Опора вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (варианты), корпус задней опоры вала ротора, элемент вала ротора, полифункциональный внешний стяжной элемент вала ротора, соединительный элемент вала ротора, корпус подшипника задней опоры вала ротора
ROTOR SHAFT BEARING OF LOW-PRESSURE COMPRESSOR OF TURBOJET ENGINE (VERSIONS), CASING OF ROTOR SHAFT REAR BEARING, ROTOR SHAFT COMPONENT, POLYFUNCTIONAL EXTERNAL TIGHTENING COMPONENT OF ROTOR SHAFT, CONNECTION COMPONENT OF ROTOR SHAFT, CASING OF BEARING OF ROTOR SHAFT REAR BEARING

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области производства и эксплуатации газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к конструкциям и элементам компрессора низкого давления (КНД) . ГДТ
Известна опора вала ротора компрессора низкого давления ГТД, включающая размещенные на валу подшипник, соединенный с корпусом опоры, систему смазки и охлаждения подшипника и уплотнительные элементы (А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. «Газотурбинные двигатели». ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь 2007 г. Стр. 196-199, рис. 4.4.7.1_2).
Известна опора вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, включающая подшипник с корпусом, соединительные элементы, уплотнения и систему смазки и охлаждения подшипника (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин). Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 762-763, рис. 15.18, стр. 763).
Недостатками известных решений являются невысокая адаптация компрессора низкого давления к долговременной непрерывной работе в условиях неподвижной внешней воздушной среды и низкая ремонтопригодность опоры вала ротора КНД из-за неоптимального расположения соединений.
Задачей группы изобретений, объединенных единым творческим замыслом, является повышение ресурса компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД), увеличение износостойкости задней опоры вала ротора КНД за счет описанных ниже конструктивных решений, улучшение характеристик работоспособности КНД и, как следствие, всего двигателя в условиях стационарной наземной работы и оптимизация монтажно-демонтажных процессов при эксплуатационном обслуживании ГТД.
Поставленная задача совокупно решается тем, что в группе изобретений опора вала ротора компрессора низкого давления (КНД), включающего соединенные барабанно-дисковую и цилиндрическую составляющие вала ротора газотурбинного двигателя (ГТД) и имеющего шлицевую и стяжную трубы, а также рессору, соединяющую валы КНД и турбины низкого давления (ТНД), согласно изобретению выполнена в качестве задней опоры вала ротора КНД, закреплена в промежуточном корпусе двигателя, содержит выполненный опорно-упорным шарикоподшипник, разделяющий опору на статорную и роторную части, статорная часть включает корпус опоры в виде силовой конической диафрагмы, выполненной заодно с корпусом шарикоподшипника и переходящей у торцов во внутреннее и внешнее силовые кольца разных диаметров, наделенные посадочными местами и фланцами, включающими отверстия под крепежные элементы разъемных соединений, выполненных:
кэш
- у внутреннего торца диафрагмы через ответный фланец наружного кольца шарикоподшипника с угловой частотой γ разнесения отверстий под крепежные элементы
кэш
кэш
γ=N/2π=(1,27÷2,39) [ед./рад],
кэш
где N - число отверстий во фланце наружного кольца шарикоподшипника под крепежные элементы соединения с фланцем корпуса шарикоподшипника;
вкэ
- у внешнего торца диафрагмы через ответный фланец промежуточного корпуса двигателя с угловой частотой γ разнесения крепежных элементов
вкэ
вкэ
γ=N/2π=(3,98÷5,73) [ед./рад],
вкэ
где N - число отверстий во фланце внешнего торца диафрагмы под крепежные элементы соединения с фланцем промежуточного корпуса двигателя,
1
2
фкэ
кроме того, фронтальная часть внутреннего силового кольца корпуса опоры пролонгирована в кольцевой элемент, выполненный с √-образным профилем поперечного сечения, большее плечо которого образовано малой конической диафрагмой с углом α отклонения образующей указанной диафрагмы от радиальной плоскости, нормальной к оси вала, не менее чем в два раза меньшим аналогичного угла α отклонения образующей силовой конической диафрагмы корпуса опоры, а меньшее плечо выполнено в виде фланца, разъемно соединенного через отверстия разнесенными по окружности с угловой частотой γ крепежными элементами с ответными фланцами до трех кольцевых держателей крышек лабиринтных уплотнений, разделяющих полости наддува, суфлирования и масляной, при этом угловая частота определена в диапазоне
фкэ
фкэ
γ=N/2π=(1,91÷3,98) [ед./рад],
фкэ
где N - число отверстий во фланце кольцевого элемента с √-образным профилем поперечного сечения под крепежные элементы соединения с кольцевыми держателями крышек лабиринтов,
а роторная часть опоры включает выполненные заодно нижнюю часть конической диафрагмы и заднюю цапфу барабанно-дисковой составляющей вала ротора КНД, разъемно соединенную с цилиндрической составляющей вала на силовых шлицах, выполненных в каждом из указанных элементов с угловой частотой
ш
ш
γ=N/2π=(8,28÷8,92), [ед./рад],
ш
где N - число силовых шлицев в каждом из указанных элементов цилиндрической составляющей и задней цапфе вала,
при этом цилиндрическая составляющая вала ротора КНД, в свою очередь, соединена на шлицах с рессорой, посредством которой соединена с валом ТНД с возможностью получения от турбины и пропуска через опору крутящего момента к барабанно-дисковой составляющей вала ротора КНД, кроме этого, указанная задняя цапфа и цилиндрическая составляющая вала ротора КНД взаимно разъемно соединены в осевом направлении с возможностью восприятия и передачи на опору осевых усилий установленным в полости вала соединительным элементом, выполненным в виде внутреннего полого стяжного болта, при этом на внешней посадочной поверхности фронтальной части цилиндрической составляющей вала ротора установлены разно удаленные от оси вала многогребешковые кольцевые элементы лабиринтных уплотнений и внутреннее кольцо шарикоподшипника, и кроме того, на резьбе установлен поджимающий их к упорному кольцевому буртику указанной составляющей вала полифункциональный внешний стяжной элемент в виде круглой гайки, снабженной на свободном конце обращенным к валу кольцевым бортовым элементом с образованием открытого коллектора, наделенного функцией сбора и напорной подачи смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника и посредством каналов под его внутренним кольцом подачи указанной жидкости к многогребешковому кольцевому элементу лабиринтного уплотнения с выходом в масляную полость.
