ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F01D11/02 

Изобретение относится к области турбостроения и авиадвигателестроения, а именно к устройствам радиальных лабиринтных уплотнений турбины или компрессора, отделяющих думисные (разгрузочные) полости от других полостей в турбомашинах и в авиационных газотурбинных двигателях.

Известно уплотнительное устройство за компрессором турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащее лабиринт, соединенный с валом компрессора, обод которого закреплен на диске, снабженный уплотнительными гребешками, и ответные им уплотнительные элементы, выполненные на сегментном кольце, закрепленном фланцем на спрямляющем аппарате компрессора с образованием разгрузочной полости, сообщенной с наружным контуром двигателя, на валу установлен подшипник, опора которого снабжена диафрагмой, закрепленной на спрямляющем аппарате. Известное устройство снабжено дефлектором с опорным буртиком, закрепленным на сегментном кольце, опорный буртик контактирует с опорным выступом диафрагмы с образованием промежуточной герметичной полости, сообщенной с щелеобразной полостью, образованной между дефлектором и обращенной к нему поверхностью кольца, причем промежуточная полость сообщена с полостью компрессора низкого давления, а участок сегментного кольца между уплотнительными элементами и фланцем его крепления выполнен цилиндрическим и упругим (RU, патент 2036312, F 01 D 11/02, 1995 г.).

Недостатком известного устройства является увеличение радиальных зазоров лабиринтного уплотнения на нестационарных режимах вследствие различных градиентов температуры, воздействующих на массивные детали ротора и тонкостенные детали статора. Это снижает КПД лабиринтного уплотнения и двигателя, увеличивает расход охлаждающего воздуха, увеличивает осевую нагрузку компрессора или турбины, а также не обеспечивает стабильности осевой нагрузки компрессора или турбины на конкретном режиме.

Известен газотурбинный двигатель, включающий камеру сгорания, турбину и компрессор с многоярусным лабиринтным уплотнением и кольцевой полостью между соседними ярусами уплотнения, при этом кольцевая полость на входе соединена с проточной частью компрессора через верхний ярус уплотнения, а на выходе соединена с сообщающейся через жиклер системой подвода воздуха, причем перед жиклером установлен регулятор давления воздуха (RU, патент № 2134808, F 02 C 7/28, F 01 D 11/02, 1999 г.).

Недостатком известной конструкции двигателя является усложнение его конструкции для стабилизации осевых усилий на компрессоре или турбине, преимущественно на нестационарных режимах. Также недостатком является трудность обеспечения стабильности осевой нагрузки на переходных режимах вследствие большого числа параметров для системы регулирования осевой нагрузки компрессора или турбины, а также вследствие трудности определения градиентов температуры, воздействующих на массивные детали ротора и тонкостенные детали статора на нестационарных режимах.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий осевой турбокомпрессор с радиальными лабиринтными уплотнениями между полостями турбины, выполненными на роторе и статоре турбины, причем на роторе содержится ряд прямых и обратных радиальных зубьев, вершины которых противоположно направлены относительно кольцевых полок на статоре, а уплотнениями прямых и обратных радиальных зубьев образована тупиковая полость, отделяющая зубьями трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбин (Газотурбинный двигатель RB 211 DLE, проспект фирмы ROLLS - ROYCE INDUSTEIAL MARINE GAS TURBINES LIMITED, 2577740, REGISTERED IN EUGLAND. Июнь 1994 г.).

