RU2225522C2 - Gas-turbine engine behind-the-compressor labyrinth seal - Google Patents

Gas-turbine engine behind-the-compressor labyrinth seal Download PDF

Info

Publication number
RU2225522C2
RU2225522C2 RU2001121214/06A RU2001121214A RU2225522C2 RU 2225522 C2 RU2225522 C2 RU 2225522C2 RU 2001121214/06 A RU2001121214/06 A RU 2001121214/06A RU 2001121214 A RU2001121214 A RU 2001121214A RU 2225522 C2 RU2225522 C2 RU 2225522C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
labyrinth
tier
lips
seal
compressor
Prior art date
Application number
RU2001121214/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2001121214A (en
Inventor
А.И. Тункин
В.А. Кузнецов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" filed Critical Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority to RU2001121214/06A priority Critical patent/RU2225522C2/en
Publication of RU2001121214A publication Critical patent/RU2001121214A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2225522C2 publication Critical patent/RU2225522C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas-turbine engines of ground and aircraft application. SUBSTANCE: according to invention, in proposed behind-the compressor labyrinth seal of gasturbine engine containing two-tier labyrinth with sealing lips installed on shaft and mating stator flange, sealing lip of each tier of labyrinth extreme from compressor rotor is made of increased thickness at H/h=1.5-3, where H is thickness of extreme lip; h is thickness of other lips. Working surfaces of sealing lips of inner tier of labyrinth are made to generatrix of cone with angle of tilting of 0.5o - 3o towards side of outlet from labyrinth, and number of lips of outer tier of labyrinth is 1.5-5 times greater than number of lips on inner tier labyrinth. EFFECT: improved reliability in operation owing to reduction of thermal stresses and increase of vibration stability in seal lips, reduced wear. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения наземного и авиационного применения. The invention relates to the field of engine development of ground and aviation applications.

Известно воздушное лабиринтное уплотнение, состоящее из вращающегося лабиринта с гребешками и ответного ему статорного фланца, закрепленного на статоре [1]. Known air labyrinth seal, consisting of a rotating labyrinth with combs and a reciprocal stator flange mounted on a stator [1].

Недостатками известной конструкции являются повышенные утечки воздуха из-за малого количества уплотнительных гребешков и пониженная надежность из-за возможности растрескивания последнего по потоку гребешка лабиринта и поломки вращающегося лабиринта. The disadvantages of the known design are increased air leakage due to the small number of sealing scallops and reduced reliability due to the possibility of cracking the last downstream scallop maze and breakage of the rotating labyrinth.

Наиболее близкой к заявляемой является уплотнительное устройство за компрессором турбореактивного двухконтурного двигателя, состоящего из многоярусного лабиринта, соединенного с валом двигателя, и ответного ему статорного фланга. На внутреннем ярусе лабиринта выполнено кольцевое радиальное ребро для установки балансировочных грузиков [2]. Closest to the claimed is a sealing device behind the compressor of a turbojet dual-circuit engine, consisting of a multi-tier labyrinth connected to the motor shaft, and a stator flank reciprocal to it. An annular radial rib is made on the inner tier of the labyrinth for the installation of balancing weights [2].

Недостатком известной конструкции является низкая надежность из-за возможности растрескивания последнего лабиринтного гребешка на каждом ярусе лабиринта, а также износ лабиринтных гребешков на внутреннем ярусе лабиринта из-за его упругой деформации под воздействием центробежной силы от балансировочных грузиков. A disadvantage of the known design is low reliability due to the possibility of cracking the last labyrinth scallop on each tier of the labyrinth, as well as the wear of the labyrinth scallops on the inner tier of the labyrinth due to its elastic deformation under the influence of centrifugal force from balancing weights.

Для минимизации упругой деформации внутреннего яруса лабиринта также важно оптимальное число гребешков лабиринтного уплотнения (Z2), расположенных на нем.To minimize the elastic deformation of the inner tier of the labyrinth, the optimal number of ridges of the labyrinth seal (Z 2 ) located on it is also important.

