ПОДВИЖНЫЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАДИАЛЬНЫМ ЗАЗОРОМ МЕЖДУ ПОДВИЖНЫМ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ И УГЛЕРОДНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F02C7/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к газотурбинным двигателям и, в частности, к подвижному уплотнительному элементу с масляным охлаждением, контактирующему с уплотнительным элементом для создания вращающегося уплотнения и удержания жидкой смазки внутри корпуса подшипника.

Уровень техники

Для удержания жидкой смазки внутри корпуса подшипника, через который проходит вращающийся вал, часто применяется уплотнительная контактная поверхность, которая взаимодействует с подвижным

уплотнительным элементом на валу. Зазор между подвижным уплотнительным элементом и уплотнительным элементом поддерживается в заданных пределах, обеспечивающих сведение к минимуму протечек при одновременном создании минимального фрикционного сопротивления вращению.

За счет трения вырабатывается тепло, которое рассеивается погружением подвижного уплотнительного элемента в поток жидкой смазки. Охлажденная смазка заходит в корпус подшипника из теплообменника, распределяется через различные каналы и подается в виде струй в направлении источников тепла для охлаждения и смазывания подвижных деталей.

Поскольку подвижный уплотнительный элемент выполнен из металла, нагрев подвижного уплотнительного элемента приводит к возникновению теплового расширения и сжатия. Поэтому для поддержания зазора между подвижным уплотнительным элементом и уплотнительным элементом необходимо регулирование температуры подвижного уплотнительного элемента. Применение масляных струй для разбрызгивания охлажденного масла на подвижном уплотнительном элементе является обычным способом поддержания температуры подвижного уплотнительного элемента в заданных пределах.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении разработан подвижный уплотнительный элемент для создания вращающегося уплотнения между корпусом двигателя и валом, установленным с возможностью вращения в корпусе, подвижный уплотнительный элемент содержит подвижное уплотнительное кольцо, имеющее площадку с наружной в радиальном направлении контактной поверхностью и внутренней в радиальном направлении поверхностью; распределитель масла, имеющий внутреннюю в радиальном направлении зону, связанную с источником жидкой смазки, и внешний конус разбрызгивания смазки, имеющий обод, расположенный внутри в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности площадки.

Также разработан способ управления радиальным зазором между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением в диапазоне рабочих температур газотурбинного двигателя, способ содержит этапы выбора требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента относительно температуры двигателя из указанного диапазона рабочих температур, требуемая температура подвижного уплотнительного элемента обеспечивает заданный радиальный зазор за счет разницы теплового расширения подвижного уплотнительного элемента и углеродного уплотнения, поддержание требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента за счет направления потока жидкой смазки на поверхность подвижного уплотнительного элемента, поддержание требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента обеспечивает управление радиальным зазором.

Таким образом, в настоящем изобретении описан подвижный уплотнительный элемент с масляным охлаждением для создания вращающегося уплотнения между корпусом двигателя и валом, установленным с возможностью вращения в корпусе, включающий кольцо, имеющее площадку с наружной в радиальном направлении контактной поверхностью и внутренней в радиальном направлении поверхностью, распределитель масла, имеющий внутреннюю в радиальном направлении зону, связанную с источником жидкой смазки, и внешний конус разбрызгивания смазки, имеющий обод, расположенный внутри в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности площадки.

Внутренняя зона распределителя масла может содержать масляные каналы, проходящие в осевом направлении.

Масляные каналы могут содержать осевые канавки на внутренней поверхности, контактирующей с валом.

Кольцо может иметь внутреннюю ступицу, примыкающую к внутренней зоне распределителя масла, и по меньшей мере либо ступица, либо внутренняя зона может иметь проходящие в радиальном направлении каналы.

Каналы, проходящие в радиальном направлении, дополнительно могут иметь радиальные канавки на поверхности, примыкающей к ступице.

Кроме того, кольцо может иметь перемычку между ступицей и площадкой.

Дополнительно ступица, перемычка и площадка могут определять вогнутое кольцевое углубление.

Кроме того, обод конуса может быть расположен внутри указанного углубления.

Также изобретение описывает способ управления величиной радиального зазора между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением в диапазоне рабочих температур газотурбинного двигателя, включающий выбор требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента в зависимости от температуры двигателя в пределах указанного диапазона рабочих температур с обеспечением заданной величины зазора с учетом разницы термических расширений между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением, поддержание требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента посредством направления потока жидкой смазки на поверхность подвижного уплотнительного элемента с управлением величиной радиального зазора.

Дополнительно в способе могут поддерживать требуемую температуру подвижного уплотнительного элемента посредством изменения по меньшей мере одного из параметров, включающих количество жидкой смазки и зону разбрызгивания жидкой смазки, направляемой наподвижныйуплотнительный элемент.

