СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА

Для исключения возможности касания статора и ротора газотурбинного двигателя (ГТД) необходимо наличие радиального зазора (РЗ) между ними, но величина его должна быть минимальна, так как она определяет расход газа, перетекающий через вышеуказанный зазор. Этот газ не участвует в создании полезной работы и ухудшает охлаждение верхних сечений лопатки, поэтому выдерживание РЗ в необходимых пределах является значительным резервом повышения к.п.д. турбины и уменьшения удельного расхода топлива.
При этом наибольшая точность обеспечения минимально допустимого РЗ на каждом режиме работы двигателя возможна только при создании системы регулирования с обратной связью, когда воздействие на РЗ управляющим элементом осуществляется по результатам изменения РЗ - либо его непосредственного измерения, либо измерения величины, зависящей от РЗ, например, перепада давления газа в зазоре на входе и на выходе из рабочего колеса турбины.
Существуют различные способы регулирования РЗ между лопатками и корпусом турбины (пневматическое, механическое, тепловое), наиболее широко применяется тепловое регулирование, при котором РЗ обеспечивается соответствующим тепловым состоянием силовой части корпуса на рассматриваемых режимах, т.е. его термическим расширением. Недостатком этого метода является большая тепловая инерция.
На некоторых конструктивных проработках системы регулирования РЗ с обратной связью предлагается каждую надроторную вставку конструктивно связывать с силовым элементом (гидравлическим цилиндром), установленном на корпусе турбины и обеспечивающим необходимое радиальное положение вставки в зависимости от показания датчика, измеряющего зазор. Но такой способ регулирования РЗ. значительно усложняет конструкцию корпуса турбины и утяжеляет ее.
Из перспективных конструкторских разработок систем регулирования РЗ следует отметить т.н. «бесконтактные пальчиковые уплотнения» (Braun M. et al. Numerical Simulation and an Experimental Investigation of a Finger Seal, NASA/CP-214383, 2006 и Braun M., Proctor M., et al. Structural and Dynamic Considerations Towards the Design of a Padded Finger Seal, AIAA-4698, 2003 - U.S. Patent №5,755,445 от 26 мая 1998, Honeywell (AlliedSignal), U.S. Patent №6,196,550 B1 от 6 марта 2001, Honeywell (AlliedSignal) и U.S. Patent №6,811,154 B2 от 2 ноября 2004, NASA). Однако сложность конструкции и связанная с этим ее недостаточная проработка не позволяют судить о ее практическом применении.
В этом плане более продвинутыми являются т.н. «щеточные уплотнения» - R.E. Chupp, R.C. Hendricks, S.B. Lattime, B.M. Steinetz. Sealing in Turbomachinery. NASA (Glen Research Center, Cleveland, Ohio) / TM (Timken Company, North Canton, Ohio), August 2006, но и здесь имеются проблемы, связанные с неизбежным трением, и соответственно с отводом выделяющегося тепла, потерей упругости и в конце концов к утечкам газа.
Дальнейшую разработку «пальчиковые уплотнения» получили в Российской Федерации, так, например, патенты 244250 и 2425271. Но полностью избавиться от вышеперечисленных недостатков, присущих этой конструкции, не удалось. Кроме того, и щеточные и пальчиковые уплотнения требуют обязательного наличия бандажной полки.
Предлагаемая конструкция отличается простотой, не требует наличия бандажной полки, и позволяет выдерживать минимальный радиальный зазор, величина которого ограничена только технологическими возможностями изготовления входящих деталей.
