимаем работу двигателя на каком-то конкретном режиме с еще не установившимися параметрами. Связаны эти нестационарные режимы с инерционностью деталей и систем двигателя, например, радиальные зазоры между элементами статора и ротора меняются из-за того, что массивные детали ротора реагируют медленнее на изменение температуры чем более тонкостенные детали статора. Эти зазоры на постоянном режиме через какое-то время стабилизируются. В свою очередь под переменным режимом мы понимается режим перехода с одного конкретного режима на другой, например режим перехода двигателя с режима "малого газа" на "крейсерский" режим.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий осевой турбокомпрессор у которого думисная полость компрессора, заключенная между внутренним корпусом камеры сгорания и валом турбины, отделена от передней думисной полости турбины, заключенной между выходом соплового аппарата закрутки системы охлаждения диска турбины и рабочим колесом турбины, лабиринтным уплотнением, при этом думисная полость компрессора отделена от проточной части компрессора двухрядным радиальным лабиринтным уплотнением с радиальными зубьями на роторе и ответными полками на статоре компрессора, а передняя думисная полость турбины сообщена через кольцевой воздуховод с проточной частью турбины. [1]
Однако в таком двигателе на нестационарных режимах происходит раскрытие радиального лабиринтного уплотнения, отделяющего думисную полость компрессора от его проточной части, в результате увеличивается расход воздуха в думисную полость и повышается давление в ней. Это сразу ведет к увеличению осевой нагрузки компрессора и увеличению осевой нагрузки на радиально-упорный подшипник.

Известен также газотурбинный двигатель, содержащий осевой турбокомпрессор, у которого думисная полость компрессора, заключенная между внутренним корпусом камеры сгорания и валом турбины, отделена от передней думисной полости турбины, заключенной между выходом соплового аппарата закрутки системы охлаждения турбины и рабочим колесом турбины, лабиринтным уплотнением, при этом думисная полость компрессора отделена от проточной части компрессора радиальным лабиринтным уплотнением с радиальными зубьями и ответными полками, выполненными на роторе и статоре компрессора соответственно, а передняя думисная полость турбины сообщена через кольцевой воздуховод с проточной частью турбины [2]. Кроме того, передняя думисная полость турбины отделена лабиринтным уплотнением и кольцевым воздуховодом от проточной части турбины.

В этом двигателе при работе на нестационарном режиме радиальные лабиринтные уплотнения, отделяющие думисную полость компрессора и переднюю думисную полость турбины от их проточных частей, работают в нерасчетном режиме. Так, например, если переменный режим характеризуется переходом на более высокий режим работы двигателя, то нестационарный режим, следующий за ним, характеризуется раскрытием обоих лабиринтных уплотнений. Это приводит к повышению протечек по обеим уплотнениям. В результате этого в думисной полости компрессора давление повышается, а в передней думисной полости турбины падает, что ведет к увеличению осевой нагрузки компрессора и к уменьшению осевой нагрузки турбины. При этом их действие на радиально-упорный подшипник не компенсирует друг друга, а складывается в одном направлении, что ведет к его перегрузке и уменьшению ресурса работы. Кроме того, повышенные протечки воздуха увеличивают его забор из-за компрессора (в думисную полость компрессора) и из камеры сгорания (поперечный вдув в проточную часть турбины). Из-за этого падает мощность и экономичность турбины.

Задача изобретения - стабилизировать осевые нагрузки турбокомпрессора на нестационарных режимах путем стабилизации давлений воздуха в думисной полости компрессора и передней думисной полости турбины, дополнительной задачей изобретения является повышение экономичности работы двигателя на нестационарных режимах путем не только введением "обратного" зуба, но и путем сообщения передней думисной полости турбины напрямую непосредственно с ее проточной частью (за счет ликвидации уплотнения между передней думисной полостью турбины и ее проточной частью).

Указанные задачи достигаются тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем осевой турбокомпрессор, у которого думисная полость компрессора, заключенная между внутренним корпусом камеры сгорания и валом турбины, отделена от передней думисной полости турбины, заключенной между выходом соплового аппарата закрутки системы охлаждения турбины и рабочим колесом турбины, лабиринтным уплотнением, при этом думисная полость компрессора отделена от проточной части компрессора радиальным лабиринтным уплотнением с, по меньшей мере, одним радиальным зубом и ответной полкой, выполненными на роторе и статоре компрессора, а передняя думисная полость турбины сообщена через кольцевой воздуховод с проточной частью турбины, в нем, для двухконтурных газотурбинных двигателей, радиальное лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от его проточной части, снабжено, по меньшей мере, одним обратным радиальным зубом и ответной дополнительной полкой, при этом оба элемента статора радиального лабиринтного уплотнения соединены глухой радиальной стенкой с образованием полости, открытой в сторону элемента радиального лабиринтного уплотнения на роторе компрессора, думисная полость компрессора сообщена с воздушным трактом второго контура, а сообщение думисной полости турбины с проточной частью турбины выполнено непосредственным.

