Система минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, турбостроения и может найти применение в высокотемпературных газовых турбинах, компрессорах и т.п. лопаточных машинах. Предлагаемая система минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины, содержит на бандажной полке лопатки гребень, который через промежуток в надроторной вставке (состоящей из двух половин) входит во внутреннюю полость крышки, свободно перемещающейся по наружной поверхности надроторной вставки. Осевой зазор между гребнем и внутренней поверхностью крышки определяется только технологическими возможностями и во много раз меньше радиального зазора. Предусмотрено устройство, состоящее из цилиндра с поршнями и трубопроводов, подводящих воздух во внутреннюю полость крышки, так, что образуется воздушная прослойка, препятствующая касанию гребня о внутреннюю поверхность крышки. На установившихся режимах работы двигателя, воздух, проходя в каналах надроторной вставки, охлаждая ее, создает противодавление в полости крышки, препятствуя перетеканию газа из проточной части и, выходя из полости крышки, охлаждает бандажную полку. Перетекание газа через радиальный зазор при этом равно нулю. Предлагаемая система принципиально отличается от всех существующих систем регулирования радиального зазора, эффективна и конструктивно проста, способствует повышению удельных параметров двигателя и улучшению теплового состояния верхних сечений лопатки турбины, что увеличивает их ресурс.

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, турбостроения и может найти применение в высокотемпературных газовых турбинах, а также в компрессорах и т.п.лопаточных машинах.

Радиальный зазор (РЗ) между ротором и статором газотурбинного двигателя -необходимый элемент, обеспечивающий его нормальную работу - гарантирующий отсутствие касания вращающихся деталей ротора о неподвижные детали статора.

Однако неизбежное при этом перетекание газа снижает удельные параметры двигателя и препятствует охлаждению верхних сечений лопатки (см. фиг.1). Здесь - РЗ, а стрелками обозначено перетекание газа.

Для снижения перетекания газа на торцах лопаток устанавливают бандажные полки 1 с гребешками, имитирующими лабиринтные уплотнения, а для случаев возможных последствий касания гребешков о неподвижные детали статора устанавливают т.н. «сотовые уплотнения» 2 (см. фиг.2).

Положение усложняется тем, что установленный минимальный монтажный РЗ в процессе работы двигателя меняет свою величину как в ту, так и в другую сторону, что влечет за собой задачу его регулирования с целью снижения нежелательного расхода газа через РЗ.

Способов регулирования РЗ достаточно много. Так, различают пассивное и активное регулирование РЗ. При пассивном регулировании РЗ обеспечивается на каком-то одном режиме. Активное регулирование РЗ осуществляется на ряде выбранных режимов путем изменения некоторых условий, влияющих на величину РЗ, т.е. создается система регулирования, работающая по заданной программе. Более высокая точность (и гарантия) 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, устанавливают датчики по окружности корпуса турбины для измерения РЗ (патент US 7079957 B2).

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. Регулирование осуществляется по программе, в которой на каждом режиме предусматривается определенное место и необходимое количество отбора воздуха от компрессора на обдув корпуса. Исходные данные для программы получают в результате предварительного решения в роторе и корпусе термомеханической задачи и выбора интенсивности обдува корпуса с целью получения необходимой величины РЗ.

Примером теплового регулирования РЗ с обратной связью может служить устройство, где РЗ изменяется за счет температурного расширения корпуса, а расход охлаждающего воздуха регулируется сервоприводом, сигнал на который поступает от датчика, выполненного в виде струйного элемента.

При нарушении положения равновесия вследствие изменения радиального зазора давление в пневмомагистрали со струйным элементом изменяется так, что сервопоршень, подключенный к усторйству дозирования охлаждающего корпус воздуха, перемещает золотник и в результате изменения охлаждения корпуса турбомашины радиальный зазор возвращается до заданной величины.

Основным недостатком теплового регулирования является его значительная инерционность, негативные последствия которой проявляются на переходных режимах работы двигателя.

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.

На других проработках NASA 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 надроторной вставки в зависимости от показания датчика, измеряющего РЗ. Такой способ регулирования РЗ. значительно усложняет конструкцию корпуса турбины и утяжеляет ее. Так, на корпусе турбины должны быть установлены гидравлические цилиндры по количеству надроторных вставок. Есть определенные трудности с уплотнением штоков (стержней), связывающих надроторные вставки с гидравлическими цилиндрами, а также недопустимость подвода тепла к цилиндрам.

Также имеются разработки с пневмомеханическим регулированием, где РЗ изменяется в результате наддува и последующей деформации корпуса, выполненного в виде мембранной полости, при этом расход воздуха в полость наддува регулируется струйным датчиком. Недостаток данного конструктивного решения - относительная громоздкость и низкая чувствительность.

