ТУРБОМАШИНА

Полезная модель относится к области авиационного, судового и наземного газотурбинного двигателестроения, и может найти применение для минимизации радиального зазора между лопатками статора и ротором турбомашин.
Известна турбомашина, содержащая рабочие колеса и металлические проставки между ними. Для исключения разрушения ротора в случае касания лопаток статора о проставку, она выполнена двухъярусной, состоящей из 2-х колец, соединенных между собой радиальной кольцевой перемычкой. Силовую нагрузку несет внутреннее кольцо, а наружное кольцо выполняет функцию трактообразующей поверхности проточной части.
Между торцами лопаток статора и наружным кольцом проставки имеется радиальный зазор для исключения касания лопаток статора о ротор, чтобы предотвратить их поломку и возможность возникновения пожара. [Скубачевский С.Г. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М., «Машиностроение», 1974 г. 520 с. - стр.70, рис.3.20].
Эта конструкция обладает большой массой. Кроме того, через имеющийся зазор происходит перетекание рабочего тела против потока, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) турбомашины.
Также известна турбомашина, содержащая ротор с рабочими колесами, между которыми установлены не передающие силовую нагрузку одноярусные трактообразующие тонкостенные металлические проставки, и статорные лопатки, торцы которых расположены с радиальным зазором относительно проставок. [Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30 КУ. Техническое описание. - М.: Машиностроение, 1975, с.37, рис.40-41]
Такая конструкция турбомашины имеет меньшую массу по сравнению с предыдущей, однако выполнение поставок тонкостенными требует их охлаждения воздухом, протекающим внутри ротора, для уменьшения в процессе работы турбомашины их радиального расширения, что существенно усложняет конструкцию. Радиальный зазор в такой турбомашине переменный на разных режимах работы, и имеется вероятность касания торцов лопаток статора о проставку, последствием, которого может стать как износ статорных лопаток, так и возникновение пожара из-за касания металла по металлу. КПД конструкции также снижен из-за перетеканий против потока рабочего тела через радиальный зазор.
Техническим результатом на достижение которого направлена полезная модель, является обеспечение стабильного минимального радиального зазора между ротором и торцами статорных лопаток турбомашины при любых температурных состояниях в процессе работы и, как следствие, повышение ее КПД, предотвращение износа статорных лопаток и пожароопасности, упрощение конструкции ротора из-за отсутствия необходимости охлаждение проставок с внутренней стороны.
Заявленный технический результат достигается тем, что турбомашина содержит ротор с рабочими колесами, между которыми установлены проставки и статорные лопатки, торцы которых расположены с зазором относительно ротора.
Новым в полезной модели является то, что в проставках выполнены полости, в которых установлены кольцевые вставки из композиционного материала (КМ) с близким к нулю коэффициентом температурного расширения на основе волокон бора или углерода. Радиальный зазор торцами статорных лопаток относительно ротора образован с кольцевыми вставками проставок. Кольцевые вставки установлены в полостях проставок с компенсационным зазором δ≥0 относительно их донной части.
При компенсационном зазоре δ=0, напряжения в металле стенки проставки под кольцевой вставкой из КМ больше предела текучести материала проставки.
На прилагаемом чертеже изображена проставка с кольцевой вставкой из КМ.
Турбомашина содержит ротор 1 с рабочими колесами 2, между которыми размещены проставки 3. В проставках 3 выполнены полости 4, в которых с компенсационным зазором δ≥0 установлены кольцевые вставки 5, выполненные из КМ на основе волокон бора или углерода, имеющие коэффициент температурного расширения близкий к нулю. Торцы статорных лопаток 6 установлены с гарантированным минимальным зазором 7 между ними и вставками 5.
Размер компенсационного зазора δ между проставками 3 и вставками 5 подбирается с учетом коэффициента температурного расширения материала проставки, толщины ее донной части, механических свойств материала. Оптимально зазор 5 долен быть равен или больше величины, на которое происходит радиальное температурное расширение донной части проставки.
В случае выполнения компенсационного зазора δ равным нулю, материал донной части проставки должен испытывать напряжения, величина которых больше предела его текучести.
В процессе работы двигателя горячий воздух, проходящий по тракту турбомашины, нагревает проставки 3, в результате чего происходит их расширение в радиальном направлении, при этом температурного расширения вставок 5 не происходит. Это объясняется тем, что при расширении проставки 3 его воздействие на вставку 5 исключено благодаря наличию компенсационного зазора δ, т.к. расширение донной части проставки происходит в пределах этого зазора.
При компенсационном зазоре δ=0 изменение радиального зазора 7 между торцами статорных лопаток 6 и вставками 5 от воздействия проставки 3 на вставку 5 минимально. Кроме того, материал донной части проставки 3 должен испытывает напряжения, величина которых больше предела его текучести, из-за податливости донной части проставки происходит ее деформация в сторону, противоположную вставке 5, что исключает влияние деформации проставки 3 на вставку 5.
Таким образом, такая конструкция турбомашины обеспечивает стабильный минимальный радиальный зазор между торцами статорных лопаток и ротором турбомашины, что позволяет получить максимальный КПД, исключить пожароопасность, снизить массу и предотвратить износ статорных лопаток.