Основные элементы компрессора

Назначение газотурбинного двигателя

Двигатель газотурбинный (ГТД) конвертированный судовой ДН80Л1, предназначен для привода нагнетателя газоперекачивающих агрегатов.

ГТД ДН80Л1 должен обеспечивать режим работы в соответствии с требованиями ГОСТ 21999-82 при базовом классе использования.

Устройство и работа двигателя

Устройство двигателя

Двигатель состоит из газогенератора и силовой турбины (турбины нагнета­теля ТН).

Газогенератор состоит (рис. 1) из двух осевых компрессоров низкого 3 и вы­сокого 5 давлений, приводимых во вращение двумя независимыми турбинами со­ответственно низкого 8 и высокого давлений 7, трубчато-кольцевой камеры сго­рания 6.

Компрессоры и приводящие их во вращение турбины образуют два кинема­тически между собой не связанных контура - контур низкого давления и контур высокого давления, которые имеют различные частоты вращения на каждом ре­жиме работы ГТД.

От ТН 10 через эластичную муфту 12 вращение передается нагнетателю.

Принцип работы двигателя

При запуске раскрутка ротора КНД производится электростартерами пере­менного тока.

Через входное устройство 1 воздух поступает последовательно в компрес­соры низкого 3 и высокого 5 давления, где происходит его сжатие.

Из КВД воздух поступает в камеру сгорания 6, в которой сжигается топлив­ный газ. Воспламенение топливного газа при пуске осуществляется при помощи воспламенителей. Дальнейшее горение в камере сгорания обеспечивается непре­рывной подачей топлива и воздуха.

Часть воздуха используется непосредственно для сжигания топлива, часть - охлаждает стенки жаровых труб, и, смешиваясь с продуктами сгорания, образует газ, энергия которого используется в турбинах, часть воздуха идет на охлаждение элементов турбины.

Турбины высокого 7 и низкого 8 давления развивают мощность, необходи­мую для привода КВД и КНД соответственно.

Газ, выходящий из ТНД 8, поступает в турбину нагнетателя 10, которая раз­вивает мощность, передаваемую потребителю.

Из турбины нагнетателя 10 отработавший газ через газоотвод ГТД поступа­ет в атмосферу.

Устройство и работа составных частей

Компрессор низкого давления

Назначение и устройство

Компрессор низкого давления (рис. 2) предназначен для сжатия атмосфер­ного воздуха и подачи его в компрессор высокого давления (КВД).

КНД - осевой, девятиступенчатый, каждая ступень образована одним рядом рабочих лопаток ротора и расположенным за ним рядом спрямляющих лопаток, установленных в корпусе.

КНД - состоит из устройства входного 1, корпуса переднего 2, привода 3, опоры передней 4, аппарата входного направляющего 5, устройства антисрывного 6, аппарата спрямляющего нулевой ступени 7, аппарата спрямляющего первой ступени 9, ротора 10, корпуса КНД 12, клапана стравливания 13, опоры задней КНД 14.

Для обеспечения устойчивой работы компрессора в заданном диапазоне режимов и на запуске ГТД, КНД имеет три поворотных направляющих аппарата 5, 7, 9, лопатки которых синхронно поворачиваются общим механизмом в зави­симости от статического давления воздуха в проточной части на выходе из КВД.

Антисрывное устройство 6 улучшает газодинамику нулевой ступени.

С целью увеличения запасов устойчивости КНД на низких режимах за шес­той ступенью установлены два клапана стравливания 13.

Основные элементы компрессора

3.1.2.1. Устройство входное (рис. 3) предназначено для обеспечения плавно­го подвода воздуха в компрессор и состоит из наружного 1, внутреннего 2 обтекателей и проставки 3. Кольцевой канал, образованный обтекателями, является на­чалом проточной части двигателя.

3.1.2.2. Корпус передний 4 предназначен для размещения поворотного вход­ного направляющего аппарата 6, опоры передней КНД 7 и привода 9.

