ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК F02C7/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области турбин низкого давления авиационных газотурбинных двигателей. Конкретнее изобретение охватывает такую конструкцию частей для установки ротора турбины низкого давления на валу низкого давления, которая облегчает его монтаж и демонтаж.

Уровень техники

Авиационные газотурбинные двигатели обычно оборудуются турбиной высокого давления, расположенной на выходе камеры сгорания. Турбина низкого давления расположена за турбиной высокого давления по направлению течения газовых потоков, выходящих из камеры сгорания. За турбиной низкого давления устанавливается кожух коллектора выходящих газов. Таким образом, газовые потоки, выходящие из камеры сгорания, проходят через турбины высокого и низкого давления, приводя их во вращение, и выводятся через коллектор выходящих газов.

Турбина низкого давления газотурбинного двигателя состоит, по существу, из ротора (лопаток и дисков), установленного на цапфе низкого давления. Цапфа установлена на валу низкого давления и связана с системой рифлений, которые позволяют приводить вал низкого давления во вращение. Аналогичным образом турбина высокого давления содержит ротор (лопатки и диски), установленный на цапфе высокого давления. Подшипник качения, установленный на цапфе низкого давления, служит опорой цапфы высокого давления при ее вращении относительно вала низкого давления.

На фиг.2 изображена часть известной конструкции ротора турбины низкого давления, установленного на валу низкого давления газотурбинного двигателя. На этом чертеже ротор 100 турбины 102 низкого давления прикреплен к цапфе 104 низкого давления. Эта цапфа 104 низкого давления доходит в аксиальном направлении против направления течения газовых потоков до ротора 106 турбины 108 высокого давления и по направлению течения газовых потоков до кожуха 110 коллектора выходящих газов газотурбинного двигателя. Ротор 106 турбины 108 высокого давления прикреплен к цапфе 112 высокого давления, доходящей в аксиальном направлении до цапфы 104 низкого давления.

Турбина 102 низкого давления приводит во вращение вал 114 низкого давления благодаря рифлениям 116, предусмотренным на переднем конце цапфы 104 низкого давления. Также на переднем конце цапфы 104 низкого давления установлен первый подшипник 118 качения, обеспечивающий опору для турбины 102 низкого давления газотурбинного двигателя и ее центровку относительно кожуха 110 коллектора. На цапфе 104 низкого давления установлен также второй подшипник 120 качения для обеспечения возможности вращения цапфы 112 высокого давления. Второй подшипник расположен между первым подшипником 118 и рифлениями 116. Кроме того, на цапфе 104 низкого давления между вторым подшипником 120 и рифлениями 116 установлено уплотнительное соединение 122. Это уплотнительное соединение вместе с фланцем 124 обеспечивает взаимную герметичность воздушной полости 126а и масляной полости 126b.

Такая конструкция турбины низкого давления имеет многочисленные недостатки, в частности, связанные с трудностями демонтажа этой турбины.

В процессе разборки газотурбинного двигателя (полной или частичной), например, при его обслуживании, различные его элементы обычно демонтируются через заднюю часть газотурбинного двигателя, т.е. по направлению течения газовых потоков. В частности, для демонтажа турбины низкого давления необходимо сначала произвести демонтаж коллектора выходящих газов. Затем снимают турбину низкого давления (цапфу и ротор) посредством сдвига вдоль оси газотурбинного двигателя по направлению течения газовых потоков.

В конструкции, изображенной на фиг.2, после снятия кожуха 110 коллектора демонтаж турбины 102 низкого давления оказывается затруднен. При сдвиге цапфы 104 низкого давления вдоль оси газотурбинного двигателя по направлению течения газовых потоков второй подшипник 120 и уплотнительное соединение 122, поддерживаемые цапфой низкого давления, отсоединяются от цапфы 112 высокого давления.

