ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СПОСОБ ЕГО ЧАСТИЧНОЙ РАЗБОРКИ И СПОСОБ ПОДДЕРЖИВАНИЯ ЕГО ПЕРВОГО РОТОРА Российский патент 2018 года по МПК F01D25/16 F01D25/28 

Область техники

Изобретение относится к газотурбинному двигателю и, в частности, к его несущей (опорной) конструкции.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели обычно содержат один или более роторных валов, которые передают мощность и вращательное движение от турбинной секции к компрессорной и вентиляторной секциям. Роторные валы имеют опоры, установленные в стационарной несущей конструкции, обычно состоящей из модулей в виде индивидуальных секций, которые соединяются посредством болтов, проводимых через соответствующие фланцы. Фланцевые соединения способны выдерживать различные нагрузки, передаваемые через стационарную конструкцию двигателя. При этом важной характеристикой газотурбинных двигателей являются легкость и скорость их обслуживания.

Раскрытие изобретения

Газотурбинный двигатель согласно изобретению сконфигурирован имеющим пропульсивную секцию, снабженную приводом вентилятора на основе узла зубчатой передачи. Двигатель имеет также газогенераторную секцию, которая содержит секцию компрессора, снабженную первым ротором, установленным, с возможностью вращения, на первом валу, и подшипниковый блок, поддерживающий, с возможностью вращения, первый вал. Подшипниковый блок поддерживает первый вал в период (1), предшествующий установке в двигатель узла зубчатой передачи, входящей в привод вентилятора, и/или в период (2), когда указанный узел зубчатой передачи извлечен из двигателя.

В неограничивающем варианте газотурбинного двигателя первый вал является низкоскоростным валом двигателя.

В другом варианте привод вентилятора на основе узла зубчатой передачи выполнен с возможностью приводить вентилятор во вращение со скоростью, отличной от скорости низкоскоростного вала.

В одном неограничивающем варианте газотурбинного двигателя положение опоры переднего центрального узла задано относительно продольной оси двигателя.

В следующем неограничивающем варианте подшипниковый блок установлен на опоре переднего центрального узла и на низкоскоростном валу.

В другом варианте газотурбинный двигатель дополнительно содержит стационарную часть.

Еще в одном неограничивающем варианте газотурбинного двигателя, совместимом с предыдущим вариантом, подшипниковый блок способен поддерживать, с возможностью его вращения, первый вал относительно стационарной части.

В другом своем аспекте изобретение охватывает способ поддерживания первого ротора газотурбинного двигателя, выполненного с возможностью иметь пропульсивную секцию, снабженную приводом вентилятора на основе узла зубчатой передачи, и содержащего газогенераторную секцию, которая содержит секцию компрессора, например, содержащую компрессор низкого давления и снабженную первым ротором, установленным, с возможностью вращения, на первом валу, стационарную часть двигателя и подшипниковый блок, выполненный с возможностью поддерживать, с возможностью его вращения, первый вал относительно стационарной части. Способ по изобретению включает поддерживание первого ротора подшипниковым блоком в период (1), предшествующий установке в двигатель узла зубчатой передачи, входящей в привод вентилятора, и/или в период (2), когда указанный узел зубчатой передачи извлечен из двигателя.

В одном неограничивающем варианте способа подшипниковый блок способен поддерживать первый ротор газотурбинного двигателя в период (1), предшествующий установке в двигатель узла зубчатой передачи, входящей в привод вентилятора, и в период (2), когда указанный узел зубчатой передачи извлечен из двигателя.

В другом варианте способ обеспечивает поддерживание первого ротора подшипниковым блоком в газотурбинном двигателе, в котором привод вентилятора на основе узла зубчатой передачи содержит редуктор.

В следующем варианте способ обеспечивает поддерживание подшипниковым блоком низкоскоростного ротора двигателя.

Еще в одном варианте способ по изобретению дополнительно включает проведение обслуживания узла зубчатой передачи после ее извлечения из двигателя.

