ТУРБОМАШИНА СО СРЕДСТВАМИ ДЛЯ ОСЕВОГО УДЕРЖАНИЯ РОТОРА
TURBOMACHINE WITH ROTOR AXIAL CLAMP

Изобретение относится к области турбомашин, в частности турбореактивных двигателей с вентилятором, прикрепленным к приводному валу, опирающемуся, по меньшей мере, на первый подшипник.
Такой турбореактивный двигатель включает в себя, от стороны входа до стороны выхода в направлении потока газов, вентилятор, одну или более ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или более ступеней турбины и выхлопное сопло. Вентилятор включает ротор, снабженный лопатками по своей периферии, которые при вращении нагнетают воздух в турбореактивный двигатель. Ротор вентилятора поддерживается валом ротора низкого давления двигателя. Его центрируют на оси турбореактивного двигателя посредством первого подшипника, который находится выше по потоку, чем второй подшипник, соединенный с неподвижной конструкцией, в частности с промежуточным корпусом.
Далее, поскольку вентилятор прикреплен к валу компрессора, который является валом низкого давления в двухвальном двигателе, этот вал будет называться «вал компрессора».
Первый подшипник опирается на опорный элемент, охватывающий вал компрессора, расположенный ниже по потоку от первого подшипника и закрепленный на неподвижной конструкции турбореактивного двигателя. Второй подшипник опирается на опорный элемент, который также закреплен на неподвижной конструкции турбореактивного двигателя.
Может случиться так, что лопатка случайно отсоединится от вентилятора. Это вызовет ощутимый дисбаланс на валу компрессора, который приведет к нагрузкам и вибрациям в подшипниках, передающимся через опорные элементы к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя, который в результате этого может быть поврежден.
Для того чтобы предотвратить угрозу чрезмерного повреждения турбореактивного двигателя, можно увеличить размеры конструкции или, как в патенте FR 2752024, использовать устройство отсоединения первого подшипника. Опорный элемент первого подшипника прикрепляют к конструкции турбореактивного двигателя винтами плавкого или разрывного типов, которые включают в себя ослабленный участок, вызывающий их разрушение в случае чрезмерных усилий. Таким образом, при возникновении дисбаланса на вале компрессора, действующие на первую опору силы передаются к разрывным винтам, которые ломаются, отсоединяя опорный элемент первого подшипника от конструкции турбореактивного двигателя. Согласно другим способам исполнения опору второго подшипника связывают с опорой первого подшипника для того, чтобы сопровождать ее в случае отсоединения, или снабжают своей собственной системой отсоединения, независимой от такой же системы первого подшипника. После отсоединения, усилия, создаваемые дисбалансом, больше не передаются на неподвижную конструкцию турбореактивного двигателя через опорные элементы подшипника или подшипников.
Однако, после отсоединения одного или обоих подшипников, вентилятор продолжает вращаться, при этом вал компрессора не может больше вращаться вокруг своей оси и подвергается большим смещениям, способным повредить неподвижную конструкцию турбореактивного двигателя. В этом случае согласно патенту FR 2752024 предлагается на неподвижной конструкции турбореактивного двигателя поместить полосу для придания прочности, окружающую опорный элемент первого подшипника, к которому в этом случае присоединяют опорный элемент второго подшипника, и осуществляющую функцию ограничителя движения или резервного подшипника.
Тем не менее, продолжающееся вращение вентилятора может привести к появлению напряжений на вале компрессора и вале турбины, которые соединяются друг с другом, и началу поломки одного из них или обоих. В любом случае, мы говорим о разрушении вала компрессора. В этом случае вращение вентилятора приводит к последнему, поскольку он прикреплен к валу компрессора спереди. Вентилятор в таком случае выбрасывается из турбореактивного двигателя, что должно быть предотвращено.
Полоса, предложенная в патенте FR 2752024, в случае разрушения вала компрессора, тем не менее, может выполнить функцию осевого удержания ротора вентилятора посредством фиксации кронштейна опорного элемента первого подшипника на неподвижной конструкции турбореактивного двигателя, которая в таком случае помещается по радиальной стенке этой полосы. Однако вследствие изгиба, которому может подвергнуться вал компрессора в этой ситуации, может образоваться угол между стенкой кронштейна и стенкой полосы вплоть до их соприкосновения, приводящего в любом случае к скорой остановке вала с повреждением элементов конструкции при трении или даже, если угол слишком большой, к прохождению кронштейна, имеющего радиальный наклон по отношению к оси турбореактивного двигателя, за полосу, таким образом делая невозможным остановку поступательного движения вала компрессора и ротора вентилятора, которые в таком случае выскочат или остановятся поперек удерживающих их обтекателей, повреждая, таким образом, всю конструкцию турбореактивного двигателя.
Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков.
Согласно настоящему изобретению создана турбомашина, расположенная вдоль оси, включающая в себя ротор, содержащий приводной вал, выполненный с возможностью вращения вокруг оси, опирающийся, по меньшей мере, на первый подшипник, закрепленный на неподвижной конструкции турбомашины посредством опорного элемента подшипника. Турбомашина включает в себя защитное кольцо, закрепленное на неподвижной конструкции турбомашины для взаимодействия с опорным элементом первого подшипника и, в случае смещения ротора по отношению к неподвижной конструкции, осуществления функции осевого удержания ротора, на одном уровне, не допуская образования угла между осью турбомашины и осью приводного вала; при этом опорный элемент первого подшипника имеет шейку, выполненную с возможностью взаимодействия с поверхностью ободка защитного кольца и имеющую суженную форму; причем защитное кольцо по длине окружает нижнюю по потоку часть опорного элемента первого подшипника, не касаясь ее при обычном режиме работы турбомашины.
Благодаря изобретению, осевое удержание ротора, например, в случае разрыва вала компрессора после потери лопатки вентилятора, если ротор является ротором вентилятора, происходит на одном уровне, несмотря на угол между осью компрессора и осью турбины в момент удержания. Поэтому этот угол, который может изменяться вследствие дисбаланса, испытываемого ротором, никак не влияет на осевое удержание ротора.
Предпочтительно, поверхность ободка защитного кольца имеет изогнутую в осевом сечении форму, с вращательной симметрией вокруг оси турбомашины.
Предпочтительно, изогнутая форма имеет форму дуги круга.
Предпочтительно, приводной вал опирается на второй подшипник, и второй подшипник установлен на неподвижной конструкции турбомашины посредством опорного элемента подшипника, опорный элемент первого подшипника прикреплен к опорному элементу второго подшипника посредством винтов разрывного типа, обеспечивающих его отсоединение от опорного элемента второго подшипника.
Предпочтительно, когда опорный элемент первого подшипника установлен на неподвижной конструкции турбомашины с помощью устройства, используемого для его открепления от неподвижной конструкции турбомашины, защитное кольцо устанавливается так, чтобы не влиять на процесс открепления.
Предпочтительно, когда опорный элемент первого подшипника установлен на неподвижной конструкции турбомашины с помощью устройства, используемого для его открепления от неподвижной конструкции турбомашины, защитное кольцо устанавливается для ограничения смещения вала компрессора при отсоединении.
Предпочтительно, когда приводной вал опирается на второй подшипник, второй подшипник установлен на неподвижной конструкции турбомашины с помощью устройства, используемого для его отсоединения относительно неподвижной конструкции турбомашины.
Предпочтительно, когда приводной вал опирается на второй подшипник, и второй подшипник установлен на неподвижной конструкции турбомашины посредством опорного элемента подшипника, закрепленного винтами, защитное кольцо включает в себя продольные отверстия, предназначенные для прохождения вышеупомянутых винтов для прикрепления защитного кольца к неподвижной конструкции турбомашины.
Предпочтительно, турбомашина является элементом одного из: турбореактивного двигателя с двойным валом, включающим в себя второй подшипник, являющийся подшипником, поддерживающим ротор низкого давления; турбинной силовой установки; турбокомпрессора и турбины.
Предпочтительно, когда опорный элемент первого подшипника установлен на неподвижной конструкции турбомашины с помощью устройства, используемого для его отсоединения от неподвижной конструкции турбомашины, защитное кольцо, в частности, осуществляет осевое удержание ротора в случае разрыва приводного вала после отсоединения первого подшипника.
Изобретение, в частности, применимо к двухвальному турбореактивному двигателю, в котором второй подшипник поддерживает ротор низкого давления, но это не ограничивает использование изобретения только в таком двигателе.
Изобретение будет лучше понято из нижеследующего описания предпочтительного варианта воплощения турбореактивного двигателя согласно изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид сбоку в осевом сечении предпочтительного варианта воплощения изобретения;
фиг.2 - увеличенный вид участка с фиг.1, заключенного в рамке С;
фиг.3 - вид сбоку в осевом сечении участка второго подшипника турбореактивного двигателя согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения при отсоединении, и
фиг.4 - вид сбоку в осевом сечении участка второго подшипника турбореактивного двигателя согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения после разрыва вала компрессора.
