ОПОРА РОТОРА ГТД Российский патент 1997 года по МПК F16C21/00 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, преимущественно к ТРДД с противоточной схемой газовоздушного тракта.

У ТРДД с такой схемой газовоздушного тракта газовый поток через турбину вентилятора направлен противоположно воздушному потоку в вентиляторе. Поэтому осевые силы на ротор вентилятора и на ротор его турбины направлены в одну сторону, т. е. на подшипник опоры ротора вентилятора действует осевая сила, равная сумме осевых сил, действующих на роторы вентилятора и его турбины.

При такой высокой нагрузке (в 10.20 раз больше, чем у двигателя с обычной прямоточной схемой) радиально-упорный шарикоподшипник будет иметь или чрезмерно большие, неприемлемые габариты или недостаточный ресурс для двигателя пассажирского самолета.

Одним из решений для создания опоры ротора вентилятора такого двигателя является установка в опоре комбинированного подшипника, включающего радиально-упорный шарикоподшипник и гидродинамический упорный подшипник скольжения.

Известна опора ротора стационарного ГТД, содержащая смонтированный на цапфе вала радиально-упорный шарикоподшипник, промежуточную втулку с радиальным фланцем, жестко закрепленную во внутренней обойме шарикоподшипника, и упорный узел скольжения. В промежуточной втулке свободно может смещаться в осевом направлении вал ротора. Вращающееся кольцо упорного узла скольжения (пята) жестко закреплено на валу двигателя.

Существенные недостатки этой опоры при применении в авиационном ТРДД заключаются в следующем.

1. В авиадвигателе в момент запуска такой узел скольжения будет работать без достаточного количества смазки в условиях повышенного трения и износа до тех пор, пока между рабочими поверхностями подшипника не появится гидродинамическая пленка смазки. Так как авиационный двигатель запускается несравненно чаще, чем стационарный ГТД, то это приведет к снижению ресурса и надежности опоры ротора.

2. Упорный узел скольжения работает на всех режимах, начиная от запуска двигателя. Масло, проходящее через этот подшипник, нагревается. Его нужно охладить в теплообменнике. На это затрачивается дополнительная энергия, что уменьшает экономичность двигателя. В то же время осевую силу на ротор вентилятора на малых и крейсерских (продолжительных) режимах может воспринимать только один шарикоподшипник. Упорный узел скольжения нужен только на высоких режимах работы двигателя (на номинальном и максимальном). Поэтому целесообразно упорный узел скольжения включать только на этих высоких режимах. Это улучшает экономичность двигателя и повысит надежность и ресурс опоры ротора вентилятора.

Целью изобретения является повышение ресурса и надежности опоры ротора и уменьшение нагрева масла в опоре на малых и крейсерских режимах работы ТРДД с противоточной схемой газовоздушного тракта.

Указанная цель достигается тем, что опора ротора, содержащая смонтированный на цапфе вала радиально-упорный шарикоподшипник, жестко закрепленную во внутренней обойме шарикоподшипника промежуточную втулку с радиальным фланцем и упорный узел скольжения, дополнительно снабжена размещенным в радиальном фланце промежуточной втулки средством включения, контактирующим с пятой упорного узла скольжения через радиальный фланец вала. Средство включения выполнено в виде размещенных по окружности, в выполненных в радиальном фланце промежуточной втулки осенаправленных отверстиях, спиральных пружин, сжатых между уступами отверстий и радиальным фланцем цапфы вала.

На фиг. 1 схематично изображен винтовентиляторная ТРДД сверхвысокой степени двухконтурности с противоточной схемой газовоздушного тракта, продольное сечение; на фиг. 2 кинематическая схема роторов винтовентилятора с биротативной турбиной; на фиг. 3 узел 1 на фиг. 2 (в увеличенном масштабе) при включенном упорном узле включения; на фиг. 4 тоже, при включенном упорном узле включения; на фиг. 5 разрез А-А на фиг. 4.

ТРДД с противоточной схемой газовоздушного тракта содержит роторы 1 и 2 винтовентилятора, соединенные с вращающими их роторами 3 и 4 биротативной турбины валами 5 и 6. Валы 5 и 6 роторов 1 и 2 установлены в корпусе 7 при помощи опор.

Опора ротора 1 содержит смонтированный на цапфе 8 вала 5 радиально-упорный шарикоподшипник, промежуточную втулку 10 с радиальным фланцем 11, жестко закрепленную во внутренней обойме 12 шарикоподшипника 9 и упорный узел 13 скольжения. Опора ротора содержит размещенное в радиальном фланце 11 промежуточной втулки 10 средство 14 включения, контактирующее с пятой 15 упорного узла 13 скольжения через радиальный фланец 16, на котором расположена пята 15. Цапфа 8 вала 5 выполнена с радиальным фланцем 16 для размещения на его периферии пяты 15 упорного узла 13 скольжения. Средство 14 включения выполнено в виде размещенных по окружности, в выполненных в радиальном фланце 11 промежуточной втулки 10 осенаправленных ступенчатых отверстиях 17, спиральных пружин 18, сжатых между уступами отверстий 17 и радиальным фланцем 16 цапфы 8 вала 5 через направляющие штифты 19. Цапфа 8 вала 5 установлена во внутренней обойме 12 шарикоподшипника 9 с возможностью ограниченного осевого смещения в пределах осевого зазора Δ₂ между передним торцем промежуточной втулки 10 и задним торцем ступицы 20 диска рабочего колеса ротора 1. Для уменьшения трения при перемещении цапфы 8 во втулке 10, на внутренней поверхности втулки 10, выполнена винтовая канавка 21, заполненная маслом, поступающим через отверстия 22 в цапфе 8.