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности стабилизации осевой нагрузки, преимущественно, на нестационарных режимах. Так, например, прямые и обратные зубья, выполненные за одно целое с диском турбины, трудно контролировать по прогреву, т.к. они не отделены буферной полостью от сотовых уплотнений на горячей части статора камеры сгорания, что не обеспечивает стабильности давления в разгрузочной (думисной) полости турбины на конкретном режиме. Также недостатком является то, что в случае разрушения наружного обода лабиринта горячие газы турбины могут проникать внутрь ротора. При этом произойдет разогрев полотна и ступицы лабиринта, а также дисков турбины с нелокализованными последствиями.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является газотурбинный двигатель, содержащий осевой турбокомпрессор с радиальными лабиринтными уплотнениями между полостями турбины или компрессора, выполненными на роторе и статоре турбины или компрессора в виде лабиринтных колец, на каждом из которых содержится, по меньшей мере, по одному прямому и обратному радиальному зубу, вершины которых противоположно направлены относительно соответствующих кольцевых полок на статоре или роторе, а уплотнениями прямого и обратного радиальных зубьев образована тупиковая полость, отделяющая зубьями трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора (RU, патент № 2186233, F 02 C 7/28, 2002 г. - прототип).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является возможность повреждения сотовых уплотнений дополнительных полок обратными радиальными зубьями. Это объясняется тем, что при работе двигателя на нестационарных режимах происходит увеличение радиальных зазоров между зубьями и их ответными полками соответственно. Одновременно с этим радиальный зазор между обратными зубьями и дополнительной полкой уменьшается на эту же величину. Для предупреждения повреждения сотовых уплотнений приходится устанавливать повышенные зазоры по обратным зубьям лабиринтного уплотнения, что снижает КПД двигателя из-за повышенных утечек и расходов охлаждающего воздуха. Также недостатком конструкции является то, что в случае разрушения наружного кольца лабиринта горячие газы турбины могут проникнуть внутрь ротора, что приведет к разогреву полотна и ступицы лабиринта, а также дисков турбины и к их разрушению с нелокализованными последствиями. В известной конструкции не используется возможность консольного (упругого) размещения элементов статора с регулируемой жесткостью, дополнительной буферной полости в лабиринтном уплотнении, а также возможность пассивного регулирования давлений в тупиковой и буферной полости дроссельными отверстиями в тупиковой полости.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в стабилизации осевых нагрузок турбокомпрессора на нестационарных режимах путем оптимизации давлений воздуха в думисной, тупиковой и буферной полостях компрессора, передней или задней полостях турбины, в повышении экономичности работы двигателя на нестационарных режимах за счет пассивного регулирования и уменьшения радиальных зазоров в прямых, обратных и дополнительных радиальных зубьях, дроссельными отверстиями в кольцах радиальных лабиринтных уплотнений, консольно-упругим расположением статорных колец лабиринтного уплотнения, а также буферной полостью лабиринтных колец. Также техническая задача заключается в повышении надежности лабиринтных уплотнений за счет более низких температур и напряжений, а также удержания локализованных частей лабиринтных колец в случае их разрушения статорными кольцевыми полками.

Сущность технического решения заключается в том, что в газотурбинном двигателе, содержащем осевой турбокомпрессор с радиальными лабиринтными уплотнениями между полостями турбины или компрессора, выполненными на роторе и статоре турбины или компрессора в виде лабиринтных колец, на каждом из которых содержится, по меньшей мере, по одному прямому и обратному радиальному зубу, вершины которых противоположно направлены относительно кольцевых полок на статоре или роторе, а уплотнениями прямого и обратного радиальных зубьев образована тупиковая полость, отделяющая трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора, согласно изобретению по меньшей мере одно лабиринтное кольцо радиального уплотнения снабжено дополнительной наружной или внутренней полками, а на одной из этих полок выполнен, по меньшей мере, один дополнительный радиальный зуб, противоположно направленный относительно прямого или, соответственно, обратного радиального зуба на другой полке лабиринтного кольца, и снабжено дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке для дополнительного радиального зуба, при этом дополнительным радиальным зубом и дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке, а также прямым или обратным радиальным зубом на одной из полок лабиринтного кольца образована буферная полость, отделяющая трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора. По меньшей мере, одно радиальное лабиринтное уплотнение снабжено буферным кольцом с дополнительным радиальным зубом и дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке для дополнительного радиального зуба. Буферная полость расположена на радиальном удалении от тупиковой полости турбины или компрессора, при этом в лабиринтном кольце ротора турбины или компрессора выполнены дроссельные отверстия, сообщающие буферную полость с трактовой полостью турбины или компрессора.

Выполнение газотурбинного двигателя таким образом, что, по меньшей мере, одно лабиринтное кольцо радиального уплотнения снабжено дополнительной наружной или внутренней полками, а на одной из этих полок выполнен, по меньшей мере, один дополнительный радиальный зуб, противоположно направленный относительно прямого или, соответственно, обратного радиального зуба на другой полке лабиринтного кольца, и снабжено дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке для дополнительного радиального зуба, при этом дополнительным радиальным зубом и дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке, а также прямым или обратным радиальным зубом на одной из полок лабиринтного кольца образована буферная полость, отделяющая трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора, обеспечивает минимизацию радиальных зазоров в прямых, обратных и дополнительных радиальных зубьях, а также стабилизацию осевых нагрузок турбокомпрессора на нестационарных режимах. Это обеспечивается пассивным регулированием давлений воздуха в думисной и тупиковой полостях турбины, буферной полостью лабиринтных колец, консольно-упругим расположением статорных колец лабиринтного уплотнения, а также дроссельными отверстиями в кольцах радиальных лабиринтных уплотнений. Кроме того, такое выполнение лабиринтного уплотнения повышает надежность газотурбинного двигателя за счет исключения проникновения газов турбинного тракта внутрь ротора при разрушении наружного лабиринтного кольца и нелокализованного разрушения двигателя.

