ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям наземного и авиационного применения с моральными радиальными подшипниками.

Известен газотурбинный двигатель с межвальным радиальным подшипником, наружное кольцо которого закреплено внутри вала ротора высокого давления тремя винтами [1].

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность из-за возможной поломки винтов и высокая стоимость, т.к. наружное кольцо подшипника является нестандартным и требует для своего изготовления специального оборудования.

Наиболее близким к заявляемому по конструкции является газотурбинный двигатель, в котором наружное кольцо радиального межвального подшипника закреплено в валу ротора высокого давления с помощью резьбовой стяжной втулки [2].

Однако известная конструкция имеет низкую надежность из-за высокой вероятности ослабления затяжки и проворота наружного кольца подшипника, что приводит к разогреву и поломке как подшипника, так и вала. Это связано с тем, что резьбовая стяжная втулка, при работе двигателя воспринимающая осевое усилие ротора турбины высокого давления и передающая его на вал компрессора, в результате упругой деформации резьбы от этого усилия отходит от наружного кольца подшипника, что вызывает ослабление затяжки и проворот наружного кольца подшипника.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности конструкции за счет повышения прочности и надежности работы межвального подшипника путем обеспечения постоянной осевой затяжки его наружного кольца.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном двигателе, включающем компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, межвальный подшипник и резьбовую стяжную втулку, связывающую между собой валы компрессора и турбины высокого давления, согласно изобретению дополнительно между валами компрессора и турбины высокого давления установлены осевая кольцевая пружина и шлицевая втулка с боковой азотированной поверхностью, при этом пружина размещена между наружным кольцом межвального подшипника и стяжной втулкой, а шлицевая втулка контактирует азотированной поверхностью с наружным кольцом подшипника и зафиксирована относительно вала компрессора в окружном направлении.

Кроме того, осевая кольцевая пружина содержит множество радиальных пазов и ответных выступов на боковых поверхностях, причем высота выступов составляет 0,05...0,4 мм.

Наличие осевой кольцевой пружины и шлицевой втулки позволяет при сборке затягивать пружину в осевом направлении с помощью резьбовой стяжной втулки независимо от упругой деформации резьбы. Наружное кольцо межвального подшипника остается при этом затянутым в осевом направлении на всех режимах работы двигателя.

Твердая азотированная поверхность зафиксированной в окружном направлении относительно вала компрессора шлицевой втулки позволяет исключить ее износ при работе двигателя и тем самым исключить уменьшение осевой затяжки наружного кольца межвального подшипника.

Заявляемая конструкция независимо от упругой деформации резьбы стяжной втулки за счет упругой деформации пружины обеспечивает постоянную осевую затяжку наружного кольца межвального подшипника.

Осевая кольцевая пружина выполнена с множеством радиальных пазов и ответных выступов на боковых поверхностях, что позволяет пружине работать на осевое сжатие за счет упругой деформации балочек пружины до касания боковых поверхностей пружины напротив перемычек боковой поверхностью наружного кольца межвального подшипника.

Осевая деформация пружины определяется высотой h выступов, которая составляет 0,05...0,4 мм.

При h<0,05 мм осевая кольцевая пружина не может компенсировать осевую упругую деформацию резьбы стяжной втулки, а при h>0,4 мм возможна поломка пружины из-за высоких напряжений, возникающих в ее баночках.

На фиг. 1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя заявляемой конструкции. На фиг. 2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде, на фиг.3 - элемент II на фиг.2 в увеличенном виде. На фиг.4 представлен вид А на фиг.3.

Газотурбинный двигатель 1 состоит из компрессора 2, камеры сгорания 3, турбины высокого давления 4, вращающей компрессор 2, и турбины низкого давления 5, полезная мощность которой отбирается с помощью вала 6 отбора мощности со стороны входа в компрессор 2. Между валом 7 турбины низкого давления 3 и валом 8 ротора 9 компрессора 2 установлен радиальный межвальный подшипник 10, наружное кольцо 11 которого установлено внутри вала 8 между шлицевой втулкой 12, зафиксированной шлицами 13 в окружном направлении относительно внутреннего выступа 14 вала 8 и осевой кольцевой пружиной 15.