На фиг.1 показан турбореактивный двигатель 1 согласно настоящему изобретению, содержащий вентилятор 2, ротор которого включает в себя лопатки 3, проходящие радиально вокруг оси 4 турбореактивного двигателя. Вал вентилятора 2, ниже по потоку лопаток 3, прикреплен к валу 5 компрессора. Здесь используется вал компрессора низкого давления. В дальнейшем, мы будем называть весь вал вентилятора 2 и вал 5 компрессора как вал 5 компрессора или приводной вал 5. Вал 5 компрессора опирается на первый подшипник 6 и второй подшипник 7, расположенные ниже по потоку относительно первого подшипника 6.
Первый подшипник 6 включает в себя внутреннее кольцо 8 и внешнее кольцо 9, между которыми установлен шарикоподшипник 10 или любой другой подшипник. Внутреннее кольцо 8 прикреплено к валу 5 компрессора, а внешнее кольцо прикреплено к опорному элементу 11 подшипника, называемого опорой первого подшипника 11. Шарикоподшипник 10 обеспечивает вращение внутреннего кольца 8 и, таким образом, вала 5 компрессора по отношению к наружному кольцу 9 и, следовательно, к опоре первого подшипника 11.
Опора первого подшипника 11 проходит от первого подшипника 6 вниз по направлению потока. Она имеет слегка суженную форму с диаметром, увеличивающимся вниз по направлению потока.
Второй подшипник 7 включает в себя внутреннее кольцо 14 и наружное кольцо 15, между которыми установлен роликовый подшипник 16 или любой другой подшипник. Внутреннее кольцо 14 прикреплено к валу 5 компрессора, а внешнее кольцо 15 прикреплено к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1. Роликовые подшипники 16 установлены параллельно оси 4 турбореактивного двигателя 1 в выемке, проходящей по окружности внутреннего кольца 14, и удерживаются на расстоянии друг от друга посредством обоймы подшипника, что является известным любому специалисту в данной области техники. Это делает возможным вращение внутреннего кольца 14 по отношению к наружному кольцу 15 и, следовательно, посредством этого и вала 5 компрессора по отношению к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1.
Второй подшипник 7 опирается на опорный элемент подшипника 19, называемый в дальнейшем опорой 19 второго подшипника, обычно принимающей форму диска, проходящего поперек оси 4 турбореактивного двигателя 1. Наружное кольцо 15 второго подшипника 7 включает в себя на своей наружной поверхности радиальный кронштейн 20, прикрепленный к опоре 19 второго подшипника с помощью винтов 21.
На фиг.2 показано, что опора 19 второго подшипника крепится посредством радиального кронштейна 22 к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1, в данном случае, к корпусу 23, называемом промежуточным корпусом 23, посредством винтов 24.
На своем нижнем по потоку конце опора первого подшипника 11 имеет стопорную часть 26, имеющую здесь толщину больше, чем на участке выше по потоку. В осевом сечении эта стопорная часть 26 имеет форму прямоугольного треугольника - форму профиля. Внутренняя стенка 27 этой стопорной части 26 имеет цилиндрическую форму, а ее нижняя по направлению потока стенка 28 проходит поперек оси 4 турбореактивного двигателя, внутренняя 27 и нижняя по направлению потока 28 стенки соединены стенкой 29, с поверхностью в основном суженной формы, диаметр которой увеличивается вниз по направлению потока и которая соответствует гипотенузе прямоугольного треугольника, образуемого стопорной частью 26 в осевом сечении. В своей нижней по направлению потока части, опора первого подшипника 11, имеет, таким образом, сужающуюся шейку 29, образуемую сужаемой стенкой 29.
Стопорная часть 26 содержит продольные отверстия 26', используемые для прохождения винтов 25 разрывного типа для крепления опоры первого подшипника 11 к кронштейну 22 опоры второго подшипника 19. Эти винты 25 разрывного типа расположены по радиусу между осью 4 турбореактивного двигателя 1 и винтами 24 для крепления опоры второго подшипника 19 к промежуточному корпусу 23. Эти винты 25 разрывного типа включают участок ослабленной зоны 25', предоставляющий сопротивление растягиванию, которое приводит к их разрыву в случае чрезмерных усилий, в частности, при появлении дисбаланса на вале 5 компрессора, например, после потери лопасти 3.
