RU31818U1 - Газотурбинный двигатель НК-37, компрессор, камера сгорания, турбина - Google Patents

Description

2002130935

Я||1111РРИ1РГ Ш

МКИ F02C3/00, 7/00, 7/12, 7/20,

F01D5/00,11/00,

F04D17/00, 29/00,

F23R3/00

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НК-37. КОМПРЕССОР. КАМЕРА

СГОРАНИЯ. ТУРБИНА,

Нолезная модель относится к области турбостроения, а конкретно к конструкции промышленных газотурбинных двигателей.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий комнрессор, камеру сгорания, турбину, свободную турбину, раму (Л.А.Шубенко-Шубин. Атлас. «Газотурбинные установки, М., Машиностроение, 1967, с.93).

Такой газотурбинный двигатель обладает малой модульностью, неудобен нри транснортировке, анри его монтаже необходимы грузоподъемные механизмы.

Известен компрессор газотурбинного двигателя, содержащий ротор с валом, дисками и рабочими лопатками, статор с регулируемыми направляющими аппаратами, клапан перепуска( Натент США № 3736070, кл.415-147,1973 ).

Однако статор с таким регулируемым направляющим аппаратом имеет значительные весовые и габаритные характеристики, а клапан перепуска не достаточно надежен.

Известна камера сгорания газотурбинного двигателя ,содержащая наружный и внутренний корпуса, жаровую трубу, топливные коллектора, топливные горелки (Патент США № 4483149, МКИ 3F02C7/00). Однако такая камера сгорания недостаточно надежна.

Известна турбина газотурбинного двигателя, включающая турбины высокого и низкого давления, каждая из которых состоит из статора и ротора с рабочими лопатками и сопловыми апп атами (Проспект фирмы MAN GHH Industriegasturbinen FT8).

Однако эффективность охлаждения такой турбины недостаточна.

Задачей данной полезной модели является повышение модульности газотурбинного двигателя, снижение веса и уменьшения габаритов компрессора, повышение надежности работы клапана перепуска, повышение надежности работы камеры сгорания, повышение эффективности охлаждения турбины.

Постеленная задача решается за счет того, что газотурбинный двигатель разделен на модуль газогенератора и модуль свободной турбины.

Рам а газотурбин но го двигателя состоит из двух частей, из рамы газогенератора и рамы свободной турбины. Каждая рама снабжена колесными парами и механизмом регулирования положения рамы относительно основания, выполненным в виде винтовой пары.

Т-образный упор с клиновидным выступом. На корпусе клапана перепуска установлено приводное кольцо с роликом, который взаимодействует с клиновидным выступом. Поворотные лопатки компрессора снабжены рычагами, которые шарнирно соединены с ведущими кольцами. Между роторными дисками и направляющими аппаратами установлены уплотнительные диафрагмы с наклонными и горизонтальными участками, а угол между ними составляет 95-135 градусов.

Камер а сгорания газотурбинного двигателя содержит наружный и внутренний корпуса, жаровую трубу, топливные коллектора, капот, топливные горелки дежурной и основной зоны, жаровая труба и горелки основной зоны закреплены на капоте.

Рабочая лопатка турбины содержит перо с верхней полостью и разделёнными продольной перегородкой передней и задней полостями. Полости имеют боковые стенки, снабженные параллельными ребрами, наклоненными к оси вршцения в противоположном направлении со стороны спинки и корыта. Ребра контактируют между собой в местах пересечения, а один конец каждого ребра нередней полости соединен с перегородкой. Кроме того, в задней полости лопатки может быть установлена дополнительная продольная перегородка, размещенная между продольной перегородкой и ребрами и образующая с ней сужающийся к периферии пера канал. В верхней полости лопатки может быть установлен дефлектор, расположенный на выходе из межреберных каналов передней полости, а

между дефлектором и дополнительной продольной перегородкой образован зазор. Перо лопатки может быть снабжено сферическими углублениями, размещенными на стенках полостей пера и замковой части, а отношение расстояния между центрами сферических углублений к их диаметру составляет менее 3,5 .Между полками лопаток соплового аппарата выполнен зазор переменной величины.

