Спосіб регулювання периферійних радіальних зазорів між статором і робочими лопатками турбіни газотурбінного двигуна

Спосіб регулювання периферійних радіальних зазорів між статором і робочими лопатками турбіни газотурбінного двигуна, що містить у собі систему регулювання радіального зазору, який полягає в узгодженні температурних розширень корпусних деталей, що визначають розміри радіальних зазорів, з розширеннями ротора шляхом включення та відключення подавання охолод ного повітря, яке відбирають із повітряного тракту компресора для охолодження цих корпусних деталей за керуючими сигналами, якими є параметри двигуна, який відрізняється тим, що як керуючий сигнал приймають тиск повітря за компресором, подавання охолодного повітря в систему регулювання радіального зазору починають на режимі R1 при перевищенні тиском повітря за компресором заданого порогового значення РПОр, яке задають вище величини тиску повітря за компресором на режимі холостого ходу, а припиняють на режимі R2 при зниженні тиску повітря за компресором до порогового значення РПОр, при цьому охолодне повітря відбирають тільки з-поза одного проміжного ступеня компресора однією групою трубопроводів і потім використовують це повітря для охолодження наступних ступенів турбіни о Винахід стосується турбінобудування, а саме, способів регулювання периферійних радіальних зазорів і призначено для використання в судових, авіаційних та енергетичних газотурбінних двигунах (ГТД), що використовуються як приводи електричних генераторів та механічних пристроїв Ефективність турбін і ГТД в цілому в значній мірі залежить від втрат, які викликаються перетіканнями газу через периферійні радіальні зазори (РЗ) поміж робочими лопатками і корпусними деталями На величину цих втрат найбільш суттєвий вплив чинить відносна величина РЗ Зменшення РЗ дозволяє помітно підвищити к к д турбін, особливо турбіни високого тиску (ТВТ) Тому конструкції більшості сучасних ГТД всіх провідних фірм містять у собі системи регулювання величин радіальних зазорів, в яких регулювання зазорів здійснюється шляхом змінення температур, і як наслідок, температурних розширень статорних деталей, що визначають величину радіальних зазорів Регулювання зазорів повинно забезпечити їх мінімальні величини в діапазоні робочих стаціонарних режимів та виключити врізання ротора в статор на всіх перехідних режимах, які призводять до необоротного збільшення радіальних зазорів в процесі експлуатації, а також виключити- заклинювання ротора по радіальним зазорам після зупинки двигуна Найбільшу складність в плані мінімізації радіальних зазорів в діапазоні робочих режимів являють собою можливі врізання ротора в корпус на деяких перехідних режимах, а саме, при різких наборах потужності, гарячих запусках та екстрених зупинках з високих режимів Є відомим спосіб пасивного регулювання радіальних зазорів, який полягає в узгодженні-темпів прогрівання та остигання дисків турбін і корпусних деталей, що визначають величини радіальних зазорів Поряд з простотою цей спосіб регулювання має цілий ряд недоліків, основні з яких полягають в необхідності обмеження прийомистості двигуна, погіршенні масогабаритних показників двигуна через виконання масивних корпусних деталей У зв'язку з вказаними недоліками спосіб пасивного регулювання радіальних зазорів на цей час не використовується в авіаційних і судових ГТД Разом з тим цей засіб застосовується в ряді стаціонарних ГТД, наприклад, "Mars", "Centaur", "Titan" фірми "Solar" (США) ю ю ю 55527 Крім пасивного, відомий також спосіб активного регулювання радіальних зазорів, який на цей час широко використовується в авіаційних ГТД, наприклад, серії CFM-5 Суть цього способу полягає в наступному на всіх режимах, крім крейсерського, на охолодження статорних деталей, що визначають величину радіальних зазорів, подається повітря з-поза компресору або з-поза одного з останніх ступеней компресору При виході на крейсерський режим на охолодження цих корпусних деталей подається більш холодне повітря зпоза проміжних ступеней компресору В ряді випадків для цієї мети може бути використане повітря другого контуру (А с N 1626754 А1, патент США N 4379677) Такий спосіб регулювання і дозволяє підтримувати мінімальні величини радіальних зазорів тільки на крейсерському режимі, проте на всіх інших режимах радіальні зазори суттєво збільшені Спосіб активного регулювання радіальних зазорів, що дозволяє забезпечити мінімальні величини радіальних зазорів на всіх режимах, зважаючи на складність, на цей час не набув практичного використання (Обзор N 161, ЦИАМ, 1983, Почуєв В Е - "Ефективність регулювання радиальних зазорів в ГТД") Разом з тим слід відзначити, що використання регулювання радіальних зазорів тільки на крейсерському режимі для авіаційних ГТД цілком виправдано, але неприпустимо для використання у всережимних судових ГТД і стаціонарних ГТД, що використовуються для приводу електрогенератора і як механічні приводи Як прототип прийнятий спосіб регулювання радіальних зазорів, описаний в патенті РФ N 1540389 від 20 05 88 р , F 01 D 11/08 В описаному способі регулювання радіальних зазорів відбувається шляхом підводу на обдув корпусів охолоджувального повітря двома групами трубопроводів Як керуючі сигнали для подачі охолоджувального повітря в даному способі використовують температуру і тиск повітря на вході в двигун, а також частоту обертання ротора В залежності від того, чи перевищує частота обертання ротора деяке порогове значення і в залежності від того, нижче чи вище тиск повітря на вході в двигун заданого порогового рівня, охолоджувальне повітря подається в першу або другу групу трубопроводів, тобто вмикається або вимикається обдув корпусів