В опоре вала ротора компрессора низкого давления внутреннее кольцо шарикоподшипника может быть выполнено составным из двух фронтального и тыльного колец, на стыке которых могут быть выполнены каналы для подачи смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника, кроме того, задняя цапфа и цилиндрическая составляющая вала ротора КНД могут быть разъемно взаимно зафиксированы в осевом направлении с возможностью восприятия и передачи на опору осевых усилий посредством установленного в полости вала соединительного элемента, выполненного в виде внутреннего полого стяжного болта, имеющего фронтальный кольцевой оголовок, снабженный внешним кольцевым буртиком для силового зацепления с ответным внутренним буртиком цапфы, при этом указанный стяжной болт снабжен у тыльного торца внешней резьбой, а в полости болта размещен узел соединения шлицевой и стяжной труб, образующих магистраль напорной подачи воздуха в полости наддува других опор.
В опоре вала ротора компрессора низкого давления полифункциональный внешний стяжной элемент, установленный у тыльного торца фронтальной части цилиндрической составляющей вала ротора КНД, замыкающий на посадочной поверхности вала собранные в пакет многогребешковые кольцевые элементы лабиринтных уплотнений и внутреннее кольцо шарикоподшипника опоры, может быть снабжен на свободном конце кольцевым бортовым элементом с образованием открытого коллектора, наделенного функцией сбора и подачи к шарикоподшипнику смазочно-охлаждающей жидкости, кроме того, на указанной посадочной поверхности вала может быть выполнен кольцевой паз масляного коллектора, сообщенный с одной стороны с указанным открытым коллектором осевыми или спиральными каналами, и сообщен также с каналами подвода смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника и частью указанных каналов, доведенных до примыкающего многогребешкового кольцевого элемента лабиринтного уплотнения, может быть сообщен с масляной полостью.
Опора вала ротора компрессора низкого давления (КНД), включающего соединенные барабанно-дисковую и цилиндрическую составляющие вала ротора газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего шлицевую и стяжную трубы, а также рессору, соединяющую валы КНД и турбины низкого давления (ТНД), согласно изобретению выполнена в качестве задней опоры вала ротора КНД, закреплена в промежуточном корпусе двигателя, содержит выполненный опорно-упорным шарикоподшипник, разделяющий опору на статорную и роторную части, статорная часть включает корпус опоры в виде силовой конической диафрагмы, выполненный заодно с корпусом шарикоподшипника, при этом указанная коническая диафрагма выполнена переходящей:
- во внешнее силовое кольцо, имеющее фланец, включающий отверстия под крепежные элементы разъемного соединения с фланцем промежуточного корпуса двигателя, а также выполненные чередующимися с указанными и между собой отверстия для прохождения масла и воздуха, отверстия под центрирующие штифты и отверстия для демонтажа корпуса опоры,
- во внутреннее силовое кольцо, выполненное двуплечим и наделенное фланцем, предназначенным для разъемного соединения с фланцем наружного кольца шарикоподшипника, указанный фланец силового кольца включает две рассредоточенные по окружности группы отверстий - под крепежные элементы и отверстия для прохождения масла и воздуха,
1
2
- в пролонгированный за выполненное двуплечим внутреннее силовое кольцо фронтальный кольцевой элемент, выполненный с √-образным профилем поперечного сечения, большее плечо которого выполнено в виде малой конической диафрагмы, составляющей часть корпуса масляной полости опоры с углом α отклонения образующей указанной диафрагмы от радиальной плоскости, нормальной к оси вала, не менее чем в два раза меньшим аналогичного угла α отклонения образующей силовой конической диафрагмы корпуса опоры, а меньшее плечо выполнено в виде фланца, разъемно соединенного крепежными элементами с ответными фланцами числом до трех кольцевых держателей крышек лабиринтных уплотнений, разделяющих полости наддува, суфлирования и масляную, а роторная часть опоры включает выполненную заодно с задней цапфой нижнюю часть конической диафрагмы барабанно-дисковой составляющей вала ротора КНД, разъемно соединенную с цилиндрической составляющей вала и через последнюю на силовых шлицах соединенную с рессорой, посредством которой цилиндрическая составляющая вала ротора КНД соединена с валом ТНД с возможностью получения от турбины и пропуска через опору крутящего момента к барабанно-дисковой составляющей вала ротора КНД, кроме этого, указанная задняя цапфа и цилиндрическая составляющая вала ротора КНД взаимно разъемно зафиксированы в осевом направлении с возможностью восприятия и передачи на опору осевых усилий установленным в полости вала соединительным элементом, выполненным в виде внутреннего полого стяжного болта, при этом на посадочной поверхности фронтальной части цилиндрической составляющей вала ротора установлены разно удаленные от оси вала многогребешковые кольцевые элементы лабиринтных уплотнений и внутреннее кольцо шарикоподшипника, а также поджимающий их к упорному кольцевому буртику установленный на резьбе полифункциональный внешний стяжной элемент в виде круглой гайки, снабженной на свободном конце кольцевым бортовым элементом с образованием открытого коллектора, наделенного функцией сбора и напорной подачи смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника и посредством части пролонгированных под внутренним кольцом шарикоподшипника каналов подачи жидкости к многогребешковому кольцевому элементу лабиринта с выходом в масляную полость.
