Межроторная опора газотурбинного двигателя
GAS TURBINE ENGINE INTER-ROTOR SUPPORT

Изобретение относится к области авиационного моторостроения, а именно к межроторным опорам газотурбинных двигателей.
Для решения перспективных задач в части создания самолетов с высокими показателями эффективности требуется увеличение удельной тяги двигателя и снижение удельного расхода топлива, что заставляет предусматривать все более высокие значения газодинамических параметров рабочего цикла двигателя. При высоких оборотах роторов резко увеличиваются нагрузки на все детали двигателя, особенно на элементы роторных систем, что вызвано зависимостью сил, возникающих из-за дисбаланса от частоты вращения, ростом давлений и скоростей в критических сечениях двигателя и в связи с указанными причинами ростом сил реакции, которые передаются на корпус двигателя через опоры.
Возникающие нагрузки носят переменный характер по величине, интенсивности и частоте воздействия приложенных сил, поэтому подшипники опор роторов оказываются в сложных условиях, значительно сокращающих их ресурс. Необходимо отметить, что использование подшипников скольжения в конструкции опор газотурбинного двигателя невозможно из-за напряженных условий работы. Расчетные значения удельной нагрузки для подшипников скольжения межроторной опоры турбины высокого давления должны составлять до 1,7 МПа при окружной скорости в зоне контакта поверхностей скольжения до 40 м/с. Для традиционно применяемых конструкционных материалов подшипников скольжения, где используются пары трения «чугун-бронза» при удельной нагрузке до 2,0 МПа предельная скорость не превышает 1 м/с, что значительно меньше необходимых значений параметров. Основным преимуществом подшипников качения является низкий коэффициент трения. Такие подшипники характеризуются меньшими потерями механической энергии и более высоким к.п.д. Существенным недостатком подшипников качения является недостаточная надежность, обусловленная их низкой устойчивостью к внешней вибрации, приводящей к возникновению знакопеременной изгибающей нагрузки в опоре, чувствительность к чистоте и качеству смазки, обеспечивающей снижение коэффициента трения и одновременно охлаждение подшипника в процессе рабочего цикла.
Известна межроторная опора газотурбинного двигателя, включающая стальной подшипник качения, установленный между валами роторов низкого и высокого давления и содержащий наружное и внутреннее кольцо, и систему смазки (патент US №5211535, 1993 г.).
Известна межроторная опора газотурбинного двигателя, включающая стальной подшипник качения, установленный между валами роторов низкого и высокого давления и содержащий наружное и внутреннее кольцо, и систему смазки (патент RU №2265742, 2005 г.).
В известном техническом решении внутреннее кольцо подшипника взаимодействует с валом ротора высокого давления, а внешнее кольцо - с валом ротора низкого давления.
Общим существенным недостатком известных технических решений является недостаточная надежность стальных подшипников качения, обусловленная низкой устойчивостью к внешней вибрации, вызывающей действие на опору знакопеременных изгибающих нагрузок, и как следствие, недостаточной износостойкостью материала при повышенных температурах.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является межроторная опора газотурбинного двигателя, включающая подшипник скольжения, содержащий наружное и внутреннее кольцо, предназначенные для взаимодействия с валом ротора высокого давления и валом ротора низкого давления и выполненные из композиционных керамических материалов, и систему смазки («Исследование возможности использования керамических авиационных подшипников скольжения нового поколения в конструкциях опор роторов газотурбинных двигателей», «Двигатель» №3, 2013 г., стр. 24-26). В известном техническом решении применение композиционных керамических материалов на основе карбида кремния и карбонитрида титана при изготовлении колец подшипника скольжения обеспечивает повышение эффективности работы подшипника за счет снижения энергетических потерь на трение. Недостатком известного технического решения является зависимость износостойкости пары трения от величины конструктивного зазора между кольцами, определяемого определенными составами и свойствами материала колец, исключающего возможность возникновения граничного трения, и от действия возникающих в опоре при режимах, близких к критическим режимам работы ротора, знакопеременных изгибающих моментов. Указанные недостатки снижают надежность межроторной опоры.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности межроторной опоры.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в повышении износостойкости подшипника за счет обеспечения конструктивного зазора между кольцами пары трения при одновременном исключении воздействия изгибающих моментов на опору в процессе рабочего цикла.
Результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что межроторная опора газотурбинного двигателя включает подшипник скольжения, содержащий наружное и внутреннее кольца, предназначенные для взаимодействия с валом ротора высокого давления и валом ротора низкого давления и выполненные из композиционных керамических материалов, и систему смазки. Согласно изобретению внутреннее кольцо подшипника выполнено из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния и закреплено на валу ротора низкого давления, наружное кольцо выполнено из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:
титан (Ti)
60-70%
углерод (С)
20-25%
азот (N)
остальное
и расположено внутри вала ротора высокого давления, а опора снабжена шарнирным элементом, представляющим собой опорное кольцо, выполненное из жаропрочной стали, установленное на наружном кольце подшипника, причем внешняя поверхность опорного кольца выполнена в виде полусферы, взаимодействующей с соответствующей внутренней поверхностью вала ротора высокого давления.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы, поскольку:
- выполнение внутреннего кольца подшипника из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния и закрепление его на валу ротора низкого давления, выполнение наружного кольца из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:
титан (Ti)
60-70%
углерод
(С) 20-25%
азот (N)
остальное
и расположение его внутри вала ротора высокого давления обеспечивает повышение износостойкости подшипника за счет обеспечения конструктивного зазора в паре трения в процессе рабочего цикла;
- снабжение опоры шарнирным элементом, представляющим собой опорное кольцо, выполненное из жаропрочной стали, установленное на наружном кольце подшипника, выполнение внешней поверхности опорного кольца в виде полусферы, взаимодействующей с соответствующей внутренней поверхностью вала ротора высокого давления, обеспечивает повышение износостойкости подшипника за счет исключения действия изгибающих моментов на опору в процессе рабочего цикла.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрацию, представленную на рисунке, где изображена схема выполнения межроторной опоры.
