КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ВКЛАДЫШ ДЛЯ ТАКОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2010 года по МПК F04D29/56 F01D17/14 

Настоящее изобретение относится к вкладышу на основе керамики, предназначенному для выполнения подшипника скольжения.

В частности, оно относится к вкладышу на основе керамики, предназначенному для установки в сквозном отверстии, выполненном в картере газотурбинного двигателя, для выполнения подшипника скольжения поворотной оси лопатки с переменным углом установки.

В компрессоре газотурбинного двигателя и, в частности, турбореактивного двигателя одно или несколько колес спрямляющих лопаток могут быть выполнены с переменным углом установки лопаток, то есть угол атаки этих лопаток может регулироваться в зависимости от условий полета сервосистемой, управляющей вращением и осевым перемещением кольца, связанного с поворотными осями лопаток при помощи тяг, в соответствии с заданными параметрами. Эти изменения углов поворота лопаток в сочетании с вибрацией картера приводят к быстрому износу находящихся в контакте деталей. Было отмечено, что износ тем больше, чем меньше значения угловых смещений, и увеличивается по мере приближения частоты вибраций к 160 Гц. Самым отрицательным фактором является давление сплющивания поворотных осей, снижающее механическую прочность деталей.

В случае системы с регулируемым углом лопаток газотурбинного двигателя особым условием является необходимость работы без жидкой смазки. Для улучшения условий контакта и повышения срока службы деталей может быть использована только сухая смазка.

Ранее заявителем был предложен подшипник скольжения, содержащий керамический вкладыш, внутри которого устанавливают поворотную ось, выполненную из материала на основе железа, никеля или кобальта, или поворотную ось, насаженную в бандажное кольцо, выполненное из материала на основе железа, никеля или кобальта, при этом оксиды железа, никеля или кобальта, образующиеся при постоянном контакте между поворотной осью лопатки и подшипником скольжения, выполняют роль смазочного материала.

Одним из факторов, ограничивающих использование керамики в качестве материала вкладышей, является ее хрупкость и низкая прочность. По этой причине во время установки на картере или во время работы происходят поломки вкладышей из-за разных коэффициентов расширения между металлом картера и керамическим материалом, а также из-за ударных усилий, действующих на системы.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке керамического вкладыша, позволяющего устранить вышеупомянутые недостатки.

Эта задача решается настоящим изобретением благодаря тому, что вкладыш состоит из металлической гильзы и керамического кольца, закрепленного при помощи пайки на внутренней стенке упомянутой гильзы.

Металлическая гильза обеспечивает жесткость вкладыша во время его монтажа на картере, благодаря чему снижается опасность поломок в ходе этой операции. В случае появления возможных трещин в керамическом кольце, его куски остаются жестко соединенными с гильзой благодаря спайке. Кроме того, спайка выполняет роль поверхности раздела между двумя материалами с разными коэффициентами расширения и компенсирует смещения при расширении. Таким образом, связь керамика/металл является более гибкой, а керамика становится более прочной.

Предпочтительно гильзу выполняют цилиндрической, и на одном из своих концов она содержит фланец, выполненный радиально наружу. На своей наружной стороне этот фланец содержит керамическую шайбу, закрепленную пайкой.

Керамическое кольцо может быть выполнено в виде одной детали, которую закрепляют при помощи пайки, или состоять из нескольких частей, скрепленных пайкой.

Настоящее изобретение относится также к компрессору газотурбинного двигателя, содержащему наружный картер и, по меньшей мере, одно колесо с неподвижными лопатками с переменным углом установки, при этом поворотные оси управления их поворотом устанавливают в сквозных отверстиях, выполненных в картере, с вставкой вкладышей из материала на основе керамики, образующих подшипники скольжения, при этом используют вкладыши вышеописанного типа.

В случае когда поворотная ось выполнена из стали или титана, она дополнительно содержит вставное кольцо из металлического материала на основе железа, никеля или кобальта, насаживаемое на поворотную ось.