Еще одним примером регулирования РЗ с обратной связью является патент на полезную модель 87213, где изменение РЗ осуществляется за счет перемещения конической надроторной вставки. Но удовлетворительное регулирование РЗ данная конструкция обеспечивает лишь на одном расчетном режиме, в остальных случаях погрешность может оказаться значительной.

Как видим, все перечисленные способы регулирования РЗ либо не отслеживают необходимое изменение РЗ по полетному циклу (при пассивном регулировании), либо слишком сложны конструктивно (при активном регулировании), при этом все они направлены на изменение взаимного радиального положения ротора и статора.

Как показывает практика, на установившемся крейсерском режиме РЗ установить менее 0.5 мм не удается, при этом по окружности из-за неравномерной деформации корпуса эта величина еще больше, а на переходных режимах РЗ может доходить до 2.5 мм и выше.

Основная задача заявляемого технического решения - обеспечение минимального (вплоть до нулевого значения) перетекания газа через РЗ между бандажной полкой рабочих лопаток турбины (ротором) и надроторной вставкой (статором) на любом режиме при незначительном усложнении конструкции. Полных аналогов рассматриваемой полезной модели нет, так как предлагаемое техническое решение сокращения перетекания газа через РЗ принципиально отличается от всех вышеперечисленных способов: РЗ, который значительно меняется в процессе работы двигателя, не регулируется, а устанавливается осевой зазор, величина которого, достаточно минимальная, остается постоянной.

Конструктивная схема данного предложения представлена на фигурах 3, 4, 5, 6, 7 и 8. Гребень 6 бандажной полки 5 входит с некоторым минимальным зазором, составляющим 0.05-0.1 мм, во внутреннюю полость крышки, состоящей из двух половин 7 и 8 (для возможности сборки). Крышка может свободно перемещаться по наружной поверхности надроторной вставки, также состоящей из двух половин - 9 и 10, разделенных промежутком, чтобы гребень 6 мог перемещаться в осевом направлении в необходимых пределах.

Для исключения возможного касания гребня 6 о внутреннюю поверхность половин крышки 7 и 8 предусмотрено устройство, обеспечивающее центрирование гребня 6 относительно внутренней полости крышки, и состоящее из цилиндров 11, 12 и 13 с поршнями 14, 15 и 16, соединенных штоками 17 и 18, и из трубопроводов 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 и 28.

Трубопроводы 19, 20 служат для отбора воздуха, напр., из-за компрессора. Трубопроводы 21, 22, 23, 24 подводят воздух в подпоршневые полости 45, 46, 47 и 48 цилиндров.

Внутри половин надроторных вставок 9 и 10 предусмотрены каналы 29, 30-е левой и 31, 32 - в правой половинах (фиг.4, 6 и 7), к которым подводится воздух по трубопроводам 25, 26 и 27, 28 соответственно (фиг.3). Из каналов надроторной вставки воздух далее поступает в желоба 33, 34 и 35, 36 левой и правой половин крышки (фиг.4, 6, 7, 8 и 9), и далее по наклонным каналам 37, 38 и 39, 40 через жиклеры 41, 42 и 43, 44 во внутреннюю полость крышки, (фиг.8, 9). Таким образом, прослеживается следующая последовательность соединений гидравлики:

1. Для левых половин надроторной вставки и крышки:

от подпоршневой полости 45 - трубопровод 25 - канал 29 - желоб 33 - канал 37 - жиклер 41 - внутренняя полость крышки;

от подпоршневой полости 46 - трубопровод 26 - канал 30 - желоб 34 - канал 38 - жиклер 42 - внутренняя полость крышки;

2. Для правых половин надроторной вставки и крышки:

от подпоршневой полости 47 - трубопровод 27 - канал 31 - желоб 35 - канал 39 - жиклер 43 - внутренняя полость крышки;

от подпоршневой полости 48 - трубопровод 28 - канал 32 - желоб 36- канал 40 - жиклер 44 - внутренняя полость крышки;

Описанная картина симметрична как для обеих половин надроторных вставок, так и для обеих половин крышки.

Технический результат в заявляемой системе минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины (в дальнейшем - системе) достигается тем, что при любых изменениях режимов работы двигателя и соответствующих изменениях взаимного положения статора и ротора, РЗ ₁ между бандажной полкой 5 и надроторной вставкой 9, 10 (см. фиг.8, 9), достигающий 2.5 мм и более, перетекание газа через бандажную полку остается минимально допустимым, так как оно зависит только от осевого зазора между гребнем 6 и внутренней полостью крышки 7, 8. Величина осевого зазора зависит от технологических возможностей и составляет, как указывалось выше, 0.05÷0.1 мм, т.е. на порядок меньше радиального зазора ₁.

