УСТРОЙСТВО ЛАБИРИНТНОГО УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DESIGN OF LABYRINTH SEAL FOR GAS-TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, к устройству уплотнения, включающему лабиринтное уплотнение для роторной части двигателя, расположенное на уровне камеры сгорания.
Более конкретно, изобретение применимо для двигателей, имеющих лабиринтное уплотнение, обеспечивающее уплотнение между выходящим газовым потоком высокого давления и полостью под камерой сгорания, размещенное в диффузионном кожухе сразу же за компрессором высокого давления и валом двигателя.
Лабиринтное уплотнение состоит из цилиндрической части, выполненной за одно целое с ротором и коаксиальной с осью вращения двигателя. На этой части установлен ряд компонентов, выполненных в форме периферийных лопаток или зубцов, размещенных перпендикулярно валу двигателя и имеющих параллельные друг другу узкие свободные края. Зубцы работают вместе с цилиндрической частью, выполненной за одно целое со статором. Каждый зубец удерживается на малом расстоянии от цилиндрической части статора и образует дроссель для любого потока текучей среды, создаваемого разницей давлений уплотнения. Зазор между двумя частями определяет поток утечек через лабиринтное уплотнение. Для предотвращения повреждения зубцов ротора при контакте цилиндрический элемент статора имеет снашивающуюся часть материала, которая подвергается деформации предпочтительно по отношению к материалу зубцов. Например, это может быть пористый материал или материал такого известного в данной области техники типа, как "истираемый".
В случае упомянутого выше лабиринтного уплотнения это средство может использоваться, давая преимущество управления воздушным потоком от компрессора, проходящим через него и направляющимся к вентиляционным ресурсам диска турбины сразу же после камеры сгорания. Этот воздух поступает из полости между диском с лопатками ротора компрессора высокого давления и диффузором. Давление, превалирующее в полости непосредственно после этой примерной точки, определяется дросселем, образованным лабиринтом. Будет показано, что давление может изменяться и это может разрушать ротор, если зазор будет зависеть от изменений, вызванных неконтролируемым расширением зубцов уплотнения. Следовательно, радиальный зазор лабиринта необходимо регулировать.
На некоторых этапах работы двигателя, например при разгоне, воздух из компрессора может быть подвержен влиянию значительного увеличения температуры за очень короткий промежуток времени. Состояние части уплотнения подвержено воздействию высокой температуры, в то время как роторные элементы уплотнения, находящиеся в глубине двигателя, менее подвержены такому воздействию. Таким образом, если две части уплотнения расширяются не одинаково, то имеется тенденция значительного раскрытия зазора. Соответственно предпринята попытка управлять радиальным зазором лабиринта.
Патент США №4554789 раскрывает средства минимизации дифференциального температурного расширения между двумя частями уплотнения для минимизации малого зазора на всех стадиях работы двигателя. Воздух втягивается после диффузора компрессора и направляется через отверстия, выполненные во внутреннем корпусе диффузора камеры сгорания, в круговую полость, охватывающую элементы уплотнения статора. Отверстия выполнены таким образом, что формируют охлаждающие воздушные струи, получаемые путем соударения с наружной стенкой снашивающихся частей уплотнения. На стадии работы в переходном режиме воздух, имеющий высокую температуру, нагревает стенки. Соответственно воздух обеспечивает функции кондиционирования и регулирует расширение зазора. Затем воздух направляется из этой полости посредством калиброванных отверстий прямо в пространство между статором и сегментами ротора, которые он охлаждает.
Будет отмечено, что обод, несущий снашивающиеся части, имеет расположенный ниже по потоку фланец, к которому прикреплен зажимной фланец, выполненный за одно целое со стенкой корпуса диффузора в камере сгорания.
Патент США №5333993 также описывает лабиринтное уплотнение, установленное между компрессором высокого давления и турбиной высокого давления. Вокруг устройства статора уплотнения, несущего пористые элементы, выполнен невентилируемый воздушный зазор. В этом зазоре вокруг упомянутой опоры помещены кольца. Они выполнены из материала, имеющего коэффициент расширения меньший, чем коэффициент расширения уплотнительного кольца. Таким образом поддерживается минимальный зазор между зубцами и пористым материалом при разгоне двигателя.
