СИСТЕМА КРЕПЛЕНИЯ ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОМОЩИ СТЯЖНОЙ ГАЙКИ, СПОСОБ УСТАНОВКИ ВАЛА, КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F04D29/64 

Настоящее изобретение касается газотурбинного двигателя, в частности авиационного двигателя, и относится к установке вала ротора внутри двигателя.

Патент US 3602535 описывает устройство соединения двух валов, вал компрессора и вал турбины газотурбинного двигателя. Два вала приближаются один к другому посредством вращения гайки вокруг своей оси. Стопор, установленный в валу турбины, препятствует вращению гайки после ее установки. Такая компоновка не позволяет обеспечить монтаж с задней стороны или по меньшей мере делает ее очень сложной.

Операции монтажа и демонтажа газотурбинного двигателя являются сложными ввиду большого количества его деталей и небольших зазоров между ними при их больших размерах. Из-за этого обслуживание двигателя, требующее таких операций, традиционно является дорогостоящим. В двухконтурном двигателе с передним турбокомпрессором, таком как двигатель cfm56, доступ к опорному подшипнику вала компрессора высокого давления чрезвычайно затруднен, так как он установлен на уровне промежуточного картера за вентилятором и за двумя первыми опорными подшипниками, поддерживающими соответственно вал компрессора низкого давления и вал вентилятора. Промежуточный картер является частью картера двигателя, на которой установлены, в частности, передние опорные подшипники роторов. Чтобы избежать демонтажа всей передней части двигателя и, в частности, вентилятора, в настоящее время элементы этого опорного подшипника выполняют таким образом, чтобы иметь возможность производить установку с задней стороны. Такое решение является удовлетворительным, но все же имеет несколько недостатков, которые необходимо устранить.

На фиг.1 и 2 показано решение из предшествующего уровня техники. На фиг.1-2 показан не весь двигатель, а только элементы, непосредственно окружающие опорный подшипник. Заднее и переднее направление определяют относительно общего направления двигателя. Показана часть неподвижной конструкции промежуточного картера 2, при этом опорный шарикоподшипник 3 вала компрессора ВД закреплен своим наружным кольцом в этой неподвижной конструкции. В подшипнике с возможностью вращения установлен передний конец вала 4 компрессора ВД, при этом на чертеже показана цапфа 4' и диск 4'' ротора. Спереди на подшипнике установлена коническая шестерня 5, вращающая шестерню 5', соединенную с радиальным валом, образуя коробку приводов, называемую IGB и приводящую в действие вспомогательное оборудование: насосы, генераторы электрического тока и т.д. Для этого коническая шестерня 5 входит в зацепление с шестерней радиального трансмиссионного вала, установленного в одной из радиальных стоек промежуточного картера для вращения шестерен коробки приводов вспомогательного оборудования, известной под аббревиатурой AGB (от accessory gear box). Коническая шестерня неподвижно соединена с цилиндрической втулкой, установленной на опорном подшипнике.

Для удержания вала 4 в подшипнике 3 согласно известному решению предусмотрена гайка 6, закрепленная внутри шестерни 5 спереди при помощи стопорного кольца 6'. На своей наружной поверхности гайка содержит резьбу, при помощи которой ее завинчивают внутрь переднего конца вала 4, тоже содержащего соответствующую резьбу. Кроме того, осевые шлицы на внутренней поверхности втулки шестерни 5 взаимодействуют со шлицами на наружной поверхности вала 4, предупреждая их проворачивание относительно друг друга. Такой монтаж обеспечивает функцию автоматического извлечения компрессора ВД. Эта функция обеспечивается за счет кольца, закрепляющего в осевом направлении гайку подшипника на конической шестерне. Таким образом, завинчивая гайку в резьбу вала компрессора ВД, компрессор перемещают к подшипнику; и, наоборот, отвинчивая гайку, компрессор перемещают назад, поскольку гайка блокируется в осевом направлении кольцом.

На фиг.2 показан подшипник до установки вала 4. Гайку, находящуюся спереди подшипника, предварительно устанавливают на шестерню до установки элементов через заднюю часть промежуточного картера. При подготовке к установке вала 4 необходимо нагреть подшипник 3 в зоне С для его расширения и для сведения к минимуму усилий натяга. Чтобы избежать нагрева гайки 6 и свести к минимуму трение в резьбе при ее затягивании на валу 4, вокруг гайки устанавливают тепловую защиту Р. Однако применение этой защиты является достаточно сложным. К тому же эффективность ее установки является недостаточной.

Заявитель поставил перед собой задачу решения проблем, связанных с такой установкой.

В частности, проблема касается типа соединения между компрессором ВД и коробкой приводов IGB, позволяющего осуществлять установку и демонтаж компрессора ВД при наличии единственного доступа для инструментов через заднюю часть двигателя.

