УСТРОЙСТВО ПРИВОДНОГО ВАЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ВОЗДУШНОЕ СУДНО
GAS-TURBINE ENGINE DRIVE SHAFT DEVICE, GAS-TURBINE ENGINE AND AIRCRAFT

Настоящее изобретение относится к устройству приводного вала газотурбинного двигателя.
Такие валы проходят радиально через газотурбинные двигатели и подходят для выполнения запуска двигателя или приведения в движение другого элемента центрального оборудования снаружи. Они проходят через каналы потока газа, будучи заключенными в радиальные опоры, что должно приводить к низким уровням возмущений в потоке и потерь эффективности, а также они должны быть герметичными для предотвращения утечек смазки в поток. Подшипник зачастую расположен вокруг промежуточного участка вала для его поддержания. Со ссылкой на патенты Франции 2824362 и 2921423 описаны некоторые существующие конструкции, не относящиеся к настоящему изобретению, таких приводных валов. Другая конструкция описана в документе GB-A-926947.
Существующие статоры зачастую имеют единую конструкцию, содержащую круглый, так называемый промежуточный, корпус, так называемый наружный обод, являющийся круглым и концентричным с корпусом и окружающим его, направляющие поток лопатки, соединяющие корпус с ободом, выполненные как одно целое с ними. Радиальные опоры расположены в местах в окружности лопаток так, чтобы упрочнить соединение корпуса и обода, и также жестко соединены с ними; одна из этих опор содержит приводной вал. Опорный подшипник вала, как правило, устанавливается на отдельно стоящий опорный элемент, содержащий установочный фланец, присоединенный болтами к концевому фланцу промежуточного корпуса.
Смазка оборудования, смежного с валом, такого как подшипник, должна обеспечиваться либо изнутри вала путем центрифугирования и оборудования смазочных каналов, дефлекторов и уловителей, либо путем подачи извне. Для того чтобы не распылять масло на круглый корпус, пересекаемый валом, цилиндрические оболочки добавляются вокруг валов для того, чтобы удерживать объем, содержащийся в них. Однако следует понимать, что эти оболочки представляют собой усложнение конструкции двигателя, и они требуют увеличения ширины радиальной опоры для размещения в нем и, таким образом, среднего участка сечения опоры, препятствуя потоку газа. Крепление подшипника на опорном элементе, присоединенном болтами к корпусу, также приводит к отсутствию точности расположения, что отрицательно влияет на правильное выравнивание вала. В конечном счете, поддержание герметизации между смазываемыми областями, окружающими вал, и компонентами, расположенными снаружи колеса, и в особенности каналами для потока станет более сложным, если радиальные опоры больше не будут составлять одно целое с наружным ободом и промежуточным корпусом, а будут соединяться с ними; однако такая конструкция будет предпочтительной, поскольку ее легче изготовить, чем цельную конструкцию, и поскольку она обеспечивает возможность замены лопаток, если это потребуется.
Настоящее изобретение относится к устройству приводного вала газотурбинного двигателя, подходящему для предотвращения этих различных недостатков, которое в особенности совместимо с конструкцией газотурбинного двигателя, в котором лопатки и радиальные опоры соединяются с ободом и корпусом после их отдельного изготовления.
Эта радиальная опора представляет собой по существу направляющий профиль, расположенный за лопастями направляющего аппарата, и встроенный в промежуточный корпус; его, как правило, называют «опорой лопаток направляющего аппарата», и он механически встроен в промежуточный корпус.
Она подходит для обеспечения трех функций, упомянутых или предложенных выше:
- функция аэродинамического направления;
- функция структурной прочности относительно промежуточного корпуса и, таким образом, газотурбинного двигателя;
- функция механической интеграции, то есть формирование корпуса для промежуточного подшипника радиального вала.
Эта «опора лопаток направляющего аппарата» является герметичной для объединения с промежуточным подшипником приводного вала.
В главном варианте выполнения изобретение относится к устройству приводного вала газотурбинного двигателя, содержащему, помимо вала, круглый корпус, круглый обод, окружающий корпус, полую радиальную опору, соединяющую корпус с ободом и пересекаемую валом, также проходящим в корпус, при этом опорный подшипник вала установлен на опорном элементе, закрепленном на корпусе, радиальная опора соединена с корпусом и не выполнена с ним как одно целое, радиальная опора содержит бобышку, снабженную каналом, при этом устройство отличается тем, что оно содержит манжету для соединения опоры с корпусом, при этом бобышка и манжета соединяются путем зацепления друг в друга, вал проходит через бобышку и манжету, прокладка обеспечивает герметичность между манжетой и бобышкой, и подшипник устанавливается в манжете.