Отверстия под крепежные элементы во фланце, малой конической диафрагмы корпуса опоры, могут быть выполнены с угловой частотой
м
м
γ=N/2π=(1,91÷3,98) [ед./рад],
м
где N - число отверстий под крепежные элементы во фланце.
Многогребешковые кольца в паре с ответными крышками лабиринтных уплотнений, установленных на посадочной поверхности цилиндрической составляющей вала ротора КНД, могут образовывать подвижные уплотнения каскада полостей наддува, суфлирования и масляной полости задней опоры, причем задняя цапфа барабанно-дисковой составляющей вала ротора КНД на внешней и внутренней цилиндрической поверхностях и фронтальная часть цилиндрической составляющей вала ротора КНД на внешней поверхности снабжены кольцевыми буртиками для взаимной осевой фиксации указанных составляющих вала через цапфу соединительным элементом в виде полого внутреннего стяжного болта, который, в свою очередь, снабжен с противоположного конца внешней резьбой для соединения со снабженным ответной резьбой внутренним элементом цилиндрической составляющей вала, при этом в полость указанного болта введены на фиксирующих шлицах шлицевая труба, соединенная на шлицах со стяжной трубой с образованием напорного канала подвода воздуха в полости наддува других опор.
На цилиндрической поверхности кольцевого бурта в нижней части задней конической диафрагмы барабанно-дисковой составляющей вала ротора КНД может быть расположен фронтальный многогребешковый кольцевой элемент, который совместно с крышкой лабиринтного уплотнения задней опоры подвижно замыкает с фронтальной стороны полость наддува, а кольцевой держатель крышки лабиринтного уплотнения снабжен дополнительным кольцевым элементом, концентрическим относительно держателя крышки того же лабиринтного уплотнения, в котором выполнены не менее двух кольцевых проточек с размещенными в них кольцами уплотнения масляной полости.
Внешнее силовое кольцо, обрамляющее силовую коническую диафрагму корпуса опоры, может быть снабжено не менее чем двумя кольцевыми проточками с установленными в них кольцами уплотнений.
1
Корпус задней опоры вала ротора КНД ГТД согласно изобретению включен в состав статорной части опоры и выполнен в виде силовой конической диафрагмы с отклонением направляющей от плоскости, нормальной к оси вала, на угол α, не превышающий 0,16π рад, при этом указанная диафрагма выполнена переходящей во внутреннее и внешнее силовые кольца разных диаметров, наделенные посадочными местами и фланцами с отверстиями под крепежные элементы разъемных соединений, выполненных:
- у внутреннего торца диафрагмы через ответный фланец наружного кольца шарикоподшипника с угловой частотой разнесения крепежных элементов
кэш
кэш
γ=N/2π=(1,27÷2,39) [ед./рад],
кэш
где N - число отверстий под крепежные элементы во фланце внутреннего торца диафрагмы,
- у внешнего торца диафрагмы через ответный фланец промежуточного корпуса с угловой частотой разнесения крепежных элементов
вкэ
вкэ
γ=N/2π=(3,98÷5,73),
вкэ
где N - число отверстий под крепежные элементы во фланце внешнего торца диафрагмы,
2
1
при этом фронтальная часть внутреннего силового кольца снабжена обращенным к барабанно-дисковой составляющей вала ротора кольцевым элементом, выполненным с √-образным профилем поперечного сечения, большее плечо которого образовано конической диафрагмой с диаметром меньше меньшего диаметра основной диафрагмы корпуса и с меньшим углом α<α отклонения от плоскости, нормальной к оси вала, а меньшее плечо образовано фланцем, имеющим упомянутые отверстия под крепежные элементы разъемного соединения с фланцем наружного кольца корпуса подшипника, а отверстия для циркуляции масла и воздуха выполнены с угловой частотой
омв
омв
γ=N/2π=(14,9÷6,8) [ед./рад],
омв
где N - число отверстий для циркуляции масла и воздуха во фланце внутреннего силового кольца диафрагмы корпуса опоры.
Элемент вала ротора КНД ГТД согласно изобретению выполнен в качестве цилиндрической составляющей вала ротора, включающей фронтальную, среднюю и тыльную части, причем фронтальная часть снабжена с наружной стороны у фронтального торца вала упорным кольцевым буртиком и имеет посадочную поверхность под многогребешковые кольцевые элементы лабиринтных уплотнений, разделяющих полости наддува, суфлирующую и масляную, и под внутреннее кольцо шарикоподшипника, за указанной посадочной поверхностью расположен участок с резьбой под полифункциональный внешний стяжной элемент, снабженный участком с ответной резьбой, которая на указанном участке посадочной поверхности цилиндрической составляющей вала пересечена продольными или спиральными каналами, выполненными с угловой частотой
кцв
кцв
γ=N/2π=1,554÷2,25) [ед./рад],
кцв
где N - общее количество каналов, пересекающих резьбу на посадочной поверхности фронтального участка цилиндрической составляющей вала ротора КНД,
при этом все указанные каналы в посадочной поверхности вала выполнены длиной до кольцевого коллектора, образованного кольцевой канавкой, расположенной симметрично относительно плоскости центров тел качения шарикоподшипника, а часть из упомянутых каналов пролонгирована от указанного коллектора за внешнюю грань внутреннего кольца шарикоподшипника, кроме того, с внутренней стороны фронтальная часть цилиндрической составляющей вала снабжена силовыми шлицами для соединения с ответными шлицами задней цапфы барабанно-дисковой части вала, средняя часть цилиндрической составляющей вала выполнена соединяющей фронтальную и тыльную части и наделена внутри вала осевым кольцевым участком с внутренней резьбой для разъемного соединения с цапфой барабанно-дисковой составляющей вала, а также наделена радиальным кольцевым выступом для разъемного силового соединения с валом турбины низкого давления (ТНД), тыльная часть цилиндрической составляющей вала включает ее головной кольцевой буртик и посадочную поверхность для фиксированного размещения элементов сервисного оборудования, к тому же тыльная часть цилиндрической составляющей вала ротора выполнена с возможностью свободной фиксации осевого положения рессоры посредством зацепления за внешний выступ рессоры стяжным элементом, а изнутри тыльная часть цилиндрической составляющей вала снабжена силовыми шлицами для соединения с ответными шлицами рессоры с возможностью передачи через опору крутящего момента от ТНД.