Еще в одном своем аспекте изобретение охватывает способ частичной разборки газотурбинного двигателя, имеющего пропульсивную секцию, снабженную приводом вентилятора на основе узла зубчатой передачи, газогенераторную секцию, которая содержит секцию компрессора, например, содержащую компрессор низкого давления и снабженную первым ротором, установленным, с возможностью вращения, на первом валу, стационарную часть двигателя и подшипниковый блок, поддерживающий первый вал с возможностью его вращения относительно стационарной части. При этом способ включает снятие пропульсивной секции без дополнительной поддержки первого ротора, поддерживаемого подшипниковым блоком, установленным внутри двигателя.

В одном неограничивающем варианте данный способ обеспечивает частичную разборку газотурбинного двигателя, в котором подшипниковый блок установлен в подшипниковом отсеке двигателя.

В другом неограничивающем варианте данный способ обеспечивает частичную разборку газотурбинного двигателя, в котором узел зубчатой передачи содержит редуктор и/или первый ротор является низкоскоростным ротором двигателя.

Один неограничивающий вариант способа включает проведение обслуживания узла зубчатой передачи после ее извлечения из двигателя.

В следующем неограничивающем варианте способ по изобретению обеспечивает частичную разборку газотурбинного двигателя, в котором подшипниковый блок выполнен с возможностью поддерживать, с возможностью его вращения, первый вал относительно стационарной части.

Краткое описание чертежей

Особенности и свойства изобретения станут понятны специалистам из нижеследующего подробного описания неограничивающих вариантов изобретения, которые поясняются прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 схематично, частично в продольном сечении показан газотурбинный двигатель.

На фиг. 2 в продольном сечении, в увеличенном масштабе показан передний центральный узел газотурбинного двигателя по фиг. 1.

На фиг. 3 в продольном сечении, в еще более увеличенном масштабе показан узел зубчатой передачи газотурбинного двигателя.

На фиг. 4 показаны, в перспективном изображении, компоненты переднего центрального узла.

На фиг. 5 в перспективном изображении, в продольном разрезе показана опора переднего центрального узла.

На фиг. 6 опора переднего центрального узла показана на частичном виде, в продольном сечении.

На фиг. 7 опора переднего центрального узла показана в продольном сечении, с пространственным разделением компонентов.

На фиг. 8 схематично иллюстрируется извлечение редуктора из газотурбинного двигателя.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематично показан газотурбинный двигатель 20. В представленном варианте он является двухвальным турбовентиляторным двигателем, имеющим пропульсивную секцию, которая содержит вентиляторную секцию 22, и газогенераторную секцию, которая содержит секцию 24 компрессора, секцию 26 камеры сгорания и турбинную секцию 28. Альтернативные варианты двигателя могут содержать также, в числе других систем и устройств, форсажную секцию (не изображена). Вентиляторная секция 22 направляет воздух во внешний контур, тогда как секция 24 компрессора нагнетает воздух во внутренний (осевой) контур, чтобы сжать его и подать в секцию 26 камеры сгорания, после чего происходит расширение газа в турбинной секции 28. Хотя в данном варианте газотурбинный двигатель является турбовентиляторным, должно быть понятно, что предлагаемые решения применимы не только в турбовентиляторных двигателях, а могут использоваться и в турбинных двигателях других типов.

Двигатель 20 содержит низкоскоростной вал 30 и высокоскоростной вал 32, установленные в подшипниковых узлах 38 с возможностью вращения относительно стационарной (статической) части 36 двигателя вокруг его центральной продольной оси А. Низкоскоростной вал 30 выполнен на основе внутреннего вала 40, который связывает вентилятор 42, компрессор 44 низкого давления и турбину 46 низкого давления. Чтобы приводить вентилятор 42 во вращение со скоростью, меньшей скорости низкоскоростного вала 30, внутренний вал 40 связан с вентилятором 42 посредством узла 48 зубчатой передачи. В дальнейшем описании узел зубчатой передачи рассматривается как часть пропульсивной секции. Высокоскоростной вал 32 выполнен на основе наружного вала 50, который связывает компрессор 52 высокого давления и турбину 54 высокого давления. Камера 56 сгорания расположена между компрессором 52 высокого давления и турбиной 54 высокого давления. Внутренний вал 40 и наружный вал 50 являются соосными, причем они вращаются вокруг центральной продольной оси А двигателя, совпадающей с их продольными осями.

