УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
SEALING ASSEMBLY FOR TURBOMACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области газотурбинных установок. Несмотря на то, что оно предусмотрено для авиационного газотурбинного двигателя и описано в связи с таким газотурбинным двигателем, изобретение в целом относится к газотурбинной установке, в частности, для летательного аппарата.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, газотурбинный двигатель содержит входной воздушный трубопровод, первую ступень сжатия, содержащую рабочее колесо компрессора, на которое выходит трубопровод, канал транспортировки воздуха, сжатого первой ступенью сжатия, до второй ступени сжатия, камеру сгорания смеси топлива и воздуха, сжатого ступенями сжатия, и одну или несколько ступеней расширения газов, получаемых в результате сгорания.
В таком газотурбинном двигателе, как известно, между некоторыми подвижными частями (ротором) и некоторыми неподвижными частями (статором) располагают уплотнительные прокладки, в частности, с одной стороны, между входным воздушным трубопроводом и передней частью первого рабочего колеса компрессора и, с другой стороны, между каналом транспортировки сжатого воздуха и задней частью первого рабочего колеса компрессора. Термины «передний» и «задний» следует рассматривать относительно оси газотурбинного двигателя, вдоль которой в основном проходит воздушный поток в работающем газотурбинном двигателе.
Таким образом, как известно, между передним участком первого рабочего колеса компрессора и входным воздушным трубопроводом располагают уплотнительное устройство, содержащее две уплотнительные прокладки. Это уплотнительное устройство сообщается через переднюю прокладку с опорным подшипником, направляющим вал ротора газотурбинной установки, установленным спереди устройства и содержащим смазочное масло.
Чтобы удерживать масло в направляющем опорном подшипнике и избегать его утечки во входной воздушный трубопровод, что могло бы привести к нарушению работы газотурбинного двигателя, воздух из канала транспортировки, находящегося на выходе первой ступени сжатия, направляют до уплотнительного устройства таким образом, чтобы поддерживать обе уплотнительные прокладки под давлением. Термины «входной» и «выходной» следует рассматривать относительно направления прохождения воздушного потока.
В частности, часть воздушного потока, циркулирующего в канале транспортировки, отклоняют ко второму уплотнительному устройству, содержащему уплотнительную прокладку, предназначенную для ограничения расхода центробежного потока воздуха, проходящего вдоль задней стороны первого рабочего колеса компрессора. Действительно, поскольку расширенный воздушный поток, проходящий вдоль задней стороны рабочего колеса, смешивается затем с воздушным потоком, сжатым упомянутым колесом, слишком большой расход воздуха сзади колеса может снизить эффективность сжатия.
Часть воздушного потока, проходящая через прокладку второго устройства, проходит, таким образом, вдоль задней стороны первого рабочего колеса, тогда как другая часть проходит вдоль вала ротора до полости, расположенной между двумя прокладками первого уплотнительного устройства, поддерживая их под давлением. Затем воздух, поддерживающий обе прокладки под давлением, проходит из полости, с одной стороны, к первому направляющему подшипнику через переднюю прокладку первого уплотнительного устройства и, с другой стороны, к входному воздушному трубопроводу через заднюю прокладку первого уплотнительного устройства. Таким образом, расход воздуха значительно уменьшается по время его прохождения через прокладку второго уплотнительного устройства, но в целом позволяет в достаточной степени поддерживать прокладки первого уплотнительного устройства под давлением, чтобы избежать утечки масла из направляющего подшипника во входной воздушный трубопровод газотурбинного двигателя.
Однако проблема возникает, когда во входном воздушном трубопроводе на входе первого рабочего колеса компрессора происходит снижение давления, например, по причине наличия так называемой решетки предварительного вращения, предназначенной для направления воздушного потока на вход рабочего колеса, или по причине присутствия льда, забивающего трубопровод во время использования газотурбинного двигателя в холодных условиях.
