Турбомашина с надроторным устройством
TURBOMACHINE WITH SHROUD DEVICE

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в осевых турбокомпрессорах для газотурбинных двигателей и установок.
Известна турбомашина с надроторным устройством, содержащая корпус с проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте между полостями высокого и низкого давления с образованием межлопаточных проточных каналов, и кольцевую обечайку надроторного устройства, размещенную в трактовой стенке корпуса с образованием кольцевой полости, сообщенной с межлопаточными проточными каналами, и имеющую уплотнительные кольца, размещенные в кольцевой полости таким образом, что диаметр их внутренней поверхности равен диаметру проточного тракта (US 4466772, 1984).
В известной турбомашине уплотнительные кольца выполнены из материала кольцевой обечайки надроторного устройства в виде выступов, образованных путем изготовления канавок на внутренней цилиндрической поверхности кольцевой обечайки. Процесс выполнения на цилиндрической поверхности канавок, наклонных к оси этой поверхности, является достаточно трудоемким и требует использования высокоточного технологического оборудования.
Поскольку уплотнительные кольца изготовлены из материала надроторного устройства, т.е. из материала с достаточно высокой твердостью, радиальный зазор между торцевой поверхностью лопаток и внутренней поверхностью уплотнительных колец должен быть выполнен увеличенным для гарантированного исключения касания этих поверхностей. При этом повышается величина перетечек через радиальный зазор рабочего тела из полости высокого давления в полость низкого давления, что приводит к снижению эффективности работы турбомашины.
Известна турбомашина с надроторным устройством, содержащая корпус с проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте между полостями высокого и низкого давления с образованием межлопаточных проточных каналов, и кольцевую обечайку надроторного устройства, размещенную в трактовой стенке корпуса с образованием кольцевой полости, в которой наружной частью установлено уплотнительное кольцо, выполненное в виде набора секторных элементов, связанных между собой замковыми частями со стыковочными площадками и торцевыми поверхностями (US 2859934, 1958).
В известной турбомашине уплотнительное кольцо предназначено для герметизации кольцевой полости надроторного устройства, в которую подается охлаждающая среда от межлопаточных проточных каналов. Конструкция уплотнительного кольца практически не влияет на газодинамические характеристики турбомашины, т.к. не позволяет минимизировать величину радиального зазора между торцевой поверхностью лопаток и внутренней поверхностью уплотнительных колец и снизить перетечки рабочей среды из области высокого давления в область низкого давления.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является турбомашина с надроторным устройством, содержащая корпус с проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте между полостями высокого и низкого давления с образованием межлопаточных проточных каналов, и кольцевую обечайку надроторного устройства, размещенную в трактовой стенке корпуса с образованием кольцевой полости, сообщенной с межлопаточными проточными каналами, и имеющую кольцевые пазы, расположенные на внутренней цилиндрической поверхности обечайки, в которых наружной частью установлены уплотнительные кольца, выполненные из материала с твердостью меньшей, чем у материала лопаток рабочего колеса, и размещенные в кольцевой полости таким образом, что диаметр их внутренней поверхности равен диаметру проточного тракта, причем каждое уплотнительное кольцо выполнено в виде набора расположенных наклонно к продольной оси турбомашины секторных элементов, связанных между собой замковыми частями со стыковочными площадками и торцевыми поверхностями (US 8529201, 2013).
В известной турбомашине секторные элементы уплотнительных колец связаны между собой только через стыковочные площадки и торцевые поверхности замковых частей, т.е. имеют возможность относительного перемещения. С кольцевой обечайкой надроторного устройства секторные элементы также связаны не жестко, а с помощью соединительных втулок с возможностью вращательного перемещения вокруг оси втулок.
Поэтому минимизировать радиальный зазор между торцевой поверхностью лопаток и внутренней поверхностью уплотнительных колец в известной турбомашине практически невозможно.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается изобретением, заключается в повышении эффективности работы турбомашины.
