ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F02C7/36 

Настоящее изобретение касается области двухконтурных турбореактивных авиационных двигателей.

В частности, оно касается турбореактивного двигателя, содержащего компрессор, приводимый во вращение редуктором числа оборотов, который, в свою очередь, приводится во вращение валом турбины, при этом указанный редуктор числа оборотов содержит планетарную шестерню, жестко закрепленную на валу турбины, коронную шестерню, жестко закрепленную на компрессоре, и сателлитные шестерни, входящие в зубчатое зацепление с планетарной шестерней и коронной шестерней и установленные на сателлитной раме, выполненной заодно с конструкцией двигателя.

Для получения более высокого давления в авиационных двигателях все больше увеличивают диаметр всасывающего отверстия. Вследствие этого увеличивается размер лопаток, вместе с тем он должен соответствовать критерию критической скорости на конце лопатки. Поскольку этот критерий является произведением радиуса компрессора на скорость его вращения, то, следовательно, если хотят увеличить радиус при сохранении постоянной круговой скорости концов лопаток, необходимо уменьшить скорость вращения компрессора. По этой причине между валом турбины и валом компрессора устанавливают редуктор числа оборотов, (см. книгу Вьюнова С.А. и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1989, стр. 489, рис. 11.1.д. и стр. 490).

Однако аэродинамические усилия, создаваемые при наклоне лопаток компрессора, приводят к осевым нагрузкам, действующим на опорные подшипники и конструкцию двигателя. При увеличении диаметра компрессора эти нагрузки многократно возрастают и становятся критическими. Действительно, увеличивается масса и диаметр воспринимающих эти нагрузки опорных подшипников, что создает проблемы для их интегрирования в двигатель.

Настоящее изобретение предлагает турбореактивный двигатель упомянутого выше типа, в котором уменьшены осевые нагрузки, действующие на опорные подшипники.

В изобретении эта задача становится разрешимой благодаря тому, что сателлитные шестерни содержат геликоидальные зубья, взаимодействующие с геликоидальными зубьями коронной шестерни, которая жестко закреплена на компрессоре, при этом редуктор создает на коронной шестерне осевые нагрузки, которые частично компенсируют осевые нагрузки, создаваемые компрессором.

Размеры опорных подшипников компрессора необходимо выбирать таким образом, чтобы они воспринимали разницу между осевыми нагрузками, создаваемыми компрессором, и осевыми нагрузками, создаваемыми редуктором.

Создание осевых нагрузок на периферии редуктора приводит к возникновению опрокидывающего момента на уровне каждой сателлитной шестерни. Для того чтобы компенсировать этот опрокидывающий момент, создают противодействующий момент с радиальными нагрузками, возникающими при зацеплении между сателлитными шестернями, с одной стороны, и коронной и планетарной шестернями, с другой стороны, путем осевого смещения между средними положениями коронной шестерни и планетарной шестерни.

В предпочтительном варианте геликоидальные зубья сателлитных шестерен взаимодействуют с геликоидальными зубьями планетарной шестерни для того, чтобы редуктор создавал на планетарной шестерне осевые нагрузки, которые частично компенсируют осевые нагрузки, создаваемые ведущей турбиной.

Таким образом, нагрузки, воспринимаемые опорными подшипниками турбины, значительно сокращаются.

Итак, сателлитные шестерни создают на коронной шестерне первые осевые нагрузки, а на планетарной шестерне - вторые осевые нагрузки противоположного направления, практически равные первым осевым нагрузкам, при этом их результирующая, воздействующая на оси сателлитных шестерен, практически ничтожна.

Другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, приведенного в качестве примера, и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематическое изображение двухконтурного турбореактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - изображение турбореактивного двигателя, показанного на фиг.1, в полуразрезе по плоскости, проходящей через ось вращения.

Фиг.3 - схема приложения сил в элементах редуктора.

На фиг.1 по оси XX показан двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий спереди внутреннего картера 11 двигателя компрессор 12, находящийся внутри внешнего кольцевого картера 14, который вместе с внутренним картером 11 определяет кольцевой канал 15, который пересекают распорные балки 13, соединяющие между собой картеры 11 и 14.

Воздух, нагнетаемый лопатками компрессора 12, разделяется на два потока: вторичный поток, проходящий через кольцевой канал 15, и первичный поток, проходящий через двигатель. Первичный поток сжимается в компрессорном отсеке 16, а затем смешивается с топливом, после чего сгорает в камере сгорания 17. Горячие горючие газы проходят через турбинный отсек 18, который вращает компрессорный отсек 16 и компрессор 12, а затем выходят через хвостовую трубу 19.

Как показано более наглядно на фиг. 2, лопатки 12а компрессора 12 установлены на ободе 20 ротора, приводимого во вращение валом 21 компрессора. Вал 21 компрессора приводится во вращение валом 22 турбины через редуктор числа оборотов 23. Вал 21 компрессора и вал 22 турбины вращаются в противоположных направлениях.

Редуктор числа оборотов 23 содержит планетарную шестерню 24 по оси XX, установленную и жестко закрепленную на валу 22 турбины, сателлитные шестерни 25, установленные на осях 26, закрепленных на сателлитной раме 27, выполненной заодно с внутренним картером 11, и коронную шестерню 28, охватывающую сателлитные шестерни 25. Коронная шестерня 28 установлена во внутреннем расточенном отверстии вала 21 компрессора.

