Газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя
Владельцы патента RU 2720057:
Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") (RU)
Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к уплотнениям масляных полостей опор роторов газотурбинных двигателей и энергетических установок. Изобретение позволяет повысить надежность работы газотурбинного двигателя и расширить его эксплуатационные возможности. Газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя включает контактное уплотнение, расположенное между предмасляной - воздушной и масляной полостями опоры ротора. Контактное уплотнение содержит уплотнительный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом и прижатый пружинами к вращающейся втулке, закрепленной на роторе, и снабжено магнитным кольцом с контровочной гайкой. Уплотнительный элемент выполнен в виде стояночного инерционного уплотнения и импеллерного уплотнения, образованного кольцевым выступом на корпусе и кольцевым выступом на втулке с лопатками со стороны выступа на корпусе, установленными с образованием между ними компенсационного канала, связанного с масляной полостью. Магнитное кольцо с контровочной гайкой установлено на корпусе с образованием радиального проточного канала, соединенного с компенсационным каналом и масляной полостью. Стояночное инерционное уплотнение выполнено в виде двух подвижных секционных кольцевых плавающих вставок, установленных в двухкамерный кольцевой корпус обрамления, закрепленный на вращающейся втулке. Одна камера открыта в направлении корпуса, а другая - в сторону вращающейся втулки. Одна вставка установлена с возможностью взаимодействия с корпусом, а другая - с возможностью взаимодействия с вращающейся втулкой. Вставка, взаимодействующая с вращающейся втулкой, снабжена стягивающей бандажной пружиной, причем масса вставки со стягивающей бандажной пружиной больше массы вставки, установленной с возможностью взаимодействия с корпусом. Вставки соединены закрепленными на шарнирах на средней стенке кольцевого корпуса смежными качающимися рычагами для передачи центробежной силы, воздействующей на спаренные секционные кольцевые вставки, обеспечивающими инерционное раскрытие стояночного инерционного уплотнения и соединение предмасляной - воздушной полости с компенсационным каналом импеллерного уплотнения на заданных оборотах ротора газотурбинного двигателя. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к уплотнениям масляных полостей опор роторов газотурбинных двигателей и энергетических установок.
Существующие контактные уплотнения, между предмасляной - воздушной и масляной полостями опоры ротора газотурбинного двигателя, содержат взаимодействующие с корпусом (статором) не вращающиеся подвижные в осевом направлении уплотнительные кольца, прижатые пружинами к вращающейся втулке, рабочие торцы втулок оборудуются газодинамическими камерами, для снижения контактных поверхностей трения.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано торцовое газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя, включающее контактное уплотнение, расположенное между предмасляной - воздушной и масляной полостями опоры ротора, содержащее уплотнительный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом и прижатый пружинами к вращающейся втулке, закрепленной на роторе.
/RU 2595315 С1 МПК F16J 15/34, F04D 29/08 Опубликовано: 27.08.2016 г. /
Данное решение позволяет уменьшить контактные поверхности трения. При вращении вала газодинамические канавки обеспечивают бесконтактную работу уплотнения, благодаря чему теплота трения, выделяемая в контакте уплотнительного кольца и вращающейся втулки, существенно снизится. К тому же пара трения охлаждается маслом, омывающим вращающее кольцо с обратной стороны.
Вместе с тем использование контактного уплотнения приводит к коксообразованию и подгоранию утечек масла в месте контакта с поверхностью вращающейся втулки, а система контактных уплотнений, из-за температурных протечек масла, требует применения системы суфлирования воздушной и масляной полостей, что в совокупности уменьшает эффективность контактного уплотнения.
Задачей изобретения является повышение эффективности и ресурса работы торцового уплотнения при повышенной температуре уплотняемой среды.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является: -повышение надежности работы газотурбинного двигателя и расширения его эксплуатационных возможностей путем обеспечения полной герметичности масляной и предмасляной - воздушной полостей опоры ротора.
