Результат интеллектуальной деятельности: ЗАКОМПРЕССОРНОЕ ЛАБИРИНТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области двигателестроения наземного и авиационного применения.

Известно воздушное лабиринтное уплотнение, состоящее из вращающегося лабиринта с гребешками и ответного ему статорного фланца, закрепленного на статоре [1].

Недостатками известной конструкции являются повышенные утечки воздуха из-за малого количества уплотнительных гребешков и пониженная надежность из-за возможности растрескивания последнего по потоку гребешка лабиринта и поломки вращающегося лабиринта.

Наиболее близкой к заявляемой является уплотнительное устройство за компрессором турбореактивного двухконтурного двигателя, состоящего из многоярусного лабиринта, соединенного с валом двигателя, и ответного ему статорного фланга. На внутреннем ярусе лабиринта выполнено кольцевое радиальное ребро для установки балансировочных грузиков [2].

Недостатком известной конструкции является низкая надежность из-за возможности растрескивания последнего лабиринтного гребешка на каждом ярусе лабиринта, а также износ лабиринтных гребешков на внутреннем ярусе лабиринта из-за его упругой деформации под воздействием центробежной силы от балансировочных грузиков.

Для минимизации упругой деформации внутреннего яруса лабиринта также важно оптимальное число гребешков лабиринтного уплотнения (Z₂), расположенных на нем.

При малом Z₂ ухудшаются уплотняющие свойства лабиринтного уплотнения, а при излишне большом - увеличивается упругая деформация и износ гребешков нижнего яруса лабиринтного уплотнения. Это связано с тем, что внутренний ярус лабиринта расположен консольно по отношению к полотну лабиринта, и при большом выносе консоли (т.е. при большом числе гребешков Z₂) внутренний ярус деформируется под действием центробежных сил.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности работы за счет снижения термических напряжений и повышения виброустойчивости в гребешках уплотнения, а также исключения его износа.

Сущность изобретения заключается в том, что в закомпрессорном лабиринтном уплотнении газотурбинного двигателя, содержащем установленный на валу двухъярусный лабиринт с уплотнительными гребешками и ответный ему статорный фланец, согласно изобретению крайний от ротора компрессора уплотнительный гребешок каждого яруса лабиринта выполнен утолщенным, причем Н/h= 1,5...3, где Н - толщина крайнего гребешка; h - толщина остальных гребешков.

Рабочие поверхности уплотнительных гребешков внутреннего яруса лабиринта выполнены по образующей конуса с углом наклона 0,5-3^o в сторону выхода из уплотнения, при этом число гребешков на внешнем ярусе лабиринта превышает число гребешков на внутреннем ярусе лабиринта в 1,5...5 раз.

Выполнение крайних от ротора компрессора уплотнительных гребешков яруса лабиринта утолщенными связано с тем, что на каждом ярусе они испытывают повышенные термические напряжения на переходных режимах и акустические вибронапряжения, т.к. в лабиринтном уплотнении максимальные скорости уплотняемого рабочего тела (воздуха) реализуются на последнем по потоку лабиринтном гребешке.

Утолщенные гребешки обладают улучшенной теплоотдачей от вершины гребешка к его основанию, что снижает термические напряжения в них на переходных режимах, а также повышенной виброустойчивостью.

Это особенно важно для закомпрессорных лабиринтных уплотнений, т.к. современные компрессоры для повышения экономичности двигателя выполняются с высокой степенью сжатия, равной 20...35, и поэтому на выходе из каждого яруса лабиринтного уплотнения реализуются высокие сверхзвуковые скорости уплотняемого рабочего тела.

Отношение толщины крайнего гребешка Н по потоку уплотняемого тела к толщине остальных гребешков h составляет 1,5...3.

При Н/h<1,5 возможно растрескивание крайнего гребешка из-за возникающих при работе двигателя акустических колебаний рабочего тела.

При Н/h>5 высока вероятность растрескивания предшествующих крайнему гребешку из-за термических напряжений, возникающих вследствие низкой теплоотдачи от периферии уплотнительного гребешка к его основанию.