Данное изобретение направлено на решение, в котором температурная реакция уплотнения регулируется на этапах работы двигателя в переходном режиме для увеличения долговечности уплотнения.
Изобретение также разработано для увеличения стабильности воздушного потока через уплотнение и, таким образом, минимизации перепадов давления, имеющихся в компрессоре.
Изобретение решает эти задачи с помощью устройства лабиринтного уплотнения для газотурбинного двигателя, включающего от входного конца к выходному концу компрессор высокого давления с ротором, лопатки диффузора и зафиксированный элемент стенки, образующий, по меньшей мере, одну часть внутренней оболочки камеры сгорания, причем упомянутое уплотнение содержит часть статора, установленную на элементе стенки посредством крепежного средства с фланцами, и несущую круговую снашивающуюся часть, причем снашивающаяся часть работает вместе с роторным элементом, имеющим периферийные зубцы и выполненным за одно целое с ротором компрессора для образования лабиринтного уплотнения, характеризующегося тем, что, по меньшей мере, один из фланцев крепежного средства является достаточно тяжелым для согласования степени расширения части статора со степенью расширения роторного элемента на этапах разгона двигателя.
Таким образом, с помощью простого устройства изобретение решает проблему проверки зазора лабиринтного уплотнения.
В предпочтительном варианте воплощения элементы стенки имеют вентиляционные отверстия сразу же после крепежного средства. Путем втягивания воздуха сразу после последней ступени компрессора и выполнения калиброванных отверстий должным образом легко регулировать расширение элемента статора на этапах работы двигателя в переходном режиме.
В предпочтительном устройстве статор уплотнения может содержать первую часть, охватывающую снашивающуюся часть, проходящую вниз по потоку во вторую круговую часть, выполненную за одно целое с радиальным крепежным фланцем на ее наружной поверхности, причем наружный крепежный фланец работает вместе с внутренним крепежным фланцем, выполненным за одно целое с элементом стенки для образования крепежного средства.
Вторая часть кругового статора, средство крепления и элемент стенки вместе образуют первую полость. В частности, первая полость заполняется через вентиляционные отверстия.
В соответствии с другим отличительным признаком первая часть круговой части статора с этим элементом образует стенку открытого прохода в направлении к верхнему по потоку концу, в результате чего воздух из вентиляционных отверстий подается в первую полость, затем в этот проход до того, как выпускается выше по потоку лабиринтного уплотнения. Посредством этого получают непрерывное смещение первой части, образуя опору для снашивающихся частей и дополняя стабилизацию этой части по отношению к изменению температуры от перегрева из-за возможного трения.
В соответствии с другим отличительным признаком вторая круговая часть проходит вниз по потоку за фланец в третью часть, причем вторая и третья части образуют канал, направляющий утекающий воздух из компрессора, от стенки оболочки камеры сгорания. Более конкретно, третья часть образует вторую полость с элементом стенки оболочки камеры сгорания.
Изобретение будет лучше понятно, а другие преимущества наглядны после прочтения следующего описания предпочтительного варианта воплощения изобретения и прилагаемого чертежа.
Чертеж представляет торцевой частичный вид газотурбинного двигателя, содержащего устройство лабиринтного уплотнения в соответствии с изобретением.
Двигатель, показанный на чертеже, включает, слева направо, т.е. с верхнего по потоку конца к нижнему по потоку концу по отношению к газовым потокам, ротор 2 с диском 4 компрессора, лопатки которого не показаны. Он является компрессором высокого давления, сообщающимся с диффузором, содержащим жестко закрепленные лопатки 6. Начиная с этого этапа, воздух подается в оболочку 7, содержащую камеру сгорания 8. Видна только часть верхнего конца камеры 8. Оболочка 7 камеры имеет элемент 10 внутренней стенки, который соединяется с лопаткой 6 под платформами 61. Как можно видеть, последние образуют карниз внутри оболочки 7. Элемент 10 стенки выполнен за одно целое с находящейся ниже по потоку стенкой 11, которая видна лишь частично и которая проходит до входного отверстия ступени турбины высокого давления, не показано. Турбина установлена на том же валу 2 ротора и приводится им же. Сам он приводится газами из камеры сгорания.
