Устройство регулирования радиального зазора надроторного пространства

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а именно к устройствам регулирования радиального зазора надроторного пространства, и может быть использована в конструкциях высокотемпературных газовых турбин и компрессоров для уплотнения радиальных зазоров.
Для исключения возможности касания статора и ротора газотурбинного двигателя (ГТД) необходимо наличие радиального зазора (РЗ) между ними, величина которого должна быть минимальной, так как последняя определяет расход газа, перетекающий через указанный радиальный зазор. Перетекающий через зазор газ не участвует в создании полезной работы и ухудшает охлаждение верхних сечений лопаток, поэтому обеспечение РЗ в необходимых пределах является значительным резервом повышения к.п.д. турбины или компрессора и уменьшения удельного расхода топлива. На современном уровне развития авиадвигателестроения задачей является уменьшение величины радиального зазора и его сохранение в процессе эксплуатации двигателя. Причиной этого являются полетные нагрузки, приводящие к деформации за счет ползучести материала и эрозии деталей от частиц пыли, находящихся в воздухе. При этом изменение величины РЗ неравномерно по окружности вследствие неравномерного прогрева корпусных деталей, что создает дополнительные трудности регулирования зазора.
Наибольшая точность обеспечения минимально допустимого зазора на каждом режиме работы двигателя возможна при создании системы регулирования с обратной связью, когда воздействие на РЗ управляющим элементом осуществляется по результатам изменения зазора по окружности корпуса турбины соответствующими датчиками.
Известно уплотнительное кольцо, предназначенное для регулирования радиального зазора, содержащее установленное в кольцевом пазу корпуса множество последовательно расположенных дуговых сегментов, взаимодействующих со множеством смещающих элементов. Последние выполнены в виде пружин, каждая из которых взаимодействует с контактными поверхностями двух смежных дуговых сегментов (патент РФ №2445536, кл. F16J15/447, 2011 г.). Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, поскольку пружины, находящиеся в небольшой области кольцевого паза трудно устанавливаются на малых узлах турбины.
Известно пальчиковое уплотнение, предназначенное для регулирования радиального зазора, содержащее примыкающие друг к другу кольцевые детали, каждая из которых содержит равномерно расположенные по окружности пальчики, образованные путем выполнения щелей в кольцевых деталях. При этом по меньшей мере одна из кольцевых деталей имеет выступающие площадки, выполненные за одно целое с соответствующими пальчиками. Кольцевые детали установлены таким образом, чтобы пальчики каждой кольцевой детали перекрывали щели другой кольцевой детали, причем щели и образованные между ними пальчики имеют ответную друг другу зигзагообразную форму (патент РФ №2425271, кл. F16J15/447, 2011 г.). Недостатком известного технического решения является необходимость отвода выделяющегося в результате трения тепла и потеря упругости. Кроме того, пальчиковые уплотнения требуют обязательного наличия бандажной полки.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является устройство регулирования радиального зазора надроторного пространства, выполненное в виде совокупности вставок, частично входящих друг в друга и последовательно расположенных таким образом, что их внутренняя поверхность образует близкую к цилиндрической поверхность, концентричную поверхности, описываемой торцами лопаток, управляющего кольца, соединенного с вставками при помощи осей, входящих в прорези соответствующих вставок и силовых агрегатов, кинематически связанных с управляющим кольцом (патент РФ №142960, кл. F01D5/18, 2014 г.). В известном техническом решении перемещение вставок при повороте управляющего кольца однаковое по всей окружности, поэтому отсутствует возможность максимально компенсировать различие в отклонении РЗ, вызванном отклонением ответной поверхности корпуса от цилиндрической формы из-за неравномерного нагрева или вследствие других причин, вызывающих неравномерное изменение РЗ.
В основу предлагаемого технического решения положена задача повышения эффективности уплотнения надроторного пространства.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в обеспечении равномерного радиального зазора между статором и торцами лопаток ротора ГТД и поддержании зазора при изменении режимов работы двигателя.
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство регулирования радиального зазора надроторного пространства выполнено в виде совокупности вставок, частично входящих друг в друга и последовательно расположенных таким образом, что их внутренняя поверхность образует близкую к цилиндрической поверхность, концентричную поверхности, описываемой торцами лопаток, управляющего кольца, соединенного с вставками при помощи осей, входящих в прорези соответствующих вставок и силовых агрегатов, кинематически связанных с управляющим кольцом. Согласно предложенной полезной модели управляющее кольцо выполнено в виде совокупности секторов, установленных с зазорами между ними, каждый из которых соединен с равным числом вставок, каждый из секторов кинематически связан с соответствующей вставкой, причем количество силовых агрегатов равно числу секторов.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заявленного технического результата, так как выполнение управляющего кольца в виде совокупности секторов, установленных с зазорами между ними, каждый из которых соединен с равным числом вставок, кинематическая связь каждого из секторов с соответствующей вставкой и равенство количества силовых агрегатов числу секторов обеспечивает равномерность радиального зазора по диаметру надроторного пространства и поддержание его при изменении режимов работы двигателя.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно: снабжение устройства дополнительными силовыми агрегатами, кинематически связанными с соответствующими секторами, количество которых равно количеству секторов, что обеспечивает необходимые усилия по перемещению секторов относительно силового кольца.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах, где:
на фиг.1 изображена схема предложенного устройства;
на фиг.2 изображен вид А на фиг.1;
на фиг.3 изображена схема крепления секторов и вставок;
на фиг.4 изображена схема размещения датчиков регулирования зазора.
