УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ РОТОРОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
JOINT BETWEEN COMPRESSOR ROTORS AND GAS TURBINE ENGINE TURBINE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД) авиационного и наземного применения, а именно к конструкции узла соединения роторов компрессора и турбины.
Известен ГТД с узлом соединения роторов компрессора и турбины, содержащий содержащий цапфу ротора компрессора и вал турбины, соединенные между собой в осевом направлении через регулировочный элемент и стяжную втулку, а в окружном направлении - через шлицевое соединение, отличающийся тем, что он снабжен промежуточным валом, на внутренней поверхности которого выполнены шлицы, контактирующие со шлицами на поверхностях цапфы ротора компрессора и вала турбины, а регулировочный элемент выполнен в виде резьбовой втулки, установленной в резьбовом отверстии промежуточного вала напротив торца цапфы ротора компрессора и зафиксированной в нем от выворачивания (патент RU 2282758, опубл. 27.08.2006).
Вышеприведенное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Известному техническому решению присущи следующие недостатки. Соединение вала компрессора с валом турбины в осевом направлении осуществляется через промежуточный вал с установленной в нем резьбовой втулкой посредством стяжной втулки. Контактирование торцовой поверхности вала турбины и резьбовой втулки, торцевая поверхность которой выставляется по резьбе, при обязательном наличие торцовых биений поверхностей приводит к угловому смещению вала турбины относительно цапфы компрессора. Это приводит к дополнительному нагружению радиальной нагрузкой опор двигателя, при этом увеличивается момент сопротивления качению в подшипниках, появляется дополнительное тепловыделение в опорах двигателя.
Также при замене ротора компрессора необходимо обеспечить осевое удержание ротора турбины, т.е. технологически зафиксировать его в опоре турбины. Для этого дополнительно нужно будет разобрать опору турбины. Это нарушает модульность двигателя и снижает технологичность сборки.
Техническим результатом, достигаемым заявленной конструкцией является является повышение соосности валов компрессора и турбины, а также технологичности сборки двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя, содержит цапфу компрессора и вал турбины, соединенные между собой в осевом направлении с помощью промежуточного вала, стяжной втулки, регулировочного элемента, выполненного в виде резьбовой втулки, а в окружном направлении посредством шлицевых соединений через промежуточный вал, контровочную трубу, зафиксированную в осевом и окружном направлениях, причем стяжная втулка зафиксирована в окружном направлении шлицевым соединением относительно контровочной трубы, при этом в осевом направлении цапфа ротора компрессора соединена с промежуточным валом стяжным болтом, а вал турбины соединен с промежуточным валом стяжной втулкой, причем резьбовая втулка установлена в резьбовом отверстии вала турбины и зафиксирована в промежуточном валу от выворачивания, при этом на резьбовой втулке и стяжной втулке образованы выступы с контактирующими друг с другом торцевыми посадочными поверхностями, ограничивающими осевое смещение резьбовой втулки и стяжной втулки относительно друг друга, кроме того, стяжной болт зафиксирован в окружном направлении посредством шлицевого соединения с контровочной трубой.
Такое выполнение устройства обеспечивает уменьшение перекоса валов компрессора и турбины при установленной стяжной втулке. Так как стяжная втулка служит только для осевого удержания вала турбины. Здесь реализуются преимущества шарнирного соединения. Это способствует уменьшению дополнительных радиальных нагрузок на подшипники качения, снижению тепловыделения, и, следовательно, повышению долговечности подшипников.
Введение стяжного болта позволяет исключить из стяжного пакета цапфы компрессора и промежуточного вала вал турбины. Поэтому при замене ротора компрессора ротор турбины зафиксирован в осевом направлении стяжной втулкой. Это улучшает технологичность и модульность двигателя.
Регулировочный элемент через резьбу определяет осевое положение ротора турбины. Стяжная втулка через торец упирается в регулировочный элемент для того, чтобы резьбовые соединения были затянуты, и на них не было знакопеременных нагрузок. При этом ротор турбины свободен в осевом направлении и его осевое положение ограничено гарантированным зазором между стяжной втулкой и стяжным болтом, т.е. реализуется преимущества шарнирного соединения при затянутых резьбах.
В частных случаях реализации заявленного узла:
Резьбовая втулка зафиксирована в промежуточном валу от выворачивания посредством шлицевого соединения. Шлицевое соединение на регулировочном элементе и промежуточном валу не позволяет выворачиваться регулировочному элементу и нарушать осевое положение турбины. При этом шлицы технологичны в изготовлении и совпадают при малых угловых смещениях. Это позволяет точнее назначать осевое положение ротора турбины.