Манжета, окружающая приводной вал, напоминает оболочку в соответствии с известной конструкцией, но не проходит в радиальную опору и действует больше как соединение между опорой и корпусом, обеспечивает герметизацию от внешней среды, при этом соединение в соответствии с традиционной конструкцией было обеспечено при помощи целостности материала. Герметичность, обеспечиваемая манжетой, снабженной прокладкой, обеспечивает возможность исключить целостность между радиальной опорой и корпусом; отсутствие манжеты или оболочки в радиальной опоре подходит для снижения его ширины и увеличивает поток газа вокруг опоры; в конечном счете, использование манжеты для установки подшипника представляет существенное преимущество, поскольку манжета устанавливается на корпус с удовлетворительной точностью в положении, по существу смежном с опорой подшипника и вдоль ее оси.
Подобная конструкция может быть предпочтительным образом предложена по другую сторону радиальной опоры: последняя также соединяется с ободом, не образуя с ним единого целого, и устройство содержит дополнительную соединительную манжету, соединяющую обод с опорой путем обеспечения герметичности, при этом опора проходит через упомянутую другую манжету.
Радиальная опора для типовых направляющих лопаток может быть сконструирована независимо от обода и соединяться с ним без потери герметичности. Вторая манжета дополнительно представляет собой короткую муфту между ободом и опорой лопаток направляющего аппарата, обеспечивая свободу положения между наружным ободом корпуса и опорой лопаток направляющего аппарата, в то же время обеспечивая герметичность создаваемой полости, в которую помещен приводной вал.
Манжета (или манжеты, если предусмотрены обе) предпочтительно содержит два цилиндрических подшипника, соответственно помещенных в бобышку с отверстием на опоре, и бобышку с отверстием, принадлежащую либо корпусу, либо ободу, при этом подшипники проходят от прокладок, проходящих вокруг подшипников. Сборка, таким образом, чрезвычайно проста.
В других конструкциях манжеты могут, тем не менее, быть встроены в корпус.
Манжета проходит предпочтительно через корпус, от наружного радиуса к его внутреннему радиусу, и, таким образом, сама по себе предотвращает распыление смазки внутри корпуса. Простая конструкция, подходящая для достижения такого результата, доступна, когда корпус содержит две бобышки с отверстиями, в продолжение которых соответственно помещены два цилиндрических подшипника манжеты, прокладки расположены между бобышками и подшипниками.
Корпус может содержать манжету корпуса, выполненную как одно целое с бобышкой и второй бобышкой, при этом упомянутая бобышка и упомянутая вторая бобышка расположены на наружном радиусе и внутреннем радиусе корпуса, и в манжету корпуса может быть вставлена вторая манжета.
Изобретение будет зачастую применимо для двухпоточных газотурбинных двигателей, содержащих два концентрических канала потока, корпус представляет собой промежуточный корпус, разделяющий упомянутые каналы. Манжета будет, таким образом, выполнять функцию герметичного соединения полостей, пересекаемых приводным валом, в радиальной опоре, как указано выше (пересечение внешнего вторичного канала), и в дополнительной радиальной опоре, пересекающей внутренний первичный канал.
Смазка может предпочтительно обеспечивается при помощи канала, выполненного как полость в валу, и через просверленные отверстия, пересекающие вал и проходящие от канала к подшипнику таким образом, чтобы подать некоторое количество смазки к подшипнику.
В соответствии с дополнительным улучшением вал может состоять из двух участков, соединенных пазами, для которых, как правило, должна обеспечиваться смазка; она может обеспечиваться через просверленные отверстия, пересекающие вал и проходящие от канала до круглой камеры, куда выходят пазы.
Дополнительными объектами изобретения являются газотурбинный двигатель воздушного судна, содержащий устройство, описанное в соответствии с вышеупомянутыми признаками, и воздушное судно, содержащее такой газотурбинный двигатель.
Изобретение будет далее описано более подробно со ссылкой на чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет конструкцию в соответствии с уровнем техники;
- фиг. 2 представляет вид лопастного колеса;
- фиг. 3 представляет общий вид возможного варианта выполнения изобретения;
- фиг. 4, 5, 6, 7 и 8 представляют подробные виды этого варианта выполнения;
- фиг. 9 представляет альтернативную конструкцию, относящуюся к другому варианту выполнения,
- и фиг. 10 изображает дополнительный вариант выполнения.
Как показано на фиг. 1, приводной вал 1 в соответствии с известной конструкцией проходит радиально через газотурбинный двигатель между устройством 2 двигателя и редуктором и приводной шестерней 3 зубчатого колеса 4 центральной оси 5, расположенной на оси двигателя. Газотурбинный двигатель имеет в этом случае двойной поток 1, проходящий через первичный канал 6 меньшего радиуса и вторичный канал 7 большего радиуса, проходящий через промежуточный корпус 8, разделяющий их до точки слияния потоков. Вторичный канал 7 снаружи ограничен наружным ободом 9, и устройство 2 двигателя проходит до его наружной части.