Действительно, такое снижение давления во входном воздушном трубопроводе приводит к снижению давления в полости, расположенной между прокладками первого уплотнительного устройства, что может вызвать утечку масла, содержащегося в направляющем опорном подшипнике, во входной воздушный трубопровод и, следовательно, стать причиной нарушения в работе газотурбинного двигателя, что является существенным недостатком.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является усовершенствование существующих газотурбинных установок и в частности предупреждение утечки смазочного масла, содержащегося в направляющем опорном подшипнике, во входной воздушный трубопровод.
В связи с этим объектом изобретения является газотурбинная установка, содержащая:
- входной воздушный трубопровод,
- ступень сжатия воздуха, которая содержит по меньшей мере одно рабочее колесо компрессора и на которую выходит входной воздушный трубопровод,
- первое уплотнительное устройство, расположенное между передним участком рабочего колеса компрессора и входным воздушным трубопроводом и содержащее по меньшей мере одну уплотнительную прокладку,
- канал транспортировки воздуха, сжимаемого рабочим колесом,
- второе уплотнительное устройство, расположенное между задним участком рабочего колеса компрессора и каналом транспортировки и выполненное с возможностью прохождения в него воздушного потока, поступающего из канала транспортировки,
при этом упомянутая газотурбинная установка отличается тем, что второе уплотнительное устройство выполнено с возможностью обеспечения отбора части проходящего через него воздуха, при этом отбираемый воздух проходит до уплотнительной прокладки первого уплотнительного устройства, чтобы поддерживать ее под давлением.
Под выражением «поддерживать под давлением» следует понимать поддержание под давлением, достаточным, чтобы избегать прохождения смазочного масла через первое уплотнительное устройство и в частности его утечки во входной воздушный трубопровод.
Предпочтительно газотурбинная установка содержит направляющий опорный подшипник, расположенный перед уплотнительной прокладкой первого уплотнительного устройства и содержащий смазочное масло, при этом масло удерживается в направляющем подшипнике воздухом под давлением, проходящим через прокладку от первого устройства к опорному подшипнику.
Второе уплотнительное устройство выполнено таким образом, чтобы расход воздушного потока, отбираемого во время прохождения в упомянутом устройстве, был достаточно большим, чтобы после доставки к уплотнительной прокладке первого уплотнительного устройства воздух поддерживал упомянутую прокладку под давлением. Предпочтительно газотурбинная установка в соответствии с изобретением позволяет поддерживать прокладку первого уплотнительного устройства под давлением даже в случае падения давления во входном воздушном трубопроводе.
Предпочтительно второе уплотнительное устройство выполнено таким образом, чтобы обеспечивать, с одной стороны, воздушный поток с достаточным расходом, чтобы поддерживать прокладку первого уплотнительного устройства под давлением, и, с другой стороны, второй воздушный поток, расход которого является достаточно низким, чтобы избегать возмущения потока воздуха вдоль задней стороны рабочего колеса компрессора. Таким образом, с одной стороны, масло не попадает во входной воздушный трубопровод через прокладку первого устройства, и, с другой стороны, эффективность сжатия воздуха не снижается по причине воздуха, выходящего из второго устройства сзади рабочего колеса.
Таким образом, согласно отличительному признаку изобретения, второе уплотнительное устройство выполнено таким образом, чтобы снижение расхода воздуха, поступающего из канала транспортировки сжатого воздуха во второе уплотнительное устройство, и расхода воздуха, отбираемого во время его прохождения в упомянутом устройстве, оставалось достаточно слабым, чтобы воздушный поток, отбираемый во втором устройстве и доставляемый до уплотнительной прокладки первого уплотнительного устройства, поддерживал ее под давлением. Такую калибровку можно осуществить, например, посредством выбора места во втором уплотнительном устройстве, на уровне которого отбирают воздух.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, второе уплотнительное устройство выполнено таким образом, чтобы максимально уменьшить расход воздуха, проходящего через него полностью, то есть воздуха, не отбираемого во время его прохождения во втором уплотнительном устройстве, который проходит затем вдоль задней стороны рабочего колеса. Такое снижение расхода воздуха позволяет значительно уменьшить и даже устранить возмущения центробежного воздушного потока вдоль задней стороны первого рабочего колеса компрессора и, следовательно, также воздушного потока, возвращаемого через заднюю часть первого рабочего колеса в поток воздуха, сжимаемого первым рабочим колесом, что позволяет повысить эффективность сжатия.
