УПРУГОДЕМПФЕРНАЯ ОПОРА РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ С ДЕМПФЕРОМ С ДРОССЕЛЬНЫМИ КАНАВКАМИ
ELASTIC DEFORMATION SUPPORT OF ROTOR OF TURBINE MACHINE WITH DAMPER WITH THROTTLE GROOVES

Упругодемпферная опора ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками относится к ГТД авиационного и наземного применения, а именно к конструкции упругодемпферной опоры компрессора турбомашины наземного применения или авиационного ГТД.
Известна упругодемпферная опора газотурбинного двигателя (см. патент РФ на полезную модель №92696, МПК7 F01D 25/16, Упругодемпферная опора газотурбинного двигателя, Волченкова Е.Г., Букреев А.Н., Интернет, файл 92696. html), содержащая подшипник, наружное кольцо которого прикреплено к обечайке, соединенной со статорным элементом при помощи разрезной втулки, образующей с ним демпфирующую полость, ограниченную уплотнениями. Обечайка снабжена ограничительным элементом, выполненным в виде выступов, установленных с зазором в ответных пазах статорного элемента, при этом выступы обечайки и пазы статорного элемента размещены в осевом направлении, а к боковым поверхностям пазов жестко прикреплены пластины.
Недостатками этой упругодемпферной опоры являются ее большие габариты как в осевом, так и в радиальном направлениях, получаемые за счет наличия в конструкции опоры обечайки и разрезной втулки. Кроме того, в качестве уплотнения демпфирующей полости в опорах роторов авиационных двигателей применяются резиновые уплотнительные кольца, которые при прецессировании ротора проскальзывают с сухим трением по статорному элементу, что приводит к их износу и, следовательно, к необходимости их многократной замены при выработке ресурса двигателем.
Известна также упругодемпферная опора турбомашины (см. патент РФ на изобретение №2265728, МПК7 F01D 25/16, Упругодемпферная опора ротора турбомашины, Некрасов С.С, Райков Ю.В. Опубл. 10.12.2005), содержащая подшипник и закрепленную на его наружной обойме обечайку, соединенную со статорным элементом при помощи разрезной втулки и образующую с ним демпфирующую полость. Обечайка и статорный элемент со стороны, противоположной разрезной втулке, снабжены торцовыми уступами, контактирующими между собой и выполненными за ними сопряженными шлицами. Кроме того, обечайка снабжена ограничителем осевого смещения.
Эта упругодемпферная опора конструктивно мало отличается от предыдущей и обладает теми же недостатками.
Известна также упругая опора ротора турбомашины (см. Кельзон А.С, Журавлев Ю.Н., Январев Н.В. Расчет и конструирование роторных машин. - Л.: Машиностроение, 1977), содержащая корпус, закрепленную в нем втулку, подшипник качения, напрессованную на его внешнее кольцо втулку с выступом, входящим в паз во внутреннем бурте втулки, закрепленной на корпусе с зазором по периметру паза, равным допустимому смещению ротора в опоре, упругое кольцо, размещенное между втулками, с радиальными, равномерно чередующимися наружными и внутренними выступами, выполненными соответственно на наружной и внутренней поверхностях кольца. Кроме того, в любой опоре ротора турбомашины либо созданы условия для смазки подшипника барботажем, либо она содержит форсунки или закрепленное на корпусе форсуночное кольцо с форсунками для подвода масла к подшипнику. Любая опора ротора турбомашины содержит также уплотнение масляной полости опоры, выполненное, например, либо в виде лабиринтного уплотнения, либо в виде радиально-торцового уплотнения (РТКУ), состоящего из крышки, закрепленной на корпусе, втулки, закрепленной на роторе и вращающейся вместе с ним, графитового разрезного уплотнительного кольца, прижатого сжатым воздухом к крышке и втулке, лабиринтного кольца, закрепленного на роторе и вращающегося вместе с ним, образующего с крышкой РТКУ вторичное лабиринтное уплотнение.
Достоинством этой упругой опоры является возможность выполнения ее с упругими характеристиками, требуемыми во многих практических приложениях.
Недостатками этой упругой опоры ротора турбомашины являются: ее незначительная демпфирующая способность, обусловленная тем, что масло при деформации кольца свободно выдавливается из зазоров, образованных выступами кольца, в их неуплотненные торцы;
большие радиальные размеры опоры, обусловленные наличием, кроме самого упругого кольца, еще двух втулок, закрепленных соответственно в корпусе и на подшипнике;
возможность проворота упругого кольца при прецессировании ротора, относительно втулок, на которые оно опирается.
И хотя проворот или вращение упругого кольца не изменяет упругих характеристик опоры, но приводит к дополнительному износу выступов упругого кольца.
Заметим, что примеры опор роторов турбомашин, у которых подшипник смазывается барботажем, приведены ниже, а примеры опор со смазкой подшипника подачей масла форсунками см., например, Технические описания ГТД серии НК - описания ГТД НК 12 - MB, НК - 8, Техническое описание ТРДД АИ - 25, описание конструкции передней опоры компрессора низкого давления этого двигателя.