Технический результат достигается тем, что известное газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя, включающее контактное уплотнение, расположенное между предмасляной воздушной и масляной полостями опоры ротора, содержащее уплотнительный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом и прижатый пружинами к вращающейся втулке, закрепленной на роторе, по предложению, снабжено магнитным кольцом с контровочной гайкой, уплотнительный элемент выполнен в виде стояночного инерционного уплотнения и импеллерного уплотнения, образованного кольцевым выступом на корпусе и кольцевым выступом на втулке с лопатками со стороны выступа на корпусе, установленные с образованием между ними компенсационного канала связанного с масляной полостью, магнитное кольцо с контровочной гайкой установлено на корпусе с образованием радиального проточного канала соединенного с компенсационным каналом и масляной полостью, а стояночное инерционное уплотнение выполнено в виде двух подвижных секционных кольцевых плавающих вставок, установленных в двух камерный кольцевой корпус обрамления, закрепленный на вращающейся втулке, при этом одна камера открыта в направлении корпуса, а другая в сторону вращающейся втулки, одна вставка установлена с возможностью взаимодействия с корпусом, а другая с возможностью взаимодействия с вращающейся втулкой, вставка взаимодействующая с вращающейся втулкой снабжена стягивающей бандажной пружиной, причем масса вставки со стягивающей бандажной пружиной больше массы вставки установленной с возможностью взаимодействия с корпусом, вставки соединены, закрепленными на шарнирах на средней стенке кольцевого корпуса, смежными качающимися рычагами, для передачи центробежной силы, воздействующей на спаренные секционные кольцевые вставки, обеспечивающими инерционное раскрытие стояночного инерционного уплотнения и соединение предмасляной - воздушной полости с компенсационным каналом импеллерного уплотнения на заданных оборотах ротора газотурбинного двигателя. Лопатки на кольцевом выступе на втулке выполнены прямыми открытыми, количество лопаток более 22, а кольцевые плавающие вставки могут быть выполнены в виде секций смежных сегментов, перекрывающих друг друга при перемещении в продольном направлении, за счет воздействия инерционных сил на заданных оборотах (ωр.зад ротора и образующих зазор между статором и ротором в интервале δ≈(0.3-0.8) мм. Газодинамическое уплотнение может быть снабжено жиклерами установленными на компенсационных каналах в месте соединения с масляной полостью.
Предложенная конструкция позволяет одновременно реализовать три технические и конструктивные задачи:
1. Обеспечить полную герметизацию масляной и предмасляной - воздушной полостей опоры при раскрутке ротора газотурбинного двигателя до заданных оборотов, за счет установки на роторе конструкции выполняющей функцию специального стояночного инерционного уплотнения (СИУ);
2. Обеспечить полную герметизацию масляной и воздушных полостей опоры при работе газотурбинного двигателя на заданном режиме, с соответствующими заданным оборотом ротора, за счет установки на роторе в предмаслянной полости импеллерного уплотнения (ИмУ);
3. Обеспечить увеличение времени работы газотурбинного двигателя на заданном режиме при гравитационных перегрузках с коэффициентом ng>1.0, возникающих при пространственных эволюциях летательного аппарата, за счет одновременного использования стояночного инерционного уплотнения (СИУ) и импеллерного уплотнения (ИмУ) для создания в масляной полости дополнительной двухфазной среды для смази и охлаждения подшипника опоры ротора.
На рисунке приведена схема газодинамического уплотнения опоры ротора газотурбинного двигателя.
Контактное уплотнение опоры ротора установлено между предмасляной - воздушной полостью 1 и масляной полостью 2, содержит уплотнительный элемент, контактирующий с корпусом 3 и втулкой 4, закрепленной на роторе и магнитное кольцо 5 с контровочной гайкой 6, закрепленные на корпусе 3.
Уплотнительный элемент выполнен в виде стояночного инерционного уплотнения (СИУ) и импеллерного уплотнения (ИмУ) с общими каналами, соединяющими предмасляную - воздушную полостью 1 и масляную полость 2. Импеллерное уплотнение, образовано кольцевым выступом 7 на корпусе 3 и кольцевым выступом 8 на втулке 4 с лопатками 9 со стороны выступа 7 на корпусе. Выступы, образуют компенсационный канал 10, связанный с масляной полостью 2, и радиальным проточным каналом 11.
Стояночное инерционное уплотнение (СИУ) выполнено в виде двух подвижных в противоположном направлении секционных кольцевых плавающих 13 и 14 вставок, установленных в двух камерный кольцевой 12 корпус обрамления, закрепленный на вращающейся втулке 4. Вставка 14, взаимодействует с вращающейся втулкой 4 через эластичное уплотнение 15 и снабжена стягивающей 17 бандажной пружиной, причем масса вставки со стягивающей бандажной пружиной больше массы вставки установленной с возможностью взаимодействия с корпусом. Вставки соединены, закрепленными на шарнирах на средней стенке кольцевого корпуса, смежными качающимися рычагами 16, для передачи центробежной силы, воздействующей на спаренные секционные кольцевые вставки, обеспечивающими инерционное раскрытие стояночного инерционного уплотнения.
Лопатки на кольцевом выступе на втулке выполнены прямыми открытыми, количество лопаток 9 должно быть более 22, а кольцевые плавающие вставки, могут быть выполнены в виде секций смежных сегментов, перекрывающих друг друга при перемещении в продольном направлении, за счет воздействия инерционных сил на заданных оборотах ωр.зад ротора и образующих зазор между статором и ротором в интервале δ≈(0.3-0.8) мм. Газодинамическое уплотнение может быть снабжено жиклерами 18, установленными на компенсационных каналах в месте соединения с масляной полостью.
Газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя работает следующим образом.
При неподвижном роторе воздушная и масляная полости разделены системой стояночного инерционного уплотнения (СИУ), за счет которого осуществляется полная герметизация полостей. При запуске газотурбинного двигателя при вращении ротора с оборотами где 
число оборотов и предельное число оборотов ротора, при котором открывается СИУ с обеспечением зазора между статором и ротором равным δ≈(0.3-0.5) мм. Одновременно при достижении ротором оборотов 
включаются динамические процессы запора масляной полости ИмУ на заданном динамическом диаметре лопаток, которым разделяют и полностью обеспечивают герметизацию воздушной предмасляной и масляной полостей при достижении рабочих оборотов в пределах: 
, где 
рабочие обороты ротора, заданные режимом работы газотурбинного двигателя.