При малом Z2 ухудшаются уплотняющие свойства лабиринтного уплотнения, а при излишне большом - увеличивается упругая деформация и износ гребешков нижнего яруса лабиринтного уплотнения. Это связано с тем, что внутренний ярус лабиринта расположен консольно по отношению к полотну лабиринта, и при большом выносе консоли (т.е. при большом числе гребешков Z2) внутренний ярус деформируется под действием центробежных сил.With a small Z 2, the sealing properties of the labyrinth seal deteriorate, and with an excessively large one, the elastic deformation and wear of the combs of the lower tier of the labyrinth seal increase. This is due to the fact that the inner tier of the labyrinth is cantilevered with respect to the canvas of the labyrinth, and with a large extension of the cantilever (i.e., with a large number of combs Z 2 ), the inner tier is deformed by centrifugal forces.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности работы за счет снижения термических напряжений и повышения виброустойчивости в гребешках уплотнения, а также исключения его износа. The technical problem that the invention solves is to increase the reliability by reducing thermal stresses and increasing vibration resistance in the combs of the seal, as well as eliminating its wear.

Сущность изобретения заключается в том, что в закомпрессорном лабиринтном уплотнении газотурбинного двигателя, содержащем установленный на валу двухъярусный лабиринт с уплотнительными гребешками и ответный ему статорный фланец, согласно изобретению крайний от ротора компрессора уплотнительный гребешок каждого яруса лабиринта выполнен утолщенным, причем Н/h= 1,5...3, где Н - толщина крайнего гребешка; h - толщина остальных гребешков. The essence of the invention lies in the fact that in the compressor labyrinth seal of a gas turbine engine containing a two-tier labyrinth mounted on the shaft with sealing ridges and a stator flange corresponding to it, according to the invention, the sealing comb of the labyrinth extreme from the compressor rotor is thickened, and H / = 5 ... 3, where H is the thickness of the extreme scallop; h is the thickness of the remaining combs.

Рабочие поверхности уплотнительных гребешков внутреннего яруса лабиринта выполнены по образующей конуса с углом наклона 0,5-3o в сторону выхода из уплотнения, при этом число гребешков на внешнем ярусе лабиринта превышает число гребешков на внутреннем ярусе лабиринта в 1,5...5 раз.The working surfaces of the sealing ridges of the inner tier of the labyrinth are made along the generatrix of the cone with an angle of inclination of 0.5-3 o in the direction of exit from the seal, while the number of ridges on the outer tier of the labyrinth exceeds the number of ridges in the inner tier of the labyrinth by 1.5 ... 5 times .

Выполнение крайних от ротора компрессора уплотнительных гребешков яруса лабиринта утолщенными связано с тем, что на каждом ярусе они испытывают повышенные термические напряжения на переходных режимах и акустические вибронапряжения, т.к. в лабиринтном уплотнении максимальные скорости уплотняемого рабочего тела (воздуха) реализуются на последнем по потоку лабиринтном гребешке. The thicker combs of the labyrinth tier, which are extreme from the compressor rotor, are thickened due to the fact that at each tier they experience increased thermal stresses in transient conditions and acoustic vibratory stresses, because in a labyrinth seal, the maximum velocities of the compacted working fluid (air) are realized on the last flowing labyrinth scallop.

Утолщенные гребешки обладают улучшенной теплоотдачей от вершины гребешка к его основанию, что снижает термические напряжения в них на переходных режимах, а также повышенной виброустойчивостью. Thickened scallops have improved heat transfer from the top of the scallop to its base, which reduces thermal stresses in them during transient conditions, as well as increased vibration resistance.

Это особенно важно для закомпрессорных лабиринтных уплотнений, т.к. современные компрессоры для повышения экономичности двигателя выполняются с высокой степенью сжатия, равной 20...35, и поэтому на выходе из каждого яруса лабиринтного уплотнения реализуются высокие сверхзвуковые скорости уплотняемого рабочего тела. This is especially important for pressurized labyrinth seals, as modern compressors to increase engine efficiency are performed with a high compression ratio of 20 ... 35, and therefore, at the exit from each tier of the labyrinth seal, high supersonic speeds of the compacted working medium are realized.

Отношение толщины крайнего гребешка Н по потоку уплотняемого тела к толщине остальных гребешков h составляет 1,5...3. The ratio of the thickness of the extreme scallop N along the flow of the compacted body to the thickness of the remaining scallops h is 1.5 ... 3.