Техническим результатом изобретения является снижение перетечек рабочей среды из полости высокого давления в полость низкого давления за счет минимизации радиального зазора между торцевой поверхностью лопаток и внутренней поверхностью уплотнительных колец.
Технический результат достигается за счет того, что турбомашина с надроторным устройством содержит корпус с проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте между полостями высокого и низкого давления с образованием межлопаточных проточных каналов, и кольцевую обечайку надроторного устройства, размещенную в трактовой стенке корпуса с образованием кольцевой полости, сообщенной с межлопаточными проточными каналами, и имеющую кольцевые пазы, расположенные на внутренней цилиндрической поверхности обечайки, в которых наружной частью установлены уплотнительные кольца, выполненные из материала с твердостью меньшей, чем у материала лопаток рабочего колеса, и размещенные в кольцевой полости таким образом, что диаметр их внутренней поверхности равен диаметру проточного тракта, причем каждое уплотнительное кольцо выполнено в виде набора расположенных наклонно к продольной оси турбомашины секторных элементов, связанных между собой замковыми частями со стыковочными площадками и торцевыми поверхностями. Каждый кольцевой паз обечайки снабжен сквозными прорезями по числу секторных элементов уплотнительного кольца, каждый набор секторных элементов снабжен установочным сухарем, расположенным между стыковочными торцевыми поверхностями двух соседних секторных элементов и жестко связанным с ними, а каждый секторный элемент снабжен, по меньшей мере, одним выступом, расположенным на наружной поверхности замковой части, размещенным в сквозной прорези кольцевого паза и жестко связанным с обечайкой, причем стыковочные площадки и торцевые поверхности замковых частей каждого секторного элемента жестко связаны соответственно со стыковочными площадками и торцевыми поверхностями соседних секторных элементов.
Стыковочные торцевые поверхности замковых частей секторных элементов могут быть выполнены с наклоном относительно внутренней поверхности уплотнительного кольца в сторону противоположную направлению вращения рабочего колеса, а жесткая связь секторных элементов с установочным сухарем, обечайкой и между собой выполнена в виде клеевого соединения. Выступы на наружных поверхностях замковых частей могут быть выполнены перфорированными.
Существенность отличительных признаков турбомашины с надроторным устройством подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - снижение перетечек рабочей среды из полости высокого давления в полость низкого давления за счет минимизации радиального зазора между торцевой поверхностью лопаток и внутренней поверхностью уплотнительных колец.
Изобретение поясняется на примере выполнения турбомашины в виде осевого компрессора чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид осевого компрессора с надроторным устройством;
на фиг. 2 показан осевой компрессор с надроторным устройством в поперечном сечении;
на фиг. 3 показано уплотнительное кольцо, выполненное в виде набора секторных элементов;
на фиг. 4 изображен общий вид секторного элемента;
на фиг. 5 показаны уплотнительные кольца, установленные в надроторном устройстве до их механической обработки.
Осевой компрессор содержит корпус 1 с проточным трактом 2, рабочее колесо 3 с лопатками 4, установленное в проточном тракте 2 между полостью 5 высокого давления и полостью 6 низкого давления с образованием межлопаточных проточных каналов 7, и кольцевую обечайку 8 надроторного устройства 9, размещенную в трактовой стенке 10 корпуса 1 с образованием кольцевой полости 11 (фиг. 1, 2). На внутренней цилиндрической поверхности 12 обечайки 8 выполнены кольцевые пазы 13, в которых наружной частью установлены уплотнительные кольца 14, размещенные в кольцевой полости 11, сообщенной с межлопаточными проточными каналами 7.
Причем уплотнительные кольца 14 установлены таким образом, что диаметр их внутренней поверхности равен диаметру проточного тракта 2.
Каждое уплотнительное кольцо 14 выполнено в виде набора расположенных наклонно к продольной оси турбомашины секторных элементов 15, выполненных из материала с твердостью меньшей, чем у материала лопаток 4 рабочего колеса 3 и связанных между собой замковыми частями 16 со стыковочными площадками 17 и стыковочными торцевыми поверхностями 18 (фиг. 2-4).