При этом в радиальном лабиринтном уплотнении, отделяющем думисную полость компрессора от его проточной части, прямой и обратный радиальные зубья могут быть выполнены
а) на роторе, а контактирующие с ними ответные полки - на статоре компрессора;
б) на статоре, а контактирующие с ними ответные полки - на роторе компрессора.

Лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от передней думисной полости турбины, может быть размещено в радиальном направлении между выходом аппарата закрутки и валом турбины.

Думисная полость компрессора может быть оснащена кольцевой диафрагмой, закрепленной на корпусе камеры сгорания и отделенной от вала турбины кольцевой щелью.

Новым в изобретении являются то, что для двухконтурную газотурбинных двигателей радиальное лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от его проточной части, снабжено, по меньшей мере, одним обратным радиальным зубом и ответной дополнительной полкой, при этом оба элемента статора радиального лабиринтного уплотнения соединены глухой радиальной стенкой с образованием полости, открытой в сторону элемента радиального лабиринтного уплотнения на роторе компрессора, думисная полость компрессора сообщена с воздушным трактом второго контура, а сообщение думисной полости турбины с проточной частью турбины выполнено непосредственным. При этом в радиальном лабиринтном уплотнении, отделяющем думисную полость компрессора от его проточной части, прямой и обратный радиальные зубья могут быть выполнены
а) на роторе, а контактирующие с ними ответные полки - на статоре компрессора;
б) на статоре, а контактирующие с ними ответные полки - на роторе компрессора.

Лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от передней думисной полости турбины, может быть размешено в радиальном направлении между выходом аппарата закрутки и валом турбины.

Думисная полость компрессора может быть оснащена кольцевой диафрагмой, закрепленной на корпусе камеры сгорания и отделенной от вала турбины кольцевой шелью.

Снабдив лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от его проточной части, по меньшей мере, одним обратным радиальным зубом и ответной дополнительной полкой и соединив при этом оба элемента статора радиального лабиринтного уплотнения глухой радиальной стенкой с образованием полости, открытой в сторону элемента радиального лабиринтного уплотнения на роторе компрессора, мы обеспечиваем постоянство протечек через уплотнение на всех режимах работы двигателя, включая нестационарные, это объясняется тем, что при взаимном радиальном перемещении зубьев и ответных полок статора и ротора увеличение, например, зазора между прямым зубом и ответной полкой сразу же приводит к такому же уменьшению зазора между обратным зубом и его дополнительной ответной полкой.

Глухая радиальная стенка заставляет работать обратный зуб совместно с прямым зубом. То есть увеличение проходной площади, определяющей протечки, на одном зубе уменьшает проходную площадь и протечки на другом зубе. Постоянство протечек на двух разнородных зубьях обеспечивает помимо хорошей экономичности двигателя еще и стабильность давления в думисной полости компрессора, что обеспечивает расчетные значения осевой нагрузки компрессора.

Образовав из передней думисной полости турбины и кольцевого воздуховода единую полость мы убрали верхний лабиринт думисной полости турбины, являвшийся элементом нестабильности на нестационарных режимах, так как из-за него давление в передней думисной полости турбины на заданном режиме могло быть переменным. Убрав элемент нестабильности, мы приближаем фактические нагрузки к расчетным значениям осевой нагрузки турбины.

Стабильность нагрузки компрессора в сочетании со стабильной нагрузкой турбины обеспечивает стабильность осевой нагрузки на радиально-упорный подшипник ротора.

Сообщив думисную полость компрессора с воздушным трактом наружного контура двухконтурного газотурбинного двигателя мы получаем возможность дополнительно изменять осевую нагрузку компрессора, что, в свою очередь, может облегчить ее согласование с осевой нагрузкой турбины еще на стадии проектирования.

В радиальном лабиринтном уплотнении, отделяющем думисную полость компрессора от его проточной части, прямой и обратный радиальные зубья, а также контактирующие с ними ответные полки могут быть выполнены как на роторе и статоре компрессора соответственно, так и наоборот на статоре и роторе компрессора соответственно. Причем вышеупомянутые эффекты от этого не зависят. И то или иное выполнение будет диктоваться исключительно конструкторскими или технологическими соображениями.