Изобретение касается установки вала компрессора ВД двухконтурного двигателя, отбор мощности в котором для приведения в действие коробки приводов осуществляется при помощи соединенной с ней конической шестерни, при этом втулка принадлежит этой приводной конической шестерне.

Согласно изобретению система крепления конца вала компрессора высокого давления двухконтурного газотурбинного двигателя, установленного внутри втулки, закрепленной на опорном подшипнике конического колеса привода трансмиссионного вала коробки приводов вспомогательного оборудования при помощи гайки, отличается тем, что гайка содержит первую резьбу, при помощи которой ее завинчивают внутрь упомянутого вала, содержащего резьбу, и вторую резьбу, при помощи которой ее завинчивают в упомянутую втулку, содержащую резьбу. В частности, оба шага резьбы гайки имеют противоположное направление, образуя стяжную гайку.

Использование стяжной гайки обеспечивает облегченный демонтаж компрессора ВД только через заднюю часть двигателя и при помощи обычно применяемых инструментов и монтажных средств.

Кроме того, данное решение отличается компактностью, вписывается в имеющееся пространство и не мешает циркуляции воздуха между коробкой приводов IGB и валом НД. Объектами настоящей заявки являются также компрессор и газотурбинный двигатель, содержащие систему в соответствии с настоящим изобретением. Далее следует более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:

Фиг.1 представляет частичный вид в осевом разрезе монтажного решения из предшествующего уровня техники.

Фиг.2 - вид предварительно соединенных элементов, показанных на фиг.1, до установки вала компрессора ВД.

Фиг.3 - частичный вид в осевом разрезе системы крепления конца вала компрессора ВД в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - первый этап установки, вид со стороны коробки IGB.

Фиг.5 - первый этап установки, вид со стороны вала компрессора ВД.

Фиг.6 - второй этап с перемещением вала компрессора к подшипнику.

Фиг.7 - дальнейшее перемещение вперед вала компрессора.

Фиг.8 - вид, на котором завинчивание стяжной гайки на втулке подшипника завершено и установлен гаечный замок.

На фиг.3 и последующих фигурах показан вариант выполнения системы крепежа в соответствии с настоящим изобретением. Опорный подшипник 3, а также промежуточный картер 2 не претерпели изменений по сравнению с известными. Как и в известном решении, передний конец вала 14 содержит внутреннюю резьбу 14f, взаимодействующую с первой наружной резьбой 16f₁ гайки 16. Эта гайка 16 имеет цилиндрическую форму и соединяет вал 14 с коническим колесом 15. Коническое колесо 15 содержит коническую шестерню 15₁ привода коробки IGB. Оно содержит также цилиндрическую втулку 15₄, посаженную внатяг во внутреннее кольцо 3i опорного подшипника 3. Спереди колесо 15 неподвижно соединено с элементом 15₂ лабиринтной прокладки. Внутри конического колеса выполнены шлицы 15₃, предназначенные для взаимодействия со шлицами 14₃ цапфы 14 и для их удержания неподвижными во вращении. Колесо 15 содержит также внутренний участок поверхности с резьбой 15f, с которой цилиндрическая гайка 16 взаимодействует при помощи второй резьбы 16f₂. Обе резьбы 16f₁ и 16f₂ на наружной стороне гайки 16 имеют шаг противоположного направления, что будет подробнее описано ниже.

На фиг.4 показан опорный подшипник 3 с коническом колесом, установленным во внутреннем кольце 3i подшипника 3, и средство С' нагрева, условно показанное волнистыми линиями.

Далее со ссылками на фиг.4 и последующие фигуры следует описание переднего монтажа вала компрессора ВД в опорный подшипник 3.

Опорный подшипник собирают с коническим колесом 15, посаженным внатяг внутрь кольца 3i подшипника. На первом этапе производят нагрев подшипника 3 при помощи печки, установленной под кольцом 3i. Уже в этом видно преимущество настоящего изобретения, так как в отсутствие гайки нагрев не влияет на расположенные вокруг места нагрева другие детали.

Параллельно гайку 16 устанавливают на вал, как показано на фиг.5. Резьба 16f₁ гайки заходит во внутреннюю резьбу 14f вала 14 на заранее определенную длину, чтобы обеспечить правильный конечный монтаж.