Выполнение, по меньшей мере, одного радиального лабиринтного уплотнения таким образом, что оно снабжено буферным кольцом с дополнительным радиальным зубом и дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке для дополнительного радиального зуба, предназначено для компрессоров и низкотемпературных турбин, дополнительно уменьшает проникновение сжатого воздуха из думисной полости и определяется прочностью сотового наполнителя, контактирующего с обратными зубьями, при этом окружные скорости кольцевых полок не должны превышать 20...30 м/с (5000...7000 об/мин).

Выполнение радиального лабиринтного уплотнения таким образом, что буферная полость расположена на радиальном удалении от тупиковой полости турбины или компрессора, при этом в лабиринтном кольце ротора турбины или компрессора выполнены дроссельные отверстия, сообщающие буферную полость с трактовой полостью турбины или компрессора, повышает его надежность за счет исключения проникновения трактового газа внутрь ротора при разрушении наружного кольца лабиринта и нелокализованного разрушения двигателя.

На фиг.1 изображен газотурбинный двигатель с осевым турбокомпрессором и силовой (свободной) турбиной для привода полезной нагрузки.

На фиг.2 - элемент А на фиг.1 силовой (свободной) турбины.

На фиг.3 - элемент лабиринтного уплотнения турбины с лабиринтным зубчатым кольцом, закрепленным на роторе.

На фиг.4 - вариант элемента радиального лабиринтного уплотнения турбины с лабиринтным зубчатым кольцом, закрепленным на роторе.

На фиг.5 - элемент радиального лабиринтного уплотнения турбины с лабиринтным сотовым кольцом, закрепленным на роторе.

На фиг.6 - вариант элемента радиального лабиринтного уплотнения турбины с лабиринтным сотовым кольцом, закрепленным на роторе.

Газотурбинный двигатель содержит осевой турбокомпрессор 1 с радиальными лабиринтными уплотнениями 2 между полостями турбины 3, выполненными на роторе 4 и статоре 5 турбины 3, см. фиг.1, 2. Радиальное лабиринтное уплотнение 2 снабжено лабиринтным кольцом 6 с наружной кольцевой полкой 7 и внутренней кольцевой полкой 8, а на наружной кольцевой полке 7 выполнен ряд дополнительных радиальных зубьев 9, противоположно направленных относительно ряда прямых радиальных зубьев 10 на другой полке 8 этого лабиринтного кольца 6, и снабжено дополнительным уплотнением 11 на ответной кольцевой полке 12 для дополнительных радиальных зубьев 9. Дополнительными радиальными зубьями 9 на наружной кольцевой полке 7 и дополнительным уплотнением 11 на его ответной кольцевой полке 12, а также прямыми радиальными зубьями 10 на кольцевой полке 8 образована буферная полость 13, отделяющая трактовую полость 14 турбокомпрессора 1 от думисной полости 15 турбины 3. Тупиковая полость 16 лабиринтного уплотнения образована прямыми радиальными зубьями 10 и обратными радиальными зубьями 17 на кольцевой полке 8 и отделяет трактовую полость 14 турбокомпрессора 1 от думисной полости 15 турбины 3. Внутреннее буферное (статорное) кольцо 18 выполнено с уплотнением 19, см. фиг.3.

Вариант лабиринтного уплотнения изображен на фиг.4, где дополнительными радиальными зубьями 20 на внутренней кольцевой полке 8 и дополнительным уплотнением 21 на его ответной кольцевой полке 22, а также обратными радиальными зубьями 23 на его наружной кольцевой полке 7 образована буферная полость13, отделяющая трактовую полость 14 турбокомпрессора 11 от думисной полости 15 турбины. Тупиковая полость 16 образована наружным статорным кольцом 24, см. фиг.4.

На фиг.5 изображен другой вариант лабиринтного уплотнения, где радиальное лабиринтное уплотнение 2 может быть снабжено буферным (статорным) кольцом 25 с дополнительными радиальными зубьями 26 и дополнительным уплотнением 27 на его ответной кольцевой полке 7 для дополнительных радиальных зубьев 26. Тупиковая полость 16 образована внутренним статорным кольцом 28.

Радиальное лабиринтное уплотнение 2 может быть снабжено буферным (статорным) кольцом 29 с дополнительными обратными радиальными зубьями 30 и дополнительным уплотнением 31 на его ответной кольцевой полке 8 для дополнительных радиальных зубьев 30. Тупиковая полость 16 образована наружным статорным кольцом 32 (см.фиг.6).