Элемент вала ротора КНД ГТД может включать участки с переменным диаметром по длине вала, причем максимальный диаметр фронтальной части за упорным кольцевым буртиком выполнен превышающим не менее чем в 1,25 раза максимальный диаметр в зоне посадочной поверхности под сервисное оборудование.
Полифункциональный внешний стяжной элемент цилиндрической составляющей вала ротора КНД ГТД согласно изобретению предназначен для стягивания в пакет многогребешковых колец лабиринтных уплотнений и внутреннего кольца шарикоподшипника опоры с подачей смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника, для чего указанный элемент выполнен в виде круглоцилиндрической с внешней и внутренней сторон гайки, снабженной на части осевой высоты последней внутренней резьбой диаметром под внешнюю резьбу цилиндрической составляющей вала, а с внешней стороны упомянутая гайка снабжена пазами для силовой затяжки посредством ответных выступов технологического инструмента и пазами для фиксации положения гайки контровочным элементом, при этом частота расположенных равномерно по окружности пазов для силовой затяжки гайки принята в диапазоне
п
п
γ=N/2π=(1,27÷2,38) [ед./рад],
п
где N - целое и четное число пазов, находящееся в указанном диапазоне угловых частот, для силовой затяжки гайки,
причем указанный внешний стяжной элемент в виде гайки пролонгирован во внешнюю сторону с образованием открытого кольцевого коллектора с функцией сбора и подачи смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения подшипника, для чего торец пролонгированного участка снабжен обращенным к оси вала кольцевым бортовым элементом.
В полифункциональном внешнем стяжном элементе контровочный элемент может быть выполнен в виде кольцевой колпачковой шайбы с внутренним диаметром кольцевого проема в донце шайбы, обеспечивающим конгруэнтное примыкание к посадочной поверхности цилиндрической части вала ротора, которая снабжена не менее чем одним локальным фиксирующим выступом, а внутренний диаметр цилиндрической стенки контровочного элемента выполнен конгруэнтным внешней поверхности указанного внешнего стяжного элемента в виде гайки, при этом стенка контровочного элемента выполнена из материала и диаметром, допускающих выполнение пластичных технологических прогибов до примыкания к ложу упомянутых пазов полифункционального внешнего стяжного элемента в виде гайки.
В полифункциональном внешнем стяжном элементе пазы для силовой затяжки гайки могут быть выполнены прямоугольной конфигурации в поперечном сечении, а пазы для фиксации положения затянутой гайки могут быть выполнены в поперечном сечении криволинейными с постоянным или переменным радиусом, в том числе в виде дуги окружности, эллипса, овоида, параболы или гиперболы.
бк
В полифункциональном внешнем стяжном элементе обращенный к оси вала кольцевой бортовой элемент может быть наклонен в сторону указанного открытого кольцевого коллектора стяжного элемента на угол α до 0,38π рад.
Соединительный элемент вала ротора КНД, имеющего барабанно-дисковую составляющую вала ротора с задней цапфой, и цилиндрическую составляющую вала ротора, включающую фронтальную часть, соединенную на силовых шлицах с задней цапфой, а также соединенные на шлицах стяжную и шлицевую трубы, согласно изобретению предназначен для разъемного соединения цилиндрической составляющей вала с задней цапфой барабанно-дисковой составляющей вала через кольцевой буртик цапфы, при этом соединительный элемент выполнен в виде полого болта с кольцевым оголовком, снабженным внешним кольцевым буртиком, выполненным под опорное зацепление с ответным буртиком цапфы и с посадочным местом, выполненным с диаметром под внутренний диаметр указанного кольцевого буртика цапфы, и на противоположном конце полый болт снабжен внешней резьбой для стяжного соединения посредством ответной резьбы внутреннего кольцевого элемента цилиндрической составляющей вала ротора, а с внутренней стороны указанный кольцевой оголовок болта снабжен шлицами для угловой фиксации взаимного положения со шлицевой трубой, причем толщина стенки болта на участках между оголовком и резьбовым участком на противоположном конце болта выполнена уменьшенной с внешней стороны относительно диаметров посадочного места оголовка и резьбового участка болта, и при этом толщина стенки уменьшена за счет увеличения внутреннего диаметра полости болта.
В соединительном элементе вала ротора КНД фиксирующие шлицы для соединения со шлицевой трубой могут быть выполнены с угловой частотой
1, ш
1, ш
γ=N/2π=(22÷31) [ед./рад],
1, ш
где N - число шлицев на внутренней поверхности оголовка болта.
В соединительном элементе вала ротора КНД резьба болта под внутренний диаметр внутреннего элемента цилиндрической составляющей вала может быть выполнена с шагом 1,0÷2,0 мм и общей осевой протяженностью 10÷25 мм.
В соединительном элементе вала ротора КНД длина стенки полого болта от опорной поверхности кольцевого буртика его оголовка до резьбового участка на противоположном конце болта может быть выполнена превышающей длину силовых шлицов соединения задней цапфы и цилиндрической составляющей вала, не менее чем на осевую ширину внутреннего буртика указанной цапфы.