Согласно варианту изобретения, второе уплотнительное устройство содержит по меньшей мере одну уплотнительную прокладку.
Уплотнительные прокладки первого и/или второго уплотнительного устройства могут представлять собой, например, лабиринтную прокладку, щеточную прокладку, прокладку с калиброванным сечением или прокладку с карбоновым кольцом.
Предпочтительно второе уплотнительное устройство содержит по меньшей мере один блок из истираемого материала, и уплотнительная прокладка или уплотнительные прокладки второго уплотнительного устройства являются лабиринтными прокладками, каждая из которых содержит набор гребешков, взаимодействующих с блоком или блоками истираемого материала. В этом случае калибровку давления отбираемого воздуха можно осуществлять, например, в зависимости от места, где отбирают воздух в прокладке или прокладках, и/или адаптируя число и/или форму гребешков.
Точно так же первое уплотнительное устройство предпочтительно содержит по меньшей мере один блок из истираемого материала, и уплотнительная прокладка или уплотнительные прокладки второго уплотнительного устройства являются лабиринтными прокладками, каждая из которых содержит набор гребешков, взаимодействующих с блоком или блоками истираемого материала.
Предпочтительно гребешки уплотнительной прокладки или уплотнительных прокладок расположены последовательно и параллельно, предпочтительно перпендикулярно к продольной оси газотурбинной установки.
В варианте выполнения изобретения второе уплотнительное устройство содержит единственную уплотнительную прокладку, выполненную с возможностью обеспечения отбора части проходящего через нее воздуха. Например, между двумя концами прокладки второго уплотнительного устройства можно выполнить канал отбора воздуха для осуществления упомянутого отбора.
В другом варианте выполнения изобретения второе уплотнительное устройство содержит переднюю уплотнительную прокладку и заднюю уплотнительную прокладку, при этом отбор воздуха происходит между двумя уплотнительными прокладками. Таким образом, воздух, поступающий из канала транспортировки сжатого воздуха, проходит в направлении сзади вперед через заднюю уплотнительную прокладку, затем частично проходит между двумя прокладками до уплотнительной прокладки первого уплотнительного устройства, чтобы поддерживать ее под давлением. Канал отбора воздуха можно легко выполнить между двумя прокладками, которые могут быть установлены, например, на разных элементах газотурбинного двигателя.
Предпочтительно между передней уплотнительной прокладкой и задней уплотнительной прокладкой второго уплотнительного устройства выполнена полость таким образом, что образует воздушный карман под давлением между двумя прокладками, в котором происходит отбор воздуха для его доставки до уплотнительной прокладки первого уплотнительного устройства. Передняя прокладка и задняя прокладка второго уплотнительного устройства могут отстоять друг от друга, например, на расстояние, превышающее 1 мм, предпочтительно составляющее от 2 до 10 мм.
Предпочтительно задняя уплотнительная прокладка второго уплотнительного устройства выполнена таким образом, чтобы давление воздуха, отбираемого во время его прохождения во втором уплотнительном устройстве, было достаточным, чтобы поддерживать уплотнительную прокладку первого уплотнительного устройства под давлением и избегать утечек масла из направляющего опорного подшипника. Такую калибровку давления отбираемого воздуха можно осуществлять, например, адаптируя число и/или форму гребешков в случае лабиринтной прокладки.
Предпочтительно задняя уплотнительная прокладка второго устройства содержит от одного до трех гребешков, предпочтительно два гребешка.
