ДВУХРОТОРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ОБОРУДОВАННЫЙ МЕЖВАЛЬНЫМ ОПОРНЫМ ПОДШИПНИКОМ
TWO-ROTOR GAS-TURBINE ENGINE FITTED WITH INTERSHAFT SUPPORT BEARING

Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности, для применения в авиации, содержащим ротор низкого давления и ротор высокого давления. В частности, оно относится к выполнению опорных подшипников, поддерживающих внутри картера двигателя валы НД и ВД, и, в частности, к задним опорным подшипникам.
Двухроторный газотурбинный двигатель содержит первый вращающийся узел, называемый ротором низкого давления НД, образованный валом, соединяющим компрессор НД на входе, при этом вход и выход (задний и передний) определяют относительно потока воздуха в двигателе, и турбину НД на выходе. Каждый из элементов компрессора и турбины может состоять из одной или нескольких ступеней. Два элемента НД отстоят друг от друга в осевом направлении и оставляют место для второго вращающегося узла, называемого ротором высокого давления ВД, образованного компрессором ВД, расположенным на выходе компрессора НД, и турбиной ВД, расположенной на входе турбины НД. Компрессор ВД и турбина ВД соединены механически друг с другом соединительным элементом в виде барабана. Камера сгорания двигателя, неподвижная относительно двух валов, является кольцевой и расположена в окружном направлении вокруг упомянутого барабана. В нее поступает воздух, последовательно сжимаемый компрессорами ступеней НД и ступеней ВД, и из нее выходят высокоэнергетические газообразные продукты горения, проходя последовательно на ступени ВД и НД турбины. Двигатель может содержать ротор вентилятора спереди, вращаемый валом НД. Известны также и другие конструкции, например, раскрытые в документе EР 0389353 A, СНЕКМА (26.09.1990). Здесь и далее по тексту сокращение НД обозначает низкое давление, а ВД высокое давление.
Известный двигатель, такой как CFM56, содержит конструктивные элементы картера, на которых через опорные подшипники установлены, в частности, вращающиеся узлы. На входе элемент картера, называемый промежуточным картером, содержит ступицу, поддерживающую вал НД через передний опорный подшипник НД. На выходе элемент картера, называемый выпускным картером, тоже содержит ступицу, поддерживающую вал НД через задний опорный подшипник НД. На выходе ротор ВД соединен с валом НД через межвальный опорный подшипник.
Двигатель, установленный на летательном аппарате, подвергается воздействию поперечных динамических нагрузок, когда летательный аппарат совершает маневры по изменению направления полета. При таком расположении опорных подшипников и при выполнении двигателя, в частности, имеющего большую длину по отношению к поперечному размеру ротора низкого давления НД, заявитель проанализировал поведение роторов ВД и НД, когда на двигатель действуют такие нагрузки маневрирования. Поперечное перемещение роторов вдоль оси двигателя является критическим параметром, поскольку это перемещение оказывает прямое влияние на зазоры на конце лопаток с кольцами статора. Эти зазоры должны оставаться в наименьших пределах, чтобы сохранить оптимальные характеристики.
Таким образом, заявитель поставил перед собой задачу уменьшения радиальных зазоров на конце лопаток роторов компрессора и турбины под нагрузками маневрирования.
В частности, заявитель преследует цель улучшения конструкции опорных подшипников, поддерживающих роторы в двухроторном газотурбинном двигателе, чтобы уменьшить поперечные перемещения вдоль оси двигателя, когда на двигатель, установленный на летательном аппарате, действуют нагрузки маневрирования.