1
Корпус шарикоподшипника задней опоры вала ротора КНД ГТД согласно изобретению включен в состав статорной части опоры и выполнен в виде силовой конической диафрагмы с отклонением конической образующей от плоскости, нормальной к оси вала, на угол α, не превышающий 0,16π рад, при этом указанная диафрагма снабжена по торцам, выполненными заодно с диафрагмой внутренним двуплечим и внешним силовыми кольцами разных диаметров, наделенными посадочными местами и фланцами, причем во фланце внутреннего двуплечего силового кольца выполнены две группы отверстий:
- под крепежные элементы с угловой частотой
кэш
кэш
γ=N/2π=(1,27÷2,39) [ед./рад],
кэш
где N - число отверстий во фланце внутреннего силового кольца под крепежные элементы соединения фланца наружного кольца шарикоподшипника,
- под отверстия для прохождения масла и воздуха с угловой частотой
5, омв
2 омв
γ=N/2π=(5,1÷6,4) [ед./рад],
2омв
гГде N - число отверстий во фланце внутреннего силового кольца для прохождения масла и воздуха,
а во фланце внешнего силового кольца выполнены:
- отверстия под крепежные элементы, разнесенные с угловой частотой
вкэ
вкэ
γ=N/2π=(3,98÷5,73),
вкэ
где N - число отверстий во фланце внешнего силового кольца под крепежные элементы соединения с фланцем промежуточного корпуса двигателя,
- отверстия под центрирующие штифты, выполненные с угловой частотой
6оц
6оц
γ=N/2π=(0,48÷1,43) [ед./рад],
6оц
где N - число отверстий во фланце внешнего силового кольца под центрирующие штифты.
Технический результат группы изобретений достигается совокупностью признаков каждого из описанных объектов и заключается в адаптации компрессора низкого давления, как части двигателя, более чувствительной к режиму поступления внешнего воздушного потока, к интенсивной работе в неподвижных условиях наземного функционирования, за счет оптимизации рабочих характеристик опоры вала ротора низкого давления и ее элементов к этим специфическим условиям, а также в улучшении возможностей проведения монтажно-демонтажных работ полуавтоматическими или ручными приемами, например, в полевых условиях.
Сущность изобретений поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - задняя опора вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 2 - узел соединения барабанно-дисковой и цилиндрической составляющих вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 3 - корпус шарикоподшипника задней опоры вала ротора КНД, фрагмент продольного разреза;
на фиг. 4 - корпус задней опоры вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 5 - цилиндрическая составляющая вала ротора, продольный разрез;
на фиг. 6 - соединительный элемент барабанно-дисковой и цилиндрической составляющих вала ротора, фрагмент продольного разреза;
на фиг. 7 - полифункциональный внешний стяжной элемент цилиндрической составляющей вала ротора, фрагмент продольного разреза.
Компрессор низкого давления (КНД) включает соединенные барабанно-дисковую 1 и цилиндрическую 2 составляющие вала 3 ротора и имеет шлицевую трубу 4, стяжную трубу 5, а также рессору 6, которая соединяет валы КНД и турбины низкого давления (ТНД). Задняя опора вала 3 ротора КНД расположена в промежуточном корпусе 7 двигателя и содержит шарикоподшипник 8, выполненный опорно-упорным, который разделяет статорную 9 и роторную 10 части опоры.
Статорная часть 9 включает корпус 11 опоры в виде силовой конической диафрагмы 12, выполненной заодно с корпусом 13 (фиг. 3) шарикоподшипника 8 и переходящей у торцов во внутреннее силовое кольцо 14 и во внешнее силовое кольцо 15, которые имеют разные диаметры и наделены посадочными местами и фланцами 16 и 17, включающими отверстия 18 и 19 (фиг. 4) под крепежные элементы разъемных соединений. Эти отверстия выполнены у внутреннего торца диафрагмы 12 через ответный фланец 20 наружного кольца 21 шарикоподшипника 8 и разнесены под крепежные элементы с угловой частотой
кэш
кэш
γ=N/2π=(1,27÷2,39) [ед./рад],
кэш
где N - число отверстий 18 во фланце 20 наружного кольца 21 шарикоподшипника 8 под крепежные элементы соединения с фланцем корпуса шарикоподшипника, а у внешнего торца диафрагмы 12 через ответный фланец промежуточного корпуса 7 двигателя они разнесены под крепежные элементы с угловой частотой
вкэ
вкэ
γ=N/2π=(3,98÷5,73) [ед./рад],
вкэ
кэш
вкэ
кэш
вкэ
где N - число отверстий 19 во фланце 17 внешнего торца диафрагмы 12 под крепежные элементы соединения с фланцем 22 промежуточного корпуса 7 двигателя. Если угловая частота γ<1,27 ед./рад или γ<3,98 ед./рад, то прочность соединения будет недостаточной, если же γ>2,39 ед./рад или γ>5,73 ед./рад, то это приведет к неоправданному для обеспечения прочности повышению материалоемкости и трудоемкости соединений.
1
2
Фронтальная часть внутреннего силового кольца 14 корпуса 11 опоры пролонгирована в кольцевой элемент 23, выполненный с √-образным профилем поперечного сечения, большее плечо которого образовано малой конической диафрагмой 24 (фиг. 4) с углом α отклонения образующей указанной диафрагмы от радиальной плоскости, нормальной к оси 25 вала 3, не менее чем в два раза меньшим аналогичного угла α отклонения образующей силовой конической диафрагмы 12 корпуса 11 опоры. Меньшее плечо выполнено в виде фланца 26, разъемно соединенного через отверстия 27 крепежными элементами с кольцевыми держателями 28, 29 и 30, имеющихся у лабиринтных уплотнений, разделяющих полость наддува 31, полость суфлирования 32 и масляную полость 33, крышек 34, 35 и 36 соответственно. Угловая частота разнесения указанных соединений
м
м
γ=N/2π=(1,91÷3,98) [ед./рад],
м
м
кэш
вкэ
где N - число отверстий 27 во фланце 26 кольцевого элемента 23 под крепежные элементы соединения с кольцевыми держателями 28,29,30 крышек 34, 35, 36 лабиринтных уплотнений. Угловая частота γ в указанном диапазоне значений достаточна и необходима с точки зрения прочности и материалоемкости так же, как и диапазоны частот γ и γ.