Межроторная опора газотурбинного двигателя включает подшипник скольжения, пара трения которого образована внутренним кольцом 1, выполненным из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния, и внешним кольцом 2, выполненным из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:
титан (Ti)
60-70%
углерод (С)
20-25%
азот (N)
остальное
Внутреннее кольцо 1 при помощи фиксирующих втулок 3 и 4 и гайки 5 зафиксировано на наружной поверхности вала 6 ротора низкого давления. Внешнее кольцо 2 при помощи фиксирующей втулки 7 и гайки 8 зафиксировано внутри вала 9 ротора высокого давления. На наружном кольце 2 подшипника при помощи гайки 10 закреплен шарнирный элемент в виде кольца 11, выполненный из жаропрочной стали, внешняя поверхность которого представляет собой полусферу, взаимодействующую с внутренней поверхностью вала 9 ротора высокого давления. Фиксация кольца 11 от поворота относительно вала 9 ротора высокого давления осуществляется при помощи штифта 12, размещенного в пазу 13 вала 9. Для предотвращения проникновения горячих газов в опору последняя снабжена лабиринтными уплотнениями 14 и 15, размещенными соответственно на валах 6 и 9. Межроторная опора содержит также уплотнение 16, установленное на наружной поверхности вала 6 ротора низкого давления и контактирующее с кольцом 1, уплотнения 17, установленные на наружной поверхности вала 9 ротора высокого давления и контактирующие с кольцом 2, и систему смазки пары трения. Система содержит устройство подвода смазки, выполненное в виде сообщающихся центральных каналов 18 и 19, расположенных соответственно в теле вала 6 ротора низкого давления и во внутреннем кольце 1, и кольцевую полость 20.
-6
-6
Межроторная опора работает следующим образом. При вращении вала 6 ротора низкого давления и вала 9 ротора высокого давления во вращение вовлекается внутреннее кольцо 1 и наружное кольцо 2 подшипника скольжения, образующие пару трения. Через каналы 18 и 19 в зазор пары трения подается жидкая смазка, обеспечивающая жидкостное трение между кольцами 1 и 2, и через полость 20 удаляется под действием центробежных сил. При вращении колец 1 и 2 подшипника в результате трения последние нагреваются, поэтому смазка одновременно выполняет функцию охлаждающей жидкости. Поскольку коэффициенты линейного расширения материала внутреннего кольца 1 и внешнего кольца равны соответственно (6,0-9,5)×10/К и 2,5×10/К, конструктивный зазор между последними при нагревании остается практически постоянным. При этом необходимо отметить, что даже при недостаточном уровне смазки не происходит интенсивного разрушения подшипника, что позволяет своевременно обнаружить выход последнего из строя.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при инвертировании колец подшипника, т.е. при изготовлении внутреннего кольца из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана и внешнего кольца из дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния происходит уменьшение зазора, подшипник работает в условиях граничного трения, температура отводимого масла повышается и в результате износостойкость подшипника снижается.
Известно, что прочность, твердость и износостойкость подшипников скольжения, выполненных из композиционных материалов на основе карбонитрида кремния и нитрида титана, зависит от соотношения компонентов. Уменьшение содержания титана в мас. % приводит к повышению прочности и твердости материала. Повышение содержания кремния в материале (карбонитриде кремния) внутреннего кольца приводит к повышению износостойкости пары трения. Проведенные экспериментальные исследования показали наибольшую эффективность работы подшипника в условиях ограниченной смазки при указанном соотношении компонентов материала подшипника. На критических режимах из-за характера распределения нагрузок и режимов взаимодействия пары трения возможен кратковременный всплеск уровня вибраций. При этом кольцо, выполненное из жаропрочной стали, внешняя поверхность которого выполнена в виде полусферы, взаимодействующей с внутренней поверхностью вала ротора высокого давления, позволяет исключить действие изгибающих моментов на опору, поскольку кольцо представляет собой шарнирный элемент, а на опору в результате воздействуют только поперечные силы, вызывающие процесс незначительных по амплитуде автоколебаний.
Таким образом, выполнение внутреннего и внешнего колец подшипника скольжения межроторной опоры соответственно из композиционных керамических материалов на основе карбонитрида кремния и нитрида титана при заданном соотношении компонентов в последнем и размещение на внешнем кольце шарнирного элемента, представляющего собой опорное кольцо из жаропрочной стали, внешняя поверхность которого представляет собой полусферу, взаимодействующую с соответствующей поверхностью вала ротора высокого давления, позволяет повысить износостойкость подшипника, исключает воздействие изгибающих моментов на опору и обеспечивает конструктивный зазор между кольцами подшипника, что повышает надежность опоры.