УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ УТЕЧЕК МАСЛА В СТОРОНУ РОТОРОВ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D25/18 F02C7/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к общей области турбин газотурбинных двигателей и, в частности, турбин низкого давления. В частности, оно относится к устройству, обеспечивающему защиту роторов турбины от рисков воспламенения масла.

Уровень техники

Вал низкого давления газотурбинного двигателя приводит во вращение различные ступени турбины низкого давления через цапфу, закрепленную на валу низкого давления. Эта цапфа ограничивает на входе внутреннюю входную полость, в которой проходит воздух, предназначенный для вентиляции различных дисков турбины низкого давления, расположенных на выходе этой цапфы.

Для этого цапфа вала низкого давления содержит вентиляционные отверстия, позволяющие вентиляционному воздуху, отбираемому на входе в двигатель, питать наружную выходную полость, проходя через внутреннюю входную полость. Затем этот вентиляционный воздух направляется к дискам различных ступеней турбины низкого давления на выходе цапфы для их охлаждения.

Кроме того, во внутренней входной полости турбины низкого давления может также оказаться масло в результате утечек из контура смазки и из масляных полостей газотурбинного двигателя. Это масло может смешаться с вентиляционным воздухом и пойти по тому же пути, что и этот воздух, и попасть в выходную полость турбины низкого давления.

Однако, поскольку окружающая среда этой полости является относительно горячей, это может привести к воспламенению масла в этой полости со всеми вытекающими из этого серьезными последствиями.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков за счет создания устройства, позволяющего защитить роторы турбины от рисков воспламенения масла.

Для этого предложено устройство защиты от утечек масла в сторону роторов турбины газотурбинного двигателя, содержащее входную полость, в которой может циркулировать смесь воздух/масло, при этом указанная входная полость ограничена на выходе цапфой ротора турбины и снаружи уплотнительным фланцем цапфы, проходящим в осевом направлении к входу, и выходную полость, открывающуюся в сторону дисков турбины и сообщающуюся с входной полостью через множество вентиляционных отверстий, выполненных в цапфе, и, согласно изобретению, дополнительно содержащее входной кольцевой отражатель, закрепленный на уплотнительном фланце цапфы и проходящий радиально внутрь в направлении вентиляционных отверстий, при этом входной отражатель содержит отверстия для прохождения масла, выполненные на уровне его конца, закрепленного на уплотнительном фланце цапфы.

Присутствие отражателя позволяет свести к минимуму количество масла, проходящее из входной полости в выходную полость. Действительно, этот входной отражатель образует, в частности, препятствие на прямом пути смеси воздух/масло, проходящей через выполненные в цапфе вентиляционные отверстия.

Кроме того, расположение этого входного отражателя позволяет разделить путь воздуха и путь масла. В частности, под действием разности давления между входной полостью и выходной полостью воздух из смеси воздух/масло будет стремиться пройти под входным отражателем и дойти до выходной полости, проходя через вентиляционные отверстия. Что касается масла из смеси воздух/масло, то под действием центробежной силы вращения цапфы оно, после прохождения входного отражателя, будет стремиться прижаться к внутренней стенке уплотнительного фланца цапфы и вернуться в сторону входа вдоль этой стенки. Наличие отверстий для прохождения масла на уровне конца входного отражателя, который закреплен на уплотнительном фланце цапфы, позволяет маслу пройти к входу входной полости, не встречая на своем пути встречного воздушного потока.

Таким образом, устройство в соответствии с изобретением обеспечивает удаление масла из смеси воздух/масло, присутствующей во входной полости, при этом масло удаляется к входу для последующего сбора, а воздух питает выходную полость для вентиляции роторов турбины.

Предпочтительно входной отражатель проходит радиально внутрь таким образом, что перекрывает вентиляционные отверстия, выполненные в цапфе.

Предпочтительно входной отражатель содержит крепежный фланец, который закреплен на уплотнительном фланце цапфы при помощи систем крепления уплотнительного фланца цапфы на цапфе. В этом случае отверстия для прохождения масла предпочтительно выполнены в крепежном фланце входного отражателя и расположены в угловом направлении между системами крепления уплотнительного фланца цапфы на цапфе.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит выходной кольцевой отражатель, закрепленный на цапфе и проходящий радиально наружу в направлении вентиляционных отверстий так, что ограничивает вместе с входным отражателем лабиринтный канал для смеси воздух/масло, циркулирующей во входной полости. Наличие такого лабиринтного канала способствует разделению между воздухом и маслом смеси воздух/масло и усиливает центрифугирование масла на внутренней стенке уплотнительного фланца цапфы.