Воздух в осевом контуре подвергается сжатию компрессором 44 низкого давления, а затем компрессором 52 высокого давления, смешивается с топливом и сгорает вместе с ним в камере 56 сгорания. Затем продукты горения расширяются в турбине 54 высокого давления и в турбине 46 низкого давления, в результате чего турбины 46, 54 приводят во вращение низкоскоростной вал 30 и высокоскоростной вал 32 соответственно.

Главные валы 40, 50 двигателя поддерживаются в нескольких точках подшипниковыми узлами 38, установленными в стационарной части 36 двигателя. В одном неограничивающем варианте подшипниковой системы подшипниковый узел 38А одного из подшипников (подшипника №2) установлен в секции 24 компрессора.

Как показано на фиг. 2, стационарная часть 36 двигателя вблизи секции 24 компрессора имеет передний центральный узел 60, примыкающий к узлу 38А подшипника №2. Данный узел 60 содержит опору 62. Подшипниковый узел 38А подшипника №2 содержит блок 64 уплотнения, подшипниковый блок 66, гибкую опору 68 и центрирующую пружину 70.

Как показано на фиг. 2 и 3, гибкая опора 68 обеспечивает гибкое (нежесткое) закрепление узла 48 зубчатой передачи, находящегося внутри опоры 62 переднего центрального узла (показанного также на фиг. 4). Гибкая опора 68 реагирует на торсионные нагрузки со стороны узла 48 зубчатой передачи и, в дополнение к обычным функциям опоры, облегчает поглощение вибраций. Центрирующая пружина 70 (также проиллюстрированная на фиг. 4) является, по существу, цилиндрическим конструктивным элементом в форме клетки с множеством продольных стержней, расположенных между концевыми фланцами. Центрирующая пружина 70 упруго позиционирует подшипниковый блок 66 относительно низкоскоростного вала 30. В одном варианте стержни пружины выполнены с двойной конусностью и расположены по окружности для возможности настройки радиальной жесткости пружины, которая может задаваться с учетом многих факторов, включая (не ограничиваясь ими) такие факторы, как нагрузка на подшипник, срок службы подшипника, динамические характеристики ротора и допустимые смещения ротора.

Опора 62 переднего центрального узла включает переднюю центральную секцию 72 и подшипниковую секцию 74, коаксиальные продольной оси. Между этими секциями находится промежуточная секция 76 в форме усеченного конуса (см. фиг. 5). Передняя центральная секция 72 по меньшей мере частично определяет осевой контур в компрессоре 44 низкого давления. Более конкретно, эта секция 72 образует кольцевой канал для осевого потока, в котором находятся направляющие лопатки 72А, 72В переднего центрального узла. Подшипниковая секция 74 смещена радиально внутрь относительно передней центральной секции 72. В подшипниковой секции 74 находятся подшипниковый блок 66 и блок 64 уплотнения относительно низкоскоростного вала 30. Промежуточная секция 76 в форме усеченного конуса соединяет переднюю центральную секцию 72 и подшипниковую секцию 74 с образованием единой конструкции для восприятия нагрузки от подшипникового блока 66 до наружной периферии стационарной части 36 двигателя, по существу, не имеющей изломов или выступов, типичных для обычных фланцевых соединений. Эту промежуточную секцию можно выполнить со сварным швом W (см. фиг. 5) или, альтернативно, цельной, так что вся опора 62 переднего центрального узла будет цельным компонентом.

