ПОДВИЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТУРБОМАШИНЫ, СОДЕРЖАЩИЙ СРЕДСТВО ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ
MOVABLE TURBOMACHINE ELEMENT CONTAINING MEANS FOR MODIFICATION OF RESONANCE FREQUENCY THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение предлагает ротор авиационной турбомашины, содержащий средство изменения его критической скорости в зависимости от условий работы данной турбомашины. Под критической скоростью подразумевается скорость, при которой частота вращения ротора и его резонансная частота становятся равными друг другу.
Уровень техники
Подвижный элемент турбомашины, такой как ротор турбомашины, имеет характерную для него критическую скорость вращения. Когда ротор вращается со скоростью, близкой к критической, вибрация ротора усиливается, что часто оказывает отрицательное влияние на эффективность работы турбомашины.
Известные способы ограничения такой вибрации базируются на соединении ротора турбомашины с его статором с использованием демпфирующих устройств.
Другие известные технические решения заключаются в сокращении периода времени, в течение которого ротор вращается со скоростью, близкой к критической. Для достижения этой цели, ускорение или торможение ротора выполняют быстро, что оказывает отрицательное влияние на ротор, поскольку при этом в роторе, так же, как и во всем узле турбомашины в целом, возникают высокие механические напряжения.
Эти технические решения лишь частично эффективны, поскольку при их использовании при вращении ротора со скоростью, близкой к критической, турбомашина, тем не менее, подвергается влиянию высокоамплитудной вибрации.
В документе US 2005/152626 описано устройство для изменения критической скорости вращения опоры радиального подшипника ротора, содержащее две механические конструкции разной жесткости, которые совмещены таким образом, чтобы служить в качестве опоры для подшипника, и собственные резонансные частоты которых являются разными. Данная опора содержит также средством для изменения углового положения конструкций относительно друг друга таким образом, чтобы критическая скорость опоры была равна одной или другой из двух критических скоростей данных конструкций.
Таким образом, в данном документе раскрывается средство, требующее наличия органа управления, запускающего процесс изменения углового положения указанных двух структур относительно друг друга.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании ротора, способного вращаться со скоростью, всегда отличающейся от критической скорости ротора.
Настоящим изобретением предлагается ротор для авиационной турбомашины с центральной осью А, который содержит средство изменения критической скорости ротора в диапазоне между первым значением критической скорости и вторым значением критической скорости, в зависимости от того, является скорость вращения ротора меньше или больше заданного значения критической скорости, находящегося в диапазоне между указанными первым и вторым значениями критической скорости;
указанное средство изменения критической скорости вращения ротора содержит:
- компонент, который может находиться в первом состоянии или втором состоянии, в зависимости от того, является скорость вращения ротора меньше или больше заданного значения критической скорости, причем каждое состояние компонента соответствует критической скорости вращения ротора; и
- средство привода компонента в одно из двух указанных состояний, в зависимости от скорости вращения ротора;
отличающийся тем, что средство изменения критической скорости вращения ротора содержит также компонент, взаимодействующий с приводным средством и способный упруго деформироваться, переходя из одной из двух устойчивых форм в другую, каждая из которых соответствует состоянию указанного компонента.
Изменение критической скорости вращения ротора турбомашины во время работы позволяет переключаться с одной критической скорости на другую, когда текущая скорость вращения ротора приближается к одному из значений критической скорости.
Это предотвращает возможность вращения ротора со скоростью, равной критической, таким образом, уменьшая механические напряжения, возникающие в турбомашине в процессе работы. Кроме того, переключение может происходить быстро.
Предпочтительно, вышеупомянутый компонент состоит из такой системы, как упругий инвертированный кожух, обеспечивающий или не обеспечивающий упругость средства изменения критической скорости вращения ротора, в зависимости от того, в каком из двух возможных состояний оно находится.
Предпочтительно, приводное средство содержит по меньшей мере один приводной элемент, установленный с возможностью перемещения в радиальном направлении под действием центробежных сил, когда текущая скорость вращения ротора становится выше указанного заданного значения скорости вращения.
Предпочтительно, приводное средство содержит вставку, которая может перемещаться в направлении вдоль центральной оси ротора и которая может соединяться с вышеупомянутым компонентом с целью изменения состояния данного компонента.
Предпочтительно, приводное средство содержит средство преобразования радиального перемещения приводного элемента в осевое перемещение вставки.
Предпочтительно, средство преобразования радиального перемещения приводного элемента содержит два обращенных друг к другу и подвижных относительно друг друга вращающихся элемента, между которыми расположен приводной элемент, причем обращенные друг к другу опорные поверхности вращающихся элементов расположены с наклоном относительно друг друга.
