Устройство уравновешивания осевого давления ротора турбомашины
DEVICE FOR BALANCE OF ROTOR AXIAL PRESSURE OF TURBOMACHINE

Изобретение относится к области авиастроения и может быть использовано для проведения наземных испытаний авиационных компрессоров при снятии их характеристик, а также в центробежной технике, турбостроении, станкостроении и т.д.
В процессе работы компрессора возникают осевые силы, действующие на его рабочие колеса. В крупных многоступенчатых компрессорах осевые силы на рабочих колесах могут достигать нескольких десятков тонн. Кроме того, при работе компрессора вследствие нагрева необходимо обеспечить свободное тепловое расширение ротора и статора. Поэтому осевое фиксирование ротора осуществляют в одной точке - одним радиально-упорным подшипником. У прочих опор обычно устанавливают опорные роликовые или шариковые подшипники (Г.А. Кузьмин. Конструкция авиационных двигателей. М., Оборонгиз. 1962, с. 167, п. 7.5).
Для частичного или полного восприятия осевой силы, воздействующей на радиально-упорный подшипник ротора компрессора при испытании на стенде, возможно использование устройства уравновешивания. Использование устройства уравновешивания предпочтительней, так как из-за наличия тепловых расширений и технологических отклонений размеров трудно обеспечить равномерную передачу усилий при наличии несколько радиально-упорных подшипников.
Сведения о прочности и охлаждении турбин предпочитают получать при испытаниях всего двигателя или на стендах, позволяющих испытывать весь горячий тракт двигателя (Э.Л. Солохин. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей. М., Машиностроение, 1975, с. 183, 184).
Известна принципиальная схема разгрузки радиально-упорного подшипника ротора ГТД от осевой силы (А.А. Гарькавый и др. «Двигатели летательных аппаратов». М., Машиностроение, 1987, с. 217, рис. 7.57). Для снижения осевой силы в полость А по трубопроводу подают воздух с повышенным давлением от одной из промежуточных ступеней компрессора, а полость Б соединяется патрубком с атмосферой. Вследствие этого возрастает сила, действующая на передний торец ротора, и уменьшается осевая сила, действующая на задний торец ротора и радиально-упорный подшипник. Это повышает ресурс подшипника. Однако отбор воздуха из проточного тракта компрессора ведет к снижению его к.п.д.
Известно автоматическое регулирующее устройство уравновешивания осевых сил ротора (патент США №4578018, НКИ 415/14, 1986). Осевые силы на роторе возникают вследствие газодинамического и газостатического воздействия воздушного потока на рабочие лопатки ротора. Устройство уравновешивания ротора, включающего вал с радиально-упорным подшипником, содержит гидравлическое устройство, установленное в корпусе газотурбинного двигателя (ГТД), и электромеханическое устройство. Гидравлическое устройство включает источник давления жидкости (масла) и кольцевую камеру, подключенную к источнику давления.
Корпус ГТД и ротор соединены между собой через соосную ротору кольцевую камеру. Внутреннее кольцо подшипника установлено на роторе, а наружное кольцо расположено в корпусе ГТД.
Электромеханическое устройство содержит тензодатчик, установленный на наружном кольце подшипника, усилитель сигнала тензодатчика и управляющее устройство. Выход тензодатчика через усилитель сигнала и управляющее устройство подключен к источнику давления жидкости. При осевой нагрузке на подшипник выше заданной с тензодатчика через усилитель и управляющее устройство подают сигнал на включение источника давления жидкости. Из источника жидкость под давлением направляют в кольцевую камеру и создают на роторе противодействующую нагрузку, которая разгружает подшипник. Это устройство уравновешивания осевых сил обеспечивает достижение заданного ресурса ГТД. Недостатком такого устройства является наличие жидкостных уплотнений, контактирующих с высокооборотными деталями ротора. Работоспособность жидкостных уплотнений может влиять на снижение ресурса ГТД.
Известно устройство для разгрузки упорного подшипника от осевых усилий в паровой турбине (Авторское свидетельство СССР №33311). Устройство содержит ступенчатый поршень с расположенными по обе стороны от него камерами и трубопроводами (думмис). Одна из камер соединена трубопроводом с полостью отбора пара, а камера, помещенная с другой стороны думмиса, - с емкостью постоянного давления. Изменение перепадов давлений на отдельные ступени уравновешивает противоположно направленные изменения осевых усилий по проточной части при увеличении или уменьшении расхода пара на турбину. Устройство обеспечивает надежность изменения расхода отбираемого пара. Недостатком устройства является большое количество переключающей арматуры.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является разгрузочное устройство стенда для испытания полноразмерного компрессора в наземных условиях (Э.Л. Солохин. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей. М., Машиностроение, 1975, с. 184, рис. 5.4).
Стенд для испытания полноразмерного компрессора ГТД в наземных условиях содержит компрессор с валом, соединенным последовательно с разгрузочным устройством. Разгрузочное устройство выполнено в виде полого корпуса и установленного в корпусе дискового поршня сопрягаемого с валом компрессора и делением корпуса на две полости с каналами подвода и отвода сжатого воздуха в каждую полость.