Также могут поддерживать требуемую температуру подвижного уплотнительного элемента посредством по меньшей мере увеличения потока жидкой смазки, направляемого на подвижный уплотнительный элемент, для увеличения радиального зазора, либо уменьшения потока жидкой смазки для уменьшения величины радиального зазора.

Жидкую смазка может быть направлена на внутреннюю в радиальном направлении поверхность подвижного уплотнительного элемента, расположенную со стороны противоположной внешней в радиальном направлении уплотнительной поверхности, расположенной напротив углеродного уплотнения.

Кроме того, жидкую смазку могут направлять в виде конического слоя на внутреннюю в радиальном направлении поверхность подвижного уплотнительного элемента.

Поддерживать требуемую температуру подвижного уплотнительного элемента могут посредством обеспечения по существу равномерного слоя указанной жидкой смазки на указанной поверхности подвижного уплотнительного элемента.

Краткое описание чертежей

Далее приводятся ссылки на прилагаемые фигуры, отображающие признаки настоящего изобретения, на которых:

Фиг.1 - схематическое изображение газотурбинного двигателя в разрезе;

Фиг.2 - местный вид в разрезе верхней половины корпуса подшипника, внутреннего и внешнего валов, на котором углеродное уплотнительное кольцо контактирует с подвижным уплотнительным элементом с масляным охлаждением.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 показан газотурбинный двигатель 10, относящийся к типу, применяемому для полета с дозвуковыми скоростями, в общем случае содержащий последовательно соединенные по ходу движения потока вентилятор 2, через который направляется воздух из окружающей среды, многоступенчатый компрессор 4 для сжатия воздуха, кольцевую противоточную камеру 6 сгорания, в которой сжатый воздух смешивается с топливом и воспламеняется для создания кольцевого потока горячих газов. Турбинная секция 8 может включать турбину ступени высокого давления, установленную на валу 14 ступени низкого давления. Валы 13 и 14 ступеней низкого и высокого давления установлены соосно с возможностью вращения на соответствующих подшипниках. На Фиг.1 показан турбовентиляторный газотурбинный двигатель, однако следует понимать, что изобретение одинаково применимо для любого типа двигателя, предполагающего наличие камеры сгорания и турбинной секции, такого как турбовинтовой, турбовальный или вспомогательный энергетический агрегат.

Подвижный уплотнительный элемент для создания вращающегося уплотнения между валом, таким как, например, вал 13, 14 ступеней высокого или низкого давления, установлен с возможностью вращения внутри опорной конструкции, такой как корпус двигателя. Подобные вращающиеся уплотнения выполнены на многих участках газотурбинного двигателя, например, для удержания жидкой смазки внутри подшипниковых камер.

На Фиг.2 в качестве примера осуществления показана подшипниковая камера 12, которая служит опорой для внешнего вала 13 ступени высокого давления, внутри которого соосно расположен вал 14 ступени низкого давления. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее вращающееся уплотнение и подвижный уплотнительный элемент с масляным охлаждением могут применяться в любых подшипниковых камерах и для различных других конструкций газотурбинного двигателя, в которых необходимо создание вращающегося уплотнения.

Подшипниковая камера 12 образует часть корпуса двигателя и обеспечивает опору и смазку для подшипников 15, на которых в корпусе двигателя установлен с возможностью вращения вал 13 ступени высокого давления. Жидкая смазка или масло подступает в подшипниковую камеру 12 через канал 16 подачи масла. Настоящее изобретение относится к подвижному уплотнительному элементу 17 с масляным охлаждением, который контактирует с кольцевым углеродным уплотнением 18 для удержания масла внутри подшипниковой камеры 12 при циркуляции масла для смазывания, смывания частиц, возникающих при износе, и для охлаждения.

За счет трения между контактирующими поверхностями неподвижного углеродного уплотнения 18 и вращающегося подвижного уплотнительного элемента 17 с масляным охлаждением выделяется тепло, которое необходимо рассеивать для поддержания физических размеров подвижного уплотнительного элемента 17. Нагрев вызывает расширение и может приводить к деформациям подвижного уплотнительного элемента 17. Управление выделяемым теплом необходимо для избежания избыточных перемещений и деформаций. Поддержание оптимально малогозазора между углеродным уплотнением 18 и подвижным уплотнительным элементом 17 необходимо для избежания протечек масла.

