Уплотнительное устройство газотурбинного двигателя
Изобретение относится к уплотнительным устройствам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении эффективности уплотнительного устройства за счет регулирования расхода охлаждающего воздуха и обеспечения постоянной минимальной величины уплотняемого радиального зазора. Уплотнительное устройство газотурбинного двигателя, включающее рабочую часть, состоящую из лабиринта с уплотнительными гребешками и ответного им статорного фланца, а также дефлектор, образующий с фланцем щелевую полость, согласно изобретению дополнительно содержит регулирующую часть, которая установлена на выходе из рабочей части, состоит из лабиринта с гребешками и статорного фланца и отделена от рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе каналами с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, при этом щелевая полость на выходе соединена с межгребешковой полостью регулирующей части, лабиринты и статорные фланцы рабочей и регулирующей частей, соответственно, выполнены за одно целое или скреплены неподвижным соединением, причем F1/F2=1÷20 и Н/δ2=2÷50, где F1 - площадь каналов; F2 - площадь кольцевого зазора между гребешком лабиринта и статором рабочей части уплотнительного устройства; Н - минимальная высота щелевой полости; δ2 - радиальный зазор между первым гребешком лабиринта и статором регулируемой части. 1 ил.
Изобретение относится к уплотнительным устройствам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.
Известно уплотнительное устройство между ротором и статором авиационного двигателя в виде лабиринтного воздушного уплотнения [С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981, стр.120, рис.3.58].
Недостатками такой конструкции являются ее низкие эффективность и надежность из-за возможности «закусывания» этого уплотнения на режимах сброса газа из-за неодинаковой температурной деформации лабиринта и фланца лабиринта.
Наиболее близким к заявляемому является уплотнительное устройство за компрессором газотурбинного двигателя, включающее лабиринт с уплотнительными гребешками, закрепленный на последнем колесе компрессора, и ответное лабиринту неподвижное кольцо с дефлектором, щелеобразная полость между которыми на входе соединена с полостью компрессора низкого давления [Патент РФ №2036312, F01D 11/02, 1995 г.].
Недостатком такого устройства является ее низкая эффективность, т.е. повышенные утечки уплотняемого воздуха при изменении режима работы двигателя или при изменении температуры воздуха на входе в компрессор, а также при износе уплотняющих элементов.
Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении эффективности уплотнительного устройства за счет регулирования расхода охлаждающего воздуха и обеспечения постоянной минимальной величины уплотняемого радиального зазора.
Сущность изобретения заключается в том, что уплотнительное устройство газотурбинного двигателя, включающее рабочую часть, состоящую из лабиринта с уплотнительными гребешками и ответного им статорного фланца, а также дефлектор, образующий с фланцем щелевую полость, согласно изобретению дополнительно содержит регулирующую часть, которая установлена на выходе из рабочей части, состоит из лабиринта с гребешками и статорного фланца и отделена от рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе каналами с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, при этом щелевая полость на выходе соединена с межгребешковой полостью регулирующей части, лабиринты и статорные фланцы рабочей и регулирующей частей, соответственно, выполнены за одно целое или скреплены неподвижным соединением, причем F1/F2=1÷20 и Н/δ2=2÷50, где
F1 - площадь каналов;
F2 - площадь кольцевого зазора между гребешком лабиринта и статором рабочей части уплотнительного устройства;
Н - минимальная высота щелевой полости;
δ2 - радиальный зазор между первым гребешком лабиринта и статором регулируемой части.
Разделение уплотнительного устройства на рабочую часть и установленную на выходе из рабочей регулирующую часть позволяет использовать рабочую часть устройства по своему прямому назначению - уплотнению перетекающего рабочего тела, а регулирующая часть ограничивает и изменяет в зависимости от величины радиального зазора δ2 расход охлаждающего воздуха в щелевой полости, что в свою очередь позволяет корректировать за счет температурной деформации статорного фланца радиальный зазор δ1 по рабочей части, минимизируя тем самым утечки уплотняемого рабочего тела через рабочую часть уплотнительного устройства на всех режимах работы газотурбинного двигателя, что повышает его надежность и экономичность.
Отделение регулирующей части уплотнительного устройства от его рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, позволяет снизить до минимума влияние утечек уплотняемого рабочего тела на величину расхода охлаждающего воздуха, протекающего в щелевой полости, и таким образом повысить точность поддержания минимального радиального зазора δ1 по рабочей части.
Выполнение регулирующей части из лабиринта с гребешками и ответного им статорного фланца позволяет избежать катастрофического износа и разрушения в случае касания гребешками лабиринта статорного фланца, что повышает надежность уплотняемого устройства.
Соединение щелевой полости на выходе с межгребешковой полостью регулирующей части позволяет регулировать расход охлаждающего воздуха, протекающего через щелевую полость, пропорционально величине радиального зазора δ2 между статором и ротором регулирующей части, что позволяет поддерживать минимальную величину радиального зазора δ1 по рабочей части уплотнительного устройства - за счет температурной деформации статорного фланца.
Выполнение за одно целое или взаимно неподвижное соединение лабиринтов и статорных фланцев соответственно рабочей и регулирующей частей уплотнительного устройства позволяет получить синхронное изменение радиальных зазоров δ2 и δ1 за счет совместного радиального перемещения лабиринтов и статорных фланцев регулирующей и рабочей частей, что повышает точность поддержания минимальной величины радиального зазора δ1 на всех режимах работы газотурбинного двигателя.
При F1/F2<1 утечки уплотняемого рабочего тела будут существенно влиять на расход охлаждающего воздуха через щелевую полость, что ухудшит точность поддержания радиального зазора δ1.