На фиг.6 показано, что вал вставили в опорный подшипник после того, как из-под него убрали печку и он находится в расширенном состоянии. Гайка 16 оказывается в достаточной степени завинченной в вал 14, чтобы оказаться в положении упора в резьбу 15f конического колеса 15 сразу же после того, как начали заходить друг в друга осевые шлицы вала и конического колеса, выполненные с возможностью правильной угловой фиксации между этими двумя деталями, необходимой для нормальной работы системы смазки подшипника 3. Гайку 16 начинают завинчивать таким образом, чтобы резьба 16f₂ зашла в резьбу 15f. Резьба 16f₁ и резьба 16f₂ имеют шаг противоположного направления, поэтому завинчивая гайку, ее постепенно перемещают внутрь колеса 15, которое застопорено во вращении при помощи не показанного на чертеже соответствующего средства. Кроме того, поскольку шлицы 15₃ колеса 15 и шлицы 14₃ вала вошли в зацепление, вал 14 не может вращаться. Вращение гайки приводит также к перемещению вала внутрь опорного подшипника 3.

На фиг.7 показано, что перемещение вала 14 вперед продолжается, пока его передний край 14 не зайдет в соответствующую зону посадки внатяг внутри колеса 15. Эта зона посадки внатяг позволяет обеспечить эффективное опорное положение для конической шестерни колеса 15 при помощи вала 14.

На фиг.8 показано, что вал теперь упирается в деталь, образующую задний лабиринт, которая опирается на внутреннее кольцо подшипника 3. Устанавливают гаечный замок 17, содержащий упруго деформируемые ветви 17₁, которые заходят в кольцевой паз 14₆, выполненный в валу 14. На этом чертеже показана передняя часть 15₂, которая вместе с лотком 15₅ образует маслоприемник для системы смазки шестерни 15₁ и подшипника 3 (масленка не показана). Масло, попадающее в лоток 15₅, направляется через продольные каналы 15₆ и шлицы 15₃ и 14₃ к подшипнику 3, содержащему известные соответствующие отверстия для смазки шариков.

Гайку 16 можно называть стяжной, поскольку ее вращение создает усилие натяжения, действующее на вал 14. Гайку вращают при помощи известных инструментов через вал, в частности через заднюю часть. Чтобы усилия не передавались через подшипник, можно застопорить коническое колесо в осевом направлении при помощи соответствующего инструмента, устанавливаемого, например, в зоне осевого стопорения, находящейся между шипами 15₇, выполненными спереди колеса, для блокирования любого проворачивания во время монтажа, и заплечиком 15₈.

Группа изобретений относится к системе крепления конца вала (14) газотурбинного двигателя, установленного внутри втулки (15), закрепленной на опорном подшипнике (3). Упомянутая система содержит гайку (16) и отличается тем, что гайка (16) содержит первую резьбу (16f₁), при помощи которой ее завинчивают внутрь упомянутого вала (14), содержащего резьбу (14f), и вторую резьбу (16f₂), при помощи которой ее завинчивают в упомянутую втулку (15). Предпочтительно шаг резьбы (16f₁, 16f₂) гайки (16) имеет в одной резьбе противоположное направление относительно другой резьбы, чтобы получить стяжную гайку. Группа изобретений позволяет при ее использовании обеспечить монтаж и демонтаж вала ротора с задней стороны турбины. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система крепления конца вала (14) компрессора высокого давления (ВД) двухконтурного газотурбинного двигателя, установленного внутри втулки (15₄), закрепленной на опорном подшипнике (3) конического колеса (15) привода трансмиссионного вала коробки приводов вспомогательного оборудования, при этом система содержит гайку (16), отличающаяся тем, что гайка (16) содержит первую резьбу (16f₁), при помощи которой ее завинчивают внутрь упомянутого вала (14), содержащего резьбу (14f), и вторую резьбу (16f₂), при помощи которой ее завинчивают в упомянутую втулку (15₄), содержащую резьбу (15f), причем система дополнительно содержит гаечный замок (17), выполненный в валу (14).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что шаг резьбы (16f₁, 16f₂) гайки (16) имеет в одной резьбе противоположное направление относительно другой резьбы.

3. Система по п.1, в которой гаечный замок (17) содержит деформируемые ветви (171), заходящие в пазы (14₆) вала.

4. Система по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что вал (14) и втулка (16) направляются друг в друга при помощи осевых шлицов (15₃, 14₃).

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что коническое колесо (15) содержит средство для стопорения подшипника в осевом направлении во время завинчивания гайки.

6. Способ установки в переднем опорном подшипнике вала компрессора ВД двухконтурного газотурбинного двигателя, имеющего систему крепления согласно пп.1-5, содержащий этапы, на которых нагревают подшипник, устанавливают упомянутую гайку на вал, завинчивают гайку, образующую стяжную гайку, и устанавливают гаечный замок.

7. Компрессор газотурбинного двигателя, содержащий систему крепления конца вала ротора по одному из пп.1-5.

8. Двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий систему крепления по одному из пп.1-5.