ЦАПФА ДЛЯ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ТАКУЮ ЦАПФУ Российский патент 2018 года по МПК F01D25/18 F02C7/28 F02C7/06 

Область техники

Изобретение относится к цапфе для турбины высокого давления и турбореактивному двигателю, включающему в себя такую цапфу.

Предшествующий уровень техники

Двухконтурные турбореактивные двигатели содержат две вращающиеся рабочие части: рабочую часть низкого давления и рабочую часть высокого давления, вращение которых является независимым. Каждая рабочая часть включает в себя компрессор и турбину, приводящую в действие компрессор. Для этой цели каждая рабочая часть также включает в себя вал, соединяющий турбину с компрессором для приведения во вращение компрессора.

Вал турбины низкого давления соединяет компрессор низкого давления и турбину низкого давления. Вал компрессора высокого давления соединяет компрессор высокого давления и турбину высокого давления.

В таком турбореактивном двигателе вал компрессора высокого давления концентрически проходит вокруг вала турбины низкого давления.

Кроме того, вал компрессора высокого давления содержит концевую цапфу, расположенную на уровне входного конца вала (конца, присоединенного к турбине высокого давления). Функция концевой цапфы состоит в поддержке подшипника №4 (no. 4), расположенного между валом компрессора высокого давления и валом турбины низкого давления.

Смазка подшипника обеспечивается посредством циркуляции масла через подшипник. Благодаря центробежному эффекту, создаваемому вращением вала компрессора высокого давления, масло циркулирует через подшипник и выводится вниз по потоку турбореактивного двигателя для последующих циклов использования.

Во время работы такого турбореактивного двигателя отмечается появление выхлопных газов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является уменьшение выброса выхлопных газов, создаваемых при запуске турбореактивного двигателя.

Исследования, проведенные изобретателями, показали, что создание выхлопных газов было вызвано аккумулированием масла в некоторых горячих областях турбореактивного двигателя. Это аккумулирование масла происходит из-за обратного потока масла выше по потоку турбореактивного двигателя, в частности, в тот момент, когда турбореактивный двигатель вращается при низкой скорости.

Эта проблема разрешается в пределах объема изобретения посредством цапфы для турбины высокого давления, выполненной с возможностью установки между валом турбины низкого давления и внутренней поверхностью опоры уплотнения турбины низкого давления, причем цапфа содержит удлинение для сбрасывания капель, расположенное так, что оно проходит обращенным к расширяющемуся участку внутренней поверхности опоры уплотнения таким образом, что когда цапфа приведена во вращение вокруг вала турбины низкого давления, масло, стремящееся проникнуть между цапфой и опорой уплотнения, выбрасывается за счет центробежного эффекта от удлинения для сбрасывания капель в направлении расширяющегося участка внутренней поверхности опоры уплотнения.

Удлинение для сбрасывания капель выбрасывает масло, циркулирующее вдоль цапфы в направлении расширяющегося участка внутренней поверхности опоры уплотнения, перед тем как масло сможет проникнуть между цапфой и опорой уплотнения. Такая конструкция ограничивает какое-либо восходящее течение масла выше по потоку турбореактивного двигателя.

Цапфа может дополнительно иметь следующие особенности:

- цапфа содержит углубление, расположенное на внешней поверхности цапфы, при этом углубление останавливает проникновение масла между цапфой и опорой уплотнения и вызывает отрыв масла в направлении внутренней поверхности опоры уплотнения за счет центробежного эффекта;

- углубление является кольцевой канавкой, расположенной на внешней поверхности цапфы;

- удлинение для сбрасывания капель имеет внешнюю поверхность, наклоненную относительно оси вращения цапфы, способствующую направлению масла в сторону углубления за счет центробежного эффекта, когда цапфа приведена во вращение;

- цапфа содержит ряд радиальных выступов, приспособленных для образования уплотнительного лабиринта между цапфой и опорой уплотнения.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю, содержащему компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, турбину высокого давления и турбину низкого давления, причем турбореактивный двигатель дополнительно включает в себя:

- вал турбины низкого давления, соединяющий компрессор низкого давления и турбину низкого давления,

- вал компрессора высокого давления, проходящий вокруг вала турбины низкого давления и соединяющий компрессор высокого давления с турбиной высокого давления,

при этом турбина низкого давления снабжена опорой уплотнения, имеющей внутреннюю поверхность, содержащую расширяющийся участок, а вал компрессора высокого давления содержит цапфу такую, как раскрыто выше, расположенную между валом турбины низкого давления и внутренней поверхностью опоры уплотнения турбины низкого давления.