Устройство уравновешивания уменьшает воздействие осевой силы на радиально-упорный подшипник. Однако из опыта проведения испытаний компрессоров при оборотах однокамерного разгрузочного устройства свыше 8000 об/мин и осевой нагрузке порядка 15000 кгс, выявлено, что происходит нагрев корпуса разгрузочного устройства до температуры 120°C и более за счет трения воздуха о дисковый поршень. Это недопустимо из-за последующей деформации конструктивных элементов стенда.
Таким образом, существует проблема, заключающаяся в перегреве корпуса уравновешивающегося устройства при увеличении оборотов компрессора на стенде свыше 8000 об/мин.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в увеличении теплосъема с дискового поршня и полого корпуса устройства уравновешивания.
Поставленная техническая проблема решается тем, что устройство уравновешивания осевого давления ротора турбомашины содержит полый корпус и установленный в корпусе дисковый поршень с центральным валом и делением корпуса на две полости с каналами подвода и отвода сжатого воздуха в каждую полость.
Новым в изобретении является то, что устройство дополнительно содержит блок управления и датчик перемещений. Один конец центрального вала устройства уравновешивания снабжен центральным резьбовым гнездом, а оба конца вала - наружными шлицевыми поясами. Дисковый поршень установлен в полом корпусе на опорах в виде роликовых подшипников с возможностью прямолинейных возвратно-поступательных перемещений вдоль направления осевой нагрузки и обеспечен уплотнениями по опорам и наружному диаметру поршня. В полостях устройства расположены кольцевые водяные теплообменники с подводом и отводом воды. Теплообменники установлены так, что делят добавочно каждую полость устройства на две кольцевые полости. Полости сообщаются между собой в зонах периферии и опор поршня с формированием поперечных радиально-круговых воздушных каналов, связанных пневматически с каналами подвода и отвода сжатого воздуха. Датчик перемещения установлен на корпусе устройства с возможностью контроля осевого положения поршня и электрически связан с блоком управления.
При таком устройстве уравновешивания осевого давления ротора турбомашины:
- дополнительное наличие датчика перемещений поршня и блока управления позволяет уравновешивать осевое давление на роторе турбомашины за счет установки поршня по заданной программе в необходимое положение;
- наличие на одном конце вала центрального резьбового гнезда позволяет через стяжной винт раздельно передавать с дискового поршня уравновешивающее осевое давление на ротор турбомашины;
- наличие на обоих концах центрального вала дискового поршня наружных шлицевых поясов обеспечивает раздельную передачу через устройство уравновешивания крутящего момента на ротор турбомашины с оборотами до 20000 об/мин;
- уплотнение поршня по опорам и наружному диаметру с делением корпуса на две герметичные полости, в которых расположены кольцевые водяные теплообменники с подводом и сливом воды, повышает в герметичных полостях быстродействие изменения давления воздуха и регулирования уравновешивающего давления на ротор турбомашины;
- установка водяных теплообменников с подводом и отводом воды в двух полостях так, что они делят добавочно каждую полость устройства уравновешивания на две кольцевые полости, сообщающиеся между собой в зонах периферии и опор поршня с формированием поперечных радиально-круговых воздушных каналов, связанных пневматически с каналами подвода и отвода сжатого воздуха, обеспечивает воздушный нагрев устройства уравновешивания до температуры не более 100°C на оборотах ротора компрессора до 20000 об/мин;
- наличие у устройства уравновешивания дискового поршня с двумя противоположными полостями, снабженными каналами подвода и отвода сжатого воздуха, обеспечивает независимый подвод сжатого воздуха в каждую полость и отвод его из полостей по управляющей команде для изменения осевого давления поршня на ротор турбомашины при свободном перемещении поршня относительно корпуса;
- расположение кольцевых воздушно-водяных теплообменников с подводом и отводом воды в двух полостях устройства с боковых сторон дискового поршня обеспечивает охлаждение поршня и корпуса по всему объему устройства;
- расположение кольцевых водяных теплообменников с формированием в полостях радиально-кольцевых воздушных каналов повышает к.п.д. воздухо-водяного охлаждения устройства за счет нагрева воздушных потоков от дискового поршня и их охлаждение с нагревом стенок водяных теплообменников;
- установка датчика перемещения на корпусе устройства с возможностью контроля осевого положения поршня и электрическая связь датчика с блоком управления позволяет определить изменение величины и направления осевого давления на ротор турбомашины по заданной зависимости от положения поршня и оперативно реагировать на ее изменение по командам из блока управления.
Существенные признаки изобретения могут иметь дополнение и развитие:
- выходы каналов подвода и отвода сжатого воздуха в каждую полость устройства уравновешивания могут быть размещены в зоне роликовых подшипников. Это обеспечивает дополнительное радиальное охлаждение диска от оси вала устройства;
- кольцевые водяные теплообменники устройства уравновешивания могут быть снабжены внутренними радиальными ребрами, расположенными поочередно на кольцевых стенках наибольшего и наименьшего диаметра. Это обеспечивает более высокий к.п.д. съема тепла с поверхностей теплообменников в воду;
- уплотнения опор и наружного диаметра поршня могут быть выполнены лабиринтными в виде кольцевых гребешков. Это обеспечивает надежное бесконтактное уплотнение полостей устройства уравновешивания при оборотах поршня до 20000 об/мин.
