ЦЕНТРИРУЮЩЕЕ И НАПРАВЛЯЮЩЕЕ ПО ВРАЩАТЕЛЬНОМУ ДВИЖЕНИЮ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE SHAFT CENTRING AND GUIDING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к центрирующему и направляющему по вращательному движению устройству для вала, в частности, для вала газотурбинного двигателя.
В общем случае вал газотурбинного двигателя центрируется и направляется по вращательному движению при помощи двух опорных средств, переднего и заднего соответственно, причем одно из этих опорных средств может содержать два подшипника качения, установленных рядом один с другим.
В том случае, когда направляющая опора вала содержит только один подшипник качения, эта направляющая опора в технике обычно называется "симплексной" и этот опорный подшипник качения представляет собой, например, роликовый подшипник или шариковый подшипник, удерживаемый при помощи жесткой кольцевой опоры, проходящей вокруг упомянутого вала.
В том случае, когда направляющая опора вала содержит два подшипника качения, эта направляющая опора в технике обычно называется "дуплексной" и содержит обычно одну роликовую опору или роликовый подшипник и одну шариковую опору или шариковый подшипник.
Шариковая опора или шариковый подшипник дуплексной опоры вала удерживается при помощи кольцевой опоры, имеющей гибкость, обеспечивающую возможность деформироваться в процессе функционирования и допускающую децентрирование шарикового подшипника в случае дисбаланса, позволяя, таким образом, роликовой опоре или роликовому подшипнику поглощать радиальные нагрузки.
Этот роликовый подшипник удерживается при помощи кольцевой опоры, которая также имеет определенную гибкостью для устранения проблем динамического характера. Однако, для того чтобы этот роликовый подшипник обеспечивал восприятие упомянутых выше радиальных нагрузок, гибкость опоры шарикового подшипника должна по меньшей мере в три раза превышать гибкость опоры роликового подшипника.
В том случае, когда обе опоры подшипников качения являются гибкими, амортизатор со сжатием масляной пленки обычно располагается вокруг роликового подшипника. Этот амортизатор содержит кольцевое пространство, заполненное смазочным маслом и ограниченное частью опоры роликового подшипника и жестким кольцевым элементом, охватывающим эту часть, причем это кольцевое пространство закрыто в осевом направлении кольцами герметизации, свободными по вращательному движению в кольцевых канавках, выполненных в части опоры, и взаимодействующими в части обеспечения герметизации с внутренней цилиндрической поверхностью упомянутого жесткого кольцевого элемента.
В современной технике опоры роликового подшипника и шарикового подшипника располагаются одна позади другой и прикрепляются друг к другу при помощи крепежных средств типа винт-гайка. Устройство такого типа оказываются относительно громоздкими, в частности, в осевом направлении, что препятствует монтажу такого устройства в двигателе небольших размеров.
Кроме того, для обеспечения гибкости, каждая опора подшипника содержит поддающуюся упругому деформированию кольцевую часть. При этом увеличение гибкости опоры подшипника, в частности, может быть следствием удлинения этой кольцевой поддающейся деформированию части данной опоры, что влечет за собой, однако, увеличение осевых габаритных размеров устройства и может снижать механическую прочность этой поддающейся деформированию части опоры.
В то же время, эффективность амортизатора со сжатием масляной пленки представляет собой, в частности, функцию отношения длины упомянутого выше пространства, заполненного смазочным маслом, к радиусу этого пространства. При этом, чем более значительным является это отношение, тем более эффективной является амортизация. Говоря другими словами, предпочтительно, чтобы это пространство имело значительную длину и относительно небольшой радиус для того, чтобы повысить эффективность амортизации. Однако, увеличение длины этого пространства влечет за собой также увеличение осевого габаритного размера устройства.
Техническая задача данного изобретения состоит, в частности, в том, чтобы предложить простое, эффективное и экономичное техническое решение проблемы габаритных размеров направляющих и центрирующих устройств описанного выше типа, известных из существующего уровня техники.
Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается центрирующее и направляющее по вращательному движению устройство для вала газотурбинного двигателя, содержащее роликовый подшипник, предназначенный для монтажа вокруг вала и удерживаемый при помощи первой кольцевой опоры, шариковый подшипник, предназначенный для монтажа вокруг вала и удерживаемый при помощи второй кольцевой опоры, и амортизатор со сжатием масляной пленки, располагающийся вокруг роликового подшипника и содержащий кольцевое пространство, заполненное смазочным маслом и ограниченное жесткой кольцевой опорой, охватывающей часть опоры роликового подшипника, причем эти опоры подшипника предназначены для фиксации, вместе с жесткой кольцевой опорой амортизатора, на кожухе двигателя и содержат, каждая, кольцевую часть, поддающуюся упругому деформированию, отличающееся тем, что опора шарикового подшипника, кольцевая опора амортизатора и роликовый подшипник сформированы в виде пакета, располагающегося в поперечном направлении, и проходят друг вокруг друга.
Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением является относительно компактным благодаря формированию располагающегося в поперечном направлении пакета, состоящего из опоры шарикового подшипника, кольцевой опоры амортизатора и роликового подшипника. Эти детали проходят одна вокруг другой, что позволяет ограничить габаритные размеры данного устройства, в частности, в осевом направлении, которое вследствие этого может быть установлено в двигатель относительно небольших размеров. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет интегрировать дважды гибкий "дуплекс" (то есть устройство, содержащее роликовый подшипник и шариковый подшипник, удерживаемые соответственно двумя относительно гибкими опорами) в двигатель относительно небольших размеров, что не представляется возможным на существующем уровне техники.
Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет облегчить проектирование гибкости каждой опоры, причем опора шарикового подшипника может иметь гибкость, более чем в три раза превышающую гибкость опоры роликового подшипника, не выходя при этом за рамки приемлемых уровней механических напряжений для этих опор, а также проектирование отношения между длиной и радиусом масляной пленки в амортизаторе. Это отношение в соответствии с предлагаемым изобретением превышает или равно примерно 0,3-0,4.
Жесткая кольцевая опора амортизатора предпочтительно имеет по существу L-образную форму и содержит цилиндрическую часть, охватывающую опору роликового подшипника, и радиальную часть крепления к кожуху двигателя. Радиальная часть этой опоры может быть вставлена между кольцевыми фланцами крепления опор к кожуху двигателя.
Поддающаяся деформированию часть каждой опоры подшипника может содержать поперечные щели, равномерно распределенные вокруг оси опоры и ограничивающие между собой поддающиеся упругому деформированию пластинки или колонки.
Эти пластинки или колонки опоры роликового подшипника предпочтительно имеют по существу С-образную форму или форму булавки для ограничения их габаритных размеров в осевом направлении. Эта специфическая форма колонок допускает монтаж данного устройства в непосредственной близости от конической шестерни приводного вала газотурбинного двигателя.
Эти колонки, имеющие С-образную форму, предназначены для того, чтобы деформироваться в основном в радиальном направлении в процессе передачи радиальных нагрузок, воспринимаемых роликовым подшипником.
Пластинки или колонки опоры шарикового подшипника могут быть выполнены по существу прямолинейными и могут быть ориентированы в продольном направлении. Эти пластинки или колонки располагаются, по меньшей мере частично, вокруг кольцевой опоры амортизатора и их длина определяется таким образом, чтобы оптимизировать гибкость опоры шарикового подшипника. Увеличение длины этих пластинок или колонок в меньшей степени оказывает негативное влияние с точки зрения осевых габаритных размеров устройства, чем в существующем уровне техники, поскольку преобладающая часть этих пластинок или колонок проходит вокруг кольцевой опоры амортизатора.
Эти пластинки или колонки предпочтительно имеют по меньшей мере один конец увеличенной ширины, что придает им по существу I-образную или Т-образную форму. Эти расширенные концы колонок являются более жесткими, чем остальная часть этих колонок, и они, таким образом, лучше сопротивляются механическим воздействиям, которым эти колонки подвергаются в процессе функционирования, ограничивая, тем самым, появление трещин или разрывов на этих концах.
Предпочтительно, чтобы жесткая кольцевая опора амортизатора содержала продольные подкрепляющие ребра жесткости, сформированные выступающим образом на ее наружной цилиндрической поверхности и предназначенные, в монтажном положении, для вставления в упомянутые выше щели опоры шарикового подшипника таким образом, чтобы оптимизировать сформированный пакет различных деталей.
Кольцевая опора амортизатора может содержать средства питания этого амортизатора смазочным маслом, причем эти средства имеют в своем составе по меньшей мере один канал, сформированный, например, в одном из подкрепляющих ребер жесткости этой опоры.
Этот канал питания может быть связан при помощи соединительного наконечника со средством подвода масла, причем этот соединительный наконечник предназначен, в монтажном положении, для вставления в одну из щелей опоры роликового подшипника.
