ОПОРА РОТОРА ТУРБОКОМПРЕССОРА Российский патент 2001 года по МПК F04D29/04 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно - к опорам ротора турбокомпрессора турбореактивных и промышленных двигателей.

Известна опора ротора турбокомпрессора, включающая ротор, подшипник качения, внутренняя обойма которого размещена на валу ротора, статор и установленное в статоре опорное кольцо с наружной обоймой подшипника и телами качения внутри. Демпфирование колебаний ротора осуществляется, преимущественно, передней упругодемпферной опорой роликоподшипника. [1].

Недостатком известной конструкции является то, что она снижает КПД турбокомпрессора при нерасчетном дисбалансе ротора, не улучшает демпфирование колебаний ротора, приводит к повышенным вибрациям и снижению надежности опоры и не обеспечивает повышения ресурса.

Известна также упругодемпферная опора, включающая корпус, на котором закреплена крышка с фланцем лабиринта и размещены подшипник и лабиринт опоры с контактным уплотнением. Опора обеспечивает демпфирование колебаний ротора за счет выдавливания масляной пленки из зазора между внутренней и наружной втулками демпфера. [2].

Недостатком известной конструкции являются утечки горячего воздуха в масляную полость упругодемпферной опоры при перемещении ротора двигателя в радиальном направлении, что приводит к ухудшению работы подшипника и контактного графитового уплотнения лабиринта опоры и, следовательно, к снижению ресурса работы двигателя. Кроме того, известная конструкция с упругодемпферной опорой используется в роторах турбокомпрессоров, преимущественно с роликоподшипником, что ограничивает ее использование при изменяемых по направлению тянущих или толкающих осевых усилиях, действующих на ротор.

Наиболее близкой по конструкции к заявляемой является опора ротора турбокомпрессора, включающая ротор, подшипник качения, внутренняя обойма которого размещена на валу ротора, статор и установленное в статоре опорное кольцо с наружной обоймой подшипника и телами качения внутри. Турбомашина с известной опорой содержит устройство измерения осевого толкающего усилия, оказываемого ротором на статор, которое снабжено датчиком силы, образованным деформируемыми стержнями, которые вставлены в стенку опорного кольца подшипника. На деформируемых стержнях установлены тензометрические датчики, соединенные с электронным измерительным контуром. Турбомашина содержит также устройство для компенсации осевого толкающего усилия ротора, которое оказывает на ротор компенсирующее толкающее усилие, модулируемое в зависимости от измеренного толкающего усилия ротора. [3].

Недостатком известной конструкции является то, что она не отвечает требованиям компактности, а для демпфирования колебаний ротора опорное кольцо скреплено со статором консольно. При этом подшипник располагается на значительном осевом удалении от места крепления опорного кольца со статором, а демпфирование колебаний ротора осуществляется преимущественно за счет упругости опорного кольца. При нерасчетном дисбалансе ротора, например при прогреве статора газотурбинного двигателя или при полетах самолета в режимах сверхманевренности, не обеспечивается центровка ротора относительно статора, надежность опоры, повышенный ресурс и КПД турбокомпрессора.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении КПД, ресурса и надежности турбокомпрессора за счет снижения вибраций ротора и статора вследствие обеспечения одинакового изменяемого радиального зазора между опорным кольцом и наружной обоймой подшипника, возможности демпфирования колебаний ротора, обеспечения центровки ротора относительно статора и появления свойств, обеспечивающих работу турбокомпрессора при нерасчетном дисбалансе ротора.

Сущность технического решения заключается в том, что в опоре ротора турбокомпрессора, включающей ротор, подшипник качения, внутренняя обойма которого размещена на валу ротора, статор и установленное в статоре опорное кольцо с наружной обоймой подшипника и телами качения внутри, согласно изобретению статор и опорное кольцо содержат торцевые фланцы, расположенные по одну из сторон от подшипника, в которых равномерно по окружности размещен ряд радиально направленных стержней, жестко скрепленных со статором и соединенных с возможностью скольжения с торцевым фланцем опорного кольца, при этом торцевые фланцы статора и опорного кольца выполнены контактирующими между собой с возможностью скольжения в поперечном направлении относительно оси ротора, а наибольшее расстояние от поверхностей скольжения стержней, обращенных к подшипнику, до тел качения подшипника равно радиусу тел качения.

