ОДНОВАЛЬНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F02C7/06 

Известен газотурбинный двигатель, трехопорный ротор которого для компенсации несоосности опор выполнен с соединительной переходной шлицевой муфтой со сферическим соединением валов [1].

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность из-за большого количества промежуточных элементов между валами, а также из-за износа шлиц в шлицевой муфте.

Наиболее близкой по технической сущности является одновальная газотурбинная установка, включающая газотурбинный двигатель с трехопорным ротором, в котором для компенсации несоосности опор для передачи крутящего момента между валами компрессора и турбины используется тонкостенная трубчатая рессора, а для передачи осевого усилия от ротора компрессора к ротору турбины - стяжной болт [2].

Недостатком такой конструкции является наличие тонкостенной трубчатой рессоры, т.к. крутящий момент, передаваемый по валам газотурбинной установки, особенно при снятии полезной мощности со стороны входа в компрессор, существенно превышает крутящий момент на валах авиационного двигателя, что вызывает знакопеременные изгибающие нагрузки и снижает надежность конструкции установки. Особенно неприемлема такая конструкция для стационарных газотурбинных установок с большим ресурсом.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности конструкции за счет компенсации знакопеременных изгибающих нагрузок при сборке и работе двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в одновальной газотурбинной установке с трехопорным ротором на подшипниках качения, согласно изобретению вал ротора выполнен цельным или состоящим из взаимно неподвижных частей, по меньшей мере две опоры ротора выполнены упругодемпферными, причем отношение расстояния между подшипниками опоры к диаметру вала ротора составляет 0,2-8.

В отличие от авиационных двигателей в одновальных газотурбинных установках, особенно при отборе мощности со стороны компрессора, по валам турбины и компрессора передается мощность от турбины не только на привод компрессора, но и на привод электрогенератора, например. Поэтому валы двигателя должны быть выполнены высоконадежными, т.е. цельными или состоящим из взаимно неподвижных между собой частями и с минимальным количеством промежуточных элементов между ними.

Выполнение по меньшей мере двух опор ротора упругодемпферными позволяет компенсировать перекос или несоосность опор и вызывающие знакопеременные изгибающие нагрузки при сборке и работе двигателя. Как правило, жесткой остается опора, размещенная вблизи ступеней турбокомпрессора с короткими лопатками (например, с последними лопатками компрессора), т.к. изменение радиального зазора по этим лопаткам может существенно ухудшить КПД двигателя. В случае необходимости для лучшего демпфирования колебаний ротора все три опоры могут выполняться упругодемпферными. При изменении радиальных зазоров между упругими элементами упругодемпферных опор компенсируется деформация корпуса двигателя вместе с опорами при работе в случае неравномерности нагрева, например, а также компенсируется неточность сборки опор. При этом двигатель не испытывает дополнительных знакопеременных изгибающих нагрузок.

Подшипники качения не несут дополнительных нагрузок и перегрузок в том случае, если будет выполняться соотношение 1/d=0,2....8, где
l - расстояние между подшипниками опоры;
d - диаметр вала ротора между подшипниками.

При соотношении 1/d≤0,2 подшипники расположены вплотную друг к другу, а если l>8d несоосность опор компенсируется гибкостью вала между ними.

На фиг.1 представлен продольный разрез заявляемой установки. На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде. На фиг.3, 4 и 5 - элементы II, III и IV соответственно на фиг.2 в увеличенном виде.

Одновальная газотурбинная установка 1 состоит из входного устройства 2, компрессора 3, камеры сгорания 4 и многоступенчатой турбины 5, ротор 6 которой с помощью вала 7 вращает компрессор 3 и электрогенератор (не показан). Ротор 8 установки 1 выполнен трехопорным с тремя подшипниками качения: роликовым 9 и шариковым 10 в компрессоре 3 и роликовым 11 - в турбине 5.

Вал 12 ротора 8 выполнен составным, включающим две взаимно неподвидные части: вал 13 компрессора 3 и вал 7 турбины 5, которые стянуты между собой с помощью стяжного болта 14 и взаимно зацентрированы между собой двумя разнесенными цилиндрическими поясками 15 и 16 с эвольвентными шлицами 17 для передачи крутящего момента от ротора 6 турбины 5. Опора 18 роликоподшипника 9 компрессора 3 и опора 19 роликоподшипника 11 турбины 5 выполнены упругодемпферными, а опора 20 шарикоподшипника 10 - жесткой.

Упругодемпферные опоры 18 и 19 состоят из внутренних втулок 21 и 22 и наружных втулок 23 и 24, собранных соосно с радиальными зазорами δ1 и δ2 и соединенных между собой с помощью фланцев 25 и 26, 27 и 28. Втулки 21, 22, 23 и 24 выполнены с упругими элементами 29 типа "беличье колесо", которые позволяют при определенных нагрузках взаимно перемещаться втулками 21 и 23, а также 22 и 24 в радиальном направлении в пределах зазоров δ1 и δ2.

В полости 30 и 31 с радиальными зазорами δ1 и δ2 опор 18 и 19 подается масло, за счет выдавливания которого из этих полостей происходит демпфирование колебаний ротора 8 при работе установки 1.

Опоры 18, 20 и 19 подшипников качения 9, 10 и 11 соединены между собой с помощью наружного корпуса 32 установки 1, причем жесткая опора 20 расположена на выходе из компрессора 3, т.е. в зоне ступеней с короткими последними лопатками компрессора, а упругодемпферные опоры 18 и 19 - в зоне ступеней с более длинными лопатками, например, перед компрессором 3.

Работает данное устройство следующим образом.

При сборке газотурбинного двигателя опоры 18, 19 и 20 собираются несоосно. После остановки газотурбинной установки 1 ее наружный корпус 32 остывает неравномерно из-за возникновения конвективных потоков по высоте этого корпуса. Подогретый воздух поднимается снизу вверх, нижняя часть корпуса 32 остывает быстрее, чем верхняя, омывая подогретым воздухом.

Разница температур вызывает деформацию корпуса 32, при этом несоосность опор 18, 19 и 20 увеличивается, и при запуске газотурбинной установки 1 возможна поломка валов 7, 13 или подшипников качения 9, 10, 11, которые являются наиболее слабым элементом в системе "корпус - подшипник - вал".

Радиальные зазоры δ1 и δ2 по упругодепмпферным опорам 18 и 19 позволяют компенсировать несоосность опор 18, 19 и 20 и избежать перегрузок и поломки подшипников 9, 10 и 11.

Упругодемпферные опоры 18 и 19 позволяют также демпфировать колебания ротора 8, что также повышает его надежность и позволяет избежать поломки.

Источники информации
1. С. A. Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Москва, Машиностроение, 1989 г., стр. 225, 226, рис. 4.66.

2. С. А. Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Москва, Машиностроение, 1989 г., стр. 226, 227, рис. 4.67.

Одновальная газотурбинная установка с трехопорным ротором на подшипниках качения имеет вал, выполненный цельным или состоящим из взаимно неподвижных частей. По меньшей мере две опоры ротора выполнены упругодемпферными. Отношение расстояния между подшипниками опоры к диаметру вала ротора составляет 0,2-8. Изобретение позволяет повысить надежность конструкции за счет компенсации знакопеременных изгибающих нагрузок при сборке и работе двигателя. 5 ил.

Одновальная газотурбинная установка с трехопорным ротором на подшипниках качения, отличающаяся тем, что вал ротора выполнен цельным или состоящим из взаимно неподвижных частей, по меньшей мере две опоры ротора выполнены упругодемпферными, причем отношение расстояния между подшипниками опоры к диаметру вала ротора составляет 0,2-8.