При Н/h<1,5 возможно растрескивание крайнего гребешка из-за возникающих при работе двигателя акустических колебаний рабочего тела. At H / h <1.5, cracking of the extreme scallop is possible due to acoustic vibrations of the working fluid arising during engine operation.

При Н/h>5 высока вероятность растрескивания предшествующих крайнему гребешку из-за термических напряжений, возникающих вследствие низкой теплоотдачи от периферии уплотнительного гребешка к его основанию. At H / h> 5, there is a high probability of cracking preceding the extreme scallop due to thermal stresses arising from low heat transfer from the periphery of the sealing scallop to its base.

Рабочие поверхности уплотнительных гребешков внутреннего яруса лабиринта необходимо выполнять по образующей конуса с углом наклона α = 0,5-3° в сторону выхода из уплотнения для исключения излишнего врезания гребешков в статорный фланер и износа лабиринтного уплотнения.The working surfaces of the sealing ridges of the inner tier of the labyrinth must be carried out along the generatrix of the cone with an angle of inclination α = 0.5-3 ° in the direction of exit from the seal to avoid excessive cutting of the ridges into the stator flange and wear of the labyrinth seal.

При этом в случае, когда α < 0,5°, возможно ухудшение работы уплотнения из-за излишнего врезания гребешков в ответный им статорный фланец, особенно на максимальном режиме работы двигателя.Moreover, in the case when α <0.5 ° , the seal may deteriorate due to excessive cutting of the combs into the stator flange reciprocal to them, especially at the maximum engine operating mode.

Если α > 3°, то возможно ухудшение работы уплотнения, особенно на промежуточных и переходных режимах работы двигателя, из-за излишнего раскрытия радиального зазора между статором и ротором.If α> 3 ° , then the seal may deteriorate, especially in intermediate and transient engine operation, due to excessive disclosure of the radial clearance between the stator and rotor.

Поскольку внутренний ярус двухъярусного лабиринта выполнен в виде кольцевого ребра, консольно расположенного относительно полотна лабиринта, то соотношение числа гребешков Z1 на внешнем ярусе лабиринта и числа гребешков на внутреннем ярусе лабиринта Z2 должны быть оптимальными.Since the inner tier of the two-tier labyrinth is made in the form of an annular rib cantilever relative to the maze web, the ratio of the number of scallops Z 1 on the outer tier of the labyrinth and the number of scallops on the inner tier of the labyrinth Z 2 should be optimal.

Если Z1/Z2<1,5, то из-за излишней радиальной деформации внутреннего яруса лабиринта произойдет износ уплотнительных гребешков лабиринта.If Z 1 / Z 2 <1.5, then due to excessive radial deformation of the inner tier of the labyrinth, wear of the sealing ridges of the labyrinth will occur.

При Z1/Z2>5 снижается эффективность лабиринтного уплотнения.When Z 1 / Z 2 > 5, the effectiveness of the labyrinth seal decreases.

Изобретение проиллюстрировано следующим образом. The invention is illustrated as follows.

На фиг. 1 показан продольный разрез заявляемого уплотнения, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the inventive seal, figure 2 - element I in figure 1 in an enlarged view.

Закомпрессорное лабиринтное уплотнение 1 газотурбинного двигателя состоит из двухъярусного закомпрессорного лабиринта 2 и ответного ему статорного фланца 3, установленного на опоре 4 радиально-упорного шарикоподшипника 5, и служит для уплотнения полости высокого давления 6 за последней рабочей лопаткой 7 компрессора от закомпрессорной разгрузочной полости 8 низкого давления. The compressor labyrinth seal 1 of the gas turbine engine consists of a two-stage compressor labyrinth 2 and a reciprocal stator flange 3 mounted on the support 4 of the angular contact ball bearing 5, and serves to seal the high pressure cavity 6 behind the last working blade 7 of the compressor from the low pressure compressor discharge cavity 8 .

Двухъярусный закомпрессорный лабиринт 2 установлен шлицами 9 на шлицевом валу 10 и закреплен на диске последней ступени 11 компрессора с помощью байонетного соединения 12, которое выполнено на внешнем ярусе 13 лабиринта 2. The two-tier compressor maze 2 is installed with slots 9 on the splined shaft 10 and mounted on the disk of the last stage 11 of the compressor using a bayonet connection 12, which is made on the outer tier 13 of the maze 2.

