ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F01D21/04 F01D5/02 F04D29/32 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий входной корпус и компрессор, ротор которого установлен на переднем радиальном роликовом и на заднем шариковом радиально-упорном подшипниках (С.А. Вьюнов, «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», Москва, «Машиностроение», стр.65, рис.3.9).

Недостатком известной конструкции является ее повышенный вес, так как рабочие и спрямляющие лопатки компрессора выполнены стальными.

Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель, содержащий корпус приводов и расположенный за ним компрессор, передние по потоку воздуха спрямляющие и рабочие лопатки которого выполнены титановыми, а задние - стальными, при этом ротор компрессора установлен на переднем радиальном роликовом и заднем радиально-упорном шариковом подшипниках (патент RU №2324063, МПК: F02C 7/06, 7/047).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за лавинообразного разрушения лопаток компрессора и титанового пожара в случае разрушения радиально-упорного подшипника, в результате чего под действием газовых сил ротор компрессора смещается вперед, его передние титановые рабочие лопатки своими входными кромками касаются выходных кромок впереди стоящих титановых направляющих лопаток, что приведет к их взаимному износу и к поломке с большой вероятностью возникновения титанового пожара.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении надежности газотурбинного двигателя путем исключения поломок титановых лопаток компрессора в случае разрушения его радиально-упорного подшипника.

Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинном двигателе, включающем корпус приводов с расположенным за ним ниже по потоку воздуха компрессором с передними по потоку спрямляющими и рабочими титановыми лопатками и с установленным на переднем хвостовике вала компрессора зубчатым колесом привода агрегатов, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, на зубчатом колесе выполнен направленный к корпусу приводов упорный радиальный торец, а на корпусе приводов выполнена ответная торцу опорная радиальная поверхность, причем отношение H/h=1,1…3, где

H - минимальное осевое расстояние между входной кромкой передней рабочей лопатки и выходной кромкой направляющей лопатки компрессора,

h - осевое расстояние между упорным торцом зубчатого колеса и опорной поверхностью корпуса приводов.

К современным газотурбинным двигателям предъявляется требование локализации обломков в случае поломки двигателя, т.е. продукты разрушения должны быть локализованы в пределах проточной части двигателя.

Рабочие и направляющие лопатки первых ступеней компрессора современных газотурбинных двигателей с целью понижения веса выполняются из сплава на основе титана, что может привести к возникновению пожара при поломке радиально-упорного подшипника компрессора и задевании титановых рабочих лопаток о титановые направляющие лопатки.

Выполнение на зубчатом колесе направленного к корпусу приводов упорного радиального торца, а на корпусе приводов - ответной торцу опорной радиальной поверхности позволяет ограничить осевое смещение под действием газовых сил ротора компрессора при поломке радиально-упорного шарикового подшипника, что позволяет исключить соприкосновение титановых рабочих лопаток компрессора первых ступеней о титановые направляющие лопатки, предотвращая тем самым возникновение титанового пожара компрессора.

При H/h<1,1 - снижается надежность газотурбинного двигателя из-за возможности касания титановых рабочих и направляющих лопаток при поломке радиально-упорного подшипника и возникновения титанового пожара.

При H/h>3 - излишне увеличиваются осевые габариты и вес компрессора.

Величина осевого расстояния h между упорным торцом зубчатого колеса и опорной поверхностью корпуса приводов выбирается из условия отсутствия их взаимного касания при работе газотурбинного двигателя при температурных деформациях ротора компрессора относительно статора.

С целью снижения веса направляющие и рабочие лопатки первых ступеней компрессора выполняются из титановых сплавов, однако из-за увеличения температуры воздуха в проточной части компрессора направляющие и рабочие лопатки последующих ступеней выполняются из никелевых сплавов, что исключает возникновение титанового пожара в случае касания этих рабочих и направляющих лопаток.

