СОЕДИНЕНИЕ УМЕНЬШЕННОГО РАДИАЛЬНОГО ГАБАРИТА МЕЖДУ ВАЛОМ ТУРБИНЫ И ЦАПФОЙ ВАЛА КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ УКАЗАННОЕ СОЕДИНЕНИЕ Российский патент 2011 года по МПК F02C7/36 

Изобретение относится к общей области газотурбинных двигателей, турбина низкого давления которых содержит вал турбины, соединенный с цапфой вала компрессора. В частности, изобретение касается соединения такого типа, имеющего уменьшенный радиальный габарит.

В газотурбинном двигателе газы, получаемые в результате сгорания смеси воздух/топливо, вращают турбину низкого давления. Эта турбина содержит вал турбины низкого давления, соединенный с валом компрессора низкого давления для приведения во вращение компрессора низкого давления газотурбинного двигателя. Для этого вал турбины низкого давления установлен внутри цапфы вала компрессора низкого давления и соединен с ним при помощи шлицов. Гайка, затянутая на переднем по потоку конце вала турбины низкого давления, обеспечивает осевое стопорение этого соединения. В частности, цапфа вала компрессора низкого давления содержит внутренний кольцевой фланец, упирающийся в радиальном направлении в вал турбины низкого давления и в осевом направлении в стопорную гайку. Один пример соединения между валом турбины и цапфой вала компрессора раскрыт в патенте США №3602535.

Недостатком такого типа соединения является относительно большой радиальный габарит. Этот габарит одновременно связан с толщиной, необходимой для затягивания гайки на валу турбины низкого давления, и с толщиной, необходимой для получения достаточной опорной поверхности между валом турбины низкого давления и цапфой вала компрессора низкого давления. Такой радиальный габарит особенно сказывается в случае определения размеров валов турбины низкого давления для газотурбинного двигателя с компрессорами противоположного вращения (то есть содержащего два компрессора противоположного вращения, установленные в передней части).

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков путем создания соединения, имеющего уменьшенный радиальный габарит.

Эта задача решается при помощи соединения между валом турбины и цапфой вала компрессора газотурбинного двигателя, содержащего по существу цилиндрическую цапфу вала компрессора, по существу цилиндрический вал турбины, установленный внутри цапфы вала компрессора и коаксиально с ней, средства передачи момента между валом турбины и цапфой вала компрессора и средства стопорения переднего по потоку конца вала турбины на цапфе вала компрессора, в котором согласно изобретению цапфа вала компрессора содержит множество зубьев, выполненных в радиальном направлении от ее внутренней поверхности, и вал турбины на своем переднем по потоку конце оборудован множеством осевых пазов, при этом зубья цапфы взаимодействуют с пазами вала турбины.

Такое соединение позволяет сгруппировать по одной заданной толщине одновременно необходимую опорную зону между валом турбины и цапфой вала компрессора и осевую стопорную зону. В результате получают меньший радиальный габарит по сравнению с известными соединениями (выигрыш в габарите достигает примерно 5 мм). Кроме того, в случае применения для газотурбинного двигателя с компрессорами противоположного вращения это соединение позволяет облегчить операции монтажа и демонтажа наружного вала турбины низкого давления.

Целесообразно, чтобы средства стопорения содержали гайку, затягиваемую на резьбе, выполненной на переднем по потоку конце вала турбины, при этом упомянутая гайка должна содержать множество осевых пазов, каждый из которых выполнен между двумя смежными зубцами и взаимодействует с зубьями цапфы вала компрессора.

Предпочтительно, чтобы средства стопорения дополнительно содержали кольцо стопорения гайки, содержащее множество вырезов, взаимодействующих с зубцами стопорной гайки, блокируя вращение упомянутой гайки. В этом случае средства стопорения могут также содержать запорное кольцо для обеспечения удержания стопорного кольца в осевом направлении.

Каждая нитка резьбы переднего по потоку конца вала турбины предпочтительно должна быть выполнена асимметричной по отношению к срединной радиальной плоскости, чтобы снижать усилия прогиба на переднем по потоку конце вала турбины.

Соединение в соответствии с настоящим изобретением может также содержать кольцо, образующее осевую регулировочную вставку, при этом упомянутое кольцо содержит множество зубьев, заходящих одновременно в пазы вала турбины и в положение осевого упора в зубья цапфы вала компрессора.

Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий описанное выше соединение между валом турбины низкого давления и цапфой вала компрессора низкого давления.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие неограничительный пример выполнения, на которых:

Фиг.1 - частичный вид в продольном разрезе соединения в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2 - вид в изометрии и в разборе соединения, показанного на фиг.1;

Фиг.3 - вид в перспективе изометрии схемы соединения, показанного на фиг.1;

Фиг.4 - увеличенный вид детали соединения, показанного на фиг.1.

