ГИБКАЯ ОПОРА ЗАДНЕГО ПОДШИПНИКА С УПОРОМ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
REAR BEARING FLEXIBLE SUPPORT WITH THRUST FOR GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области авиационных газотурбинных двигателей и, в частности, касается деталей, участвующих в поддержке подшипников их вращающихся валов.
Как правило, однокорпусные или многокорпусные газотурбинные двигатели содержат одну или несколько конструктивных деталей, называемых опорами подшипников и поддерживающих подшипник или подшипники, в которых вращаются валы этих корпусов. Такие детали могут также поддерживать силовой вал, вращаемый свободной турбиной в случае газотурбинного двигателя. В случае опор для задних подшипников они подвергаются относительно большим напряжениям термического происхождения. Действительно, они связаны с наружным картером двигателя при помощи фланца, который находится в холодной зоне, тогда как их центральная часть в виде канала, через которую проходят газы двигателя, находится, следовательно, в исключительно горячей зоне. Изнутри двигателя они связаны с совокупностью деталей, образующих кожух, в котором находятся опорные подшипники вращающихся валов. Сами эти кожухи находятся в относительно холодной зоне, так как ее обдувает воздух охлаждения двигателя и через нее проходит масло, смазывающее подшипники. Следовательно, необходимо учитывать радиальные дифференциальные смещения, которые могут возникать во время работы по причине этих температурных отклонений между различными частями, образующими эту опору.
Для этого опоры задних подшипников обычно выполняют в виде кольцевого канала, через который проходят конструктивные стойки, по которому циркулируют газы и который продолжен наружу и внутрь двумя частями сложной геометрической формы, называемыми скрепками. Эти скрепки позволяют связать жесткую центральную часть, в которой установлен подшипник, с наружной частью, одновременно обеспечивая радиальные смещения, вызываемые температурными перепадами. В известных технических решениях эти скрепки являются осесимметричными или частично ажурными для повышения их гибкости, обеспечивая при этом достаточную жесткость для подшипника.
Действительно, в частном случае конструкции, включающей в себя опору заднего подшипника, при проектировании этого подшипника ставятся две задачи: во-первых, необходимо обеспечить достаточную жесткость, чтобы контролировать размерность линии вала и ограничивать смещения роторов при воздействии фактора нагрузки (то есть когда газотурбинный двигатель подвергается ускорениям, поперечным к его оси вращения), и, во-вторых, за счет соответствующего расчета размеров внутренних и наружных скрепок обеспечить достаточную гибкость опоре подшипника, чтобы увеличить срок службы детали.
Эта деталь, выполняемая посредством литья или механической обработки и сварки, является сложной и, следовательно, дорогой в изготовлении; кроме того, обеспечение ее механической надежности в ходе эксплуатации может потребовать существенных дополнительных затрат, либо связанных с многочисленными ремонтными работами, либо с преждевременной выбраковкой. Для увеличения срока службы необходимо спроектировать такую деталь, которая сохраняет максимальную гибкость на уровне своих скрепок и обеспечивает при этом достаточную жесткость узла, чтобы сохранять линейность поддерживаемого ею вала.
Примеры реализации таких деталей приведены в патентных заявках GB 952774 или FR 1346653, однако их выполняют путем добавления специальных деталей, единственной функцией которых является обеспечение гибкости. Они не предназначены для интенсивного интегрирования в систему подвижных частей турбины.
Эту задачу ставит перед собой настоящее изобретение, призванное предложить опору заднего подшипника с увеличенным сроком службы, которая обеспечивает устойчивое удержание подшипников поддерживаемого ею вращающегося вала и выполнение которой требует минимального количества деталей в турбинном модуле. Турбинный модуль является набором деталей, включающих в себя, по меньшей мере, одно турбинное колесо и связанных между собой таким образом, чтобы образовать автономный узел газотурбинного двигателя; этот узел можно, таким образом, соединить с другими модулями или отсоединить от газотурбинного двигателя как единую и механически автономную деталь.
