ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F02C3/04 F02C7/06 

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных двигателей, турбокомпрессоров, турбодетандеров.

Известен газотурбинный двигатель, компрессор которого содержит корпус с размещенными в нем несколькими рядами направляющих лопаток, ротор, содержащий обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами рабочих лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку ротора с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники. Для уменьшения осевой силы к передней торцевой стенке ротора турбомашины из полости нагнетания компрессора подведен сжатый воздух. Чтобы уменьшить утечку воздуха из разгрузочной камеры, ее снабжают двумя уплотнениями, размещенными на периферии и у цапфы компрессора (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.2.14).

Недостатком известного устройства является необходимость установки уплотнений на наружной и внутренней поверхностях газовой камеры, через которые происходит утечка рабочего тела ГТД.

Известен также газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена втулка ротора, выполненного с возможностью его газодинамического поддержания, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, снабженного радиально-упорным подшипником (см. RU 2456482, МПК F04D 29/051; F01D 3/04, 2012 г.).

При использовании в транспортных газотурбинных двигателях (ГТД) подшипников с масляной смазкой необходима система смазки подшипников, что усложняет установку, увеличивает затраты на эксплуатацию, затрудняет запуск двигателей при низких температурах. Использование лепестковых газодинамических подшипников (ЛГП) ограничено массой роторов до 10 кг.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности радиального и упорного подшипниковых узлов ГТД, повышение надежности их работы при высоких динамических нагрузках, уменьшение потерь на трение в рабочем режиме, исключение загрязнения рабочего тела турбомашины маслом, повышение механического КПД ГТД.

Результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального и упорного подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение, надежном запуске ГТД при низких температурах, повышении его надежности работы при высоких динамических нагрузках, а также повышении устойчивости ротора к «полускоростному вихрю», повышении механического КПД ГТД.

Поставленная задача решается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена цилиндрическая втулка ротора, выполненный с возможностью его газодинамического поддержания, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, снабженного радиально-упорным подшипником, отличающийся тем, что на цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу турбины, при этом на свободном конце вала последовательно установлены, с упором друг в друга, чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу компрессора, первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, колесо центробежного компрессора и балансировочная шайба, зафиксированные гайкой, при этом каждый радиальный магнитный подшипник реализован по схеме Хальбаха, для чего он включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку, выполненную из немагнитного материала, на внешней цилиндрической поверхности которой равномерно по ее окружности жестко закреплены планки трапециевидного сечения, выполненные из магнитного материала, намагниченные радиально по всей длине, между которыми размещены, контактируя с ними боковыми гранями, постоянные магниты, выполненные в виде планок трапециевидного сечения, которые по всей длине намагничены тангенциально, причем свободная поверхность постоянных магнитов образует цилиндрическую поверхность, обращенную в рабочий зазор радиального магнитного подшипника, кроме того, цилиндрические части первой и второй чашеобразных цапф-пят, составляющих радиальные магнитные подшипники, снабжены бандажом из высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол и размещены в кольцевых пазах соответствующего поперечного сечения, выполненных в проставке, размещенной между корпусами турбины и компрессора, при этом один из кольцевых пазов открыт к компрессору, а другой к турбине, причем между поверхностью кольцевых пазов проставки и цилиндрическими втулками размещены гофрированные втулки с продольными гофрами, выполненные из упругого материала, при этом внутренние поверхности цапфы-пяты покрыты слоем меди и обработаны с высокой чистотой поверхности, причем, упорный магнитный подшипник реализован по схеме Хальбаха, для чего он включает в себя подпятник, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевом корпусе, между дном которого и торцевой поверхностью цапфы-пяты закреплены сектора постоянных магнитов, намагниченных по оси ротора по всей длине, между которыми размещены контактирующие с ними боковыми гранями сектора постоянных магнитов, намагниченных по всей длине во встречном тангенциальном направлении, причем свободные поверхности названных секторов постоянных магнитов образуют плоскую поверхность, обращенную в зазор с торцевой поверхностью цапфы-пяты, кроме того, по меньшей мере, радиальный и упорный магнитные подшипники, размещенные со стороны турбины, выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C, при этом между подпятником и обращенным к нему дном выточки обоих магнитных подшипников установлена упругая шайба, выполненная в виде пластины из упругого материала, деформированной с образованием кольцевых гофров, кроме того, магнитные радиальные и упорные подшипники зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала, кроме того, упорный лепестковый газодинамический подшипник содержит плоский диск и уплотнение компрессора, между которыми размещено дистанционное кольцо, при этом в полости между ними размещены первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, разделенные общей пятой, при этом в зазоре между поверхностью цилиндрической полости проставки и обращенной к ней поверхностью цилиндрической втулки ротора размещен радиальный лепестковый газодинамический подшипник.