Как показано на фиг.1, соединение в соответствии с настоящим изобретением содержит по существу цилиндрический вал 2 турбины с центром на продольной оси Х-Х газотурбинного двигателя. Соединение содержит также цапфу 4 вала компрессора тоже по существу цилиндрической формы.

В случае применения в газотурбинном двигателе с компрессорами противоположного вращения вал 2 турбины может быть, например, наружным валом турбины низкого давления (в отличие от внутреннего вала турбины низкого давления, обозначенного на фиг.1 позицией 6), а цапфа 4 может быть цапфой вала компрессора низкого давления.

Настоящее изобретение не ограничивается вариантом применения в газотурбинном двигателе с компрессорами противоположного вращения и может применяться для любых газотурбинных двигателей, содержащих такой тип соединения.

Вал 2 турбины расположен внутри цапфы 4 вала компрессора и коаксиально с ней. Как известно, передача крутящего момента между валом 2 турбины и цапфой 4 происходит при помощи шлицов 8.

Согласно изобретению цапфа 4 вала компрессора содержит множество зубьев 10, выполненных в радиальном направлении от ее внутренней поверхности, и вал 2 турбины на своем переднем по потоку конце содержит множество осевых пазов 12, при этом зубья 10 цапфы 4 взаимодействуют с пазами 12 вала турбины.

В частности, как показано на фиг.2, каждый паз 12 вала 2 турбины выполнен между двумя смежными зубцами 14 (или шипами), продолжающими передний по потоку конец вала турбины. Эти зубцы 14 равномерно распределены по всей окружности вала турбины.

Кроме того, как показано на фиг.3, каждый из пазов 12 выполнен с возможностью захождения в него зуба 10 цапфы 4 вала компрессора.

Необходимо отметить, что для выполнения пазов 12 не обязательно производить вырезы на переднем по потоку конце вала 2 турбины по всей толщине вала: в отличие от изображения на фиг.1-3 пазы могут иметь определенную толщину для придания жесткости переднему по потоку концу вала турбины (таким образом, этот конец имеет постоянную толщину по всей окружности вала).

Соединение в соответствии с настоящим изобретением содержит также средства стопорения переднего по потоку конца вала 2 турбины на цапфе 4 вала компрессора.

Такие средства стопорения выполнены в виде гайки 16, затягиваемой на резьбе 18, выполненной на переднем по потоку конце вала 2 турбины (то есть выполненной на уровне его зубцов 14).

Гайка 16 содержит множество равномерно распределенных осевых пазов 20, каждый из которых образован между двумя смежными зубцами 22, продолжающими передний по потоку конец гайки. Эти пазы 20 взаимодействуют с зубьями 10 цапфы 4 вала компрессора, то есть они выполнены с возможностью захождения в каждый из этих пазов одного из этих зубьев.

Предпочтительно средства стопорения дополнительно содержат кольцо 24 стопорения вращения гайки 16. Это кольцо содержит множество вырезов 26, равномерно распределенных по его окружности и взаимодействующих с зубцами 22 стопорной гайки (то есть они выполнены с возможностью захождения в каждый из них одного из зубцов).

Стопорная гайка 16 позволяет удерживать в осевом направлении вал 2 турбины на цапфе 4 вала компрессора, тогда как кольцо 24 блокирует гайку от вращения. Как показано на фиг.1, предпочтительно удержание стопорного кольца 24 в осевом направлении обеспечивается запорным кольцом 28, установленным в кольцевом пазу (не показано), выполненном на переднем конце стопорной гайки 16.

Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения каждая нитка 18а резьбы 18, выполненной на переднем по потоку конце вала 2 турбины, является асимметричной по отношению к срединной радиальной плоскости Р. Как показано на фиг.4, плоскость Р является срединной плоскостью по отношению к каждой нитке 18а и радиальной по отношению к по существу цилиндрической геометрической форме соединения. Этот признак позволяет снизить усилия прогиба зубцов 14 на переднем по потоку конце вала турбины.

Соединение может также содержать кольцо 30, образующее осевую регулировочную вставку. Для этого такое кольцо содержит множество зубьев 32, которые одновременно заходят в пазы 12 вала 2 турбины и в осевое положение упора в зубья 10, выполненные на внутренней поверхности цапфы 4 вала компрессора. Наличие этого кольца 30 позволяет регулировать осевое положение (то есть вдоль оси Х-Х) вала 2 турбины относительно цапфы 4 вала компрессора.

Соединение в соответствии с настоящим изобретением может также содержать систему смазки опорного подшипника, установленного за соединением (этот подшипник не показан).