Указаний спосіб регулювання відрізняється складністю і визначається особливостями експлуатації авіаційного ГТД, фактично, в дворежимному варіанті Використання цього способу регулювання у всережимному ГТД недоцільно, а використання тиску повітря на вході в двигун (що, по суті, характеризує висоту польоту) як керуючого сигналу робить неможливим реалізацію такого способу регулювання в судових і стаціонарних ГТД В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу регулювання периферійних зазорів поміж статором і робочими лопатками ГТД шляхом забезпечення його багаторежимності, що дозволяє підвищити економічність двигуна в цілому шляхом мінімізації величин радіальних зазорів на стаціонарних режимах та виключення їх необоротного збільшення на будь якому нестаціонарно му режимі Поставлена задача вирішується таким чином, що в способі регулювання периферійних радіальних зазорів поміж статором і робочими лопатками газотурбінного двигуна, що містить у собі систему регулювання радіального зазору, який полягає в узгодженні температурних розширень корпусних деталей, що визначають величини радіальних зазорів, з розширеннями ротора шляхом включення та відключення подавання охолоджувального повітря, яке відбирається із повітряного тракту компресору на охолодження цих корпусних деталей за керуючими сигналами, якими є параметри двигуна, згідно з винаходом, за керуючий сигнал приймають тиск повітря за компресором, - подавання охолоджувального повітря в систему регулювання радіального зазору починають на режимі R1 при перевищенні тиском повітря за компресором заданого порогового, значення Рпор, яке задають вище величини тиску повітря за компресором на режимі холостого ходу, а припиняють на режимі R2 при зниженні тиску повітря за компресором до порогового значення Рпор, при цьому охолоджувальне повітря відбирають тільки з-поза одного проміжного ступеню компресору однією групою трубопроводів і потім використовують це повітря для охолодження наступних ступенів турбіни На Фіг зображено систему регулювання радіальних зазорів, за допомогою якої реалізується спосіб, що заявляється Система містить у собі ЗОВНІШНІ труби 1 з клапанами 2 відсікання повітря (КВП), по яким охолоджувальне повітря з-поза проміжного ступеню компресору подається в роздавальну порожнину З, утворену корпусними деталями турбіни високого тиску (ТВТ) і турбіни низького тиску (ТНТ) Із цієї порожнини повітря через пази 4 і отвори 5 струминного (душевого) охолодження надходить на обдув регулюючого кільця 6, яке центрується в корпусах турбіни за допомогою гнучкого елементу 7 В регулюючому КІЛЬЦІ 6 закріплені вставки 8, внутрішній діаметр яких визначає величину периферійних радіальних зазорів над робочими лопатками 5R1 Після обдуву регулюючого кільця повітря через отвори 9 в корпусі турбіни надходить на охолодження наступного ступеню турбіни, в даному варіанті ТНТ ПІДВІД повітря на охолодження ТНТ визначає температуру корпусу ТНТ 10 і величину радіального зазору 5R2 Спосіб регулювання радіальних зазорів реалізується наступним чином Запуск, вихід на холостий хід, прогрів і підйом до деякого режиму R1 здійснюють при закритих КВП 2, тобто без обдуву охолоджувальним повітрям регулюючого кільця 6 і охолодження ТНТ При досягненні1 режима R1, коли тиск повітря за компресором, який є керуючим сигналом для откривання КВП і подачі охолоджувального повітря, перевищує заданий пороговий рівень Рпор, КВП відкриваються і починає подаватися повітря на обдув регулюючого кільця б і охолодження ТНТ При цьому відбір повітря здійснюють тільки з-поза одного проміжного ступеню компресору одною групою трубопроводів 1 На всіх режимах вище R1 КВП лишаються відкритими і мінімальні величини 5R1 на всьому диапазоні стаціонарних робочих режимів досягаються шляхом підбору матеріала для виготовлення регулюючого кільця з таким коефіцієнтом ЛІНІЙНОГО розширення, який дає можливість регулюючому кільцю відстежувати зміни теплового та відцентрового подовження ротора по режимам При зниженні режиму до R2, який дорівнює або декілька нижче, R1 (різниця між режимами R2 і R1 визначається пстерезісом виконавчого механізму КВП), при зниженні тиску за компресором до порогового рівня Рпор подача охолоджувального повітря припиняється закриванням КВП В разі аварійної або екстреної зупинки тиск повітря за компресором знижується до Рпор (в реальних двигунах за 1-2хвил ), що викликає практично миттєве закривання КВП, здійснюється відсічка подачі повітря і вилучається обдув регулюючого кільця і охолодження корпусів ТНТ під час вибігів В цьому разі температури регулюючого кільця та корпусів ТНТ знижуються значно менше, ніж з обдувом регулюючого кільця (див ОТ ЖАКИ 102010 - 98, Із 55527 вестія академії інженерних наук України Випуск 1/1999, стр 210 - 215) Це зумовлює підвищену величину зазору 5R1, а також зазору 5R2 в процесі наступного остигання двигуна Крім того, через відсічку повітря виключається охолодження корпусів компресору під час вибігів, що забезпечує збільшення радіальних зазорів в компресорі в МІСЦІ відбору повітря При повторному запуску двигуна після екстреної або нормальної зупинки через перекриття подачі охолоджувального повітря підвищенні температури корпусних деталей зберігаються протягом усього процесу запуску Після початку горіння палива починається прогрів корпусних деталей турбін, що призводить до збільшення зазорів 5R1 і 5R2 Це особливо важливо для виключення врізання роторів у вставки при гарячих запусках двигуна, тобто двигуна з попередньо прогрітими дисками Повітря з-поза компресора Охолоджувальне повітря з-поза проміжного ступеню компресора ФІГ. Підписано до друку 05 05 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24