Корпус передний состоит из конической наружной стенки 7 (рис. 4) и внут­ренней конической стенки 9, жестко соединенных между собой профилирован­ными полыми стойками 1, 2, 6, 8, 10, 11.

Через стойку 2, расположенную в ней трубу подвода масла 4 и масляный фильтр 3 масло подводится на смазку привода передней опоры.

Через нижнюю стойку 11 проходит рессора 12 коробки привода и сливается масло из переднего корпуса.

Через внутреннюю полость стойки 8 производится суфлирование масляной полости переднего корпуса.

На наружной стенке переднего корпуса установлены два штуцера 5 для за­мера статического давления в проточной части, на этой же стенке установлены шесть форсунок 13 для промывки проточной части компрессора, а в районе ниж­ней стойки имеются фланцы для крепления коробки приводов.

К переднему фланцу внутренней стенки переднего корпуса крепится привод 9, а к заднему фланцу - передняя опора 7 ротора КНД (рис. 3).

В упругом корпусе передней опоры 7 установлен шариковый радиально-упорный подшипник, воспринимающий осевое и радиальное усилия ротора. За счет упругой деформации стенки корпуса подшипник имеет возможность радиально перемещаться.

Опора имеет масляный демпфер, поглощающий энергию колебаний ротора, и ограничивающий величину радиального перемещения.

Смазка и охлаждение подшипника осуществляется струйным подводом масла на торец подшипника, обращенного в сторону входа в компрессор. Масло подается в зазор между внутренней обоймой и сепаратором подшипника в трех точках равными порциями. Дополнительный, радиальный подвод масла осуществлен через отверстия в стыке двух внутренних полуобойм. С торца подшипника подается масло через радиальный подвод. Радиальный подвод масла к подшипнику ротора осуществляется с помощью центробежного эффекта из внутренней полости горизонтальной шестерни привода 9 через отверстие Г. Одновременно - че­рез отверстие В и отверстие, выполненное в стыке двух внутренних полуобойм, масло радиально подводится на охлаждение и смазку радиально-упорного под­шипника горизонтальной шестерни привода, а через отверстия Д в полость А (рис. 2) для смазки шлицевого соединения горизонтальной шестерни с ротором. Упругое кольцо 10 (рис. 3) ограничивает масляную ванну А (рис. 2) шлицевого соединения и создает из нее дозированный проток, масла в общую масляную по­лость переднего корпуса через канавки, выполненные на торце кольца, обращен­ного к входу компрессора.

Вовнутрь горизонтальной шестерни привода 9 (рис. 3) масло подается стру­ей из форсунки 8, связанной каналами в корпусе привода с наружным подводом масла через стойку 2 (рис. 4).

3.1.2.3. Привод 9 (рис. 3) предназначен для передачи крутящего момента от электростартеров к ротору КНД при запуске двигателя и для привода всех наве­шенных агрегатов во время работы двигателя. Привод выполнен из двух кониче­ских шестерен, установленных в корпус на подшипниках качения. Вертикальная шестерня привода при помощи рессоры 12 (рис. 4) связана с нижней коробкой приводов, а горизонтальная шестерня соединена с передней цапфой ротора КНД своим шлицевым концом. Смазка и охлаждение подшипников вертикальной шес­терни привода осуществляется подводом масла через канал Г (рис. 3) в корпусе привода к маслоподводящим кольцам с жиклерами. Масло через жиклеры струей подается на охлаждение и смазку роликового и шарикового подшипников. Из жиклера в форсунке 8 масло струей впрыскивается внутрь вертикальной шестерни привода и, стекая вниз, смазывая шлицевое соединение шестерни с рессорой 12 (рис. 4). Смазка места зацепления конических шестерен привода осуществляется подачей струи масла из отдельного жиклера в форсунке 8 (рис. 3).

Фильтр масляный (рис. 5) предназначен для улавливания механических примесей из масла перед подачей его на охлаждение и смазку подшипников ротора привода шестерен и шлицевых соединений привода Фильтр состоит из корпуса 1, сетки 2.

