RU2180046C2

RU2180046C2 - Gas-turbine engine behind-compressor sealing device

Info

Publication number: RU2180046C2
Application number: RU2000103878/06A
Authority: RU
Inventors: А.А. Иноземцев; А.И. Тункин; В.А. Кузнецов; Н.И. Рокка
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2002-02-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas-turbine engines; behind-compressor sealing devices. SUBSTANCE: proposed sealing device has labyrinth with sealing ribs connected with compressor shaft, mating segment cellular ring secured on compressor straightening device, and deflector forming slot-like space with ring. Slot-like space is connected at inlet with intermediate stage of compressor through U-shaped axially flexible manifold, variable- height slot before dispersing space and great number of holes in deflector whose axes are square to cooled surface of ring. Diameter of each hole is made increasing from variable-height slot to compressor disk. Great number of cellular segments are telescopically secured on flange of cellular ring. Each segment is fixed in circumferential and axial directions by means of bent off tip. EFFECT: improved efficiency of cooling and adjusting radial clearances of sealing device by jet uniform cooling of flange surface. 3 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным двигателям. The invention relates to gas turbine engines.

Известно уплотнительное устройство за компрессором турбореактивного двигателя, содержащее лабиринт, соединенный с валом компрессора и снабженный уплотнительными гребешками, и ответное им сегментное кольцо, закрепленное фланцем на спрямляющем аппарате компрессора с образованием разгрузочной полости, сообщенной с наружным контуром двигателя [1]. A sealing device behind a turbojet compressor is known, containing a labyrinth connected to the compressor shaft and equipped with sealing combs, and a segment ring responding thereto, mounted by a flange on the compressor straightening apparatus with the formation of a discharge cavity in communication with the external circuit of the engine [1].

Известное устройство имеет увеличенный радиальный зазор между роторными и статорными элементами уплотнения на установившихся режимах работы двигателя. Это связано с тем, что на переходных режимах работы двигателя из-за разного темпа нагрева статорных и роторных элементов уплотнения происходит уменьшение радиального зазора до нуля или врезание гребешков уплотнения в уплотнение статора, в результате чего уплотнение изнашивается. The known device has an increased radial clearance between the rotor and stator elements of the seal at steady state engine operation. This is due to the fact that at transient engine operation, due to the different heating rate of the stator and rotor elements of the seal, the radial clearance decreases to zero or the scallops of the seal are cut into the stator seal, as a result of which the seal wears out.

Наиболее близким к заявляемому является уплотнительное устройство с активным управлением величиной радиального зазора между статорными и роторными элементами уплотнения путем охлаждения статорных элементов уплотнения холодным воздухом на основных режимах работы двигатели [2]. Closest to the claimed is a sealing device with active control of the radial clearance between the stator and rotor seal elements by cooling the stator seal elements with cold air in the main modes of operation of the engines [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая эффективность охлаждения статорных элементов уплотнения, так как охлаждающий воздух движется в щелеобразной полости, образованной сотовым фланцем и дефлектором, параллельно охлаждаемым стенкам с низкими коэффициентами теплоотдачи. Также недостатком этой конструкции является неравномерное охлаждение сотового фланца при неравномерном точечном подводе охлаждающего воздуха в промежуточную коллекторную полость. Кроме того, в случае износа сотового уплотнителя на сотовом лабиринте радиальный зазор по лабиринтному уплотнению увеличивается, что приводит к ухудшению параметров двигателя, и для восстановления зазоров необходима переборка двигателя с заменой элементов уплотнения. A disadvantage of the known design adopted as a prototype is the low cooling efficiency of the stator sealing elements, since the cooling air moves in a slit-like cavity formed by a honeycomb flange and a deflector parallel to the cooled walls with low heat transfer coefficients. Another disadvantage of this design is the uneven cooling of the honeycomb flange with an uneven point supply of cooling air into the intermediate manifold cavity. In addition, in case of wear of the honeycomb seal on the honeycomb maze, the radial clearance along the labyrinth seal increases, which leads to deterioration of the engine parameters, and to restore the gaps, engine overhaul is necessary with replacement of the seal elements.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности охлаждения и регулирования радиальных зазоров уплотнительного устройства путем струйного и равномерного охлаждения поверхности фланца. The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase the cooling efficiency and regulate the radial gaps of the sealing device by jet and uniform cooling of the flange surface.