На фиг.1 изображен продольный разрез газотурбинного двигателя.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Газотурбинный двигатель 1 включает в себя корпус приводов 2 и размещенный ниже по потоку воздуха 3 компрессор 4, ротор 5 которого установлен на переднем радиальном роликовом подшипнике 6 и на заднем радиально-упорном шариковом подшипнике 7. Передние по потоку воздуха 3 спрямляющие 8 и рабочие 9 лопатки компрессора 4 выполнены титановыми, а задние по потоку 3 спрямляющие 10 и рабочие 11 лопатки выполнены стальными. На переднем хвостовике 12 вала 13 ротора 5 установлено ведущее зубчатое колесо 14, находящееся в постоянном зацеплении с ведомой шестерней 15, установленной в корпусе приводов 2 и служащей для привода во вращение агрегатов (на чертеже не показано), установленных на корпусе приводов 2.

На зубчатом колесе 14 выполнен направленный к корпусу приводов 2 упорный торец 16, а на корпусе приводов 2 выполнена ответная торцу 16 опорная поверхность 17 с осевым зазором Н относительно торца 16.

В компрессоре 4 входная кромка 18 одной из титановых рабочих лопаток 19 расположена на минимальном осевом расстоянии h относительно выходной кромки 20 впереди расположенной титановой спрямляющей лопатки 21.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе газотурбинного двигателя 1 между упорным торцом 16 зубчатого колеса 14 и ответной ему опорной поверхностью 17 корпуса приводов 2 сохраняется на всех режимах работы гарантированный осевой зазор H. В случае поломки радиально-упорного шарикоподшипника 7, ротор 5 компрессора 4 под действием газовых сил сдвигается в сторону корпуса приводов 2 до упора торцом 16 зубчатого колеса 14 в опорную поверхность 17 корпуса приводов 2, при этом упорный торец 16 и опорная поверхность 17 работают как упорный подшипник скольжения, предотвращая, таким образом, задевание входными кромками 18 рабочих лопаток 19 о выходные кромки 20 спрямляющих лопаток 21, исключая лавинообразное разрушение лопаток 19 и 21 и титановый пожар, т.е. минимизируя последствия разрушения подшипника 7, что повышает надежность газотурбинного двигателя 1. В дальнейшем газотурбинный двигатель 1 выключается по сигналу, например, «стружка в масле».

Газотурбинный двигатель (1) включает в себя корпус приводов (2) с расположенным за ним ниже по потоку воздуха (3) компрессором (4) с передними по потоку спрямляющими (8) и рабочими (9) титановыми лопатками. На переднем хвостовике (12) вала (13) компрессора установлено зубчатое колесо (14) привода агрегатов. На зубчатом колесе выполнен направленный к корпусу приводов (2) упорный радиальный торец (16), а на корпусе приводов выполнена ответная торцу (16) опорная радиальная поверхность (17). Отношение минимального осевого расстояния H между входной кромкой передней рабочей лопатки и выходной кромкой направляющей лопатки компрессора к осевому расстоянию h между упорным торцом зубчатого колеса и опорной поверхностью корпуса приводов находится в пределах 1,1…3. Путем исключения поломок титановых лопаток компрессора в случае разрушения его радиально-упорного подшипника повышается надежность газотурбинного двигателя. 2 ил.

Газотурбинный двигатель, включающий корпус приводов с расположенным за ним ниже по потоку воздуха компрессором с передними по потоку спрямляющими и рабочими титановыми лопатками и с установленным на переднем хвостовике вала компрессора зубчатым колесом привода агрегатов, отличающийся тем, что на зубчатом колесе выполнен направленный к корпусу приводов упорный радиальный торец, а на корпусе приводов выполнена ответная торцу опорная радиальная поверхность, причем отношение Н/h=1,1…3, где
Н - минимальное осевое расстояние между входной кромкой передней рабочей лопатки и выходной кромкой направляющей лопатки компрессора,
h - осевое расстояние между упорным торцом зубчатого колеса и опорной поверхностью корпуса приводов.