Техническим результатом в заявляемой полезной модели является уменьшение РЗ до минимальной величины, определяемой лишь технологическими возможностями производства, а также поддержание этой величины при изменении режимов работы двигателя. Этот технический результат достигается конструктивными особенностями надроторного устройства и механизмом управления РЗ с обратной связью. Надроторное устройство в заявляемой полезной модели представляет собой совокупность вставок 1 (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), частично входящих друг в друга так, что их внутренняя свободная, не перекрытая соседними вставками поверхность образует цилиндрическую поверхность, концентричную поверхности, образованной торцами лопаток. При этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной вставками, может меняться при радиальных перемещениях вставок, соответственно изменяя величину регулируемого РЗ. Ввиду малых отклонений РЗ от номинальной величины профиль внутренней поверхности вставок можно считать цилиндрическим во всем диапазоне регулирования. Количество вставок определяется прежде всего геометрическими параметрами турбины, а также желаемой точностью отслеживания величины РЗ и может колебаться в пределах от 20-ти до 60-ти. В приводимой в качестве примера конструкции турбины количество вставок составляет 40 штук. Каждая вставка 1 может перемещаться только в радиальном направлении (фиг.4) благодаря штифту 34, закрепленному на боковой поверхности силового кольца 7, и входящему в радиальную прорезь 33 вставки 1. Силовое кольцо 7 крепится на корпусе турбины 11 и неподвижно относительно него. При радиальных перемещениях вставки частично входят или выходят друг из друга, соответственно уменьшая или увеличивая диаметр образуемой ими цилиндрической поверхности (фиг.1, 2). Положение вставок 1 определяется поворотом управляющего кольца 3 благодаря тому, что оси 2, входят в отверстия управляющего кольца 3, и также оси 2 входят в косые прорези 6 вставок 1 (фиг.1, 2), так, что при повороте управляющего кольца 3 на вставки оказывается силовое воздействие (фиг.7), что заставляет их перемещаться. Управляющее кольцо 3, в свою очередь, поворачивается под действием штоков 5 силовых агрегатов 4, расположенных по окружности и крепящихся к силовому кольцу 7 (фиг.1÷5). Количество силовых агрегатов также определяется геометрическими данными турбины и величиной необходимого момента сил для поворота управляющего кольца 3. Штоки 5 силовых агрегатов шарнирно крепятся к управляющему кольцу, а другим концом жестко крепятся к мембранам 35, расположенным в корпусах силовых агрегатов. Под действием перепада давления воздуха на мембранах, последние прогибаются и перемещают штоки. Схема действия сил представлена на фигуре 7 (рассматривается случай уменьшения радиального зазора). В результате перепада давления в полостях 13 и 14 силового агрегата 4, воздействующего на мембрану, появляется сила Fшт. Проекция этой силы на нормаль к радиальному направлению - Fск - определяет момент сил, вращающих управляющее кольцо 3. В свою очередь, проекция силы Fск на нормаль к плоскости косой прорези 6 в месте контакта с осью 2 - это сила Fвс, с которой управляющее кольцо 3 через ось 2 действует на вставку 1, а проекция этой силы на радиальное направление - Fn - это и есть сила, которая перемещает вставку 1 в радиальном направлении. Граничные перемещения вставок из положения 1min в положение 1max представлены на фигуре 6. При повороте управляющего кольца 3 на угол Ф, РЗ изменится на величину P.
Перепад давления воздуха на мембранах задает механизм управления 24 (фиг.5) с обратной связью, на вход которого подается перепад давления газа на лопаточном венце, отбираемый трубопроводами 19, 29 и зависящий от фактической величины РЗ, а на выходе имеем перепад давления воздуха, который поступает через трубопроводы 15, 16 на мембраны силовых агрегатов. Механизм управления 24 (фиг.8) содержит цилиндры с помещенными в них подпружиненными поршнями 25, 27, 32, золотниками 26, 29, 30 а также трубопроводы, соединяющие подпоршневые полости механизма управления РЗ с подмембранными полостями силовых агрегатов и с местами отбора давления газа на лопаточном венце.
Вышесказанное дополняют чертежи, размещенные на фигурах 1÷11 и пояснения к ним.
На фигуре 1 приведен вид D (фиг.3) на диск турбины с лопатками и вставками.
Здесь: 1 - вставка; 3 - управляющее кольцо; 4 - силовой агрегат; 7 - силовое кольцо; 8 - лопатка, 9 - диск турбины;.
На фигуре 2 показан фрагмент A (фиг.1). Здесь: 1 - вставка; 2 - ось; 3 - управляющее кольцо; 4 - силовой агрегат; 5 - шток; 6 - косая прорезь; 7 - силовое кольцо; 8 - лопатка; 9 - диск турбины.
На фигуре 3 приведено сечение B-B (фиг.2). Здесь: 1 - вставка; 2 - ось; 3 - управляющее кольцо; 7 - силовое кольцо; 8 - лопатка; 10 - верхняя ось крепления силового агрегата; 11 - корпус турбины.
На фигуре 4 приведено сечение C-C (фиг.2). Здесь: 1 - вставка; 3 - управляющее кольцо; 7 - силовое кольцо; 8 - лопатка; 11 - корпус турбины; 12 - нижняя ось крепления силового агрегата; 33 - радиальная прорезь во вставке, 34 - штифт в силовом кольце.
На фигуре 5 приведена схема активного регулирования РЗ с обратной связью с помощью механизма управления. Здесь: 1 - вставка; 4 - силовой агрегат; 13 - штоковая полость силового агрегата 4; 14 - надштоковая полость силового агрегата 4; 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 - трубопроводы; 24 - механизм управления.
На фигуре 6 показан случай возможного граничного положения вставок: при повороте управляющего кольца 3 на угол Ф вставки из положения 1min перейдут в положение 1max, при этом изменение зазора составит величину P.
На фигуре 7 показаны силы, действующие на вставки 1 со стороны силового агрегата 4.
