Устройство и способ распределения осевой силы ротора
DEVICE AND METHOD FOR DISTRIBUTION OF AXIAL FORCE OF ROTOR

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам и системам равномерного распределения осевых нагрузок, и может быть использовано в устройствах, осуществляющих распределение осевых нагрузок между опорами ротора.
Ротор располагается как минимум на двух подшипниках. Один подшипник фиксирует осевое положение ротора, а другой подшипник допускает осевое смещение ротора либо требуется введение компенсационных элементов. Это необходимо для компенсации температурных деформаций, которые имеют место из-за изменения температуры по длине ротора. Это требуется для исключения недопустимых деформаций ротора, которые могут привести к поломке.
Осевая сила ротора, возникающая на элементах конструкции двигателя (в данном случае в подшипниках), определяется, как сумма осевых усилий от подшипников, установленных на валах ротора.
Известно устройство и способ распределения осевой силы ротора («Технологическое обеспечение проектирования и производства газотурбинных двигателей» / под ред. Б.Н. Леонова и А.С. Новикова - издание ОАО «Рыбинский Дом печати», Рыбинск, 2000 - стр. 30, рис. 1.30.), содержащий ротор и две опоры, одна из которых подшипник качения (первая опора), а вторая - подшипник скольжения (вторая опора). Опоры установлены соосно.
Наиболее близким является устройство и способ распределения осевой силы ротора, содержащее ротор и установленные соосно опоры, воспринимающие осевую нагрузку (патент №189970, F02C 3/10 и F01D 51/26, опубл. 13.06.2019), одна из которых подшипник качения (первая опора), а вторая - подшипник скольжения (вторая опора).
Недостатками данных устройств и способов является следующее:
2
1
2
1
- относительно большой диаметральный габаритный размер узла, так как отношение наружного диаметра второй опоры D к наружному диаметру первой опоры D составляет D/D=5÷4;
- высокая себестоимость изделия, так как при применении подшипника скольжения требуется совместная притирка колодок при изготовлении;
- большая прокачка масла через подшипник скольжения.
Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является разработка способа и устройства для его осуществления, позволяющего уменьшить габаритные и массовые характеристики изделия, за счет применения подшипников качения, приводящих к уменьшению габаритно-массовых характеристик ротора в диаметральном направлении, снижения суммарной прокачки масла через двигатель и дистрибуции осевого усилия воспринимаемого опорами.
Технический результат в заявленном устройстве достигается тем, что в устройстве распределения осевой силы ротора, содержащем ротор и установленные соосно опоры, воспринимающие осевую нагрузку, в отличие от известного, опоры ротора, воспринимающие осевую нагрузку, содержат расположенные соосно внутренний вал и наружный вал, смещающийся под действием осевого усилия в сторону внутреннего вала, при этом на наружной поверхности внутреннего вала размещен подшипник качения, установленный в корпусе опоры внутреннего вала, и на наружной поверхности наружного вала установлен подшипник качения, расположенный в корпусе опоры наружного вала, корпуса опор внутреннего и наружного вала монтируются на, размещенный между ними, промежуточный корпус, соосность внутреннего и наружного валов обеспечивается телескопической связью внутренней поверхности наружного вала со сферической поверхностью, расположенной на наружной поверхности внутреннего вала, с передачей крутящего момента через шлицы, при этом между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, и торцевыми поверхностями внутреннего и наружного валов размещены два пакета плоских пружин, причем, пакет плоских пружин расположенный между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса установлен с зазором, находящегося с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу.
1
Технический результат в заявленном способе достигается тем, что в способе распределения осевой силы ротора, осуществляемом посредствам дистрибуции осевых усилий воспринимаемых опорами, в отличие от известного, распределение части осевой силы ротора на подшипник качения, установленный на наружной поверхности наружного вала, осуществляется путем изменения величины зазора Δ - между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу, за счет изменения величины зазора Δ - между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с наружной, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу.
На фигуре показан продольный разрез (главный вид) и выносной элемент вид А опоры ротора ГТД.