Другие особенности и преимущества будут понятны из последующего описания, которое является исключительно поясняющим и неограничивающим, и должно рассматриваться в связи с чертежами.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически в продольном разрезе показан двухконтурный турбореактивный двигатель;

на фиг. 2 схематически показана циркуляция масла для смазывания подшипника №4 в турбореактивном двигателе, содержащем цапфу обычного типа;

на фиг. 3 и 4 схематически поясняется циркуляция масла для смазывания подшипника №4 в турбореактивном двигателе, содержащем цапфу согласно варианту осуществления изобретения.

Варианты осуществления изобретения

Показанный на фиг. 1 турбореактивный двигатель 1 содержит кожух 2, вентилятор 3, рабочую часть 4 низкого давления, рабочую часть 5 высокого давления и камеру 6 сгорания.

Рабочая часть 4 низкого давления содержит компрессор 7 низкого давления, турбину 8 низкого давления и вал 9 турбины низкого давления, соединяющий компрессор 7 низкого давления и турбину 8 низкого давления. Вал 9 турбины низкого давления проходит в соответствии с продольной осью X турбореактивного двигателя 1. Турбина 8 низкого давления способна приводить во вращение компрессор 9 низкого давления через вал 9 турбины низкого давления. Затем вся рабочая часть 4 низкого давления приводится во вращение относительно кожуха 2 вокруг оси X.

Рабочая часть 5 высокого давления содержит компрессор 10 высокого давления, турбину 11 высокого давления и вал 12 компрессора высокого давления, соединяющий компрессор 10 высокого давления и турбину 11 высокого давления. Вал 12 компрессора высокого давления проходит вокруг вала 9 турбины низкого давления концентрически по отношению к этому валу (т.е. центрирован на оси X). Турбина 11 высокого давления способна приводить во вращение компрессор 12 высокого давления через вал 12 компрессора высокого давления. Затем вся рабочая часть 5 высокого давления приводится во вращение относительно кожуха 2 вокруг оси X.

Во время работы рабочая часть 4 низкого давления и рабочая часть 5 высокого давления приводятся во вращение относительно кожуха 2 независимо друг от друга. Таким образом, вал 9 турбины и вал 12 компрессора приводятся во вращение независимо друг от друга вокруг продольной оси X турбореактивного двигателя 1.

Во время работы турбореактивного двигателя 1 воздух 13 всасывается вентилятором 3 и разделяется на первичный воздушный поток 14 и вторичный воздушный поток 15, которые циркулируют от входа до выхода турбореактивного двигателя 1.

Первичный воздушный поток 14 протекает через турбореактивный двигатель 1 от входа до выхода, проходя последовательно через компрессор 7 низкого давления, компрессор 10 высокого давления, камеру 6 сгорания, где он смешивается с топливом, которое должно сжигаться, турбину 11 высокого давления и турбину 8 низкого давления. Прохождение первичного воздушного потока 14 через турбину 11 высокого давления и турбину 8 низкого давления вызывает вращение турбин 11 и 8, которые, в свою очередь, приводят во вращение компрессор 10 высокого давления и компрессор 7 низкого давления, а также вентилятор 3 через вал 9 турбины и вал 12 компрессора.

Валы 9 и 12 поддерживаются и направляются во вращении подшипниками 16, 17, 18 и 19, которые размещены в камерах подшипника, в которых поддерживается избыточное давление.

Поэтому первый подшипник 16 и второй подшипник 17 (соответственно называемые «подшипник №1» и «подшипник №2») расположены между опорой 20 диска компрессора низкого давления и кожухом 2 турбореактивного двигателя.

Третий подшипник 18 (называемый «подшипник №3») расположен на первом конце 21 вала 12 компрессора высокого давления, при этом первый конец 21 присоединен к турбине 10 высокого давления. Третий подшипник 18 расположен между валом 12 компрессора высокого давления и кожухом 2.

Четвертый подшипник 19 (называемый «подшипник №4») расположен на втором конце 22 вала 12 компрессора высокого давления, при этом второй конец 22 присоединен к компрессору 11 высокого давления. Четвертый подшипник 19 расположен между валом 12 компрессора высокого давления и валом 9 турбины низкого давления.

На фиг. 2 показано, что вал 12 компрессора высокого давления содержит концевую цапфу 23 обычного типа на уровне его второго конца 22. Подшипник 19 расположен между валом 9 турбины низкого давления и цапфой 23 вала 12 компрессора высокого давления.

