РАДИАЛЬНАЯ УПРУГАЯ ОПОРА РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
RADIAL ELASTIC SUPPORT OF TURBOMACHINE ROTOR

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) авиационного и наземного применения, а именно к конструкции опор компрессора или турбины.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является передняя опора компрессора газотурбинного двигателя, содержащая последовательно установленные на цапфе ротора турбомашины со стороны рабочих колес ротора турбомашины, по меньшей мере, одно лабиринтное уплотнение, контактное кольцо и взаимодействующее с ним графитовое кольцо, образующие контактное уплотнение, роликовый подшипник, наружное кольцо которого установлено в корпусе подшипника, при этом корпуса всех упомянутых уплотнений жестко соединены между собой, а с корпусом опоры корпуса уплотнений соединены через податливый элемент - беличье колесо (RU 2318136 C1).
Такое конструктивное выполнение не позволяет изменять ее податливость во время работы турбомашины в целях исключения критических частот вращения ротора во всем диапазоне рабочих частот вращения для снижения динамических напряжений в роторе и опоре турбомашины. Как следствие, диапазон работы турбомашины с низким уровнем вибраций может быть недостаточно широким.
Техническим результатом, достигаемым при работе заявленного изобретения является расширение диапазона работы турбомашины с низким уровнем вибраций.
Указанный технический результат достигается тем, что радиальная упругая опора ротора турбомашины, содержащая последовательно установленные на цапфе ротора турбомашины со стороны рабочих колес ротора турбомашины лабиринтное уплотнение, контактное кольцо, с которым взаимодействует контактное графитовое уплотнение, образующие контактное уплотнение, роликовый подшипник, наружное кольцо которого установлено в корпусе роликового подшипника, а корпуса всех упомянутых уплотнений жестко соединены с корпусом опоры через упругий элемент типа «беличье колесо», при этом, согласно настоящему изобретению, заявленная опора дополнительно содержит шариковый подшипник, наружное кольцо которого установлено в корпусе шарикового подшипника, выполненного зацело с корпусом роликового подшипника с образованием общего корпуса подшипников, а внутреннее кольцо закреплено на наружном диаметре вспомогательной втулки, которая соединена с торцом цапфы ротора турбомашины посредством расположенных по окружности шарнирных V-образных механизмов, каждый из которых образован двумя качалками, соединенными друг с другом посредством шарнирного соединения, при этом в месте их соединения установлен груз, расположенный на диаметре, меньшем, чем диаметр внутреннего кольца вспомогательной втулки, а свободные концы качалок соединены со вспомогательной втулкой и торцом цапфы ротора турбомашины соответственно посредством шарнирных соединений, при этом общий корпус подшипников установлен в упомянутом упругом элементе типа «беличье колесо», причем между упругим элементом и расположенным непосредственно под ним участком общего корпуса подшипников образована кольцевая полость, в которой установлена осевая пружина, а общий корпус подшипников выполнен с возможностью осевого смещения, относительно упругого элемента, ограниченного с одной стороны торцом корпуса контактного графитового уплотнения, а с другой стороны торцом упругого элемента, причем упомянутый торец упругого элемента и ответная торцевая поверхность общего корпуса подшипников выполнены коническими относительно продольной оси опоры, где основание конуса расположено со стороны рабочих колес ротора турбомашины, при этом лабиринтное уплотнение, контактное кольцо и внутреннее кольцо роликового подшипника зафиксированы в осевом направлении посредством гайки, установленной по резьбе на цапфе ротора турбомашины и контактирующей с торцом внутреннего кольца роликового подшипника.
Такое конструктивное решение позволяет изменять жесткостные характеристики заявленной опоры при изменении частоты вращения ротора турбомашины за счет создания (на высоких рабочих оборотах ротора) или разрыва (на низких рабочих оборотах ротора) контакта по коническим поверхностям между общим корпусом подшипников и упругим элементом типа «беличье колесо», осуществляемого путем осевого смещения общего корпуса подшипников до обеспечения или устранения его контакта по коническим поверхностям с торцом упругого элемента. Перемещение общего корпуса подшипников осуществляется за счет трансформации радиальной нагрузки от грузов через качалки в осевую нагрузку, воздействующую на общий корпус подшипников и смещающую его осевом направлении через шариковый подшипник. На высоких рабочих оборотах ротора имеется контакт по коническим поверхностям между общего корпуса подшипников и упругим элементом, и радиальная нагрузка от ротора воспринимается непосредственно статором, минуя упругий элемент типа «беличье колесо», при этом жесткость опоры повышается обеспечивая снижение уровня вибрационных напряжений в конструкции турбомашины за счет увеличения частоты проявления высокочастотного резонанса сверх частоты высоких рабочих оборотов ротора. На низких рабочих оборотах ротора отсутствует контакт по коническим поверхностям между общего корпуса подшипников и упругим элементом, и радиальная нагрузка от ротора воспринимается статором через упругий элемент типа «беличье колесо», обладающий повышенной податливостью, при этом жесткость опоры снижается, обеспечивая снижение уровня вибрационных напряжений в конструкции турбомашины за счет уменьшения частоты возникновения низкочастотного резонанса ниже частоты низких рабочих оборотов ротора.