Снятие второго подшипника 120 качения приводит к нарушению центровки вала 114 низкого давления относительно цапфы 112 высокого давления (и, следовательно, относительно турбины 108 высокого давления), так что вал 114 низкого давления после демонтажа турбины 102 низкого давления более не фиксируется в радиальном направлении. Кроме того, снятие уплотнительного соединения 122 приводит к нарушению взаимной герметичности воздушной полости 126а и масляной полости 126b, причем масло попадает в воздушную полость, что приводит к возникновению опасности утечки масла.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается, следовательно, в предложении новой геометрии турбины низкого давления газотурбинного двигателя, которая упрощала бы ее демонтаж и не вызывала бы нарушения центровки турбины высокого давления относительно вала турбины низкого давления и нарушения взаимной герметичности воздушной и масляной полостей.

Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается турбина низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего турбину высокого давления, расположенную перед турбиной низкого давления по направлению течения газовых потоков, проходящих через газотурбинный двигатель, и кожух коллектора выходящих газов, расположенный за турбиной низкого давления по направлению течения газовых потоков. Турбина низкого давления по изобретению содержит ротор, прикрепленный к цапфе низкого давления, и вал низкого давления, выполненный с возможностью вращения. Данная турбина характеризуется тем, что дополнительно содержит первый подшипник качения, расположенный на валу низкого давления и служащий опорой цапфы высокого давления, к которой прикреплен ротор турбины высокого давления, а также второй подшипник качения, расположенный на цапфе низкого давления за первым подшипником качения и обеспечивающий центровку цапфы низкого давления относительно кожуха коллектора. Турбина по изобретению содержит также систему рифлений, расположенную между первым и вторым подшипниками и обеспечивающую возможность приведения в движение вала низкого давления посредством цапфы низкого давления.

Поскольку первый подшипник качения расположен на валу низкого давления, он не отсоединяется от цапфы высокого давления при удалении цапфы низкого давления. Вследствие этого при демонтаже турбины низкого давления цапфа высокого давления по-прежнему поддерживается первым подшипником качения, что позволяет валу низкого давления оставаться центрированным относительно турбины высокого давления. Таким образом, вал низкого давления всегда остается зафиксированным в радиальном направлении.

Полезное отличие настоящего изобретения заключается также в том, что турбина низкого давления дополнительно содержит уплотнительное соединение, взаимодействующее с цапфой высокого давления. Данное уплотнительное соединение расположено на валу низкого давления перед первым подшипником качения.

Таким образом, поскольку уплотнительное соединение также расположено на валу низкого давления турбины, оно не отсоединяется от цапфы высокого давления при демонтаже цапфы низкого давления. Вследствие этого при демонтаже турбины низкого давления уплотнительное соединение не снимается, и взаимная герметичность воздушной и масляной полостей не нарушается.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:

- фиг.1 изображает в продольном разрезе часть турбины низкого давления по изобретению;

- фиг.2 изображает в продольном разрезе часть известной турбины низкого давления.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена часть турбины низкого давления для газотурбинного двигателя. Представленный газотурбинный двигатель оборудован форсажной системой (с использованием дожигателя). Тем не менее, настоящее изобретение может применяться и к газотурбинным двигателям без форсажной системы.

В соответствии с известным принципом построения газотурбинный двигатель с продольной осью Х-Х содержит, в частности, турбину 10 высокого давления, расположенную на выходе камеры сгорания (не представлена). Турбина 12 низкого давления расположена за турбиной 10 высокого давления по направлению течения газовых потоков, выходящих из камеры сгорания. Газотурбинный двигатель также содержит кожух 14 коллектора выходящих газов, расположенный за турбиной 12 низкого давления.

Турбина 12 низкого давления содержит, в частности, множество рабочих лопаток 16, установленных на диске 18. Рабочие лопатки 16 и диск 18 составляют, таким образом, ротор турбины низкого давления. Диск 18 турбины низкого давления прикреплен к цапфе 20 низкого давления, предназначенной для приведения ротора турбины во вращение.

Аналогичным образом турбина 10 высокого давления содержит множество рабочих лопаток 22, установленных на диске 24. Этот диск прикреплен к цапфе 26 высокого давления, расположенной вдоль продольной оси Х-Х газотурбинного двигателя между нижним краем диска 24 турбины высокого давления и диском 18 турбины низкого давления.