Сущность технического решения заключается в том, что в уплотнительном устройстве за компрессором ГТД, содержащем соединенный с валом компрессора лабиринт с уплотнительными гребешками, ответное ему сегментное сотовое кольцо, закрепленное на спрямляющем аппарате компрессора, а также дефлектор, образующий с кольцом щелеобразную полость, согласно изобретению, щелеобразная полость на входе соединена с промежуточной ступенью компрессора последовательно через U-образный упругий в осевом направлении коллектор, щель переменной высоты перед раздаточной полостью и множество отверстий в дефлекторе, оси которых перпендикулярны охлаждаемой поверхности кольца, а диаметр каждого из отверстий от щели переменной высоты к диску компрессора выполнен увеличенным, при этом на фланце сотового кольца телескопически закреплено множество сотовых сегментов, каждый из которых зафиксирован в окружном и осевом направлениях с помощью отогнутого усика. The essence of the technical solution lies in the fact that in the sealing device behind the GTE compressor, which contains a labyrinth with sealing ridges connected to the compressor shaft, a segmented honeycomb ring attached to it, mounted on the compressor straightening apparatus, and also a deflector forming a slit-like cavity with the ring, according to the invention, a slit-like cavity at the inlet is connected to the intermediate stage of the compressor in series through a U-shaped axially elastic collector, a slot of variable height in front of a dispensing cavity and a plurality of holes in the deflector, the axes of which are perpendicular to the cooled surface of the ring, and the diameter of each of the holes from the variable-height slit to the compressor disk is enlarged, while a plurality of honeycomb segments are telescopically fixed to the flange of the cell ring, each of which is fixed in circumferential and axial directions with a bent tendril.

Наличие U-образного упругого в осевом направлении коллектора обеспечивает осевой натяг между осевым выступом дефлектора и радиальной стенкой сотового кольца на всех режимах работы двигателя, тем самым сохраняется постоянной площадь пазов осевого выступа, а значит и скорость истекающего из них воздуха, т.е. интенсивность обдува. The presence of a U-shaped collector axially elastic in the axial direction provides an axial interference between the axial protrusion of the deflector and the radial wall of the honeycomb ring at all engine operating modes, thereby maintaining a constant groove area of the axial protrusion, and hence the speed of the air flowing from them, i.e. airflow intensity.

Увеличение диаметра каждого из отверстий в дефлекторе от щели переменной высоты к диску компрессора компенсирует гидравлические потери в щелеобразной полости и обеспечивает равномерное охлаждение фланца в осевом направлении. An increase in the diameter of each of the holes in the deflector from a variable-height slot to the compressor disk compensates for hydraulic losses in the slot-like cavity and ensures uniform cooling of the flange in the axial direction.

Крепление на фланце множества сотовых сегментов способствует защите фланца от его контакта с утечками горячего закомпрессорного воздуха, что позволяет снижать температуру фланца при его струйном обдуве, тем самым уменьшается величина радиального зазора. Mounting a plurality of honeycomb segments on the flange helps to protect the flange from contact with leaks of hot compressed air, which allows to reduce the temperature of the flange when it is blown, thereby reducing the radial clearance.

На фиг.1 изображен продольный разрез уплотнительного устройства;
на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде;
на фиг.3 - элемент II на фиг.2 в увеличенном виде.Figure 1 shows a longitudinal section of a sealing device;
figure 2 - element I in figure 1 in an enlarged view;
figure 3 - element II in figure 2 in an enlarged view.