Соответственно возможно управление радиальным зазором между подвижным уплотнительным элементом 17 и углеродным уплотнением 18 (т.е. поддержание требуемой величины зазора), это управление обеспечивается в диапазоне рабочих температур газотурбинного двигателя. Это препятствует нежелательному увеличению радиального зазора в результате несогласованного увеличения размеров углеродного кольца и подвижного уплотнительного элемента при нагреве двигателя, которое может привести к потере эффективности уплотнения и возникновению протечек. За счет обеспечения равномерной температуры подвижного уплотнительного элемента относительно углеродного уплотнения поддерживается оптимальная величина радиального зазора. Это осуществляется за счет того, что сначала выбирается требуемая температура подвижного уплотнительного элемента относительно температуры двигателя в пределах диапазона рабочих температур двигателя, а затем производится поддержание требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента посредством направления потока жидкой смазки на поверхность подвижного уплотнительного элемента с целью поддержания требуемой температурь! и, таким образом, производится управление величиной радиального зазора между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением. Температура подвижного уплотнительного элемента при работе двигателя может изменяться соответствующим образом, т.е. повышаться или понижаться на требуемую величину для поддержания оптимальной величины радиальногозазора. Это осуществляется, например, посредством изменения, по меньшей мере, либо количества, либо размера зоны разбрызгивания смазочной жидкости (например, охлаждающего масла), которая направляется на внутреннюю (в радиальном направлении) поверхность подвижного уплотнительного элемента. Температура подвижного уплотнительного элемента может также поддерживаться на требуемом уровне посредством создания по существу равномерного слоя жидкой смазки на поверхности подвижного уплотнительного элемента, на которой производится разбрызгивание, такой как, например, его внутренняя в радиальном направлении поверхность.

Подвижный уплотнительный элемент 17 с масляным охлаждением имеет кольцо 19, которое включает площадку 20, имеющую внешнюю в радиальном направлении уплотнительную контактную поверхность 21 и внутреннюю в радиальном направлении поверхность 22. Подвижный уплотнительный элемент 17 с масляным охлаждением включает распределитель 23 масла, имеющий внутреннюю в радиальном направлении зону, связанную с источником жидкой смазки. В варианте осуществления изобретения, показанном на фигурах, смазка подается под давлением через канал 16 подачи масла, а затем транспортируется через осевые канавки во внутренней поверхности беговой дорожки 24 подшипника. Масло проходит под давлением между беговой дорожкой 24 и валом 13 ступени высокого давления.

Распределитель 23 масла также включает проходящие в осевом направлении каналы в форме осевых канавок 25, через которые масло подается к распределителю 23 масла. Распределитель 23 масла также включает внешний конус 26 для разбрызгивания масла, которое поступает в него через осевую канавку 25. За счет высокой скорости вращения вала 13 и распределителя 23 масло под действием центробежной силы перемещается наружу в радиальном направлении, т.е. вверх, как показано на Фиг.2. Конус 26 имеет внутреннюю поверхность, в которую поступает масло и обод 27, расположенный внутри в радиальном направлении от внутренней поверхности 22 площадки 20.

Разбрызгивание масла из обода 27 под действием центробежной силы создает равномерный слой масла 28, которое разбрызгивается по направлению к внутренней стороне поверхности 22 площадки 20. Поскольку тепло, создаваемое за счет трения между поверхностями углеродного уплотнения 18 и внешней уплотнительной контактной поверхностью 21 площадки 20 обеспечивает равномерный поток масла, который поглощает тепло за счет конвекции и контакта с площадкой 20. Традиционные системы охлаждения включают индивидуальные масляные форсунки, которые подают масло в отдельных точках подвижных уплотнительных элементов. Для таких масляных форсунок требуется относительно большая площадь, а подвижный уплотнительный элемент с масляным охлаждением по настоящему изобретению может устанавливаться в ограниченном объеме, обеспечивая при этом более равномерное распределение масла, чем известные из уровня техники индивидуальные форсунки подачи масла.

Кольцо 19 подвижного уплотнительного элемента имеет внутреннюю ступицу 29, которая установлена на валу 13. Ступица 29 упирается в радиальном направлении в распределитель 23 масла. Проходящие в радиальном направлении масляные каналы в форме радиальных канавок 30 выполнены в упорной поверхности ступицы 29 или в распределителе 23. Соответственно, масло или жидкая смазка может доставляться к ободу 29 через канал 16, канавки в беговой дорожке 24 подшипника и осевые канавки 25, соединяющиеся с радиальными канавками 30. Масло перемещается к внутренней стороне поверхности конуса 26 и перемещается к разбрызгивающему ободу 27 под действием центробежной силы.

В показанном варианте осуществления изобретения подвижный уплотнительный элемент 17 включает кольцевую перемычку 31 между ступицей 29 и площадкой 20. Ступица 29, перемычка 31 и площадка 20 определяют вогнутое кольцевое углубление, в которое входит обод 27 конуса

26. В результате конический слой масла 28 удерживается внутри этого углубления. Охлаждающий масляный слой 28 может равномерно покрывать и размещаться на внутренней поверхности 22 площадки 20 на время достаточное для сбора и отвода возникающего из-за трения тепла от площадки 20.