На со пловом аппарате выполнен выходной козырек с наружной и внутренней кольцевыми стенками и каналом между ними, а на рабочем колесе выполнен входной козырек, размещенный под выходным козырьком, причем длина внутренней кольцевой стенки меньше, чем наружней. В торцах полок лопаток сопловых выполнены канавки, в которые установлены уплотнительные пластины из спрессованной проволочной спирали, пропитанной жаростойким составом, причем торцовые кромки уплотнительной пластины имеют форму клина. Угол заострения клина составляет от 30 до 90 градусов.

Соосные валы газотурбинного двигателя, соединенные с помощью шлицев, содержат фиксирующую валы резьбовую втулку со шлицами, пружину и стопорный элемент, контактирующий со шлицами втулки и одного из валов, причем втулка выполнена с цилиндрическим хвостовиком, на котором выполнены наружные шлицы, а стопорный элемент выполнен в виде обоймы с наружными и внутренними шлицами, контактирующими со

шлицами вала и втулки, при этом обойма охватывает хвостовик втулки и подпружинена относительно его.

Вал газотурбинного двигателя, соединяющий его с приводным механизмом, содержит муфту, состоящую из двух полумуфт с зубчатыми венцами, установленными одна в другой с боковым зазором между зубьями и связанных посредством упругого диска, зубчатый венец одной из полумуфт расположен с эксцентриситетом относительно оси вращения в пределах бокового зазора между зубьями, а система аварийного отключения выполнена в виде закрепленного на турбине вибродатчика и связанного с ним топливного крана, установленного на топливопроводе.

На фигуре 1 представлен газотурбинный двигатель, установленный на раме. На фигуре 2 показанарама газогенератора, а на фигуре 3 рама свободной турбины. На фигуре 4 изображен компрессор газотурбинного двигателя. На фигуре 5 изображен продольный разрез системы перепуска, а на фигуре 6 - сечение А-А фигуры 5. На фигуре 7 схематически изображен регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора, продольный разрез. На фигуре 8 дан продольный разрез осевого компрессора с уплотнительными диафрагмами. На фигуре 9- узел на фигуре 8, а на фигуреЮ-узел Н на фигуре 8. На фигуре 11 изображена камера сгорания газотурбинного двигателя. На фигуре 12 дан продольный разрез турбины. На фигуре 13 представлен продольный разрез рабочей лопатки турбины. На фигуре 14 дан продольный разрез части турбины с сопловым аппаратом. На

фигуре 15 дано сечение А-А на фигуре 14 в развертке на новерхность вращения. На фигуре 16 ноказан элемент I на фигуре 14 в увеличенном масштабе. На фигуре 17 изображено унлотнение между секциями сонлового анпарата турбины. На фигуре 18 изображен сонловой апнарат с канавками под уплотнительные пластины. На фигуре 19 дано сечение унлотнительных пластин и сопряженных канавок в исходном состоянии, а на фигуре 20 - то же, после обжатия. На фигуре 21 показано соединение соосных шлицевых валов. На фигуре 22 данасхематурбомашины с муфтой и системой аварийного отключения двигателя, на фигуре 23 - муфта (узел на фиг. 22). На фигуре 24 - разрез А-А, фиг.23 (поперечный разрез по зубчатому венцу в положении зубцов при сборке до разрушения упругого элемента в муфте). На фигуре 25 - разрез А-А фиг. 23 (с положением зубцов после разрушения упругого элемента в муфте).

Газотурбинный двигатель 1 (фиг.1) содержит компрессор 2, камеру сгорания 3 , турбину 4, свободную турбину 5, раму б, опоры подшипников 7, оболочки 8, трубопроводы 9.

Двигатель разделен на два модуля - модуль 10 газогенератор а и модуль 11 свободной турбины. Рама 6 газотурбинного двигателя 1 состоит из двух частей, из рамы 12 (фиг.2,3) газогенератора и рамы 13 свободной турбины. Каждая часть рамы 6 снабжена колесным и нарами 14 и механизмом 15 регулирования положения рамы 6 относительно основания, вынолненным в виде винтовой пары 16.