1
Конструкция опоры ротора, воспринимающей осевую нагрузку (фиг.), состоит из двух валов: наружного 1 и внутреннего 2. На наружной поверхности внутреннего вала 2 размещен подшипник качения 3, установленный в корпусе 5 опоры внутреннего вала 2, и на наружной поверхности наружного вала 1 установлен подшипник качения 4, установленный в корпусе 6 опоры наружного вала 1. Валы 1 и 2 контактируют между собой через подшипники качения 3 и 4 и пакет 7 плоских пружин, а корпус 6 опоры и промежуточный корпус 11 - через пакет 8 плоских пружин. Соосность наружного 1 и внутреннего 2 валов обеспечивается телескопической связью со сферической поверхностью 9, расположенной на наружной поверхности внутреннего вала 2, с передачей крутящего момента через шлицы 10. Корпуса 5 и 6 опор внутреннего 2 и наружного 1 валов монтируются на расположенный между ними (корпусами 5 и 6) промежуточный корпус 11. Пакет плоских пружин 7 расположен между торцевыми поверхностями внутреннего 2 и наружного 1 валов, а пакет плоских пружин 8 установлен между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11 с зазорами. При этом один зазор Δ расположен между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11, с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин, установленных между корпусом 6 опоры подшипника 4, расположенного на наружном валу 1. Другой зазор Δ находится между торцами корпуса 6 подшипника 4, установленного на наружном валу 1, и промежуточным корпусом 11, с наружной, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин 1.
2
1
1
Особенность заявленного способа и устройства конструкции заключается в том, что с целью обеспечения компактной схемы, опоры ротора, воспринимающие осевую нагрузку, включают в себя два вала, связанных между собой телескопически через сферическую поверхность и шлицы, при этом валы контактируют между собой через подшипники качения 3 и 4 и пакет плоских пружин 7, корпуса 5 и 6 и промежуточный корпус 11 через пакет 8 плоских пружин соответственно. Вал 2 снабжен подшипником качения 3 (первая опора), вал 1 снабжен подшипником качения 4 (вторая опора), установленных в корпусах 5 и 6 соответственно. Отношение наружных диаметров второй опоры к первой D/D=1÷1,5 вследствие того, что применяется в качестве опоры 3 и 4 подшипники качения. Применение подшипников качения приводит к уменьшению суммарной прокачки масла через двигатель, что уменьшает массовые характеристики агрегатов маслосистемы (маслонасосы, трубопроводы и т.д.). Соосность валов 1 и 2 обеспечивается телескопической связью со сферической поверхностью 9 с передачей крутящего момента через шлицы 10. Изменение величины зазора Δ между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11, находящегося с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин позволяет регулировать величину осевого усилия за счет изменения величины зазора Δ, находящегося с наружной, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин, например, за счет изменения величины расхода воздуха поступающего в опору ротора.
Принцип работы.
вх
1
2
Величина осевых усилий системы ротора: Р=Р+Р,
вх
где Р - осевое усилие, поступающее на ротор;
1
P - осевое усилие, воспринимаемое подшипником 3 вала 2 (первая опора);
2
Р - осевое усилие, воспринимаемое подшипником 4 вала 1 (вторая опора).
вх
вх
1
При работе двигателя под воздействием осевого усилия Р вал 1 смещается в сторону вала 2, сжимая пакет пружин 7 и осевое усилие Р передается на первую опору подшипник качения 3, где подшипник 3 воспринимает осевое усилие величиной Р. Затем вал 2 смещается вправо в результате сжатия плоских пружин в пакете 7, при этом вал 1 через вторую опору подшипник качения 4 и корпус 6 опоры сжимает пакет пружин 8, усилие сжатия которого значительно меньше усилия сжатия пакета 7.
1
вх
2
1
вх
1
2
Выбрав зазор Δ между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11 с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин, в зависимости от конструкции корпуса 6, величина которого обеспечивает расчетное значение осевой силы P на подшипник 3, дальнейшее увеличение осевой силы Р воспринимается подшипником 4 в пределах его расчетной величины Р, которое смещает корпус 6 опоры влево на величину зазора Δ, тем самым распределяя осевое усилие Р между подшипниками 3 и 4 валов 2 и 1 на усилия P и Р соответственно при условии
1
Δ<Δ,
где Δ - зазор, который зависит от хода пакета пружин 7 и роторной системы, между корпусом 6 опоры и промежуточным корпусом 11 (расположенный с внутренней стороны пакета пружин 8);
1
Δ - зазор между корпусом 6 и промежуточным корпусом 11 (расположенный с наружной стороны пакета пружин 8).
1
Взаимосвязанное изменение величин зазоров Δ и Δ между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11, расположенные с внутренней и наружной сторон пакета пружин 8 соответственно, позволяет регулировать, а именно дает возможность, когда это необходимо, перераспределить значение осевых усилий воспринимаемых подшипниками 3 и 4.
Применение телескопической связи со сферической поверхностью 9 совместно со шлицами 10 для передачи крутящего момента обеспечивает соосность валов 1 и 2 с подшипниками качения 4 и 3 соответственно.
Таким образом, в результате введения системы взаимного распределения осевых усилий между валами с опорами и применения подшипников качения данное техническое решение позволяет уменьшить габаритно-массовые характеристики изделия.