Данное описание приведено исключительно в качестве примера, и в него специалистами в данной области техники могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, специалистам в данной области техники очевидны прочие модификации, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения в свете настоящего описания, и предполагается, что подобные модификации охватываются прилагаемой формулой изобретения.

Подвижный уплотнительный элемент с масляным охлаждением для вращающегося уплотнения между корпусом двигателя и валом установлен с возможностью вращения в корпусе двигателя. Уплотнительный элемент включает кольцо, имеющее площадку с наружной в радиальном направлении контактной поверхностью и внутренней в радиальном направлении поверхностью, распределитель масла и внешний конус разбрызгивания смазки. Распределитель масла имеет внутреннюю в радиальном направлении зону, связанную с источником жидкой смазки. Внешний корпус имеет обод, расположенный внутри в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности площадки. Также объектом изобретения является способ управления радиальным зазором между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением в диапазоне рабочих температур газотурбинного двигателя. Способ включает выбор требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента в зависимости от температуры двигателя в пределах указанного диапазона рабочих температур с обеспечением заданной величины зазора с учетом разницы термических расширений между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением, поддержание требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента посредством направления потока жидкой смазки на поверхность подвижного уплотнительного элемента с управлением величиной радиального зазора. Изобретение позволяет поддерживать требуемую температуру подвижного уплотнительного элемента. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Подвижный уплотнительный элемент с масляным охлаждением для вращающегося уплотнения между корпусом двигателя и валом, установленным с возможностью вращения в корпусе двигателя, включающий кольцо, имеющее площадку с наружной в радиальном направлении контактной поверхностью и внутренней в радиальном направлении поверхностью, распределитель масла, имеющий внутреннюю в радиальном направлении зону, связанную с источником жидкой смазки, и внешний конус разбрызгивания смазки, имеющий обод, расположенный внутри в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности площадки.

2. Элемент по п.1, в котором внутренняя зона распределителя масла содержит масляные каналы, проходящие в осевом направлении.

3. Элемент по п.2, в котором масляные каналы содержат осевые канавки на внутренней поверхности, контактирующей с валом.

4. Элемент по п.1, в котором кольцо имеет внутреннюю ступицу, примыкающую к внутренней зоне распределителя масла, и по меньшей мере один из ступицы и внутренней зоны имеет проходящие в радиальном направлении каналы.

5. Элемент по п.4, в котором каналы, проходящие в радиальном направлении, имеют радиальные канавки на поверхности, примыкающей к ступице.

6. Элемент по п.4, в котором кольцо имеет кольцевую перемычку между ступицей и площадкой.

7. Элемент по п.6, в котором ступица, кольцевая перемычка и площадка определяют вогнутое кольцевое углубление.

8. Элемент по п.7, в котором обод конуса расположен внутри указанного углубления.

9. Способ управления радиальным зазором между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением в диапазоне рабочих температур газотурбинного двигателя, включающий выбор требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента в зависимости от температуры двигателя в пределах указанного диапазона рабочих температур с обеспечением заданной величины зазора с учетом разницы термических расширений между подвижным уплотнительным элементом и углеродным уплотнением, поддержание требуемой температуры подвижного уплотнительного элемента посредством направления потока жидкой смазки на поверхность подвижного уплотнительного элемента с управлением величиной радиального зазора.

10. Способ по п.9, в котором поддерживают требуемую температуру подвижного уплотнительного элемента посредством изменения по меньшей мере одного из параметров, включающих количество жидкой смазки и зону разбрызгивания жидкой смазки, направляемой на подвижный уплотнительный элемент.

11. Способ по п.9, в котором поддерживают требуемую температуру подвижного уплотнительного элемента посредством по меньшей мере увеличения потока жидкой смазки, направляемого на подвижный уплотнительный элемент, для увеличения радиального зазора, либо уменьшения потока жидкой смазки для уменьшения величины радиального зазора.

12. Способ по п.9, в котором жидкую смазку направляют на внутреннюю в радиальном направлении поверхность подвижного уплотнительного элемента, расположенную со стороны противоположной внешней в радиальном направлении уплотнительной поверхности, расположенной напротив углеродного уплотнения.

13. Способ по п.12, в котором жидкую смазку направляют в виде конического слоя на внутреннюю в радиальном направлении поверхность подвижного уплотнительного элемента.

14. Способ по п.9, в котором поддерживают требуемую температуру подвижного уплотнительного элемента посредством обеспечения, по существу, равномерного слоя указанной жидкой смазки на указанной поверхности подвижного уплотнительного элемента.