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

Фиг.1 представляет вид в разрезе половины статора компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, содержащего колеса спрямляющих лопаток с переменным углом установки.

Фиг.2 - вид в разрезе по осевой плоскости вкладыша в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - первый вариант выполнения подшипника скольжения.

Фиг.4 - вид в увеличенном масштабе нижнего подшипника из варианта, показанного на фиг.3.

Фиг.5 - второй вариант осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 - вид в увеличенном масштабе верхнего подшипника, показанного на фиг.5.

Фиг.7 - вид в увеличенном масштабе нижнего подшипника, показанного на фиг.5.

На фиг.1 показан статор компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, содержащий наружный картер 2 с установленным на нем множеством колес неподвижных лопаток 3 с переменным углом установки.

Лопатки 3 выполнены радиально в направлении внутреннего объема картера 2 в контуре газового потока. В своей радиально наружной области они содержат круглую площадку 4, установленную в полости, выполненной на наружной стороне 2а картера 2, при этом сверху площадки коаксиально с площадкой 4, имеющей ось Х, выполнена поворотная ось 5, установленная в сквозном цилиндрическом отверстии 6, выполненном в картере 2. Головка 7 поворотной оси 5 оснащена приводным рычагом 8, соединенным с приводным кольцом 9.

Каждое лопаточное колесо соединено с приводным кольцом 9. Приведение в действие приводного кольца заставляет синхронно поворачиваться сразу все лопатки 3 одного колеса.

Каждая поворотная ось 5 установлена в отверстии 6 внутри, по меньшей мере, одного вкладыша 10, образующего подшипник скольжения.

На фиг.2 показан вкладыш 10 в соответствии с настоящим изобретением. Этот вкладыш 10 содержит металлическую гильзу 11, наружный диаметр которой по существу равен диаметру отверстия 6, и керамическое кольцо 16, закрепленное на внутренней стенке 11а гильзы 11 при помощи пайки. Позицией 12 обозначен слой спайки между наружной стороной керамического кольца 16 и внутренней стенкой 11а гильзы 11.

Керамический материал кольца 16 выполняют, например, на основе глинозема. Изготовление кольца 16 осуществляют любым известным способом. Диаметр кольца 16 по существу равен и предпочтительно слегка меньше внутреннего диаметра камеры 11. Материал спайки 12 выбирают из группы материалов или сплавов с температурой плавления, меньшей температуры плавления материала гильзы 11, и он естественным образом смачивает этот материал, а также керамику. Кроме того, его выбирают из материалов, которые обладают повышенной ковкостью и которые сжимаются в холодном состоянии и расширяются в горячем состоянии, чтобы керамика не подвергалась воздействию каких-либо усилий растяжения или изгиба при перепадах температур во время работы компрессора или во время насаживания вкладыша 10 в картер 2 при монтаже.

Поскольку слой спайки 12 покрывает всю наружную поверхность кольца 16, то появление трещины во время работы не является критическим, так как все части удерживаются спайкой, то есть в случае появления трещин разные части кольца 16 удерживаются в гильзе 11. Кольцо 16 может быть выполнено из нескольких частей, закрепляемых при помощи пайки на внутренней стенке 11а гильзы 11.

Предпочтительно на одном из своих концов вкладыш 10 содержит фланец 13, выполненный радиально наружу. На стороне 13а этого фланца также при помощи пайки закрепляют керамическую шайбу 14, обеспечивающую сухое трение на концевой стороне площадки 4.

На фиг.3 и 4 показан первый вариант выполнения подшипника скольжения 20, предназначенного для установки поворотной оси 5.

Этот подшипник 20 содержит нижний подшипник 20а, выполненный в виде вкладыша 10 в соответствии с настоящим изобретением, и верхний подшипник 20b, выполненный в виде гильзы 21, охватывающей втулку 22 из материала с более низким коэффициентом трения, чем у керамики, например, из полиамида. Вкладыш 10 расположен вблизи площадки 4 лопатки 3 и соответствует наиболее нагруженному подшипнику. Этот вкладыш воспринимает значительное усилие и позволяет значительно ограничить износ наиболее нагруженной стороны поворотной оси 5. Наружный подшипник 20b ограничивает усилия от приводного рычага 8 и от силовых цилиндров, приводящих в действие приводное кольцо 9.

