Лабиринтное уплотнение-демпфер газовой турбины
Владельцы патента RU 2650013:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (RU)
Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в отраслях техники, где применяются газовые турбины, в частности в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей. Лабиринтное уплотнение-демпфер для гашения энергии колебаний вращающегося в бесконтактных подшипниках ротора газовой турбины, содержащее корпус, имеющий уплотнительную лабиринтную втулку и уплотнительный бандаж ротора газовой турбины, коаксиальный лабиринтной втулке. Причем уплотнительная лабиринтная втулка выполнена из отдельных секторов. Между лабиринтной втулкой и корпусом уплотнения установлено упругое демпферное кольцо. При этом уплотнительные выступы лабиринтной втулки размещены между выступами уплотнительного бандажа. Такое исполнение конструкции лабиринтного уплотнения газовой турбины исключает механическое касание элементов конструкции турбины о статорные элементы лабиринтного уплотнения и обеспечит безаварийную работу при прохождении первой критической (резонансной) скорости вращения ротора за счет гашения энергии колебания турбины упругим демпферным кольцом. 4 ил.
Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в отраслях техники, где применяются газовые турбины, в частности в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей.
Известны лабиринтные уплотнения газовых турбин турбореактивных двигателей, обеспечивающие высокий коэффициент полезного действия за счет снижения утечек рабочего тела из области высокого давления в область низкого давления (см. патенты РФ №2513466, заявка №2013100956/06 от 09.01.2013 г., №2513061, заявка 2013100774/06 от 09.01.2013 г., МГЖ: F02C7/28, F01D11/02).
Известны лабиринтные уплотнения газовых турбин турбонасосных агрегатов ЖРД, в частности центростремительной турбины (см. книгу под редакцией профессора Г.Г. Гахуна «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», г.Москва, «Машиностроение», 1989 г., стр. 220, рис. 10.19, а также патент RU 2319017, F01D 11/08).
В обоих случаях лабиринтное уплотнение устанавливается на осевом кольцевом выступе диска турбины, ниже наружного диаметра турбины.
Известна конструкция лабиринтного уплотнения газовой турбины, взятого за прототип, в которой лабиринтное уплотнение в виде втулки расположено в корпусе турбины над уплотнительным бандажем на периферии диска турбины (см. книгу под редакцией профессора Г.Г. Гахуна «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, «Машиностроение», 1989 г., стр. 219, рис 10.18).
Недостаток лабиринтного уплотнения по прототипу заключается в следующем. Во время прохождения ротором ТНА первой критической частоты вращения, т.е. резонансного критического участка выхода ТНА на рабочую частоту, наблюдается наибольший прогиб ротора, особенно когда турбина конструктивно выполнена консольной.
При максимальном прогибе ротора возможно касание выступов бандажа турбины о втулку в корпусе, что может привести к разрушению втулки, а в окислительной среде возможно возгорание как турбины, так и уплотнительной лабиринтной втулки. Прогиб вала ТНА возможно уменьшить за счет установки упругого демпферного кольца над подшипниками (см. ранее упомянутую книгу, стр. 251, рис 10.47а, упругое кольцо поз. 4). Специальным конструктивным способом демпфирования колебаний ротора является введение упругой демпферной опоры (см. ранее упомянутую книгу, стр. 319. стр. 320, рис. 11.39, рис. 11.40).
Однако есть особый класс турбомашин, в которых отсутствуют шарикоподшипниковые опоры вращения. Вращение ротора турбомашины осуществляется в бесконтактных подшипниках - либо в активных магнитных подшипниках, либо в лепестковых газодинамических подшипниках. При этом конструктивно установить упругий демпферный элемент на ротор турбомашины невозможно.
Изобретение решает задачу обеспечения надежной работы турбомашины при прохождении первой критической (резонансной) частоты вращения методом гашения энергии колебаний вращающегося в бесконтактных подшипниках ротора газовой турбины.
Для этого выполнено лабиринтное уплотнение-демпфер, содержащее корпус с уплотнительной лабиринтной втулкой, газовую турбину с уплотнительным бандажом, имеющим выступы, выполненные коаксиально лабиринтной втулке, а уплотнительная лабиринтная втулка выполнена из отдельных секторов, при этом между лабиринтной втулкой и корпусом уплотнения установлено упругое демпферное кольцо, а уплотнительные выступы лабиринтной втулки размещены между выступами уплотнительного бандажа турбины.
При таком исполнении лабиринтного уплотнения-демпфера гасится энергия колебаний вращающегося в бесконтактных подшипниках ротора газовой турбины при прохождении первой критической (резонансной) частоты вращения.
Изобретение поясняется чертежами:
на Фиг. 1 - продольный разрез лабиринтного уплотнения-демпфера газовой турбины;
на Фиг. 2 - поперечный разрез лабиринтного уплотнения-демпфера;
на Фиг. 3 - зазор между секторами лабиринтной втулки;
на Фиг. 4 - геометрические параметры упругого демпферного кольца (пример конструктивного исполнения).
Лабиринтное уплотнение-демпфер газовой турбины включает корпус 1, уплотнительный бандаж 2 ротора 3 газовой турбины, уплотнительные выступы 4 бандажа газовой турбины, уплотнительную лабиринтную втулку 5, выполненную из отдельных секторов, упругое демпферное кольцо 6, уплотнительные выступы 7 лабиринтной втулки 5.
В процессе разгона частота вращения ротора турбомашины приближается к критической (резонансной частоте колебаний ротора турбомашины), что ведет к изменению радиального зазора между уплотнительными выступами 4 бандажа газовой турбины и уплотнительными выступами 7 лабиринтной втулки 5. С одной стороны зазор уменьшается, а с противоположной стороны, соответственно, увеличивается. В уменьшенном зазоре давление рабочего тела возрастает, а в увеличенном зазоре падает, что приводит к появлению перепада давления рабочего тела и возникновению радиальной силы, вызывающей прогиб отдельных секторов уплотнительной лабиринтной втулки 5, вызывающий упругую деформацию упругого демпферного кольца 6, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний ротора 3 газовой турбины.
Все зазоры между деталями выбираются конструктивно в процессе доводки лабиринтного уплотнения-демпфера и всего агрегата, куда входит турбина.
Использование изобретения позволит повысить надежность работы лабиринтного уплотнения-демпфера газовой турбины при работе в бесконтактных подшипниках за счет уменьшения прогиба ротора газовой турбины при прохождении критической (резонансной) частоты вращения за счет уменьшения амплитуды колебаний ротора и исключения касания элементов газовой турбины об элементы лабиринтного уплотнения-демпфера.
Лабиринтное уплотнение-демпфер для гашения энергии колебаний вращающегося в бесконтактных подшипниках ротора газовой турбины, содержащее корпус, имеющий уплотнительную лабиринтную втулку и уплотнительный бандаж ротора газовой турбины, коаксиальный лабиринтной втулке, причем уплотнительная лабиринтная втулка выполнена из отдельных секторов, а между лабиринтной втулкой и корпусом уплотнения установлено упругое демпферное кольцо, при этом уплотнительные выступы лабиринтной втулки размещены между выступами уплотнительного бандажа.
