СТАТОР ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F01D25/24 

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается, в частности, средства для регулирования зазора между вершиной подвижных лопаток турбины и картеров.

Общеизвестно, что газотурбинный двигатель содержит одно- или многоступенчатый компрессор, камеру сгорания и одну или несколько ступеней турбины. Компрессор, соединенный с турбиной, питает воздухом камеру сгорания, и получаемые горячие газы направляются на турбину для производства энергии. Роторы компрессора и турбины оборудованы по своей периферии лопатками, перемещающимися перпендикулярно к оси двигателя внутри неподвижных кольцевых деталей, образующих кольца уплотнения, с которыми они образуют рабочий зазор. Этот зазор должен быть достаточным, чтобы во время вращения подвижных деталей не возникало трения, но его необходимо контролировать, чтобы избежать отвода большого количества рабочей среды от активных поверхностей лопаток. Таким образом, для обеспечения максимальной производительности очень важно контролировать этот зазор.

Настоящее изобретение касается рабочего зазора ротора турбины и, в частности, ротора, расположенного непосредственно на выходе камеры сгорания. В многовальном двигателе, то есть содержащем два или несколько независимых валов, как правило, не более трех, речь идет о вале высокого давления.

Радиальные зазоры в вершине лопаток появляются вследствие различных радиальных термомеханических перемещений между роторами и статорами. На фиг.1 в осевом полуразрезе показан газотурбинный двигатель 1 на уровне турбины высокого давления. Ротор 3 турбины содержит диск 31, оборудованный лопатками 33, распределенными на его ободе, и установленный поперечно на центральном валу. Ротор расположен на выходе неподвижных направляющих аппаратов 5, сообщающихся с камерой 7 сгорания, при этом на фигуре показано только дно этой камеры. Картер 9 состоит из нескольких колец, соединенных при помощи фланцев. Различают картер 91 камеры сгорания и картер 93 турбины высокого давления. Оба картера крепятся при помощи фланцевого соединения 95. На картере установлены элементы камеры сгорания, передний 5 и задний 15 направляющие аппараты, а также кронштейн 11 уплотнительного кольца 13.

Таким образом, радиальный зазор между вершиной лопаток 33 и уплотнительным кольцом 11 является результирующей нескольких типов перемещений:

- тепловых перемещений в результате расширения материалов в зависимости от температурных колебаний,

- механических перемещений в результате изменения центробежных сил, действующих на вращающиеся детали, а также в результате колебаний давления.

Диски, лопатки и элементы статора подвергаются одновременно механическим и тепловым перемещениям.

Во время различных фаз работы двигателя в результате указанных перемещений, направление которых не всегда совпадает, зазор не остается постоянным. В частности, ротор и статор имеют неодинаковые амплитуды перемещения и неодинаковое время теплового реагирования.

На фиг.2 показано изменение перемещения соответственно ротора R и статора S в зависимости от изменения режима двигателя во времени. На графике видно, что переходное уменьшение А зазора больше, чем уменьшение В зазора, полученное после тепловой стабилизации. Под уменьшением зазора следует понимать измеренное перемещение ротора минус измеренное перемещение статора.

Известно применение устройств регулирования зазора, содержащих средства вентиляции, выполненные с возможностью контроля за тепловым расширением элементов, образующих этот зазор. Вентиляционный воздух отбирается от компрессора в одном или нескольких местах при контролируемом расходе. Такое устройство регулирования зазора устанавливают с целью максимального сокращения зазора в вершине лопаток турбины и повышения производительности двигателя. Как правило, оно управляется полностью автономным электронно-цифровым контроллером, который чаще всего обозначают термином FADEC, являющимся сокращением от Full Authority Digital Electronic Control. Это средство управляет температурой и расходом воздуха, направляемого на соответствующий элемент статора, таким образом, чтобы воздействовать на тепловое перемещение этого элемента.

В случае некоторых двигателей, например US 3986720, стремятся отказаться от использования этих средств активного регулирования зазора. В этом случае зазор в вершине лопаток регулируют таким образом, чтобы максимальный износ лопаток не превышал допустимого значения, влияющего на характеристики двигателя. Этот максимальный износ определяют в зависимости от максимального уменьшения зазора, наблюдаемого во время срока службы двигателя и зависящего от перемещений статора и ротора. Это максимальное уменьшение, как правило, наблюдают во время циклов, которые в данной области обозначают термином критическое повторное ускорение. Такой цикл состоит в снижении режима от стабилизированного рабочего режима полных оборотов до режима малых оборотов за короткий промежуток времени, затем в повторном ускорении до режима полных оборотов также за короткий промежуток времени.

