СПОСОБ И СИСТЕМА СМАЗКИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F02C7/06 

Предшествующий уровень техники

Предлагаемое изобретение относится в целом к области динамической смазки авиационного газотурбинного двигателя.

Авиационный газотурбинный двигатель содержит множество элементов, требующих смазки; при этом речь идет, в частности, о подшипниках качения, используемых для поддержания вращающихся валов, а также зубчатых зацеплений блока приведения в движение вспомогательного оборудования.

В частности, для уменьшения трения, механического износа и нагревания, возникающих вследствие высокой скорости вращения валов газотурбинного двигателя, подшипники качения, которые поддерживают эти валы, должны смазываться. Поскольку простой смазки, осуществляемой путем впрыскивания смазочного масла только в процессе фаз технического обслуживания газотурбинного двигателя, оказывается недостаточно, обычно используют так называемую динамическую смазку.

Динамическая смазка состоит в обеспечении непрерывной циркуляции масла в смазочном контуре. Расход смазочного масла, поступающего из резервуара, направляется, таким образом, при помощи насосов на движущиеся части подшипников, причем эти подшипники размещаются в камерах, закрытых при помощи уплотнительных прокладок герметизации. Для устранения любых утечек смазочного масла из упомянутых камер на остальные части газотурбинного двигателя через уплотнительные прокладки герметизации некоторый расход воздуха, отбираемый на одном из компрессоров газотурбинного двигателя, вдувается через эти уплотнительные прокладки. Таким образом, эти камеры оказываются под повышенным давлением по отношению к атмосферному давлению.

При этом основная часть воздуха, вводимого в камеры, удаляется за пределы газотурбинного двигателя, проходя через специальный контур, предназначенный для удаления масла из этого воздуха и для контроля давления внутри этих камер. В том, что касается смазочного масла, впрыскиваемого в камеры, то оно извлекается в донной части камеры при помощи насосов извлечения через другой специальный контур. Для того, чтобы обеспечить полное осушение камеры, небольшая часть воздуха также всасывается через эти насосы и извлеченная таким образом смесь воздуха со смазочным маслом должна быть сепарирована перед возвращением освобожденного от воздуха масла обратно в резервуар.

Такой способ смазки представляет целый ряд недостатков. В частности, смазочное масло должно направляться посредством множества устройств, таких как трубопроводы, жиклеры, центробежные ковшовые маслосборники, центростремительные ковшовые маслосборники, лунки, каналы и т.п. Удаление смазочного масла и воздуха, насыщенного капельками масла, требует также использования насосов извлечения и масляного сепаратора, которые утяжеляют конструкцию газотурбинного двигателя.

С этими недостатками можно мириться в том случае, когда тепловая мощность, выделяемая подшипниками качения газотурбинного двигателя, является достаточно высокой для того, чтобы оправдать использование такой системы смазки. Этот случай имеет место, в частности, для газотурбинных двигателей, в которых скорость вращения подшипников качения является достаточно высокой в режиме большой мощности (например, порядка от 6000 до 8000 оборотов в минуту для вала низкого давления и порядка от 14000 до 20000 оборотов в минуту для вала высокого давления в двухконтурном газотурбинном двигателе).

Зато в том случае, когда движущиеся элементы одного из подшипников качения газотурбинного двигателя вращаются на относительно небольшой скорости (например, порядка 1000 оборотов в минуту), мощность, порождаемая движущимися элементами этого подшипника, оказывается слишком малой для того, чтобы оправдать использование подобной системы смазки. В такой ситуации получается, что избыточный расход смазочного масла впрыскивается в камеру, заключающую в себе этот подшипник качения при малой скорости вращения, что обусловливает опасность утечек масла за пределы камеры, которая содержит это смазочное масло.

Цель и краткое изложение предлагаемого изобретения

Таким образом, основная техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы устранить упомянутые выше недостатки и предложить способ и систему смазки газотурбинного двигателя, имеющего в своем составе по меньшей мере три различные камеры, каждая из которых заключает в себе по меньшей мере один подшипник качения и которая позволяет обеспечить эффективную смазку подшипников качения без использования сложного оборудования.

