СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к области регулирования энергетических установок и может быть использована для регулирования радиальных зазоров в проточных частях турбомашины.
Под радиальным зазором (РЗ) понимается зазор между ротором и статором турбомашины. РЗ в газотурбинном двигателе (ГТД) является необходимым элементом, его величина влияет на удельные параметры ГТД. Регулирование РЗ в необходимых пределах является значительным резервом повышения коэффициента полезного действия турбины, уменьшения удельного расхода топлива. Кроме того, в высокоперепадных турбинах уменьшение перетекания газа в РЗ над рабочими лопатками способствует охлаждению верхних сечений лопатки.
В обзоре «Эффективность регулирования радиальных зазоров в ГТД», (ЦИАМ, 1983 г., №161) рассмотрены различные устройства регулирования РЗ в ГТД (пневматические, механические, тепловые). Показано, что наиболее рациональным является тепловое регулирование, при котором РЗ обеспечивается соответствующим тепловым состоянием силовой части корпуса на рассматриваемых режимах, т.е. его термическим расширением. Устройства регулирования РЗ такого типа очень сложны по конструкции.
Наибольшую точность обеспечения минимально допустимого РЗ на каждом режиме работы двигателя дают системы регулирования с обратной связью. Примером теплового регулирования РЗ с обратной связью может служить устройство по авторскому свидетельству 1476992 от 24.08.1987 г., в котором расход охлаждающего воздуха регулируется сервоприводом, сигнал на который поступает от датчика, выполненного в виде струйного элемента.
Известны также устройства регулирования РЗ с обратной связью, у которых каждая надроторная вставка связана с силовым элементом, установленным на корпусе турбины и обеспечивающим необходимое радиальное положение вставки в зависимости от показания датчика, измеряющего зазор.(а.с. 1334817 от 27.08.2005 г.).
В качестве прототипа рассматривается устройство регулирования РЗ (а.с. 1064693 от 14.05.82 г.) в котором в результате наддува и последующей деформации корпуса, выполненного в виде мембранной полости, расход воздуха регулируется струйным датчиком. Недостатком такого устройства является относительная громоздкость и низкая чувствительность.
Технический результат, создаваемый полезной моделью, состоит в обеспечении надежности и упрощении конструкции, точности регулирования РЗ с обратной связью на любом режиме.
Указанный результат достигается тем, что в системе регулирования радиального зазора в проточной части турбомашины, содержащей коническое подвижное кольцо, размещенное в корпусе над гребнями лабиринтного уплотнения, и образующее с корпусом полость наддува, причем полость наддува образована установленным сильфоном, герметично соединенным с корпусом и коническим подвижным кольцом, при этом в полости подвижного кольца выполнены отверстия, сообщающиеся с проточной частью, а отверстия в подвижном кольце выполнены равномерно в пределах от 30-60 градусов по всему торцу.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом.
На фигуре 1 приведен фрагмент конструкции узла турбины, с нерегулируемыми радиальными зазорами: D - между концом пера рабочей лопатки ротора и корпусом турбины и d1. d2 - между гребешками (на роторе) и полкой лабиринтного уплотнения (на статоре)
1
2
лу
рл
На фигуре 2 схематично показана конструкция предлагаемого устройства, где P - давление перед РЗ, Р - давление за РЗ, δ и δ - соответствующие зазоры в лабиринтном уплотнении и конца пера роторной рабочей лопатки.
На фигуре 3 схематично показано перемещение (Δх) подвижного элемента системы регулирования РЗ и связанное с этим изменение зазора (δ) для конца пера рабочей лопатки.
w.
На фигуре 4 схематично показан случай нарушения равновесного состояния - например, диск с лопатками охладился и его радиальные размеры уменьшились на величину ΔR, при этом РЗ увеличился до величины δ.
На фигуре 5 приведена схема восстановления радиального зазора - под действием возросшего давления в сильфонной полости конический подвижный элемент 1 движется вправо в направлении ротора 5 (на величину ΔХ) и РЗ восстанавливается до величины δ+Δδ. Также восстанавливается зазор и между концами перед рабочей лопаткой и надроторной вставки.
На фиг.6 приведен чертеж в изометрии узла соединения конического подвижного элемента 2 или 1 с сильфоном 3 в лабиринтном уплотнении, а также между концом пера рабочей лопатки.
Система регулирования, см. фиг.2, состоит из подвижного элемента 1 с конической внутренней поверхностью со стороны лабиринтного уплотнения или 2 со стороны конца пера рабочей лопатки, снабженной отверстием 4 для забора и прохода воздуха за РЗ. Отверстия 4 выполнены равномерно по всему торцу через 30-60°. Со сдвигом от торца со стороны полости выполнен наружный буртик с которым герметично соединен сильфон 3, который открытой частью герметично соединен со статором.
Система работает следующим образом. Положение конического подвижного элемента зависит от:
- давления газа в промежутке между коническим подвижным элементом и концом пера рабочей лопатки;
- давления газа в сильфонной полости;
- деформации сильфона.
Соответствующий подбор вышеуказанных факторов обеспечивает равновесие сил, действующих на конический подвижный элемент 2 и заданную величину РЗ. При отклонении РЗ от заданной величины изменяется давление за радиальным зазором и посредством каналов 4 (см. фиг.2), прошедший воздух изменяет давление в сильфонной полости. Под действием изменившегося давления в сильфонной полости конический подвижный элемент 2 системы переместится вправо - при увеличении зазора (и соответственно давления в сильфонной полости), или влево - при уменьшении зазора (и соответственно давления в сильфонной полости), т.е. в сторону, направленную на восстановление изменившегося РЗ.
При этом обратная связь выражается в том, что при изменении (увеличения или уменьшения) радиального зазора давление за коническим подвижным элементом и в сильфонной полости также изменяется, вызывая перемещение конического подвижного элемента в сторону восстановления заданной величины радиального зазора.
При запуске холодной турбомашины конические подвижные элементы 2 и 1 занимают крайнее левое положение, которое обеспечивается жесткостью сильфона и радиальный зазор при этом максимальный. С увеличением частоты вращения давление в сильфонной полости растет и конические подвижные элементы движутся вправо, преодолевая жесткость сильфона. Радиальный зазор уменьшается до определенной величины, так как при дальнейшем уменьшении РЗ давление в сильфонной полости также уменьшается и конические подвижные элементы занимают положение определяемое равновесием действующих на них сил. В дальнейшем при различных возмущающих факторах (например, изменении температурного состояния ротора или статора), влияющих на величину РЗ, последний поддерживается в определенных пределах за счет наличия обратной связи.
Преимуществом заявляемого устройства является простота конструкции и небольшие габариты, что позволяет его использовать в том числе для регулирования РЗ в лабиринтных уплотнениях. Кроме того устройство экономично, так как не требует дополнительного расхода рабочего газа или воздуха.