Предпочтительно, чтобы часть опоры роликового подшипника, располагающаяся между амортизатором и самим этим роликовым подшипником, имела в поперечном сечении I-образную форму и содержала внутреннюю цилиндрическую стенку, образующую наружное кольцо роликового подшипника, и наружную цилиндрическую стенку, на наружной поверхности которой сформированы кольцевые канавки, предназначенные для размещения в них колец герметизации амортизатора. Эта специфическая I-образная форма позволяет повысить жесткость той части опоры, которая охватывает ролики, что позволяет ограничить деформации этой части в процессе функционирования и выражается в увеличении срока службы роликового подшипника и обеспечении наилучшей эффективности амортизатора со сжатием масляной пленки. Действительно, повышение жесткости этой части опоры роликового подшипника препятствует, с одной стороны, приданию этой части некоторой конусности, что приводит к преждевременному износу и локализации роликов, а с другой стороны, препятствует овализации кольцевой опоры амортизатора, приводящей к неоднородности толщины масляной пленки вокруг роликового подшипника и, соответственно, к неудовлетворительной амортизации вибраций, воздействию которых этот подшипник подвергается в процессе функционирования.
Опора шарикового подшипника может быть сформирована в виде единой детали с наружным кольцом этого подшипника.
Предлагаемое изобретение относится также к газотурбинному двигателю типа авиационного турбореактивного или турбовинтового двигателя, содержащему по меньшей мере одно устройство описанного выше типа, причем опоры подшипника и амортизатора закрепляются на кольцевом фланце промежуточного кожуха этого газотурбинного двигателя и этот кольцевой фланец располагается в поперечной плоскости, проходящей по существу через амортизатор и роликовый подшипник. Фланец промежуточного кожуха может быть закреплен при помощи обоймы на продольных подкрепляющих ребрах жесткости кольцевой опоры амортизатора. Таким образом, радиальные нагрузки, воспринимаемые роликовым подшипником, непосредственно передаются на промежуточный кожух двигателя, что позволяет удлинить срок службы деталей данного устройства.
Другие характеристики, подробности и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания, приведенного ниже в качестве не являющегося ограничительным варианта его осуществления, со ссылками на фигуры чертежей, на которых:
Фиг.1 представляет собой половинный схематический вид в осевом разрезе центрирующего и направляющего по вращательному движению устройства для вала газотурбинного двигателя в соответствии с существующим уровнем техники;
Фиг.2 представляет собой половинный схематический вид в осевом разрезе центрирующего и направляющего по вращательному движению устройства для вала газотурбинного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.3 представляет собой частичный схематический вид в изометрии и в осевом разрезе и в увеличенном масштабе устройства, показанного на фиг.2, демонстрирующий первую и вторую опоры подшипников и кольцевую опору амортизатора со сжатием масляной пленки;
Фиг.4 представляет собой схематический вид в изометрии спереди и сбоку устройства, показанного на фиг.2;
Фиг.5 представляет собой частичный схематический вид в изометрии в осевом разрезе устройства, показанного на фиг.2, причем плоскость разреза проходит через средства питания амортизатора смазочным маслом;
Фиг.6 представляет собой другой схематический вид в изометрии сзади и сбоку устройства, показанного на фиг.2;
Фиг.7 представляет собой схематический вид в изометрии первой опоры подшипника устройства, показанного на фиг.2;
Фиг.8 представляет собой схематический вид в изометрии кольцевой опоры амортизатора устройства, показанного на фиг.2;
Фиг.9 представляет собой схематический вид в изометрии второй опоры подшипника устройства, показанного на фиг.2.
Прежде всего будут даваться ссылки на фиг.1, на которой представлено центрирующее и направляющее по вращательному движению устройство 10 в соответствии с существующим уровнем техники для вала 12 компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, причем это устройство содержит шариковый подшипник 14 и роликовый подшипник 16, смонтированные вокруг этого вала 12 и удерживаемые соответственно при помощи двух относительно гибких кольцевых опор 18, 20. Такое устройство 10 в технике обычно называют дважды гибким "дуплексом".
Шариковый подшипник 14 содержит совокупность шариков, направляемых в дорожке качения, определяемой внутренним кольцом 22 и наружным кольцом 24, причем это внутреннее кольцо 22 закрепляется на валу 12, а наружное кольцо 24 закрепляется на одном конце кольцевой опоры 18, другой конец которой содержит кольцевой фланец 26 крепления на кольцевом фланце 28 промежуточного кожуха газотурбинного двигателя. Эта опора 18 имеет поперечное сечение по существу С-образной формы и содержит кольцевую часть 30, поддающуюся упругому деформированию, что придает упомянутой опоре определенную гибкость.