Предпочтительно, приводное средство содержит упругое средство для установки вставки в положение, соответствующее состоянию вышеупомянутого компонента, связанному с критической скоростью ротора, которая ниже заданного значения скорости вращения.
Предпочтительно, приводное средство содержит основную радиально-ориентированную стенку, выпуклую в осевом направлении и соединенную с вставкой. Указанная выпуклая стенка является упруго-деформируемой и может находиться в двух устойчивых формах с противоположных сторон от радиальной плоскости, проходящей через радиальную внешнюю кромку данной выпуклой стенки.
Предпочтительно, средство изменения критической скорости ротора выполнено таким образом, что оно снижает критическую скорость ротора, когда скорость вращения ротора выше заданного значения скорости вращения, и увеличивает критическую скорость ротора, когда скорость вращения ротора ниже заданного значения скорости вращения.
Объектом изобретения является также авиационная турбомашина, содержащая ротор согласно настоящему изобретению, оснащенный средствами изменения критической скорости вращения ротора, когда скорость вращения ротора выше или ниже заданного значения скорости вращения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже подробным описанием со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показана схема в разрезе по центральной оси части ротора турбомашины согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 - вид в увеличенном масштабе средства соединения подвижного элемента с валом в разделенном положении;
на фиг. 3 - вид, аналогичный приведенному на фиг. 2, но показывающий средство соединения в соединенном положении.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана часть ротора 10 авиационной турбомашины, такой как турбовинтовой двигатель.
Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается только ротором 10, и может применяться также к другому компоненту турбомашины, способному совершать вращательное движение, например к трансмиссионному валу.
Ротор 10 включает в себя вал 12, установленный с возможностью вращения относительно статора (не показан) турбомашины вокруг центральной оси А ротора 10. На валу 12 установлено множество компонентов (не показаны) ротора 10, таких как лопатки компрессора или лопатки турбины.
При работе турбомашины, несмотря на динамическую балансировку ротора 10, ротор 10 и вал 12 вибрируют с частотой, соответствующей скорости вращения ротора.
Амплитуда колебаний при такой вибрации ротора 10 и вала 12 зависит от скорости вращения ротора 10. В частности, амплитуда колебаний при вибрации возрастает, когда скорость вращения ротора 10 приближается к критической скорости ротора 10. Под критической скоростью подразумевается скорость, при которой частота вращения ротора и его резонансная частота становятся равными друг другу.
Эта критическая скорость ротора 10 зависит от конструкции турбомашины, в частности от массы компонентов ротора 10, а также от положения направляющих опор вала 12 при вращении в статоре.
При вращении ротора 10 с данной критической скоростью вибрация ротора 10 происходит с большой амплитудой, что может привести к повреждению ротора 10 или статора.
С целью предотвращения вращения ротора 10 со скоростью, близкой к критической, ротор содержит средство 14 для изменения критической скорости ротора 10, когда скорость вращения ротора 10 приближается к критической скорости вращения ротора 10.
Конструкция средства 14 изменения критической скорости ротора 10 такова, что она обеспечивает изменение критической скорости ротора 10 практически мгновенно, как только скорость вращения ротора превышает заданное значение скорости вращения, или когда скорость вращения ротора 10 становится ниже заданного значения скорости вращения.
Таким образом, средство 14 изменения критической скорости представляет собой систему, носящую название "бистабильной", поскольку она может находиться в двух устойчивых рабочих состояниях, каждое из которых соответствует диапазону скоростей вращения ротора 10 выше или ниже заданного значения скорости вращения.
Это заданное значение скорости вращения находится между первым значением критической скорости, называемым нижней критической скоростью, которая является критической скоростью вращения ротора 10, когда средство 14 изменения критической скорости вращения находится в первом состоянии, и вторым значением критической скорости, называемую верхней критической скоростью, которая представляет собой критическую скорость вращения ротора 10, когда средство 14 изменения критической скорости вращения находится во втором состоянии.
Кроме того, конструкция средства 14 изменения критической скорости вращения такова, что когда ротор 10 вращается со скоростью ниже заданного значения, средство 14 изменения критической скорости вращения находится в своем втором состоянии, и критическая скорость ротора 10 является, таким образом, верхней критической скоростью вращения. Поэтому скорость вращения ротора 10 ниже вышеуказанной верхней критической скорости вращения.
