Устройство охлаждения задних подшипниковых опор ротора газотурбинного двигателя (варианты)
COOLING DEVICE FOR REAR BEARING SUPPORTS OF THE GAS TURBINE ENGINE ROTOR (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к охлаждаемым турбинам газотурбинного двигателя авиационного применения, а именно к устройствам подачи охлаждающего воздуха и задним подшипниковым опорам ротора газотурбинных двигателей (ГТД).
Подшипниковые опоры ротора газотурбинных двигателей (далее ГТД) находятся в горячей зоне двигателя и работают в чрезвычайно тяжелых условиях, вследствие очень высокой рабочей температуры воздуха за компрессором которая достигает 500-600°C, а температура коксования лучших современных минеральных масел равна ≈ 200°C. Следовательно для обеспечения надежной работы подшипников ГТД необходима эффективная система охлаждения подшипниковых пор.
Перегрев подшипниковых опор приводит к тому, что смазка подшипника меняет свои свойства. Высокие температуры приводят к снижению вязкости смазки. Значительное превышение температурного режима может стать причиной синерзиса (расслоения) консистентной смазки. В этом случае базовое масло вытекает, во внутренней полости остаётся только загуститель, происходит коксообразование внутри опоры, подшипник становится неработоспособном. Вследствие этого возникает необходимость замены масла, что увеличивает стоимость эксплуатации, а также снижается безопасность, надежность и ресурс работы газотурбинного двигателя.
Важной задачей при проектировании ГТД является сохранение работоспособности подшипников путем обеспечения функционирования системы охлаждения.
Известно устройство охлаждения опор ГТД (патент на изобретение РФ №2702713, заявка №2018139110, дата подачи 07.11.2018 г., МПК F02C 7/06, F02C 7/14) содержащее систему охлаждения опор, включающую полость охлаждения, сообщенную с питающим воздуховодом.
Недостатком данного устройства является то, что охлаждающий воздух забирается от последних ступеней компрессора или камеры сгорания, при этом проходя через компрессор воздух нагревается, а следовательно охлаждение подшипниковых опор не эффективно без применения дополнительного охлаждающего устройства. Недостаточное охлаждение приводит к повышенному износу подшипника и как следствие выхода подшипникового узла из строя.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, выбранное в качестве прототипа (патент на изобретение РФ №2305786, заявка №2005130550, дата подачи 03.10.2005, МПК F02C 7/12, F01D 25/12), для охлаждения задних подшипниковых опор ротора ГТД, содержащее воздуховод подвода охлаждающего воздуха, жестко размещенный на статоре газотурбинного двигателя сообщенный своим входом с источником охлаждающего воздуха, а выходом - с охлаждаемой полостью ротора.
Основным недостатком известного устройства является то, что воздух отбирается от промежуточной ступени компрессора и протекая через компрессор, вдоль валов вращающихся со скоростью 10000…20000 обор/мин нагревается, что так же делает охлаждение подшипников неэффективным. Кроме того полость между роторами низкого и высокого давления имеет большой объем и сложную геометрию, что снижает давление подачи охлаждающего воздуха, а следовательно снижает эффективность охлаждения подшипниковых опор.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является обеспечение необходимого температурного режима подшипниковых опор ротора ГТД за счет эффективного охлаждения путем забора холодного атмосферного воздуха на входе в компрессор через профилированный воздуховод и охлаждение подшипников опор ротора через распределительный патрубок c отводами.
1. Технический результат достигается тем, что устройство охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя содержащее воздуховод подвода охлаждающего воздуха, жестко размещенного на статоре газотурбинного двигателя и сообщенным своим входом с источником охлаждающего воздуха, а другим выходом - с замкнутой охлаждаемой полостью ротора, в соответствии с предлагаемым изобретением по варианту 1 вход воздуховода соединен с приёмником холодного атмосферного воздуха, установленного перед компрессором, а выход воздуховода соединен с распределителем потока содержащего отводы, входящим в замкнутую охлаждаемую полость через трубку подвода, при этом крайние отводы установлены на расстоянии радиуса  от центральной оси двигателя, определяемого в диапазоне значений ,  по формулам вариационного ряда:
для минимального значения :
для максимального значения :
где
- радиус от оси двигателя до оси крайнего отвода;
- диаметр наружной обоймы подшипника;
- внутренний диаметр крайних патрубков,
- максимальный радиус от оси двигателя до оси крайнего отвода;
- минимальный радиус от оси двигателя до оси крайнего отвода;
при этом центральный отвод установлен в положении напротив внутренней обоймы подшипника на расстоянии радиуса  от центральной оси двигателя, определяемого по формуле:
где
- радиус от оси двигателя до оси центрального отвода;
- диаметр внутренней обоймы подшипника;
- внутренний диаметр центрального патрубка.
