УСТРОЙСТВО РАЗЪЕДИНЕНИЯ ОПОРЫ ПОДШИПНИКА Российский патент 2013 года по МПК F01D21/04 F02C7/06 

Настоящее изобретение относится к устройству разъединения опоры подшипника вращающегося вала в газотурбинном двигателе. Такая опора подшипника выполнена с возможностью разрыва ее соединения со статором газотурбинного двигателя при появлении дисбаланса, чтобы избежать разрушения газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель содержит, от входа к выходу в направлении потока газов, компрессор, камеру сгорания и турбину. Компрессор предназначен для повышения давления воздуха, поступающего в камеру сгорания. Турбина предназначена для приведения во вращение компрессора за счет отбора части энергии давления горячих газов, выходящих из камеры сгорания, и ее преобразования в механическую энергию.

Компрессор и турбина содержат первый набор неподвижных деталей, образующих статор, и второй набор деталей, выполненных с возможностью приведения во вращение по отношению к статору и образующих ротор.

Ротор компрессора и ротор турбины образуют узел, неподвижно соединенный вращающимся валом. Вращение ротора по отношению к статору происходит при помощи подшипников, при этом подшипник является механическом органом, поддерживающим и направляющим ротор, в частности, вал этого ротора. Этот подшипник содержит первую часть, закрепленную на валу ротора, и вторую часть, закрепленную на статоре через опору подшипника. Между двумя частями подшипника установлен подшипник качения, обеспечивающий, такие образом, вращение одной части подшипника по отношению ко второй части. Подшипник качения может быть, например, шарикоподшипником, роликоподшипником с цилиндрическими или коническими роликами.

Газотурбинный двигатель может быть «двухконтурным», то есть содержит два ротора, расположенные коаксиально, при этом относительное вращение между этими двумя роторами обеспечивается подшипником.

Газотурбинный двигатель может также содержать вентилятор, образующий первую ступень компрессора. Вентилятор содержит лопатки очень большого размера, называемые лопатками вентилятора, присутствие которых увеличивает массу и инерцию ротора.

В случае разрушения лопатки вентилятора на валу, поддерживающем вентилятор, появляется дисбаланс. Дисбаланс представляет собой явление разбалансировки ротора, центр тяжести которого оказывается не точно на оси вращения, как это должно быть. Таким образом, на статор газотурбинного двигателя через опору подшипника передаются большие цикличные нагрузки и вибрации, что может привести к саморазрушению двигателя. Чтобы избежать передачи этих нежелательных явлений на статор, необходимо разъединить опору подшипника, то есть прервать механическую передачу вращения, в частности, путем разъединения двух частей, образующих опору подшипника.

В документе FR 2877046 описано решение, состоящее в использовании предохранительных винтов для крепления передней части и задней части, образующих опору подшипника. Эти предохранительные винты, работа которых подробно описана в этом документе, содержат участок уменьшенного сечения, который может разорваться при усилии растяжения, превышающем заранее определенное значение, и обеспечить, таким образом, разъединение двух частей, образующих опору подшипника.

Предохранительный винт, показанный на фиг.9 документа FR 2877046, проходит через переднее отверстие передней части и заднее отверстие задней части опоры подшипника, при этом задняя часть опоры подшипника является неотъемлемой частью картера. Головка предохранительного винта является смежной с отверстием передней части и находится в контакте с этой передней частью в плоскости, перпендикулярной к оси отверстия. Участок предохранительного винта, проходящий через отверстие, входит в контакт с внутренней частью отверстия своим центровочным участком. При появлении дисбаланса передняя часть и задняя часть смещаются относительно друг друга относительным круговым движением, в результате чего на предохранительный винт действуют усилия сдвига по причине тангенциального контакта вокруг предохранительного винта, которые могут привести к неконтролируемому разрыву предохранительных винтов. Однако эти винты разработаны только с учетом усилия растяжения и не учитывают усилий сдвига. Кроме того, трудно спроектировать предохранительный винт, одновременно учитывая усилия растяжения и усилия сдвига.

Задачей настоящего изобретения является улучшение контроля за функцией разъединения. Эта задача решается за счет устранения усилий сдвига, которые могут появиться на предохранительном винте в устройстве разъединения опоры подшипника. Таким образом, предохранительные винты остаются чувствительными только к усилиям растяжения, с учетом которых они разработаны.

В этой связи объектом изобретения является устройство разъединения опоры подшипника в газотурбинном двигателе, при этом упомянутая опора подшипника содержит переднюю часть и заднюю часть, содержащие, соответственно, множество передних отверстий и задних отверстий, через которые последовательно проходят предохранительные винты.

Согласно изобретению устройство разъединения опоры подшипника содержит между каждым передним отверстием и проходящим через него предохранительным винтом зазор, позволяющий избежать любого контакта между передним отверстием и предохранительным винтом. Передняя часть и задняя часть опоры подшипника находятся в контакте друг с другом через поверхности, образующие средство двойной центровки. Предпочтительно, этот зазор позволяет избегать усилий сдвига, которые могут действовать на предохранительный винт в случае дисбаланса.