Известна конструкция передней опоры ротора компрессора высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя АИ - 25 (см. А.С. Виноградов. Конструкция ТРДД АИ - 25. Электронное учебное пособие. Самарский государственный аэрокосмический университет. Самара, 2013, - с. 46, 47), содержащая корпус подшипника, шариковый подшипник, упругое кольцо с выступами на наружном и внутреннем диаметрах, расположенными так, что выступ на наружном диаметре приходился посередине между выступами на внутреннем диаметре. В корпус подшипника запрессован стакан со специальными окнами для слива масла и буртом для восприятия осевых нагрузок, действующих на шариковый подшипник. В торец бурта запрессован штифт, который фиксирует от проворота гладкое кольцо, посаженное с натягом на наружную обойму подшипника. Упругое кольцо с выступами установлено между стаканом и гладким кольцом и зафиксировано от проворота относительно последнего двумя торцовыми выступами, входящими в ответные пазы, выполненные на бурте гладкого кольца. Радиально-торцовое контактное уплотнение опоры состоит из втулки, установленной на вал ротора, разрезного уплотнительного графитового кольца, которое при наддуве воздуха прижимается торцом к плоской поверхности этой втулки, а наружной поверхностью - к цилиндрической поверхности втулки, установленной в стакане, предотвращая таким образом попадание масла из полости подшипника в воздушный тракт. Между втулкой, установленной в стакане, и другими невращающимися деталями опоры установлено регулировочное кольцо, которое служит для обеспечения гарантированного минимального зазора между торцом наружной обоймы подшипника и этой втулкой.
Недостатки этой опоры те же, что и у вышеописанной, за исключением возможности проворота упругого кольца, которое у этой опоры фиксируется от проворота вышеописанным образом.
Известна также конструкция передней упругодемпферной опоры ротора вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой сгорания АЛ - 31Ф (см. Турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ - 31Ф. Учебное пособие. Под редакцией А.П. Назарова. Издание ВВИА им. Акад. Н.Е. Жуковского, опубл. 29.12.1994, с. 55). Опорным элементом опоры является роликовый подшипник, смазываемый барботажем. Внутреннее кольцо подшипника, элементы уплотнений размещены на передней цапфе. От осевых перемещений они фиксируются фланцем фигурной втулки, закрепленной на цапфе. Для охлаждения кольца, закрепленного на цапфе, с которым контактирует графитовое уплотнительное кольцо радиально-торцового контактного уплотнения (РТКУ) через отверстия в фигурной втулке и цапфе подводится масло из масляной полости внутри цапфы. Воздух из трубы, расположенной внутри цапфы и образующей воздушную полость в ней, через отверстия в ней и цапфе подводится для наддува предмасляной полости опоры. Наружное кольцо подшипника и РТКУ смонтированы в одном стальном стакане, который крепится к корпусу подшипника. Корпус подшипника упругоподвижный и связан с неподвижным фланцем ступицы через пятьдесят упругих перемычек типа «беличье колесо». В зазор между корпусом подшипника и ступицей установлено многоопорное упругое кольцо с калиброванными отверстиями, выполненными в пролетах кольца между выступами. При колебаниях ротора многоопорное упругое кольцо деформируется, масло через калиброванные отверстия перетекает из одной полости в другую, рассеивая энергию колебаний ротора.
У этой опоры два упругих элемента - многоопорное упругое кольцо и втулка типа «беличье колесо», жесткости которых включены параллельно (суммируются). В данном случае это целесообразно, так как позволяет получить требуемую большую жесткость опоры, и при этом обеспечиваются меньшие напряжения в этих элементах.
Но это сильно усложняет конструкцию опоры, ведет к появлению различных «промежуточных» деталей, и значительно увеличивает ее габаритные размеры, особенно осевые - за счет применения втулки типа «беличье колесо».
Выполнение большого числа калиброванных отверстий небольшого диаметра в многоопорном упругом кольце значительно усложняет технологию его изготовления, увеличивает вероятность их закоксовывания при работе опоры при повышенной температуре.
Демпфер опоры заполняется маслом через отверстия в корпусе подшипника напрямую из масляной полости опоры. Гидравлическое сопротивление этого тракта невелико. За счет этого снижаются перепады давлений на калиброванных отверстиях и гидравлические потери в них. Следовательно, снижаются демпфирующие свойства опоры.
Отметим, что этот недостаток - заполнение демпфера маслом напрямую, через элементы с малым гидравлическим сопротивлением из масляной полости опоры или соединение полости демпфера с масляной полостью подшипника через эти элементы, по нашему мнению, является типичным для опор современных турбомашин.
К числу недостатков этой опоры следует также отнести возможность проворота многоопорного упругого кольца при прецессировании ротора.
Эта упругая опора ротора турбомашины по технической сущности наиболее близка к предлагаемому изобретению и принята за прототип.
Ставится задача создания опоры ротора турбомашины с хорошими упругими и прочностными характеристиками, но с меньшими, чем у прототипа, радиальными и осевыми размерами, и более высокими, чем у него демпфирующими характеристиками, с надежной фиксацией от проворота упругого элемента и высокой износостойкостью его выступов.