Предпочтительно передняя уплотнительная прокладка второго уплотнительного устройства выполнена с возможностью максимального уменьшения расхода проходящего через нее воздуха, чтобы избегать возмущений воздушного потока в задней части рабочего колеса компрессора, на которую выходит упомянутая прокладка (в направлении от входа к выходу). Под термином «максимальный» следует понимать, что расход воздушного потока, выходящего из передней уплотнительной прокладки, является достаточно низким, чтобы избегать воздушного потока сзади рабочего колеса, который мог бы существенно снизить эффективность сжатия.
Предпочтительно передняя уплотнительная прокладка второго устройства содержит по меньшей мере два гребешка, предпочтительно четыре гребешка, чтобы в достаточной мере уменьшать расход проходящего через нее воздушного потока.
Предпочтительно первое уплотнительное устройство содержит переднюю уплотнительную прокладку и заднюю уплотнительную прокладку. Воздушный поток, отбираемый на уровне второго уплотнительного устройства, позволяет поддерживать под давлением переднюю уплотнительную прокладку и даже обе уплотнительные прокладки первого устройства.
Согласно варианту изобретения, газотурбинная установка содержит вторую ступень сжатия, содержащую второе рабочее колесо компрессора, передний участок которого соединен с задним участком первого рабочего колеса компрессора на уровне второго уплотнительного устройства при помощи зубчатой муфты, например, прямого зацепления («curvic coupling» на английском языке), в которой выполнен канал, при этом воздух, отбираемый во время прохождения воздушного потока через второе уплотнительное устройство, проходит через упомянутый канал, после чего поступает к передней прокладке первого устройства, чтобы поддерживать ее под давлением.
Объектом изобретения является также способ поддержания под давлением по меньшей мере одной уплотнительной прокладки при помощи отбираемого воздуха в газотурбинной установке, содержащей:
- входной воздушный трубопровод,
- ступень сжатия воздуха, которая содержит по меньшей мере одно рабочее колесо компрессора и на которую выходит трубопровод,
- первое уплотнительное устройство, расположенное между передним участком рабочего колеса компрессора и входным воздушным трубопроводом и содержащее по меньшей мере одну уплотнительную прокладку,
- канал транспортировки воздуха, сжимаемого рабочим колесом,
- второе уплотнительное устройство, расположенное между задним участком рабочего колеса компрессора и каналом транспортировки и выполненное с возможностью прохождения в него воздушного потока, поступающего из канала транспортировки,
при этом упомянутый способ отличается тем, что содержит этап отбора части воздуха, проходящего через второе уплотнительное устройство, и этап транспортировки отбираемого воздуха до уплотнительной прокладки первого уплотнительного устройства, чтобы поддерживать ее под давлением.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых подобные элементы имеют одинаковые обозначения и на которых:
фиг. 1 изображает вид в продольном разрезе газотурбинного двигателя.
Фиг. 2 - частичный вид в разрезе газотурбинного двигателя в соответствии с изобретением.
Фиг. 3 - частичный вид в разрезе уплотнительной прокладки второго уплотнительного устройства газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 - частичный вид в разрезе уплотнительной прокладки первого уплотнительного устройства газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Дальнейшее описание изобретения относится к авиационному газотурбинному двигателю, но, разумеется, изобретение может находить применение в целом в газотурбинной установке, в частности, для летательного аппарата, содержащей компрессор любого типа, например, центробежный компрессор, центробежный компрессор с двухсторонним входом или смешанный компрессор.
Термины «передний» и «задний» обозначают положение элементов по отношению к направлению центральной оси Х’X вращения деталей газотурбинного двигателя, в частности, роторов сжатия и расширения, которое соответствует общему направлению воздушного потока, проходящего через газотурбинный двигатель во время работы. Точно так же, термины «вход» и «выход» следует рассматривать относительно направления воздушного потока, проходящего в газотурбинной установке.
На фиг. 1 схематично представлен вертолетный газотурбинный двигатель 1, содержащий первую ступень сжатия или компрессор 2. В таком газотурбинном двигателе воздух (стрелка F1) поступает через воздухозаборник 3, проходит во входном воздушном трубопроводе 4, который образует канал, выходящий на первую ступень 2 сжатия. Воздух, сжимаемый первой ступенью 2 сжатия, поступает во вторую ступень 5 сжатия.