Упорный узел 13 скольжения представляет собой гидродинамический упорный подшипник скольжения, состоящий из вращающейся пяты 15 и неподвижных самоустанавливающихся подпятников 23. Пята 15 выполнена в виде кольца и жестко закреплена в проточке на периферии фланца 16. Подпятники 23 выполнены в виде разрезанного на сегменты кольца и установлены на торце корпуса 7 при помощи кольца 24 с кольцевой проточкой и фланца 25, жестко закрепленных на корпусе 7. Подпятники 23 самоустанавливаются по сферической поверхности опор 26. Для подвода масла к гидродинамическому клину подшипника на подпятниках 23 выполнены радиальные канавки 27. Масло для подшипника скольжения поступает из полости Б межвального подшипника через отверстия в валах и отверстия 28 во фланце 11 (фиг. 5). Опора ротора винтовентилятора имеет аналогичную конструкцию. Она включает радиально-упорный шарикоподшипник 29, установленный внутри вала 5, упорный узел скольжения 30 и средство включения 31. Масло для подшипников опор поступает из маслосистемы двигателя по трубке 32 и отверстия 33 и 34.

Устройство работает следующим образом.

На неработающем двигателе винтовые пружины 18 отжимают вал 5 ротора назад до упора заднего торца ступицы 20 диска рабочего колеса в передний торец промежуточной втулки 10. При этом между рабочими поверхностями подпятников 23 и пятой 15 устанавливается зазор Δ₁=2 ... 3 мм (фиг.3).

На работающем двигателе, по мере увеличения режима работы двигателя, осевая сила на ротор увеличивается, пружины 18 сжимаются и ротор 1 соответственно смещается вперед. При этом зазор Δ₁ уменьшается, но масло свободно, не нагреваясь, проходит через этот зазор. Осевая сила воспринимается шарикоподшипником 9.

При переводе двигателя на высокий режим работы (номинальный или взлетный), когда осевая сила существенно увеличивается, зазор Δ₁ уменьшается до величины 0,1.0,2 мм. При таком зазоре между рабочими поверхностями подпятников 23 и пяты 15 образуется гидродинамический клин, воспринимающий существенную часть осевой нагрузки на ротор. Тепло нагревающегося при этом масла утилизируется в топливомасляном радиаторе.

При уменьшении режима работы двигателя осевая сила на роторе уменьшается, пружины 18 разжимаются, перемещая ротор 1 назад. Зазор Δ₁ увеличивается до величины, при которой гидродинамический подшипник уже не воспринимает осевую нагрузку на ротор, масло не нагревается. Осевую нагрузку целиком воспринимает шарикоподшипник.

Использование: турбореактивные двухконтурные двигатели с противоточной схемой газовоздушного тракта. Сущность изобретения: опора ротора содержит смонтированный на цапфе вала радиально-упорный шарикоподшипник, жестко закрепленную во внутренней обойме этого подшипника промежуточную втулку с радиальным фланцем и упругий узел скольжения. В радиальном фланце промежуточной втулки размещено средство включения, контактирующее с пятой упорного узла скольжения через радиальный фланец вала, на котором жестко закреплена пята узла скольжения. Средство включения выполнено в виде размещенных по окружности, в выполненных в радиальном фланце промежуточной втулки осенаправленных ступенчатых отверстиях, спиральных пружин, сжатых между уступами отверстий и радиальным фланцем цапфы вала. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Опора ротора ГТД, содержащая смонтированный на цапфе вала радиально-упорный шарикоподшипник, жестко закрепленную во внутренней обойме шарикоподшипника промежуточную втулку с радиальным фланцем, а также упорный узел скольжения, отличающаяся тем, что, с целью повышения ресурса и надежности и уменьшения нагрева масла в опоре в условиях ее работы на малых и крейсерных режимах ГТД с противоточной схемой газовоздушного тракта, она снабжена размещенным в радиальном фланце промежуточной втулки средством включения, контактирующим с пятой упорного узла скольжения. 2. Опора по п.1, отличающаяся тем, что цапфа вала выполнена с радиальным фланцем для размещения на его периферии пяты упорного узла скольжения, а средство включения выполнено в виде размещенных по окружности в выполненных в радиальном фланце промежуточной втулки осенаправленных ступенчатых отверстиях спиральных пружин, сжатых между уступами отверстий и радиальным фланцем цапфы вала.