Сателлитные шестерни 25 установлены между планетарной шестерней 24 и коронной шестерней 28 и входят в зацепление с последними при помощи геликоидальных зубьев. Осевой размер зубьев сателлитных шестерен 25 значительно превышает осевой размер зубьев планетарной шестерни 24 и коронной шестерни 28. Коронная шестерня 28 входит в зацепление с выходными зубьями сателлитных шестерен 25, а планетарная шестерня 24 входит в зацепление с входными зубьями сателлитных шестерен 25, при этом понятия ″входной″ и ″выходной″ определяются по отношению к направлению потока газов, проходящих через компрессор 12.

Геликоидальные зубья сателлитных шестерен 25 направлены таким образом, что во время работы сателлитные шестерни 25 воздействуют на коронную шестерню 28 осевой силой F2 (см. фиг.3), направленной к выходу потока, а на планетарную шестерню 24 - осевой силой F3, направленной к входу потока. В предпочтительном варианте осевые силы F2 и F3 должны иметь одинаковое значение, чтобы результирующая этих двух сил, воспринимаемая осями 26, была минимальной.

Осевая сила F2 имеет направление, противоположное осевой силе F1, создаваемой компрессором 12. Ссылкой F'1 обозначена результирующая этих двух сил, которая воспринимается опорным подшипником 30, установленным между валом 21 компрессора и внутренним картером 11, и опорным подшипником 31, установленным между валом 21 компрессора и входным концом вала 22 турбины. Осевая сила F3 направлена противоположно осевой силе F4, создаваемой турбиной, приводящей в движение вал 22 турбины.

Коронная шестерня 28 и планетарная шестерня 24 противодействуют сателлитным шестерням 25 осевыми силами F'2 и F'3, равными и противоположными по направлению силам F2 и F3 и создающими опрокидывающий момент, действующий на каждую из сателлитных шестерен 25. Ссылками F5 и F6 обозначены радиальные силы, возникающие на уровне зубчатых зацеплений и компенсирующие опрокидывающий момент, создаваемый осевыми силами F2 и F3. Силы F5 и F6, которые, как правило, равны между собой и противоположны по направлению, тем меньше по значению, чем больше осевое смещение Е между средними положениями планетарной шестерни 24 и коронной шестерни 28.

Преимущество настоящего изобретения заключается в значительном уменьшении осевых нагрузок, воздействующих на опорные подшипники компрессора 12, что позволяет выполнять опорные подшипники размерами и массой в пределах, обеспечивающих простоту их установки в двигателе.

Кроме того, при помощи планетарного редуктора становится возможным компенсировать осевые нагрузки F4, порождаемые турбиной, и за счет этого уменьшить размеры и массу опорных подшипников турбины.

Турбореактивный двигатель содержит компрессор, приводимый во вращение редуктором числа оборотов, который, в свою очередь, приводится во вращение валом турбины. Редуктор числа оборотов содержит планетарную шестерню, жестко закрепленную на валу турбины, коронную шестерню, жестко закрепленную на компрессоре, и сателлитные шестерни, входящие в зубчатое зацепление с планетарной шестерней и коронной шестерней и установленные на сателлитной раме, выполненной заодно с картером двигателя. Сателлитные шестерни содержат геликоидальные зубья, взаимодействующие с геликоидальными зубьями коронной шестерни таким образом, что редуктор воздействует на коронную шестерню осевыми нагрузками, частично компенсирующими осевые нагрузки, создаваемые компрессором. Средние положения коронной шестерни и планетарной шестерни смещены в осевом направлении по отношению к сателлитным шестерням. Изобретение позволит уменьшить осевые нагрузки, действующие на опорные подшипники. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Турбореактивный двигатель, содержащий компрессор (12), приводимый во вращение редуктором числа оборотов (23), который, в свою очередь, приводится во вращение валом (22) турбины, при этом указанный редуктор числа оборотов (23) содержит планетарную шестерню (24), жестко закрепленную на валу турбины (22), коронную шестерню (28), жестко закрепленную на компрессоре (12), и сателлитные шестерни (25), входящие в зубчатое зацепление с планетарной шестерней (24) и с коронной шестерней (28) и установленные на сателлитной раме (27), выполненной заодно с картером (11) двигателя, при этом сателлитные шестерни (25) содержат геликоидальные зубья, взаимодействующие с геликоидальными зубьями коронной шестерни (28) таким образом, что редуктор (23) воздействует на коронную шестерню (28) осевыми нагрузками, частично компенсирующими осевые нагрузки, создаваемые компрессором (12), отличающийся тем, что средние положения коронной шестерни и планетарной шестерни смещены в осевом направлении по отношению к сателлитным шестерням.2. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что геликоидальные зубья сателлитных шестерен взаимодействуют с геликоидальными зубьями планетарной шестерни таким образом, чтобы редуктор воздействовал на планетарную шестерню осевыми нагрузками, частично компенсирующими осевые нагрузки, создаваемые турбиной, приводящей в движение вал турбины.