Поставленная задача решается тем, что предлагается упругодемпферная опора ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками, содержащая корпус, втулку, закрепленную в корпусе, упругое кольцо с равномерно чередующимися наружными и внутренними выступами, выполненными соответственно на наружной и внутренней поверхностях кольца, подшипник качения, смазываемый барботажем или через форсунки, закрепленные непосредственно на трубопроводах, подающих масло, либо через форсуночное кольцо с форсунками, закрепленное на корпусе, уплотнение масляной полости опоры, выполненное, например, либо в виде лабиринтного уплотнения, либо в виде радиально-торцового уплотнения (РТКУ), состоящего из крышки, закрепленной на корпусе, втулки, закрепленной на роторе и вращающейся вместе с ним, графитового разрезного уплотнительного кольца, прижатого сжатым воздухом к крышке и втулке, лабиринтного кольца, закрепленного на роторе и вращающегося вместе с ним, образующего с крышкой РТКУ вторичное лабиринтное уплотнение, отличающаяся тем, что втулка, закрепляемая в корпусе, выполнена заодно целое с упругим кольцом с равномерно распределенными по окружности наружными выступами таким образом, что ее средняя часть выполнена в виде этого упругого кольца и торцевая цилиндрическая часть втулки с фланцем для крепления ее к корпусу и другая торцевая часть втулки с внутренним буртом жестко соединены с упругим кольцом на длине каждого наружного выступа, а на длине каждой впадины между двумя наружными выступами упругое кольцо отделено от этих частей втулки сквозными прорезями, причем наружная цилиндрическая поверхность этих частей и наружная цилиндрическая поверхность наружных выступов упругого кольца является одной и той же поверхностью, по которой втулка с натягом закрепляется в корпусе, а между этим упругим кольцом и внешним кольцом подшипника установлено второе упругое кольцо с равномерно чередующимися наружными и внутренними выступами таким образом, что срединные радиальные плоскости его наружных выступов совпадают с срединными радиальными плоскостями впадин между наружными выступами первого упругого кольца, с суммарным натягом по его наружным и внутренним выступам, равным 0÷h/2 мм, где h - высота выступов упругих колец, равная h=0, 15÷0,3 мм, и ширина второго упругого кольца равна ширине внешнего кольца подшипника, торцы кольцевого зазора, в котором установлено второе упругое кольцо, уплотнены металлическими уплотнительными кольцами, которые прижаты ответными полированными торцами к торцам внешнего кольца подшипника резиновыми уплотнительными кольцами, расположенными в кольцевых канавках в бурте втулки, выполненной заодно целое с упругим кольцом, и дополнительной втулки, закрепленной в корпусе совместно с этой втулкой, при смазке подшипника барботажем или форсунками, или форсуночного кольца и на каждом металлическом уплотнительном кольце выполнен выступ, который входит соответственно в ответный паз, выполненный в дополнительной втулке или в форсуночном кольце и ответный паз в бурте втулки, выполненной заодно целое с упругим кольцом, с зазором по периметру паза, меньшим смещения металлического уплотнительного кольца, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического и резинового уплотнительных колец, например, с зазором 0÷0,05 мм, а на внешнем кольце подшипника выполнен выступ, входящий в ответный несквозной паз в металлическом уплотнительном кольце с зазором по периметру паза, равным или немного большим допустимого смещения ротора в опоре, например, с зазором 0,15÷0,3 мм, и радиальный зазор между металлическими уплотнительными кольцами и втулкой, выполненной заодно целое с упругим кольцом, меньше смещения металлического уплотнительного кольца, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического и резинового уплотнительных колец, например, меньше 0,1 мм, и на торце металлического уплотнительного кольца, расположенного между внутренним буртом этой втулки и подшипником, выполнен выступ, входящий в ответный паз, выполненный во втором упругом кольце, с зазором по периметру паза, также равным или немного большим допустимого смещения ротора в опоре, например, с зазором 0,15÷0,3 мм, и твердость материала металлических уплотнительных колец меньше твердости материалов втулки, внешнего кольца подшипника и второго упругого кольца, и в корпусе выполнены герметичная полость, расположенная над одним из наружных выступов первого упругого кольца, в которую под давлением подается масло, и кольцевая канавка с прямоугольным радиальным сечением, сообщающаяся с этой полостью, а на наружной поверхности каждого наружного и внутреннего выступа второго упругого кольца, в окружном направлении, в середине ширины выступа выполнены дроссельные канавки, соединяющие впадины, прилегающие к выступу, и глубина этих канавок может быть равна или больше высоты выступов, например равна 0,15÷0,3 мм, а ширина, например, может быть равна 3÷5 мм, и впадины, образованные наружными выступами первого упругого кольца, сообщаются с впадинами, образованными наружными выступами второго упругого кольца, через радиальные равномерно расположенные по окружности отверстия, выполненные в первом упругом кольце в середине его ширины, в серединах пролетов между наружными выступами первого и второго упругих колец, либо выполненные в первом упругом кольце, в радиальных сечениях, проходящих через середины длины дроссельных канавок, выполненных на наружных выступах второго упругого кольца, впадины, расположенные между наружными выступами второго упругого кольца, сообщаются с впадинами, расположенными между внутренними выступами этого упругого кольца через радиальные равномерно расположенные по окружности отверстия, выполненные во втором упругом кольце в середине его ширины, в серединах пролетов между наружными и внутренними выступами этого упругого кольца, диаметр всех этих отверстий и их число выбирается из условия обеспечения полного заполнения маслом всех впадин и дроссельных канавок демпфера на всех рабочих режимах турбомашины при возможно меньших значениях этих параметров, и в случае смазки подшипника через форсуночное кольцо масло в канавку в форсуночном кольце, соединяющую его форсунки, поступает под давлением подачи из своей герметичной полости в корпусе, также расположенной над одним из наружных выступов первого упругого кольца, через канавку, выполненную в корпусе и несколько отверстий, выполненных во втулке, выполненной заодно целое с упругим кольцом, а герметичность полостей, выполненных в корпусе, обеспечивается натягом между этой втулкой и корпусом, величина которого выбрана такой, что определенная величина этого натяга сохраняется и при рабочих температурах упругодемпферной опоры.