Средство двойной центровки может содержать, например, кольцевой паз и кольцевой выступ соответствующей формы. Таким образом, функция центровки больше не обеспечивается предохранительными винтами, а непосредственно передней и задней частями опоры подшипника. Предпочтительно предохранительные винты подвергаются в этом случае только усилиям растяжения, что обеспечивает лучший контроль за разъединением опоры подшипника.

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

Фиг.1 - вид в перспективе примера опоры подшипника.

Фиг.2 - схематичный вид в полуразрезе первого примера выполнения центровки опоры подшипника.

Фиг.3 - схематичный вид в осевом полуразрезе второго примера выполнения центровки опоры подшипника.

Фиг.4 - схематичный вид в разрезе по плоскости A-A фиг.2.

Фиг.5 - схематичный вид в разрезе по плоскости B-B фиг.3.

Фиг.6-9 - схематичный вид в осевом полуразрезе нескольких примеров двойной центровки опоры подшипника в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.10 - схематичный вид в разрезе предохранительного винта, закрепленного на опоре подшипника в соответствии с настоящим изобретением.

Опора 7 подшипника, показанная на фиг.1, в основном имеет форму усеченного конуса и содержит переднюю часть 1 и заднюю часть 2. Конец передней части 1 опоры 7 подшипника неподвижно соединен с подшипником 8, поддерживающим и направляющим ротор газотурбинного двигателя. Другой конец передней части 1 опоры 7 подшипника содержит фланец 11. Задняя часть 2 опоры 7 подшипника выполнена в виде фланца 21 и неподвижно закреплена на статоре газотурбинного двигателя при помощи болтов типа не предохранительных (не показаны), проходящих через отверстия 29. Передняя часть 1 и задняя часть 2 опоры 7 подшипника содержат соответственно на уровне своих фланцев 11 и 21 множество круглых отверстий 10 и 20 и соединены между собой при помощи множества предохранительных винтов 3, проходящих последовательно через отверстие 10 передней части 1 и отверстие 20 задней части.

Согласно не оптимальной конфигурации центровку передней части 1 с задней частью 2 опоры 1 подшипника, то есть их осевое выравнивание, можно обеспечить за счет соответствия формы между кольцевым выступом 12 или 23 и кольцевым заплечиком 22 или 13 на передней части 1 или задней части 2 опоры 7 подшипника. В рамках настоящего изобретения заплечик представляет собой резкое изменение сечения детали для получения поверхности.

В примере, показанном на фиг.2, где показана одинарная центровка, называемая «наружной», кольцевой выступ 12 выполнен на передней части 1, а кольцевой заплечик 22 выполнена на задней части 2. В случае дисбаланса наблюдается овальная деформация опоры подшипника. В этих условиях тангенциальный контакт между кольцевым выступом 12 и кольцевым заплечиком 22 теряется на части окружности, как показано на фиг.4. Это отклонение между кольцевым выступом 12 и кольцевымзаплечиком 22 приводит к сдвигу предохранительных винтов 3.

Точно так же, в примере на фиг.3, где показана одинарная центровка, называемая «внутренней», кольцевой заплечик 13 выполнен на передней части 1, а кольцевой выступ 23 выполнен на задней части 2, ив случае дисбаланса тангенциальный контакт между кольцевым заплечиком 13 и кольцевым выступом 23 теряется на части окружности, как показано на фиг.5. Это отклонение между кольцевым выступом 23 и кольцевым заплечиком 13 приводит к сдвигу предохранительных винтов 3.

Однако этот сдвиг является гораздо менее значительным, чем в случае, показанном на фиг.1 в известном документе FR 2877046, где функция центровки обеспечивается только предохранительными винтами, что приводит к еще более значительному сдвигу.

В этих трех примерах контролю усилия разрыва при растяжении предохранительных винтов могут помешать усилия сдвига.

Чтобы уменьшить и даже устранить усилия сдвига на предохранительные винты 3, первая часть решения, предлагаемого изобретением, предусматривает замену средств наружной центровки 12 и 22 или внутренней центровки 13 и 23, которые являются средствами одинарной центровки, на так называемое средство «двойной центровки».

Средство двойной центровки, 14 и 24 или 15 и 25, содержит кольцевой паз 14 или 25 и кольцевой выступ 15 или 24 соответствующей формы. Кольцевой паз 14 или 25 и кольцевой выступ 15 или 24 входят в контакт своими боковинами 26 и 27, образуя две параллельные контактные поверхности. Таким образом, «двойная центровка» обеспечивает центровку при помощи этих двух параллельных поверхностей, тогда как средство одинарной центровки, показанное на фиг.2 и 3, обеспечивает только одну контактную поверхность для центровки.

Согласно первому варианту выполнения изобретения, показанному на фиг.6, кольцевой паз 14 выполнен на передней части 1, а кольцевой выступ 24 выполнен на задней части 2. В первой версии первого варианта выполнения кольцевой паз 14 и кольцевой выступ 24 соответствующей формы являются широкими. Во второй версии этого первого варианта выполнения кольцевой паз 14 и кольцевой выступ 24 соответствующей формы выполнены узкими, как показано на фиг.8.

