Межроторная опора газотурбинного двигателя Российский патент 2017 года по МПК F02C7/06 

Изобретение относится к газотурбинным двухконтурным двигателям авиационного наземного применения, в частности к опорам с расположением подшипника качения между двумя вращающимися роторами высокого и низкого давления. Опора содержит подшипник, систему подвода и отвода масла для обеспечения смазки и отвода тепла. Являясь узлом энергообмена, опора работает в условиях воздействия переменных величин радиальных нагрузок, температуры и количества смазки. Для нормальной работы роликового подшипника основным условием является отвод избыточного количества охлаждающей жидкости (масла) из канала подшипника. Это связано с тем, что между роликом и кольцами в нагруженной зоне подшипника образуются сжатые масляные прослойки (клинья) с большим удельным давлением жидкости, являющимся следствием сопротивления выдавливания масляной пленки при быстром движении ролика. При рассмотрении эпюр результирующих сил, действующих на ролик со стороны масляных клиньев, заменяя распределительную нагрузку по поверхности контактов некоторыми равнодействующими, получаем пару сил, которые стремятся отжать ролик от колец и повернуть его в направлении, противоположном рабочему вращению. Соотношение таково, что сила, действующая со стороны внешнего кольца, больше силы, действующей со стороны внутреннего кольца на величину центробежной силы ролика. Другой действующей силой на ролик является сила, возникающая из-за кавитации масла, при истечении его из области "клина" с повышенным давлением в полость за роликом с давлением равным давлению масляной полости. Фактически реализуется случай истечения жидкости через щель под уровень жидкости. Сужение вытекающей струи и появление вихрей реализуют полости в масле давление ниже давления насыщенных паров - кавитация.

Задача изобретения - создание конструкции опоры, обеспечивающей наиболее оптимальные условия качения роликов путем уменьшения воздействия на них масляных клиньев и увеличение циркуляции масла в полости подшипника.

Наиболее близким прототипом по конструктивному решению опоры является патент RU №2.265742 C1, F02C 7/06, 10.12.2005. В прототипе (фиг. 1) масло подается через два ряда отверстий внутреннего кольца в рабочую полость подшипника. Центровка сепаратора, обычно из цветного металла, произведена по наружному кольцу подшипника.

К недостаткам такой конструкции относится отсутствие мероприятий по снижению воздействия масляных клиньев на ролики. Центровка по наружному кольцу сепаратора из цветного металла за счет разности температурного расширения приводит к большему износу сепаратора, а недостаток смазки в зоне контакта приводит к увеличению температуры.

Для достижения задачи изобретения по улучшению условий работы подшипника предлагаются следующие конструктивные решения: для уменьшения причин возникновения масляного клина в зоне контакта ролика с кольцом на поверхности ролика выполняются спиральные маслоотводящие канавки. Угол наклона выбирается из условий гарантированного охвата канавками поверхности ролика. Поэтому угол подъема канавок относительно оси вращения лежит в диапазоне 15-25°.

Наклон канавок обеспечивает дополнительный проток масла и благоприятное распределение осевого градиента температур колец подшипника.

Центровку сепаратора производить не по наружному, а внутреннему кольцу подшипника. В этом случае по два дополнительных ряда отверстий подается масло в зону контакта, что снижает трение и износ контактирующих поверхностей, а дополнительно для теплосъема в зоне контакта обеспечивается гарантированное течение масла за счет маслоотводящих канавок на внутренней поверхности контакта сепаратора с углом подъема относительно оси вращения также 15-25°. В данном случае угол наклона выбран из условий технологичности их выполнения.

Предлагаемая конструкция подшипника для межвальной опоры представлена на фиг. 2.

Подшипник состоит из наружного 1, внутреннего 2 кольца и сепаратора 3. Внутреннее кольцо имеет два ряда отверстий для подачи основного масла в область качения роликов и два ряда дополнительных отверстий для подачи масла в осевой зазор между внутренним кольцом и сепаратором.

Внутренняя контактная поверхность сепаратора с внутренним кольцом подшипника имеет также спиральные канавки с углом подъема относительно оси вращения 15-25°, что обеспечит принудительный расход масла через осевой зазор в контактной зоне.

При работе двигателя масло из отверстий 4 под действием центробежных сил подается в область качения роликов. Дополнительно масло также под действием центробежных сил через отверстия 5 подается в осевой зазор между внутренним кольцом и сепаратором. Слив масла из полости подшипника производится через специально предназначенные для этого каналы в роторе низкого давления.

Изобретение может быть использовано при изготовлении опор с расположением подшипника между двумя вращающимися роторами, в частности в газотурбинных двигателях авиационного и наземного применения. Подшипник опоры установлен между валами роторов низкого и высокого давлений и состоит из наружного кольца, внутреннего кольца, тел качения и сепаратора, центрированного по наружному кольцу. Внутреннее кольцо выполнено с отверстиями для подачи масла в область качения роликов. Ролики выполнены со спиральными канавками, угол подъема которых относительно оси вращения составляет 15-25°. Направление угла подъема выбрано с учетом распределения осевого градиента температур колец подшипника и обеспечивает наиболее оптимальное условие качения роликов путем уменьшения воздействия на них масляных клиньев. Использованная схема смазки и охлаждения подшипника улучшает его температурное состояние и снижает величину гидродинамических нагрузок на его детали. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Опора двухвального газотурбинного двигателя, содержащая подшипник, установленный между валами роторов низкого и высокого давлений и состоящий из наружного кольца, внутреннего кольца, тел качения и сепаратора, центрированного по наружному кольцу, при этом внутреннее кольцо выполнено с отверстиями для подачи масла в область качения роликов, отличающаяся тем, что ролики выполнены со спиральными канавками, угол подъема которых относительно оси вращения составляет 15-25°, а направление угла подъема выбрано из условия распределения осевого градиента температур колец подшипника, при этом внутреннее кольцо имеет дополнительные маслоподводящие отверстия для подачи масла в область осевого зазора.

2. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительные маслоподводящие отверстия во внутреннем кольце подшипника выполнены в два ряда.

3. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность сепаратора в области центровки с внутренним кольцом подшипника имеет маслоотводящие канавки с углом подъема 15-25°.