Последовательное соединение двух упругих колец, во-первых, позволяет с обеспечением прочности упругих колец расширить диапазон упругих характеристик опоры в сторону меньших жесткостей, что является важным во многих практических случаях.
Во-вторых, организация у демпфера предлагаемой опоры двух трактов с дроссельными канавками, через которые при прецессировании ротора с большим гидравлическим сопротивлением по «длинному» пути, в окружном направлении продавливается масло, обеспечивает предлагаемой опоре демпфирующие характеристики в десятки раз более высокие, чем у прототипа, и диапазон их настолько широк, что при надлежащем выборе параметров этих трактов в большинстве практических случаев обеспечит оптимальное значение этих характеристик.
Определенный вклад в увеличение демпфирующих свойств опоры вносит и энергия, рассеиваемая при выдавливании масла из впадин, образованных наружными выступами первого упругого кольца, в кольцевую канавку в корпусе.
Важной особенностью предлагаемой упругодемпферной опоры является также разделение трактов, подающих масло в демпфер и на смазку подшипника - тракт демпфера сообщается с масляной полостью опоры только через дроссельный элемент с большим гидравлическим сопротивлением - зазоры по боковым поверхностям выступа на внешнем кольце подшипника, через которые масло из демпфера сливается в масляную полость опоры. За счет этого увеличено гидравлическое сопротивление тракта демпфера и, следовательно, увеличена его демпфирующая способность.
У предлагаемой опоры проскальзывания с сухим трением могут происходить только по наружным и внутренним выступам второго упругого кольца, но вследствие наличия дроссельных канавок в наружных и внутренних выступах, заполненных маслом под давлением, при прецессировании ротора происходит обильная смазка контактирующих поверхностей этих выступов, за счет чего существенно снижается темп их износа. Кроме того, на контактирующие поверхности упругого кольца может быть нанесено износостойкое покрытие.
Отверстия, выполненные в упругих кольцах, расположены в серединах пролетов потому, что в этих сечениях упругого кольца напряжения равны нулю и, следовательно, наличие этих отверстий в кольце не снижает его прочность.
В случае расположения этих отверстий в первом упругом кольце в радиальных сечениях, проходящих через середины длины дроссельных канавок наружных выступов второго упругого кольца, улучшается смазывание их контактных поверхностей, но при этом возрастают напряжения в первом упругом кольце в сечениях расположения отверстий не только за счет уменьшения площади этого сечения, но и за счет концентрации напряжений, обусловленной наличием отверстия, что должно быть учтено при обеспечении прочности упругого кольца.
Предлагаемая упругодемпферная опора ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками имеет существенно меньший радиальный размер кольцевого пространства между корпусом и внешним кольцом подшипника за счет отсутствия у предлагаемой опоры втулки, закрепленной на внешнем кольце подшипника, и выполнения первого упругого кольца заодно целое с втулкой, закрепленной в корпусе. Такое выполнение первого упругого кольца и втулки исключает возможность его проворота при прецессировании ротора. Проворот второго упругого кольца и внешнего кольца подшипника также не возможен из-за угловой фиксации их с помощью выступов, входящих в ответные пазы (один из этих элементов принадлежит детали, зафиксированной от проворота, а второй - детали, фиксируемой от него).
Применение металлических уплотнительных колец, упруго поджатых уплотнительными резиновыми кольцами к внешнему кольцу подшипника, обеспечивает более комфортные условия работы подшипника и исключает возможность появления в нем прижогов.
Кроме того, с целью повышения надежности уплотнения трактов демпфера, исключения возможности работы демпфера с раскрытыми уплотнительными стыками на рабочих режимах турбомашины предлагается упругодемпферная опора ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками, отличающаяся тем, что наружный диаметр уплотнительных резиновых колец, поджимающих металлические уплотнительные кольца, внутренние диаметры дополнительной втулки или форсуночного кольца, металлических уплотнительных колец и внутреннего бурта втулки, выполненной заодно целое с упругим кольцом, выбираются такими, что радиальное расстояние от наружной окружности, ограничивающей зону контакта резинового уплотнительного кольца с металлическим уплотнительным кольцом до наружной цилиндрической поверхности металлического уплотнительного кольца таково, что гидравлическое давление, действующее на каждое металлическое уплотнительное кольцо со стороны уплотнительного резинового кольца, уравновешивает в случае раскрытия стыка между металлическим уплотнительным кольцом и внешним кольцом подшипника гидравлическое давление, действующее на металлическое уплотнительное кольцо со стороны внешнего кольца подшипника, и на наружной цилиндрической поверхности металлических уплотнительных колец выполнены два, три и более равнорасположенные по окружности сквозные прямоугольные пазы шириной 4÷5 мм и высотой в несколько десятых долей миллиметра, например 0,2÷0,5 мм.