Кроме того, гофры упругой шайбы и продольный гофр, размещенные со стороны компрессора, заполнены эластичным материалом, скрепленным с ней.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие, что «на цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу турбины, при этом на свободном конце вала последовательно установлены, с упором друг в друга, чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу компрессора, первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, колесо центробежного компрессора и балансировочная шайба, зафиксированные гайкой», обеспечивают формирование радиальных и упорных магнитных подшипников в дополнение к лепестковым газодинамическим, что позволяет подшипникам воспринимать высокие динамические нагрузки от гироскопического момента при вибрации корпуса ГТД.

Признаки, указывающие, что «каждый радиальный магнитный подшипник реализован по схеме Хальбаха, для чего он включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку, выполненную из немагнитного материала, на внешней цилиндрической поверхности которой равномерно по ее окружности жестко закреплены планки трапециевидного сечения, выполненные из магнитного материала, намагниченные радиально по всей длине, между которыми размещены, контактируя с ними боковыми гранями, постоянные магниты, выполненные в виде планок трапециевидного сечения, которые по всей длине намагничены тангенциально», обеспечивают усиление магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора радиального магнитного подшипника для получения значительных электродинамических сил и возможность использования электродинамической силы для поддержания цапфы, т.е. позволяют дополнительно к газодинамическим силам обеспечить электродинамические силы отталкивания при вращении цапфы без прилипания сегментов постоянных магнитов к цапфе. Это повышает несущую способность и жесткость радиального подшипникового узла.

Признаки, указывающие, что «свободная поверхность постоянных магнитов образует цилиндрическую поверхность, обращенную в рабочий зазор радиального магнитного подшипника», обеспечивают формирование рабочего зазора с поверхностью цапфы, а также обеспечивают гладкую цилиндрическую поверхность магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что «цилиндрические части первой и второй чашеобразных цапф-пят, составляющих радиальные магнитные подшипники, снабжены бандажом из высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол и размещены в кольцевых пазах соответствующего поперечного сечения, выполненных в проставке», повышают прочность цапфы, уменьшают деформации зазора радиальных магнитных подшипников.

Признак, указывающий, что «один из кольцевых пазов открыт к компрессору, а другой к турбине, причем между поверхностью кольцевых пазов проставки и цилиндрическими втулками размещены гофрированные втулки с продольными гофрами, выполненные из упругого материала», обеспечивает необходимую жесткость упругой подложки узла в рабочем состоянии и, соответственно, гашение вынужденных колебаний ротора.

Признак, указывающий, что «при этом внутренние поверхности цапфы-пяты покрыты слоем меди и обработаны с высокой чистотой поверхности», обеспечивает возникновение значительных электродинамических сил, обусловленных взаимодействием вихревых токов, наведенных в цапфе-пяте магнитным полем магнитных планок и секторов постоянных магнитов, с полем этих магнитов, что повышает несущую способность и жесткость радиального и упорного магнитных подшипников.