Согласно второму варианту выполнения изобретения, показанному на фиг.7, кольцевой выступ 15 выполнен на передней части 1, а кольцевой паз 25 выполнен на задней части 2. В первой версии второго варианта выполнения кольцевой выступ 15 и кольцевой паз 25 соответствующей формы являются широкими. Во второй версии этого второго варианта выполнения кольцевой выступ 15 и кольцевой паз 25 соответствующей формы выполнены узкими, как показано на фиг.9.

Во всех представленных вариантах и версиях взаимодействие между пазом 14 или 25 и выступом 15 или 24 соответствующей формы позволяет ослабить и даже устранить овальную деформацию опоры 7 подшипника, сохраняя постоянный контакт между боковинами 26 и 27 кольцевого паза 14 или 25 и кольцевого выступа 15 или 24.

Чтобы еще больше ослабить и даже устранить усилия сдвига на предохранительных винтах 3, вторая часть решения, предлагаемого настоящим изобретением, предусматривает устранение любого контакта между каждым передним отверстием 10 и проходящим через него предохранительным винтом 3. Таким образом, поскольку перемещение передней части 1 опоры 7 подшипника больше не может увлечь предохранительный винт за счет тангенциального контакта вокруг предохранительного винта, эти предохранительные винты 3 подвергаются только усилиям растяжения, что позволяет лучше контролировать разъединение опоры 7 подшипника.

Устранения контакта между каждым передним отверстием 10 и проходящим через него предохранительным винтом 3 можно добиться, предусмотрев зазор 4 между предохранительным винтом 3 и передним отверстием 10, в которое он заходит. В частности, зазор 4 должен быть таким, чтобы между внутренней поверхностью отверстия 10 и стержнем 32 предохранительного винта 3 не могло быть контакта.

Зазор 4 можно реализовать при помощи окружного зенкования 11 в переднем отверстии 10. В рамках настоящего изобретения зенкование является выполнением углубления в детали. Окружное зенкование 11 производится по диаметру, превышающему диаметр переднего отверстия 10, что позволяет использовать предохранительные винты 3 из предшествующего уровня техники, содержащие центровочный участок, обозначенный позицией 19 на фиг.9 в документе FR 2877046, Даже если этот центровочный участок не используется в рамках изобретения, все равно предпочтительно использовать эти стандартные предохранительные винты 3, характеристики которых, в частности, что касается усилия разрыва при растяжении, хорошо известны и могут контролироваться.

Объектом общего изобретательского замысла является также газотурбинный двигатель, содержащий устройство разъединения опоры подшипника в соответствии с настоящим изобретением.

Устройство разъединения опоры (7) подшипника в газотурбинном двигателе. Опора (7) подшипника содержит переднюю часть (1) и заднюю часть (2), содержащие соответственно множество передних отверстий (10) и задних отверстий (20), через которые проходят предохранительные винты (3). Для всех винтов предусмотрен зазор (4) между каждым передним отверстием (10) и проходящим через него предохранительным винтом (3), позволяющий избежать за счет указанного зазора любого контакта между передним отверстием (10) и предохранительным винтом (3). Передняя часть (1) и задняя часть (2) опоры подшипника контактируют друг с другом, по меньшей мере, двумя параллельными поверхностями боковин различных диаметров, формирующими наружные и внутренние средства центровки, образующими средство двойной центровки и взаимодействующими друг с другом для обеспечения осевого выравнивания одной из указанных частей относительно другой части. Обеспечивается лучший контроль за функцией разъединения за счет устранения усилий сдвига на предохранительном винте, а также возможность устранить овальную деформацию опоры подшипника. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство разъединения опоры (7) подшипника в газотурбинном двигателе, при этом упомянутая опора (7) подшипника содержит переднюю часть (1) и заднюю часть (2), содержащие соответственно множество передних отверстий (10) и задних отверстий (20), через которые проходят предохранительные винты (3), отличающееся тем, что для всех винтов предусмотрен зазор (4) между каждым передним отверстием (10) и проходящим через него предохранительным винтом (3), позволяющий избежать за счет указанного зазора любого контакта между передним отверстием (10) и предохранительным винтом (3), причем передняя часть (1) и задняя часть (2) опоры подшипника контактируют друг с другом, по меньшей мере, двумя параллельными поверхностями боковин (26, 27) различных диаметров, формирующими наружные и внутренние средства центровки и взаимодействующими друг с другом для обеспечения осевого выравнивания одной из указанных частей относительно другой части.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор (4) выполняют при помощи окружного зенкования в переднем отверстии (10).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поверхности, формирующие средства центровки являются боковинами (26, 27) кольцевого паза (14, 25) и кольцевого выступа (15, 24) соответствующей формы.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что кольцевой паз (14) выполняют на передней части, а кольцевой выступ (24) выполняют на задней части (2).

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что кольцевой паз (25) выполняют на задней части, а кольцевой выступ (15) выполняют на передней части (1).

6. Газотурбинный двигатель, содержащий устройство разъединения опоры подшипника по одному из предыдущих пунктов.