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

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к конструкции узла соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя (ГТД).
Известен ГТД с узлом соединения роторов компрессора и турбины, содержащий валы компрессора и турбины низкого давления. Валы соединены между собой в окружном направлении через шлицевое соединение, а в осевом - через стяжную втулку. Контровочная труба соединена со стяжной втулкой через дополнительное шлицевое соединение. На промежуточном валу установлен межвальный шарикоподшипник, наружное кольцо которого установлено на внутренней поверхности вала компрессора высокого давления, а внутреннее - на наружной поверхности промежуточного вала (см. патент РФ №2303148, Кл. F02C 7/06, опубл. в 2007 г.).
Недостаток известного устройства состоит в том, что соединение вала компрессора с валом турбины в осевом направлении осуществляется через промежуточный вал с установленной в нем резьбовой втулкой посредством стяжной втулки. Контактирование торцовых поверхностей промежуточного вала и резьбовой втулки с торцовыми поверхностями валов компрессора и турбины при обязательном наличии торцовых биений поверхностей приводит к угловому смещению вала турбины относительно вала компрессора. Это приводит к дополнительному нагружению радиальной нагрузкой опор двигателя, при этом увеличивается момент сопротивления качению в подшипниках, появляется дополнительное тепловыделение в опорах двигателя.
Задачей изобретения является обеспечение соосности валов компрессора и турбины.
Указанная задача решается тем, что в узле соединения роторов компрессора и турбины ГТД, содержащем валы компрессоров высокого и низкого давления, вал турбины низкого давления, соединенный с последним в окружном направлении через шлицевое соединение, а в осевом - через стяжную втулку, контровочную трубу, соединенную с последней через дополнительное шлицевое соединение, промежуточный вал, установленный на валу компрессора низкого давления, и межвальный шарикоподшипник, наружное кольцо которого прикреплено к внутренней поверхности цапфы ротора компрессора высокого давления, а внутреннее - к наружной поверхности промежуточного вала, согласно изобретению, в шлицах вала компрессора низкого давления выполнена кольцевая проточка, в которую заведена упорная втулка с ответными шлицами, зафиксированная в осевом направлении, на торце которой выполнены выступы, на валу компрессора низкого давления установлена контровочная втулка, связанная с ним при помощи шлицевого соединения, с пазами, в которые заведены выступы упорной втулки, а по периферии последней установлена дополнительная втулка, связанная с ней при помощи резьбового соединения, при этом один конец дополнительной втулки контактирует с промежуточным валом, а второй снабжен выступом, контактирующим с торцом контровочной втулки.
Кроме того, на торце промежуточного вала выполнен радиальный паз, а упорная втулка снабжена дополнительным выступом, заведенным в последний. На торце дополнительной втулки, обращенном к валу турбины низкого давления, выполнен паз, между промежуточным валом и дополнительной втулкой установлена шайба, снабженная двумя выступами, один из которых заведен в радиальный паз промежуточного вала, а другой - в паз дополнительной втулки. На внутренней поверхности вала компрессора низкого давления выполнена резьба, между валом компрессора и контровочной трубой установлена гайка, на наружной поверхности которой выполнена резьба, контактирующая с резьбой вала компрессора низкого давления, а на внутренней поверхности выполнены шлицы, контактирующие со шлицами контровочной трубы.
Такое выполнение устройства обеспечивает уменьшение перекоса валов компрессора и турбины низкого давления при установленной стяжной втулке. Так как стяжная втулка служит только для осевого удержания вала турбины низкого давления, а также для регулирования осевого положения турбины низкого давления, вал турбины низкого давления соприкасается с валом компрессора низкого давления только через шлицевое соединение, в котором обеспечивается центровка валов, передача крутящего момента, а также преимущество шарнирного соединения. Это способствует уменьшению дополнительных радиальных нагрузок на подшипники качения, снижению тепловыделения, и следовательно, повышению долговечности подшипников.
Наличие на торце промежуточного вала радиального паза, а на упорной втулке дополнительного выступа позволяет поворачивать упорную втулку в окружном направлении на определенный угол до соприкосновения выступа упорной втулки с поверхностью паза промежуточного вала. Это позволяет однозначно смещать шлицы упорной втулки относительно шлицов вала компрессора низкого давления, обеспечивая осевую фиксацию упорной втулки.
При помощи шайбы, снабженной двум выступами, один из которых заведен в паз промежуточного вала, а другой - в паз дополнительной втулки, осуществляется окружная фиксация дополнительной втулки относительно промежуточного вала.
Гайка, установленная между валом компрессора низкого давления и контровочной трубой, ограничивает осевое перемещение стяжной втулки, а следовательно, и турбины низкого давления в осевом направлении в сторону компрессора.