В соответствии с предлагаемым изобретением эта цель достигается благодаря способу, состоящему:

- в создании избыточного давления в камерах при помощи вдувания в них расхода сжатого воздуха через уплотнительные прокладки герметизации, закрывающие упомянутые камеры, причем в двух из так называемых главных камер создается давление, превышающее давление в оставшейся так называемой вторичной камере;

- в смазке подшипника качения в главных камерах при помощи впрыскивания в эти камеры расхода смазочного масла, подаваемого из масляного резервуара газотурбинного двигателя;

- в смазке подшипника качения во вторичной камере только путем впрыскивания масляного тумана, поступающего из по меньшей мере одной из главных камер, причем упомянутый масляный туман направляется в результате разности давлений между главными камерами и вторичной камерой;

- в извлечении оставшейся части смазочного масла, впрыскиваемого в главные камеры, для его направления к масляному резервуару;

- в направлении воздушно-масляной смеси, поступающей из вторичной камеры, к масляному сепаратору с целью отделения воздуха от масла.

Здесь под выражением "масляный туман" следует понимать поток воздуха, насыщенный взвешенными капельками масла. В том случае, когда движущиеся части подшипников вторичной камеры имеют относительно небольшую скорость вращения по сравнению со скоростью вращения подшипников в главных камерах (например, порядка 1000 оборотов в минуту), использование упомянутого масляного тумана, поступающего из по меньшей мере одной из главных камер, оказывается полностью достаточным для обеспечения необходимой смазки этих подшипников качения. Это обстоятельство обеспечивает возможность упрощения и облегчения системы смазки (устранение масляного жиклера, насоса извлечения, трубопровода дегазации и масляного сепаратора).

При этом возможны различные варианты реализации такого способа.

В соответствии с первым способом реализации смазка подшипника качения вторичной камеры обеспечивается путем впрыскивания масляного тумана, поступающего из двух главных камер.

В соответствии со вторым способом реализации смазка подшипника качения вторичной камеры обеспечивается путем впрыскивания масляного тумана, поступающего только из одной из двух главных камер.

Объектом предлагаемого изобретения также является система смазки газотурбинного двигателя, имеющая в своем составе:

- по меньшей мере три различные камеры, каждая из которых заключает в себе по меньшей мере один подшипник качения и каждая из которых закрыта при помощи уплотнительных прокладок герметизации;

- средства, предназначенные для введения расхода сжатого воздуха в упомянутые камеры через уплотнительные прокладки герметизации для обеспечения избыточного давления в этих камерах, причем в двух так называемых главных камерах создается давление, превышающее давление в оставшейся так называемой вторичной камере;

- средства, предназначенные для впрыскивания на подшипники качения главных камер расхода смазочного масла, поступающего из масляного резервуара газотурбинного двигателя;

- канал впрыскивания, связывающий по меньшей мере одну из главных камер с вторичной камерой для того, чтобы впрыскивать на подшипник качения вторичной камеры масляный туман, поступающий из по меньшей мере одной главной камеры;

- средства, предназначенные для извлечения на нижнем выходе главных камер остатка смазочного масла, впрыскиваемого в эти камеры, и для направления этого смазочного масла к масляному резервуару;

- средства, предназначенные для направления смеси воздуха со смазочным маслом, поступающей из нижнего выхода вторичной камеры, к масляному сепаратору.

Целью предлагаемого изобретения также является газотурбинный двигатель, имеющий в своем составе систему смазки описанного выше типа.

Краткое описание приведенных в приложении фигур

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие не имеющие ограничительного характера примеры его реализации. На фигурах:

- фиг.1 представляет собой схематический вид системы смазки в соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения;

- фиг.2 представляет собой схематический вид системы смазки в соответствии со вторым способом реализации предлагаемого изобретения.

Подробное описание способа реализации изобретения

Предлагаемое изобретение применяется к любому авиационному газотурбинному двигателю, имеющему в своем составе по меньшей мере три камеры, заключающие в себе подшипники качения. Говоря более конкретно, это изобретение применяется к газотурбинным двигателям с двухступенчатым вентилятором с противоположными направлениями вращения.

На фиг.1 весьма схематическим образом представлена система смазки, применяемая в газотурбинных двигателях с двухступенчатым вентилятором с противоположными направлениями вращения.