Воздух, сжимаемый второй ступенью 5, выходит через радиальный диффузор 6, после чего нагнетается в камеру 7 сгорания, где он смешивается с топливом и после сгорания обеспечивает кинетическую энергию, приводящую во вращение турбины 8, 9 и 10. В свою очередь, турбина 8 приводит во вращение компрессоры 5 и 2 через вал 10b. Турбины 9 и 10 передают мощность через вал 10а и вращают через редуктор 11, например, несущий винт вертолета и/или агрегаты (насос, генераторы, компрессор нагрузки и т. д.).
Каждая ступень сжатия содержит рабочее колесо компрессора, которое может быть осевым (осевой компрессор), радиальным (крыльчатка центробежного компрессора) или смешанным. Показанный газотурбинный двигатель содержит две ступени сжатия, но, разумеется, газотурбинная установка в соответствии с изобретением может содержать только одну ступень сжатия или более двух ступеней сжатия.
Компрессор 2 содержит первое рабочее колесо 20, вращающееся внутри картера 30 и содержащее лопатки 22 направления воздушного потока (см. фиг. 2). В этом примере компрессор содержит наклонный лопаточный диффузор 40 в продолжение рабочего колеса 20.
Канал 45 транспортировки воздуха, связанный с диффузором 40, проходит между первой ступенью 2 сжатия и второй ступенью 5 сжатия, на которую он выходит, и позволяет доставлять воздух, сжимаемый первой ступенью 2 сжатия, до второй ступени 5 сжатия. Вторая ступень 5 сжатия содержит второе рабочее колесо 50 компрессора, выходящее на диффузор 6 и содержащее лопатки 52 направления воздушного потока (см. фиг. 2).
Как показано на фиг. 2, газотурбинный двигатель 1 содержит первое уплотнительное устройство 54, расположенное между передним участком 56 рабочего колеса 20 компрессора и осевым участком 58 входного воздушного трубопровода 4. Это первое уплотнительное устройство 54 содержит переднюю уплотнительную прокладку 60 и заднюю уплотнительную прокладку 62, между которыми выполнен воздушный канал 77.
Опорный подшипник 63, направляющий ротор относительно статора, расположен спереди первого уплотнительного устройства 54 и содержит смазочное масло, удерживаемое в опорном подшипнике 63 давлением воздуха на уровне передней прокладки 62 первого уплотнительного устройства 54.
Газотурбинный двигатель 1 содержит второе уплотнительное устройство 64, расположенное между задним участком 66 рабочего колеса 20 компрессора, передним участком 67 второго рабочего колеса 50 и участком 68 канала 45 транспортировки воздуха, сжимаемого рабочим колесом 20, причем все эти три участка расположены по существу в направлении, параллельном оси Х’Х.
Это второе устройство 64 содержит переднюю уплотнительную прокладку 70, расположенную между участком 68 канала 45 транспортировки и задним участком 66 первого рабочего колеса 20, и заднюю уплотнительную прокладку 72, расположенную между участком 68 канала 45 транспортировки и передним участком 67 второго рабочего колеса 50 компрессора.
Согласно изобретению, второе уплотнительное устройство 64 выполнено с возможностью обеспечения отбора проходящего через него воздуха, при этом отбираемый воздух в данном случае проходит до передней уплотнительной прокладки 60 первого уплотнительного устройства 54, чтобы поддерживать ее под давлением.
В этом примере уплотнительные прокладки устройств являются лабиринтными прокладками, каждая из которых содержит набор кольцевых гребешков, расположенных последовательно в направлении, параллельном оси X’X, и взаимодействующих, как известно, с блоком истираемого материала, образуя уплотнительную прокладку.