На наружных поверхностях 14, 15 внешнего яруса 13 и внутреннего яруса 16 лабиринта 2 выполнены уплотнительные гребешки 17 толщиной h и крайние для каждого яруса по течению потока 18 уплотняемого рабочего тела (воздуха) уплотнительные гребешки 19 толщиной Н. On the outer surfaces 14, 15 of the outer tier 13 and the inner tier 16 of the labyrinth 2, sealing combs 17 are made of thickness h and the outer combs 19 of the thickness of the working fluid (air) 18, which are extreme for each tier, are sealed by comb 18.

Внутренний ярус 16 двухъярусного лабиринта 2 выполнен в виде кольцевого ребра 20, расположенного консольно относительно полотна 21 лабиринта. Осевая длина этого ребра 20 и, следовательно, отношение числа Z2 гребешков 17, 19 на этом ярусе и числа гребешков Z1 на внешнем ярусе выбирают оптимальными с целью исключения радиальной пластической деформации ребра 20 при максимальных режимах работы двигателя.The inner tier 16 of the two-tier labyrinth 2 is made in the form of an annular rib 20 located cantilever relative to the canvas 21 of the labyrinth. The axial length of this rib 20 and, therefore, the ratio of the number Z 2 of scallops 17, 19 on this tier and the number of scallops Z 1 on the outer tier are chosen optimal in order to exclude radial plastic deformation of the rib 20 at maximum engine operating conditions.

Для балансировки ротора 22 компрессора на внутренней стороне кольцевого ребра 20 выполнено радиальное ребро 23, на которое установлены балансировочные грузики 24, под действием центробежных сил от которых при работе двигателя кольцевое ребро 20 упруго демпфируется в радиальном направлении, что приводит к излишнему врезанию гребешков 17 и 19 в стационарный фланец 3. Для исключения такого врезания рабочие поверхности 25 гребешков 17 и 19 внутреннего яруса 16 лабиринта 2 выполнены по образующей конуса с углом наклона α = 0,5-3° в сторону выхода из уплотнения 1.To balance the compressor rotor 22, a radial rib 23 is made on the inner side of the annular rib 20, on which balancing weights 24 are mounted, under the action of centrifugal forces from which, when the engine is running, the annular rib 20 is elastically damped in the radial direction, which leads to excessive cutting of the scallops 17 and 19 into the stationary flange 3. To exclude such a cut-in, the working surfaces of 25 combs 17 and 19 of the inner tier 16 of the labyrinth 2 are made along a generatrix of the cone with an angle of inclination α = 0.5-3 ° towards the exit from the seal 1.

Заявляемое устройство работает следующим образом. The inventive device operates as follows.

При работе двигателя воздух высокого давления из полости 8 за последней рабочей лопаткой 7 ротора компрессора 22 стремится перетекать в разгрузочную закомпрессорную полость низкого давления 8. При этом на крайних уплотнительных гребешках 19 каждого из ярусов 13, 16 двухъярусного лабиринта 2 возникают сверхзвуковые скорости уплотняемого потока 18, которые могут привести к их растрескиванию и поломке. When the engine is running, high-pressure air from the cavity 8 behind the last rotor blade 7 of the compressor rotor 22 tends to flow into the low pressure compressor unloading cavity 8. In this case, at the extreme sealing ridges 19 of each of the tiers 13, 16 of the two-tier labyrinth 2, supersonic speeds of the compressed stream 18 arise which may cause them to crack and break.

Однако так как гребешки 19 выполнены с увеличенной толщиной Н, то образование трещин и поломок гребешков 19 не происходит. However, since the combs 19 are made with an increased thickness H, the formation of cracks and breaks in the combs 19 does not occur.

Источники информации
1. Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981, стр.98, рис.3.43а.
Sources of information
1. G.S. Skubachevsky. Aircraft gas turbine engines. Design and calculation of parts. M.: Engineering, 1981, p. 98, Fig. 3.43a.

2. Патент РФ 2036312, F 01 D 11/02, 1995. 2. RF patent 2036312, F 01 D 11/02, 1995.