В связи с этим объектом изобретения является узел, состоящий из опорной детали, по меньшей мере, для одного подшипника вала газотурбинного двигателя, при этом упомянутый газотурбинный двигатель содержит наружную конструкцию, охватывающую его подвижные части, и кожух, содержащий упомянутый подшипник, причем эти два элемента предназначены для соединения друг с другом при помощи упомянутой опорной детали, и из поддерживающей детали, выполненной с возможностью крепления на наружной конструкции газотурбинного двигателя и образования упора для упомянутой опорной детали. Упомянутая опорная деталь содержит, по меньшей мере, один канал, по которому проходят газы двигателя, и соединительные детали, выполненные с возможностью крепления упомянутого канала, с одной стороны, на наружной конструкции двигателя и, с другой стороны, на упомянутом кожухе. По меньшей мере, одна из соединительных деталей выполнена гибкой, чтобы обеспечивать радиальное смещение упомянутого канала, при этом амплитуда упомянутого радиального смещения ограничена ходом, по меньшей мере, одного из элементов опорной детали до упора, выполненного на упомянутой поддерживающей детали. Поддерживающая деталь содержит заднее удлинение, проходящее в продольном направлении в сторону выхода за пределы продольного удлинения упомянутого канала по отношению к направлению оси вращения газотурбинного двигателя, таким образом, чтобы образовать кольцо, которое может служить турбинным кольцом для турбинного колеса газотурбинного двигателя.
Таким образом, добиваются радиальной жесткости детали, меняющейся в зависимости от того, входит она в контакт или нет с упором, в сочетании с большой гибкостью, когда она не взаимодействует с упором. Поскольку наибольшая часть усталостных термомеханических воздействий проявляется, когда деталь не находится в положении упора, получают деталь, в которой возникает меньше напряжений, что позволяет увеличить срок ее службы. Повышенная гибкость в положении без упора улучшает общее поведение детали, подвергающейся дифференциальным тепловым расширениям. К конструкции газотурбинного двигателя добавляют радиальный упор, чтобы ограничить дополнительные не осесимметричные перемещения, связанные с нагрузками типа маневрирования летательного аппарата или типа гироскопических усилий, за счет контакта одного из элементов опоры подшипника с этим упором.
Эти соединительные детали или скрепки можно присоединять к упомянутому каналу или выполнить с ним заодно для образования единой детали.
Вместе с тем, даже при постоянном контакте упора с частью опоры подшипника (каналом или конструктивной скрепкой) можно оптимизировать срок службы конструктивных скрепок под нагрузкой, связанной с дифференциальными тепловыми расширениями, так как детали не связаны жестко друг с другом (скользящий контакт). При этом могут иметь место явления трения и износа, но они не оказывают существенного влияния на функции различных деталей и, в частности, на постоянство влияния на радиальную жесткость.
Чтобы уменьшить число применяемых деталей и упростить изготовление турбинного модуля, упор располагают на конце поддерживающей детали, закрепленной на фланце наружной конструкции двигателя и представляющей собой продольное продолжение турбинного кольца, расположенного напротив турбинного колеса газотурбинного двигателя.
Предпочтительно деталь соединения с наружной конструкцией и поддерживающая деталь выполнены с возможностью крепления на одном и том же фланце наружной конструкции газотурбинного двигателя.
В частном варианте выполнения упор взаимодействует с одной из деталей соединения с наружной конструкцией.
В другом частном варианте выполнения упор напрямую взаимодействует с каналом.
Еще в одном частном варианте выполнения упор взаимодействует с деталью соединения с кожухом упомянутого подшипника.
Еще в одном частном варианте выполнения опорная деталь содержит упор, взаимодействующий с деталью соединения с наружной конструкцией, и упор, взаимодействующий с деталью соединения с кожухом упомянутого подшипника.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну описанную выше опорную деталь для одного из подшипников вращающегося вала.
Настоящее изобретение, его другие задачи, детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания одного или нескольких вариантов выполнения изобретения, представленных исключительно в качестве неограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи.