Компрессор 2 (фиг.4) газотурбинного двигателя 1, содержит ротор 17 с валом 18 роторными дисками 19 и рабочими лонатками 20, статор 21 с регулируемыми направляющими аппаратами 22, клапанами перепуска воздуха 23. Клапан перепуска 23 (фиг.5,6) содержит корпус 24 с окпом 25, закрываемым упругой пластиной 26, на которой закреплен Т-образный упор 27с клиновидным выступом 28, а на корпусе 24 установлено приводное кольцо 29 с роликом 30, который взаимодействует с клиновидным выступом 28. Регулируемые направляющие аппараты 22 (фиг.7) снабжены рычагами 31, которые шарнирно соединены с ведущими кольцами 32. Между роторными дисками 19 (фиг.8) и регулируемыми направляющими аппаратами 22 установлены уплотнительные диафрагмы 33 (фиг9,10) с наклонными 34 и горизонтальными 35 участками, а угол между ними составляет 95-135 градусов.

Камера сгорания 3 (фиг. 11) газотурбинного двигателя содержит, наружный 36 и внутренний 37 корпуса, жаровую трубу 38, топливные коллектора 39, капот 40, топливные горелки дежурной 41 и основной 42 зоны. Жаровая труба 38 и горелки дежурной 41 и основной 42 зоны закреплены на капоте 40.

Турбина 4 (фиг. 12) газогенератора включает турбины высокого 43 и низкого 44 давлений, каждая из которых состоит из статора 45 и ротора 46 с рабочими лопатками 47 и сопловыми аппаратами 48.

Рабочая лопатка47 (фиг. 13) содержит перо 49 с верхней полостью 50 и разделенными продольной перегородкой 51 передней 52 и задней 53 полостями, имеющими боковые стенки, снабженные параллельными ребрами 54,55,56,57, наклоненными к оси вращения в противоположном направлении со стороны спинки 58 и корыта 59, причем ребра контактируют между собой в местах пересечения, а один конец 60 каждого ребра 54 и 55 передней полости соединен с перегородкой 51.

В задней полости 53 лопатки 47 установлена дополнительная 61 продольная перегородка, размещенная между продольной перегородкой 51 и ребрами 56,57 и образующая с ней сужающийся к периферии пера канал 62. В верхней полости 50 установлен дефлектор 63, расположенный на выходе из межреберных каналов передней полости 52, а между дефлектором 63 и дополнительной 61 продольной перегородкой образован зазор 64.

Перо 49 снабжено сферическими углублениями 65, размещенными на стенках 66 полостей пера 49 и замковой части 67.

Отношение расстояния t между центрами сферических углублений 65 к их диаметру d составляет менее 3,5.

Сферические углубления могут располагаться в щахматном порядке.

Между полками 68 лопаток 69 соплового апп ата48 (фиг. 14) выполнен зазор 70 (фиг.16) переменной величены. На сопловом аппарате 48 выполнен выходной козырек 71 (фиг. 15) с наружной 72 и внутренней 73 кольцевыми стенками и каналом 74 между ними, а на рабочем колесе 75

выполнен входной козырек 76, размещенный под выходным козырьком 71, причем длина внутренней 73 кольцевой стенки меньше чем наружной 72.

В торцах 77 (фнг. 17-20) полок 68 лопаток 69 сопловых аппаратов 48 выполнены канавки 78, в которые установлены уцлотнительные пластины 79 из спрессованной проволочной спирали, пропитанной жаростойким составом, причем торцовые кромки уплотнительной пластины имеют форму клина, угол заострения клина составляет от 30 до 90 градусов.

Соосные шлицевые валы 80 и 81 (фиг.21) газотурбинного двигателя 1, соединенные с помощью шлицев 82, фиксируются резьбовой втулкой 83. Она вворачивается в вал 81 и своим буртом 84 препятствует осевому смещению вала 80. Обойма 85 охватывает цилиндрический хвостовик резьбовой втулки 83 и входит в зацепление шлицами 86 и 87, выполненными на ее конце со шлицами 88 и 89 резьбовой втулки 83 и вала 80. Обойма 85 подпружинена относительно резьбовой втулки 83 пружиной 90, опирающейся нашайбу 91 и пружинное разрезное кольцо 92. Перемещение обоймы ограничено кольцом 93, жестко соединенным с ней.