Ротор турбины 12 низкого давления приводит во вращение вытянутый в продольном направлении вал 28 низкого давления, передний конец которого доходит в аксиальном направлении до кожуха 14 коллектора выходящих газов. Ротор турбины 10 высокого давления приводит во вращение вал высокого давления (не представлен), расположенный вокруг вала низкого давления соосно ему.

Согласно настоящему изобретению первый межвальный подшипник 30 качения установлен на валу 28 низкого давления в качестве опоры вращения цапфы 26 высокого давления. Точнее, подшипник 30 качения расположен на валу низкого давления возле переднего края 20а цапфы 20 низкого давления.

В соответствии с известной технологией первый подшипник 30 состоит из нескольких роликов 30а, заключенных между внутренним кольцом (обоймой) 30b, установленным на валу 28 низкого давления, и внешним кольцом 30с, прикрепленным к цапфе 26 высокого давления. Для смазки и охлаждения подшипника между внутренним и внешним кольцами может впрыскиваться масло.

Также на переднем конце цапфы 20 низкого давления установлен второй подшипник 32 качения. Этот второй подшипник служит в качестве опоры цапфы 20 низкого давления и обеспечивает ее центровку относительно кожуха 14 коллектора.

Как и первый подшипник 30, второй подшипник 32 качения содержит несколько роликов 32а, заключенных между внутренним кольцом 32b, установленным на заднем конце 20b цапфы 20 низкого давления, и внешним кольцом 32 с, прикрепленным к фланцу 14а, который закреплен на кожухе 14 коллектора. Между внутренним и внешним кольцами может также впрыскиваться масло для смазки и охлаждения подшипника.

Кроме того, турбина 12 низкого давления содержит систему рифлений 34, позволяющих ротору низкого давления приводить во вращение вал 28 низкого давления. Например, эта система может быть образована взаимно дополнительными рифлениями, предусмотренными на валу 28 низкого давления и на цапфе 20 низкого давления. Рифления расположены в аксиальном направлении между первым подшипником 30 качения и вторым подшипником 32 качения.

Полезное отличие настоящего изобретения заключается в том, что турбина 12 низкого давления дополнительно содержит уплотнительное соединение 36, взаимодействующее с цапфой 26 высокого давления и расположенное на валу 28 низкого давления перед первым подшипником 30 качения. Уплотнительное соединение 36 может быть выполнено, например, из углерода.

Уплотнительное соединение 36 в сочетании с фланцем 38, расположенным продольно между цапфой 26 высокого давления и цапфой 20 низкого давления, позволяет обеспечить взаимную герметичность передней воздушной полости 40а и задней масляной полости 40b газотурбинного двигателя.

Конструкция, содержащая уплотнительное соединение 36, первый подшипник 30 качения, цапфу 20 низкого давления и второй подшипник 32 качения, фиксируется относительно продольного смещения на валу 28 низкого давления при помощи гайки 42, плотно навинченной на задний конец 28а вала 28 низкого давления.

Опишем теперь способ демонтажа вышеописанной турбины низкого давления, например, в ходе работ по обслуживанию ротора низкого давления. Эта операция демонтажа осуществляется по направлению течения газовых потоков через газотурбинный двигатель.

Сначала снимают кожух 14 коллектора, сдвигая его продольно по направлению течения газовых потоков до тех пор, пока он не окажется вынутым из газотурбинного двигателя. После этого снимают гайку 42, навинченную на задний конец 28а вала 28 низкого давления, и отсоединяют от цапфы низкого давления второй подшипник 32 качения. После снятия этих элементов может быть снята турбина 12 низкого давления. Эта операция производится путем ее сдвига в продольном направлении к переднему краю цапфы 20 низкого давления, на которой закреплен ротор низкого давления (рабочие лопатки 16 и диск 18).

Поскольку первый подшипник 30 качения установлен на валу 28 низкого давления перед цапфой 20 низкого давления, он не отсоединяется от вала низкого давления и от цапфы 26 высокого давления. Вследствие этого цапфа 26 высокого давления по-прежнему поддерживается первым подшипником качения. Благодаря этому центровка вала 28 низкого давления относительно турбины 10 высокого давления в процессе демонтажа турбины низкого давления не нарушается. Тем самым облегчается демонтаж турбины низкого давления.

