ОПОРА РОТОРОВ ТУРБИН ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к опорам роторов турбин газотурбинного двигателя, расположенным за турбиной компрессора, и может быть использовано в транспортном и энергетическом машиностроении.

Известна принципиальная схема опоры, которая включает в себя две основные конструкционные части: несущую часть и подшипниковый узел. Несущая часть состоит из наружного и внутреннего корпусов, соединенных между собой радиальными силовыми стойками (см. Л.П.Лозицкий и др. Конструкция и прочность авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Воздушный транспорт, 1992, с.173).

Известна конструкция опоры, включающая наружный корпус, связанный с ним внутренний корпус с полыми силовыми стойками, обтекатель, трубопроводы подвода и слива масла, подвода охлаждающего воздуха и сброса воздуха, подшипниковые узлы, уплотнения (Н.Г.Гаврилов, Н.И.Старцев. Проектирование осевых турбин ГТД. - Куйбышев: КуАИ, 1984, с.64-75).

В качестве прототипа выбрана опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя, расположенная за турбиной компрессора (Турбовинтовой двигатель ТВ7-117С. Руководство по технической эксплуатации 065.00.0300 РЭ, книга 2, разделы 072.53.00 и 072.54.00. - М.: ОАО «Авиаиздат», 2001). Опора включает наружный корпус, связанный с ним внутренний корпус с полыми силовыми стойками, обтекатель, трубопроводы подвода и слива масла, подвода охлаждающего воздуха и сброса воздуха, подшипниковые узлы, масляные и воздушные уплотнения. В двигателе опора крепится передним фланцем к корпусу камеры сгорания, а задним фланцем к корпусу свободной турбины. Основным недостатком опоры является ее низкая прочностная надежность. При наработке двигателя на обтекателе и силовых стойках опоры возникают трещины, после разборки двигателя отмечаются коробления наружного и внутреннего корпусов.

Задачей изобретения является увеличение прочностной надежности опоры за счет исключения деформационных процессов в ее конструкционных элементах.

Исключение деформационных процессов в элементах конструкции достигается тем, что в опоре роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя, включающей наружный корпус, связанный с ним внутренний корпус с полыми силовыми стойками, обтекатель, трубопроводы подвода и слива масла, подвода охлаждающего воздуха и сброса воздуха из предмасляных полостей, подшипниковые узлы, масляные и воздушные уплотнения, согласно изобретению внутренний корпус выполнен в виде трехслойной оболочки с образованием масляной полости, охватывающей ее кольцевой полости охлаждающего воздуха и кольцевой полости сбросового воздуха, при этом силовые стойки жестко связаны со всеми тремя слоями оболочки внутреннего корпуса, а их полости сообщены с полостью охлаждающего воздуха и через дозирующие отверстия в стенках стоек с полостью, образованной между обтекателем, наружным корпусом и внутренним корпусом с полыми силовыми стойками, предмасляные полости сообщены с кольцевой полостью сбросового воздуха, кроме того, обтекатель составлен из секторов, установленных с возможностью их свободного теплового расширения в осевом, радиальном и окружном направлениях. Наружный корпус и внутренний корпус с полыми силовыми стойками выполнены из титанового сплава. Каждая из имеющихся силовых стоек, к которой подведен охлаждающий воздух, снабжена внутренним теплозащитным экраном. Секторы обтекателя со стороны полости, образованной между обтекателем, наружным корпусом и внутренним корпусом с полыми силовыми стойками, выстланы теплоизолирующими экранами. Соединение наружного корпуса с полыми силовыми стойками выполнено посредством радиальных штифтов.

Сектора обтекателя, для обеспечения при работе двигателя их свободного теплового расширения в осевом, радиальном и окружном направлениях, должны быть установлены с зазором относительно друг друга, при этом возможны различные варианты их крепления к наружному и внутреннему корпусам опоры. Так, например, секторы обтекателя могут быть установлены на наружном корпусе с помощью зацепов в их задней внешней части, при этом бурты задних внутренних полок секторов размещены в заднем кольцевом пазу внутреннего корпуса с осевым зазором и закреплены штифтами, бурты передних внутренних полок вставлены в передний кольцевой паз внутреннего корпуса, а передние внешние части секторов объединены плавающим кольцом, имеющим штифты, входящие в соответствующие пазы секторов.