Свободная турбина 5 соединена с нриводным механизмом 94 через валы 95, 96 и муфту 97 состоящую из двух полумуфт 98 и 99. Полумуфты 98 и 99 зафиксированы относительно друг друга но носадочной цилиндрической поверхности d. Полумуфта 99 снабжена тонкостенным унругим диском 101, позволяющим стыковать валы 98 и 99 и дающим возможность комненсировать перекосы их осей. Полумуфта 98 снабжена донолнительным

зубчатым венцом, наружные эвольвентные зубья 102 которого расположены с большим боковым зазором 1 (см. фиг. 25) по отношению к ответным внутренним зубьям 103, которыми снабжена другая полумуфта 99. При сборке полумуфта 99 соединяется с полумуфтой 98 по цилиндрическим базовым поверхностям с размером d, по отношению к которым наружные зубья 102 выполнены соосно с обшей осью 104, которая является также осью вращения турбомашины, а внутренние зубья 103 выполнены соосно с осью 105, которая расположена с эксцентриситетом Е по отношению к оси 104. Система аварийного отключения выполнена в виде закрепленного на свободной турбине 5 вибродатчика 106 и связанного с ним топливного крана 107, установленного на топливопроводе 108.

Газотурбинный двигатель 1 работает следующим образом. Воздух сжимается компрессором 2 и подается в камеру сгорания 3, куда подается и природный газ, полученная при этом тепловая энергия в турбине 4 и в свободной турбине 5 преобразуется в механическую энергию. Турбина 4 газогенератора приводит во вращение компрессор 2, а свободная турбина 5 используется для вращения приводного механизма (нагнетателя природного газа).

Транспортировка и хранение газотурбинного двигателя 1 осуществляется на рамах 12,13 в контейнерах. Перемещение газотурбинного двигателя 1 и его модулей 10,11 во время монтажа, центровке с приводным механизмом и стыковке модуля 10 газогенератора с

модулем 11 свободной турбины осуществляют с помощью колесных пар 14, механизмов 15,16.

Во время работы газотурбинного двигателя 1 поток из полости компрессора 2 поступает в корпус 24 клапана перепуска 23 . Перепадом давления упругая пластина 26 прижата к поверхпости корпуса 24, перекрывая окно 25. После команды на открытие клапана, поворачивают приводное кольцо 29 относительно корпуса 24. Вращающееся кольцо 29 перемещает ролики 30, которые катясь по клиновидному выступу 32 Тобразного упора 28 перемещают упругую пластину 26 внутрь корпуса 24 клапана, а в образовавшийся зазор воздух из компрессора перепускается в

атмосферу.

Регулируемые направляющие аппараты 22 (фиг.7) изменяют угловое положение при повороте ведущих колец 32 и, связанных с ними щарнирно рычагов 31.

При работе комнрессорав зазоре между роторными дисками 19 (фиг.8-10) и регулируемыми направляющими аппаратами 22 на участках 34 и 35 уплотнительной диафрагмы 33 образуются стабильные вихри с закруткой в направлении основного потока. Поток скользит по этим вихрям практически без потери энергии.

Воздух из компрессора 2 поступает в камеру сгорания 3 (фиг. 11), в горелки дежурной 41 и основной 42 зоны. С начала топ лив о подают в

топливные горелки дежурной 41 зоны, а затем, после розжига и выхода на заданный температурный режим в топливные горелки основной 42 зоны.