Рабочие поверхности уплотнительных гребешков внутреннего яруса лабиринта необходимо выполнять по образующей конуса с углом наклона α = 0,5-3^° в сторону выхода из уплотнения для исключения излишнего врезания гребешков в статорный фланер и износа лабиринтного уплотнения.

При этом в случае, когда α < 0,5^°, возможно ухудшение работы уплотнения из-за излишнего врезания гребешков в ответный им статорный фланец, особенно на максимальном режиме работы двигателя.

Если α > 3^°, то возможно ухудшение работы уплотнения, особенно на промежуточных и переходных режимах работы двигателя, из-за излишнего раскрытия радиального зазора между статором и ротором.

Поскольку внутренний ярус двухъярусного лабиринта выполнен в виде кольцевого ребра, консольно расположенного относительно полотна лабиринта, то соотношение числа гребешков Z₁ на внешнем ярусе лабиринта и числа гребешков на внутреннем ярусе лабиринта Z₂ должны быть оптимальными.

Если Z₁/Z₂<1,5, то из-за излишней радиальной деформации внутреннего яруса лабиринта произойдет износ уплотнительных гребешков лабиринта.

При Z₁/Z₂>5 снижается эффективность лабиринтного уплотнения.

Изобретение проиллюстрировано следующим образом.

На фиг. 1 показан продольный разрез заявляемого уплотнения, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Закомпрессорное лабиринтное уплотнение 1 газотурбинного двигателя состоит из двухъярусного закомпрессорного лабиринта 2 и ответного ему статорного фланца 3, установленного на опоре 4 радиально-упорного шарикоподшипника 5, и служит для уплотнения полости высокого давления 6 за последней рабочей лопаткой 7 компрессора от закомпрессорной разгрузочной полости 8 низкого давления.

Двухъярусный закомпрессорный лабиринт 2 установлен шлицами 9 на шлицевом валу 10 и закреплен на диске последней ступени 11 компрессора с помощью байонетного соединения 12, которое выполнено на внешнем ярусе 13 лабиринта 2.

На наружных поверхностях 14, 15 внешнего яруса 13 и внутреннего яруса 16 лабиринта 2 выполнены уплотнительные гребешки 17 толщиной h и крайние для каждого яруса по течению потока 18 уплотняемого рабочего тела (воздуха) уплотнительные гребешки 19 толщиной Н.

Внутренний ярус 16 двухъярусного лабиринта 2 выполнен в виде кольцевого ребра 20, расположенного консольно относительно полотна 21 лабиринта. Осевая длина этого ребра 20 и, следовательно, отношение числа Z₂ гребешков 17, 19 на этом ярусе и числа гребешков Z₁ на внешнем ярусе выбирают оптимальными с целью исключения радиальной пластической деформации ребра 20 при максимальных режимах работы двигателя.

Для балансировки ротора 22 компрессора на внутренней стороне кольцевого ребра 20 выполнено радиальное ребро 23, на которое установлены балансировочные грузики 24, под действием центробежных сил от которых при работе двигателя кольцевое ребро 20 упруго демпфируется в радиальном направлении, что приводит к излишнему врезанию гребешков 17 и 19 в стационарный фланец 3. Для исключения такого врезания рабочие поверхности 25 гребешков 17 и 19 внутреннего яруса 16 лабиринта 2 выполнены по образующей конуса с углом наклона α = 0,5-3^° в сторону выхода из уплотнения 1.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При работе двигателя воздух высокого давления из полости 8 за последней рабочей лопаткой 7 ротора компрессора 22 стремится перетекать в разгрузочную закомпрессорную полость низкого давления 8. При этом на крайних уплотнительных гребешках 19 каждого из ярусов 13, 16 двухъярусного лабиринта 2 возникают сверхзвуковые скорости уплотняемого потока 18, которые могут привести к их растрескиванию и поломке.

Однако так как гребешки 19 выполнены с увеличенной толщиной Н, то образование трещин и поломок гребешков 19 не происходит.

Источники информации
1. Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981, стр.98, рис.3.43а.

2. Патент РФ 2036312, F 01 D 11/02, 1995.