Наличие в новой опоре двух воздушных кольцевых полостей, одна в другой, окружающих масляную полость, а также соединение полости охлаждающего воздуха, непосредственно примыкающей к масляной полости, с полостями силовых стоек и через имеющиеся в их стенках дозирующие отверстия с полостью, образованной между обтекателем, наружным корпусом и внутренним корпусом с полыми силовыми стойками, по сравнению с прототипом обеспечивают снижение уровня температурной неравномерности. Благодаря этому уменьшается и величина термической напряженности в материале корпусов силовых стоек и обтекателя, обусловленная окружной температурной неравномерностью газового потока в проточной части опоры, сформированной обтекателем. В прототипе полость охлаждающего воздуха и полость сбросового воздуха граничат с масляной полостью, но только на небольших участках окружности.

Выполнение обтекателя из секторов, установленных с возможностью свободного теплового расширения в осевом, радиальном и окружном направлениях, позволило по сравнению с прототипом снизить вероятность возникновения термических деформаций в обтекателе и элементах несущей части опоры. В опоре, выбранной в качестве прототипа, обтекатель и элементы несущей части были объединены в одну цельносварную конструкцию.

Жесткая связь силовых стоек со всеми тремя слоями оболочки внутреннего корпуса значительно уменьшила величину вибраций в плоскости данной опоры, положительно повлияла на прочность корпусов, силовых стоек и обтекателя.

Новая эффективная схема воздушного охлаждения обеспечила снижение температуры корпусов и силовых стоек примерно на 270° С, что позволило изготавливать эти конструкционные элементы из титановых сплавов, которые, в сравнении со сталью, имеют более низкие значения коэффициента теплового расширения и удельного веса, что также снизило уровень их возможных деформаций, а также массу опоры.

Оснащение силовых стоек, через которые транспортируется охлаждающий воздух, внутренним теплозащитным экраном снизило уровень неравномерности теплового состояния силовых стоек.

Теплоизолирующие экраны, укрепленные на секторах обтекателя со стороны полости, образованной между обтекателем, внешним корпусом и внутренним корпусом с полыми силовыми стойками, выровняли и стабилизировали температурные поля на корпусах и силовых стойках.

Соединение наружного корпуса с полыми силовыми стойками при помощи радиальных штифтов взамен жесткого сварного соединения, имеющего место в опоре-прототипе, обеспечило возможность свободных тепловых перемещений этих элементов относительно друг друга, при этом исключило тепловой распор между ними.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

Фиг.1. Опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя, фрагмент продольного разреза;

Фиг.2. Поперечный разрез А-А на фиг.1 (подшипниковые узлы удалены);

Фиг.3. Продольный разрез Б-Б на фиг.2;

Фиг.4. Сечение В-В на фиг.3;

Фиг.5. Продольный разрез Д-Д на фиг.2;

Фиг.6. Фрагмент Е на фиг.1;

Фиг.7. Фрагмент Г на фиг.1;

Фиг.8. Фрагмент К на фиг.2.

На чертежах показана опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя, расположенная за турбиной компрессора двигателя. Опора включает наружный корпус 1, внутренний корпус 2 с полыми силовыми стойками 3, составной обтекатель 4, трубопровод 5 подвода масла, трубопровод 6 слива масла, трубопроводы 7 и 8 подвода охлаждающего воздуха, трубопровод 9 сброса воздуха из предмасляных полостей 19 и 20, подшипниковые узлы 10 и 11, масляные уплотнения 12 и 13, воздушные уплотнения 14 и 15.

Наружный корпус 1 и внутренний корпус 2 с приваренными силовыми стойками 3, образующие несущую часть опоры, соединены между собой радиальными штифтами 16, которые обеспечивают взаимную центровку этих элементов при термоподвижках.

В двигателе наружный корпус 1 опоры соединен фланцевыми стыками с корпусом 17 камеры сгорания и с корпусом 18 свободной турбины.