При F1/F2>20 существенно увеличиваются габариты уплотнительного устройства, а также напряжения от центробежных сил в лабиринте, что повышает вес и снижает надежность газотурбинного двигателя.
При Н/δ2<2 снижается точность регулирования радиального зазора δ1 по рабочей части из-за существенного влияния гидравлического сопротивления щелевой полости на величину расхода охлаждающего воздуха через щелевую полость, а при Н/δ2>50 существенно возрастают габариты и вес уплотнительного устройства.
На чертеже изображено уплотнительное устройство заявляемой конструкции.
Уплотнительное устройство 1 газотурбинного двигателя, отделяющее полость высокого давления А от полости низкого давления Б, состоит из рабочей части 2 и установленной на выходе из рабочей регулирующей части 3, отделенной от рабочей части 2 с помощью кольцевой полости 4, соединенной на выходе каналами 5 во втулках 6 с полостью низкого давления Б. На входе кольцевая полость 4 соединена с межгребешковыми кольцевыми полостями 7 и 8 рабочей 2 и регулирующей 3 частей уплотнительного устройства 1.
Рабочая часть 2 и регулирующая часть 3 состоят из лабиринтов 9 и 10 соответственно, установленных на роторе 11, и ответных лабиринтам статорных фланцев 12 и 13 с сотовыми вставками 14. Лабиринты 9 и 10, а также статорные фланцы 12 и 13 соответственно выполнены за одно целое или соединены неразъемными соединениями (сваркой, пайкой) либо соединены взаимно неподвижными соединениями (не показано).
С внешней стороны на статорных фланцах 12 и 13 установлен дефлектор 15 с образованием щелевой полости 16, которая на входе 17 соединена с промежуточной ступенью компрессора газотурбинного двигателя (не показано), а на выходе 18 - каналами 19 соединена с межгребешковой кольцевой полостью 8 регулирующей части 3. В щелевой полости 16 протекает охлаждающий воздух 20 из-за промежуточной ступени компрессора. Полость 8 на выходе соединена с полостью низкого давления Б со стороны рабочей части 2 через кольцевой зазор δ2 между передним уплотнительным гребешком 21 лабиринта 10 и фланцем 13, кольцевую полость 4 и каналы 5, а с внешней стороны - через кольцевой зазор δ3 между задним уплотнительным гребешком 22 и статорным фланцем 13.
Лабиринт 9 рабочей части 2 по уплотнительным гребешкам 23 установлен относительно статорного фланца 12 с радиальным зазором δ1.
Работает данное устройство следующим образом.
При монтаже радиальный зазор δ1 между лабиринтом 9 и статорным фланцем 12 рабочей части 2 уплотнительного устройства 1, с целью обеспечения минимальных утечек рабочего тела из полости высокого давления А в полость низкого давления Б устанавливается минимально возможным.
При изменении режима работы газотурбинного двигателя происходит температурная деформация лабиринта 9 и статорного фланца 12, в результате чего возможно врезание уплотнительных гребешков 23 в сотовые вставки 14, что может привести к износу уплотнительного устройства 1 и его разрушению, а также к заклиниванию ротора 11.
Однако этого не происходит, так как синхронно с тепловой деформацией лабиринта 9 и фланца 12 рабочей части 2 происходит деформация связанных с ними лабиринта 10 и фланца 13 регулирующей части 3 с уменьшением радиальных зазоров δ2 и δ3, что приводит к уменьшению расхода охлаждающего воздуха 20 в щелевой полости 16, увеличению температуры статорных фланцев 12 и 13 и к увеличению радиального зазора δ1.
В случае, если в результате температурных деформаций при изменении режима работы газотурбинного двигателя радиальный зазор δ1 излишне увеличится, то синхронно с зазором δ1 произойдет увеличение радиальных зазоров δ2 и δ3, что приведет к увеличению расхода охлаждающего воздуха 20 в щелевой полости 16, уменьшению температуры статорных фланцев 12 и 13 и к уменьшению радиального зазора δ1. Таким же образом парируется и возможный износ уплотнительного устройства 1 по рабочей части 2.
Т.е. данное устройство работает как система с обратной связью, обеспечивая на всех режимах работы минимально возможный, оптимальный радиальный зазор δ1 по рабочей части 2 уплотнительного устройства 1, что обеспечивает минимальные утечки рабочего тела из полости высокого давления А в полость низкого давления Б, повышая тем самым экономичность и надежность газотурбинного двигателя.
Настройка зазора δ1 на минимальную рабочую величину происходит при сборке уплотнительного устройства 1 за счет регулирования радиальных зазоров δ2 и δ3, т.е. за счет изменения расхода охлаждающего воздуха 20 в щелевой полости 16.
Уплотнительное устройство газотурбинного двигателя, включающее рабочую часть, состоящую из лабиринта с уплотнительными гребешками и ответного им статорного фланца, а также дефлектор, образующий с фланцем щелевую полость, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит регулирующую часть, которая установлена на выходе из рабочей части, состоит из лабиринта с гребешками и статорного фланца и отделена от рабочей части кольцевой полостью, соединенной на выходе каналами с полостью низкого давления, а на входе - с межгребешковыми полостями рабочей и регулирующей частей, при этом щелевая полость на выходе соединена с межгребешковой полостью регулирующей части, лабиринты и статорные фланцы рабочей и регулирующей частей соответственно выполнены за одно целое или скреплены неподвижным соединением, причем F1/F2=1÷20 и Н/δ2=2÷50,
где F1 - площадь каналов;
F2 - площадь кольцевого зазора между гребешком лабиринта и статором рабочей части уплотнительного устройства;
Н - минимальная высота щелевой полости;
δ2 - радиальный зазор между первым гребешком лабиринта и статором регулируемой части.