При работе турбины 4 (фиг. 12) горячий газ нагревает рабочие 47 лопатки и лопатки 69 соплового аппарата 48 турбины. Для охлаждения рабочих лопаток 47 (фиг. 13), отбираемый из компрессора воздух поступает в переднюю 52 полость, протекает между ребрами 54,55, охлаждая входную кромку и стенки передней 52 полости лопатки 47, откуда поступает в верхнюю полость 50, разворачивается дефлектором 63, обтекает дополнительную перегородку 61 и по каналам между ребрами 56,57 отводится через выходную кромку в проточную часть турбины. Часть воздуха через зазор 64 между торцом дополнительной перегородки 61 и дефлектором 63 перепускается непосредственно в заднюю полость 53, дополнительно охлаждая периферийную часть лопатки 47. При похождении охлаждающего воздуха над сферическими углублениями 65 образуется система вихрей, обуславливающая повышение эффективности охлаждения данного участка пера.

При нагреве лопаток 69 ( фиг. 14-16 ) соплового аппарата, зазоры 70 выбираются. Однако, наличие на участке от фланцев до торцев полок 68 увеличивающегося по направлению потока газа зазора 70 устраняет контакт тонких участков полок 68, которые возникают за счет деформаций лопаток 69 во время работы и выбора люфтов за счет газовых сил.

Охлаждающий воздух, вытекающий из канала 74, запирает щель, образованную внутренней стенкой 73 и входным козырьком 76 нренятствуя неретечке воздуха из нод входного козырька 76 в газовый поток, а затем вытекает в проточную часть турбины дволь входного козырька 76, образуя пленочную защиту торцовых поверхностей межлопаточных каналов рабочего колеса.

Уплотнительные пластины 79 ( фиг. 17-20 ) устанавливаются в канавки 78 и обжимаются предварительно при сборке на ширину 1. Во время работы двигателя в следствии термических деформаций происходит выбор зазоров S между торцами полок 69 и полное обжатие уплотнительной пластины 79 на ширину 1. При этом уплотнительная пластина 79 плотно прилегает к поверхности канавок 78 по всей ширине компенсируя непараллельность и другие неточности изготовления и монтажа.

Соединение соосных шлицевых валов (фиг. 21) осуществляют следующим образом.

На втулку 83 предварительно одевают обойму 85, пружину 90, шайбу 91, кольцо 92 и 93. Затем одевают вал 80 навал 81 так, чтобы шлицы вошли в зацепление и вворачивают втулку 83 в вал 81, при этом перемещают влево обойму 85, сжимая пружину 90. Втулка 83 вворачивается до упора, после чего отпускается обойма85, которая при помощи пружины 90 перемещается вправо и входит в зацепление со шлицами вала 80.

При возникновении аварийной ситуации, носле поломки упругого диска 100 происходит одновременное окружное и радиальное смещение наружных зубьев 103 полумуфты 99 до их соприкосновения и выцентровки относительно внутренних зубьев 102 полумуфты 98 (фиг.25). При этом происходит одновременный изгиб валов 95 и 96, возникновение дополнительного дисбаланса на роторе и последующее повышение вибраций. В результате этого срабатывает система аварийного отключения газотурбинного двигателя.

Использование полезной модели на двигателе ПК37 позволило:

-проводить ремонт отдельных узлов в заводских условиях;

осуществлять замену двигателя и отдельных его частей без использования грузоподъемных механизмов;

-в тракте компрессора снизить перетекание в присоединенные обьемы;

-упростить конструкцию клапана перепуска;

-снизить вес регулируемого направляющего аппарата;

-обойтись без специальных подвесок жаровой трубы камеры сгорания;

-повысить интенсивность охлаждения рабочей лопатки и соплового аппарата турбины;

- ПОВЫСИТЬ надежность в работе турбомашины за счет получения гарантийного исходного сигнала высоко го уровня вибрапий, поступающих в систему аварийного отключения двигателя от вибродатчика.

Claims (20)

1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину, свободную турбину, раму, систему аварийного отключения, отличающийся тем, что двигатель разделен на модуль газогенератора и модуль свободной турбины.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рама газотурбинного двигателя состоит из рамы газогенератора и рамы свободной турбины.

3. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что каждая рама снабжена колесными парами.

4. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что рама снабжена механизмом регулирования положения рамы относительно основания, выполненным в виде винтовой пары.

5. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что его соосные валы, соединенные с помощью шлицев, содержат фиксирующую валы резьбовую втулку со шлицами, пружину и стопорный элемент, контактирующий со шлицами втулки и одного из валов, причем втулка выполнена с цилиндрическим хвостовиком, на котором выполнены наружные шлицы, а стопорный элемент выполнен в виде обоймы с наружными и внутренними шлицами, контактирующими со шлицами вала и втулки, при этом обойма охватывает хвостовик втулки и подпружинена относительно него.

6. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что вал, соединяющий его с приводным механизмом, содержит муфту, состоящую из двух полумуфт с зубчатыми венцами, установленными одна в другой с боковым зазором между зубьями и связанными посредством упругого диска, зубчатый венец одной из полумуфт расположен с эксцентриситетом относительно оси вращения в пределах зазора между зубьями, а система аварийного отключения выполнена в виде закрепленного на турбине вибродатчика и связанного с ним топливного крана на топливопроводе.

7. Компрессор, содержащий ротор с валом, дисками и рабочими лопатками, статор с регулируемыми направляющими аппаратами, клапанами перепуска воздуха, отличающийся тем, что клапан перепуска содержит корпус с окном, закрываемым упругой пластиной, на которой закреплен Т-образный упор с клиновидным выступом, а на корпусе установлено приводное кольцо с роликом, который взаимодействует с клиновидным выступом.

8. Компрессор по п.7, отличающийся тем, что поворотные лопатки снабжены рычагами, которые шарнирно соединены с ведущими кольцами.

9. Компрессор по п.7, отличающийся тем, что между роторными дисками и направляющим и аппаратами установлены уплотнительные диафграмы с наклонными и горизонтальными участками, а угол между ними составляет 95-135°.

10. Камера сгорания, содержащая наружный и внутренний корпуса, жаровую трубу, топливные коллектора, топливные горелки, отличающаяся тем, что жаровая труба и горелки установлены на капоте, который закреплен на наружном корпусе.

11. Турбина, включающая турбины высокого и низкого давлений, каждая из которых состоит из статора с сопловыми аппаратами и ротора с рабочими лопатками, отличающаяся тем, что рабочая лопатка, содержащая перо с верхней полостью и разделенными продольной перегородкой передней и задней полостями, имеющими боковые стенки, снабженные параллельными ребрами, наклоненными к оси вращения в противоположном направлении со стороны спинки и корыта, причем ребра контактируют между собой в местах пересечения, а один конец каждого ребра передней полости соединен с перегородкой.

12. Турбина по п.11, отличающаяся тем, что в задней полости лопатки установлена дополнительная продольная перегородка, размещенная между продольной перегородкой и ребрами и образующая с ней сужающийся к периферии пера канал.

13. Турбина по пп.11 и 12, отличающаяся тем, что в верхней полости установлен дефлектор, расположенный на выходе из межреберных каналов передней полости, а между дефлектором и дополнительной продольной перегородкой образован зазор.

14. Турбина по пп.11-13, отличающаяся тем, что перо снабжено сферическими углублениями, размещенными на стенках полостей пера и замковой части.

15. Турбина по п.14, отличающаяся тем, что отношение расстояния между центрами сферических углублений к их диаметру составляет менее 3,5.

16. Турбина по п.15, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности полого пера рабочей лопатки выполнены сферические углубления, расположенные в шахматном порядке.

17. Турбина по п.11, отличающаяся тем, что между полками лопаток соплового аппарата выполнен зазор переменной величины.

18. Турбина по п.11, отличающаяся тем, что на сопловом аппарате выполнен выходной козырек с наружной и внутренней кольцевыми стенками и каналом между ними, а на рабочем колесе выполнен входной козырек, размещенный под выходным козырьком соплового аппарата, причем длина внутренней кольцевой стенки меньше, чем наружной.

19. Турбина по п.11, отличающаяся тем, что в торцах полок лопаток сопловых аппаратов выполнены канавки, в которые установлены уплотнительные пластины из спрессованной проволочной спирали, пропитанной жаростойким составом, причем торцовые кромки уплотнительной пластины имеют форму клина.

20. Турбина п.19, отличающаяся тем, что угол заострения клина составляет от 30 до 90°.