Уплотнение 41 помещено около воздушной полости между диском 4 и лопатками 6 диффузора. Утекающий воздух F направляется вниз по потоку, где он используется, в частности, для охлаждения частей, соединенных с турбиной. Скорость потока этого воздуха ограничена промежуточным положением лабиринтного уплотнения 20 в пространстве под камерой сгорания.
Уплотнение 20 имеет круговой роторный элемент 28, причем другой конец имеет на его наружной поверхности множество радиальных зубцов 28А, в данном случае пять, размещенных по периферии и параллельных один другому. Может быть только один зубец или более. Уплотнение также образовано элементом 22 статора. Этот элемент включает первую часть 22А, несущую снашивающуюся часть 23. Снашивающаяся часть, которая может быть в одной или нескольких секциях, охватывает зубцы 28А на заданном расстоянии, образующем зазор уплотнения. При работе из-за разницы давлений между двумя сторонами уплотнения воздух протекает вверх по потоку от области высокого давления в область низкого давления на нижней по потоку стороне. Этот поток утечек зависит от зазора. Снашивающаяся часть 23 выполнена из "истираемого" материала с достаточно низкой механической прочностью, чтобы погнуться или эродировать при аварийном трении круговых зубцов о нее.
Элемент статора имеет вторую часть 22В и третью часть 22С. Они имеют круговую форму и переходят одна в другую. Радиальный периферийный фланец 25 приварен или прикреплен любым другим способом к наружной поверхности элемента 22. Фланец 25 прикреплен болтами к радиальному периферийному фланцу 26, выполненному за одно целое с внутренней стороной элемента 10 стенки. Фланец и болты вместе образуют средство крепления 24 элемента 22 статора к элементу 10 стенки. Преимущественно элементы 22В и 22С согласуются так, что образуют круговой канал, отверстие которого определено ротором 2. Этот корпус направляет утекающий воздух из компрессора, циркулирующий к нижнему концу, и обеспечивает выходящий поток, который отклоняется насколько возможно мало. Это уменьшает нагревание воздуха.
Как видно из чертежа, элементы 22В, 10 и 24 вместе образуют исходную круговую полость С1. Высота этой полости С1 между стенками 22В и 10 определяется высотой крепежного средства 24. Ниже крепежного средства 24 по потоку элементы 22С и 10 стенки образуют между собой вторую полость С2. Этот внутренний кожух создает дополнительное преимущество изоляции воздуха, циркулирующего вблизи ротора.
Калиброванные отверстия или вентиляционные отверстия 10А просверлены в стенке 10 непосредственно выше фланца 26 по потоку. Они расположены таким образом, чтобы наполнять полость С1. Эти отверстия 10А выполнены преимущественно наклонными для придания текучей среде начального движения, предшествующего вращению. Они расположены насколько возможно близко к фланцу, чтобы охлаждать его и тем самым управлять перемещением лабиринта для регулирования зазора. Воздух, который уже прошел через полость С1, направляется к проходу, образованному между элементами 10 стенки и элементом 22А статора. Таким образом полость С1 обеспечивает вентиляцию над "истираемой" опорой для ее охлаждения. Ее наклон ограничен почти постоянным зазором на пяти зубцах. Тепло от лабиринтного управления передается на контакт между зубцами и истираемым устройством.
Устройство лабиринтного уплотнения согласно изобретению работает следующим образом.
На этапе разгона двигателя воздух из компрессора находится при высокой температуре. Посредством выбора массивного фланца 25 или 26, имеющего значительную температурную инерцию, увеличивается время ответного расширения элемента 22А статора. Соответственно зазор между статором 22А и частью 23 имеет тенденцию к открытию в меньшей степени, приводя к меньшей скорости потока утечек и повышая эффективность.
Скорость потока воздуха регулируется устройством и калибровкой вентиляционных отверстий 10А таким образом, что расширение статора сопровождается расширением ротора. Более конкретно, площадь зазора полости С1, по меньшей мере, равна или больше, чем площадь отверстий 10А, чтобы не снижать пропускную способность системы. Отверстия 10А определяют скорость охлаждающего потока лабиринта. Наличие первой полости С1 также обеспечивает улучшенное температурное согласование по элементам 22В и 24.
При постоянной конфигурации охлаждение элемента статора получено посредством смещения круговой зоны, охватывающей элемент 22А под стенкой 10.