На фигуре 8 показан случай, когда система находится в равновесии. Здесь: 4 - силовой агрегат; 13 - штоковая полость силового агрегата 4; 14 - надштоковая полость силового агрегата 4; 15, 19, 20, 21, 23 - трубопроводы; 25, 32 - поршни; 26, 29, 30 - золотники; 35 - мембрана.
На фигуре 9 показан случай, когда система регулирования работает на закрытие радиального зазора. Здесь: 4 - силовой агрегат; 14 - надштоковая полость силового агрегата 4; 15, 19, 20, 21, 23 - трубопроводы; 25, 27 - поршни; 26, 29, 30 - золотники; 28 - подвижный цилиндр; 35 - мембрана.
На фигуре 10 показан случай, когда система регулирования работает на раскрытие радиального зазора. Здесь: 4 - силовой агрегат; 13 - штоковая полость силового агрегата 4; 17, 19, 20, 22 - трубопроводы; 25, 27 - поршни; 26, 29 - золотники; 28 - подвижный цилиндр.
На фигуре 11 показан «аварийный» случай, когда радиальный зазор оказался меньше допустимого и система регулирования работает на его раскрытие. Здесь: 4 - силовой агрегат; 13 - штоковая полость силового агрегата 4; 15, 19, 20, 22 - трубопроводы; 25, 27 - поршни; 26, 29 - золотники; 28 - подвижный цилиндр.
Система работает следующим образом (фиг.1÷11):
Перепад давления газа на лопаточном венце на радиусе, соответствующему РЗ, зависит от величины РЗ и обратно пропорционален ему. Этот перепад по трубопроводам 19 и 20 подводится в подпоршневые полости поршня 25 механизма управления 24. Если РЗ соответствует заданному, то поршень 25 находится в равновесии, как и вся система целиком, что отражено на фигуре 8. Подача давления воздуха в полости 13 и 14 силового агрегата 4 через трубопроводы 15, 16 и 17 перекрыта золотниками 26, 29 и 30.
Ситуация отклонения радиального зазора от номинала в сторону увеличения представлена на фигуре 9. При этом перепад давления газа на лопаточном венце, переданный по трубопроводам 19 и 20 в подпоршневые полости поршня 25 изменится (уменьшится) и поршень 25 переместится влево, перемещая соединенный с ним через шток золотник 26, который откроет отверстие подвода давления воздуха через трубопровод 23 в левую полость поршня 27. Поршень 27, перемещаясь вправо, переместит соединенный с ним подвижный цилиндр 28, золотник 29 которого откроет отверстие, подводящее давление воздуха в трубопровод 21, через который это давление будет подано в правую полость золотника 30 и далее по трубопроводу 15 будет подано в полость 14 силового агрегата 4. Шток силового агрегата выдвинется и переместит управляющее кольцо 3 на некоторый угол по часовой стрелке, что повлечет перемещение вставок к центру, то есть на уменьшение радиального зазора.
Ситуация отклонения радиального зазора от номинала в сторону уменьшения представлена на фигуре 10. Перепад давления газа на лопаточном венце, переданный по трубопроводам 19 и 20 в подпоршневые полости поршня 25 изменится (увеличится) и поршень 25 переместится вправо, перемещая соединенный с ним через шток золотник 26, который откроет отверстие подвода давления воздуха через трубопровод 22 в правую полость поршня 27. Поршень 27, перемещаясь влево, переместит соединенный с ним подвижный цилиндр 28, золотник 29 которого откроет отверстие, подводящее давление воздуха в трубопровод 17, который это давление подведет в полость 13 силового агрегата 4. Шток силового агрегата вдвинется и переместит управляющее кольцо 3 на некоторый угол против часовой стрелки, что повлечет перемещение вставок от центра, то есть на увеличение радиального зазора.
Аварийный случай, когда радиальный зазор по каким-либо причинам станет меньше допустимого, представлен на фигуре 11. В конце трубопровода 18 установлен жиклер (на фигуре не показан), выходящий в радиальный зазор, и если величина радиального зазора становится меньше допустимой, из-за увеличенного гидравлического сопротивления давление воздуха в трубопроводе 18 и полости под поршнем 31 возрастает. Поршень 31 вместе с золотником 30 движется вправо, открывая подвод воздуха в трубопровод 16, и далее, в полость 13 силового агрегата 4, что приводит к повороту управляющего кольца 3 на раскрытие (увеличение) радиального зазора.
Как видно из вышеизложенного, предлагаемая полезная модель обладает простотой и надежностью конструкции, а за счет гибкого регулирования с обратной связью может обеспечить значительное, определяемое только технологическими возможностями производства, сокращение перетекания газа в радиальном зазоре, что позволит увеличить КПД турбины и повысит удельные параметры двигателя.