Признаки, указывающие, что «упорный магнитный подшипник реализован по схеме Хальбаха, для чего он включает в себя подпятник, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевом корпусе, между дном которого и торцевой поверхностью цапфы-пяты закреплены сектора постоянных магнитов», формируют упорный магнитный подшипник и обеспечивают формирование рабочего зазора с поверхностью цапфы, а также обеспечивают гладкую плоскую поверхность упорного магнитного подшипника, обеспечивают усиление магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного магнитного подшипника для получения значительных электродинамических сил отталкивания дополнительно к газодинамическим силам и обеспечить вращение цапфы без прилипания сегментов постоянных магнитов к цапфе. Это повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла.

Признаки, указывающие, что сектора постоянных магнитов намагничены «по оси ротора по всей длине, между которыми размещены контактирующие с ними боковыми гранями сектора постоянных магнитов, намагниченных по всей длине во встречном тангенциальном направлении», обеспечивает усиление магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного магнитного подшипника для получения значительных электродинамических сил.

Признак, указывающий, что «по меньшей мере, радиальный и упорный магнитный подшипники, размещенные со стороны турбины, выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C», предотвращает размагничивание магнитных планок от действия высоких температур со стороны турбины и, тем самым, обеспечивает работоспособность магнитных подшипников во всем рабочем диапазоне температур.

Признак, указывающий, что «между подпятником и обращенным к нему дном выточки обоих магнитных подшипников установлена упругая шайба, выполненная в виде пластины из упругого материала, деформированной с образованием кольцевых гофров», обеспечивает необходимую жесткость упругой подложки магнитного подшипника в рабочем состоянии, а также предотвращает заклинивание упорного магнитного подшипника в рабочем состоянии от неравномерности теплового расширения ротора и проставки.

Признак, указывающий, что «магнитные радиальные и упорные подшипники зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала», препятствует вращению упорных магнитных подшипников под действием тормозных сил.

Признаки, указывающие, что «упорный лепестковый газодинамический подшипник содержит плоский диск и уплотнение компрессора, между которыми размещено дистанционное кольцо, при этом в полости между ними размещены первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, разделенные общей пятой», позволяют воспринимать осевые нагрузки, действующие на ротор при пуске и останове ГТД, гасить вынужденные осевые колебания ротора при работе.

Признак, указывающий, что «в зазоре между поверхностью цилиндрической полости проставки и обращенной к ней поверхностью цилиндрической втулки ротора размещен радиальный газодинамический лепестковый подшипник», позволяет воспринимать радиальные нагрузки, действующие на ротор при пуске и останове ГТД, повышает устойчивость ротора за счет демпфирования лепестками.

Признак, указывающий, что «гофры упругой шайбы, размещенной со стороны компрессора, заполнены эластичным материалом, скрепленным с ней», обеспечивает необходимую жесткость и демпфирование упругой подложки узла в рабочем состоянии, а также гашение колебаний ротора, обусловленных осевыми газодинамическими силами турбины и компрессора за счет рассеивания энергии колебаний резиной или полиуретаном.

На фиг.1 показан продольный разрез ГТД, а на фиг.2, 3 - поперечные разрезы по радиально-упорным магнитным подшипникам. На фиг.4 показано местное сечение по упорному магнитному подшипнику.

На чертежах показаны проставка 1 корпуса ГТД, вал 2, рабочее колесо турбины 3, цилиндрическая втулка 4, колесо центробежного компрессора 5, первая чашеобразная цапфа-пята 6, цапфа-пята 7 второго радиально-упорного магнитного подшипника, первый 8 и второй 9 упорные лепестковые газодинамические подшипники, балансировочная шайба 10, гайка 11, тонкостенные втулки 12, 13, магнитные планки 14, 15 и 16, 17, постоянные магниты 18 и 19, радиальный зазор 20 и 21, бандаж 22 и 23, кольцевые пазы 24 и 25, гофрированные втулки 26 и 27, корпус подпятника 28 и 29, сектора постоянных магнитов 30, 31, 32 и 33, 34, 35, осевые зазоры 36 и 37, упругая шайба 38 и 39, штифты 40 и 41, болты 42 и 43, уплотнение 44, плоский диск 45, дистанционное кольцо 46, пята 47, радиальный газодинамический лепестковый подшипник 48, бурт 49 на втулке 12, бурт 50 на проставке 1, бурт 51 на втулке 13, бурт 52 на проставке 1.