Роторная часть опоры имеет нижнюю часть 37 конической диафрагмы барабанно-дисковой составляющей 1, выполненную заодно с задней цапфой 38 вала ротора КНД. Барабанно-дисковая составляющая 1 разъемно соединена с цилиндрической составляющей 2 вала 3 на силовых шлицах 39, расположенных с угловой частотой
ш
ш
γ=N/2π=(8,28÷8,92), [ед./рад],
ш
ш
ш
где N - число силовых шлицев 39 цилиндрической составляющей 2 и задней цапфы 38 вала 3. Угловая частота расположения шлицев 39 γ<8,28 ед./рад ухудшает сцепление цапфы 38 с цилиндрической составляющей 2, а частота γ>8,92 ед./рад из-за увеличения частоты ослабляет прочность самих шлицев 39, когда эти шлицы нужно будет выполнять более мелкими, что тоже ухудшает сцепление. Через цилиндрическую составляющую 2 посредством рессоры 6 роторная часть соединена с валом ТНД для получения от турбины и передачи через опору крутящего момента к барабанно-дисковой составляющей 1 вала 3 ротора КНД.
Задняя цапфа 38 и цилиндрическая составляющая 2 вала 3 ротора КНД взаимно разъемно соединены в осевом направлении с возможностью восприятия и передачи на опору осевых усилий установленным в полости вала соединительным элементом, выполненным в виде внутреннего полого стяжного болта 40 (фиг. 6).
На внешней посадочной поверхности 41 фронтальной части 42 цилиндрической составляющей 2 вала 3 ротора установлены разно удаленные от оси 25 вала 3 многогребешковый кольцевой элемент 43, разделяющий полость наддува 31 и полость суфлирования 32, и многогребешковый кольцевой элемент 44, разделяющий полость суфлирования 32 и масляную полость 33, а также внутреннее кольцо 45 шарикоподшипника 8.
На внешней посадочной поверхности 41 фронтальной части 42 цилиндрической составляющей 2 выполнена резьба 46, на которой установлен поджимающий кольцевые элементы 43, 44 к упорному кольцевому буртику 47 этой составляющей 2 полифункциональный внешний стяжной элемент в виде круглой гайки 48 (фиг. 7). Гайка 48 имеет на свободном крае кольцевой бортовой элемент 49, обращенный к валу 3 ротора. С помощью бортового элемента 49 образуется открытый коллектор 50 для сбора и напорной подачи смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника 8, а посредством каналов 51 под внутренним кольцом 45 шарикоподшипника 8 подачи указанной жидкости к кольцевому многогребешковому элементу 44 лабиринтного уплотнения с выходом в масляную полость 33.
Само внутреннее кольцо 45 шарикоподшипника 8 выполнено составным из двух полуколец, на стыке которых имеются каналы 52 для подачи смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника 8.
Как упоминалось выше, задняя цапфа 38 и цилиндрическая составляющая 2 вала 3 ротора КНД разъемно взаимно зафиксированы в осевом направлении с возможностью восприятия и передачи на опору осевых усилий установленным в полости вала 3 соединительным элементом, выполненным в виде внутреннего полого стяжного болта 40. Указанный стяжной болт 40 имеет фронтальный кольцевой оголовок 53, снабженный внешним кольцевым буртиком 54 для силового зацепления с ответным внутренним буртиком 55 цапфы 38. Сам полый стяжной болт 40 снабжен у тыльного торца внешней резьбой 56, а в его полости размещен узел соединения шлицевой 4 и стяжной труб 5, образующих магистраль напорной подачи воздуха в полости наддува других опор.
Полифункциональный внешний стяжной элемент, выполненный в виде круглой гайки 48, установлен у тыльного торца 57 фронтальной части 42 цилиндрической составляющей 2 вала 3 ротора КНД и замыкает на посадочной поверхности 41 вала собранные в пакет многогребешковые кольцевые элементы 43, 44 лабиринтных уплотнений и внутреннее кольцо 45 шарикоподшипника 8 опоры. На посадочной поверхности 41 вала выполнен кольцевой паз 58 масляного коллектора, который сообщен с открытым коллектором 50 осевыми или спиральными каналами 51, а также с каналами 52 подвода смазочно-охлаждающей жидкости к телам качения шарикоподшипника 8 и с масляной полостью 33 частью указанных каналов 51, доведенных до примыкающего многогребешкового кольцевого элемента 44 лабиринтного уплотнения.
Задняя цапфа 38 барабанно-дисковой составляющей 1 вала 3 помимо внутреннего буртика 55 имеет кольцевой буртик 59 на внешней поверхности. Фронтальная часть 42 цилиндрической составляющей 2 вала 3 ротора КНД на внешней поверхности имеет кольцевой буртик 47 для взаимной осевой фиксации указанных составляющих вала 3 через заднюю цапфу 38 соединительным элементом в виде полого внутреннего стяжного болта 40. Болт 40, в свою очередь, снабжен с противоположного конца внешней резьбой 56 для соединения со снабженным ответной резьбой внутренним элементом 60 (фиг. 5) цилиндрической составляющей 2 вала 3. В полость указанного болта 40 введена на фиксирующих шлицах 61 шлицевая труба 4, соединенная на шлицах 62 со стяжной трубой 5 с образованием напорного канала подвода воздуха в полости наддува других опор.