3.1.2.4. Входной поворотный направляющий аппарат 6 (рис. 3) работает синхронно с поворотными спрямляющими аппаратами нулевой и первой ступени компрессора.

Входные поворотные направляющие лопатки аппарата имеют цилиндриче­ские цапфы, на которые одеты втулки. Цапфы с втулками установлены в радиаль­ные отверстия, выполненные в наружной и внутренней стенках переднего корпу­СА. В отверстиях внутренней стенки, вместе с втулками, установлены упругие кольца, демпфирующие колебания лопаток. На наружных цапфах лопаток уста­новлены рычаги, соединенные сферическим соединением с синхронизирующим кольцом, которое соединено с механизмом поворота общим для всех поворотных аппаратов.

Механизм поворота спрямляющих аппаратов (рис. 6) синхронно поворачи­вает лопатки входного направляющего аппарата, спрямляющего аппарата нулевой и первой ступени по заданному алгоритму в зависимости от статического давле­ния воздуха за КВД, обеспечивая устойчивую работу компрессора на запуске ГТД и на заданных режимах работы. Синхронность поворота лопаток обеспечивается их кинематической связью с общим механизмом поворота.

Механизм поворота состоит из вала 3, установленного на двух опорах 6 со сферическими шариковыми подшипниками, синхронизирующих колец 1, 5, 7, связанных рычагами 2, 4, 8 с лопатками, талрепов 5 (рис. 7), соединяющих син­хронизирующие кольца с резьбовыми тягами 4, ввернутыми в вал, талрепов 2, со­единяющих резьбовые тяги 3, ввернутые в вал, с силовыми цилиндрами 1.

Угловое положение лопаток фиксируется на шкале 10 (рис. 6) стрелкой 11. Начальное и конечное положение механизма сигнализируется дистанционно све­товыми сигналами на пульте управления двигателя сигнализаторами положения 12, срабатывающими от движения толкателей 13, связанных с рычагами лопаток.

Ввертыванием в вал или вывертыванием из вала резьбовой тяги 3 (рис. 7) регулируется угловой диапазон поворота для лопаток всех трех ступеней одно­временно.

Ввертыванием в вал или вывертыванием из вала резьбовой тяги 4 регулируется угловой диапазон поворота лопаток каждой ступени индивидуально.

Изменением длины талрепа 5 можно менять установленный угловой диапазон поворота лопаток в нужную сторону индивидуально для каждой ступени, изменением длины талрепа 2 - для всех ступеней одновременно.

С целью повышения надежности работы все синхронизирующие кольца аппарата поворачиваются под действием усилий, приложенных на каждом кольце в двух диаметрально противоположных точках с помощью двух симметрично установленных механизмов, работающих от двух силовых пневматических цилиндров 1. При этом пневмоцилиндр 1, установленный вертикально, не имеет встроенного блока управления, а второй цилиндр имеет такой блок.

При повышении давлении воздуха за КВД начинается поворот лопаток, а при достижении определенного значения давления заканчивается. В интервале этих давлений стрелки 11 на шкалах занимают промежуточное положение между указанными крайними.

В качестве силового привода механизма поворота используются два пневмоцилиндра 1.

Пневмоцилиндр с управляющим блоком (рис. 8) состоит из цилиндра управляющего 1, поршня управляющего 2 и пружины 3, цилиндра силового 5, поршня силового 6 и пружин возвратных 8 и 9, штуцера 4.