Корпус газотурбинного двигателя содержит проставку 1, размещенную между корпусами турбины и компрессора. В цилиндрической полости проставки 1 установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью. Ротор ГТД включает вал 2, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины 3, (например, сваркой трением), на который насажена цилиндрическая втулка 4 ротора, выполненного с возможностью его газодинамического поддержания, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора 5. Цилиндрическая втулка 4, выполнена из немагнитного материала, например, алюминиевого сплава АК4-1, подвергнутая микродуговому оксидированию с последующей шлифовкой для получения высокой твердости и высокой чистоты поверхности. На цилиндрической втулке 4, со стороны, прилегающей к колесу турбины 3, надета первая чашеобразная цапфа-пята 6 первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу турбины 3. На свободном конце вала 2, последовательно установлены, с упором друг в друга, вторая чашеобразная цапфа-пята 7 второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу компрессора 5, пята 47, колесо центробежного компрессора 5, балансировочная шайба 10, зафиксированные гайкой 11.

Каждый радиальный магнитный подшипник реализован по схеме Хальбаха, для этого он включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку 12 и 13, выполненную из немагнитного материала, например нержавеющей немагнитной стали или титана, на внешней цилиндрической поверхности которой равномерно по ее окружности жестко закреплены планки 14, 15 и 16, 17 трапециевидного сечения, выполненные из магнитного материала (например, из неодим-железо-бор или самарий-кобальт), намагниченные радиально по всей длине, между которыми размещены, контактируя с ними боковыми гранями, постоянные магниты 18 и 19, выполненные в виде планок трапециевидного сечения, которые по всей длине намагничены тангенциально. Свободная поверхность постоянных магнитов 18 и 19 и планок 14, 15 и 16, 17 образует цилиндрическую поверхность, обращенную в радиальный зазор 20 и 21 радиального магнитного подшипника. Цилиндрические части первой 6 и второй 7 чашеобразных цапф-пят, составляющих радиальные магнитные подшипники, снабжены бандажом 22 и 23 из высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол и размещены в кольцевых пазах 24 и 25 соответствующего поперечного сечения, выполненных в проставке 1. Кольцевой паз 25 открыт к центробежному компрессору 5, а кольцевой паз 24 к турбине 3. Между поверхностью кольцевых пазов 24 и 25 проставки 1 и тонкостенными втулками 12 и 13 размещены гофрированные втулки 26 и 27 с продольными гофрами, выполненные из упругого материала. Внутренние поверхности цапфы-пяты 6 и 7 покрыты слоем меди и обработаны с высокой чистотой поверхности.

Каждый упорный магнитный подшипник реализован также по схеме Хальбаха, для этого он содержит корпус подпятника 28 и 29, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевой проточке проставки 1, между дном которой и торцевой поверхностью цапфы-пяты 6 и 7 закреплены сектора постоянных магнитов 31 и 34 намагниченных по оси ротора по всей длине, между которыми размещены контактирующие с ними боковыми гранями сектора постоянных магнитов 30, 32 и 33, 35 намагниченных по всей длине во встречном тангенциальном направлении. Причем свободные поверхности секторов постоянных магнитов 30, 31, 32 и 33, 34, 35 образуют плоскую поверхность, обращенную в осевой зазор 36 и 37 с торцевой поверхностью цапфы-пяты 6 и 7. Радиальный и упорный магнитный подшипники, размещенные со стороны турбины 3, выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C.

Между корпусом подпятника 28 и 29 и, обращенным к нему дном выточки обоих магнитных подшипников, установлена упругая шайба 38 и 39, выполненная в виде пластины из упругого материала, деформированной с образованием кольцевых гофров.