Разместив лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от передней думисной полости турбины, в радиальном направлении между выходом соплового аппарата закрутки и валом турбины мы получаем возможность изменять уровень осевых нагрузок турбины и компрессора и тем самым регулировать осевую нагрузку на радиально-упорный подшипник. Доводка двигателя в этом случае существенно облегчается.

Оснастив думисную полость компрессора кольцевой диафрагмой, закрепленной на корпусе камеры сгорания и отделенной от вала турбины кольцевой щелью, мы обеспечиваем направленное течение воздуха вдоль вала турбины, обеспечивая его надежное охлаждение при минимальных расходах охлаждающего воздуха.

На фиг.1 показан продольный разрез двигателя;
на фиг.2 показан продольный разрез турбокомпрессора;
на фиг.3 показан продольный разрез радиального лабиринтного уплотнения, отделяющего думисную полость компрессора от его проточной части, с зубьями размещенными на роторе;
на фиг.4 показан продольный разрез радиального лабиринтного уплотнения, отделяющего думисную полость компрессора от его проточной части, с зубьями размещенными на статоре.

Двухконтурную газотурбинный двигатель содержит осевой турбокомпрессор 1, у которого думисная полость 2 компрессора 3, заключенная между внутренним корпусом 4 камеры сгорания 5 и валом 6 турбины 7, отделена от передней думисной полости 8 турбины 7 лабиринтным уплотнением 9. Думисная полость 8 заключена между выходом 10 соплового аппарата закрутки и системы охлаждения 12 турбины 7 и рабочим колесом 13 турбины 7 и образует с кольцевым воздуховодом 14 единую полость, сообщенную через последний с проточной частью 15 турбины 7. Думисная полость 2 компрессора 3 отделена от проточной части 16 компрессора 3 радиальным лабиринтным уплотнением 17, в состав которого входят три радиальных зуба 16, 19 и 20 на роторе 21 и три ответных полки 22, 23 и 24 на статоре 25 компрессора 3. Кроме того, на роторе 21 выполнен один обратный радиальный зуб 26, а на статоре 25 - одна ответная дополнительная полка 27. Полки 24 и 27 соединены глухой радиальной стенкой 28 с образованием полости 29, открытой в сторону зубьев 20 и 26 на роторе 21 компрессора 3. Думисная полость 2 компрессора 3 сообщена воздуховодом 30 с воздушным трактом второго контура 31. Лабиринтное уплотнение 9 размешено в радиальном направлении между сопловым аппаратом закрутки 11 и валом 6 турбины 7. Думисная полость 2 компрессора 3 оснащена кольцевой диафрагмой 32, закрепленной на внутреннем корпусе 4 камеры сгорания 5 и отделенной от вала 6 кольцевой щелью 33.

Возможно выполнение радиального лабиринтного уплотнения 17, отделяющего думисную полость 2 компрессора 3 от его проточной части 16, в котором прямые 34, 35 и 36 и обратный 37 радиальные зубья будут выполнены на статоре 25, а контактирующие с ними ответные полки 36, 39, 40 и 41 - на роторе 21 компрессора 3. На статоре 25 имеется радиально-упорный подшипник 42 для восприятия осевой нагрузки от ротора 21 турбокомпрессора 1.

При работе двигателя на нестационарных режимах происходит увеличение радиальных зазоров между зубьями 18, 19 и 20 и их ответными полками 22, 23 и 24 соответственно. Одновременно с этим радиальный зазор между обратным зубом 26 и дополнительной обратной полкой 27 уменьшается на ту же величину, это значит, что увеличение проходной площади, определяющей протечки, на зубьях 18, 19 и 20 компенсируется уменьшением проходной площади и протечек на обратном зубе 26. Постоянство протечек на двух разнородных зубьях обеспечивает помимо хорошей экономичности двигателя еще и стабильность давления в думисной полости компрессора, что обеспечивает расчетные значения осевой нагрузки компрессора на нестационарных режимах. В это же самое время в переднюю думисную полость 8 турбины 7 из соплового аппарата закрутки 11 поступает охлаждающий воздух системы охлаждения 12 турбины 7. Далее этот воздух из передней думисной полости 8 одновременно поступает на охлаждение рабочего колеса 13, через кольцевой воздуховод 14 в проточную часть 15 турбины 7 и через лабиринтное уплотнение 9 в думисную полость 2 компрессора 3. Давление охлаждающего воздуха в единой полости, образуемой передней думисной полостью 8 и кольцевым воздуховодом 14, полностью определяется давлением газа в проточной части 15 турбины 7 и, таким образом, обеспечивается стабильность давления в ней на конкретном режиме. А это в свою очередь ведет к стабильности осевой нагрузки на этом режиме. Стабилизация осевых нагрузок на компрессоре 2 и турбине 7 приводит к стабилизации осевой нагрузки на радиально-упорный подшипник 42. При этом на сопловом аппарате закрутки 11 устанавливается постоянный перепад давления по охлаждающему воздуху, соответствующий конкретному режиму работы двигателя, что ведет к стабильности расхода охлаждающего воздуха. А так как этот воздух забирается из камеры сгорания 5, то мы на этом экономим охлаждающий воздух и направляем его на совершение работы в проточной части 15 турбины 7. Воздух из думисной полости 2 компрессора 3 выбрасывается через воздуховод 30 в воздушный тракт второго контура 31. За счет этого в думисной полости 2 устанавливается давление, близкое к давлению воздуха в воздушном тракте второго контура 31 на конкретном режиме работы двигателя. С учетом стабильности работы радиального лабиринтного уплотнения 17, определяющего уровень протечек через воздуховод 30, давление в думисной полости 2 будет оставаться неизменным для конкретного режима.