На цилиндрической поверхности кольцевого бурта 63 в нижней части 37 задней конической диафрагмы расположен фронтальный многогребешковый кольцевой элемент 64. Этот кольцевой элемент 64 совместно с крышкой 35 лабиринтного уплотнения задней опоры подвижно замыкает с фронтальной стороны полость наддува 31. Кольцевой держатель 30 крышки 36 лабиринтного уплотнения снабжен дополнительным кольцевым элементом 65, концентрическим относительно держателя 30 крышки 36 того же лабиринтного уплотнения, в котором выполнены не менее двух кольцевых проточек 66 с размещенными в них кольцами 67 уплотнения масляной полости 33.
Внешнее силовое кольцо 15, обрамляющее силовую коническую диафрагму 12 корпуса 11 опоры, снабжено двумя кольцевыми проточками 68 с установленными в них кольцами уплотнений 69.
1
Корпус 11 задней опоры вала 3 ротора КНД выполнен в виде силовой конической диафрагмы 12 с отклонением направляющей от плоскости, нормальной к оси вала 3, на угол α, не превышающий 0,16π рад.
Во фланце 16 внутреннего силового кольца 14 диафрагмы 12 корпуса 11 опоры вала 3 ротора выполнены отверстия (не показаны) для циркуляции масла и воздуха с угловой частотой
омв
омв
γ=N/2π=(14,9÷6,8) [ед./рад],
омв
омв
омв
где N - число отверстий для циркуляции масла и воздуха во фланце 16. Угловая частота отверстий для масла и воздуха γ>14,9 ед./рад уменьшает несущую способность фланца 16 и, соответственно, фланца 20 наружного кольца 21, через отверстия в котором эти отверстия соединяют масляную среду полости 33 и тыльной полости (не показана) КНД. А при угловой частоте γ<6,8 ед./рад затрудняется обмен между масляной полостью 33 и тыльной полостью КНД.
Элемент вала 3 ротора КНД выполнен в качестве цилиндрической составляющей 2 вала 3 ротора и включает фронтальную часть 42, среднюю часть 70 и тыльную часть 71 (фиг. 5).
Резьба 46 на посадочной поверхности цилиндрической составляющей 2 вала 3 пересечена продольными или спиральными каналами 51, выполненными с угловой частотой
кцв
кцв
γ=N/2π=1,55÷2,25) [ед./рад],
кцв
кцв
кцв
где N - общее количество каналов 51, пересекающих резьбу 46 в посадочной поверхности 41 фронтальной части 42 цилиндрической составляющей 2 вала 3 ротора КНД. При угловой частоте γ<1,55 ед./рад снижается пропускная способность каналов 51, а при γ>2,25 ед./рад ухудшаются прочностные свойства резьбы 46.
Указанные каналы 51 в посадочной поверхности 41 вала выполнены длиной до кольцевого коллектора 58, образованного кольцевой канавкой, расположенной симметрично относительно плоскости центров тел качения шарикоподшипника 8.
Средняя часть 70 цилиндрической составляющей 2 вала 3 выполнена соединяющей фронтальную 42 и тыльную 71 части и имеет внутри вала осевой элемент 60 с внутренней резьбой для разъемного соединения с цапфой 38 барабанно-дисковой составляющей 2 вала 3. Средняя часть 70 наделена также радиальным кольцевым выступом 72 для разъемного силового соединения с валом турбины низкого давления (ТНД).
Тыльная часть 71 цилиндрической составляющей 2 вала 3 включает ее головной кольцевой буртик 73 и посадочную поверхность 74 для фиксированного размещения элементов 75 сервисного оборудования. Тыльная часть 71 цилиндрической составляющей 2 вала 3 ротора выполнена с возможностью свободной фиксации осевого положения рессоры 6 посредством зацепления за внешний выступ 76 рессоры 6 стяжным элементом 77. Изнутри тыльная часть 71 цилиндрической составляющей 2 вала 3 снабжена силовыми шлицами 78 для соединения с ответными шлицами рессоры с возможностью передачи через опору крутящего момента от ТНД.
Максимальный диаметр фронтальной части 42 за головным кольцевым буртиком 47 выполнен превышающим не менее чем в 1,25 раза максимальный диаметр посадочной поверхности 74 под сервисное оборудование.
Полифункциональный внешний стяжной элемент цилиндрической составляющей 2 вала 3 ротора КНД выполнен в виде круглоцилиндрической с внешней и внутренней сторон гайки 48, снабженной на части осевой высоты последней внутренней резьбой 79 (фиг. 7) диаметром под внешнюю резьбу 46 цилиндрической составляющей 2 вала 3. С внешней стороны упомянутая гайка 48 снабжена пазами 80 для силовой затяжки посредством ответных выступов технологического инструмента и фиксации положения гайки контровочным элементом 81.
Угловая частота расположенных равномерно по окружности пазов 80 для силовой затяжки гайки 48 принята в диапазоне
п
п
γ=N/2π=(1,27÷2,38) [ед./рад],
п
п
п
где N - целое и четное число пазов 80, находящееся в указанном диапазоне угловых частот, для силовой затяжки гайки 48. Число пазов 80 N<8 уменьшает удобство попадания на них выступов гайковерточной головки инструмента. Число пазов 80 N>14 ослабляет прочность кольцевого бортового элемента 49 открытого коллектора 50. Равномерность расположения по окружности и четность числа пазов 80 обеспечивают симметричность полифункционального элемента относительно оси 25 вращения вала 3.
Контровочный элемент 81 выполнен в виде кольцевой колпачковой шайбы с внутренним диаметром кольцевого проема в донце, обеспечивающем конгруэнтное примыкание к посадочной поверхности цилиндрической части 2 вала 3 ротора, и снабжен не менее чем одним локальным фиксирующим выступом.
бк
Обращенный к оси 25 вала 3 кольцевой бортовой элемент 49 наклонен в сторону открытого кольцевого коллектора 50 стяжного элемента 48 на угол α до 0,38π рад.