Такой газотурбинный двигатель, имеющий продольную ось Х-Х, содержит три различные кольцевые камеры, а именно: две так называемые главные камеры 10, 10', сформированные на входе газотурбинного двигателя, каждая из которых заключает в себе по меньшей мере один подшипник качения, Р1 и Р'1 соответственно, и одну так называемую вторичную камеру 12, сформированную на выходе двигателя и заключающую в себе по меньшей мере один подшипник Q1 качения. Для удобства восприятия на фиг.1 представлен только один подшипник качения в каждой камере. При этом, разумеется, каждая камера может содержать несколько таких подшипников.

Хорошо известным образом эти различные подшипники качения (которые могут представлять собой шариковые подшипники или роликовые подшипники) поддерживают во вращательном движении различные корпусы газотурбинного двигателя. На фиг.1 и 2 позицией 13 обозначены участки валов корпусов газотурбинного двигателя или участки кожуха, на которых закрепляются кольца подшипников качения.

В то же время, принимая во внимание режимы вращения валов газотурбинного двигателя, подшипники Q1 качения вторичной камеры 12 вращаются на относительно небольшой скорости (например, порядка от 1000 до 2000 оборотов в минуту) по сравнению с подшипниками Р1, Р'1 качения главных камер 10, 10' (вращающихся, например, на скорости порядка от 6000 до 20000 оборотов в минуту).

Главные камеры 10, 10' и вторичная камера 12 отличаются друг от друга и каждая из них закрыта герметичным образом на своих переднем и заднем концах при помощи кольцевых уплотнительных прокладок 14 герметизации. Эти уплотнительные прокладки герметизации представляют собой, например, уплотнительные прокладки лабиринтного типа, уплотнительные прокладки щеточного типа или уплотнительные прокладки с углеродным кольцом.

Для уменьшения трения, механического износа и нагревания, которые возникают, в частности, вследствие высокой скорости вращения валов газотурбинного двигателя, подшипники качения главных камер и вторичной камеры должны быть смазанными. Эта смазка обеспечивается при помощи способа и системы, подробно описаные в последующем изложении.

Подшипники Р1, Р'1 качения в главных камерах 10, 10' смазываются путем непрерывного впрыскивания смазочного масла между кольцами их движущихся элементов. Это впрыскивание реализуется посредством сопел 16 впрыскивания, открывающихся напротив этих колец. На фиг.1 это впрыскивание смазочного масла схематически представлено стрелками F_huile.

Масло, используемое для смазки этих подшипников Р1, Р'1 качения, поступает из масляного резервуара 18 газотурбинного двигателя. Это масло отбирается из упомянутого резервуара 18 посредством питающего масляного насоса 20 и подается в масляный контур 22, связанный с каждым соплом 16 впрыскивания.

Расход сжатого воздуха также вводится в главные камеры 10, 10' и во вторичную камеру 12 через их соответствующие уплотнительные прокладки 14 герметизации. Этот расход воздуха, который поступает, например, в результате отбора воздуха от компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, схематически представлен стрелками F_air на фиг.1. Этот воздух обеспечивает создание избыточного давления в этих камерах для того, чтобы исключить возможность выхода смазочного масла за пределы этих камер.

В то же время, в соответствии с предлагаемым изобретением в главных камерах 10, 10', создается более высокое давление, чем во вторичных камерах 12, то есть это означает, что давление внутри каждой из главных камер превышает давление внутри вторичной камеры. Это становится возможным в результате введения более значительного расхода сжатого воздуха в главные камеры, чем во вторичную камеру.

Что касается подшипника Q1 качения вторичной камеры 12, то он смазывается путем впрыскивания масляного тумана, поступающего из каждой из главных камер 10, 10'. Этот масляный туман направляется посредством по меньшей мере одного канала 24 впрыскивания, связывающего в верхней части первые выходы 26, 26' (называемые верхними выходами) главных камер с входом 28 вторичной камеры, причем этот вход открывается напротив подшипника Q1 качения этой камеры. Принимая во внимание разность давлений, существующую между главными камерами и вторичной камерой, отсутствует всякая необходимость в использовании насоса для того, чтобы обеспечить циркуляцию этого масляного тумана из главных камер ко вторичной камере.