На фиг.1 показан продольный разрез узла соединения роторов компрессора и турбины ГТД;
на фиг.2 - поперечный разрез А-А фиг.1.
Узел соединения роторов компрессора 1 и турбины 2 газотурбинного двигателя содержит валы компрессоров высокого 3 и низкого давления 4, вал турбины низкого давления 5, соединенный с последним в окружном направлении через шлицевое соединение 6, а в осевом - через стяжную втулку 7, контровочную трубу 8, соединенную с последней через дополнительное шлицевое соединение 9, промежуточный вал 10, установленный на валу компрессора низкого давления, и межвальный шарикоподшипник 11, наружное кольцо 12 которого прикреплено к внутренней поверхности цапфы ротора компрессора высокого давления, а внутреннее 13 - к наружной поверхности промежуточного вала 10. В шлицах вала компрессора выполнена кольцевая проточка 14, в которую заведена упорная втулка 15 с ответными шлицами 16, зафиксированная в осевом направлении, на торце которой выполнены выступы 17. На валу компрессора низкого давления установлена контровочная втулка 18, связанная с ним при помощи шлицевого соединения 19, с пазами 20, в которые заведены выступы 17 упорной втулки 15, а по периферии последней установлена дополнительная втулка 21, связанная с ней при помощи резьбового соединения 22. При этом один конец дополнительной втулки контактирует с промежуточным валом, а второй снабжен выступом 23, контактирующим с торцом контровочной втулки. На торце промежуточного вала выполнен радиальный паз 24, а упорная втулка снабжена дополнительным выступом 25, заведенным в последний. На торце дополнительной втулки, обращенном к валу турбины, выполнен паз 26, а между промежуточным валом и дополнительной втулкой установлена шайба 27, снабженная двумя выступами 28 и 29, причем выступ 28 заведен в радиальный паз 24 промежуточного вала, а выступ 29 - в паз дополнительной втулки 26. На внутренней поверхности вала компрессора низкого давления выполнена резьба 30, а между валом компрессора и контровочной трубой установлена гайка 31, на наружной поверхности которой выполнена резьба, контактирующая с резьбой вала компрессора, а на внутренней поверхности выполнены шлицы 32, контактирующие со шлицами контровочной трубы 8.
Сборка узла осуществляется следующим образом.
На промежуточном валу 10 устанавливается межвальный шарикоподшипник 11. Собранный узел монтируется на вал компрессора высокого давления 3. Затем вал компрессора низкого давления 4 устанавливается в промежуточный вал. После этого заводится упорная втулка 15 по шлицам 6 до кольцевой проточки 14. Далее упорная втулка поворачивается на определенный угол, так чтобы выступ 25 коснулся торца паза 24. Это приводит к тому, что шлицы 16 не совпадают со шлицами 6 вала компрессора. Затем заводится контровочная втулка 18, шлицы 19 которой совпадают со шлицами 6, при этом выступы 17 упорной втулки 15 заходят в пазы 20 контровочной втулки. Далее устанавливается шайба 27, выступ 28 которой заходит в паз 24 промежуточного вала. После этого завинчивается по резьбе 22 дополнительная втулка 21, торец 23 которой ограничивает осевое перемещение контровочной втулки 18, при этом выступ 29 шайбы входит в паз 26 дополнительной втулки. Таким образом, осуществляется соединение вала компрессора с промежуточным валом. Далее устанавливается вал турбины 5 по шлицевому соединению 6. Осевое положение и удержание осуществляется стяжной втулкой 7, которая удерживается гайкой 31. Стяжная втулка и гайка контрится контровочной трубой 8 шлицами 9.
Во время работы двигателя крутящий момент от ротора турбины 2 через шлицевое соединение 6 передается на ротор компрессора 1. В осевом направлении ротор турбины 2 удерживается посредством стяжной втулки 7, которая одним торцом упирается в торец вала компрессора 4, а другой торец зажат гайкой 31. Таким образом, осуществляется осевая фиксация турбины относительно компрессора. Суммарная осевая нагрузка роторов компрессора 1 и турбины 2 передается на промежуточный вал 10, стянутый с валом 4 посредством элементов 15, 18 и 21. Далее осевая нагрузка передается на подшипник 11 и на вал 3 компрессора высокого давления.
Такое выполнение устройства обеспечивает уменьшение перекоса валов компрессора и турбины низкого давления. Так как стяжная втулка служит только для осевого удержания вала турбины, а также для регулирования осевого положения турбины, вал турбины соприкасается с валом компрессора только через шлицевое соединение, в котором обеспечивается центровка валов, передача крутящего момента, а также преимущество шарнирного соединения. Это способствует уменьшению дополнительных радиальных нагрузок на подшипники качения, снижению тепловыделения, и следовательно, повышению долговечности подшипников.