Со ссылкой также на фиг. 2 следует отметить, что статор газотурбинного двигателя содержит лопастное колесо 10, содержащее, снаружи внутрь, участок 11 наружного обода 9, радиальные опоры 12 и направляющие лопатки 13, распределенные по кругу по вторичному каналу 7, участок 14 промежуточного корпуса 8, дополнительные радиальные опоры 15 и дополнительные направляющие лопатки 16, также распределенные по кругу по вторичному каналу 6, и внутреннюю оболочку 17, определяющую внутренний радиус первичного канала 6. Лопастное колесо 10 проходит между компрессором 18 низкого давления и компрессором 19 высокого давления. Конструкция лопастного колеса единая, все его элементы изготовлены как единое целое путем литья. Вал 1 проходит через участки 11, 14 и внутреннюю оболочку 17 и одну из радиальных опор 12 и одну из радиальных опор 15, пересекая их от одного конца до другого. Он поддерживается подшипником 20, расположенным внутри участка 14 промежуточного корпуса 8 и поддерживаемым опорным элементом 21, снабженным фланцем 22 для установки на фланце 23 позади участка 14. Вал 1 окружен наружной оболочкой 24, проходящий от участка 11 наружного обода 9 до опорного элемента 21 и через внутреннюю манжету 25, проходящую от опорного элемента 21 до внутренней оболочки 17, при этом каждый из них, таким образом, проходит в радиальную опору 12 или 15. Оболочки 24, 25 образуют вместе опорным элементом 21 замкнутое пространство, в частности, содержащее подшипник 20, который, таким образом, может смазываться без утечки масла.
Эта конструкция обладает недостатками, описанными выше, из-за присутствия оболочек в радиальных опорах и типа опорного элемента, используемого для подшипника.
Вариант выполнения настоящего изобретением будет описан ниже с помощью следующих чертежей и сначала фиг. 3 и 4.
Цельное лопастное колесо 10 заменяется лопастным колесом такой же формы, но в котором направляющие лопатки и радиальные опоры присоединены болтами к элементам, соединяющимся с ними, участок промежуточного корпуса (здесь 114) и участок обода (здесь 111) теперь изготавливаются по отдельности.
Участок 114 промежуточного корпуса снабжен бобышкой 30 на своем внешнем периметре, которая располагается перед наружной радиальной опорой 112. Бобышка 30 содержит цилиндрический канал 31. Дополнительная бобышка 32 расположена перед внутренней радиальной опорой 115 (проходящей через первичный канал 6) и также содержит канал 33, проходящий от предыдущего канала 31. Манжета 34 помещается в каналы 31 и 33, ее концы представляют собой цилиндрические подшипники, давящие на каналы 31 и 33, снабженные уплотнительными кольцами 35, которые придают упомянутым каналам 31 и 33 герметичность. Манжета 34 удерживается болтами 36, помещенными в бобышку 30. Бобышки 30 и 32 располагаются на концах участка 14 промежуточного корпуса и поддерживаются ребрами 28 и 29. Внутренняя бобышка 32 выходит напрямую во внутреннюю радиальную опору 115, выполненную как одно целое с участком 114 промежуточного корпуса и внутренней оболочкой 117.
В соответствии с альтернативной конструкцией, показанной на фиг. 9, участок промежуточного корпуса, здесь 214, выполнен как одно целое с первой манжетой 234, проходящий из каналов 31 и 33. Однако вторая манжета 235 выполнена отдельно и помещена в наружный канал 31, имеет форму, подобную манжете 34 с точки зрения приема подшипника 38, соединения с бобышкой 30 при помощи болтов 36 и присутствия прокладки между ее цилиндрическим подшипником и каналом 31.
Манжеты 234 и 235 вместе, таким образом, замещают манжету 34 с тем преимуществом, что вторая манжета 235, которая является короткой и закрепленной в одном канале 31, просто устанавливается, и не существует какого-либо герметизирующего приспособления для внутреннего канала 33.
Приводной вал содержит две части, одна из которых представляет собой первичный вал 37, проходящий в манжете 34 и затем внутрь и заканчивающийся на приводной шестерне, здесь 103. Подшипник 38 (фиг. 5) расположен между первичным валом 37 и манжетой 34 так, чтобы поддерживать его в ней; внутреннее кольцо и наружное кольцо подшипника удерживаются в осевом направлении с помощью двух гаек 39 и 40, соответственно навинченных на первичный вал 37 и в манжету 34, и они опираются друг на друга противоположными плечами. Наружные радиальные опоры и направляющие лопатки внешнего канала, выполненные отдельно, устанавливаются на элемент 114 промежуточного корпуса при помощи болтов 41 (фиг. 6) (показан только один). Один конец первичного вала 37 проходит наружу из манжеты 34 и входит в полость 42 наружной радиальной опоры 112. Внутренняя поверхность радиальной опоры 112 содержит внутреннюю бобышку 43 с отверстием, зацепляющуюся с наружным концом манжеты 34, которая также снабжена прокладкой 35 для обеспечения между ними герметичности.