В случае раскрытия в работе уплотнительного стыка между металлическим уплотнительным кольцом и вторым упругим кольцом и внешним кольцом подшипника и попадания масла в стык в зоне их контакта образуется гидравлическое давление, распределенное по длине радиального размера этой зоны приблизительно по прямоугольнику на длине, равной толщине второго упругого кольца, и по прямоугольному треугольнику на длине радиального размера внешнего кольца подшипника с катетом, равным стороне этого прямоугольника. В зазоре между металлическим уплотнительным кольцом и форсункой и таким же кольцом и буртом втулки в зоне от наружной окружности, ограничивающей зону контакта резинового уплотнительного кольца до наружной цилиндрической поверхности металлического уплотнительного кольца, на радиальном размере этой зоны, гидравлическое давление будет распределено по прямоугольной эпюре со стороной прямоугольника, равной катету прямоугольного треугольника эпюры давления масла на металлическое уплотнительное кольцо со стороны внешнего кольца подшипника. Так как толщина второго упругого кольца всегда в несколько раз меньше радиального размера внешнего кольца подшипника всегда имеется возможность подбора конструктивных размеров внутренних диаметров дополнительной втулки или форсуночного кольца, металлических уплотнительных колец и внутреннего бурта втулки и наружного диаметра резиновых уплотнительных колец, контактирующих с ними, обеспечивающих уравновешивание гидравлического давления, действующего на торцы металлических уплотнительных колец.
Следовательно, при случайном раскрытии стыков, уплотняющих демпфер, стыки закроются под действием равнодействующей упругих сил, созданных резиновыми уплотнительными кольцами.
Наличие зазоров между металлическим уплотнительным кольцом и дополнительной втулкой, или форсуночным кольцом, или буртом втулки снаружи уплотнительного резинового кольца, в которых каветационная зона отсутствует, и гидравлическое давление в которых везде больше нуля, и сквозных пазов на наружной цилиндрической поверхности металлических уплотнительных колец, соединяющих демпферный зазор с этими зазорами, затрудняет появление и расширение каветационных зон в трактах демпфера и тем самым улучшает упругодемпфирующие свойства демпфера и, следовательно, упругодемпферной опоры и в целом всего ГТД.
Конструкции предлагаемых упругодемпферных опор ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками поясняются фигурами. На фигурах ротор изображен тонкой сплошной линией, как «обстановка» на сборочном чертеже.
На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемой упругодемпферной опоры ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками в случае применения для смазки подшипника форсуночного кольца с форсунками.
На фиг. 2 изображен главный вид втулки, выполненной заодно целое с упругим кольцом.
На фиг. 3 изображен разрез по А-А на фиг. 2.
На фиг. 4 изображен вид по стрелке Б на фиг. 1. Детали РТКУ на фиг. не показаны.
На фиг. 5 изображен вид по стрелке В на фиг. 1.
На фиг. 6 изображен разрез по Г-Г на фиг. 1.
На фиг. 7 изображен разрез по Д-Д на фиг. 1.
На фиг. 8 изображен разрез по Е-Е на фиг. 1.
На фиг. 9 изображен разрез по Ж-Ж на фиг. 1.
На фиг. 10 изображен продольный разрез упругодемпферной опоры с параметрами, обеспечивающими закрытие стыков, уплотняющих демпфер, при их случайном раскрытии.