На фигуре 1 представлен продольный разрез заявленной опоры в режиме с низкой жесткостью.
На фигуре 2 представлен продольный разрез заявленной опоры в режиме с высокой жесткостью.
Радиальная упругая опора ротора турбомашины содержит последовательно установленные на цапфе ротора турбомашины 1 со стороны рабочих колес ротора турбомашины лабиринтное уплотнение 2, контактное кольцо 3, с которым взаимодействует контактное графитовое уплотнение 4, роликовый подшипник 5, наружное кольцо 6 которого установлено в корпусе роликового подшипника 7, при этом лабиринтное уплотнение 2, контактное кольцо 3 и внутреннее кольцо роликового подшипника 8 зафиксированы в осевом направлении посредством гайки 9, установленной по резьбе на цапфе ротора турбомашины и контактирующей с торцом внутреннего кольца роликового подшипника 8, а корпуса 10, 11 всех упомянутых уплотнений 2 и 4 жестко соединены (посредством фланцевых соединений) с корпусом опоры 12 через упругий элемент типа «беличье колесо» 13.
Также заявленная опора содержит шариковый подшипник 14, наружное кольцо 15 которого установлено в корпусе шарикового подшипника 16, выполненного зацело с корпусом роликового подшипника 7 с образованием общего корпуса подшипников, а внутреннее кольцо шарикового подшипника 17 закреплено на наружном диаметре вспомогательной втулки 18, которая соединена с торцом цапфы ротора турбомашины 1 посредством расположенных по окружности шарнирных V-образных механизмов, каждый из которых образован двумя качалками 19, соединенными друг с другом посредством шарнирного соединения 20, при этом в месте их соединения установлен груз (на фигурах чертежей не показан), расположенный на диаметре, меньшем, чем диаметр внутреннего кольца вспомогательной втулки 18, а свободные концы качалок 19 соединены со вспомогательной втулкой 18 и торцом цапфы ротора турбомашины соответственно посредством шарнирных соединений 21,22, при этом упомянутый общий корпус подшипников установлен в упомянутом упругом элементе типа «беличье колесо» 13, причем между упругим элементом типа «беличье колесо» 13 и расположенным непосредственно под ним участком общего корпуса подшипников образована кольцевая полость 23, в которой установлена осевая пружина 24, а общий корпус подшипников выполнен с возможностью осевого смещения, относительно упругого элемента типа «беличье колесо» 13, причем осевое смещение общего корпуса подшипников ограничено с одной стороны торцом корпуса контактного графитового уплотнения 11, а с другой стороны торцом упругого элемента типа «беличье колесо» 13, причем упомянутый торец упругого элемента типа «беличье колесо» 13 и ответная торцевая поверхность общего корпуса подшипников выполнены коническими относительно продольной оси поры, где основание конуса расположено со стороны рабочих колес ротора турбомашины.
При работе турбомашины с малыми оборотами ротора центробежная сила от грузиков слишком мала и не может противодействовать через шарнирные V-образные механизмы и шариковый подшипник 14 осевой силе пружины 24. При этом общий корпус подшипников смещен до упора в корпус контактного графитового уплотнения 11 и радиальные усилия от ротора передаются на корпус опоры 12 и статор через упругий элемент типа "беличье колесо" 13. В указанном режиме работы жесткость опоры становится минимальной, при которой частота резонансных колебаний ротора становится ниже частоты его рабочих оборотов. Вследствие устранения резонанса на рабочих оборотах ротора вибрационные нагрузки в роторе и опоре сводятся к минимуму.
При работе турбомашины с высокими оборотами ротора центробежная сила от грузов превышает усилие от пружины 24. При этом общий корпус подшипников смещается до упора в коническую поверхность упругого элемента типа «беличье колесо» 13 и радиальные усилия от ротора передаются на корпус опоры 12 и статор через стык конических поверхностей, не задействуя упругий элемент типа «беличье колесо» 13. В указанном режиме работы жесткость опоры становится максимальной, при которой частота резонансных колебаний ротора становится выше частоты его рабочих оборотов. Вследствие устранения резонанса на рабочих оборотах ротора вибрационные нагрузки в роторе и опоре сводятся к минимуму.