В описании термины «радиальный», «осевой», «продольный» относятся к оси вращения газотурбинного двигателя, а термины «входной» и «выходной» относятся к направлению истечения газов в этом двигателе. На чертежах:
фиг.1 - вид в перспективе опоры заднего подшипника со скрепкой, согласно известному техническому решению;
фиг.2 - вид в разрезе газотурбинного двигателя, содержащего опору подшипника со скрепкой;
фиг.3 - вид в разрезе газотурбинного двигателя, согласно первому варианту выполнения изобретения;
фиг.4 - вид в разрезе газотурбинного двигателя, согласно второму варианту выполнения изобретения.
На фиг.1 показана опора подшипника, описанная в американском патенте US 5161940. В примере, раскрытом в данном патенте, технология гибких сепараторов применена только для описанной опоры подшипника и не распространяется на опору подшипника, включающую в себя часть канала газовоздушного тракта. Действительно, эти детали характеризуются дополнительной технологической сложностью проектирования и определения размерности, то есть требуют оптимизации с точки зрения срока службы под термомеханической нагрузкой и аэродинамики.
На фиг.2 показана часть, находящаяся на выходе турбины высокого давления газогенератора газотурбинного двигателя и содержащая опору подшипника со скрепкой. Эта опора подшипника содержит конструктивные части, выполненные ажурными, но в пределах обеспечения радиальной жесткости, необходимой для сохранения линейности вала в условиях нормальной работы и под нагрузками маневрирования. Газы, поступающие из газогенератора, проходят в межтурбинный канал 2, который связан внутренней скрепкой 3 с наружной конструкцией двигателя и внутренней скрепкой 4 с кожухом подшипников. Узел, образованный межтурбинным каналом 2 и двумя скрепками 3 и 4, образует опору 1 заднего подшипника двигателя. На выходе этой опоры заднего подшипника газы проходят через направляющий аппарат 5 свободной турбины, затем через колесо 6 свободной турбины, которому они отдают свою энергию. Колесо свободной турбины механически связано с приводным валом 9, который вращается относительно конструкции в двух подшипниках 7 и 8 и который воспринимает мощность двигателя. Эти два подшипника установлены в конструкции двигателя, с которой они соединены через опору 1 заднего подшипника.
В этой известной конфигурации верхняя скрепка имеет лишь незначительную ажурность по своей окружности, чтобы придать небольшую гибкость опоре подшипника, но в строгих пределах, чтобы не ослабить радиальную жесткость детали и не нарушать удержания подшипников на месте. Таким образом, гибкость скрепки опоры подшипника является ограниченной; по этой причине свобода ее движения является недостаточной для противодействия радиальным напряжениям термомеханического характера, и, следовательно, срок службы опоры подшипника является недостаточным.
На фиг.3 представлен первый вариант выполнения изобретения. С наружной стороны верхняя скрепка 3 закреплена на фланце 10 конструкции двигателя, на котором закреплено также турбинное кольцо 11 свободной турбины; турбинное кольцо является деталью, обеспечивающей в радиальном направлении при помощи заднего удлинения 11b герметичность газовоздушного тракта относительно наружного пространства на уровне турбинного колеса 6. В первом варианте выполнения турбинное кольцо 11 дополнительно имеет переднее удлинение 11а кольцевой формы, которое проходит от фланца 10 в сторону передней части двигателя и которое имеет на своем переднем конце выступ, образующий радиальный упор 12, на котором блокируется скрепка 3, когда она деформируется и перемещается в направлении оси вращения двигателя. Добавление упора 12 позволяет увеличить ажурность скрепки 3, которая теперь имеет вид клетки с прутьями, что повышает ее гибкость и ее способность поглощать дифференциальные тепловые расширения между каналом и наружным фланцем.