Для предотвращения проворачивания радиальных магнитных подшипников под действием тормозных сил они зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала 2 штифтами 40 и 41. Для предотвращения проворачивания упорных магнитных подшипников под действием тормозных сил вокруг продольной оси вала 2 и их осевого смещения в сторону пяты 6 и 7 при пуске они зафиксированы болтами 42 и 43.

Упорный лепестковый газодинамический подшипник содержит плоский диск 45, размещенный в кольцевой проточке проставки 1 и уплотнение 44 центробежного компрессора 5, между которыми размещено дистанционное кольцо 46, при этом в полости между ними размещены первый 8 и второй 9 упорные лепестковые газодинамические подшипники, разделенные общей пятой 47. В зазоре между поверхностью цилиндрической полости проставки 1 и обращенной к ней поверхностью цилиндрической втулки 4 ротора размещен радиальный газодинамический лепестковый подшипник 48.

Гофры упругой шайбы 39 и продольный гофр 27, размещенные со стороны центробежного компрессора 5, заполнены эластичным материалом, скрепленным с ней.

Изготавливают и собирают радиальный магнитный подшипник следующим образом. На наружной поверхности тонкостенных втулок 12 и 13 устанавливают на клей по разметке равномерно по окружности радиально и тангенциально намагниченные магнитные планки 14,15, постоянные магниты 18 и магнитные планки 16, 17, постоянные магниты 19. В пазы проставки 1 ГТД вставляют собранные комплекты радиальных магнитных подшипников. Между тонкостенной втулкой 12 магнитного подшипника и проставкой 1 вставляют гофрированнуюе втулку 26 до упора в бурт 49 на втулке 12, с одной стороны, и в бурт 50 на проставке 1 с другой стороны. Аналогично между тонкостенной втулкой 13 магнитного подшипника и проставкой 1 вставляют гофрированную втулку 27 до упора в бурт 51 на втулке 13, с одной стороны, и в бурт 52 на проставке 1 с другой стороны.

Упорный магнитный подшипник изготавливают и собирают в следующем порядке. Предварительно изготавливают корпуса подпятников 28 и 29 из немагнитного материала, например алюминиевого сплава АК4-1. В них устанавливают на клей по разметке равномерно по окружности, намагниченные по оси и тангенциально сектора постоянных магнитов 30, 31, 32 и 33, 34, 35 с образованием плоской поверхности. Во внутреннюю цилиндрическую полость проставки 1 устанавливают лепестки радиального ЛГП 48. В проставку 1 вставляют кольцевую упругую шайбу 38 и 39, на нее устанавливают собранный магнитный подпятник и фиксируют его болтом 42 и 43 от проворачивания и осевого смещения в сторону цапфы-пяты.

Чашеобразную цапфу-пяту 6 жестко скрепляют с цилиндрической втулкой 4, например, вакуумно-диффузионной сваркой, подвергают микродуговому оксидированию, шлифуют наружную поверхность втулки 4 и внутреннюю поверхность цапфы-пяты 6, покрывают их слоем меди и обрабатывают с высокой степенью чистоты поверхности.

Чашеобразную цапфу-пяту 7 подвергают микродуговому оксидированию, шлифуют внутреннюю поверхность, покрывают ее слоем меди и обрабатывают с высокой степенью чистоты поверхности. На наружные цилиндрические поверхности цапфы-пяты 6 и 7 наматывают бандажи 22 и 23, пропитывают их твердеющими синтетическими смолами.

На вал 2, приваренный к рабочему колесу турбины 3, устанавливают цилиндрическую втулку 4. С противоположной стороны на вал 2 вплотную к цилиндрической втулке 4 устанавливают последовательно вторую чашеобразную цапфу-пяту 7, пяту 47 упорного ЛГП, колесо центробежного компрессора 5, балансировочную шайбу 10 и затягивают гайкой 11. Ротор подвергают динамической балансировке.

С отбалансированного ротора снимают гайку 11, балансировочную шайбу 10, колесо компрессора 5, пяту 47 упорного ЛГП и втулку 4 в сборе с цапфой-пятой 6. В проставку 1 со стороны турбины 3 вставляют цилиндрическую втулку 4 в сборе с цапфой-пятой 6, контролируя свободное вхождение цилиндрической части цапфы-пяты 6 в паз проставки 1 над магнитными планками 14, 15, постоянными магнитами 18.