Роликовый подшипник 16 устанавливается позади шарикового подшипника 14 и содержит совокупность роликов, направляемых в дорожке качения, определяемой внутренним кольцом 32 и наружным кольцом 34, причем это внутреннее кольцо 32 закрепляется на валу 12 двигателя, а наружное кольцо 24 закрепляется на заднем конце кольцевой опоры 20, передний конец которой содержит кольцевой фланец 36 крепления на кольцевом фланце 28 промежуточного кожуха двигателя. Эта опора 20 имеет по существу цилиндрическую форму и содержит кольцевую часть 38, поддающуюся упругому деформированию и придающую этой опоре определенную гибкость. Преобладающая часть опоры 20 проходит позади опоры 18.
Устройство 10 дополнительно имеет в своем составе амортизатор 39 со сжатием масляной пленки, который содержит кольцевое пространство, заполненное смазочным маслом и ограниченное задней концевой частью опоры 20 и задней частью жесткой кольцевой опоры 40, проходящей вокруг опоры 20 и закрепленной своим передним концом на фланце 28.
Это устройство 10 является относительно громоздким в осевом направлении и его встраивание в двигатель относительно небольших размеров может оказаться затруднительным, и даже невозможным.
В данном изобретении предлагается техническое решение этой проблемы благодаря пакетированию в поперечном направлении опоры шарикового подшипника, опоры амортизатора со сжатием масляной пленки и роликового подшипника таким образом, чтобы эти элементы проходили один вокруг другого.
В примере реализации предлагаемого изобретения, представленном на фиг. с 2 по 9, устройство 110 имеет в своем составе роликовый подшипник 116, установленный перед шариковым подшипником 114, причем этот роликовый подшипник 116 смонтирован вокруг вала 112 и удерживается при помощи кольцевой опоры 120, которая охвачена жесткой кольцевой опорой 140 амортизатора. Шариковый подшипник 114 смонтирован вокруг вала 112 и удерживается при помощи кольцевой опоры 118, охватывающей опору 140.
Опора 120 роликового подшипника 116 (см. фиг. с 2 по 7) содержит кольцевую часть, имеющую I-образное поперечное сечение, которая связана при помощи поддающейся упругому деформированию кольцевой части 138 с кольцевым фланцем 136 крепления, проходящим в радиальном направлении наружу.
Эта имеющая I-образное поперечное сечение часть опоры 120 содержит две цилиндрических стенки, соответственно внутреннюю стенку 142 и наружную стенку 144, которые проходят одна внутри другой и которые связаны между собой при помощи радиальной кольцевой стенки 146.
Внутренняя цилиндрическая стенка 142 образует наружное кольцо роликового подшипника 116, внутреннее кольцо 132 которого закреплено на валу 112 двигателя. Наружная стенка 144 имеет наружную цилиндрическую поверхность, ограничивающую изнутри заполненное смазочным маслом кольцевое пространство амортизатора 139 со сжатием масляной пленки.
Амортизатор 139 закрыт в осевом направлении на своем переднем конце и на своем заднем конце при помощи двух колец 148 герметизации, установленных свободными по вращательному движению в наружных кольцевых канавках наружной поверхности стенки 144.
Деформируемая часть 138 опоры 118, которую лучше всего можно видеть на фиг. 3 и 4, имеет поперечное сечение по существу С-образной формы или в форме булавки и содержит множество поперечных щелей, определяющих между собой пластинки или колонки 150, имеющие С-образную форму. Эти пластинки или колонки 150 равномерно распределяются вокруг оси опоры 118 и поддаются деформированию, в частности, в радиальном направлении.
Эта С-образная форма колонок 150 допускает возможность монтажа устройства вокруг передаточного вала 151, установленного на валу 112 и содержащего на своем переднем конце коническую шестерню 153. Колонки 150 проходят в данном случае вокруг и на некотором расстоянии от этой шестерни 153.
Опора 118 шарикового подшипника 114 (см. фиг. с 2 по 6 и 9) формируется в виде единой детали с наружным кольцом 124 этого подшипника и содержит поддающуюся деформированию кольцевую часть 130, связанную на своем заднем конце с этим кольцом 124 и связанную на своем переднем конце с кольцевым фланцем 126 крепления на фланце 136 другой опоры 120.