Этот масляный туман представляет собой поток воздуха, насыщенный взвешенными капельками смазочного масла, причем эти капельки масла исходят из смазки подшипников Р1, Р'1 качения в главных камерах. Поскольку подшипники Q1 качения вторичной камеры вращаются на относительно небольшой скорости по отношению к скорости вращения других подшипников, их смазка может быть обеспечена одним впрыскиванием этого масляного тумана. Также никакое впрыскивание смазочного масла посредством сопла впрыскивания (или любого другого эквивалентного устройства) не предусматривается для обеспечения смазки этого подшипника Q1.

Каждая главная камера 10, 10' содержит также в своей нижней части специальный второй выход 30, 30' (называемый нижним выходом), обеспечивающий возможность извлечения оставшейся части смазочного масла, впрыскиваемого в эти камеры. Для реализации этой функции каждый из этих нижних выходов 30, 30' открывается в канал 32, 32' отведения, связанный с масляным резервуаром газотурбинного двигателя (посредством воздушно-масляных сепараторов, не показанных на фиг.1). При этом насосы 34, 34' отведения позволяют направить оставшуюся часть смазочного масла к масляному резервуару 18.

Что касается вторичной камеры 12, то она также содержит в своей нижней части специальный нижний выход 36, обеспечивающий возможность извлечения смеси воздуха с маслом, поступающей в результате смазки подшипника Q1, для направления этой смеси в направлении масляного сепаратора 38. Для этого нижний выход 36 связан с масляным сепаратором 38 при помощи канала 40 отведения. Масляный сепаратор обеспечивает отделение воздуха от масла, причем масло перенаправляется в масляный резервуар 18 газотурбинного двигателя (механизм перенаправления не представлен на фиг.1), а воздух удаляется из этого сепаратора наружу (удаление воздуха представлено на фиг.1 стрелкой F_evacuation).

Теперь со ссылкой на фиг.2 будет описан второй вариант реализации способа и системы смазки в соответствии с предлагаемым изобретением. В этом способе реализации газотурбинный двигатель также содержит две главные камеры 10, 10' и вторичную камеру 12.

Зато этот второй способ реализации отличается от первого способа реализации тем, что канал 24 впрыскивания связывает только одну из главных камер (а именно, в рассматриваемом здесь случае, главную камеру 10') с вторичной камерой 12. Таким образом, подшипник Q1 качения вторичной камеры 12 смазывается только путем впрыскивания масляного тумана, поступающего только из одной из двух главных камер.

Разумеется, канал впрыскивания с таким же успехом может связывать другую главную камеру (а именно, камеру 10) с вторичной камерой 12. Как и для другого способа реализации, никакое впрыскивание смазочного масла посредством сопла впрыскивания (или любого другого эквивалентного устройства) не предусматривается для смазки подшипника Q1 качения во вторичной камере.

Первый выход 26 в верхней части главной камеры 10, не связанный с вторичной камерой 12, связан с масляным сепаратором 38 посредством канала 42 для того, чтобы отделять воздух от масла из масляного тумана, поступающего из этой главной камеры.

И наконец, здесь следует отметить, что насос 20 питания смазочным маслом, насосы 34 отведения и масляный сепаратор 38 в двух этих способах реализации могут быть соединены с блоком приведения в движение вспомогательного оборудования газотурбинного двигателя (не показано) для их приведения в движение при помощи этого блока. Альтернативным образом некоторые из этих вспомогательных устройств, или вся их совокупность, могут иметь электрический привод.