Устанавливают теплозащитный экран на винты. Далее во втулку 4 вплотную к ее торцу устанавливают вал 2 с приваренным рабочим колесом турбины 3. На вал 2 надевают цапфу-пяту 7, в проставку 1 устанавливают диск 45 упорного ЛТП 8, упорный ЛГП 8, дистанционное кольцо 46. На вал 2 устанавливают пяту 47 упорного ЛГП, упорный ЛГП 9 и уплотнение 44 центробежного компрессора 5, которое фиксируют, например винтами. Далее на вал 2 вплотную к пяте 47 упорного ЛГП насаживают колесо центробежного компрессора 5 и балансировочную шайбу 10. При установке деталей на вал 2 следят за совпадением балансировочных меток. Комплект деталей, установленных на роторе, затягивают гайкой 11 необходимым моментом. Радиальные магнитные подшипники фиксируют штифтами 40, 41 для предотвращения проворачивания вокруг продольной оси ротора.

Остальные детали собирают согласно технологии сборки ГТД.

Радиально-упорный подшипниковый узел работает следующим образом. При вращении цилиндрической втулки 4 (цапфы радиального ЛГП 48) и пяты 47 упорного ЛГП появляются радиальные и упорные газодинамические реакции газового слоя, и ротор всплывает на газовом смазочном слое. Кроме того, при вращении чашеобразной цапфы-пяты 6 и 7 дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных магнитным полем магнитных планок и постоянных магнитов 14, 18, 15 и 16, 19, 17 в цилиндрических частях цапф 6 и 7 с этим полем. Радиальные составляющие электродинамических сил действуют отталкивающим образом между внутренними цилиндрическими поверхностями цапф-пят 6, 7 и магнитными планками и постоянными магнитами 14, 18, 15 и 16, 19, 17. Эти силы суммируются с силами радиального ЛГП 48, действующими на цилиндрическую втулку 4. Гофрированные втулки 26 и 27 и лепестки радиального ЛГП 48 демпфируют вынужденные и самовозбуждающиеся колебания ротора. Тангенциальные составляющие электродинамических сил оказывают тормозящее воздействие, но они незначительны. С увеличением линейной скорости на поверхности цапф-пят 6, 7 отталкивающие составляющие электродинамических сил увеличиваются, а тормозящие - уменьшаются.

Магнитная и газодинамическая части предлагаемого радиального подшипникового узла автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению цилиндрической втулки 4 и цапф-пят 6 и 7 от соосного положения относительно точки подвижного равновесия цилиндрической втулки 4 и цапф-пят 6 и 7 в подшипниковом узле, поэтому не требуются дополнительные устройства (датчики отклонения и быстродействующие регуляторы).

Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. В результате вращения ротора пята 47 упорного ЛТП 8 и 9 всплывает на газовом смазочном слое. При вращении ротора дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных в торцевых частях чашеобразных цапф-пят 6 и 7 магнитным полем секторов постоянных магнитов 30, 31, 32 и 33, 34, 35 с полем этих постоянных магнитов. Осевые составляющие электродинамических сил действуют отталкивающим образом между цапфами-пятами 6 и 7 и постоянными магнитами 30, 31, 32 и 33, 34, 35, и эти силы суммируются с газовыми силами, действующими на пяту 47. Тангенциальные составляющие электродинамических сил оказывают тормозящее воздействие, но они незначительны. С увеличением линейной скорости на поверхности цапф-пят 6 и 7 отталкивающие составляющие электродинамических сил увеличиваются, а тормозящие - уменьшаются.

При двусторонней симметричной конструкции упорных подшипников магнитная и газодинамическая составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты 47 и пят 6 и 7 от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).