Выполнение статора и опорного кольца с торцевыми фланцами, расположенными по одну из сторон от подшипника, в которых равномерно по окружности размещен ряд радиально направленных стержней, жестко скрепленных со статором и соединенных с возможностью скольжения с торцевым фланцем опорного кольца, позволяет фиксировать опорное кольцо в окружном, осевом и радиальном направлениях с обеспечением одинакового переменного радиального зазора между опорным кольцом и наружной обоймой подшипника. Такое выполнение статора с опорным кольцом обеспечивает демпфирование колебаний ротора турбокомпрессора при нерасчетном дисбалансе ротора, снижает теплонапряженность узла подшипниковой опоры за счет улучшенной теплоизоляции опорного кольца от статора при прокачке в зазоре между ними масла, а также повышает КПД компрессора и турбины.

Выполнение торцевых фланцев опорного кольца и статора контактирующими между собой с возможностью скольжения в поперечном направлении относительно оси ротора, а наибольшее расстояние от поверхностей скольжения стержней, обращенных к подшипнику, до тел качения подшипника равным радиусу тел качения, обеспечивает расчетное уменьшение или увеличение (вследствие температурных расширений) зазоров между телами качения и кольцами 6 подшипника, чтобы не допустить разрушения подшипника (при выборке зазоров), либо недопустимого увеличения дисбаланса подшипника и, следовательно, ротора турбокомпрессора (при завышенных зазорах). Так, например, возможные колебания рабочей температуры подшипника (от 125 до 165^oC) при достаточно больших абсолютных значениях прокачки масла (не менее удвоенного его оптимального значения для данного подшипника) позволяют при перегрузках на переходных режимах, при прогреве и появлении нерасчетных увеличенных радиальных зазоров между наружной обоймой подшипника и опорным кольцом обеспечивать одинаковое в окружном направлении изменение радиального зазора, сохранять центровку ротора и обеспечивать демпфирование колебаний ротора. При этом масляная пленка между торцевыми контактирующими фланцами статора и опорного кольца усиливает эффект демпфирования, улучшает теплоизоляцию опоры подшипника от статора и стабилизирует осевое положение турбокомпрессора относительно тел вращения подшипника.

На фиг.1 изображен продольный разрез опоры вдоль оси ротора.

На фиг.2 изображен поперечный разрез А-А на фиг. 1.

Опора ротора турбокомпрессора включает ротор 1, подшипник качения 2, внутренняя обойма 3,4 в котором выполнена из двух колец и размещена на валу 5 ротора 1, статор 6 и установленное в статоре 6 по пояску В опорное кольцо 7 с наружной обоймой 8 и телами качения 9 (шариками) внутри. Наружная обойма 8 подшипника 2 соединена с опорным кольцом 7 по пояску Е. Статор 6 содержит торцевой фланец 10, а опорное кольцо 7 содержит торцевой фланец 11, в которых равномерно по окружности (см. фиг. 2) размещен ряд стержней 12, радиально направленных относительно оси 13 ротора 1. Стержни 12 жестко скреплены со статором 6 при помощи резьбы P и цилиндрического пояска Д, а с торцевым фланцем 11 опорного кольца 7 соединен с возможностью скольжения по пояску К (см. фиг. 2). При этом торцевой фланец 10 статора 6 и торцевой фланец 11 опорного кольца 7 контактируют между собой по поверхности Т с возможностью скольжения в поперечном направлении относительно оси 13 ротора 1. Наибольшее расстояние X от поверхностей скольжения 14 стержней 12, обращенных к подшипнику 2, до тел качения 9 подшипника 2 равно радиусу R тел качения 9 подшипника 2. Кроме того, на фиг.1 показано: поз. 15 - трубка подвода масла, поз. 16 - масляная форсунка, поз. 17 - фланец крепления диффузора компрессора, поз. 18 - полость камеры сгорания.