Выполнение промежуточной секции 76, как цельной детали в форме усеченного конуса, облегчает получение конструкции с малым весом и уменьшенным количеством деталей при улучшенной способности настройки ее общей жесткости и обеспечении соответствия динамическим требованиям со стороны ротора. Данная конструкция позволяет, кроме того, интегрировать такие функции, как подача масла и воздуха в подшипниковый отсек, окружающий подшипниковый блок 66.

Как показано на фиг. 6, опора 62 переднего центрального узла снабжена монтажными средствами для приема гибкой опоры 68. В одном неограничивающем варианте эти средства, имеющиеся на опоре 62 переднего центрального узла, включают шлиц 78 и обращенный внутрь крепежный выступ 80 на передней центральной секции 72. У гибкой опоры 68 имеются также соответствующий наружный выступ 82 и обращенный радиально наружу крепежный фланец 84. Гибкая опора 68 вводится в опору 62 переднего центрального узла в зоне шлицевого соединения 86, образованного шлицем 78 и выступом 82, и фиксируется в этом положении так, что крепежный фланец 84 упирается в крепежный выступ 80. В крепежный фланец 84 и в крепежный выступ 80 вводятся крепежные элементы 88, например болты, чтобы закрепить гибкую опору 68 на опоре 62 переднего центрального узла.

Как показано на фиг. 7, крепежные элементы 88 ориентированы своими головками вперед, чтобы обеспечить доступ к ним с передней стороны переднего центрального узла 60, противоположной по отношению к подшипниковому блоку 66 подшипникового узла 38А. Благодаря такому расположению крепежные элементы 88 легко удаляются для получения доступа к редуктору 90 узла 48 зубчатой передачи.

К передней части опоры 62 переднего центрального узла позади вентилятора 42 прикреплена передняя стенка 102 таким образом, чтобы обеспечить доступ к узлу 48 зубчатой передачи со стороны передней части двигателя 20. У передней стенки 102 имеется фланец 103, прикрепляемый к фланцу 61 опоры 62 переднего центрального узла посредством крепежных элементов 105, которые в одном неограничивающем варианте являются болтами. Передняя стенка 102 и опора 62 переднего центрального узла ограничивают подшипниковый отсек 100 (показанный также на фиг. 2), который связан с подшипниковым блоком 66. Передняя стенка 102 является съемной, что позволяет получить доступ к модулю редуктора 90. Возможность доступа к редуктору 90 может облегчить быстрое обслуживание двигателя в полете.

Должно быть понятно, что передняя стенка 102 может быть связана с различными опорными конструкциями 104 (схематично показанными и на фиг. 2) и уплотнениями 106 (схематично показанными и на фиг. 2), чтобы ограничить зону, доступную для масла, и обеспечить возможность вращения выходного вала 108. Выходной вал 108, связанный с узлом 48 зубчатой передачи, приводит во вращение вентилятор 42. Лопасти 42 В вентилятора отходят от диска 110 вентилятора, закрепленного на выходном валу 108 для совместного вращения с ним. Должно быть понятно, что опорные конструкции 104 и уплотнения 106 в рассматриваемом неограничивающем варианте могут быть извлечены заодно с передней стенкой 102 после того, как будет снят диск 110 вентилятора.

Редуктор 90 приводится в действие низкоскоростным валом 30 (фиг. 1) через соединительный вал 112, который передает вращательный момент редуктору 90 через подшипниковый блок 66. Наличие этого вала способствует также разделению по вибрациям и другим кратковременным процессам. У соединительного вала 112 имеются передняя часть 114 и задняя часть 116, которая отходит от подшипникового блока 66. На передней части 114 соединительного вала выполнен выступ 118, который сопрягается со шлицем 120, выполненным на задней части 116 соединительного вала. Посредством выступа 122, имеющегося на задней части 116 соединительного вала, этот вал соединен с низкоскоростным валом 30. В данном варианте это соединение осуществляется сопряжением указанного выступа с соответствующим шлицем 124, выполненном на диске 126 компрессора 44 низкого давления.