Аналогичным образом, поскольку уплотнительное соединение 36 установлено на валу 28 низкого давления перед первым подшипником 30 качения (и, следовательно, перед цапфой 20 низкого давления), оно также не отсоединяется от вала 28 низкого давления и от цапфы 26 высокого давления и по-прежнему может обеспечивать герметичность. Это предотвращает попадание масла из масляной полости 40b в воздушную полость 40а в процессе демонтажа турбины низкого давления.

Помимо облегчения демонтажа турбины низкого давления, настоящее изобретение позволяет аналогичным образом упростить монтаж турбины низкого давления (например, по завершении работ по обслуживанию ротора).

Действительно, поскольку вал 28 низкого давления уже отцентрован (т.е. зафиксирован в радиальном направлении), установка турбины 12 низкого давления значительно упрощается, причем не возникает необходимости воздействовать на элементы турбины высокого давления. Для осуществления операции монтажа турбину 12 низкого давления устанавливают соосно с турбиной 10 высокого давления на некотором расстоянии от нее, после чего турбину надевают на вал 28 низкого давления таким образом, чтобы рифления 34 турбины правильным образом сцепились с дополнительными к ним рифлениями 34 вала низкого давления. После этого турбину 12 низкого давления сдвигают в продольном направлении в сторону турбины 10 высокого давления до тех пор, пока передний край 20а цапфы 20 низкого давления не упрется во внутреннее кольцо первого подшипника 30 качения. Ролики 32а второго подшипника 32 качения оказываются благодаря этому правильным образом вставлены во внешнее кольцо 32с, прикрепленное к фланцу 14а кожуха 14 коллектора, и вся конструкция фиксируется при помощи гайки 42.

Обеспечиваемое изобретением упрощение монтажа и демонтажа турбины низкого давления приводит, в частности, к снижению стоимости обслуживания газотурбинного двигателя.

Кроме того, по сравнению с известными турбинами низкого давления турбина низкого давления по изобретению обладает преимуществом меньшей массы, что позволяет уменьшить общую массу газотурбинного двигателя и сократить расходы на его изготовление.

Турбина низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего турбину высокого давления, расположенную перед турбиной низкого давления, и кожух коллектора выходящих газов, расположенный за турбиной низкого давления. Турбина низкого давления содержит ротор, прикрепленный к цапфе низкого давления, вал низкого давления и первый подшипник качения, расположенный на указанном валу низкого давления и служащий опорой цапфе высокого давления, к которой прикреплен ротор турбины высокого давления. Турбина содержит также второй подшипник качения, расположенный на цапфе низкого давления за первым подшипником качения и обеспечивающий центровку цапфы низкого давления относительно кожуха коллектора, и систему рифлений, расположенную между первым и вторым подшипниками и обеспечивающую возможность приведения в движение вала низкого давления посредством цапфы низкого давления. Технический результат данного изобретения заключается в упрощении демонтажа турбины низкого давления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбина (12) низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего турбину (10) высокого давления, расположенную перед турбиной (12) низкого давления по направлению течения газовых потоков, проходящих через газотурбинный двигатель, и кожух (14) коллектора выходящих газов, расположенный за турбиной (12) низкого давления по направлению течения указанных газовых потоков, причем турбина (12) низкого давления содержит ротор (16, 18), прикрепленный к цапфе (20) низкого давления, и выполненный с возможностью вращения вал (28) низкого давления, отличающаяся тем, что турбина низкого давления дополнительно содержит первый подшипник (30) качения, расположенный на валу (28) низкого давления и служащий опорой цапфы (26) высокого давления, к которой прикреплен ротор (22, 24) турбины (10) высокого давления, второй подшипник (32) качения, расположенный на цапфе (20) низкого давления за первым подшипником (30) качения и обеспечивающий центровку цапфы (20) низкого давления относительно кожуха (14) коллектора, и систему рифлений (34), расположенную между первым и вторым подшипниками (30, 32) и обеспечивающую возможность приведения в движение вала (28) низкого давления посредством цапфы (20) низкого давления.2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит уплотнительное соединение (36), взаимодействующее с цапфой (26) высокого давления и расположенное на валу (28) низкого давления перед первым подшипником (30) качения.