В этом случае предпочтительно выходной отражатель проходит радиально наружу так, что перекрывает вентиляционные отверстия. Это перекрывание способствует задержанию возможных прямых выбросов масла на входном отражателе.

Точно так же предпочтительно выходной отражатель вставлен в осевом направлении между входным отражателем и выполненными в цапфе вентиляционными отверстиями.

Устройство может дополнительно содержать элементы жесткости, обеспечивающие соединение между свободными концами входного и выходного отражателей.

Выходной отражатель может содержать крепежный фланец, который закреплен на цапфе при помощи систем крепления цапфы на валу турбины.

Объектом изобретения является также турбина газотурбинного двигателя, содержащая описанное выше устройство защиты от утечек масла. Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий такую турбину.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют неограничивающие примеры осуществления.

На фиг. 1 схематично показано заявленное устройство защиты от утечек масла;

на фиг. 2 показан входной отражатель устройства защиты, изображенного на фиг.1, вид в перспективе;

на фиг. 3 и 4 схематично показаны устройства защиты от утечек масла согласно вариантам осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 схематично показана часть турбины 2 низкого давления газотурбинного двигателя, оснащенной заявленным устройством защиты от утечек масла. Разумеется, изобретение можно применять для любой турбины газотурбинного двигателя.

Как известно, турбина 2 низкого давления содержит вал 4 низкого давления с центром на продольной оси 6 газотурбинного двигателя.

В дальнейшем тексте описания термины «входной» и выходной» будут применяться относительно направления прохождения газового потока через газотурбинный двигатель. Точно так же, термины «внутренний» и «наружный» будут применяться относительно продольной оси 6 газотурбинного двигателя.

На валу 4 низкого давления закреплен внутренний радиальный конец цапфы 8 при помощи множества систем 10 крепления, например, типа винт/гайка. На уровне своего противоположного радиального конца цапфа 8 сопряжена с диском 12 ротора ступени турбины низкого давления, который она вращает вокруг продольной оси 6. Как показано на фиг. 1, этот диск 12 ротора связан с дисками 12 ротора других ступеней турбины низкого давления.

Цапфа 8 турбины низкого давления содержит также уплотнительный фланец 14, который проходит в осевом направлении в сторону входа. На этом уплотнительном фланце 14 выполнено уплотнительное устройство (например, не показанное на фигурах лабиринтное уплотнение). Этот уплотнительный фланец может быть закреплен на цапфе при помощи множества систем 16 крепления, например, типа винт/гайка.

Цапфа 8 турбины низкого давления (и ее уплотнительный фланец 14) ограничивает две полости, а именно входную полость 18 и выходную полость 20.

В частности, входная полость 18 образована с внутренней стороны и ограничена, с одной стороны, радиально снаружи уплотнительным фланцем 14 цапфы и, с другой стороны, аксиально на выходе самой цапфой. Что касается выходной полости 20, то она образована с наружной стороны и ограничена, с одной стороны, аксиально на входе цапфой и, с другой стороны, радиально снаружи дисками 12 ротора.

Входная 18 и выходная 20 полости сообщаются между собой через множество вентиляционных отверстий 22, выполненных в цапфе 8 и равномерно распределенных вокруг продольной оси 6 газотурбинного двигателя. Как известно, выходная полость сообщается с контурами вентиляции дисков ротора различных ступеней турбины низкого давления (на фигурах не показаны).

Воздух, отбираемый на входе в газотурбинный двигатель, питает входную полость 18, затем проходит в выходную полость 20 (за счет установления разности давления между двумя полостями), где его используют для питания контуров вентиляции дисков ротора.

Кроме того, в результате утечек из контура смазки и из масляных полостей газотурбинного двигателя (на фигурах не показаны) масло может попасть во входную полость 18. Однако это масло не должно проникнуть в выходную полость 20, чтобы избежать риска его воспламенения.

Для этого, согласно изобретению, предусмотрен входной кольцевой отражатель 24, закрепленный на уплотнительном фланце 14 цапфы. Этот входной отражатель 24 выполнен, например, из листового проката и проходит радиально внутрь в направлении вентиляционных отверстий 22, выполненных в цапфе, таким образом, чтобы их перекрывать.

Кроме того, как показано на фиг. 2, входной отражатель 24 содержит отверстия 26 для прохождения масла, выполненные на уровне его конца, закрепленного на уплотнительном фланце 14 цапфы.