Как показывают расчеты, использование внутренних кольцевых воздушно-водяных теплообменников позволяет выполнять испытания с оборотами вала ротора компрессора до 24000 об/мин.
Таким образом, решена поставленная в изобретении проблема нагрева устройства вследствие трения воздуха о диск поршня до температуры не более 100°C при допустимом увеличении оборотов ротора до 20000 об/мин.
Настоящее изобретение поясняется последующим описанием устройства уравновешивания осевого давления ротора турбомашины при стендовых испытаниях со ссылкой на фиг. 1, 2:
на фиг. 1 изображено в разрезе устройство уравновешивания осевого давления ротора турбомашины;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Устройство уравновешивания осевого давления ротора турбомашины содержит (см. фиг. 1) полый корпус 1 и установленный в корпусе дисковый поршень 2 с центральным валом 3 и делением корпуса 1 на две полости Б и В с каналами 4, 5 подвода и отвода сжатого воздуха в каждую полость. Устройство дополнительно содержит блок 6 управления и датчик 7 перемещения. Один конец вала 3 снабжен центральным резьбовым гнездом 8, а оба конца вала - наружными шлицевыми поясами 9, 10. Дисковый поршень 2 установлен в полом корпусе 1 на опорах 11, 12 в виде роликовых подшипников с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения вдоль направления осевой нагрузки. Поршень 2 также обеспечен уплотнениями 13, 14 соответственно по опорам 11, 12 и уплотнением 15 по наружному диаметру поршня 2. В полостях Б и В устройства расположены кольцевые водяные теплообменники 16, 17 с подводом и отводом воды. Теплообменники 16, 17 установлены так, что делят добавочно каждую полость Б и В устройства на две кольцевые полости. Добавочные полости сообщаются между собой в зонах периферии и опор поршня 2 с формированием поперечных радиально-круговых воздушных каналов, связанных пневматически с каналами 4, 5 подвода и отвода сжатого воздуха. Датчик 7 перемещения установлен на корпусе 1 устройства уравновешивания с возможностью контроля осевого положения поршня 2 и электрически связан с блоком управления 6 (не показано). Выходы каналов 4, 5 подвода и отвода сжатого воздуха в каждую полость Б и В размещены соответственно в зоне роликовых подшипников 11, 12. Кольцевые водяные теплообменники 16, 17 снабжены внутренними радиальными ребрами 18, 19 (фиг. 2), расположенными поочередно на кольцевых стенках наибольшего и наименьшего диаметра. Уплотнения 13, 14 опор 11, 12 и уплотнение 15 наружного диаметра поршня 2 выполнены лабиринтными, в виде кольцевых гребешков.
При проведении испытаний на стенде турбомашины, например компрессора, устройство уравновешивания работает следующим образом.
Работающий компрессор создает давление воздуха на выходе, а возникающий перепад давлений воздуха на выходе и входе компрессора создает осевое давление на роторе, которое передается (не показано) на вал 3 дискового поршня 2 (см. фиг. 1). При этом поршень 2 начинает перемещаться, что отслеживается датчиком 7 перемещения, установленным на корпусе 1. Далее в зависимости от нагрузки на поршень 2 из блока управления 6 подается команда на изменение рабочего давления воздуха, поступающего в полости Б и/или В устройства для осевого уравновешивания ротора компрессора. Создаваемое на поршне 2 осевое давление передается стяжным винтом, закрепленным в резьбовом гнезде 8 вала 3 на ротор компрессора (не показано). Вращающийся дисковый поршень 2 в полостях Б и В за счет сил трения нагревает и разгоняет окружающий его сжатый воздух в тангенциальном направлении. Это вызывает в каждой полости, примыкающей к диску поршня 2, появление в воздухе центробежных сил. Под действием центробежных сил воздух движется в радиальном направлении от оси поршня 2 к его периферии, образуя у оси поршня зону пониженного давления и создавая на периферии поршня зону повышенного давления. Из периферийной зоны повышенного давления воздух по каналам между водяными теплообменниками 16, 17 и стенками корпуса 1 устройства уравновешивания перетекает в зону пониженного давления у центрального вала 3, отдавая тепло в стенки водяных теплообменников. Вода, которая идет на проток в теплообменниках 16, 17, отнимает тепло от воздушных потоков. При этом температура воды на входе и выходе из теплообменников 16, 17 контролируется, а расход воды регулируется (не показано).
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить теплосъем с устройства уравновешивания осевого давления ротора турбомашины с обеспечением температуры устройства не более 100°C при увеличении допустимых оборотов ротора компрессора до 20000 об/мин, что позволяет найти широкое применение предлагаемому техническому решению не только в авиационных двигателях, но и в других роторных машинах и двигателях, паросиловых установках, станкостроении и т.д.