Контактирующие торцевые поверхности стяжной втулки и промежуточного вала выполнены сферическими. Это позволяет при обязательных угловых смещениях вала турбины относительно промежуточного вала сохранять максимальную поверхность контакта торцов. Тем самым минимизировать изгибные напряжения в стяжной втулке.
На внутренней поверхности резьбовой втулки выполнен, по меньшей мере, один паз. Это необходимо для осевого выставления резьбовой втулки в валу турбины, т.е. для удобства регулирования.
Заявленная конструкция поясняется фиг.1, на которой показан продольный разрез узла соединения роторов компрессора и турбины ГТД.
Узел соединения роторов компрессора 1 и турбины 2 газотурбинного двигателя содержит цапфу 3 компрессора и вал 4 турбины, соединенные между собой в осевом направлении с помощью промежуточного вала 5, стяжной втулки 6, регулировочного элемента 7, выполненного в виде резьбовой втулки, а в окружном направлении посредством шлицевых соединений 8 и 9 через промежуточный вал. Контровочная труба 10 зафиксирована в осевом и окружном направлениях, причем стяжная втулка 6 зафиксирована в окружном направлении шлицевым соединением 11 относительно контровочной трубы 10. В осевом направлении цапфа ротора компрессора соединена с промежуточным валом стяжным болтом 12, а вал турбины соединен с промежуточным валом стяжной втулкой 6, причем резьбовая втулка 7 установлена в резьбовом отверстии 13 вала турбины и зафиксирована в промежуточном валу от выворачивания. При этом на резьбовой втулке 7 и стяжной втулке 6 образованы выступы 14 и 15 с контактирующими друг с другом торцевыми поверхностями, ограничивающими осевое смещение резьбовой втулки и стяжной втулки относительно друг друга. Стяжной болт зафиксирован в окружном направлении посредством шлицевого соединения 16 с контровочной трубой 10.
Резьбовая втулка 7 зафиксирована в промежуточном валу от выворачивания посредством шлицевого соединения 17.
Контактирующие торцевые поверхности 18 и 19 стяжной втулки и промежуточного вала могут быть выполнены сферическими.
Также на внутренней поверхности резьбовой втулки выполнен, по меньшей мере, один паз 20.
Сборка узла осуществляется следующим образом.
В резьбовом отверстии вала турбины 4 устанавливается регулировочный элемент 7 с осевым положением, необходимым осевому положению ротора турбины. Заводится ротор турбины в промежуточный вал 5. Далее ввинчивается стяжная втулка 6 до требуемого усилия обжатия резьб, при этом происходит шлицевое соединение 8. Устанавливается ротор 1 компрессора в промежуточный вал 5 по шлицевому соединению 9 и стягивается с ним стяжным болтом 12. Стяжной болт 12 и стяжная втулка 6 фиксируются в окружном направлении контровочной трубой 10 по шлицевым соединениям 11 и 16, которая фиксируется в роторе компрессора.
Во время работы двигателя крутящий момент от ротора турбины 2 через шлицевое соединение 8 передается на промежуточный вал 5 и далее через шлицевое соединение 9 на ротор компрессора 1. В осевом направлении ротор турбины удерживается стяжной втулкой 6, а ротор компрессора стяжным болтом 12. При этом однозначное положение ротора турбины задано регулировочным элементом 7. Суммарная осевая нагрузка роторов компрессора 1 и турбины 2 передается на промежуточный вал 5.
В связи с вышеизложенным, специалисту на основании уровня техники должно быть очевидно, что, заявленный узел соединения роторов компрессора и турбины ГТД позволяет обеспечивать уменьшение перекоса валов компрессора и турбины при установленной стяжной втулке. Так как стяжная втулка служит только для осевого удержания вала турбины. Здесь реализуются преимущества шарнирного соединения. Это способствует уменьшению дополнительных радиальных нагрузок на подшипники качения, снижению тепловыделения, и, следовательно, повышению долговечности подшипников. Введение стяжного болта позволяет исключить из стяжного пакета цапфы компрессора и промежуточного вала вал турбины. Поэтому при замене ротора компрессора ротор турбины зафиксирован в осевом направлении стяжной втулкой. Это улучшает технологичность и модульность двигателя.