Пристрій для відбору повітря з компресора газотурбінного двигуна і спосіб його збирання

Винахід відноситься до газотурбобудування, зокрема, до пристроїв для відбору повітря з компресора газотурбінного двигуна (ГТД) і може бути використане в стаціонарних, суднових і авіаційних ГТД. В усіх відомих конструкціях ГТД є повітряні системи, що включають у себе систему охолодження, систему ущільнення (підпору) масляних (підшипникових) порожнин і систему розвантаження від осьових зусиль [1, 2]. Необхідно відзначити, що для нормальної роботи системи підпору масляних порожнин і системи розвантаження від осьових зусиль потрібно, щоб у передмасляній і розвантажувальній порожнинах підтримувалися необхідні рівні тисків і забезпечувалися стабільні витрати повітря. Це досягається виконанням відборів повітря на підпір і розвантаження з тих або інших ступіней компресора. Для забезпечення нормальної роботи термічно навантажених деталей і вузлів ГТД необхідно також виконувати відбори охолодженого повітря з відповідних ступіней компресора. У деяких випадках для розвантаження ротора від осьових зусиль замість відбору виконується стравлювання повітря зі спеціальних розвантажувальних порожнин за ротором компресора у відповідну ступінь компресора з більш низьким рівнем тиску. Як правило, оптимальні параметри повітря для роботи систем ущільнення, розвантаження й охолодження різні. У зв'язку з цим, у компресорах повинні бути передбачені місця для відборів повітря з різних ступіней, що є досить складною конструкторською задачею, зв'язаною з поділом внутрішньої порожнини ротора на кілька порожнин. Особливо ця проблема утруднена у випадках, коли стравлювання повітря повинне здійснюватися в ступінь з меншим тиском, чим тиск повітря, що відбирається. За найближчий аналог прийнятий пристрій для відбору повітря з компресора ГТД [3]. У цьому пристрої відбір повітря з проточної частини компресора газотурбінного двигуна здійснюється через радіальні циліндричні пустотілі спиці, через які повітря надходить у порожнину розподілу охолодженого повітря між опорним циліндричним кожухом, установленим у внутрішній порожнині барабана ротора паралельно поздовжній осі компресора, і внутрішнім валом. Найбільш істотним недоліком найближчого аналогу є те, що порожнина розподілу охолодженого повітря даного пристрою сполучена з внутрішньою порожниною барабана ротора компресора. З цієї причини в компресорі вже неможливо виконати інші місця для відбору або стравлювання повітря. Так, наприклад, якщо додатковий відбір повітря виконати за однією з наступних за пристроєм ступіней, то це повітря з більш високим тиском і температурою буде надходити в порожнину розподілу охолодженого повітря, роблячи тим самим неможливим відбір повітря за допомогою відомого пристрою. Неможливо також здійснити і відбір повітря зі ступіней, розташованих до відомого пристрою, тому що повітря, що відбирається через спиці, з більш високим тиском буде витікати в ступінь додаткового відбору і не дозволить повітрю з більш низьким тиском надходити в порожнину барабана ротора компресора. Усе це обмежує функціональні можливості пристрою - найближчого аналогу. Крім того, у найближчому аналозі опорний циліндричний кожух кріпиться в роторі за допомогою болтового з'єднання (на Фіг.1 опису прототипу не позначене). Таке кріплення не дозволяє кожухові зміщатися ні в осьовому, ні в радіальному напрямках і може викликати значний перекіс спиць при неспіввісності отворів 10 у барабані ротова й отворів 15 у кожусі, а також при роботі двигуна через різні температурні розширення кожуха і барабана ротора. Це приводить до появи додаткових напруг у вузлі кріплення спиць і знижує надійність пристрою. Ще одним істотним недоліком