Однако когда ротор 10 вращается со скоростью выше заданного значения, средство 14 изменения критической скорости вращения находится в своем первом состоянии, и критическая скорость ротора 10 является, таким образом, нижней критической скоростью вращения. Поэтому скорость вращения ротора 10 все еще выше вышеуказанной нижней критической скорости вращения.
Таким образом, независимо от скорости вращения ротора 10, благодаря изменению состояния средства 14 изменения критической скорости вращения, ротор 10 не может достичь скорости вращения, соответствующей его критической скорости.
Для изменения критической скорости вращения средство 14 изменения критической скорости содержит компонент 16, состояние которого изменяется в зависимости от того, находится средство 14 изменения критической скорости вращения в своем первом состоянии, или в своем втором состоянии.
В предпочтительном варианте реализации компонент 16 представляет собой такую систему, как упругий инвертированный кожух, т.е. упругий кожух, соединенный с ротором 10. В обычной системе с упругим кожухом упругий кожух соединен со статором.
Изменение состояния упругого кожуха 16 происходит в зависимости от того, соединен он или не соединен с вставкой 40. Как показано на фигурах, вставка 40 представляет собой соединенный с ротором 10 элемент, который может перемещаться в осевом направлении относительно ротора 10 и относительно упругого кожуха 16 между положением соединения с упругим кожухом 16, показанным на фиг. 1 и 2, и положением разъединения с упругим кожухом 16.
Конструкция упругого кожуха 16 такова, что при его соединении с вставкой 40 напряжения между ротором 10 и статором передаются на уровне упругого кожуха упругим кожухом 16 и направляющими опорами ротора 10. Эти два пути передачи напряжений создают жесткость упругого кожуха 16, что обеспечивает верхнюю и нижнюю критические скорости ротора 10.
Таким образом, когда вставка 40 соединена с упругим кожухом 16, средство 14 изменения критической скорости вращения находится в своем втором состоянии.
Но когда вставка 40 не соединена с упругим кожухом 16, напряжения, которые должны передаваться на уровне упругого кожуха 16, могут передаваться только через упругий кожух 16. Такой единственный путь передачи напряжений обеспечивает гибкость системы, что обеспечивает ротору 10 его нижнюю критическую скорость.
Таким образом, когда вставка 40 не соединена с упругим кожухом 16, средство 14 изменения критической скорости вращения находится в своем первом состоянии.
Как показано на фиг. 1, упругий кожух 16 прикреплен к валу 12, например, с помощью сварки.
Средство 14 изменения критической скорости вращения ротора 10 содержит устройство 18 для привода вставки 40, которое запускает движение вставки 40 между положением соединения с упругим кожухом 16 и положением, в котором данная вставка не соединена с упругим кожухом 16, когда скорость вращения ротора 10 превышает или становится ниже заданного значения скорости вращения.
Приводное устройство 18, осуществляющее привод вставки 40, запускает движение вставки 40 за счет воздействия центробежных сил. Таким образом, приводное устройство 18 не соединено с какими-либо устройствами управления, что упрощает интеграцию средства 14 изменения критической скорости вращения ротора 10.
Как показано на фигурах, приводное устройство 18 содержит корпус 20, установленный на валу 12, и цилиндрическую втулку 22, соединенную с вставкой 40.
В представленном на фигурах варианте реализации изобретения цилиндрическая втулка 22 установлена с возможностью перемещения относительно корпуса 20 в направлении вдоль центральной оси А ротора 10.
Корпус 20 и втулка 22 вращаются вместе с валом 12 и пересекаются валом 12.
Цилиндрическая втулка 22 может занимать первое положение относительно корпуса 20, показанное на фиг. 2, которое соответствует положению соединения вставки 40 с упругим кожухом 16, и второе положение, показанное на фиг. 3, которое соответствует положению, в котором вставка 40 не соединена с упругим кожухом 16.
Перемещение цилиндрической втулки 22 относительно корпуса 20 в нужном направлении обеспечивается первой опорой 24, прикрепленной к корпусу 20.
Первая опора 24 соединена с остальной частью корпуса 20 стенкой 34, проходящей в радиальном направлении относительно продольной оси А.
Как уже было указано выше, средство 14 изменения критической скорости вращения ротора 10 представляет собой бистабильную систему, т.е. может находиться в двух устойчивых рабочих состояниях.
Переход средства 14 изменения критической скорости вращения из одного устойчивого состояния в другое осуществляется с помощью средства привода цилиндрической втулки 22, которое изменяет положение втулки 22, когда скорость вращения ротора 10 становится выше или ниже заданного значения.