В устройстве по варианту 1 за счет забора холодного атмосферного воздуха на входе в компрессор через профилированный воздуховод и охлаждение подшипников ротора через распределительный патрубок c отводами, установленными непосредственно напротив охлаждаемых элементов подшипниковой опоры на определённом расстоянии происходит эффективное охлаждение и достигается необходимый температурный режим подшипниковых опор ротора ГТД.
Для более равномерного распределения охлаждающего воздуха на охлаждаемую поверхность подшипника могут быть установлены дополнительные промежуточные отводы, установленные между центральным и крайними отводами, наружной и внутренней обоймами подшипника соответственно.
Отвод может быть установлен на распределитель потока через переходной элемент в случае сложности подвода холодного воздуха к охлаждаемой поверхности подшипника.
В случае точечного подвода охлаждающего воздуха в место охлаждения подшипника отвод может быть выполнен сборным состоящим из патрубка с крышкой со сквозными отверстиями, направленными в сторону охлаждаемой поверхности.
Технический результат предполагаемого изобретения по варианту 2 достигается тем, что устройство охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя содержащее воздуховод подвода охлаждающего воздуха, жестко размещенного на статоре газотурбинного двигателя и сообщенным своим входом с источником охлаждающего воздуха, а другим выходом - с замкнутой охлаждаемой полостью ротора, вход воздуховода соединен с приёмником холодного атмосферного воздуха, установленного перед компрессором, а выход воздуховода соединен с распределителем потока содержащего отводы, входящим в замкнутую охлаждаемую полость через трубку подвода, при этом отводы установлены под углом  к оси распределителя потока в диапазоне .
Устройство по варианту 2 за счет забора холодного атмосферного воздуха на входе в компрессор через профилированный воздуховод и охлаждение подшипников ротора через распределительный патрубок c отводами, установленными под углом  к оси распределителя потока в диапазоне  позволяет достичь эффективного охлаждения и необходимого температурного режима подшипниковых опор ротора ГТД.
Для более равномерного распределения охлаждающего воздуха на охлаждаемую поверхность подшипника могут быть установлены дополнительные промежуточные отводы, установленные между центральным и крайними отводами, наружной и внутренней обоймами подшипника соответственно.
Отвод может быть установлен на распределитель потока через переходной элемент в случае сложности подвода холодного воздуха к охлаждаемой поверхности подшипника.
В случае точечного подвода охлаждающего воздуха в место охлаждения подшипника отвод может быть выполнен сборным состоящим из патрубка с крышкой со сквозными отверстиями, направленными в сторону охлаждаемой поверхности.
Следовательно, совокупность заявленных признаков на основании вышеизложенного позволяет обеспечить необходимый температурный режим подшипниковых опор ротора ГТД за счет эффективного охлаждения.
На фиг. 1 представлено устройство для охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя по варианту 1. На фиг. 2 изображено устройство для охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя по варианту 2. с установленными отводами в разных положениях. На фиг. 2а изображен вариант устройства для охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя по варианту 2 с крайними патрубками, установленными выше уровня наружной обоймы подшипника и центральным патрубком, установленным ниже уровня внутренней обоймы подшипника. На фиг. 2б изображен вариант устройства для охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя по варианту 2 с крайними патрубками, установленными ниже уровня наружной обоймы подшипника и центральным патрубком, установленным выше уровня внутренней обоймы подшипника.
На фиг. 3 показана схема охлаждения опор ротора ГТД. На фиг.4 изображен приёмник холодного атмосферного воздуха.