В связи с этим, объектом настоящего изобретения является двухроторный газотурбинный двигатель, содержащий ротор низкого давления НД и ротор высокого давления ВД, установленные с возможностью вращения вокруг одной и той же оси в неподвижном картере двигателя, при этом ротор низкого давления содержит компрессор НД и турбину НД, соединенные валом низкого давления НД, при этом упомянутый вал НД установлен на переднем опорном подшипнике НД и на первом заднем опорном подшипнике НД в конструктивных элементах картера, при этом ротор ВД установлен на переднем опорном подшипнике ВД и на заднем опорном подшипнике ВД, при этом упомянутый двигатель отличается тем, что вал НД установлен на выходе в конструктивном элементе картера в дополнительном заднем опорном подшипнике НД.
Дополнительный задний опорный подшипник НД обеспечивает при взаимодействии с задним опорным подшипником НД лучшую посадку вала НД в выходной элемент картера.
Согласно другому отличительному признаку, дополнительный задний опорный подшипник НД расположен на входе по отношению к упомянутому заднему опорному подшипнику НД. Таким образом, дополнительный задний опорный подшипник НД имеет диаметр, превышающий диаметр упомянутого заднего опорного подшипника НД.
В частности, он имеет также диаметр, превышающий диаметр заднего опорного подшипника ВД, при этом задний опорный подшипник ВД является межвальным опорным подшипником между валом НД и ротором ВД, при этом ротор ВД опирается на вал НД.
Согласно варианту выполнения, дополнительный задний опорный подшипник НД расположен в осевом направлении между задним опорным подшипником ВД и задним опорным подшипником НД.
Согласно другому варианту выполнения, задний опорный подшипник ВД и дополнительный задний опорный подшипник НД расположены в соответствующих близких друг к другу поперечных плоскостях.
Предпочтительно задний опорный подшипник НД и дополнительный задний опорный подшипник НД опираются на один и тот же конструктивный элемент картера, при этом упомянутый конструктивный элемент картера содержит средства повышения радиальной жесткости. В частности, упомянутый конструктивный элемент картера образует конструктивный выпускной картер.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из описания варианта выполнения изобретения, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе известного газотурбинного двигателя с передним вентилятором;
фиг.2 - более детальный вид задней части двигателя, показанного на фиг.1;
фиг.3 - вид в осевом разрезе задней части двигателя, содержащей дополнительный задний опорный подшипник НД в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4 - циркуляция воздуха, вентилирующего герметичный корпус опорного подшипника в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - вариант выполнения опорных подшипников в соответствии с настоящим изобретением.
Показанный на фиг.1 газотурбинный двигатель 1 содержит внутри картера и от входа к выходу передний вентилятор 3, из которого часть сжимаемого им воздушного потока удаляется в атмосферу и радиально внутренняя часть направляется в двигатель. Двигатель последовательно содержит несколько ступеней компрессора, образующих компрессор 4 низкого давления НД, затем ступени компрессора 5 высокого давления ВД. Воздух поступает в диффузор, через который он заходит в камеру 6 сгорания. На выходе камеры сгорания газообразные продукты горения проходят через турбину 7 высокого давления ВД, затем в ступени турбины 8 низкого давления НД, наконец, газы выходят в атмосферу через не показанное выпускное сопло.
Конструктивно ротор компрессора НД 4 и ротор турбины НД 8 соединены механически валом НД 9, образуя, таким образом, ротор НД 9C. Ротор компрессора ВД 5 и ротор турбины ВД 7 образуют вместе с соединяющим их механически барабаном 10 ротор ВД 10C. Картер 2, в котором установлены два ротора НД и ВД 9C и 10C, содержит множество элементов, в том числе, - в рамках настоящего изобретения, - входной элемент картера, называемый промежуточным картером 2I, и выходной элемент картера, называемый выпускным картером 2E. Эти два элемента картера являются конструктивными, поскольку через них проходят усилия между двигателем и конструкцией летательного аппарата. Они образованы центральной ступицей и радиальными стойками, проходящими через газовоздушный тракт и соединяющими ступицу с наружной обечайкой.