Устройство регулирования радиального зазора надроторного пространства выполнено следующим образом. В корпусе 1 турбины, содержащей диск 2 турбины с лопатками 3, жестко закреплено силовое кольцо 4 с пазом 5 и установлено управляющее кольцо. Последнее выполнено в виде совокупности секторов 6, каждый из которых содержит соответствующие выступы 7, размещенные в пазу 5 силового кольца 4, причем таким образом, что сектора 6 имеют возможность перемещения относительно силового кольца 4. Смежные сектора 6 установлены с зазором 8 между ними, обеспечивающим радиальное и угловое перемещение секторов 6 относительно силового кольца 4. На каждом из секторов 6 управляющего кольца размещено равное количество вставок 9 с косыми прорезями 10. Вставки 9 кинаматически связаны с секторами 6 при помощи соответствующих осей 11, размещенных в косых прорезях 10 вставок 9. При этом последние частично входят друг в друга, а их совокупность расположена последовательно таким образом, что внутренняя поверхность вставок 9 образует близкую к цилиндрической поверхность, концентричную поверхности, описываемой торцами лопаток 3. По окружности силового кольца 4 размещены силовые агрегаты, кинематически связанные с секторами 6 управляющего кольца, при этом количество агрегатов соответствует числу секторов 6. Каждый силовой агрегат выполнен в виде жестко закрепленного на силовом кольце 4 корпуса 12, в котором установлен шток 13, один конец которого шарнирно связан с соответствующей секцией управляющего кольца 6, а другой конец жестко связан с установленной в корпусе 12 мембраной (на чертеже не показана). Устройство снабжено датчиками 14 измерения отклонения радиального зазора, каждый из которых закреплен на соответствующем секторе 6 и при помощи линии 15 связи соединен с блоком 16 управления, а последний при помощи линий 17 связи соединен с соответствующими силовыми агрегатами.
Устройство работает следующим образом. Датчики 14 измерения величины радиального зазора располагаются по окружности управляющего кольца и каждый сектор 6 последнего функционально связан с соответствующим датчиком 14 независимо от остальных секторов 6. Если радиальный зазор на всех контролируемых угловых положениях вставок 9 соответствует установленному номинальному положению, то устройство находится в равновесии. В случае отклонения величины радиального зазора от номинальной величины от соответствующего датчика 14 на блок 16 управления поступает сигнал, который преобразуется в определенную величину перепада давления, передающегося в полость мембраны соответствующего силового агрегата. Шток 13 последнего поворачивает связанный с ним сектор 6 управляющего кольца таким образом, чтобы перемещения соответствующих данному сектору 6 вставок 9 изменили диаметр образуемой последними поверхности в сторону, компенсирующую изменение величины радиального зазора до момента наступления равновесия. В реальных условиях геометрическая форма поверхности, образованная вставками 9, может изменяться при радиальных перемещениях последних, соответственно изменяя величину регулируемого радиального зазора.
В качестве примера рассматриваем типовую турбину. Общее количество вставок определяется геометрическими параметрами турбины и требуемой точностью регулирования величины радиального зазора и может колебаться в пределах от 20 до 60 штук.
Зазор между секциями зависит от:
- диаметра турбины;
- общего количества секций;
- наклона косых прорезей во вставках;
- диапазона регулируемого зазора (может колебаться в пределах 5-15 мм).
Принимаем следующие характеристики турбины:
R=360 мм - радиус по торцам рабочих лопаток;
L=35 мм - ширина вставки (хорда лопатки);
0
Z=40 - общее число вставок;
1
2
2
2
P=20 кг/см и Р=10 кг/см - давление на входе и выходе из колеса;
S
K=0.18 - коэффициент трения между вставками;
K
2
Р=30 кг/см - давление рабочего тела в силовом агрегате;
D - диаметр мембраны силового агрегата, мм.
Ориентировочно количество секций определяется по зависимости:
T
Z>0,0112 D+0,44>4,25
T
где D=340 мм - диаметр по среднему сечению лопаток.
Принимаем: Z=8
Количество вставок в секторе выбирается из технологических соображений и возможностей оборудования. При этом допускаемый размер вставки (по подошве) составляет от 8 до 15 мм.
S
Принимаем количество вставок в каждом секторе: Z=40:5=8
Сила нормального давления газов на одну вставку:
Усилие для приведения в движение сектора:
Усилие на штоке силового агрегата:
T
S
Полагая F≥F, имеем:
Необходимый диаметр мембраны удовлетворяет требованию размещения силового агрегата каждого сектора данной турбины. Если усилие на штоке силового агрегата недостаточно для перемещения соответствующей вставки, каждую секцию управляющего кольца можно снабдить дополнительным силовым агрегатом.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность уплотнения надроторного пространства за счет уменьшения радиального зазора до минимальной величины, равномерной в надроторном пространстве, и поддержания ее при изменении режимов работы двигателя.