Позицией 30 обозначено вставное кольцо, выполненное на основе никеля, кобальта или железа, насаженное на поворотную ось 5 в случае, когда ее выполняют из сплава, не обладающего хорошими фрикционными характеристиками. Предпочтительно это вставное кольцо 30 содержит фланец 31, опирающийся на концевую сторону площадки 4.

На фиг.6 и 7 показан второй вариант выполнения подшипника скольжения 20 для поворотной оси 5, содержащего нижний подшипник 20а и верхний подшипник 20b, выполненные с вкладышами 10, соответствующими вкладышу 10, показанному на фиг.2.

Оба вкладыша 10 обеспечивают максимальное восприятие усилий и значительно ограничивают опрокидывающее напряжение благодаря хорошим характеристикам износоустойчивости нижнего подшипника 20а и верхнего подшипника 20b.

Компрессор газотурбинного двигателя содержит наружный картер и, по меньшей мере, один кольцевой ряд неподвижных лопаток с переменным углом установки, содержащих поворотные оси. Оси лопаток пересекают сквозные отверстия картера с использованием вкладышей, образующих подшипники скольжения. Каждый вкладыш содержит металлическую гильзу в виде единой наружной детали и керамическое кольцо, соединенные слоем пайки между наружной поверхностью керамического кольца и внутренней стенкой гильзы. Каждая ось лопатки дополнительно содержит вставное кольцо, выполненное из металлического материала на основе никеля, железа или кобальта и насаженное на эту ось. Другое изобретение группы относится к вкладышу, предназначенному для установки в сквозном отверстии картера компрессора для выполнения подшипника скольжения поворотной оси лопатки с переменным углом установки. Вкладыш состоит из металлической гильзы в виде единой детали и керамического кольца, причем гильза и кольцо соединены слоем пайки, выполненным между наружной поверхностью керамического кольца и внутренней стенкой гильзы. Гильза на одном из своих концов содержит фланец, проходящий радиально наружу. Изобретения позволяют повысить надежность вкладыша оси лопатки с переменным углом установки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Компрессор газотурбинного двигателя, содержащий наружный картер (2) и, по меньшей мере, один кольцевой ряд неподвижных лопаток (3) с переменным углом установки, содержащих поворотные оси (5) управления поворотом, которые пересекают сквозные отверстия (6), выполненные в упомянутом картере (2), с использованием вкладышей, образующих подшипники скольжения, отличающийся тем, что каждый вкладыш содержит два элемента: металлическую гильзу (11) в виде единой наружной детали и керамическое кольцо (16), причем гильза (11) и кольцо (16) соединены слоем пайки, выполненным между наружной поверхностью керамического кольца (16) и внутренней стенкой (11а) гильзы, причем поворотная ось (5) дополнительно содержит вставное кольцо (30), выполненное из металлического материала на основе никеля, железа или кобальта и насаженное на упомянутую поворотную ось.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что вставное кольцо дополнительно содержит фланец (31), опирающийся на площадку (4) лопатки.

3. Вкладыш, предназначенный для установки в сквозном отверстии (6) картера (2) компрессора по п.1 для выполнения подшипника скольжения для поворотной оси (5) лопатки (3) с переменным углом установки, отличающийся тем, что состоит из металлической гильзы (11) в виде единой детали и керамического кольца (16), причем гильза (11) и кольцо (16) соединены слоем пайки, выполненным между наружной поверхностью керамического кольца (16) и внутренней стенкой (11а) гильзы, причем гильза (11) на одном из своих концов содержит фланец (13), проходящий радиально наружу.

4. Вкладыш по п.3, отличающийся тем, что фланец (13) содержит на своей наружной стороне керамическую шайбу (14), закрепленную при помощи пайки.