Позициями на фигурах обозначены:
1. - воздуховод (фиг. 3, 4);
2. - вход воздуховода 1 (фиг. 4);
3. - выход воздуховода 1 (фиг. 1, 2а, 2б);
4. - приёмник холодного воздуха (фиг. 4);
5. - распределитель потока (фиг. 1, 2а, 2б);
6. - крайний отвод (фиг. 1, 2а, 2б);
7. - центральный отвод (фиг. 1, 2а, 2б);
8. - подвод распределителя (фиг. 1, 2а, 2б);
9. - наружная обойма подшипника (фиг. 1, 2а, 2б);
10. - подшипник (фиг. 1, 2а, 2б);
11. - внутренняя обойма подшипника (фиг. 1, 2а, 2б);
12.  - радиус от оси двигателя до оси крайнего отвода (фиг. 1);
13.  - диаметр наружной обоймы подшипника (фиг. 1);
14.  - внутренний диаметр крайних патрубков (фиг. 1).
15.  - радиус от оси двигателя до оси центрального отвода (фиг. 1);
16.  - диаметр внутренней обоймы подшипника (фиг. 1);
17.  - внутренний диаметр центрального отвода (фиг. 1).
Устройство охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя по варианту 1 содержит воздуховод 1 (фиг. 3, 4) подвода охлаждающего воздуха, жестко размещенного на статоре газотурбинного двигателя (не показано) и сообщенным своим входом 2 (фиг. 4) с источником охлаждающего воздуха, а другим выходом 3 (фиг. 1, 2а, 2б) - с замкнутой охлаждаемой полостью ротора.
Вход 2 (фиг. 4) воздуховода 1 (фиг. 3, 4) соединен с приёмником 4 (фиг. 4) холодного атмосферного воздуха, установленного перед компрессором (не показано).
Выход 3 (фиг. 1, 2а, 2б) воздуховода 1 (фиг. 3, 4) соединен с распределителем 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока содержащего крайние отводы 6 (фиг. 1, 2а, 2б) и центральный отвод 7 (фиг. 1, 2а, 2б), входящим в замкнутую охлаждаемую полость через трубку подвода 8 (фиг. 1, 2а, 2б).
Крайние отводы 6 (фиг. 1, 2а, 2б) установлены на расстоянии радиуса  от центральной оси ГТД напротив наружной обоймы 9 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б), определяемого в диапазоне значений ,  по формулам вариационного ряда:
для минимального значения :
для максимального значения :
где,
- радиус от оси двигателя до оси крайнего отвода;
- диаметр наружной обоймы подшипника;
- внутренний диаметр крайних патрубков,
- максимальный радиус от оси двигателя до оси крайнего отвода;
- минимальный радиус от оси двигателя до оси крайнего отвода;
Центральный отвод 7 (фиг. 1, 2а, 2б) установлен в положении напротив внутренней обоймы 11 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б) на расстоянии радиуса  от центральной оси двигателя, определяемого зависимостью, согласно формуле 2:
(2)
где  - радиус от оси двигателя до оси центрального отвода;
- диаметр внутренней обоймы подшипника;
- внутренний диаметр центрального отвода.
Устройство может содержать дополнительные промежуточные отводы (не показано), установленные между центральным 7 (фиг. 1, 2а, 2б) и крайними 6 (фиг. 1, 2а, 2б) отводами, наружной 9 (фиг. 1, 2а, 2б) и внутренней 11 (фиг. 1, 2а, 2б) обоймами подшипника соответственно.
Отводы 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) и распределить 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока могут быть соединены переходным элементом (не показано) в случае сложности подвода охлаждающего воздуха к охлаждаемому элементу подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б).
Отвод 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) может быть выполнен сборным и состоящим из патрубка с крышкой со сквозными отверстиями (не показано), направленными в сторону охлаждаемой поверхности подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б).
Устройство по варианту 1 работает следующим образом.
Забор охлаждающего воздуха происходит на входе в компрессор через приемник 4 (фиг. 4), при этом обеспечивается необходимая температура охлаждающего воздуха, давление, а минимальные потери в системе подвода воздуха обеспечиваются за счёт профилированного трубопровода изготовленного методом послойного лазерного спекания.
Отводы 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) устанавливаются на распределитель 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока при помощи сварки или любым другим способом на требуемом расстоянии согласно формулам 1,2.
Отводы 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) изготавливают из титанового сплава для уменьшения массы устройства.
Охлаждающий воздух забирается из атмосферы через приемник 4 (фиг. 4) и за счёт давления создаваемого набегающим потоком он поступает в замкнутую охлаждаемую полость через распределитель 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока с отводами 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б).