Предлагаемая упругодемпферная опора ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками (см. фиг. 1) содержит корпус 1, втулку 2, закрепленную в корпусе, упругое кольцо 3 с равномерно чередующимися наружными 4 и внутренними выступами 5, выполненными соответственно на наружной и внутренней поверхностях кольца 3, подшипник качения 6, уплотнение масляной полости опоры, выполненное, например, либо в виде лабиринтного уплотнения (не показано), либо в виде радиально-торцового уплотнения (РТКУ), состоящего из крышки 7, закрепленной на корпусе 1 втулки 8, закрепленной на роторе 9 и вращающейся вместе с ним, графитового разрезного уплотнительного кольца 10, прижатого сжатым воздухом из отверстия 11 к крышке 7 и втулке 8, лабиринтного кольца 12, закрепленного на роторе 9 и вращающегося вместе с ним, образующего с крышкой 7 вторичное лабиринтное уплотнение, закрепленное на корпусе 1 форсуночное кольцо 13 с форсунками 14, через которые масло подается на смазку подшипника 6 и уплотнительного стыка разрезного графитового кольца 10 с втулкой 8 РТКУ. Втулка 2 (см. фиг. 2) выполнена заодно целое с упругим кольцом 15 с наружными выступами 16, равномерно распределенными по окружности, таким образом, что ее средняя часть выполнена в виде этого упругого кольца и торцевая цилиндрическая часть 17 втулки 2 с фланцем 18 для крепления ее к корпусу и другая торцевая часть 19 втулки 2 с внутренним буртом 20 жестко соединены с упругим кольцом 15 на длине каждого наружного выступа 16, а на длине каждой впадины 21 (см. фиг. 2) между наружными выступами 16 упругое кольцо 15 отделено от этих частей втулки 2 сквозными прорезями 22 (см. фиг. 2 и 3). Причем наружная цилиндрическая поверхность этих частей и наружная цилиндрическая поверхность наружных выступов 16 упругого кольца 15 является одной и той же поверхностью, по которой втулка 2 с натягом закрепляется в корпусе 1 (см. фиг. 1). Упругое кольцо 3 установлено между внешним кольцом 23 подшипника 6 таким образом, что срединные радиальные плоскости его наружных выступов 4 совпадают с срединными радиальными плоскостями впадин 21 (см. фиг. 2) между наружными выступами 16 упругого кольца 15, с суммарным натягом по его наружным 4 и внутренним 5 выступам, равным 0÷h/2 мм, где h - высота выступов упругих колец, равная h=0, 15÷0,3 мм. Ширина упругого кольца 3 равна ширине внешнего кольца 23 подшипника 6 (см. фиг. 1). Торцы кольцевого зазора, в котором установлено упругое кольцо 3, уплотнены металлическими уплотнительными кольцами 24 и 25, которые прижаты ответными полированными торцами к торцам внешнего кольца 23 подшипника 6 резиновыми уплотнительными кольцами 26, расположенными в кольцевых канавках форсуночного кольца 13 и в бурте 20 втулки 2. На металлическом уплотнительном кольце 24 выполнен выступ 27, а на металлическом уплотнительном кольце - выступ 28, которые входят соответственно в ответный паз 29 (см. фиг. 4), выполненный в форсуночном кольце 13, и в ответный паз 30 в бурте 20 втулки 2 (см. фиг. 5) с зазором по периметру паза, меньшим смещения металлического уплотнительного кольца, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического и резинового уплотнительных колец, например, с зазором 0÷0,05 мм. На внешнем кольце 23 подшипника 6 выполнен выступ 31 (см. фиг. 1 и 6), входящий в ответный несквозной паз 32 в металлическом уплотнительном кольце 25 с зазором по периметру паза 32, равным или немного большим допустимого смещения ротора в опоре, например, с зазором 0,15÷0,3 мм. Радиальный зазор между металлическими уплотнительными кольцами 24 и 25 и втулкой 2, закрепленной на корпусе 1 (см. фиг. 1) меньше смещения металлического уплотнительного кольца, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического и резинового уплотнительных колец, например, меньше 0,1 мм. На торце металлического уплотнительного кольца 25 выполнен выступ 33, входящий в ответный паз 34 (см. фиг. 1 и 7), выполненный в упругом кольце 3, с зазором по периметру паза 34, также равным или немного большим допустимого смещения ротора в опоре, например, с зазором 0,15÷0,3 мм. Твердость материала металлических уплотнительных колец 24 и 25 (см. фиг. 1) меньше твердости материалов втулки 2 и внешнего кольца 23 подшипника 6. В корпусе 1 выполнены герметичная полость 35, расположенная над одним из наружных выступов 16 упругого кольца 15, в которую под давлением подается масло, и кольцевая канавка 36 с прямоугольным радиальным сечением, сообщающаяся с этой полостью. На наружной поверхности каждого наружного 4 и внутреннего выступа 5 упругого кольца 3, в окружном направлении, в середине ширины выступа выполнены дроссельные канавки 37, соединяющие впадины, прилегающие к выступу. Глубина этих канавок может быть равна или больше высоты выступов, например равна 0,15÷0,3 мм, а ширина, например, может быть равна 3÷5 мм. Впадины 38 (см. фиг. 8), образованные наружными выступами 4 упругого кольца 3, сообщаются с впадинами 21, образованными наружными выступами 16 упругого кольца 15, через радиальные равномерно расположенные по окружности отверстия 39, выполненные в упругом кольце 15 в середине его ширины, в серединах пролетов между наружными выступами 4 и 16 упругих колец 3 и 15, либо выполненные в упругом кольце 15, в радиальных сечениях, проходящих через середины длины дроссельных канавок 37, выполненных на наружных выступах 4 упругого кольца 3 (не показано). Впадины 38, расположенные между наружными выступами 4 упругого кольца 3, сообщаются с впадинами 40, расположенными между внутренними выступами 5 этого упругого кольца, через радиальные равномерно