Деформируемая часть 130 опоры 118, которую лучше всего можно видеть на фиг. 3 и 9, содержит несколько поперечных щелей, определяющих между собой прямолинейные и продольные пластинки или колонки 152, которые поддаются упругому деформированию в осевом направлении и/или в радиальном направлении. Эти пластинки или колонки 152 равномерно распределяются вокруг продольной оси опоры 118.
Внутренние поверхности стенки 142 опоры 120 и внутреннего кольца 124 опоры 118 предпочтительным образом покрыты тонким слоем твердого материала, ограничивающего износ этих деталей в результате трения шариков и роликов в упомянутых подшипниках.
Опора 140 (см. фиг. с 2 по 6 и 8) имеет в поперечном сечении L-образную форму и содержит цилиндрическую часть, связанную на ее переднем конце с радиальной частью, проходящей в направлении наружу. Радиальная часть этой опоры 140 вставляется между фланцами 136 и 128 опор подшипников, причем совокупность этих деталей прижата и закреплена при помощи крепежных средств типа винт-гайка на кольцевом фланце 128 промежуточного кожуха двигателя.
Цилиндрическая часть опоры 140 проходит вокруг имеющей в поперечном сечении I-образную форму части опоры 120 и ее внутренняя поверхность ограничивает снаружи упомянутое выше и заполненное смазочным маслом кольцевое пространство амортизатора 139. Кольца 148 взаимодействуют с внутренней цилиндрической поверхностью этой цилиндрической части опоры 140 для того, чтобы обеспечить герметичность этого пространства.
Продольные подкрепляющие ребра 154 жесткости сформированы выступающим образом на наружной поверхности цилиндрической части опоры 140. Как это можно видеть на фиг. 3 и 6, эти подкрепляющие ребра жесткости предназначены, в монтажном положении, для вставления в щели поддающейся деформированию части 130 опоры 118. Каждое подкрепляющее ребро 154 жесткости опоры 140 проходит, таким образом, между двумя смежными пластинками или колонками 152 этой опоры 118.
Опора 140 содержит средства питания амортизатора 139 смазочным маслом, причем эти средства содержат канал 158 подвода масла, который сформирован в одном из подкрепляющих ребер 154 жесткости опоры 140 и который открывается своим первым концом на внутренней поверхности цилиндрической части опоры 140 (см. фиг.5). Второй конец этого канала 158 связан с наконечником 162 соединения со средствами подачи смазочного масла, причем этот наконечник 162 сформирован выступающим образом на передней поверхности радиальной части опоры 140 и проходит, в монтажном положении, между двумя смежными колонками 150 опоры 120 (см. фиг. 4 и 5). Канал 158 подвода смазочного масла здесь имеет по существу L-образную форму.
Наружная поверхность стенки 144 опоры 120 содержит, между упомянутыми выше кольцами 148 герметизации, кольцевую канавку 160 распределения смазочного масла, подводимого при помощи канала 158. Эта канавка 160 располагается по существу над упомянутым каналом и позволяет распределять смазочное масло однородным образом по всему периметру амортизатора и сформировать, таким образом, масляную пленку однородной толщины (см. фиг.5). Функционирование амортизатора такого типа хорошо известно в технике и не будет, вследствие этого, описано более подробно.
В процессе функционирования часть 130 опоры 118 деформируется для того, чтобы обеспечить возможность децентрирования шарикового подшипника 114, например, под действием разбалансировки. Роликовый подшипник 116 при этом предназначен для обеспечения восприятия радиальных нагрузок, вызываемых этой разбалансировкой, которые в этом случае передаются при помощи опоры 120 на промежуточный кожух двигателя.
Фланец 128 этого промежуточного кожуха двигателя закрепляется при помощи обоймы С-образной формы (см. фиг.2) на подкрепляющих ребрах 154 жесткости опоры 140 таким образом, чтобы обеспечить удовлетворительную передачу радиальных нагрузок. Фланец 128 промежуточного кожуха двигателя в рассматриваемом здесь примере реализации располагается в поперечной плоскости, проходящей по существу через амортизатор 140 и через роликовый подшипник 116 (см. траекторию 170 прохождения усилий, схематически представленную штрихпунктирной линией), что позволяет эффективным образом передавать упомянутые выше нагрузки непосредственно на промежуточный кожух двигателя без избыточного механического напряжения деталей данного устройства. Амортизатор 139 предназначен для поглощения вибраций, воздействию которых подвергается роликовый подшипник 114 в процессе функционирования.