Штуцер 4 с помощью трубопровода, через блок очистки и охлаждения воздуха подключен к проточной части на выходе из КВД. Через штуцер 4 воздух поступает в полость управляющего поршня Л и через жиклер Е в полость М силового поршня. Одновременно через штуцер 7 в полость возвратных пружин 8 и 9 подводится воздух из проточной части за КНД, помогая пружинам 8 и 9 удерживать силовой поршень на месте. Этот же воздух через штуцер 10 подводится в полость пружин второго силового цилиндра Из полости М воздух через зазор Н и отверстие С свободно вытекает в атмосферу до тех пор, пока давление в полости М поднимается до определенной величины. При этом сила давления воздуха на управляющий поршень уравновесит силу пружины 3 и при дальнейшем повышении давления воздуха управляющий поршень 2 передвинется в направлении си­лового поршня 6 и закроет отверстие С. Давление в полости М начнет повышать­ся и, когда сила давления воздуха превысит силу давления пружин 8 и 9 и силу давления от воздуха на силовой поршень 6 со стороны полости Р, силовой поршень сдвинется, сжимая возвратные пружины и поворачивая через механизм лопатки. При этом силовой поршень передвинется ровно настолько, насколько передвинулся управляющий поршень от повышения давления в проточной части.

Если давление воздуха в проточной части компрессора не увеличивается, силовой поршень 6 зависает в положении устойчивого динамического равновесия под действием сил, приложенных к нему с разных сторон. Любое воздействие на поршень от внешних сил вызывает появление сил внутри цилиндра, возвращающих поршень в заданное положение равновесия. При повышении давления за КВД до максимальной величины управляющий 2 и силовой 6 поршни совершают полный ход. Силовой поршень 6 становится на упор, а управляющий 2 упирается в силовой, закрывая отверстие С. Дальнейшее повышение давления в проточной части компрессора не влияет на положение поршней. При снижении давления ниже максимальной величины начинается обратное движение поршней под действием возвратных пружин 8 и 9 и давления воздуха в полости Р. Через штуцер 11 воздух из полости М цилиндра с управляющим блоком поступает к штуцеру 2 (рис. 9) силового пневмоцилиндра, не имеющего управляющего блока, чем обес­печивается их согласованная работа. Одновременно через штуцер 10 (рис 8) воздух поступает к штуцеру 5 (рис 9) второго силового пневмоцилиндра.

Для предотвращения обмерзания пневмоцилиндра ВНА (при температуре наружного воздуха ниже указанной в инструкции по эксплуатации двигателя) вы­полняется перестановка винта 8 на торце корпуса цневмоцилиндра ВНА из отверстия с маркировкой «Л» в отверстие с маркировкой «3». При повышении температуры наружного воздуха перестановка выполняется в обратном порядке. Воздух к силовым пневмоцилиндрам подводится через блок очистки и охлаждения.

3.1.2.5. Устройство антисрывное с корпусом поворотных аппаратов нулевой и первой ступеней КНД (рис. 10) размещено над рабочими лопатками нулевой ступени ротора и предназначено для увеличения запаса устойчивости КНД на низких режимах работы. При постоянной частоте вращения и снижении расхода воздуха через компрессор, количество воздуха, перетекающего через антисрывное устройство, увеличивается, что приводит к снижению угла атаки на периферии рабочего колеса и повышению запаса устойчивости.

Устройство выполнено в виде кольцевой камеры 1 со вставленным в нее щелевым кольцом. На наружной поверхности кольцевой камеры 1 имеются бо­бышки для крепления опор двигателя к раме.

В корпусе поворотных аппаратов 5 размещены два поворотных спрямляю­щих аппарата нулевой и первой ступени КНД. Поворот лопаток этих аппаратов происходит синхронно с лопатками ВНА через общую кинематическую связь.

Лопатки 4, 7 поворотного спрямляющего аппарата имеют две цилиндриче­ские цапфы, на которые надеты фторопластовые втулки. Цапфы с наружной сто­роны установлены в радиальные отверстия корпуса 5, с другой стороны - в ради­альные отверстия внутреннего кольца 8, где фторопластовые втулки поджимают­ся пружиной через резиновый демпфирующий элемент, поглощающий энергию колебаний лопатки. Снаружи на цапфы лопаток 4, 7 установлены рычаги со сфе­рами 3, которые входят в цилиндрические втулки синхронизирующего кольца. Синхронизирующее кольцо имеет возможность передвигаться в окружном на­правлении на роликах, уложенных в специальную расточку корпуса.