Чтобы снять редуктор 90, отсоединяют диск 110 вентилятора от выходного вала 108. Затем удаляют крепежные элементы 105, отсоединяя переднюю стенку 102 от опоры 62 переднего центрального узла. После этого удаляют крепежные элементы 88 с передней стороны двигателя 20 и выдвигают узел 48 зубчатой передачи из опоры 62 переднего центрального узла вперед, так что выступ 118 выходит из шлица 120, а наружный выступ 82 из внутреннего шлица 78. В результате узел 48 зубчатой передачи может быть извлечен из двигателя 20, как единый модуль (это схематично проиллюстрировано на фиг. 8). Должно быть понятно, что для извлечения узла 48 зубчатой передачи из двигателя 20 может оказаться необходимой и разборка каких-то других компонентов, однако, такая разборка относительно проста и не требует рассмотрения в контексте изобретения. Должно быть также понятно, что после описанных операций можно легко удалить с передней стороны двигателя и другие компоненты, такие как подшипниковый блок 66 и блок 64 уплотнения.

Описанный порядок снятия редуктора 90 (в составе узла зубчатой передачи) с передней стороны двигателя 20 дает значительную экономию времени и затрат. Узел 48 зубчатой передачи извлекается из двигателя 20, как единый модуль, так что его дальнейшая разборка не требуется. Кроме того, хотя узел 48 зубчатой передачи должен быть извлечен из двигателя, чтобы получить доступ к подшипниковому блоку 66 и к блоку 64 уплотнения, его удаления не требуется, если нужно получить доступ собственно к осевому каналу двигателя. Из данного описания должно быть понятно, что в случае, когда часть узла 48 зубчатой передачи сама требует обслуживания, подшипниковый блок 66 может оставаться на своем месте, чтобы поддерживать низкоскоростной вал 30 и, соответственно, низкоскоростной ротор газотурбинного двигателя 20, пока узел 48 зубчатой передачи будет удален для его обслуживания.

Должно быть понятно, что идентичные или сходные элементы имеют одни и те же обозначения на всех чертежах. Должно быть также понятно, что, хотя в описанном варианте представлено определенное взаимное расположение компонентов, в рамках изобретения возможны и другие их расположения.

Хотя был проиллюстрирован, описан и отражен в формуле изобретения определенный порядок операций, должно быть понятно, что, если не оговорено обратное, данные операции могут выполняться, без выхода за границы изобретения, в любом порядке, как раздельно, так и в комбинации с другими операциями.

Хотя были описаны и представлены на чертежах конкретные компоненты, варианты изобретения не ограничиваются этими компонентами и их комбинациями. Возможны и другие комбинации этих компонентов или перенос признаков от одних компонентов к другим.

Соответственно, приведенное описание имеет иллюстративный, а не ограничительный характер. Специалисту в соответствующей области будет очевидно, что в описанные неограничивающие примеры могут быть внесены различные модификации и вариации, не выходящие за пределы изобретения, определяемые прилагаемой формулой. С учетом возможных вариантов осуществления изобретения, его истинный объем может быть определен только в результате анализа прилагаемой формулы.

Изобретение относится к газотурбинному двигателю и, в частности, к его несущей (опорной) конструкции. Газотурбинный двигатель сконфигурирован имеющим пропульсивную секцию, снабженную приводом вентилятора на основе узла зубчатой передачи, а также содержит газогенераторную секцию, которая содержит секцию компрессора, снабженную первым ротором, установленным, с возможностью вращения, на первом валу. Двигатель содержит также подшипниковый блок, поддерживающий, с возможностью вращения, первый вал. При этом подшипниковый блок поддерживает первый вал в период, предшествующий установке в двигатель узла зубчатой передачи, входящей в привод вентилятора, и/или в период, когда указанный узел зубчатой передачи извлечен из двигателя. Также представлены способ частичной разборки газотурбинного двигателя и способ поддерживания его первого ротора. Изобретение позволяет облегчить быстрое обслуживание газотурбинного двигателя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Газотурбинный двигатель, сконфигурированный имеющим пропульсивную секцию, снабженную приводом вентилятора на основе узла зубчатой передачи, и содержащий:

газогенераторную секцию, которая содержит секцию компрессора, снабженную первым ротором, установленным, с возможностью вращения, на первом валу, и

подшипниковый блок, поддерживающий, с возможностью вращения, первый вал,

при этом подшипниковый блок поддерживает первый вал в период (1), предшествующий установке в двигатель узла зубчатой передачи, входящей в привод вентилятора, и/или в период (2), когда указанный узел зубчатой передачи извлечен из двигателя.