В частности, входной отражатель 24 содержит крепежный фланец 24а, который может быть закреплен на уплотнительном фланце 14 цапфы при помощи систем 16 крепления уплотнительного фланца на цапфе. Для этого уплотнительный фланец 14 цапфы и цапфа 18 содержат зубчатые выступы, соответственно 14а и 8а, которые скреплены между собой системами 16 крепления.

Отверстия 26 для прохождения масла выполнены в крепежном фланце 24а входного отражателя 24 и расположены в угловом направлении между соответствующими зубчатыми выступами 14а, 8а уплотнительного фланца 14 цапфы и самой цапфы 8.

Эти отверстия 26 для прохождения масла могут быть равномерно распределены вокруг продольной оси 6 газотурбинного двигателя, и их количество и размеры рассчитаны, в частности, в зависимости от количества удаляемого масла.

Крепежный фланец 24а входного отражателя 24 позволяет также перекрыть зоны, находящиеся в угловом направлении между соответствующими зубчатыми выступами 8 а, 14а цапфы и ее уплотнительного фланца таким образом, чтобы заставить воздух проходить по внутренней стороне входного отражателя.

Предпочтительно размер отверстий 26 для прохождения масла является относительно небольшим, чтобы они могли быстро «закупориться» маслом и препятствовать, таким образом, любому прохождению воздуха. Кроме того, прохождение воздуха на уровне конца входного отражателя, закрепленного на уплотнительном фланце цапфы, перекрыто также по причине присутствия крепежного фланца 24а отражателя, который образует препятствие для такого прохождения.

Таким образом, входной отражатель 24 перекрывает вентиляционные отверстия 22, выполненные в цапфе 8, не давая смеси воздух/масло, проходящей во входной полости 18, пройти через эти вентиляционные отверстия и попасть в выходную полость 20.

Вместо этого смесь воздух/масло (путь которой схематично показан на фиг. 1 сплошной линией) огибает входной отражатель. На выходе входного отражателя и под действием центробежной силы вращения цапфы 8 эта смесь воздух/масло делится на путь масла (схематично показан штрихпунктирной линией), который прилегает к внутренней стенке уплотнительного фланца 14 цапфы 8 и возвращается в сторону входа вдоль этой стенки, в частности, проходя через отверстия 26 для прохождения масла, выполненные в крепежном фланце 24а входного отражателя, и на путь воздуха (схематично показан пунктирной линией), который проходит через вентиляционные отверстия 22, выполненные в цапфе, под действием разности давлений между входной и выходной полостями.

Таким образом, очищенный от масла воздух поступает в выходную полость и может питать контуры вентиляции дисков ротора различных ступеней турбины низкого давления. Что касается масла, скапливающегося на внутренней стенке уплотнительного фланца цапфы, то оно проходит в сторону входа вдоль этой стенки под действием центробежной силы и может быть собрано ближе к входу, например, при помощи ковшовых маслоприемников (на фигурах не показаны).

На фиг. 3 представлен вариант осуществления устройства защиты от утечек масла в соответствии с изобретением.

Это устройство защиты идентично устройству, описанному со ссылками на фиг. 1 и 2, и дополнительно содержит выходной кольцевой отражатель 28, закрепленный на цапфе 8. Выходной отражатель 28 выполнен, например, из листового проката и проходит радиально наружу в направлении вентиляционных отверстий 22, выполненных в цапфе 8, перекрывая эти отверстия.

В частности, этот выходной отражатель 28 вставлен в осевом направлении между входным отражателем 24 и вентиляционными отверстиями 22 и образует вместе с выходным отражателем лабиринтный канал для смеси воздух/масло, циркулирующей во входной полости 18 (путь которой схематично показан сплошной линией).

Выходной отражатель 28 содержит крепежный фланец 28а, который может быть закреплен на цапфе 8 при помощи систем 10 крепления цапфы 8 на валу 4 низкого давления.

Таким образом, перекрывая вентиляционные отверстия 22, входной 24 и выходной 28 отражатели не позволяют смеси воздух/масло, поступающей во входную полость 18, пройти напрямую через эти вентиляционные отверстия и попасть в выходную полость 20.

На выходе лабиринтного канала, образованного отражателями 24, 28, и под действием центробежной силы вращения цапфы эта смесь воздух/масло делится на путь масла (схематично показан штрихпунктирной линией), который прилегает к внутренней стенке уплотнительного фланца 14 цапфы и возвращается в сторону входа вдоль этой стенки, и на путь воздуха (схематично показан пунктирной линией), который проходит через вентиляционные отверстия 22 под действием разности давления между входной и выходной полостями.