Во время этого цикла уменьшение зазора является значительным по следующим причинам:

- при стабилизации ротора в режиме полных оборотов перемещения, связанные с тепловым расширением диска, происходят медленно, когда рабочий режим быстро меняют на режим малых оборотов, по причине большой массы этого ротора и связанного с ней большого времени теплового реагирования;

- имеющие меньшую массу элементы ротора, тоже стабилизированные на режиме полных оборотов, характеризуются более быстрым тепловым реагированием.

Если происходит резкое повторное ускорение до рабочего режима полных оборотов, ротор не успевает до этого стабилизироваться термически на режиме малых оборотов в силу более медленного теплового реагирования. Статор же, наоборот, успевает достигнуть условий работы в режиме малых оборотов. Отсюда следует, что в этот момент происходит уменьшение зазора и зазор в вершине лопатки сокращается.

В результате ускорения диск подвергается центробежному перемещению, что приводит к мгновенному чрезмерному уменьшению зазора. Это чрезмерное уменьшение приводит к износу деталей, так как вершина лопаток входит в контакт с уплотнительным кольцом.

Таким образом, отмечается, что чем быстрее происходит тепловое реагирование картера по сравнению с тепловым реагированием ротора, тем больше уменьшается зазор, и следовательно, тем больше износ в вершине лопаток во время повторного ускорения.

Задачей настоящего изобретения является решение указанной проблемы.

Задачей настоящего изобретения является также разработка технического решения, которое не требует внесения значительных изменений в существующую конструкцию и осуществление которого не требует больших затрат.

Согласно изобретению, статор турбины газотурбинного двигателя, содержащий картер турбины, уплотнительное кольцо турбины и кронштейн уплотнительного кольца, соединяющий уплотнительное кольцо с картером, отличается тем, что кронштейн оборудуют элементом, образующим тепловой экран, расположенный со стороны турбины.

Таким образом, решение состоит в увеличении времени теплового реагирования статора при помощи теплового экрана, который замедляет эффект влияния температуры потока горячих газов, выходящих из камеры сгорания. Это решение является особенно предпочтительным, так как оно оказалось очень эффективным. Кроме того, его можно реализовать при помощи относительно простых средств.

Так, согласно другому отличительному признаку, элемент, образующий тепловой экран, содержит лист, ограничивающий пространство вместе с поверхностью кронштейна. Предпочтительно, чтобы пространство являлось мертвым, то есть не обдуваемым газами. Согласно другому варианту выполнения пространство содержит теплоизоляционный материал.

Изобретение применяется, в частности, для статора, кронштейн которого с одной стороны содержит радиальный фланец крепления картера турбины и с другой стороны - средство для крепления элементов уплотнительного кольца. Предпочтительно, чтобы кронштейн образовывал кожух в основном в виде усеченного конуса и средство крепления элементов уплотнительного кольца содержало два радиальных фланца, сжимающих элементы уплотнительного кольца.

Предпочтительно также, чтобы элемент, образующий тепловой экран, содержал первый лист, закрепленный между двумя радиальными фланцами. Он содержит также второй лист, расположенный в осевом направлении между средством крепления элементов уплотнительного кольца и радиальным фланцем крепления кронштейна на картере.

Далее следует описание неограничительного варианта осуществления изобретения, приводимое со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает вид в осевом полуразрезе части газотурбинного двигателя, расположенной на уровне турбины высокого давления непосредственно на выходе камеры сгорания.

Фиг.2 - диаграмма перемещения D соответственно вершины лопаток ротора и элементов статора, образующих рабочий зазор.

Фиг.3 - увеличенный детальный вид картера турбины, содержащего элемент, образующий тепловой экран.

На фиг.3 в увеличенном виде показан монтаж уплотнительного кольца 13 в картере 9, включающий решение в соответствии с настоящим изобретением. Согласно представленному примеру, кронштейн 11 кольца выполнен, например, в виде металлического кожуха, такого как круглое кольцо, по существу имеющего форму усеченного конуса, ось которого совпадает с осью двигателя. В данном случае кронштейн выполнен в виде единой детали, однако его можно выполнить также из нескольких секторов кольца, соединенных между собой и образующих кольцевой узел. Кронштейн 11 содержит радиальные фланцы 11а и 11b для крепления элементов 13, образующих уплотнительное кольцо турбины высокого давления или ВД. Крепление в этом примере является креплением типа паз/шип. Для крепления в переднем направлении со стороны камеры сгорания заднюю часть элементов 13 выполняют таким образом, чтобы она образовала канавку 13а с устьем в осевом направлении, которая взаимодействует с осевым загибом 11b1 радиального фланца 11b. Крепление элементов 13 в заднем направлении тоже обеспечивается канавкой 13b, наружная ветвь которой опирается на осевой загиб 11a1 фланца 11а и удерживается в положении зажимами 17.

Лопатки 5 переднего направляющего аппарата крепятся к радиальному фланцу 11b при помощи болтов.