Для уменьшения износа поверхность 16 втулки 12, примыкающая к боковой поверхности наружного кольца 11, выполнена азотированной, что увеличивает ее твердость и повышает износостойкость. Осевая кольцевая пружина 15 выполнена со множеством осевых выступов 17 на обеих боковых поверхностях 18. Напротив выступов 17 выполнены радиальные пазы 19 с перемычками 20 между балочками 21. Пружина 15 работает на осевое сжатие за счет упругой деформации балочек 21 до касания боковых поверхностей 18 пружины 15 боковой поверхностью 22 кольца 11 подшипника 10.

Осевое усилие от ротора 23 турбины высокого давления 4 на вал 8 ротора 9 компрессора 2 передается по валу 24 ротора 23 через сферические кольца 25 и 26 на гайку 27, а с нее - на резьбовую втулку 28, которая крепится в валу 8 компрессора 2 с помощью резьбы 29.

Крутящий момент с вала 24 турбины 4 передается на вал 8 с помощью шлицов 30.

Устройство работает следующим образом.

При работе двигателя на ротор 23 турбины высокого давления 4 действует значительное осевое усилие (более 10 тонн), которое за счет упругой деформации резьбы 29 втулки 28 пытается "раскрыть" стык 31 между наружным кольцом 11 межвального подшипника 10 и осевой кольцевой пружиной 15, что может вызвать проворот кольца 11, разогрев и поломку вала 8 и подшипника 10.

Однако, т. к. при сборке пружина 15 была сжата в осевом направлении с помощью резьбовой стяжной втулки 28, то она парирует осевое перемещение втулки 28 из-за упругой деформации резьбы 29, и кольцо 11 подшипника 10 остается затянутым в осевом направлении на всех режимах работы двигателя. Высота осевых ответных выступов 17, определяющая осевую упругую деформацию пружины 15, выбирается исходя из величины упругой деформации резьбы 29 под осевым усилием, действующим на ротор 23 турбины высокого давления.

Твердая азотированная поверхность 16 зафиксированной в окружном направлении шлицевой втулки 12 уменьшает износ этой поверхности при работе двигателя, тем самым исключая уменьшение осевой затяжки наружного кольца 11 межвального подшипника 10.

Газотурбинные двигатели наземного применения заявляемой конструкции работают свыше 35 000 часов без ремонта.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. С. А. Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей, стр. 207, рис. 4.54.

2. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30, Москва, "Машиностроение", 1971, стр. 55, рис. 51.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям наземного и авиационного применения с межвальными радиальными подшипниками. Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности конструкции за счет повышения прочности и надежности работы межвального подшипника путем обеспечения постоянной осевой затяжки его наружного кольца. В газотурбинном двигателе, включающем компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, межвальный подшипник и резьбовую стяжную втулку, связывающую между собой валы компрессора и турбины высокого давления, согласно изобретению дополнительно между валами компрессора и турбины высокого давления установлены осевая кольцевая пружина и шлицевая втулка с боковой азотированной поверхностью, при этом пружина размещена между наружным кольцом межвального подшипника и стяжной втулкой, а шлицевая втулка контактирует азотированной поверхностью с наружным кольцом подшипника и зафиксирована относительно вала компрессора в окружном направлении. Кроме того, осевая кольцевая пружина содержит множество радиальных пазов и ответных выступов на боковых поверхностях, причем высота выступов составляет 0,06... 0,4 мм. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, межвальный подшипник и резьбовую стяжную втулку, связывающую между собой валы компрессора и турбины высокого давления, отличающийся тем, что дополнительно между валами компрессора и турбины высокого давления установлены осевая кольцевая пружина и шлицевая втулка с боковой азотированной поверхностью, при этом пружина размещена между наружным кольцом межвального подшипника и стяжной втулкой, а шлицевая втулка контактирует азотированной поверхностью с наружным кольцом подшипника и зафиксирована относительно вала компрессора в окружном направлении. 2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что осевая кольцевая пружина содержит множество радиальных пазов и ответных выступов на боковых поверхностях, причем высота выступов составляет 0,05...0,4 мм.