2. Двигатель по п. 1, в котором первый вал является низкоскоростным валом двигателя.

3. Двигатель по п. 2, в котором привод вентилятора на основе узла зубчатой передачи выполнен с возможностью приводить вентилятор во вращение со скоростью, отличной от скорости низкоскоростного вала.

4. Двигатель по п. 2, содержащий опору переднего центрального узла, положение которой задано относительно продольной оси двигателя.

5. Двигатель по п. 4, в котором подшипниковый блок установлен на опоре переднего центрального узла и на низкоскоростном валу.

6. Двигатель по п. 1, дополнительно содержащий стационарную часть.

7. Двигатель по п. 6, в котором подшипниковый блок выполнен способным поддерживать, с возможностью его вращения, первый вал относительно стационарной части.

8. Способ поддерживания первого ротора газотурбинного двигателя, выполненного с возможностью иметь пропульсивную секцию, снабженную приводом вентилятора на основе узла зубчатой передачи, и содержащего газогенераторную секцию, которая содержит секцию компрессора, снабженную первым ротором, установленным, с возможностью вращения, на первом валу, стационарную часть двигателя и подшипниковый блок, выполненный с возможностью поддерживать первый вал с возможностью его вращения относительно стационарной части,

при этом способ включает поддерживание первого ротора подшипниковым блоком в период (1), предшествующий установке в двигатель узла зубчатой передачи, входящей в привод вентилятора, и/или в период (2), когда указанный узел зубчатой передачи извлечен из двигателя.

9. Способ по п. 8, согласно которому секция компрессора содержит компрессор низкого давления.

10. Способ по п. 8, в котором подшипниковый блок поддерживает первый ротор в период (1), предшествующий установке в двигатель узла зубчатой передачи, входящей в привод вентилятора, и в период (2), когда указанный узел зубчатой передачи извлечен из двигателя.

11. Способ по п. 8, согласно которому привод вентилятора на основе узла зубчатой передачи содержит редуктор.

12. Способ по п. 8, в котором подшипниковый блок поддерживает низкоскоростной ротор двигателя.

13. Способ по п. 8, дополнительно включающий проведение обслуживания узла зубчатой передачи после ее извлечения из двигателя.

14. Способ частичной разборки газотурбинного двигателя, имеющего пропульсивную секцию, снабженную приводом вентилятора на основе узла зубчатой передачи, газогенераторную секцию, которая содержит секцию компрессора, снабженную первым ротором, установленным, с возможностью вращения, на первом валу, стационарную часть двигателя и подшипниковый блок, поддерживающий первый вал с возможностью вращения относительно стационарной части,

при этом способ включает снятие пропульсивной секции без дополнительной поддержки первого ротора, поддерживаемого подшипниковым блоком, установленным внутри двигателя.

15. Способ по п. 14, согласно которому секция компрессора содержит компрессор низкого давления.

16. Способ по п. 14, согласно которому подшипниковый блок установлен в подшипниковом отсеке двигателя.

17. Способ по п. 14, согласно которому узел зубчатой передачи содержит редуктор.

18. Способ по п. 14, согласно которому первый ротор является низкоскоростным ротором двигателя.

19. Способ по п. 14, включающий проведение обслуживания узла зубчатой передачи после ее извлечения из двигателя.

20. Способ по п. 14, в котором подшипниковый блок выполнен с возможностью поддерживать, с возможностью его вращения, первый вал относительно стационарной части.