При работе двигателя на нестационарных режимах происходит увеличение радиальных зазоров между зубьями 10 и уплотнением на ответной кольцевой полке 12, см. фиг.3. Одновременно с этим радиальные зазоры между обратными зубьями 9 на наружной кольцевой полке 7, а также между обратными радиальными зубьями 17 на внутренней кольцевой полке 8 уменьшаются на определенную величину. Воздух из буферной полости 13 направляется на охлаждение роторных лопаток турбины под действием утечек и перепада давлений из тупиковой полости 16. Под действием центробежных сил происходит радиальное увеличение уплотняющих гребешков лабиринтного кольца 6 по зубьям 9, 10, 17. В то же время в думисную полость 15 поступает сжатый воздух из определенной ступени осевого компрессора, который в определенной степени упруго деформирует внутреннее буферное кольцо 18 и наружное кольцо 12 (утечками воздуха). Постоянство утечек до прогрева статора турбины 5 обеспечивается дросселированием через ряд отверстий 33 в лабиринтном кольце 6, что стабилизирует давление в думисной полости 15, в данном случае нагрузочной полости 15, обеспечивая разгрузку ротора 4 на нестационарных режимах и стабилизацию осевой нагрузки на радиальном подшипнике силовой (свободной) турбины. В лабиринтном уплотнении стремятся обеспечить минимизацию радиальных зазоров между зубьями 9, 10, 17 и уплотнениями 11, 19 при сборке и на нестационарных режимах работы. При этом зазоры между прямыми зубьями 10 и кольцевой полкой 12 уменьшаются более существенно, чем на обратных зубьях 9, 17, например при запуске двигателя, что может вызвать разрушение гребешков прямых зубьев 10 при их касании уплотнения на кольцевой полке 12, а иногда и разрушение кольцевой полки 8. Горячие газы при этом не могут попасть внутрь думисной полости 15, к ротору 4 и его силовым частям и подшипникам, что исключает нелокализованное разрушение турбины. Лабиринтное кольцо 6 с полками 7, 8 позволяет организовать направленное движение охлаждающего потока воздуха внутри ротора, а также демпфирование и дросселирование сжатого думисного воздуха между тупиковой и буферной полостями на всех режимах работы двигателя.

Газотурбинный двигатель содержит осевой турбокомпрессор с радиальными лабиринтными уплотнениями между полостями турбины или компрессора, выполненными на роторе и статоре турбины или компрессора в виде лабиринтных колец, на каждом из которых содержится, по меньшей мере, по одному прямому и обратному радиальному зубу. Вершины зубьев противоположно направлены относительно кольцевых полок на статоре или роторе. Уплотнениями прямого и обратного радиальных зубьев образована тупиковая полость, отделяющая трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора. По меньшей мере, одно лабиринтное кольцо радиального уплотнения снабжено дополнительной наружной или внутренней полками. На одной из этих полок выполнен, по меньшей мере, один дополнительный радиальный зуб, противоположно направленный относительно прямого или, соответственно, обратного радиального зуба на другой полке лабиринтного кольца. Радиальное лабиринтное уплотнение снабжено дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке для дополнительного радиального зуба. Дополнительным радиальным зубом и дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке, а также прямым или обратным радиальным зубом на одной из полок лабиринтного кольца образована буферная полость, отделяющая трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора. Изобретение позволяет повысить надежность лабиринтных уплотнений, а также стабилизирует осевые нагрузки турбокомпрессора и повышает экономичность работы двигателя на нестационарных режимах. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий осевой турбокомпрессор с радиальными лабиринтными уплотнениями между полостями турбины или компрессора, выполненными на роторе и статоре турбины или компрессора в виде лабиринтных колец, на каждом из которых содержится, по меньшей мере, по одному прямому и обратному радиальному зубу, вершины которых противоположно направлены относительно кольцевых полок на статоре или роторе, а уплотнениями прямого и обратного радиальных зубьев образована тупиковая полость, отделяющая трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно лабиринтное кольцо радиального уплотнения снабжено дополнительной наружной или внутренней полками, а на одной из этих полок выполнен, по меньшей мере, один дополнительный радиальный зуб, противоположно направленный относительно прямого или соответственно обратного радиального зуба на другой полке лабиринтного кольца, и снабжено дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке для дополнительного радиального зуба, при этом дополнительным радиальным зубом и дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке, а также прямым или обратным радиальным зубом на одной из полок лабиринтного кольца образована буферная полость, отделяющая трактовую полость турбокомпрессора от думисной полости турбины или компрессора.2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно радиальное лабиринтное уплотнение снабжено буферным кольцом с дополнительным радиальным зубом и дополнительным уплотнением на его ответной кольцевой полке для дополнительного радиального зуба.3. Газотурбинный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что буферная полость расположена на радиальном удалении от тупиковой полости турбины или компрессора, при этом в лабиринтном кольце ротора турбины или компрессора выполнены дроссельные отверстия, сообщающие буферную полость с трактовой полостью турбины или компрессора.