Радиальная опора 112 содержит (фиг. 7) наружную бобышку 44, противоположную предыдущей и также оснащенную каналом 45. Когда элемент 111 обода размещается и соединяется с радиальной опорой 112 при помощи болтов, бобышка 46, содержащаяся в нем, проходит по наружной бобышке 44, и канал 47 бобышки 46 является продолжением канала 45. Вторая манжета 48 помещена в каналы 45 и 47 и имеет два цилиндрических подшипника, также снабженных уплотнительными кольцами 35 для обеспечения герметичности между упомянутыми каналами. Эта конструкция из двух опор соединяет полость 42 радиальной опоры 112 с внешним пространством обода, в котором располагается блок двигателя, соответствующий блоку 2 двигателя, и с объемом, смежным с осью двигателя, содержащим ведущую шестерню 103, не нарушая герметичности и, в частности, не допуская сообщения с каналами потока газа, при этом манжета 34 соединяет полость 42 наружной радиальной опоры 112 с полостью внутренней радиальной опоры 115. Вторичный вал 49 (фиг. 3 и 8), формирующий приводной вал с первичным валом 37 и проходящий от наружного блока 102, проходит через полость 42 и до манжеты 34, где он соединяется с первичным валом 37 при помощи пазов 50.
Следует отметить, что первичный вал 37 и вторичный вал 49 могут быть наклонены относительно оси двигателя, в этом случае назад по направлению к окружающему пространству двигателя, и что радиальная опора 112 в таком случае предпочтительно наклонена на эквивалентный угол таким образом, чтобы вторичный вал постоянно находился в той же зоне, смежной с более широкой задней кромкой полости 42, и чтобы не было каких-либо требований по расширению радиальной опоры 112 в каком-либо месте.
Центральная чаша 54 (фиг. 3) вторичного вала 49 известной конструкции и конической цилиндрической формы, установленная в устройстве 2 двигателя (не показано), полностью включена в него, в то время как в ее нижнюю часть входит радиальная опора 12 в соответствии с конструкцией из уровня техники. Добавление второй герметизирующей манжеты 48, которая отбирает у центральной чаши 54 функцию герметизации между радиальной опорой 12 и устройством 102 двигателя, обеспечивает возможность поглощения нагрузок, передаваемых вторичному валу 49 от устройства 102 двигателя, и, таким образом, освобождает радиальную опору 112 без необходимости ее упрочнения.
Смазка устройства может быть осуществлена следующим образом. Смазывающее вещество из блока 102 двигателя впрыскивается в канал вторичного вала 49, который является полым подобно первичному валу 37. По достижению конца вторичного вала 49 смазывающее вещество входит в просверленные отверстия 51, выполненные в первичном валу 37 перед подшипником 38, и смазывает его. Оставшаяся часть смазывающего вещества достигает просверленных отверстий 52 на конце вторичного вала 49 и помогает смазывать пазы 50, достигая круглой камеры 53, расположенной перед ними. Смазывающее вещество, употребленное таким образом, достигает замкнутой полости, окружающей приводной вал, где оно не может соединиться с потоком в двигателе или быть чрезмерно распылено и где оно может быть восстановлено.
Для реализации изобретения допустимы прочие решения, которые могут, в частности, быть использованы в однопоточных газотурбинных двигателях.
Одно из этих решений представлено на фиг. 10. Соединительные манжеты, здесь рассматриваемые как отдельные части, могут фактически быть жестко соединены с прочими элементами сборки. Таким образом, корпус, здесь 314, может содержать манжету 334, встроенную в него, то есть выполненную с ним как одно целое, и проходящую между двумя каналами потока так же, как, например, манжета 34 из варианта выполнения по фиг. 4.
Одним из преимуществ этой конструкции является то, что прокладки, необходимые между манжетой 34 и корпусом 114, в этом случае могут быть исключены. Данный вариант выполнения может во всем остальном быть идентичен первому варианту выполнения. Однако может быть предусмотрен дополнительный альтернативный вариант выполнения: подшипник, здесь 338, помещенный в то же положение, что и подшипник 38 в соответствии с предыдущим вариантом выполнения, может представлять собой гладкий подшипник вместо роликового подшипника, как представлено ранее. Более того, эта свобода выбора типа подшипника относится ко всем вариантам выполнения изобретения.