На фиг.4 представлен второй вариант выполнения изобретения. Элементы опоры подшипника, идентичные элементам первого варианта выполнения, имеют такие же цифровые обозначения, и их описание опускается. Скрепка 3 закреплена на фланце 10 так же, как и турбинное кольцо 11. В данной конфигурации это кольцо имеет только одно удлинение 11b на уровне турбинного колеса 6, а удлинение 11а исключено. Зато добавлена поддерживающая деталь 21 кольцевой формы, которую крепят на фланце 10 и которая проходит в направлении передней части двигателя. Как и в предыдущем варианте, она заканчивается радиальным упором 22, который в данном варианте находится на уровне заднего конца канала 2 опоры 1 подшипника, а не напротив верхней скрепки 3. Она представлена как не позволяющая каналу 2 перемещаться в направлении наружу двигателя. Однако поскольку в одном и в другом варианте выполнения упоры имеют кольцевую форму, они действуют аналогичным образом: они ограничивают смещения опоры подшипника, блокируя ее либо показанной на фигуре частью упора, либо диаметрально противоположной к ней частью.
Как в первом, так и во втором варианте выполнения упоры 12 и 22 могут иметь при остановленном двигателе, хотя эта конфигурация и не является обязательной, небольшой зазор (на фигуре не показан) относительно находящейся напротив них части верхней скрепки 3 или канала 2. Этот зазор позволяет опоре 1 подшипника смещаться в радиальном направлении под термомеханической нагрузкой за счет гибкости скрепок 3 и 4. Это смещение возможно, пока верхняя скрепка 3 в первом варианте или канал 2 во втором варианте не коснутся соответствующего упора. Дальше любое поперечное перемещение опоры подшипника, связанное с нагрузкой типа маневрирования летательного аппарата, оказывается ограниченным соответствующим упором, и гибкость в радиальном перемещении опоры 1 подшипника за счет скрепок прекращается в связи с приходом в это положение упора.
Разумеется, что жесткости передних удлинений, будь то удлинение 11а в случае турбинного кольца 11 или удлинение поддерживающей детали 21, достаточно, чтобы остановить поперечные перемещения опоры 1 подшипника, когда она входит в контакт с соответствующим упором 12 или 22.
Далее следует описание работы изобретения согласно первому варианту выполнения. Работа согласно второму варианту выполнения является идентичной.
Во время работы опора 1 подшипника может стремиться к смещению под действием термомеханической нагрузки или под действием фактора нагрузки на летательный аппарат. Это смещение может происходить либо по кольцу, когда напряжения равномерно распределены по периферии опоры подшипника (случай термомеханических деформаций), либо не осесимметрично (случай фактора нагрузки). Скрепки 3 и 4, имеющие вид гибкой клетки согласно изобретению, имеют больше проемов, чем в известных решениях, что придает им повышенную гибкость. За счет этого опора 1 подшипника легче перемещается в ответ на эти воздействия, пока не достигнет упора 12. В этих условиях напряжения не проходят через скрепки, вследствие чего повышается их усталостная стойкость и увеличивается срок службы.
После первой деформации, происходящей в силу этой повышенной гибкости, скрепка 3 достигает упора 12, по меньшей мере, одним из своих угловых секторов по причине дополнительных нагрузок, в частности, при маневрировании летательного аппарата. Зазор между упором и опорой подшипника оптимизирован таким образом, чтобы они не входили в контакт под действием только термомеханической нагрузки. Это ограничение смещения канала 2 необходимо в связи с требованием сохранения общей жесткости опоры подшипника и поддержания линейности вала как можно ближе к оси симметрии двигателя.
Но пока этот предел не достигнут, опора подшипника может смещаться более свободно за счет гибкости скрепок 3 и 4. Если в известном решении гибкость скрепок была меньшей и напряжения быстрее достигали повышенного уровня, что отрицательно сказывалось на усталостной стойкости, в рамках изобретения это повышение напряжений происходит на более поздней стадии. Таким образом, существенно увеличивается срок службы опор 2 подшипника.
Работа этой усовершенствованной опоры подшипника была описана в случае упора 12 или 22, расположенного по всей окружности двигателя. Однако изобретение можно осуществлять с множеством упоров, равномерно распределенных на этой окружности. Упоры 12 и 22, представленные в кольцевой форме, не обязательно являются осесимметричными деталями и могут иметь нарушения осевой симметрии (проемы, щели) для оптимизации их термомеханического поведения.
Изобретение описано для нескольких частных вариантов выполнения, но, разумеется, оно может включать в себя все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинации, если они не выходят за рамки изобретения.