На фигуре 1 показана обычная конструкция части турбины двигателя в месте расположения рабочих лопаток (без бандажной полки), Здесь - РЗ, а стрелками указано перетекание газа через РЗ.

На фигуре 2 приводится конструкция лопатки с бандажной полкой и с гребешками 1 и сотовые уплотнения 2. Стрелками также указано перетекание газа.

На фигуре 3 схематично приводится общий вид предлагаемой системы. Здесь: 3 - перо лопатки с бандажной полкой 5, имеющей гребень 6; 9 и 10 - две половины надроторной вставки, разделенных промежутком, в котором перемещается гребень 6; На этой же фигуре приведено устройство, центрирующее положение гребня 6 во внутренней полости крышки. Здесь: 11, 12, 13 - цилиндры с поршнями 14, 15, 16, соединенными штоками 17 и 18, а 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 и 28 - трубопроводы. Стрелками показан подвод воздуха (напр., от компрессора) в подпоршневые полости 45, 46, 47, 48 цилиндров.

На фигуре 4 приводится в увеличенном масштабе место А фигуры 3. Здесь 7 и 8 - половины крышки; 29, 32 - каналы в надроторной вставке; 33, 36 - желоба в крышке; 37, 40 - каналы в крышке; 41, 44 - жиклеры.

На фигуре 5 показан разрез В-В по половинке крышки 7 и половинке надроторной вставки 9 (см. фиг.4). Здесь: 3 - перо лопатки; 7 - крышка.

На фигуре 6 в увеличенном масштабе показано место С из фигуры 5. Здесь: 5 - бандажная полка; 7 - крышка; 9 - надроторная вставка; 29, 30 - каналы в надроторной вставке; 33, 34 - желоба в крышке.

На фигуре 7 приведен случай, когда зазор между гребнем 6 и внутренней поверхностью крышки становится минимально допустимым - при осевых перемещениях ротора. Здесь: 9 и 10 - половинки надроторной вставки; 14 и 15 поршни; 17 - шток; 25 и 26 - трубопроводы. 29, 32 - каналы в надроторной вставке; 33, 36 - желоба в крышке; 45 и 46 - подпоршневые полости. Стрелками показан подвод воздуха (напр., от компрессора) в цилиндры.

На фигуре 8 приведено в увеличенном масштабе место Е (фиг.7) - сечение по каналу подвода к жиклерам 41, 44. Здесь: 6 - гребень; 7, 8 - крышка; 41, 44 - жиклеры;

29, 32 - каналы в надроторной вставке; 33, 36 желоба в крышке; 37, 40 каналы в крышке.

На фигуре 9 приведено в увеличенном масштабе место Е (фиг.7) - сечение по каналу подвода к жиклерам 42, 43. Здесь: 6 - гребень; 42, 43 - жиклеры; 30, 31 - каналы в надроторной вставке; 34, 35 - желоба в крышке; 38, 39 - каналы в крышке.

На фигуре 10 стрелками показано возможное перетекание газа через гребень 6 бандажной полки 5. Здесь: 7, 8 - крышка; 9, 10 - надроторная вставка; ₁ - РЗ, - осевой зазор между гребнем и крышкой.

На фигуре 11 приведен случай работы системы на установившемся режиме. Здесь: 6 - гребень бандажной полки; 7, 8 - крышка; 9 и 10 - надроторная вставка; 29, 31 - каналы в надроторной вставке; 33, 35 - желоба в крышке; 37, 39 - каналы подвода воздуха к жиклерам 41, 43; стрелками показано течение воздуха.

Система работает следующим образом.

Монтажный зазор ₁ между бандажной полкой и надроторной вставкой устанавливается заведомо таким, чтобы в процессе работы двигателя на всех расчетных режимах и соответствующих этому взаимных перемещениях ротора и статора этот зазор оставался в допустимых пределах, исключающих касание ротора и статора. Разумеется, эту величину желательно сделать минимально возможной. Но этот зазор, как указывалось выше, все равно недостаточно мал, и соответствующие перетечки газа через РЗ и связанные с этим потери велики.

Для минимизации этих перетечек газа (и в идеале, сведения их к нулю), гребень 6 бандажной полки 5 через промежуток в надроторных вставках 9 и 10 вводится во внутреннюю полость крышки 7, 8 с минимальным технологическим зазором (0.05-0.1 мм), обеспечивающим его свободное радиальное перемещение в полости крышки. Крышка, состоящая из двух половин 7 и 8 для обеспечения возможности сборки, свободно скользит (в осевом направлении) по наружной поверхности надроторной вставки. Так как осевой зазор , составляющий 0.05÷0.1 мм значительно меньше радиального зазора ₁, находящегося в пределах 0.5÷2.5 мм, и в процессе работы двигателя не изменяется, возможные перетечки газа через гребень, вдвинутый в полость крышки значительно меньше (примерно, на порядок и более), чем через РЗ при существующих системах регулирования РЗ.

