СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ КАНАЛОВ Российский патент 2016 года по МПК F16J15/42 

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

На коэффициент полезного действия (КПД) газотурбинного двигателя (ГТД) существенным образом влияет перетекание воздуха из областей с более высоким давлением в области с меньшим давлением. Для уменьшения влияния перетекания воздуха на характеристики двигателя применяют лабиринтные уплотнения (Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Под ред. Д.В. Хронина - М.: Машиностроение, 1989, с. 119÷121, рис. 3.57, 3.58). Работа лабиринтного уплотнения основана на создании гидравлического сопротивления на пути перетекающего воздуха за счет многократного дросселирования воздуха при его течении через каналы с резко меняющимися проходными сечениями.

Известны центробежные компрессора, состоящие из рабочего колеса (крыльчатки), безлопаточного и лопаточного диффузоров, установленных на выходе из компрессора (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория газотурбинных двигателей, ч. 1, М.: Машиностроение, 1977, с. 44, рис. 2.4).

Известно гидродинамическое уплотнение, построенное на эффекте центробежного компрессора (Авторское свидетельство SU 367303, 1973 г.).

Целью изобретения является уменьшение расхода воздуха, перетекающего через радиальные зазоры ГТД.

Поставленная цель достигается тем, что перед лабиринтным уплотнением установлена полость низкого давления, из которой воздух центробежным компрессором перекачивается в полость высокого давления. Рабочие лопатки центробежного компрессора размещены на валу, а лопаточный диффузор компрессора - внутри неподвижного корпуса, образующего совместно с валом полость низкого давления. В периферийной части корпуса выполнены сливные отверстия, соединяющие полость низкого давления с полостью высокого давления.

Сущность изобретения заключается в том, что работа, совершаемая компрессором, тратится на понижение давления на входе в лабиринтное уплотнение, что способствует уменьшению перетекания воздуха через указанное уплотнение.

На фиг. 1 изображена схема воздушного уплотнения;

на фиг. 2 изображен вид А воздушного уплотнения;

на фиг. 3 изображено сечение Б-Б воздушного уплотнения.

Воздушное уплотнение (фиг. 1) состоит из вала 1, на периферии которого размещены радиально расположенные рабочие лопатки 2 и лабиринтное уплотнение 3, и неподвижного корпуса 4, образующего совместно с валом 1 полость низкого давления. Внутри корпуса 4 размещены диффузорные лопатки 5, имеющие наклон в сторону вращения вала (фиг. 3). Наклон лопаток необходим для обеспечения безотрывного входа воздуха в межлопаточные каналы диффузорных лопаток 5. В периферийной части корпуса (фиг. 1 и фиг. 2) выполнены сливные отверстия 6, соединяющие полость низкого давления с полостью высокого давления. Между валом и корпусом - радиальный зазор δ.

Способ реализуется следующим образом.

Воздух из полости высокого давления (сечение а, фиг. 1) через радиальный зазор δ попадает в полость низкого давления. Под действием центробежных сил воздух, оказавшийся в межлопаточных каналах рабочих лопаток 2, приобретает радиальную скорость (кинетическую энергию) - попадает в межлопаточные каналы диффузорных лопаток 5, тормозится, в результате торможения (кинетическая энергия преобразуется в давление) давление воздуха в межлопаточных каналах диффузорных лопаток повышается (становится больше, чем в полости высокого давления). Под действием перепада давлений воздух из межлопаточных каналов диффузорных лопаток через отверстия 6 перетекает в полость высокого давления. Уменьшение массы воздуха в полости низкого давления, которое является следствием его перетекания, ведет к понижению статического давления в указанной полости. Величина понижения давления определяется уравнениями Бернулли и неразрывности газового потока: ΔP=const·Gв², где Gв - расход воздуха через зазор δ, который увеличивается пропорционально величине перепускаемого воздуха. Понижение давления на выходе из радиального зазора в соответствии с законом Паскаля вызывает аналогичное понижение давления на входе в лабиринтное уплотнение 3 (сечение б, фиг. 1).

Эффективность воздушного уплотнения (фиг. 1) зависит от формы и наклона гребешков 3, их числа z, перепада давлений между сечениями б и в, величины зазора δ и определяется расходом m перетекающего воздуха

Здесь k - коэффициент, учитывающий особенности расширения в каналах лабиринта; D_cp - средний диаметр зазора; Р_б и Р_в - давления в сечениях б и в (фиг. 1); R_г - газовая постоянная воздуха; Т - температура воздуха.

Уменьшение перетекания воздуха из областей с более высоким давлением в области с меньшим давлением позволяет повысить КПД элементов двигателя и, как следствие, его экономичность (например, повышение КПД компрессора на 1% позволяет уменьшить удельный расход топлива в ГТД до 3%).

Способ уплотнения воздушных каналов заключается в использовании лабиринтного уплотнения. Перед лабиринтным уплотнением расположена полость низкого давления, из которой воздух центробежным компрессором перекачивается в полость высокого давления. Рабочие лопатки компрессора размещены на валу, а лопаточный диффузор компрессора - внутри неподвижного корпуса, образующего совместно с валом полость низкого давления. В периферийной части корпуса выполнены сливные отверстия, соединяющие полость низкого давления с полостью высокого давления. Способ позволяет уменьшить перетекания воздуха из областей с более высоким давлением в области с меньшим давлением, повысить экономичность газотурбинных двигателей. 3 ил.

Способ уплотнения воздушных каналов, заключающийся в использовании лабиринтного уплотнения, отличающийся тем, что перед лабиринтным уплотнением расположена полость низкого давления, из которой воздух центробежным компрессором перекачивается в полость высокого давления, рабочие лопатки компрессора размещены на валу, а лопаточный диффузор компрессора - внутри неподвижного корпуса, образующего совместно с валом полость низкого давления, в периферийной части корпуса выполнены сливные отверстия, соединяющие полость низкого давления с полостью высокого давления.