3.1.2.6. Блок очистки и охлаждения (рис. 11) предназначен для очистки и охлаждения воздуха, поступающего из-за КВД в цилиндр механизма поворота направляющих аппаратов.

Блок очистки и охлаждения состоит из оребренного корпуса 1, фильтра 2, штуцepa дренажного 3.

При температуре наружного воздуха ниже указанной в инструкции по эксплуатации двигателя, возможно отпотевание, и поэтому из блока очистки предусматривается слив конденсата в проточную часть КНД через дренажный штуцер 3. При этом слив через отверстие в штуцере обеспечивается установкой винта 4 длиной 9мм в отверстие со стрелкой. При температуре окружающего воздуха выше +2 °С сливное отверстие перекрывается винтом 4 длиной 13 мм.

3.1.2.7. Корпус компрессора низкого давления (рис.1 2) выполнен в виде пологого цилиндра с фланцами вертикального и горизонтального разъема. На наружной поверхности оболочки расположены два воздухосборника 2 и 9 симметрично на верхней и нижней половинах. Через воздухосборник 2 отбирается воздух из второй ступени компрессора на охлаждение турбины, а через воздухосборник 9 воздух из шестой ступени КНД через два клапана стравливания выпускается в ат­мосферу.

В цилиндрических проточках корпуса 1 компрессора установлены спрям­ляющие аппараты, преобразующие кинетическую энергию воздуха в потенциаль­ную энергию давления, и направляющие поток на рабочие лопатки ротора.

Спрямляющий аппарат состоит из кольца наружного 3 с пазами типа «лас­точкин хвост», в которые вставлены лопатки 4. Противоположные концы лопаток 4 имеют круглые цапфы, переходящие в плоские хвостовики, входящие в пазы внутреннего кольца. Внутреннее кольцо состоит из двух колец 5 и 6, соединенных между собой и с лопаткой 4 заклепкой 7.

Во внутреннем кольце 5, 6 установлены вставки 8, образующие совместно с гребешками ротора лабиринтные уплотнения, препятствующие перетеканию воз­духа между ступенями компрессора.

3.1.2.8. Ротор КНД (рис. 13) предназначен для превращения механической энергии, полученной от ТНД, в энергию воздушного потока, проходящего через компрессор.

Ротор компрессора - барабанно-дисковой конструкции состоит из барабана нулевой-второй ступени 6, барабана третьей-седьмой ступени 7, жестко соеди­ненных между собой, цапфой задней 11, навешенным диском восьмой ступени 10.

Рабочие лопатки нулевой ступени закреплены в диске с помощью «ёлочного» замка и зафиксированы в пазах стопором 4. Рабочие лопатки первой и второй ступеней закреплены в дисках с помощью «ёлочного замка» и зафиксированы в пазах стопорными кольцами.

Рабочие лопатки с третьей по восьмую ступень установлены в пазы дисков замковой частью типа «ласточкин хвост». Осевая фиксация лопаток осуществляется пластинчатыми замками, концы которых отгибаются на торцы дисков.

На диске восьмой ступени из сегментов 9 набран лабиринтный пояс, препятствующий поступлению воздуха в разгрузочную полость КНД.

Для разделения масляных и воздушных полостей предусмотрены комбинированные контактно-лабиринтные уплотнения.

3.1.2.9. Клапан стравливания (рис. 14) предназначен для перепуска воздуха из-за шестой ступени КНД в атмосферу.

Клапан состоит из поршня 2, тарелки 1 клапана, корпуса 3, пружины 7, толкателя 5, сигнализатора 6, штуцера подвода воздуха 4.

При отсутствии давления воздуха в штуцере 4 клапан закрыт. При подаче воздуха необходимого давления через штуцер 4 поршень 2 должен совершить полный ход и встать на упор, а сигнализатор 6 выдать четкий электросигнал.

После стравливания воздуха поршень под действием пружины 7 должен возвратиться в исходное положение.