Соединительный элемент вала 3 ротора КНД выполнен в виде полого болта 40 с кольцевым оголовком 53, снабженным внешним кольцевым буртиком 54, выполненным под опорное зацепление с ответным буртиком 55 цапфы 38. Болт 40 снабжен посадочным местом 82, выполненным с диаметром под внутренний диаметр указанного кольцевого буртика 55 цапфы 38. Толщина стенки болта 40 на участках между оголовком 53 и резьбовым участком на противоположном конце болта выполнена уменьшенной с внешней стороны относительно диаметров посадочного места 83 оголовка 53 и резьбового участка 56 болта 40.
Фиксирующие шлицы 61 стяжного болта 40 для соединения со шлицевой трубой 4 выполнены с угловой частотой
1, ш
1, ш
γ=N/2π=(22÷31) [ед./рад],
1, ш
1, ш
1, ш
где N - число шлицев 61 на внутренней поверхности оголовка 53 болта 40. Угловая частота γ<22 ед./рад ухудшает сцепление болта 40 со шлицевой трубой 4, а при частоте γ>31 ед./рад измельчаются и ослабевают сами шлицы 61, что тоже ведет к ухудшению сцепления.
Резьба болта 40 под внутренний диаметр внутреннего элемента 60 цилиндрической составляющей 2 вала 3 выполнена с шагом 1,0÷2,0 мм и общей осевой протяженностью 10÷25 мм.
1
Корпус 13 шарикоподшипника 8 выполнен в виде силовой конической диафрагмы 12 с отклонением конической образующей от плоскости, нормальной к оси вала, на угол α, не превышающий 0,16π рад. Во фланце 16 внутреннего 14 двуплечего силового кольца диафрагмы 12 выполнены отверстия 84 под крепежные элементы, а также отверстия для прохождения масла и воздуха, выполненные с угловой частотой
5, омв
2 омв
γ=N/2π=(5,1÷6,4) [ед./рад],
2омв
5,омв
5,омв
где N - число отверстий во фланце 16 внутреннего силового кольца для прохождения масла и воздуха. Угловая частота отверстий для масла и воздуха γ>6,4 ед./рад уменьшает несущую способность фланца 16 и, соответственно, фланца 20 наружного кольца 21, через отверстия в котором эти отверстия соединяют масляную среду полости 33 и тыльной полости (не показана) КНД. При угловой частоте γ<5,1 ед./рад затрудняется обмен между масляной полостью 33 и тыльной полостью КНД.
Во фланце 17 внешнего силового кольца 15 имеются отверстия под центрирующие штифты, выполненные с угловой частотой
6оц
6оц
γ=N/2π=(0,48÷1,43) [ед./рад],
6oц
где N - число отверстий во фланце 17 внешнего силового кольца 15 под центрирующие штифты. Количество центрирующих штифтов меньше трех функционально недостаточно, а больше девяти избыточно в силу повышенных материалоемкости и трудозатрат.
Опору вала ротора КНД и ее элементы монтируют следующим образом.
На малый фланец 26 корпуса опоры 11 прикрепляют фланцем держатель 30 крышки 36 лабиринтного уплотнения, разделяющего масляную 33 и суфлирующую 32 полости с установленными на нем резиновыми уплотнительными кольцами 65. Затем на фланец смонтированного держателя 30 крышки 36 лабиринтного уплотнения последовательно устанавливают фланцы 29 и 28 держателей крышек других лабиринтных уплотнений, после чего весь пакет деталей стягивают крепежными винтами.
На цилиндрическую составляющую 2 вала 3 КНД последовательно устанавливают резиновое уплотнительное кольцо (не показано), многогребешковый кольцевой элемент 43 лабиринтного уплотнения, другое резиновое уплотнительное кольцо (не показано), второй многогребешковый кольцевой элемент 44 лабиринтного уплотнения. После чего на вал 3 опускают ранее собранный корпус опоры 11.
После установки корпуса опоры устанавливают на валу собранный шарикоподшипник 8, после чего производят затяжку пакета деталей, установленных на валу, гайкой 48. После затяжки гайки 48 устанавливают крепежные винты наружного кольца 21 шарикоподшипника. Далее на вал устанавливают шестерню (не показано) привода блока датчиков частоты вращения и фиксируют на валу собственной гайкой.
В дальнейшем на соответствующие фланцы корпуса опоры устанавливают блок шестерен привода датчиков частоты вращения со смонтированной на них маслоподающей форсункой (не показано), после чего во внутреннюю полость вала устанавливают приводную рессору 6, которую фиксируют от выпадения из вала гайкой (не показана).
Задняя опора вала ротора КНД ГТД работает следующим образом.
В процессе работы двигателя крутящий момент от ТНД передается через рессору 6 и приводит во вращение роторную часть задней опоры. Масляная форсунка (не показана) подает под давлением масло в открытый коллектор 50, сообщенный с системой каналов 51, выполненных в посадочной поверхности 41 цилиндрической составляющей 2 вала 3. Под действием центробежных сил смазочно-охлаждающая жидкость по упомянутой системе каналов 51 поступает к телам качения подшипника 8, а через другую часть пролонгированных каналов 51 омывает, охлаждая внутреннее кольцо 45 шарикоподшипника 8, после чего поступает в масляную полость 33 и из последней на рециркуляцию. При этом разработанные в изобретении система каналов 51 для подачи к телам качения подшипника 8 смазочно-охлаждающей жидкости и каскад уплотнений масляной полости 33, последовательно включающий лабиринтные уплотнения и подпорное избыточное давление воздуха в полости суфлирования 32, затем лабиринтное уплотнение и избыточное давление воздуха в полости наддува 31 обеспечивают возможность длительной устойчивой работы смазочно-охлаждающей системы, повышенный КПД и ресурс работы опоры.