Как показано на фиг. 3, отбор воздушного потока F3, поддерживающего переднюю уплотнительную прокладку 60 первого устройства 54 под давлением, происходит между задней уплотнительной прокладкой 72 и передней уплотнительной прокладкой 70 второго устройства 64.
Чтобы обеспечить достаточной большой расход отбираемого воздуха для поддержания задней уплотнительной прокладки 62 первого устройства 54 под давлением, задняя уплотнительная прокладка 72 второго устройства 64 содержит, как показано на фиг. 3, два гребешка 80 и 81, взаимодействующие с блоком 90 истираемого материала, закрепленным на участке 68.
Передняя уплотнительная прокладка 70 второго устройства 64 содержит четыре гребешка 82, 83, 84 и 85, взаимодействующих с блоком 90 истираемого материала, и позволяет сделать расход воздушного потока, проходящего через переднюю прокладку 70, незначительным и даже почти нулевым, что позволяет избегать возмущений в задней части 86 первого рабочего колеса 20 компрессора.
Во время работы газотурбинного двигателя 1, как показано на фиг. 2, воздушный поток F1 поступает во входной воздушный трубопровод 4 и сжимается первым рабочим колесом 20 компрессора, после чего проходит ко второму рабочему колесу 50 компрессора. Часть F2 этого воздушного потока, сжатого первым рабочим колесом 20 компрессора, заходит во второе уплотнительное устройство 64.
Как показано на фиг. 3, воздушный поток F2 проходит сзади вперед через заднюю уплотнительную прокладку 72 до воздушного кармана Р под давлением, находящегося на осевом расстоянии D между передней уплотнительной прокладкой 70 и задней уплотнительной прокладкой 72.
Часть F4 потока F2, прошедшая через заднюю уплотнительную прокладку 72 до воздушного кармана Р под давлением, проходит через переднюю уплотнительную прокладку 70 до пространства 86, находящегося сзади первого рабочего колеса 20 компрессора. Расход воздушного потока F4, прошедшего через переднюю уплотнительную прокладку 70, является относительно малым и даже почти нулевым, учитывая, что воздух прошел одновременно через заднюю прокладку 72, затем через переднюю прокладку 70, которая в данном случае выполнена специально, чтобы значительно уменьшать расход потока F4. Это позволяет значительно ограничить расход воздушного потока F4, возвращающегося через канал 73 в воздушный поток, сжимаемый первым рабочим колесом 20, что позволяет повысить эффективность сжатия.
Другая часть F3 потока F2, прошедшая через заднюю уплотнительную прокладку 72 до воздушного кармана Р под давлением, отбирается и поступает через канал 75 до передней уплотнительной прокладки 60 первого устройства 54, чтобы поддерживать ее под давлением.
В этом примере канал 75 расположен между задним участком 66 первого рабочего колеса 20 компрессора и передним участком 67 второго рабочего колеса 50 компрессора. Соединение между задним участком 66 первого рабочего колеса 20 компрессора и передним участком 67 второго рабочего колеса 50 компрессора можно осуществить, например, при помощи зубчатой муфты таким образом, чтобы канал 75 проходил между зубьями зубчатой муфты.
Как показано на фиг. 4, после прохождения через канал 75 воздушный поток F3, отбираемый между двумя прокладками 70 и 72 второго уплотнительного устройства 64, поступает ко второму каналу 77, через который он проходит, достигая переднего участка задней уплотнительной прокладки 62 первого уплотнительного устройства 54. При этом отбираемый воздушный поток F3 поддерживает заднюю уплотнительную прокладку 62 под давлением, чтобы избегать утечек масла, находящегося внутри первого устройства, через канал 77 во входной воздушный трубопровод 4 и/или в ступень 2 сжатия.
Таким образом, изобретение обеспечивает поддержание под давлением уплотнительной прокладки или уплотнительных прокладок первого уплотнительного устройства и позволяет избегать утечек масла, связанных с падением давления одной из прокладок первого устройства, например, задней уплотнительной прокладки, в частности, в случае снижения давления во входном воздушном трубопроводе газотурбинной установки.