Охлаждающий поток воздуха поступая в распределитель 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока делится по отводам 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б). Крайние отводы 6 (фиг. 1, 2а, 2б) направлены на охлаждение наружной обоймы 9 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б) и подают охлаждающий воздух как минимум в двух точках.
Для охлаждения внутренней обоймы 11 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б) вследствие её вращения охлаждающий воздух подают через один отвод 7.
За счёт целенаправленного распределения охлаждающего потока и точного направления на обоймы 9,11 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б) происходит эффективное охлаждения всей подшипниковой опоры.
Устройство охлаждения опор ротора газотурбинного двигателя по варианту 2 содержит воздуховод 1 (фиг. 3,4) подвода охлаждающего воздуха, жестко размещенного на корпусе турбины или выходном устройстве (не показано).
Воздуховод 1 (фиг. 3,4) сообщен своим входом 2 (фиг. 4) с источником охлаждающего воздуха, а другим выходом 3 (фиг. 1, 2а, 2б) - с замкнутой охлаждаемой полостью ротора.
Вход 2 (фиг. 4) воздуховода 1 (фиг. 3,4) соединен с приёмником 4 (фиг. 4) холодного атмосферного воздуха, установленного перед компрессором.
Выход 3 (фиг. 1, 2а, 2б) воздуховода 1 (фиг. 3,4) соединен с распределителем 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока содержащего отводы 6, 7 (фиг. 1, 2а, 2б), входящим в замкнутую охлаждаемую полость через трубку подвода 8 (фиг. 1, 2а, 2б).
Крайние отводы 6 (фиг. 1, 2а, 2б) установлены под углом  к оси распределителя 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока в диапазоне  таким образом, что охлаждающий поток воздуха направлен непосредственно на наружную обойму 9 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б), а центральный отвод 7 (фиг. 1, 2а, 2б) установлен под углом  к оси распределителя 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока в диапазоне  таким образом, что охлаждающий поток воздуха направлен непосредственно на внутреннюю обойму 11 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б).
Устройство может содержать дополнительные промежуточные отводы (не показано), установленные между центральным 7 (фиг. 1, 2а, 2б) и крайними 6 (фиг. 1, 2а, 2б) отводами, наружной 9 (фиг. 1, 2а, 2б) и внутренней 11 (фиг. 1, 2а, 2б) обоймами подшипника соответственно.
Отводы 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) и распределить 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока могут быть соединены переходным элементом (не показано) в случае сложности подвода охлаждающего воздуха к охлаждаемому элементу подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б).
Отвод 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) может быть выполнен сборным и состоящим из патрубка с крышкой со сквозными отверстиями (не показано), направленными в сторону охлаждаемой поверхности подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б).
Устройство по варианту 2 работает следующим образом.
Забор охлаждающего воздуха происходит на входе в компрессор через приемник 4 (фиг. 4), при этом обеспечивается необходимая температура охлаждающего воздуха, давление, а минимальные потери в системе подвода воздуха обеспечиваются за счёт профилированного трубопровода изготовленного методом послойного лазерного спекания.
Отводы 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) устанавливаются на распределитель 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока при помощи сварки или любым другим способом на требуемом расстоянии согласно формулам 1,2.
Отводы 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б) изготавливают из титанового сплава для уменьшения массы устройства.
Охлаждающий воздух забирается из атмосферы через приемник 4 (фиг. 4) и за счёт давления создаваемого набегающим потоком он поступает в замкнутую охлаждаемую полость через распределитель 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока с отводами 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б).
Охлаждающий поток воздуха поступая в распределитель 5 (фиг. 1, 2а, 2б) потока делится по отводам 6,7 (фиг. 1, 2а, 2б). Крайние отводы 6 (фиг. 1, 2а, 2б) направлены на охлаждение наружной обоймы 9 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б) и подают охлаждающий воздух как минимум в двух точках.
Для охлаждения внутренней обоймы 11 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б) вследствие её вращения охлаждающий воздух подают через один отвод 7.
За счёт целенаправленного распределения охлаждающего потока и точного направления на обоймы 9,11 (фиг. 1, 2а, 2б) подшипника 10 (фиг. 1, 2а, 2б) происходит эффективное охлаждения всей подшипниковой опоры.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает технический эффект.