найближчого аналогу є те, що ротор у районі установки спиць добору повітря не розбирається, що утрудняє контроль правильності збирання, зокрема, відсутності перекосу спиць щодо отворів у барабані ротора через відхилення при виготовленні опорного кожуха або отворів у барабані і також може приводити до зниження надійності пристроїв. Задачею винаходу є удосконалення пристрою для відбору повітря з компресора ГТД шляхом розширення його функціональних можливостей за рахунок локалізації повітря, що відбирається з проточної частини компресора, в ізольованих стосовно барабана ротора порожнинах, що дозволяє оптимально, незалежно друг від друга вибрати місця (ступіні) для відбору повітря на охолодження деталей, підпори масляних порожнин, а також підвищення надійності пристрою шляхом спрощення конструкції кріплення його елементів. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому пристрої для відбору повітря з компресора газотурбінного двигуна, що містить циліндричні пустотілі спиці, розташовані між дисками ротора, які з'єднують проточну частину компресора з порожниною розподілу охолодженого повітря, опорний циліндричний кожух, установлений у внутрішній порожнині барабана ротора, паралельно поздовжній осі компресора, відповідно до винаходу, опорний циліндричний кожух має циліндричний виступ, у якому виконані осьові і рознесені з ними в обводовому напрямку радіальні канали, і закріплений у роторі від осьових переміщень за допомогою байонетного з'єднання, порожнина розподілу охолодженого повітря утворена опорним циліндричним кожухом, його циліндричним виступом і обичайкою, що встановлена співвісно опорному циліндричному кожухові, одним кінцем зафіксована в ньому за допомогою, наприклад, штифтового з'єднання, а іншим сполучена з його циліндричним виступом, в осі обертання ротора встановлена центральна труба з кільцевими виступами й отворами між ними, якою разом з радіальними каналами в циліндричному виступі опорного кожуха утворений ізольований тракт відбору повітря з параметрами початкових ступіней компресора, при цьому, центральна труба постачена газощільними діаметральними посадковими поверхнями і зафіксована від осьових переміщень за допомогою, наприклад, штифтового з'єднання, крім того, після ступіні, за якою встановлені спиці, ротор виконаний рознімним і його передня і задня частини з'єднані між собою за допомогою, наприклад, болтового з'єднання. Завдяки тому, що порожнина розподілу охолодженого повітря виконана ізольованої і газощільною щодо інших порожнин барабана ротора, все повітря, що відбирається з проточної частини компресора через пустотілі спиці, зосереджується в ній і потім оптимально розподіляється на охолодження деталей роторів або на підпір масляних порожнин. Ізольованість порожнини розподілу охолодженого повітря перешкоджає надходженню потоку охолодженого повітря, що відбирається, в порожнину барабана ротора і його змішуванню з іншими можливими тут потоками, наприклад, з потоками повітря, яке стравлюється з іншими температурами і тисками в системі розвантаження ротора від осьових зусиль. Крім того, ізольований тракт, утворений встановленою в осі обертання ротора центральною трубою з кільцевими виступами й отворами між ними і радіальними каналами в циліндричному виступі опорного кожуха, дозволяє здійснювати додатковий відбір повітря з параметрами початкових ступіней компресора, де тиск і температура нижче, ніж повітря, що відбирається через спиці в порожнину розподілу охолодженого повітря. Таким чином, два незалежних потоки повітря, якії відбираються, ізольовані один від одного, мають різні рівні температур і тисків, і, не змішуючись, можуть бути використані для рішення різних задач, наприклад, з порожнини