Промежуточный корпус 23 опирается на защитное кольцо 30, которое проходит вокруг стопорной части 26 опоры первого подшипника 11, окружая их по длине, не касаясь их при обычной работе турбореактивного двигателя 1. Это защитное кольцо 30 имеет суженную форму с диаметром, увеличивающимся к его задней части, и внутреннюю 30' и внешнюю 30” стенки, параллельные друг другу на большей части длины кольца. На своем нижнем по потоку конце оно содержит радиальный кронштейн 31, с помощью которого оно крепится к промежуточному корпусу 23 посредством винтов 24 для крепления опоры второго подшипника 19 к промежуточному корпусу 23.
На своем верхнем по потоку конце, защитное кольцо 30 содержит ободок 32, который выступает по радиусу во внутреннюю часть. Внутренняя поверхность 33 ободка 32 выпукло изогнута в осевом сечении, следуя изгибу изогнутой части 33', как показано на фиг.2.
Защитное кольцо 30 установлено так, что поверхность суженной шейки 29 опоры первого подшипника 11 упирается во внутреннюю поверхность 33 его ободка 32, если случится, что опора первого подшипника 11 сдвинется по оси вперед. Функция защитного кольца 30 заключается в осевой блокировке вала 5 компрессора при разрыве посредством опоры первого подшипника 11 с тем, чтобы вентилятор 2, который прикреплен к ней, в этом случае не смещался вперед, как будет описано далее.
Теперь будет более подробно раскрыто функционирование турбореактивного двигателя 1 согласно изобретению при потере лопатки 3 с вентилятора 2.
Потеря лопатки 3 во время работы турбореактивного двигателя 1 и, следовательно, во время вращения вентилятора 2 создает дисбаланс на вале 5 компрессора. Обращаясь к фиг.3, возникающие усилия вызывают разрыв винтов 25 разрывного типа, скрепляющих опору первого подшипника 11 с опорой второго подшипника 19, в области ослабленной зоны 25'. Винты 25 разрывного типа не все сломаются одновременно, а это в основном произойдет последовательно. На фиг.3 винт 25 разрывного типа в нижней части чертежа показан сломанным, в то время как винт 25 разрывного типа в верхней части показан неповрежденным. В этой ситуации дисбаланс приведет к изгибу вала 5 компрессора, ось 5' которого отклонится от оси 4 турбореактивного двигателя 1. Этот изгиб вала 5 компрессора допускается скольжением роликов второго подшипника 7 по его внешнему кольцу 15, но в результате возможно вероятное повреждение подшипника 7.
Опора первого подшипника 11, прикрепленная к валу 5 компрессора, подобным же образом отклоняется от оси 4 турбореактивного двигателя 1. Поверхность суженной шейки 29 первого подшипника 11 сможет тогда опереться на поверхность стенки 33 ободка 32 защитного кольца 30 в области, где винты 25 разрывного типа сломаны. Благодаря должным образом выполненной форме поверхности 33 ободка 32, угол не влияет на этот контакт, который возникает в случае независимо от описываемого угла. Таким образом, при отсоединении опоры первого подшипника 11 от неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1, защитное кольцо 30 в варианте осуществления, описанном здесь, до некоторой степени ограничивает изгибание вала 5 компрессора. Изгибание также может быть ограничено в основном при компенсации зазора между краями лопаток 3 вентилятора 2 и его удерживающего корпуса.
Согласно другому варианту осуществления продольный интервал между суженной шейкой 29 опоры первого подшипника 11 и ободка 32 защитного кольца 30 может быть выполнен с таким расчетом, что поверхности суженной стенки 29 и ободка 32 никогда не соприкоснутся при отсоединении. Этот вариант осуществления изобретения является предпочтительным, так как защитное кольцо 30 осуществляет только функцию удержания оси, не ограничивая радиальные движения.
Какой бы ни был вариант осуществления, в какой-то момент все винты 25 разрывного типа сломаются, опора первого подшипника 11 отсоединится от опоры второго подшипника 19 и, таким образом, от промежуточного корпуса 23, что означает отсоединение от неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1. Усилия тогда больше не будут передаваться неподвижной конструкции турбореактивного двигателя от опоры первого подшипника 11, и вал 5 компрессора может вращаться свободно на своей оси 5' с того момента, как суженная шейка 29 опоры первого подшипника 11 и ободок 32 защитного кольца 30 не соприкасаются.