Уплотнительное устройство 1 состоит из лабиринта 2 с уплотнительными гребешками 3, установленного на валу 4 и закрепленного с помощью байонетного соединения 5 на последнем диске 6 компрессора 7. Ответное лабиринту 2 сегментное сотовое кольцо 8 состоит из фланца 9, на котором телескопически закреплено множество сотовых сегментов 10, каждый из которых зафиксирован относительно фланца 9 в окружном и в осевом направлениях с помощью отогнутого усика 11. Сотовое кольцо 8 закреплено с помощью болтов 12 на спрямляющем аппарате 13 компрессора 7 и выполнено с тонкостенным упругим элементом 14, который позволяет при изменении температуры фланца 9 радиально перемещаться фланцу 9 совместно с сегментами 10. Со стороны компрессора на упругом элементе 14 выполнена теплоизоляция 15. Дефлектор 16 выполнен с множеством отверстий 17, оси которых перпендикулярны охлаждаемой поверхности 18. Диаметр каждого из отверстий 17 последовательно увеличивается по направлению от щели переменной высоты 19 к диску 6 компрессора 7. Между фланцем 9 и дефлектором 16 образована щелеобразная полость Г, которая соединена на выходе с разгрузочной закомпрессорной полостью А низкого давления, сообщенной с атмосферой через стойки камеры сгорания. The sealing device 1 consists of a labyrinth 2 with sealing combs 3 mounted on a shaft 4 and secured with a bayonet joint 5 on the last disk 6 of the compressor 7. The segment mating ring 8 responding to the labyrinth 2 consists of a flange 9 on which a plurality of honeycomb segments 10 are telescopically mounted each of which is fixed relative to the flange 9 in the circumferential and axial directions with the help of a bent tendril 11. The honeycomb ring 8 is fixed with bolts 12 on the rectifier 13 of the compressor 7 and is made with a thin-walled elastic element 14, which allows the flange 9 to radially move when the temperature of the flange 9 changes, together with the segments 10. On the compressor side, the elastic element 14 is insulated 15. The deflector 16 is made with many holes 17 whose axes are perpendicular to the cooled surface 18. Each diameter from the openings 17 sequentially increases in the direction from the slit of variable height 19 to the disk 6 of the compressor 7. Between the flange 9 and the deflector 16 a slit-like cavity G is formed, which is connected to the outlet e with a low pressure discharge chamber A of the compressor, connected to the atmosphere through the racks of the combustion chamber.

На входе через множество отверстий 17 щелеобразная полость Г соединена с раздаточной полостью Б, которая через щель 19 переменной высоты h соединена с коллекторной полостью В, образованной упругим U-образным коллектором 20 и далее - через трубы 21, стойку 22 камеры сгорания (на фиг. не показано), патрубок 23, дроссельную шайбу 24 с внутренним диаметром d и трубу 25 с промежуточной ступенью компрессора 7 (промежуточная ступень на компрессоре не показана). At the entrance through a plurality of openings 17, the slit-like cavity G is connected to the dispensing cavity B, which, through the slit 19 of variable height h, is connected to the collector cavity B formed by the elastic U-shaped collector 20 and then through the pipes 21, the rack 22 of the combustion chamber (in FIG. not shown), pipe 23, a throttle washer 24 with an inner diameter d and a pipe 25 with an intermediate stage of the compressor 7 (an intermediate stage on the compressor is not shown).