розподілу - на охолодження деталей роторів або на підпір масляних порожнин, із тракту - на підпір переднього ущільнення ротора компресора. Тим самим, конструкція, що заявляється, дозволяє удосконалити пристрій для відбору повітря, розширюючи його функціональні можливості. Байонетне кріплення опорного кожуха в роторі має просту конструкцію, не містить різьблення, як концентратора напруг, при зборці забезпечує кожухові деяку волю переміщення в осьовому і радіальному напрямках, що дозволяє виключити перекіс спиць при їхній установці, а також при роботі двигуна через різні температурні розширення кожуха і барабана ротора, що приводить до появи додаткових напруг у вузлі кріплення спиць і знижує надійність пристрою. Виконання ротора рознімним після ступіні, за якої встановлені спиці, забезпечує візуальний контроль правильності збирання, зокрема, відсутність перекосу спиць щодо отворів у барабані ротора через відхилення при виготовленні опорного кожуха або отворів у барабані, правильність фіксації опорного кожуха в осьовому й обводовому напрямках, а також дозволяє провертати опорний кожух щодо диска в обводовому напрямку на необхідну величину за рахунок використання байонетного з'єднання. Крім цього, рознімне з'єднання ротора дозволяє спростити технологічно фіксацію обичайки в опорному кожусі, а також застосувати різні способи її фіксації. Поставлена задача вирішується також тим, що в заявленому способі збирання пристрою шляхом установки в роторі компресора опорного циліндричного кожуха, циліндричних пустотілих спиць, відповідно до винаходу, опорний циліндричний кожух заводять у передню частину ротора, зміщають щодо передньої частини ротора в осьовому й обводовому напрямках, забезпечують тим самим співвісність отворів у барабані ротора і в опорному циліндричному кожусі для установки спиць, послідовно встановлюють спиці і обичайку, взаємофіксують їх за допомогою, наприклад, штифтового з'єднання, передню і задню частини ротора з'єднують за допомогою, наприклад, болтового з'єднання, а центральну трубу встановлюють після збирання ротора компресора. Даний спосіб дозволяє істотно спростити і полегшити збирання пристрою відбору повітря і забезпечити його високу надійність. Завдяки тому, що опорний кожух заводять у передню частину ротора до з'єднання його передньої і задньої частин і зміщають щодо передньої частини ротора в осьовому й обводовому напрямках, забезпечується можливість виключити перекоси спиць за рахунок візуального і метрологічного контролю співвісності отворів у барабані ротора і в опорному кожусі, проконтролювати правильність фіксації опорного кожуха в осьовому й обводовому напрямку, а також спростити технологічно фіксацію обичайки в опорному кожусі. На Фіг.1 зображений поздовжній розріз осьового компресора ГТД із пристроєм для відбору повітря. На Фіг.2 у збільшеному масштабі показане байонетне кріплення опорного кожуха і кріплення нижнього кінця спиці (елемент А Фіг.1), а на Фіг.3 показаний перетин спиці (січ. 3 Фіг.2). На Фіг.4 у збільшеному масштабі показаний вузол тракту відбору повітря (елемент У Фіг.1), а на Фіг.5 перетин вузла (січ. D-D Фіг.4). Заявлений пристрій для відбору повітря з компресора газотурбінного двигуна складається з осьового компресора 1 (Фіг.1), статор якого складається з корпуса 2 і лопаток спрямних апаратів 3 кожної ступіні. Ротор 4 компресора містить робочі лопатки 5, диски 6 кожної ступіні і барабанну частину 7 ротора. Барабанна частина 7 ротора відокремлена від проточної частини так, що над барабанною частиною утворені порожнини 8, що безпосередньо примикають до проточної частини, розділені між собою діафрагмами 9 і лабіринтовими ущільненнями 10. При цьому, у кожній з порожнин 8 установлюється