Каждый набор секторных элементов 15 снабжен установочным сухарем 19, расположенным между стыковочными торцевыми поверхностями 18 двух соседних секторных элементов 15 и жестко связанным с ними, а каждый секторный элемент 15 снабжен, по меньшей мере, одним выступом 20, расположенным на наружной поверхности замковой части 16, размещенным в сквозной прорези 21, выполненной в кольцевом пазу 13. Выступы 20 жестко связаны с обечайкой 8.
Стыковочные площадки 17 и стыковочные торцевые поверхности 18 замковых частей 16 каждого секторного элемента 15 жестко связаны соответственно со стыковочными площадками 17 и стыковочными торцевыми поверхностями 18 соседних секторных элементов 15.
Стыковочные торцевые поверхности 18 замковых частей 16 выполнены с наклоном относительно внутренней поверхности 22 уплотнительного кольца 14 в сторону противоположную направлению вращения рабочего колеса 3. Стыковочные торцевые поверхности 18 скошены под углом а, образованного между касательной к образующей внутренней поверхности 22 секторного элемента 15 и этой поверхностью 18. Это выполнено для того, чтобы при технологической обработке в сборочной единице и при случайном касании лопатки не допустить сколов в области установки соседних секторных элементов 15 резцом или лопатками соответственно.
Секторные элементы 15 скреплены с установочным сухарем 19, обечайкой 8 и между собой с помощью клеевого соединения, а выступы 20 на наружных поверхностях замковых частей 16 выполнены перфорированными для повышения эффективности клеевого соединения, причем перфорация выполнена в виде отверстий 23 (фиг. 4).
Секторные элементы 15 изготавливаются из листового неметаллического композитного материала стандартного сортамента. Установочный сухарь 19 изготавливается с припусками для подгонки в сборке до необходимых габаритов.
Установка уплотнительных колец 14 в надроторном устройстве 9 осуществляется следующим образом.
В кольцевые пазы 13 обечайки 8 изнутри поочередно заводятся секторные элементы 15 таким образом, чтобы их выступы 20 заходили в сквозные прорези 21. Секторные элементы 15, выполненные из листового материала, при установке принимают форму поверхностей кольцевых пазов 13. Установка секторных элементов 15 происходит внахлест за счет выполненных стыковочных площадок 17 на каждой замковой части 16 секторных элементов 15. В последнюю очередь с внешней стороны кольцевой обечайки 8 крепится установочный сухарь 19, который подгоняется таким образом, чтобы выбирать зазоры между стыковочными торцевыми поверхностями 18 всех секторных элементов 15. После этого в сквозные прорези 21 заливается клей, фиксирующий весь пакет секторных элементов 15 и герметизирующий сквозные прорези 21. Для более надежного крепления секторных элементов 15, в каждом из его выступов 20, расположенных на наружной поверхности замковой части 16, предусмотрены сквозные отверстия 23, которые также заполняется клеем.
Для обеспечения жесткости перед механической обработкой объем между уплотнительными кольцами 14 заполняется модельной массой 24, например, парафином (фиг. 5). Далее проводится совместная обработка внутренней поверхности уплотнительного кольца 14, формирующей точный контур газодинамического тракта, с последующим удалением модельной массы 24.
При работе осевого компрессора над торцевой поверхностью лопаток 4 в кольцевой полости 11 между боковыми поверхностями уплотнительных колец 14 возникает кольцевое движение рабочей среды в направлении вращения рабочего колеса 3. На кольцевое движение рабочей среды накладывается переменное по направлению (в зависимости от режима работы) вихревое движение рабочей среды.
Отсутствие перетечек рабочей среды между сочлененными секторными элементами 15 позволяет увеличить скорость движения и вращения потока рабочей среды в пространстве между боковыми поверхностями уплотнительных колец 14 и тем самым снизить перетечки рабочей среды из полости 5 высокого давления в полость 6 низкого давления. Этому способствует и минимизация радиального зазора между торцевой поверхностью лопаток 4 и внутренней поверхностью уплотнительных колец 14.