Цапфа 23 присоединена к диску 39 турбины 10 высокого давления посредством прикрепленного болтами фланца 40. Другими словами, цапфа 23 прикреплена во вращении к валу 12 компрессора высокого давления через фланец 40.

Кроме того, внешнее кольцо 28 подшипника 19 зафиксировано на цапфе гайкой 29 (называемой «гайка подшипника №4»), штифтом 30 и пружинным стопорным кольцом 31, удерживаемым в кольцевой канавке 37 цапфы 23.

Узел цапфа 23 + диск 39 + внешнее кольцо 28 + гайка 29 имеет внутреннюю поверхность 24, проходящую таким образом, что она обращена к валу 9 турбины низкого давления.

Внутренняя поверхность 24 расширяется в направлении вниз по потоку турбореактивного двигателя 1, для того чтобы направлять масло H1, циркулирующее вдоль внутренней поверхности 24, в направлении вниз по потоку турбореактивного двигателя за счет центробежного эффекта, когда вал 12 компрессора высокого давления приведен во вращение. Масло H1 для смазывания подшипника 19 в этом случае выводится в направлении камеры подшипника для повторного использования.

Кроме того, цапфа 23 имеет внешнюю поверхность 25, проходящую таким образом, что она обращена к внутренней поверхности 34 опоры 26 уплотнения турбины 8 низкого давления.

Внешняя поверхность 25 цапфы 23 содержит ряд радиальных выступов 27, образующих уплотнительный лабиринт между цапфой 23 и опорой 26 уплотнения турбины 8 низкого давления.

Кроме того, в пространство между внешней поверхностью 25 цапфы и внутренней поверхностью 34 опоры уплотнения вводится воздух для сохранения в камере подшипника 19 избыточного давления.

Опора 26 уплотнения турбины 8 низкого давления также имеет внутреннюю поверхность 34, содержащую участок 33, расширяющийся в направлении вниз по потоку турбореактивного двигателя 1, для того чтобы направлять масло H1, циркулирующее вдоль внутренней поверхности 34, ниже по потоку турбореактивного двигателя за счет центробежного эффекта.

Как показано на фиг. 2 и как ранее отмечалось, когда вал 12 компрессора высокого давления приведен во вращение вокруг оси X, масло Н2 может проникать между цапфой 23 и опорой 26 уплотнения за счет того, что оно поднимается вдоль нижней по потоку части опоры 26 уплотнения турбореактивного двигателя 1. Затем масло Н2 может просачиваться в горячие части турбореактивного двигателя 1 и вызывать появление нежелательных выхлопных газов. Это явление было отмечено, в частности, когда турбореактивный двигатель 1 работает на низкой скорости, а центробежный эффект является недостаточным для противодействия проникновению масла Н2 между цапфой 23 и опорой 26 уплотнения.

На фиг. 3 и 4 вал 12 компрессора высокого давления содержит концевую цапфу 23 в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Подшипник 19 расположен между валом 9 турбины низкого давления и цапфой 23 вала 12 компрессора высокого давления.

Цапфа 23, показанная на фиг. 3 и 4, отличается от цапфы 23, показанной на фиг. 2, тем, что она содержит удлинение 32 для сбрасывания капель, проходящее таким образом, что оно обращено к расширяющемуся участку 33 внутренней поверхности 34 опоры 26 уплотнения.

Удлинение 32 для сбрасывания капель проходит за пределы кольцевой канавки 37, расположенной в цапфе 23 и предназначенной для приема пружинного стопорного кольца 31.

Таким образом, когда цапфа 23 приведена во вращение вокруг вала 9 турбины низкого давления, масло Н2, которое стремится проникнуть между внешней поверхностью 25 цапфы 23 и внутренней поверхностью 34 опоры 26 уплотнения, выталкивается за счет центробежного эффекта от удлинения 32 для сбрасывания капель в направлении расширяющегося участка 33 внутренней поверхности 34 опоры 26 уплотнения.

Затем масло Н2 направляется за счет центробежного эффекта вдоль внутренней поверхности 33 опоры уплотнения ниже по потоку турбореактивного двигателя 1 для повторного использования.

Кроме того, цапфа 23 содержит углубление 38, расположенное на внешней поверхности 25 цапфы и выполненное в виде кольцевой канавки.

Кольцевая канавка 38 останавливает проникновение масла Н2 между внешней поверхностью 25 цапфы 23 и внутренней поверхностью 34 опоры 26 уплотнения посредством того, что вызывается отрыв масла в направлении расширяющегося участка 33 внутренней поверхности 34 опоры 26 уплотнения за счет центробежного эффекта.