Газотурбинный двигатель содержит корпус, ротор, включающий вал. Один конец вала жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена цилиндрическая втулка ротора, выполненный с возможностью его газодинамического поддержания, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, снабженный упорным подшипником. На цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу турбины. На свободном конце вала последовательно установлены, с упором друг в друга, чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу компрессора, первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники. Каждый радиальный магнитный подшипник реализован по схеме Хальбаха, для чего он включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку, выполненную из немагнитного материала, планки трапециевидного сечения, выполненные из магнитного материала, постоянные магниты, выполненные в виде планок трапециевидного сечения. Упорный магнитный подшипник содержит подпятник, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевом корпусе, между дном которого и торцевой поверхностью цапфы-пяты закреплены сектора постоянных магнитов. Радиальный и упорный магнитный подшипники, размещенные со стороны турбины, выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C. Изобретение обеспечивает высокую несущую способность радиального и упорного подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение, надежном запуске газотурбинного двигателя при низких температурах, повышении его надежности работы при высоких динамических нагрузках, а также повышении устойчивости ротора к «полускоростному вихрю», повышении механического КПД. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена цилиндрическая втулка ротора, выполненный с возможностью его газодинамического поддержания, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, снабженный упорным подшипником, отличающийся тем, что на цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу турбины, при этом на свободном конце вала последовательно установлены, с упором друг в друга, чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу компрессора, первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, колесо центробежного компрессора и балансировочная шайба, зафиксированные гайкой, при этом каждый радиальный магнитный подшипник реализован по схеме Хальбаха, для чего он включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку, выполненную из немагнитного материала, на внешней цилиндрической поверхности которой равномерно по ее окружности жестко закреплены планки трапециевидного сечения, выполненные из магнитного материала, намагниченные радиально по всей длине, между которыми размещены, контактируя с ними боковыми гранями, постоянные магниты, выполненные в виде планок трапециевидного сечения, которые по всей длине намагничены тангенциально, причем свободная поверхность постоянных магнитов образует цилиндрическую поверхность, обращенную в рабочий зазор радиального магнитного подшипника, кроме того, цилиндрические части первой и второй чашеобразных цапф-пят, составляющих радиальные магнитные подшипники, снабжены бандажом из высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол и размещены в кольцевых пазах соответствующего поперечного сечения, выполненных в проставке, размещенной между корпусами турбины и компрессора, при этом один из кольцевых пазов открыт к компрессору, а другой к турбине, причем между поверхностью кольцевых пазов проставки и цилиндрическими втулками размещены гофрированные втулки с продольными гофрами, выполненные из упругого материала, при этом внутренние поверхности цапфы-пяты покрыты слоем меди и обработаны с высокой чистотой поверхности, причем упорный магнитный подшипник содержит подпятник, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевом корпусе, между дном которого и торцевой поверхностью цапфы-пяты закреплены сектора постоянных магнитов, намагниченных по оси ротора по всей длине, между которыми размещены контактирующие с ними боковыми гранями сектора постоянных магнитов, намагниченных по всей длине во встречном тангенциальном направлении, причем свободные поверхности названных секторов постоянных магнитов образуют плоскую поверхность, обращенную в зазор с торцевой поверхностью цапфы-пяты, кроме того, по меньшей мере, радиальный и упорный магнитный подшипники, размещенные со стороны турбины, выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C, при этом между подпятником и обращенным к нему дном выточки обоих магнитных подшипников установлена упругая шайба, выполненная в виде пластины из упругого материала, деформированной с образованием кольцевых гофров, кроме того, магнитные радиальные и упорные подшипники зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала, кроме того, упорный лепестковый газодинамический подшипник содержит проставку и уплотнение компрессора, между которыми размещено дистанционное кольцо, при этом в полости между ними размещены первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, разделенные общей пятой, при этом в зазоре между поверхностью цилиндрической полости проставки и обращенной к ней поверхностью цилиндрической втулки ротора размещен радиальный газодинамический лепестковый подшипник.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что гофры упругой шайбы и продольный гофр, размещенные со стороны компрессора, заполнены эластичным материалом, скрепленным с ней.