Claims (1)

Закомпрессорное лабиринтное уплотнение газотурбинного двигателя, содержащее установленный на валу двухъярусный лабиринт с уплотнительными гребешками и ответный ему статорный фланец, отличающееся тем, что крайний от ротора компрессора уплотнительный гребешок яруса лабиринта выполнен утолщенным, причем Н/h=1,5...3, где Н - толщина крайнего гребешка; h - толщина остальных гребешков, рабочие поверхности уплотнительных гребешков внутреннего яруса лабиринта выполнены по образующей конуса с углом наклона 0,5-3° в сторону выхода из уплотнения, при этом число гребешков на внешнем ярусе лабиринта превышает число гребешков на внутреннем ярусе лабиринта в 1,5...5 раз.A compressor labyrinth seal of a gas turbine engine containing a two-tier labyrinth mounted on a shaft with sealing ridges and a stator flange reciprocal to it, characterized in that the sealing comb of the labyrinth tier, which is the outermost from the compressor rotor, is thickened, moreover, N / h = 1.5 ... 3, where H is the thickness of the extreme scallop; h is the thickness of the remaining scallops, the working surfaces of the sealing ridges of the inner tier of the maze are made along a generatrix of the cone with an angle of inclination of 0.5-3 ° in the direction of exit from the seal, while the number of scallops on the outer tier of the labyrinth exceeds the number of scallops on the inner tier of the maze 5 ... 5 times.
RU2001121214/06A 2001-07-27 2001-07-27 Gas-turbine engine behind-the-compressor labyrinth seal RU2225522C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001121214/06A RU2225522C2 (en) 2001-07-27 2001-07-27 Gas-turbine engine behind-the-compressor labyrinth seal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001121214/06A RU2225522C2 (en) 2001-07-27 2001-07-27 Gas-turbine engine behind-the-compressor labyrinth seal

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001121214A RU2001121214A (en) 2003-04-10
RU2225522C2 true RU2225522C2 (en) 2004-03-10

Family

ID=32390040

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001121214/06A RU2225522C2 (en) 2001-07-27 2001-07-27 Gas-turbine engine behind-the-compressor labyrinth seal

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2225522C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2513466C1 (en) * 2013-01-09 2014-04-20 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Turbine labyrinth seal
RU2513061C1 (en) * 2013-01-09 2014-04-20 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Turbo machine labyrinth seal

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СКУБАЧЕВСКИЙ Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981, с. 98, рис. 3.43а. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2513466C1 (en) * 2013-01-09 2014-04-20 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Turbine labyrinth seal
RU2513061C1 (en) * 2013-01-09 2014-04-20 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Turbo machine labyrinth seal

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5538240B2 (en) Impeller and turbocharger
US5100158A (en) Compliant finer seal
US5525038A (en) Rotor airfoils to control tip leakage flows
US7255531B2 (en) Gas turbine tip shroud rails
EP2098686B1 (en) Two-shaft gas turbine
US6786488B2 (en) Seal structure, turbine having the same, and leak-preventing seal system for rotating shaft
JPS5810600B2 (en) Axial compressor casing
CN111720175B (en) Impeller machinery movable vane top seal structure
JP5299150B2 (en) Centrifugal compressor
US8561997B2 (en) Adverse pressure gradient seal mechanism
RU2225522C2 (en) Gas-turbine engine behind-the-compressor labyrinth seal
EP0952309A2 (en) Fluid seal
CN214366405U (en) Multi-thrust-disc gas turbine capable of balancing axial force
RU2353815C1 (en) Compressor of gas-turbine engine
EP3222811A1 (en) Damping vibrations in a gas turbine
CN113062774B (en) Semi-open centripetal turbine and gas turbine
KR19980024652U (en) Impeller for Centrifugal Compressors
JP2021089072A (en) Journal and thrust gas bearing
CN112555026A (en) Multi-thrust-disc gas turbine capable of balancing axial force
RU2250386C2 (en) Two-shaft gas-turbine engine
RU2386816C1 (en) High-temperature gas turbine
JP2530526B2 (en) Turbo pump for simultaneously compressing two fluids
RU2146765C1 (en) Rotor of gas-turbine engine
EP0567123A1 (en) Impeller blade with reduced stress
RU2224893C2 (en) Gas-turbine engine

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20051206

QZ4A Changes in the licence of a patent

Effective date: 20051206

QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20051206

Effective date: 20111220

PD4A Correction of name of patent owner