Источники информации
1. Патент Франции 2557207, МКИ F 02 С 7/12.

2. Патент США 5339622, НКИ 60-39.02, опубл. 1994 г., - прототип.

Изобретение предназначено для устройств, организующих работу уплотнений, отделяющих думисные полости от других полостей, на нестационарных режимах работы. При работе двигателя на нестационарных режимах происходит увеличение радиальных зазоров между зубьями и их ответными полками соответственно. Одновременно с этим радиальный зазор между обратным зубом и дополнительной обратной полкой уменьшается на ту же величину. Это значит, что увеличение проходной площади, определяющей протечки, на зубьях компенсируется уменьшением проходной площади и протечек на обратном зубе. С другой стороны, давление охлаждающего воздуха в единой полости, образуемой передней думисной полостью и кольцевым воздуховодом, полностью определяется давлением газа в проточной части турбины, что обеспечивает стабильность давления в ней на конкретном режиме. А это в свою очередь ведет к стабильности осевой нагрузки на этом режиме. Стабилизация осевых нагрузок на компрессоре и турбине приводит к стабилизации осевой нагрузки на радиально-упорный подшипник. При этом на аппарате закрутки устанавливается постоянный перепад давления по охлаждающему воздуху, соответствующий конкретному режиму работы двигателя, что ведет к стабильности расхода охлаждающего воздуха. Такое выполнение устройства позволяет стабилизировать осевые нагрузки турбокомпрессора на нестационарных режимах путем стабилизации давлений воздуха в думисной полости компрессора и передней думисной полости турбины при сохранении и даже некотором повышении экономичности работы двигателя на нестационарных режимах. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий осевой турбокомпрессор, у которого думисная полость компрессора, заключенная между внутренним корпусом камеры сгорания и валом турбины, отделена от передней думисной полости турбины, заключенной между выходом соплового аппарата закрутки системы охлаждения турбины и рабочим колесом турбины, лабиринтным уплотнением, при этом думисная полость компрессора отделена от проточной части компрессора радиальным лабиринтным уплотнением с, по меньшей мере, одним радиальным зубом и ответной полкой, выполненными на роторе и статоре компрессора, а передняя думисная полость турбины сообщена через кольцевой воздуховод с проточной частью турбины, отличающийся тем, что для двухконтурных газотурбинных двигателей радиальное лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от его проточной части, снабжено, по меньшей мере, одним обратным радиальным зубом и ответной дополнительной полкой, при этом оба элемента статора радиального лабиринтного уплотнения соединены глухой радиальной стенкой с образованием полости, открытой в сторону элемента радиального лабиринтного уплотнения на роторе компрессора, думисная полость компрессора сообщена с воздушным трактом второго контура, а думисная полость турбины образует с кольцевым воздуховодом единую полость. 2. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в радиальном лабиринтном уплотнении, отделяющем думисную полость компрессора от его проточной части, прямой и обратный радиальные зубья выполнены на роторе, а контактирующие с ними ответные полки - на статоре компрессора. 3. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в радиальном лабиринтном уплотнении, отделяющем думисную полость компрессора от его проточной части, прямой и обратный радиальные зубья выполнены на статоре, а контактирующие с ними ответные полки - на роторе компрессора. 4. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от передней думисной полости турбины, размещено в радиальном направлении между выходом соплового аппарата закрутки и валом турбины. 5. Газотурбинный двигатель по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что лабиринтное уплотнение, отделяющее думисную полость компрессора от передней думисной полости турбины, установлено на внутреннем корпусе камеры сгорания. 6. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что думисная полость компрессора оснащена кольцевой диафрагмой, закрепленной на корпусе камеры сгорания и отделенной от вала турбины кольцевой щелью.