Кроме того, удлинение 32 для сбрасывания капель имеет внешнюю поверхность 35, наклоненную относительно оси X вращения вала 12 компрессора высокого давления. Наклон внешней поверхности 35 является таким, что эта внешняя поверхность 35 стремится направлять масло Н2 в сторону углубления 38 за счет центробежного эффекта, когда цапфа 23 приведена во вращение.

В заключение, цапфа 23 содержит ряд радиальных выступов 27, образующих уплотнительный лабиринт между внешней поверхностью 25 цапфы 23 и внутренней поверхностью 34 опоры 26 уплотнения.

Цапфа для турбины высокого давления выполнена с возможностью установки между валом турбины низкого давления и внутренней поверхностью опоры уплотнения турбины низкого давления и содержит удлинение для сбрасывания капель и углубление. Удлинение для сбрасывания капель расположено так, что оно проходит обращенным к расширяющемуся участку внутренней поверхности опоры уплотнения таким образом, что когда цапфа приведена во вращение вокруг вала турбины низкого давления, масло, стремящееся проникнуть между цапфой и опорой уплотнения, выбрасывается за счет центробежного эффекта от удлинения для сбрасывания капель в направлении расширяющегося участка внутренней поверхности опоры уплотнения. Углубление расположено на внешней поверхности цапфы, выполнено с возможностью останавливать проникновение масла между цапфой и опорой уплотнения и вызывает отрыв масла в направлении внутренней поверхности опоры уплотнения за счет центробежного эффекта. Удлинение для сбрасывания капель имеет внешнюю поверхность, наклоненную относительно оси вращения цапфы, способствующую направлению масла в сторону углубления за счет центробежного эффекта, когда цапфа приведена во вращение. Другое изобретение группы относится к турбореактивному двигателю, в котором турбина высокого давления содержит указанную выше цапфу. Группа изобретений позволяет исключить течение масла выше по потоку от турбины высокого давления турбореактивного двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Цапфа (23) для турбины (11) высокого давления, выполненная с возможностью установки между валом (9) турбины низкого давления и внутренней поверхностью (34) опоры (26) уплотнения турбины (8) низкого давления, содержащая удлинение (32) для сбрасывания капель, расположенное так, что оно проходит обращенным к расширяющемуся участку (33) внутренней поверхности (34) опоры (26) уплотнения таким образом, что когда цапфа (23) приведена во вращение вокруг вала (9) турбины низкого давления, масло (Н2), стремящееся проникнуть между цапфой (23) и опорой (26) уплотнения, выбрасывается за счет центробежного эффекта от удлинения (32) для сбрасывания капель в направлении расширяющегося участка (33) внутренней поверхности (34) опоры (26) уплотнения, цапфа дополнительно содержит углубление (38), расположенное на внешней поверхности (25) цапфы (23), при этом углубление (38) останавливает проникновение масла (Н2) между цапфой (23) и опорой (26) уплотнения и вызывает отрыв масла (Н2) в направлении внутренней поверхности (34) опоры (26) уплотнения за счет центробежного эффекта, причем удлинение (32) для сбрасывания капель имеет внешнюю поверхность (35), наклоненную относительно оси (X) вращения цапфы (23), способствующую направлению масла (Н2) в сторону углубления (38) за счет центробежного эффекта, когда цапфа (23) приведена во вращение.

2. Цапфа по п. 1, в которой углубление (38) является кольцевой канавкой, расположенной на внешней поверхности (25) цапфы (23).

3. Цапфа по одному из предыдущих пунктов, содержащая ряд радиальных выступов (27), приспособленных для образования уплотнительного лабиринта между цапфой (23) и опорой (26) уплотнения.

4. Турбореактивный двигатель (1), содержащий компрессор (7) низкого давления, компрессор (10) высокого давления, турбину (11) высокого давления и турбину (8) низкого давления, причем турбореактивный двигатель (1) дополнительно включает в себя:

- вал (9) турбины низкого давления, соединяющий компрессор (7) низкого давления и турбину (8) низкого давления,

- вал (12) компрессора высокого давления, проходящий вокруг вала (9) турбины низкого давления и соединяющий компрессор (10) высокого давления с турбиной (11) высокого давления,

при этом турбина (8) низкого давления снабжена опорой (26) уплотнения, имеющей внутреннюю поверхность (34), содержащую расширяющийся участок (33), а турбина (11) высокого давления содержит цапфу (23) по одному из пп. 1-3, расположенную между валом (9) турбины низкого давления и внутренней поверхностью (34) опоры (26) уплотнения турбины (9) низкого давления.