расположенные по окружности отверстия 41, выполненные в упругом кольце 3 в середине его ширины, в серединах пролетов между наружными 4 и внутренними выступами 5 этого упругого кольца. Диаметр отверстий 39 и 41 и их число выбирается из условия обеспечения полного заполнения маслом всех впадин и дроссельных канавок демпфера на всех рабочих режимах турбомашины при возможно меньших значениях этих параметров. Масло в канавку 42 в форсуночном кольце 13 (см. фиг. 1), соединяющую его форсунки 14, поступает под давлением подачи из своей герметичной полости 43 в корпусе 1, также расположенной над одним из наружных выступов 16 упругого кольца 15, через канавку 44, выполненную в корпусе 1, и несколько отверстий 45 (см. фиг. 1 и 9), выполненных во втулке 2, закрепленной в корпусе 1, и через отверстия 46 и 47 (см. фиг. 1) в форсунках 14 в подшипник 6 и на коническую поверхность втулки 8 РТКУ, откуда под действием центробежных сил попадает через отверстия 48 во втулке 8 на смазку герметичного стыка между втулкой 8 и уплотнительным разрезным графитовым кольцом 1. Герметичность полостей 35 и 43, кольцевой канавки 36 и канавки 44, выполненных в корпусе 1, обеспечивается уплотнительным резиновым кольцом 49 и натягом между втулкой 2 и корпусом 1, величина которого выбрана такой, что величина этого натяга, достаточная для обеспечения герметичности этих конструктивных элементов, сохраняется и при рабочих температурах упругодемпферной опоры. Герметичность канавки 42 форсуночного кольца 13 обеспечивается уплотнительным резиновым кольцом 50 и натягом между форсуночным кольцом 13 и втулкой 2. Причем этот натяг на рабочих режимах турбомашины будет уменьшаться, так как форсуночное кольцо 13 изготавливается из титана, а втулка 2 - из стали, а коэффициент температурного расширения титана меньше, чем у стали. Крышка 7 РТКУ образует сливную полость 51. Объем сливной полости 51 выполнен большим, так как из нее откачивается вспененное масло. Герметичность сливной полости 51 обеспечивается РТКУ и уплотнительным резиновым кольцом 52. Корпус 1 изготавливается из магниевого сплава и коэффициент температурного расширения этого сплава существенно больше, чем у стали, из которой изготовлена втулка 2, поэтому натяг между втулкой 2 и корпусом 1 значительно ослабляется на рабочих режимах турбомашины и совместное дополнительное крепление втулки 2 и форсуночного кольца 13 к корпусу 1 шпильками 53, гайками 54 и контровочными шайбами 55 обеспечивает на этих режимах прочность и надежность соединения втулки 2 и форсуночного кольца 13 с корпусом 1. Крышка 7 центрируется по фланцу 18 втулки 2 и крепится к корпусу 1 шпильками 53, гайками 54 и контровочными шайбами 55.
Предлагается также упругодемпферная опора ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками (см. фиг. 10), отличающаяся тем, что наружный диаметр уплотнительных резиновых колец 26, внутренние диаметры форсуночного кольца 13, металлических уплотнительных колец 24 и 25 и внутреннего бурта 20 втулки 2, закрепляемой в корпусе 1, выбираются такими, что радиальное расстояние от наружной окружности, ограничивающей зону контакта каждого резинового уплотнительного кольца 26 с металлическим уплотнительным кольцом 24 или 25 до наружной цилиндрической поверхности каждого металлического уплотнительного кольца таково, что гидравлическое давление, действующее на каждое металлическое уплотнительное кольцо 24 или 25 со стороны уплотнительного резинового кольца 26, уравновешивает в случае раскрытия стыка между металлическим уплотнительным кольцом и внешним кольцом 23 подшипника 6 гидравлическое давление, действующее на металлическое уплотнительное кольцо со стороны внешнего кольца подшипника. На наружной цилиндрической поверхности металлических уплотнительных колец 24 и 25 выполнены два три и более равнорасположенные по окружности сквозные прямоугольные пазы 57 шириной 4÷5 мм и высотой в несколько десятых долей миллиметра, например 0,2÷0,5 мм.
На фиг. герметичная полость 35 и выступ 31 условно показаны в одной радиальной плоскости. В реальной конструкции предлагаемых опор рекомендуется разместить их в различных радиальных плоскостях. Площадь поперечного сечения кольцевой канавки 36, выполненной в корпусе 1, рекомендуется выбирать большей суммарной площади поперечных сечений зазоров по боковым поверхностям выступа 31, но возможно меньшей из тех значений, при которых обеспечивается на рабочих режимах турбомашины полное заполнение маслом трактов демпфера.
Конструкция предлагаемых упругодемпферных опор с дроссельными канавками в случаях смазывания подшипника барботажем или через форсунки, закрепленные на трубопроводах, подающих масло, отличается от описанных выше в основном только тем, что на корпусе опоры вместо форсуночного кольца аналогичным образом закрепляется дополнительная втулка (на фиг. не показано).
Технология сборки предлагаемых упругодемпферных опор ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками ясна из описания их конструкции и специально не описывается.
При прецессировании ротора 9 (см. фиг. 1) подшипник 3 будет совершать прецессионное движение. При этом масло из зоны высокого давления будет выдавливаться в зону низкого давления, перетекая по трактам демпфера с большим гидравлическим сопротивлением, описанным выше, за счет чего предлагаемые опоры будут обладать очень высокими упругодемпфирующими характеристиками.
Замена масла в демпферных трактах опоры при работе турбомашины будет происходить постоянно за счет истечения его через зазоры по боковым поверхностям выступа 31, выполненного на внешнем кольце 23 подшипника 6.