Вращающиеся узлы установлены в ступицах при помощи набора опорных подшипников; в данном случае вал НД 9 соединен с валом вентилятора, который установлен на опорном подшипнике P1. На входе вал НД 9 установлен в опорном подшипнике P2. В свою очередь, опорные подшипники P1 и P2 установлены на промежуточном картере 21. На выходе вал НД установлен в опорном подшипнике, обозначенном P5, который, в свою очередь, установлен на выпускном картере 2E. Ротор ВД 10C соединен на выходе с валом НД 9 через межвальный опорный подшипник P4. На входе его поддерживает опорный подшипник P3, установленный в промежуточном картере.
На фиг.2 более детально показана задняя часть двигателя. Вал 9 ротора НД 9C проходит через диск турбины ВД 7. Он установлен на опорном подшипнике P5 в элементе 2E1 формы усеченного конуса ступицы выпускного картера 2E. Он содержит обойму с подшипниками качения, закрепленную между внутренней дорожкой, неподвижно соединенной с концевой цапфой 9C1 вала НД 9, и наружной дорожкой, неподвижно соединенной с усеченно-конусным элементом 2E1 ступицы. Ротор турбины НД 8 неподвижно соединен с валом НД 9.
Ближе к входу межвальный опорный подшипник P4 содержит обойму с подшипниками качения, установленную между внутренней дорожкой, неподвижно соединенной с валом НД 9, и наружной дорожкой, неподвижно соединенной с цапфой 10C1 на конце ротора ВД 10C и, в частности, соединенной с фланцем диска турбины ВД 7.
Далее со ссылками на фиг.3 следует описание варианта выполнения изобретения, который является производным от выполнения известного опорного подшипника, показанного на фиг.2.
На этой фиг.3 турбины ВД 7 и НД 8 остаются без изменений по сравнению с фиг.2. Вал НД обозначен позицией 19. Со стороны своего выходного конца он содержит цапфу 19C1, которая в данном случае выполнена в виде присоединяемой детали, но которая может быть также выполнена заодно с валом НД. Цапфа содержит часть 19C1A, которая находится в продолжении вала НД 19 и имеет, по существу, такой же диаметр. Она содержит другую часть 19C1В большего диаметра, соединенную радиальным участком 19C1C с первой частью 19C1A цапфы.
Ступица выпускного картера 12E содержит два усеченно-конусных участка 12E1 и 12E2, образующих опоры для двух опорных подшипников P5′ и P6 соответственно. Опорный подшипник P5′ расположен между частью 19C1A цапфы вала НД 19 и усеченно-конусным участком 12E2. Он содержит обойму подшипников качения, установленную между внутренней дорожкой или кольцом, неподвижно соединенным с частью 19C1A цапфы, и наружной дорожкой или кольцом, неподвижно соединенным с цилиндрическим продолжением 12E10 усеченно-конусного участка 12E1 ступицы выпускного картера.
Опорный подшипник P6 установлен между цилиндрической частью 19C1B большего диаметра цапфы 19C1 и цилиндрическим продолжением 12Е20 усеченного конусного участка 12E2 ступицы выпускного картера. Между двумя усеченными конусными участками в радиальных продольных плоскостях 12E3 выполнены нервюры жесткости, распределенные вокруг оси двигателя и предназначенные для повышения сопротивления радиальным усилиям, действующим на эти два усеченных конусных участка на их входном конце. Ступица содержит также продольные и радиальные нервюры 12E4, распределенные вокруг оси двигателя.
Цапфа 19C1 содержит цилиндрический участок 19C1D, продолжающий цилиндрический участок 19C1A в сторону входа и посаженный на наружные опорные поверхности вала 19. В кольцевом пространстве между двумя цилиндрическими участками 19C1B и 19C1D установлен межвальный опорный подшипник P4. Этот опорный подшипник содержит обойму подшипников качения, установленную между дорожкой или кольцом, неподвижно соединенным с цапфой 10C1, находящейся на выходном конце ротора ВД 10C, и наружной дорожкой или кольцом, неподвижно соединенным с кольцом 19C1E, которое в свою очередь установлено на цапфе 19C1 внутри цилиндрического участка 19C1B.