Тем не менее, продолжающееся вращение вентилятора 2 может привести к появлению напряжений в вале 5 компрессора и в вале турбины, которые соединены друг с другом, и вызвать поломку одного из них или их обоих. Как упоминалось ранее, мы в таком случае говорим о разрыве вала 5 компрессора. В этом случае вращение вентилятора 2 приводит к последнему, и вал 5 компрессора, который присоединен к нему, движется вперед.
Опора первого подшипника 11 в таком случае тоже движется по направлению к передней части, так же как и ролики 16 второй опоры 7, которые скользят по своему наружному кольцу 15. Обращаясь к фиг.4, это движение по направлению к передней части удерживается посредством защитного кольца 30, прикрепленного к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1. Фактически, при движении вперед опоры первого подшипника 11, суженная шейка 29 опоры первого подшипника 11 упирается в стенку 33 ободка 32 защитного кольца 30, которое, таким образом, обеспечивает задержку вдоль оси опоры первого подшипника 11 и, следовательно, вентилятора 2, который не выбрасывается из турбореактивного двигателя. Вращение вентилятора 2 может продолжаться короткое время до остановки по причине трения.
Кривая 33', образующая внутреннюю поверхность 33 ободка 32, оптимизирована таким образом, что примыкание шейки 29 первого подшипника 11 к этой поверхности 33 и, следовательно, вентилятора 2 возникает в любом случае, независимо от угла, который может быть образован между осью 5' вала 5 компрессора и осью 4 турбореактивного двигателя 1. Изогнутая форма внутренней поверхности 33 ободка 32 является меридиональной кривой в осевой плоскости, с вращательной симметрией вокруг оси 4 турбореактивного двигателя. Здесь, в осевом сечении, кривая 33' имеет круговую форму. Эта кривая 33' может быть более сложной формы для того, чтобы, например, сочетаться с различными фазами процесса отсоединения - с контактом или без него, в зависимости от стадии.
В результате, продолжающееся вращение вентилятора 2 после отсоединения опоры первого подшипника 11, не обязательно будет осуществляться вокруг оси 4 турбореактивного двигателя 1, так как вал 5 компрессора фактически больше не центрируется первым подшипником 6. В момент разрыва вала 5 компрессора и его движения вперед, угол между его осью 5' и осью 4 турбореактивного двигателя 1 является случайным. Эта случайность не нарушает остановку вентилятора 2 удерживающим кольцом 30, вследствие оптимизированной формы стенки 33 его ободка 32. С продолжающимся вращением вентилятора 2, совмещенным с его движением вперед, ободок также обеспечивает возможность вентилятору 2 и валу 5 компрессора вернуться к оси 4 турбореактивного двигателя 1, как и в случае с фиг.4.
Изобретение было описано по отношению к опоре первого подшипника, прикрепленного к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя посредством опоры второго подшипника, в то время как защитное кольцо прикреплено к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя посредством винтов для крепления опоры второго подшипника к этой неподвижной конструкции. Само собой разумеется, что опора первого подшипника, опора второго подшипника и защитное кольцо могут быть прикреплены к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя независимо друг от друга, и так они могут осуществлять те же функции, которые были описаны.
Более того, в случае, когда защитное кольцо прикреплено к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя, опора второго подшипника может быть прикреплена к этой конструкции винтами разрывного типа. Таким образом, было бы возможно отсоединение обоих подшипников, с осевой остановкой посредством защитного кольца, возникающей только в случае разрыва вала компрессора.
Нижняя по потоку шейка 29 первого подшипника 11 описана здесь, как имеющая сужающуюся форму. Само собой разумеется, что она также может иметь форму кривой в осевом сечении, причем эта форма оптимизирована в соотношении с кривой 33', образуемой поверхностью 33 ободка 32 защитного кольца 30, так что остановка вентилятора возникнет в любом случае, без углового эффекта.
Следует отметить, что защитное кольцо 30 может также осуществлять функцию резервного подшипника, работающего как подшипник вала 5 компрессора в случае его разрыва после отсоединения первого подшипника 6.
Изобретение было описано по отношению к турбореактивному двигателю, в частности к двухвальному турбореактивному двигателю, у которого второй подшипник поддерживает ротор низкого давления. Изобретение также применимо в других типах турбин, таких как турбинная силовая установка, промышленный турбокомпрессор или промышленная турбина, где ротор используется не в качестве ротора вентилятора, а просто как ротор.