Для этого цапфа 4 вала компрессора содержит множество отверстий 34 для прохождения масла, тогда как кольцевой фланец 36, установленный на валу 2 турбины, направляет это масло к предназначенному для смазки подшипнику (фиг.1). Для обеспечения такого монтажа направляющий фланец 36 содержит множество зубьев 38, выполненных с возможностью захождения в пазы 12 вала 2 турбины (фиг.3). Щеточная прокладка 40 обеспечивает уплотнение со средствами стопорения соединения (фиг.1).

Соединение в соответствии с настоящим изобретением имеет много преимуществ. В частности, оно имеет уменьшенный осевой габарит. Как показано на фиг.1, вал 2 турбины, который выполнен ажурным, позволяет сгруппировать в радиальной плоскости по одной и той же толщине, с одной стороны, необходимую опорную зону между валом 2 турбины и цапфой 4 вала компрессора и, с другой стороны, осевую зону стопорения.

Кроме того, соединение в соответствии с настоящим изобретением намного облегчает операции монтажа/демонтажа вала 2 турбины, в частности в случае газотурбинного двигателя с компрессорами противоположного вращения.

Для такого типа газотурбинного двигателя монтаж осуществляют путем последовательной установки наружного вала 2 турбины низкого давления, кольца 30, образующего осевую регулировочную вставку, цапфы 4 вала компрессора низкого давления, направляющего фланца 36, стопорной гайки 16, стопорного кольца 24 и запорного кольца 28.

Что касается демонтажа, то его производят, сжав запорное кольцо 28 для его перемещения в другой кольцевой паз стопорной гайки 16, чтобы высвободить стопорное кольцо 24, что позволяет ослабить гайку. Наружный вал 2 турбины низкого давления можно в этом случае снять, не извлекая из газотурбинного двигателя стопорную гайку 16, стопорное кольцо 24, направляющий фланец 36 и запорное кольцо 28. Таким образом, демонтаж наружного вала 2 турбины низкого давления можно производить, не снимая цапфу 4 вала компрессора низкого давления.

Соединение между валом турбины и цапфой вала компрессора газотурбинного двигателя включает средства передачи крутящего момента между валом турбины и цапфой вала компрессора и средства стопорения конца вала турбины на цапфе вала компрессора. Цапфа вала компрессора содержит множество зубьев, выполненных в радиальном направлении от ее внутренней поверхности. Вал турбины на своем конце содержит множество осевых пазов, а зубья цапфы взаимодействуют с пазами вала турбины. Средства стопорения содержат гайку, затягиваемую на резьбе, выполненной на конце вала турбины. Гайка содержит множество осевых пазов, каждый из которых выполнен между двумя смежными зубцами и взаимодействует с зубьями цапфы вала компрессора. Средства стопорения дополнительно содержат кольцо стопорения гайки, имеющее множество вырезов, взаимодействующих с зубцами стопорной гайки, блокируя ее вращение. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, включающему указанное выше соединение между валом турбины низкого давления и цапфой вала компрессора низкого давления. Изобретение позволяет уменьшить радиальные габариты соединения вала турбины и цапфы вала компрессора, а также упростить монтаж и демонтаж турбины низкого давления. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Соединение между валом турбины и цапфой вала компрессора газотурбинного двигателя, содержащее по существу цилиндрическую цапфу вала компрессора, по существу цилиндрический вал турбины, установленный внутри цапфы вала компрессора и коаксиально с ней, средства передачи крутящего момента между валом турбины и цапфой вала компрессора и средства стопорения конца вала турбины на цапфе вала компрессора, отличающееся тем, что цапфа вала компрессора содержит множество зубьев, выполненных в радиальном направлении от ее внутренней поверхности, причем вал турбины на своем конце содержит множество осевых пазов, а зубья цапфы взаимодействуют с пазами вала турбины, при этом средства стопорения содержат гайку, затягиваемую на резьбе, выполненной на конце вала турбины, причем гайка содержит множество осевых пазов, каждый из которых выполнен между двумя смежными зубцами и взаимодействует с зубьями цапфы вала компрессора, при этом средства стопорения дополнительно содержат кольцо стопорения гайки, имеющее множество вырезов, взаимодействующих с зубцами стопорной гайки, блокируя вращение гайки.

2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что средства стопорения дополнительно содержат запорное кольцо для удержания стопорного кольца в осевом направлении.

3. Соединение по п.1 или 2, отличающееся тем, что каждая нитка резьбы конца вала турбины выполнена асимметричной по отношению к срединной радиальной плоскости.

4. Соединение по п.1 или 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит кольцо, образующее осевую регулировочную вставку, при этом кольцо содержит множество зубьев, заходящих одновременно в пазы вала турбины и в положение осевого упора в зубья цапфы вала компрессора.

5. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит соединение между валом турбины низкого давления и цапфой вала компрессора низкого давления по п.1.