Дефлектор 16 фиксируется в радиальном направлении относительно упругого элемента 14 кольца 8 с помощью радиального ребра 26 с пазами 27 и в осевом направлении - с помощью осевого выступа 28 с пазами 29, опираясь в радиальную стенку 30 сотового кольца 8. С другой стороны дефлектор 16 с помощью фланца 31, болтов 32 и гаек 33 крепится к кольцу 8. Ребро 34 переменной высоты дефлектора 16 разделяет между собой раздаточную полость Б и коллекторную полость В и позволяет обеспечить равномерный подвод охлаждающего воздуха и охлаждение фланца 9 при неравномерном точечном подводе охлаждающего воздуха в коллекторную полость В. Плоские радиальные стенки 35 и 36 U-образного коллектора 20 позволяют выполнить коллектор 20 упругим в осевом направлении - для обеспечения осевого натяга между осевым выступом 28 дефлектора 16 и радиальной стенкой 30 сотового кольца 8 на всех режимах работы двигателя. The deflector 16 is fixed in the radial direction relative to the elastic element 14 of the ring 8 using a radial rib 26 with the grooves 27 and in the axial direction using the axial protrusion 28 with the grooves 29, resting on the radial wall 30 of the honeycomb ring 8. On the other hand, the deflector 16 with the flange 31, the bolts 32 and the nuts 33 is attached to the ring 8. The rib 34 of variable height of the deflector 16 separates the dispensing cavity B and the collector cavity B from one another and allows for uniform supply of cooling air and cooling of the flange 9 with uneven by direct supply of cooling air to the collector cavity B. Flat radial walls 35 and 36 of the U-shaped collector 20 allow the collector 20 to be made elastic in the axial direction - to provide axial interference between the axial protrusion 28 of the deflector 16 and the radial wall 30 of the honeycomb ring 8 in all operating modes engine.

Работает устройство следующим образом. При работе двигателя для уменьшения радиального зазора δ по уплотнительному устройству включается отбор из-за промежуточной ступени (на фиг. не показано) компрессора 7 охлаждающего воздуха, который по трубе 25 через дроссельную шайбу 24, патрубок 23, одну из стоек 22 камеры сгорания (на фиг. не показано) и трубу 21 поступает, например, местно в коллекторную полость В коллектора 20, где растекается в окружном направлении и через щель 19 переменной высоты h равномерно поступает в раздаточную полость Б, из которой через множество отверстий 17 и пазы 27 и 29 струями, перпендикулярно к поверхности 18, натекает на эту поверхность, осуществляя интенсивное охлаждение фланца 9. The device operates as follows. When the engine is running, to reduce the radial clearance δ by the sealing device, selection is switched on due to the intermediate stage (not shown in Fig.) Of the compressor 7 of cooling air, which through pipe 25 through the throttle washer 24, pipe 23, one of the racks 22 of the combustion chamber (on Fig. (not shown) and the pipe 21 enters, for example, locally into the collector cavity B of the collector 20, where it flows in the circumferential direction and through the slot 19 of variable height h evenly enters the dispensing cavity B, from which through a plurality of holes 17 and grooves 27 and 29 jets, perpendicular to the surface 18, flows onto this surface, carrying out intensive cooling of the flange 9.

Из щелеобразной полости Г охлаждающий воздух истекает в разгрузочную полость А. За счет упругости U-образного коллектора 20 сохраняется постоянной площадь пазов 29, а значит и скорость истекающего из них воздуха, т.е. интенсивность обдува. Увеличивающийся диаметр отверстий 17 от щели 19 к выступу 26 компенсирует гидравлические потери в щелеобразной полости Г и обеспечивает равномерное охлаждение фланца 9 в осевом направлении. С наработкой двигателя элементы уплотнительного устройства, например, за счет эррозионного износа перетекающим через уплотнение воздухом с загрязняющими частицами, радиальный зазор δ может увеличиваться. Для компенсации этого увеличения зазора при регламентных работах дроссельная шайба 24 заменяется на аналогичную с большим внутренним диаметром d, интенсивность охлаждения фланца 9 возрастает и зазор δ на рабочих режимах уменьшается. From the slit-like cavity G, cooling air flows into the discharge cavity A. Due to the elasticity of the U-shaped collector 20, the area of the grooves 29 is kept constant, and hence the speed of the air flowing from them, i.e. airflow intensity. The increasing diameter of the holes 17 from the slit 19 to the protrusion 26 compensates for hydraulic losses in the slit-like cavity G and provides uniform cooling of the flange 9 in the axial direction. With the operating time of the engine, the elements of the sealing device, for example, due to erosion wear, air flowing through the seal with contaminants, the radial clearance δ can increase. To compensate for this increase in the gap during routine maintenance, the throttle washer 24 is replaced with a similar one with a large inner diameter d, the cooling rate of the flange 9 increases and the gap δ decreases during operation.