Устройство работает следующим образом. При запуске и прогреве двигателя стенки статора 6 прогреваются быстрее опорного кольца 7 от горячей полости 18 камеры сгорания и от фланца крепления 17 диффузора компрессора. Вследствие этого при прогреве двигателя возникает повышенный радиальный зазор по пояску В между опорным кольцом 7 и статором 6. В известных решениях при прогреве турбокомпрессора возникает нерасчетный дисбаланс ротора, снижается КПД компрессора и турбины, лопатки могут задевать за корпус. В заявляемой конструкции опорное кольцо 7 фиксируется относительно статора 6 в окружном, осевом и радиальном направлениях с обеспечением одинакового, переменного при неравномерном прогреве статора 6, зазора при помощи радиальных стержней 12 и торцевых фланцев 10 статора 6 и фланца 11 опорного кольца 7, контактирующих между собой по поверхности Т с возможностью скольжения в поперечном направлении относительно оси 13 ротора 1. При прокачке по пояскам В и Т пленки масла, преимущественно при полетах в режиме сверхманевренности и перегрузках, примерно 10д, усилия от перегрузки не нарушают слой масляной пленки, необходимой для демпфирования вибраций ротора и демпфирования дисбаланса ротора на статоре 6 вследствие того, что опорное кольцо 7, а следовательно, и ротор 1 сохраняют центровку и фиксируют окружные осевые и радиальные зазоры ротора 1 относительно статора 6 при помощи стержней 12, а следовательно, и радиальные зазоры по лопаткам компрессора и турбины. Удаление радиальных стержней 12 от тел качения 9 подшипника на величину, не превышающую радиуса R тел качения подшипника обеспечивает устойчивый эффект центрирования опорного кольца и ротора без нарушения слоя масляной пленки при прокачке масла по пояску В подшипника, а также контактирующих между собой по поверхности Т фланца 10 статора 6 и фланца 11 опорного кольца 7. Предлагаемая опора повышает КПД, ресурс и надежность турбокомпрессора за счет сохранения центровки опорного кольца в статоре и возможности демпфирования колебаний ротора.

Источники информации
1. "Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30", техническое описание, М., "Машиностроение", 1971 г., стр.19, 21, рис.6,8.

2. А.с.СССР N 1684548, МКИ: F 16 C 27/00, F 16 F 9/14, 1991 г.

3. FR, патент N 2708044, кл. F 02 C 7/20, 1995 г. - прототип.

Опора предназначена для ротора турбокомпрессора турбореактивных и промышленных двигателей. Опора ротора турбокомпрессора включает ротор, подшипник качения, внутренняя обойма которого размещена на валу ротора, статор и установленное в статоре опорное кольцо с наружной обоймой подшипника и телами качения внутри. Статор и опорное кольцо содержат торцевые фланцы, расположенные по одну из сторон от подшипника, в которых равномерно по окружности размещен ряд радиально направленных стержней, жестко скрепленных со статором и соединенных с возможностью скольжения с торцевым фланцем опорного кольца, при этом торцевые фланцы статора и опорного кольца выполнены контактирующими между собой с возможностью скольжения в поперечном направлении относительно оси ротора, а наибольшее расстояние от поверхностей скольжения стержней, обращенных к подшипнику, до тел качения подшипника равно радиусу тел качения. Изобретение позволяет повысить КПД, ресурс и надежность турбокомпрессора за счет снижения вибраций ротора и статора вследствие обеспечения одинакового изменяемого радиального зазора между опорным кольцом и наружной обоймой подшипника, возможности демпфирования колебаний ротора, обеспечения центровки ротора относительно статора и появления свойств, обеспечивающих работу турбокомпрессора при нерасчетном дисбалансе ротора. 2 ил.

Опора ротора турбокомпрессора, включающая ротор, подшипник качения, внутренняя обойма которого размещена на валу ротора, статор и установленное в статоре опорное кольцо с наружной обоймой подшипника и телами качения внутри, отличающаяся тем, что статор и опорное кольцо содержат торцевые фланцы, расположенные по одну из сторон от подшипника, в которых равномерно по окружности размещен ряд радиально направленных стержней, жестко скрепленных со статором и соединенных с возможностью скольжения с торцевым фланцем опорного кольца, при этом торцевые фланцы статора и опорного кольца выполнены контактирующими между собой с возможностью скольжения в поперечном направлении относительно оси ротора, а наибольшее расстояние от поверхностей скольжения стержней, обращенных к подшипнику, до тел качения подшипника равно радиусу тел качения.