Таким образом, очищенный от масла воздух поступает в выходную полость и может питать контуры вентиляции дисков ротора различных ступеней турбины низкого давления. Что касается масла, скапливающегося на внутренней стенке уплотнительного фланца цапфы, то оно проходит в сторону входа вдоль этой стенки под действием центробежной силы и может быть собрано ближе к входу.

На фиг. 4 представлен еще один вариант осуществления устройства защиты от утечек масла в соответствии с изобретением.

Это устройство защиты идентично устройству, описанному со ссылками на фиг. 3, и дополнительно содержит элементы 30 жесткости, обеспечивающие соединение между свободными концами входного 24 и выходного 28 отражателей (то есть концами, противоположными крепежному фланцу).

Эти элементы 30 жесткости могут представлять собой простые листы, закрепленные на свободных концах отражателей 24, 28 и отстоящие друг от друга в угловом направлении, обеспечивая проход для смеси воздух/масло. Они придают определенную механическую прочность выполненному таким образом устройству защиты.

Изобретение относится к устройству защиты от утечек масла в сторону роторов турбины (2) газотурбинного двигателя, содержащему входную полость (18), выполненную с возможностью циркуляции в ней смеси воздух/масло, при этом указанная входная полость ограничена на выходе цапфой (8) ротора турбины и снаружи уплотнительным фланцем (14) цапфы, проходящим в осевом направлении ко входу, выходную полость (20), открывающуюся в сторону дисков (12) турбины и сообщающуюся с входной полостью через множество вентиляционных отверстий (22), выполненных в цапфе, и входной кольцевой отражатель (24), закрепленный на уплотнительном фланце цапфы и проходящий радиально внутрь в направлении вентиляционных отверстий. При этом входной отражатель содержит отверстия (26) для прохождения масла, выполненные на уровне его конца, закрепленного на уплотнительном фланце цапфы. Также представлены турбина газотурбинного двигателя, содержащая устройство защиты от утечек масла, и газотурбинный двигатель, содержащий такую турбину. Изобретение позволяет защитить роторы турбины от рисков воспламенения масла. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство защиты от утечек масла в сторону роторов турбины газотурбинного двигателя, содержащее входную полость, выполненную с возможностью циркуляции в ней смеси воздух/масло, причем указанная входная полость ограничена на выходе цапфой ротора турбины и снаружи уплотнительным фланцем цапфы, проходящим в осевом направлении ко входу, и выходную полость, открывающуюся в сторону дисков турбины и сообщающуюся с входной полостью через множество вентиляционных отверстий, выполненных в цапфе, причем указанное устройство дополнительно содержит входной кольцевой отражатель, закрепленный на уплотнительном фланце цапфы и проходящий радиально внутрь в направлении вентиляционных отверстий, при этом входной отражатель содержит отверстия для прохождения масла, выполненные на уровне его конца, закрепленного на уплотнительном фланце цапфы.

2. Устройство по п. 1, в котором входной отражатель проходит радиально внутрь так, что перекрывает вентиляционные отверстия, выполненные в цапфе.

3. Устройство по п. 1, в котором входной отражатель содержит крепежный фланец, закрепленный на уплотнительном фланце цапфы при помощи систем крепления уплотнительного фланца цапфы на цапфе.

4. Устройство по п. 3, в котором отверстия для прохождения масла выполнены в крепежном фланце входного отражателя и расположены в угловом направлении между системами крепления уплотнительного фланца цапфы на цапфе.

5. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее выходной кольцевой отражатель, закрепленный на цапфе и проходящий радиально наружу в направлении вентиляционных отверстий так, что ограничивает вместе с входным отражателем лабиринтный канал для смеси воздух/масло, циркулирующей во входной полости.

6. Устройство по п. 5, в котором выходной отражатель проходит радиально наружу так, что перекрывает вентиляционные отверстия.

7. Устройство по п. 5, в котором выходной отражатель вставлен в осевом направлении между входным отражателем и выполненными в цапфе вентиляционными отверстиями.

8. Устройство по п. 5, дополнительно содержащее элементы жесткости, обеспечивающие соединение между свободными концами входного и выходного отражателей.

9. Устройство по п. 5, в котором выходной отражатель содержит крепежный фланец, закрепленный на цапфе при помощи систем крепления цапфы на валу турбины.

10. Турбина газотурбинного двигателя, содержащая устройство защиты от утечек масла по любому из пп. 1-9.

11. Газотурбинный двигатель, содержащий турбину по п. 10.