Внутренний корпус 2 выполнен в виде жесткой трехслойной оболочки. Внутренний слой оболочки огораживает масляную полость 27. Внутренним и средним слоем оболочки сформирована кольцевая полость 28 охлаждающего воздуха. Между средним и внешним слоем оболочки размещена кольцевая полость 29 сбросового воздуха. Опора также содержит воздушные полости 36 и 37, смежные соответственно с предмасляными полостями 19 и 20.

Силовые стойки 3 сварены со всеми тремя слоями оболочки внутреннего корпуса 2. Внутренние полости силовых стоек 3 сообщены через щелевые отверстия 30 с кольцевой полостью 28 охлаждающего воздуха и через дозирующие отверстия 31 в стенках силовых стоек 3 с полостью 32, образованной между обтекателем 4, наружным корпусом 1 и внутренним корпусом 2 с силовыми стойками 3. Силовые стойки 3, к которым трубопроводами 7 и 8 осуществляется подвод охлаждающего воздуха, имеют внутренние теплозащитные экраны 21, препятствующие контакту воздуха со стенками этих стоек. Предмасляные полости 19 и 20 сообщены с кольцевой полостью 29 сброса воздуха и далее через трубопровод 9 с проточной частью выхлопного устройства (на чертежах не показано).

Составной обтекатель 4, в форме кольца, имеет радиальные разъемы (по числу стоек), которые делят его на одинаковые секторы 22, каждый из которых надет на силовую стойку 3. В стыках секторов 22 выполнены канавки, в которых установлены уплотнительные пластинки 23. Зазоры в стыках компенсируют тепловые расширения секторов в окружном направлении. При этом бурты 25 передних внутренних полок секторов размещены в переднем кольцевом пазу внутреннего корпуса 2 с минимальным зазором, а бурты 26 задних внутренних полок секторов - в заднем кольцевом пазу с зазором, компенсирующим тепловое расширение секторов в осевом направлении. В заднем кольцевом пазу внутреннего корпуса 2 имеется пять штифтов 33, которые расположены в пазах буртов 26. Бурты 34 передних внешних частей секторов 22 объединены со свободноплавающим кольцом 24, имеющим штифты, входящие в соответствующие пазы секторов. Секторы 22 со стороны полости 32, выстланы теплоизолирующими экранами 35, закрепленными на секторах посредством контактной сварки.

При работе двигателя воздух, отбираемый после осевой части осецентробежного компрессора, поступает по трубопроводам 7 и 8 подвода охлаждающего воздуха в полости силовых стоек 3 и далее через щелевые отверстия 30 в кольцевую полость 28 охлаждающего воздуха.

Воздухом из кольцевой полости 28 охлаждающего воздуха запитываются внутренние полости всех пяти силовых стоек 3, откуда воздух через дозирующие отверстия 32 перетекает в полость 32 и далее через отверстия перфорации (на чертежах не показаны) и негерметичности в стыках секторов 22 попадает в проточную часть, сформированную составным обтекателем 4. Гидравлика силовых стоек 3 подобрана таким образом, чтобы их тепловое состояние было одинаковым. При этом обеспечивается наддув, предотвращающий прорыв горячих газов из проточной части в полость 32. Основная же часть воздуха из кольцевой полости 28 через перепускные отверстия во фланцевых соединениях внутреннего корпуса 2 с корпусами воздушных и масляных уплотнений (на чертежах не обозначены) поступает в полости 36 и 37. В этих полостях течение воздуха разветвляется, обеспечивая охлаждение деталей роторов и наддув воздушных уплотнений 14, 15 и масляных уплотнений 12, 13.

Из предмасляных полостей 19 и 20 через другие перепускные каналы в тех же фланцевых соединениях воздух поступает в кольцевую полость 29 сбросового воздуха, откуда через трубопровод 9 сброса воздуха эвакуируется в проточную часть выходного устройства (на чертежах не показано).

Остальная часть воздуха из воздушных полостей 36 и 37, в конечном итоге, вытекает в проточную часть двигателя.