В дальнейшем, при работе двигателя, РЗ может меняться, при этом гребень 6 вдвигается или выдвигается из внутренней полости крышки 7, 8, по-прежнему перекрывая перетечку газа над бандажной полкой 5.

При осевых перемещениях ротора, гребень 6, перемещаясь совместно с ротором, будет двигаться в промежутке между половинами надроторной вставки 9 и 10, увлекая за собой крышку, свободно скользящую по наружной поверхности надроторной вставки.

Для предотвращения касания гребня о внутреннюю полость крышки предусмотрено устройство центрирования гребня, которое работает следующим образом (см. фиг.7, 8, 9):

В случае достаточно близкого подхода плоскости гребня 6 к внутренней поверхности полости крышки 7, 8 - на фигурах 7. 8 и 9 это левая (для примера) сторона крышки - перекрывается выход воздуха из жиклера 41, при этом давление в подпоршневой полости 45, связанной с жиклером 41 через каналы 37, желоба 33, каналы 29 и трубопровод 25, повышается и поршень 15 перемещается вправо, перемещая также поршень 14, соединенный штоком 77 с поршнем 15. При этом открывается отверстие подвода воздуха в подпоршневой полости 46. Воздух по трубопроводу 26 поступает в каналы 30 вставок, оттуда в желоба 34, далее по каналу 38 к жиклеру 42 и в полость между крышкой 5 и гребнем 6. Под давлением воздуха крышка 7, 8 отодвигается от гребня 6, предотвращая возможность касания гребня поверхности внутренней полости крышки. Та же картина происходит и при движении гребня 6 в осевом направлении в противоположную сторону (при этом работают трубопроводы и каналы правой стороны), так что в конечном счете гребень 6 устанавливается в нейтральное положение относительно внутренней полости крышки 7, 8.

На установившемся режиме (см. фиг.3, 4, 11) воздух из подпоршневых полостей 45, 47 по трубопроводам 25, 27 поступает в каналы 29, 31 надроторной вставки, затем в желоба 33, 35 крышки и по каналам 37, 39 в крышке через жиклеры 41, 43 во внутреннюю полость крышки 7, 8, создавая в ней повышенное давление, полностью перекрывая утечки газа через РЗ, как показано на фигуре 11.

При этом воздух, вытекающий из-под полости крышки охлаждает бандажную полку и надроторную вставку, что создает благоприятные температурные условия, повышающие ресурс вышеуказанных деталей турбины.

Таким образом, при любых взаимных перемещениях ротора и статора и соответствующей этому различной величине РЗ, перетекание газа через РЗ будет минимально возможным, так как оно определяется только осевым зазором между гребнем и внутренней поверхностью крышки, а на установившихся режимах перетекание газа через РЗ становится практически нулевым.

Предлагаемая полезная модель за счет значительного сокращения перетекания газа в радиальном зазоре, а на установившихся режимах - полного прекращения перетекания, позволяет увеличить КПД турбины, что скажется на повышении удельных параметров двигателя, а также улучшит охлаждение бандажной полки и верхних сечений лопатки, что увеличит их ресурс.

1. Система минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины, содержащая:

- рабочую лопатку с бандажной полкой, на которой имеется гребень достаточной величины для вхождения через промежуток между половинами надроторной вставки во внутреннюю полость крышки;

- надроторную вставку, состоящую из двух половин, так, что между ними имеется промежуток для возможного перемещения в осевом направлении гребня бандажной полки и имеющую каналы подвода воздуха к устройству центрирования положения гребня;

- крышку, состоящую из двух половин, имеющую желоба и каналы подвода воздуха и свободно перемещающуюся по наружной поверхности надроторной вставки;

- устройство центрирования положения гребня в полости крышки, включающее в себя цилиндры с поршнями, соединенными штоками, а также трубопроводы для подвода воздуха в подпоршневые полости и в каналы надроторной вставки и крышки.

2. Система минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что бандажная полка лопатки имеет гребень, входящий в промежуток между половинами надроторной вставки во внутреннюю полость крышки.

3. Система минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что крышка, в которую входит гребень бандажной полки перемещается по наружной поверхности надроторной вставки.

4. Система минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что имеется устройство центрирования положения гребня в полости крышки.

5. Система минимизации перетекания газа в радиальном зазоре проточной части турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрена подача воздуха во внутреннюю полость крышки.