тиск, близький до тиску в проточній частині за спрямним апаратом або робочими лопатками відповідної ступіні. Усередині барабана ротора між дисками 6 радіально встановлені пустотілі циліндричні спиці 11. Верхнім кінцем кожна спиця по ковзній посадці входить у відповідні отвори 12 у барабанній частині 7 ротора. Нижній кінець кожної спиці має циліндричний виступ 13 (Фіг.1, 2), що входить у циліндричний отвір з поглибленням 14 в опорному циліндричному кожусі 15, що забезпечує фіксацію спиці від радіального переміщення під дією відцентрових сил. Кожух 15 має діаметральні посадкові поверхні 16, 17, а також 18, 19 на циліндричному виступі 20. Для фіксації в осьовому і обводовому напрямках кожух 15 оснащений виступами 21 (Фіг.2, 3), що входять у кільцеву проточку 22 в одному з дисків ротора через пази 23, утворюючи при провороті в обводовому напрямку байонетне з'єднання. Пази 24 служать зачепами для полегшення провороту кожуха 15 в обводовому напрямку щодо диска. У кожух 15 по посадках 16, 18 встановлюється обичайка 25 (Фіг.1, 2), циліндричний виступ 26 якої виключає зсув спиць 11 до осі двигуна, а також формує кільцевий зазор 27 для проходу повітря. Фіксація обичайки 25 у кожусі 15 в осьовому й обводовому напрямках здійснюється за допомогою, наприклад, штифтового з'єднання 28. Кожухом 15, його циліндричним виступом 20 і обичайкою 25 утворена кільцева порожнина 29 розподілу охолодженого повітря, що осьовими каналами 30 у циліндричному виступі 20 кожуха 15 з’єднана з передньою порожниною 31 барабана ротора. Розвантажувальна порожнина 32 (Фіг.1) через лабіринт 33 і кільцевий зазор 34 з’єднана із проточною частиною за ротором компресора. Порожнина 32 через ряди отворів 35 зв'язана з внутрішньою порожниною ротора 36, через кільцевий зазор 37, порожнину 38 і отвори 39 - з порожниною 8 з підходящим тиском. Важливо відзначити, що конфігурація опорного кожуха 15 і його кріплення в роторі ізолює взаємозалежні порожнини 36 і 38 від інших порожнин у барабані ротора. Прохідні перетини отворів 35, 39 і кільцевого зазору 37 вибираються максимально можливими з конструктивних розумінь і розрахунків на міцність для того, щоб тиск у розвантажувальній порожнині 32 і в порожнинах 36, 38 був якнайближче до тиску в порожнині 8 за отворами 39, незалежно від зазору в лабіринті 33. Усередині ротора компресора, в осі обертання, установлена труба 40, постачена двома кільцевими виступами 41, що мають діаметральні посадки в циліндричному виступі 20 кожуха 15 по поверхні 19, що утворюють між опорним кожухом 15 і трубою 40 порожнину 42 (Фіг.1, 4). Порожнина 42 з'єднана з внутрішньою порожниною 43 труби 40 через отвори 44. Порожнина 42 радіальними каналами 45 циліндричного виступу 20, рознесеними з каналами 30 (Фіг.4, 5) в обводовому напрямку, з’єднана з порожниною 46, а отворами 47 - з порожниною 8 з підходящим тиском, утворюючи ізольований тракт додаткового відбору повітря з параметрами початкових ступіней компресора. Через цей тракт, у залежності від конструкції двигуна і потреб його експлуатації, може відбуватись як відбір повітря із ступіні з необхідними параметрами, так і стравлювання повітря з порожнин компресора з параметрами повітря більш високими, чим у ступіні. Як видно з Фіг.1, з’єднані між собою порожнини 42, 43, 46 також ізольовані від інших порожнин ротора. Для полегшення збирання ротора, після ступіні, за якої встановлені спиці, ротор виконаний рознімним і його передня 48 і задня 49 частини з'єднані між собою за допомогою, наприклад, болтового з'єднання 50 (Фіг.1). Для забезпечення взаємоцентровки передньої і задньої частин ротора друг щодо друга передбачена діаметральна посадка 51. Таке конструктивне рішення дозволяє візуально контролювати