Кроме того, бистабильность средства 14 изменения критической скорости вращения ротора 10 усиливается стенкой 38 корпуса 20, проходящей в радиальном направлении относительно оси, которая выполнена выпуклой и в своем центре сопрягается с цилиндрической втулкой 22 с помощью второй опоры 26.
Вторая опора 26 соединена с цилиндрической втулкой 22 с возможностью перемещения в осевом направлении, и стенка 38 может упруго деформироваться при перемещении своего центра в осевом направлении.
Благодаря своей выпуклой форме, стенка 38 может принимать только два устойчивых положения, показанных на фиг. 2 и 3, в которых она располагается на разных сторонах от радиальной плоскости, проходящей через радиальную внешнюю кромку стенки 38. В каждом из этих стабильных положений стенка 38 является аксиально-выпуклой в одном или в другом направлении.
Когда при упругой деформации стенки 38 она принимает какое-либо положение, отличное от двух вышеуказанных устойчивых положений, она естественным образом стремится возвратиться к одному из двух вышеуказанных состояний, в зависимости от того, в какую сторону от жесткой точки произошла деформация; вышеупомянутая жесткая точка, в целом, является точкой, при которой центр стенки 38 находится в той же самой радиальной плоскости, что и внешняя кромка стенки.
Таким образом, когда скорость вращения ротора 10 возрастает выше или падает ниже заданного значения скорости, стенка 38 очень быстро сдвигает цилиндрическую втулку 22 в одно из двух возможных положений таким образом, что втулка 22, и, следовательно, вставка 40, могут оставаться в промежуточном положении лишь в течение очень короткого промежутка времени.
Выпуклая стенка 38 обеспечивает дискретный характер работы средства 14 изменения критической скорости вращения ротора 10.
Приводное устройство 18 предназначено для перемещения цилиндрической втулки 22 в направлении по центральной оси таким образом, что вторая опора 26 проходит через так называемую жесткую точку, когда скорость вращения ротора 10 становится равной заданному значению скорости вращения, для изменения состояния относительно которой и служит средство 14 изменения критической скорости вращения ротора 10.
Средство фиксации второй опоры 26 относительно цилиндрической втулки 22 при перемещении в осевом направлении относительно корпуса 20 содержит выступ 28 цилиндрической втулки 22, который находится в своем исходном положении (в данном случае, слева), упираясь в торец второй опоры 26. В рассматриваемом варианте исполнения выступ 28 расположен на конце 22а цилиндрической втулки, являющимся ближним к компоненту 16.
Средство фиксации второй опоры 26 относительно цилиндрической втулки 22 содержит также упругое средство, постоянно оказывающее толкающее усилие на вторую опору 26, прижимая ее в противоположном направлении, т.е. вправо, к выступу 28.
Данное упругое средство 30 также оказывает непрерывное действие на вторую опору 26, обеспечивая устойчивое положение выпуклой стенки 38, показанное на фиг. 1 и 2, соответствующее второму состоянию средства 14 изменения критической скорости вращения ротора 10, в котором критическая скорость ротора 10 является верхней критической скоростью.
В рассматриваемом варианте исполнения упругое средство 30 состоит из пружины сжатия, зажатой между двумя опорами 24, 26.
Приводное устройство 18 содержит приводное средство, служащее для перемещения цилиндрической втулки 22 в осевом направлении во второе положение, показанное на фиг.3, когда скорость вращения ротора 10 становится выше заданного значения, соответствующего первому состоянию средства 14 изменения критической скорости вращения ротора 10, при котором критическая скорость ротора 10 является его нижней критической скоростью.
Данное приводное средство основано на действии центробежных сил; оно содержит по меньшей мере один элемент 32, способный передвигаться в радиальном направлении относительно оси А, который при возрастании скорости вращении ротора 10 под действием центробежных сил постепенно сдвигается в радиальном направлении в сторону от продольной оси А.
В данном случае в качестве приводного средства используются несколько подвижных элементов 32, представляющих собой шарики, расположенные в осевом направлении между радиальной стенкой 34, поддерживающей первую опору 24, и вращающейся частью 36, закрепленной на втором конце 22b цилиндрической втулки 22.
Данная вращающаяся часть 36 отходит в радиальном направлении от второго конца 22b цилиндрической втулки 22 и содержит опорную поверхность 36а, обращенную к опорной поверхности 34а радиальной стенки 34, к которой прикреплена первая опора 24, к которой прижимаются шарики 32 в осевом направлении.