Установка СИУ в предмасляной полости позволяет автоматически раскрывать зазор между поверхностью статора на определенных оборотах ротора, за счет возникающих центробежных сил, воздействующих на две подвижные секционные кольцевые плавающие вставки. Указанные вставки выполнены из материала с малым коэффициентом трения со смещением радиальных зазоров, которые вставлены в кольцевой корпус обрамления, закрепленного на роторе (механически соединенный с ротором). В корпусе обрамления СИУ размещены две подвижные секционные кольцевые вставки с возможностью соединения с осевыми раздельными качающимися рычагами, закрепленными на шарнирах средней стенки кольцевого корпуса. Через рычаги передаются центробежные силы, воздействующие на спаренные секционные кольцевые вставки с массами подобранными так, что масса вставки со стягивающей бандажной пружиной больше спаренной левой, что обеспечивает инерционное раскрытие СИУ на заданных оборотах опоры ротора.
На основе практики сборки роторов турбин или компрессоров газотурбинных двигателей колесо-импеллер, устанавливается в корпусе с малыми осевыми δx ∈ [0.8-1.5] мм и радиальными зазорами δr ∈ [0.5-0.8] мм. Вид лопаток импеллера не оказывает существенного влияния эффективность уплотнения, так как через импеллер нет течения жидкости. Поэтому лопатки импеллера по предложению, исходя из технологических соображений выполняются прямыми открытыми., с числом лопаток z≥22 из опыта эксплуатации.
Величину зазора 0,3-0,8 мм между статором и ротором при открытом стояночном уплотнении выбирают из опыта эксплантации лабиринтных уплотнений в системах газотурбинных двигателей в зависимости от точности размеров роторов турбин или компрессоров, чтобы избежать контакта поверхностей при высоких оборотах. Предусмотренная в предложении система жиклеров, устанавленных в конце каналов разгрузки импеллера, служит для регулирования расхода утечек масла во время опытной доработки системы уплотнений на заданных режимах вращения ротора.
Применение изобретения позволяет увеличить эффективность и надежность газотурбинного двигателя за счет установки системы, упрощения конструкции опоры «отсутствие системы суфлирования воздушной полости опоры и трущихся поверхностей ротора», а также повысить надежность работы газотурбинного двигателя и расширения его эксплуатационных возможностей путем обеспечения полной герметичности масляной и предмасляной - воздушной полостей опоры ротора.
1. Газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя, включающее контактное уплотнение, расположенное между предмасляной - воздушной и масляной полостями опоры ротора, содержащее уплотнительный элемент, установленный с возможностью взаимодействия с корпусом и прижатый пружинами к вращающейся втулке, закрепленной на роторе, отличающееся тем, что оно снабжено магнитным кольцом с контровочной гайкой, уплотнительный элемент выполнен в виде стояночного инерционного уплотнения и импеллерного уплотнения, образованного кольцевым выступом на корпусе и кольцевым выступом на втулке с лопатками со стороны выступа на корпусе, установленными с образованием между ними компенсационного канала, связанного с масляной полостью, магнитное кольцо с контровочной гайкой установлено на корпусе с образованием радиального проточного канала, соединенного с компенсационным каналом и масляной полостью, а стояночное инерционное уплотнение выполнено в виде двух подвижных секционных кольцевых плавающих вставок, установленных в двухкамерный кольцевой корпус обрамления, закрепленный на вращающейся втулке, при этом одна камера открыта в направлении корпуса, а другая - в сторону вращающейся втулки, одна вставка установлена с возможностью взаимодействия с корпусом, а другая - с возможностью взаимодействия с вращающейся втулкой, вставка, взаимодействующая с вращающейся втулкой, снабжена стягивающей бандажной пружиной, причем масса вставки со стягивающей бандажной пружиной больше массы вставки, установленной с возможностью взаимодействия с корпусом, вставки соединены закрепленными на шарнирах на средней стенке кольцевого корпуса смежными качающимися рычагами для передачи центробежной силы, воздействующей на спаренные секционные кольцевые вставки, обеспечивающими инерционное раскрытие стояночного инерционного уплотнения и соединение предмасляной - воздушной полости с компенсационным каналом импеллерного уплотнения на заданных оборотах ротора газотурбинного двигателя.
2. Газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что лопатки на кольцевом выступе на втулке выполнены прямыми открытыми, количество лопаток более 22.
3. Газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые плавающие вставки выполнены в виде секций смежных сегментов, перекрывающих друг друга при перемещении в продольном направлении за счет воздействия инерционных сил на заданных оборотах ωр.зад ротора и образующих зазор между статором и ротором в интервале δ≈(0.3-0.8) мм.
4. Газодинамическое уплотнение опоры ротора газотурбинного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено жиклерами, установленными на компенсационных каналах в месте соединения с масляной полостью.