Таким образом, параметры двигателя восстанавливаются. Влияние радиального зазора δ на параметры двигателя чрезвычайно велико, так как это прямые потери закомпрессорного воздуха. Например, для ГТУ-25П (изд.87) при радиальном зазоре δ=0,2 мм утечки через уплотнительное устройство составляют 1,6% от расхода воздуха через двигатель, что ухудшает экономичность двигателя на 2,4% и повышает температуру газа перед турбиной на 25^oС. Установка сотовых сегментов 10 на фланце 9 существенно снижает стоимость ремонта износившегося уплотнительного устройства, так как в этом случае заменяются только сегменты 10 на фланце 9. Кроме того, сегменты 10 защищают фланец 9 от его контакта с утечками горячего закомпрессорного воздуха, что дает возможность в большей степени снижать температуру фланца 9 при его струйном обдуве, а значит и уменьшать величину зазора δ. Коэффициенты теплоотдачи при лобовом струйном обдуве поверхности примерно в 2 раза выше, чем при охлаждении этой поверхности воздухом, текущим вдоль нее. Т.е., применяя струйный обдув, можно при таком же расходе охлаждающего воздуха существенно улучшить эффективность охлаждения, или, как в нашем случае - эффективность регулирования радиальных зазоров уплотнения.Thus, the engine parameters are restored. The influence of the radial clearance δ on the engine parameters is extremely large, as these are direct losses of compressor air. For example, for GTU-25P (Vol. 87), with a radial clearance of δ = 0.2 mm, leakage through the sealing device is 1.6% of the air flow through the engine, which degrades engine efficiency by 2.4% and increases the gas temperature in front of the turbine 25 ^o C. Installing the honeycomb segments 10 on the flange 9 significantly reduces the cost of repairing a worn-out sealing device, since in this case only the segments 10 on the flange 9 are replaced. In addition, the segments 10 protect the flange 9 from its contact with leaks of hot compressed air, what makes it possible the ability to reduce to a greater extent the temperature of the flange 9 during its jet blowing, and therefore reduce the gap δ. The heat transfer coefficients for a frontal jet surface blowing are approximately 2 times higher than when this surface is cooled by air flowing along it. That is, using jet blowing, at the same flow rate of cooling air, it is possible to significantly improve the cooling efficiency, or, as in our case, the efficiency of regulation of radial seal gaps.

Источники информации
1. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30, М.: Машиностроение, 1971 г., стр.19.Sources of information
1. Aircraft dual-circuit turbojet engine D-30, M .: Engineering, 1971, p. 19.

2. Патент RU 2036312 С1 от 27.05.95 г. - прототип. 2. Patent RU 2036312 C1 of 05.27.95, the prototype.

Claims

A sealing device behind the compressor of a gas turbine engine, comprising a labyrinth connected to the compressor shaft with sealing ridges, a segmented honeycomb ring attached thereto, mounted on the compressor straightener, and a deflector forming a slit-like cavity with the ring, characterized in that the slit-like cavity at the input is connected to the intermediate compressor stage sequentially through a U-shaped axially elastic manifold, a variable-height slot in front of the dispensing cavity and holes in the deflector, the axes of which are perpendicular to the cooled surface of the ring, and the diameter of each of the holes is made larger from a slit of variable height to the compressor disk, while many honeycomb segments are telescopically fixed to the flange of the cell ring, each of which is fixed in circumferential and axial directions using a bent antennae.