Сам кронштейн 11 устанавливают на картере 93 турбины при помощи поперечного радиального фланца 11с. Этот фланец вставляют во фланцевое соединение 95, соединяющее различные элементы картера 9. Кронштейн 11 не подвергается никакому активному регулированию зазора и не содержит для этого никаких средств вентиляции.

Согласно изобретению, на внутренней стороне кронштейна 11, то есть на стороне, обращенной к газовому тракту двигателя, устанавливают тепловой экран. Предпочтительно, чтобы тепловой экран содержал первый лист, установленный параллельно кожуху кронштейна 11 между двумя радиальными фланцами 11а и 11b. Этот лист неподвижно соединяют с кронштейном при помощи сварки, пайки, завинчивания или любого другого средства крепления. Лист 21 отстоит от кожуха 11, образуя пространство 21А. Предпочтительно, чтобы это пространство являлась мертвым, то есть чтобы содержащиеся в нем газы не циркулировали. Оно является, например, закрытым. Газовый слой образует, таким образом, теплоизоляционную массу. Однако, в случае необходимости, это пространство может содержать другой теплоизоляционный материал. Второй лист устанавливают таким же образом перед фланцем 11b на внутренней стороне кожуха 11 и на расстоянии от нее. Его крепят сваркой, пайкой, завинчиванием или при помощи другого средства на кожухе, и он образует мертвое пространство 22А вместе с кожухом 11. Газовая масса, содержащаяся в этой полости, тоже образует теплоизоляционный слой.

Кронштейн 11, а также листы 21 и 22 выполняют из металла. Во время работы на стабилизированном режиме зазор между вершиной лопаток 33 и кольцом 13 является фиксированным и имеет определенное значение. Зазор получается в результате равновесия между деформациями механического и термического характера, которым подвергаются подвижные и неподвижные детали. Во время переходного режима это равновесие нарушается. В частности, в случае критического повторного ускорения, как было указано выше, во время фазы быстрого снижения режима, температура газов в рабочем контуре резко падает. За счет наличия теплового экрана реагирование кронштейна на снижение температуры замедляется по сравнению с известным вариантом монтажа. При этом во время последующего повторного ускорения в короткий промежуток времени радиальное перемещение ротора, происходящее в результате увеличения центробежных усилий, не приводит к контакту с элементами уплотнительного кольца. Между вершинами лопаток и элементами уплотнительных колец не происходит никакого контакта. Не наблюдается никакого износа или истирания в вершине лопаток и на поверхностях элементов.

Результаты испытаний показали, что решение является эффективным и что соответственно повышается производительность двигателя. Кроме того, установка листов не требует больших затрат. В целом решение является эффективным и экономичным.

Статор турбины содержит картер, уплотнительное кольцо и кронштейн, соединяющий уплотнительное кольцо с картером. Кронштейн включает тепловой экран, расположенный со стороны турбины, и, с одной из его сторон, радиальный фланец для крепления на картере. Кронштейн со стороны, противоположной радиальному фланцу, содержит средство крепления уплотнительного кольца двумя радиальными фланцами, сжимающими уплотнительное кольцо. Тепловой экран содержит, формируя пространство вместе с поверхностью кронштейна, первый лист, закрепленный между двумя радиальными фланцами, и второй лист, расположенный в осевом направлении между средством крепления уплотнительного кольца и радиальным фланцем крепления кронштейна на картере. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанный выше статор. Изобретения позволяют уменьшить зазор между статором и ротором турбины во время переходных фаз работы двигателя за счет повышения времени реагирования статора на изменение температуры в проточной части турбины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статор турбины газотурбинного двигателя, содержащий картер (9) турбины, уплотнительное кольцо (13) турбины и кронштейн (11) уплотнительного кольца, соединяющий уплотнительное кольцо (13) с картером (9), отличающийся тем, что кронштейн (11) оборудуют элементом, образующим тепловой экран, расположенным со стороны турбины, и содержит с одной стороны радиальный фланец (11с), при помощи которого его крепят на картере (9) турбины,
при этом кронштейн (11) со стороны, противоположной упомянутому радиальному фланцу, содержит средство для крепления элементов (13) уплотнительного кольца двумя радиальными фланцами (11а, 11b), сжимающими элементы (13),
причем элемент, образующий тепловой экран, содержит, формируя пространство (21А; 22А) вместе с поверхностью кронштейна, первый лист (21), закрепленный между двумя радиальными фланцами (11а, 11b), и второй лист (22), расположенный в осевом направлении между средством крепления элементов (13) уплотнительного кольца и радиальным фланцем (11с) крепления кронштейна на картере.

2. Статор по п.1, в котором упомянутое пространство (21А; 22А) содержит теплоизоляционный материал.

3. Статор по п.2, в котором кронштейн (11) образует кожух, имеющий форму усеченного конуса.

4. Газотурбинный двигатель, содержащий статор турбины по п.1.