правильність збирання пристрою, насамперед, контролювати відсутність перекосів спиць 11 в осьовому й обводовому напрямках, відсутність виступання циліндричних виступів 13 за посадкову поверхню 16, правильність розташування виступів 21 у кільцевій проточці 22, а також дозволяє провертати кожух 15 щодо диска в обводовому напрямку, використовуючи пази 24. Усе це дозволяє істотно підвищити якість збирання вузла і надійність пристрою. Заявлений спосіб збирання пристрою полягає в наступному. У передню частину ротора 48 (Фіг.1) спочатку встановлюється опорний кожух 15, у якого виступи 21 (Фіг.2, 3) сполучають з пазами 23. Після цього кожух 15 зміщають уперед (по Фіг.1), потім, установивши в пази 24 ключ, провертають кожух 15 щодо передньої частини ротора 48 в обводовому напрямку так, щоб виступи 21 розмістилися посередині між пазами 23, а циліндричні отвори з поглибленнями 14 (Фіг.2) збіглися з відповідними отворами 12 у барабані ротора 7 (Фіг.1). Після цього від центра ротора в отвори 14 і 12 заводять спиці 11. Після перевірки правильності установки спиць усередину кожуха 15 вставляють обичайку 25, яку також зміщають уперед (по Фіг.1, 2) до упора. Потім обичайку 25 фіксують щодо кожуха 15 за допомогою, наприклад, штифтового з'єднання 28. Після цього роблять збирання передньої і задньої частин ротора 48 і 49 за допомогою, наприклад, болтового з'єднання. Потім роблять різні технологічні операції з ротором компресора, такі як балансування, збирання з робочими лопатками і т.д. Після збирання ротора компресора в ротор установлюють трубу 40, при цьому контролюють посадку виступів 41 по циліндричній поверхні 19 і по окремим газощільним діаметральним поверхням (типу 16, 17, на малюнку не показані). Фіксацію труби від осьових переміщень роблять за допомогою, наприклад, штифтового з'єднання або відповідних циліндричних виступів у деталях ротора компресора. Пристрій працює в такий спосіб. Повітря, що відбирається, через спиці 11 (Фіг.1), надходить спочатку в кільцевий зазор 27 і порожнину 29, а потім через отвори 30 у передню порожнину ротора 31, з якої повітря може відбиратися на охолодження деталей або підпір масляної порожнини. У розвантажувальну порожнину 32 повітря надходить із-за ротора компресора через кільцевий зазор 34 і лабіринт 33. Для зменшення осьового зусилля від ротора, тиск у порожнині 32 знижується до необхідного рівня за рахунок стравлювання повітря через отвори 35 у порожнину ротора 36, а потім через кільцевий зазор 37 у порожнину 38 і отвори 39 у проточну частину компресора з підходящим тиском. Важливо відзначити, що поділ трактів відбору повітря і стравлювання повітря з розвантажувальної порожнини дозволяє вибирати місця відбору і стравлювання повітря з оптимальними температурами і тисками незалежно друг від друга, що, крім розширення функціональних можливостей пристрою, полегшує доведення двигуна. Повітря, що відбирається з однієї з початкових ступіней компресора з потрібними температурою і тиском, проходить послідовно отвори 47, порожнину 46, канали 45, порожнину 42, отвори 44 і надходить по трубі 40 на рішення визначеної задачі, наприклад, на підпір переднього ущільнення ротора компресора. Таким чином, заявлений пристрій дозволяє здійснювати незалежні друг від друга відбори і стравлювання повітря з різним рівнем температур і тисків. Джерела інформації: 1. Копелев С.З. Гуров С.В. Тепловий стан елементів конструкції авіаційних двигунів-М.: Машинобудування, 1978. - 208с. 2. Скубачевський ГС. Авіаційні газотурбінні двигуни. Конструкція і розрахунок деталей. Видання 3-і перероблене і доповнене - М.:Машинобудування, 1969. - 544с. 3. Патент RU №2123125 С1, кл. 6F02C7/16, F04D19/02, опубліковані 10.12.98., бюл. №34.