Изобретение относится к способу и к системе смазки, имеющей в своем составе по меньшей мере три различные камеры, каждая из которых заключает в себе по меньшей мере один подшипник качения. Способ состоит в создании избыточного давления в камерах путем вдувания в эти камеры расхода сжатого воздуха через уплотнительные прокладки герметизации, причем в двух так называемых главных камерах создается давление, превышающее давление в оставшейся так называемой вторичной камере, в смазке подшипника качения в главных камерах, в смазке подшипника качения во вторичной камере только путем впрыскивания масляного тумана, поступающего из по меньшей мере одной из главных камер, причем упомянутый масляный туман направляется в результате разности давлений между главными камерами и вторичной камерой, в извлечении оставшейся части смазочного масла, впрыскиваемого в главные камеры, для его направления к масляному резервуару и в направлении воздушно-масляной смеси, поступающей из вторичной камеры, к масляному сепаратору. Технический результат изобретения - повышение эффективности смазки подшипников без использования сложного оборудования. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ смазки газотурбинного двигателя, имеющего в своем составе по меньшей мере три различные камеры (10, 10', 12), каждая из которых заключает в себе по меньшей мере один подшипник (P1, P1, Q1) качения, отличающийся тем, что состоит из этапов, на которых:
- создают избыточное давление в камерах путем вдувания в эти камеры расхода сжатого воздуха через уплотнительные прокладки (14) герметизации, закрывающие упомянутые камеры, причем в двух из камер, так называемых главными камерами (10, 10'), создается более высокое давление, чем в оставшейся, так называемой вторичной камере (12);
- смазывают подшипник (Р1, Р'1) качения в главных камерах путем впрыскивания в эти камеры расхода смазочного масла, поступающего из масляного резервуара (18) газотурбинного двигателя;
- смазывают подшипник (Q1) качения во вторичной камере только путем впрыскивания масляного тумана, поступающего из по меньшей мере одной из главных камер, причем упомянутый масляный туман направляется в результате разности давлений между главными камерами и вторичной камерой;
- извлекают оставшуюся часть смазочного масла, впрыскиваемого в главные камеры, для его направления к масляному резервуару;
- направляют воздушно-масляную смесь, поступающую из вторичной камеры, к масляному сепаратору (38) с целью отделения воздуха от масла.

2. Способ по п.1, в котором подшипник (Q1) качения из вторичной камеры (12) смазывается путем впрыскивания масляного тумана, поступающего из двух главных камер (10, 10').

3. Способ по п.1, в котором подшипник (Q1) качения из вторичной камеры (12) смазывается путем впрыскивания масляного тумана, поступающего только от одной из двух главных камер (10, 10').

4. Система смазки газотурбинного двигателя, имеющая в своем составе:
- по меньшей мере три различные камеры (10, 10', 12), каждая из которых заключает в себе по меньшей мере один подшипник (Р1, Р'1, Q1) качения и каждая из которых закрыта при помощи уплотнительных прокладок (14) герметизации;
- средства, предназначенные для введения расхода сжатого воздуха в камеры через уплотнительные прокладки герметизации для обеспечения избыточного давления этих камер, причем в двух из камер, так называемых главными камерами (10, 10'), создается более высокое давление, чем в оставшейся, так называемой вторичной камере (12);
- средства (16), предназначенные для впрыскивания в подшипники (Р1, Р'1) качения главных камер расхода смазочного масла, поступающего из масляного резервуара (18) газотурбинного двигателя;
- канал (24) впрыскивания, связывающий по меньшей мере одну из главных камер с вторичной камерой для того, чтобы впрыскивать на подшипник качения вторичной камеры масляный туман, поступающий из по меньшей мере одной главной камеры;
- средства (32, 32', 34, 34'), предназначенные для извлечения из нижнего выхода (30, 30') главных камер остатка смазочного масла, впрыскиваемого в эти камеры, и для направления этого смазочного масла к масляному резервуару;
- средства (40), предназначенные для направления смеси воздуха со смазочным маслом, поступающей из нижнего выхода (36) вторичной камеры, к масляному сепаратору (38).

5. Система по п.4, в которой канал (24) впрыскивания связывает две главные камеры (10, 10') с вторичной камерой (12) для того, чтобы впрыскивать на подшипник (Q1) качения во вторичной камере масляный туман, поступающий из двух главных камер.

6. Система по п.4, в которой канал (24) впрыскивания связывает только одну из двух главных камер (10') с вторичной камерой (12) для того, чтобы впрыскивать на подшипник качения во вторичной камере масляный туман, поступающий только из этой главной камеры, причем другая главная камера (10) связана с масляным сепаратором (38) при помощи канала (42).

7. Газотурбинный двигатель, имеющий в своем составе систему смазки в соответствии с любым из пп.4-6.