Предлагаемая опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя обладает высокой прочностной надежностью. При этом исключается образование трещин на обтекателе и силовых стойках, отсутствуют после разборки двигателя коробления внутреннего и наружного корпусов опоры. По результатам теплового расчета температурная неравномерность силовых стоек не превышает 45-50°С, в то время как для опоры, выбранной в качестве прототипа, этот параметр имеет величину 250-270°С. Температура силовых стоек в новой опоре составляет 430°С, а в прототипе - 680-700°С.

Отсутствие деформаций во внутреннем и наружном корпусах опоры обеспечивает сохранение соосности этих элементов в конструкции. Опора не требует частого восстановительного ремонта, допускает возможность модульной замены свободной турбины в условиях эксплуатации. Она имеет высокий уровень производственной и эксплуатационной технологичности, ремонтопригодности. Применение составной конструкции опоры позволило существенно упростить ее сборку и разборку, а также обеспечило возможность замены поврежденных деталей опоры.

Новая опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя изготовлена и успешно прошла длительные стендовые испытания в составе двигателя. Результаты испытаний свидетельствуют о стабильном и весьма низком уровне вибраций в плоскости данной опоры.

По результатам микрообмеров элементов опоры двигателя, прошедшего длительное стендовое испытание, изменений геометрии опоры не обнаружено.

Опора роторов турбин предназначена для высокотемпературного газотурбинного двигателя. Изобретение решает задачу увеличения прочностной надежности опоры за счет исключения деформационных процессов в ее конструкционных элементах. В опоре внутренний корпус выполнен в виде трехслойной оболочки, которая помимо масляной полости формирует охватывающую ее кольцевую полость охлаждающего воздуха, а также кольцевую полость сбросового воздуха. Силовые стойки жестко связаны со всеми тремя слоями оболочки внутреннего корпуса. Полости стоек сообщены с полостью охлаждающего воздуха и через дозирующие отверстия с полостью, образованной между обтекателем, наружным корпусом и внутренним корпусом с силовыми стойками. Предмасляные полости имеют сообщение с кольцевой полостью сбросового воздуха. Обтекатель составлен из секторов, которые установлены с возможностью их свободного теплового расширения. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя, включающая наружный корпус, связанный с ним внутренний корпус с полыми силовыми стойками, обтекатель, трубопроводы подвода и слива масла, подвода охлаждающего воздуха и сброса воздуха из предмасляных полостей, подшипниковые узлы, масляные и воздушные уплотнения, отличающаяся тем, что внутренний корпус выполнен в виде трехслойной оболочки с образованием масляной полости, охватывающей ее кольцевой полости охлаждающего воздуха и кольцевой полости сбросового воздуха, при этом силовые стойки жестко связаны со всеми тремя слоями оболочки внутреннего корпуса, а их полости сообщены с полостью охлаждающего воздуха и через дозирующие отверстия в стенках стоек с полостью, образованной между обтекателем, наружным корпусом и внутренним корпусом с полыми силовыми стойками, предмасляные полости сообщены с кольцевой полостью сбросового воздуха, кроме того, обтекатель составлен из секторов, установленных с возможностью их свободного теплового расширения в осевом, радиальном и окружном направлениях.2. Опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что наружный корпус и внутренний корпус с полыми силовыми стойками выполнены из титанового сплава.3. Опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждая из имеющихся силовых стоек, к которой подведен охлаждающий воздух, снабжена внутренним теплозащитным экраном.4. Опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя по п.3, отличающаяся тем, что секторы обтекателя со стороны полости, образованной между ним, наружным корпусом и внутренним корпусом с полыми силовыми стойками, выстланы теплоизолирующими экранами.5. Опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя по п.4, отличающаяся тем, что соединение наружного корпуса с полыми силовыми стойками выполнено посредством радиальных штифтов.6. Опора роторов турбин высокотемпературного газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что секторы обтекателя установлены на наружном корпусе с помощью зацепов в их задней внешней части, при этом бурты задних внутренних полок секторов размещены в заднем кольцевом пазу внутреннего корпуса с осевым зазором и закреплены штифтами, бурты передних внутренних полок вставлены в передний кольцевой паз внутреннего корпуса, а передние внешние части секторов объединены плавающим кольцом, имеющим штифты, входящие в соответствующие пазы секторов.