Высокие демпфирующие характеристики опоры, как уже указывалось выше, обеспечиваются прежде всего высокими гидравлическими потерями при продавливании масла при прецессировании ротора из области высокого давления в область низкого давления из впадин, образованных наружными 4 и внутренними выступами 5 упругого кольца 3 через дроссельные канавки 37 в окружном направлении, по «длинному» пути.
Износостойкость контактирующих поверхностей наружных 4 и внутренних выступов 5 упругого кольца 3 у предлагаемой опоры увеличена за счет того, что при указанном выше натяге по этим выступам при смещении ротора в опоре, большем половины высоты выступа, эти выступы будут отрываться от контактирующих с ними поверхностей упругого кольца 15 и внешнего кольца 23 подшипника 6 и масло из дроссельных канавок 37 будет свободно проникать в образовавшиеся щели. В результате в зоне высокого давления проскальзывание внешнего кольца 23 подшипника 6 по внутренним выступам 4 упругого кольца 3 и наружных выступов 5 этого кольца по контактирующей с ними поверхности упругого кольца 15 будет происходить в режиме «жидкостного трения» или, по крайней мере, в режиме «полужидкостного трения».
Роторы современных турбомашин, как правило, закритические. Предлагаемые упругодемпферные опоры ротора турбомашины с демпфером с дроссельными канавками позволят во многих практических случаях так подобрать параметры упругих колец 3 и 15, что все рабочие режимы турбомашины будут располагаться вне ее резонансных областей, в интервалах с невысокими динамическими коэффициентами усиления колебаний, при этом при надлежащем подборе параметров трактов демпфера демпфирующие характеристики опоры могут быть оптимальными, при которых при переходе ротором резонансных областей на турбомашину будут воздействовать минимально возможные динамические перегрузки.
В настоящее время в отечественных и зарубежных авиационных ГТД находят применение упругодемферные опоры роторов с упругим элементом, закрепленным на корпусе опоры, выполненным в виде втулки - «беличьего колеса», к которой жестко крепится внешнее кольцо подшипника, образующее с втулкой, закрепленной в корпусе опоры, демпферный зазор, уплотненный по торцам резиновыми уплотнительными кольцами, в который под давлением подается масло.
Преимуществами этих опор, благодаря которым они нашли широкое практическое применение, являются расчетность упругого элемента, возможность создать опору с требуемыми упругими свойствами и прочностью, отсутствие износа упругого элемента при наработке за счет исключения эффекта «проскальзывания», очень высокие демпфирующие свойства демпфера с выдавливаемой пленкой смазки с уплотненными торцами.
Недостатками этих опор являются их большие осевые и радиальные габариты, обусловленные прежде всего осевым размером упругого элемента и радиальными размерами места крепления его к внешнему кольцу подшипника. Это приводит к увеличению других наиболее габаритных деталей и узлов двигателя, например, его корпусов и роторов, что, как следствие, приводит к ухудшению габаритных и весовых характеристик двигателя в целом и даже его КПД.
По нашему мнению, предлагаемые упругодемпферные опоры во многих практических случаях способны успешно заменить эти опоры, так как в этих случаях они реализуют в достаточной мере преимущества этих опор и лишены их недостатков. Так упругие элементы предлагаемых опор расчетны и позволяют в этих случаях создать опору с требуемыми упругими свойствами и прочностью. Уровень демпфирующих свойств предлагаемой опоры при габаритных размерах тракта демпфера с дроссельными канавками, равных габаритным размерам зазора демпфера с выдавливаемой пленкой смазки с уплотненными торцами, хотя и ниже, но, как указывалось выше, достаточно высок для того, чтобы при должном подборе параметров тракта демпфера обеспечить оптимальный уровень демпфирования для данной турбомашины. Создание режима «жидкостного трения» или режима «полужидкостного трения» на контактирующих поверхностях наружных 4 и внутренних выступов 5 упругого кольца 3 предлагаемых опор позволяет сделать ресурс его работы рентабельным.
При этом при такой замене осевой размер опоры может сократиться в разы. По нашему мнению, применение предлагаемых опор может оказаться особенно целесообразным при создании авиационных и др. ГТД военного применения.
К числу преимуществ предлагаемых упругодемпферных опор следует также отнести исключение возможности взаимного проскальзывания с сухим трением резиновых 26 и металлических 24 и 25 уплотнительных колец на всех режимах работы турбомашины. За счет этого может быть увеличен срок работы резиновых уплотнительных колец 26 до первой их замены.
Отметим, что все предлагаемые принципиальные отличительные признаки, стоящие в формуле изобретения после слова «отличающаяся», без затруднений могут быть использованы в широком круге известных конструкций опор роторов турбомашин, например, с радиальными и радиальноупорными шариковыми подшипниками, опор с лабиринтными уплотнениями масляной зоны опоры, опор, у которых подшипник находится в масляной зоне и его смазка осуществляется без применения форсуночного кольца с форсунками и др.
В последнем случае с целью повышения демпфирующих свойств опоры также рекомендуется, как это описано выше, масло в демпфер подавать по самостоятельному тракту, не связанному с масляной полостью опоры, из которой производится смазка подшипника, а слив масла из демпфера осуществлять в эту полость через дроссельный элемент.