Как показано на фиг.3, цапфа 10C1 закреплена на заднем фланце диска турбины ВД 7. Цапфа 19C1 вала НД 19 закреплена болтами через радиальный фланец, внешний по отношению к цилиндрическому участку 19C1B, на конусе 8C, соединенным с одним из дисков ротора турбины НД 8. В данном случае ротор турбины НД состоит из четырех дисков турбины, объединенных в один блок турбины.
Система смазки показана на фиг.4. Замкнутое пространство для смазочного масла образовано лабиринтными прокладками, расположенными между частями, подвижными относительно друг друга.
Так, на входе комплекта опорных подшипников P4, P5′ и P6 находятся лабиринтные прокладки: L1 между цапфой 10С1 ротора ВД и валом НД 10, L2 между цапфой 10C1 и цапфой 19C1 вала НД 19, L3 между конусом 8C ротора турбины НД и ступицей выпускного картера 12E. На выходе лабиринтная прокладка L4 закрывает замкнутое пространство между валом НД 19 и ступицей выпускного картера 12E.
Стрелками F1, F2, F3, F4 и F5 показана циркуляция воздуха для повышения давления, который отбирают на входе и который позволяет поддерживать повышенное давление в замкнутом пространстве опорных подшипников по отношению к давлению в ступенях турбины низкого давления. Масло, поступающее через соответствующие каналы, смазывает подшипники качения опорных подшипников, что само по себе известно, и удаляется через внутреннее пространство вала НД 19, который содержит не показанный маслоуловитель.
В этой версии ставилась задача сохранения существующих деталей по сравнению с известным двигателем, чтобы ограничиться минимумом изменений. В частности, межвальный опорный подшипник P4 установлен на цапфе 10C1, которая не претерпела изменений. Таким образом, опорный подшипник P4 находится на входе относительно опорного подшипника P6.
Согласно варианту выполнения, показанному на фиг.5, опорный подшипник P4 перемещен в сторону выхода таким образом, чтобы он находился, по существу, в той же поперечной плоскости, что и опорный подшипник P6. Для этого удлинили цапфу на конце ротора ВД. На фиг.5 эта цапфа обозначена позицией 110C1. Цапфа вала НД тоже была изменена по сравнению с решением, показанным на фиг.3.
Заявленное решение имеет преимущество перед известным решением, где цапфа турбины ВД расположена снаружи по отношению к межвальному опорному подшипнику.
В этом последнем случае рабочий режим турбины ВД, превышающий рабочий режим вала турбины НД, установленного внутри, приводит к деформации этой детали, которая увеличивает свой объем.
Для обеспечения нормального рабочего зазора межвального подшипника качения его необходимо устанавливать в натяг между валом турбины НД и цапфой турбины ВД.
При монтаже во время стыковки турбины НД и ее вала с модулем ротора ВД необходимо нагреть цапфу турбины ВД, оборудованную наружным кольцом подшипника качения, чтобы она расширилась и позволила установить вал турбины НД, оборудованный внутренним кольцом и элементами качения этого же подшипника. Такой монтаж является сложным и трудоемким.
При решении в соответствии с настоящим изобретением цапфа турбины ВД оказывается расположенной внутри относительно межвального опорного подшипника, а вал турбины НД - снаружи этого же подшипника.
Таким образом, в отличие от монтажа согласно известному решению, турбину НД с ее валом, который, в свою очередь, оснащен наружным кольцом межвального подшипника качения, соединяют с зазором с цапфой турбины ВД, оборудованной внутренним кольцом и элементами качения подшипника. Таким образом, нет необходимости в нагреве цапфы турбины ВД. Монтаж намного облегчается. Зазор в холодном состоянии рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить нормальную работу подшипника, в зависимости от механических и термических условий системы и с учетом того, что режим работы цапфы турбины ВД превышает режим работы вала турбины НД.