Обращенные друг к другу опорные поверхности 36а, 34а вращающейся части 36 и радиальной стенки 34 расположены с наклоном относительно друг друга, так что по меньшей мере одна из этих двух опорных поверхностей 36а, 34а имеет коническую форму, и расстояние между опорными поверхностями 36а, 34а уменьшается по мере удаления от центральной оси А.
Таким образом, при отходе шариков 32 в радиальном направлении наружу от центральной оси А, они надавливают на опорные поверхности 34а, 36а и заставляют цилиндрическую втулку 22 перемещаться во второе положение относительно корпуса 20.
За счет этого перемещения цилиндрическая втулка 22 перемещает вторую опору 26, что приводит к упругой деформации выпуклой стенки 38.
Угол между опорными поверхностями 34а, 36а, размеры и масса шариков 32, а также размеры пружины 30 зависят от заданного значения скорости вращения.
Когда ротор 10 вращается с данной заданной скоростью вращения, или со скоростью выше этого заданного значения, сила давления шариков 32 на обращенные друг к другу стенки 34а, 36а становится больше силы, создаваемой возвратной пружиной 30 и выпуклой стенкой 38. За счет этого цилиндрическая втулка 22 смещается к своему второму положению в осевом направлении, что приводит к изменению состояния выпуклой стенки 38.
При изменении состояния выпуклой стенки 38 оказываемая ей упругая возвращающая сила изменяет свое направление, и выпуклая стенка 38, таким образом, начинает взаимодействовать с центробежным приводным средством для оказания на цилиндрическую втулку 22 усилия, направленного против усилия возвращающей силы пружины 30.
Таким образом, когда ротор 10 вращается со скоростью выше заданного значения, которое, как уже было указано, выше нижней критической скорости ротора 10, цилиндрическая втулка 22 смещается в свое второе положение, в котором вставка 40 не соединена с упругим кожухом 16, т.е. между ними имеется зазор. Средство 14 изменения критической скорости вращения находится в своем первом состоянии, соответствующем нижней критической скорости ротора 10.
Следовательно., ротор 10 вращается со скоростью выше критической скорости вращения ротора 10.
Но когда скорость вращения ротора 10 становится ниже этого заданного значения скорости вращения, сила, создаваемая возвратной пружиной 30, становится больше силы давления шариков 32 на опорные поверхности 34а, 36а и возвращающего усилия выпуклой стенки 38. В результате, пружина 30 и выпуклая стенка 38 перемещают цилиндрическую втулку 22 в положение, показанное на фиг. 1 и 2.
Таким образом, когда ротор 10 вращается со скоростью ниже заданного значения, которое, как уже было указано выше, ниже верхней критической скорости ротора 10, цилиндрическая втулка 22 смещается в положение, в котором вставка 40 соединена с упругим кожухом 16, т.е. между ними не имеется зазора. Средство 14 изменения критической скорости вращения находится в своем втором состоянии, соответствующем верхней критической скорости ротора 10.
Следовательно, ротор 10 вращается со скоростью ниже критической скорости вращения ротора 10.
Сочетание действия средства привода под действием центробежных сил с быстрой деформацией выпуклой стенки 38 позволяет цилиндрической втулке 22 быстро перемещаться в положение, показанное на фиг. 3. Таким образом, вставка 40 быстро отходит в сторону от упругого кожуха 16, чтобы изменить критическую скорость ротора 10.
Ротор 10 содержит также радиальные подшипники 42 (в рассматриваемом примере исполнения их три), в которых с возможностью вращения установлены вал 12, средство 14 изменения критической скорости вращения ротора 10 и упругий кожух 16.
Первый подшипник 42 расположен в передней части вала 12, согласно направлению потока газа в турбомашине, в данном случае, с правой стороны, как показано на приведенных фигурах. Данный подшипник 42 установлен во входном корпусе турбомашины.
Два других подшипника 42 установлены с обеих сторон от турбины низкого давления турбомашины.
Второй подшипник 42, расположенный в задней части вала 12, соединен с выходным корпусом турбины низкого давления.
Третий подшипник 42, расположенный между двумя вышеуказанными подшипниками 42, соединен с упругим кожухом 16 и с внутренним корпусом турбины.
В альтернативном варианте реализации изобретения в качестве компонента 16 может использоваться подвижная масса, которая может избирательно соединяться с валом 12 или отсоединяться от него с помощью средства 14 изменения критической скорости вращения или которая может перемещаться в осевом направлении средством 14 изменения критической скорости вращения.
Изменение состояния подвижной массы 16, таким образом, заключается в селективном соединении или перемещении подвижной массы 16, что позволяет изменять критическую скорость вращения ротора 10, как описано выше.