ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЕНТИЛЯТОРОМ, ПРИКРЕПЛЕННЫМ К ПРИВОДНОМУ ВАЛУ, УДЕРЖИВАЕМОМУ ПЕРВЫМ И ВТОРЫМ ПОДШИПНИКАМИ
TURBOJET ENGINE WITH FAN FIXED TO DRIVING SHAFT RETAINED BETWEEN FIRST AND SECOND BEARINGS

Изобретение относится к турбореактивным двигателям и, в частности, к турбовентиляторным двигателям с вентилятором, прикрепленным к приводному валу, который удерживается первым подшипником и вторым подшипником.
Этот тип турбореактивных двигателей содержит, по порядку от входной стороны к выходной стороне по направлению потока газа, вентилятор, одну или несколько ступеней компрессора, одну или несколько ступеней турбины и сопло для выпуска газа. Вентилятор содержит ротор, снабженный лопатками, расположенными по его периферии, которые при вращении увлекают воздух в турбореактивный двигатель. Ротор вентилятора удерживается валом компрессора низкого давления двигателя. Он отцентрирован на центральной линии турбореактивного двигателя при помощи первого подшипника, который находится на входной стороне относительно второго подшипника, соединенного с неподвижной конструкцией, а именно с промежуточным корпусом.
В остальной части описания этот вал назван просто валом компрессора, поскольку вентилятор закреплен на валу компрессора, который является валом ротора низкого давления в двухвальном двигателе.
Первый подшипник удерживается опорной частью, формирующей оболочку вокруг вала компрессора, ориентированной в направлении выходной стороны относительно первого подшипника и прикрепленной к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя. Второй подшипник удерживается опорной частью, также прикрепленной к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя.
Лопатка вентилятора может быть непреднамеренно потеряна. Это создает большую несбалансированную массу, воздействующую на вал компрессора, которая создает нагрузки и вибрации, воздействующие на подшипники, передающиеся через их опорные части неподвижным конструкциям турбореактивного двигателя, которые могут быть вследствие этого повреждены.
Риск чрезмерного повреждения турбореактивного двигателя может быть предотвращен посредством увеличения размеров конструкции или посредством применения системы отсоединения первого подшипника, как описано в патенте Франции №2752024. Удерживающая часть первого подшипника прикреплена к конструкции турбореактивного двигателя так называемыми срезными винтами, которые имеют ослабленную часть, в которой винты будут разрушаться, если к ним прилагается чрезмерная сила. Таким образом, когда возникает несбалансированная масса, воздействующая на вал компрессора, силы, воздействующие на первый подшипник, передаются срезным винтам, которые разрушаются, отсоединяя удерживающую часть от первого подшипника, и, таким образом, первый подшипник от конструкции турбореактивного двигателя. Силы, создаваемые несбалансированной массой, больше не передаются неподвижной конструкции турбореактивного двигателя через эту удерживающую часть.
Однако вентилятор продолжает вращаться. Несбалансированная масса вызывает изгибание вала компрессора, что может вызывать смещение между внутренним и внешним опорными кольцами второго подшипника. Кроме того, изгибание вала создает эффект рычага, который создает напряжения в роликах или шариках подшипника. Результатом может быть повреждение второго подшипника.
Патент Франции № 2831624, опять-таки этого же заявителя, описывает средство, в котором второй подшипник установлен с радиальным зазором в расширении опоры кожуха. Опора второго подшипника зажата винтами, параллельными валу и плавящимися при срезе. Следовательно, второй подшипник может удерживаться в опоре кожуха. Это уменьшает риск трения.
Это изобретение предназначено для обеспечения функции центрирования второго подшипника после отсоединения первого подшипника и для следования динамике отсоединения во втором подшипнике без создания избыточных напряжений в роликах.
Для достижения этой цели турбореактивный двигатель согласно изобретению содержит неподвижную конструкцию, ротор вентилятора, прикрепленный к приводному валу, удерживаемому первым подшипником и вторым подшипником, установленными на указанной конструкции и зафиксированными при помощи опорной части для подшипников, причем первый подшипник установлен на неподвижной конструкции турбореактивного двигателя при помощи средства, которое допускает его отсоединение от неподвижной конструкции, характеризуется тем, что второй подшипник установлен на опорной части для подшипника при помощи соединения, действующего как шаровой шарнир, и тем, что турбореактивный двигатель также содержит средство, допускающее осевые смещения второго подшипника относительно неподвижной конструкции турбореактивного двигателя, если первый подшипник должен быть отсоединен.
Предпочтительно, второй подшипник содержит внешнее опорное кольцо, причем внешняя поверхность внешнего кольца имеет сферическую конфигурацию и сопрягается с внутренним корпусом сферической формы в опорной части для подшипника.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, турбореактивный двигатель также содержит средство, допускающее радиальные смещения второго подшипника относительно неподвижной конструкции турбореактивного двигателя, если первый подшипник отсоединяется.
В этом случае средство, допускающее радиальные смещения, предпочтительно, содержит срезные винты для прикрепления опорной части для подшипника к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя.
Также предпочтительно, второй подшипник содержит внутреннее кольцо, внешнее кольцо и ролики, установленные между указанными кольцами, при этом допускается осевое смещение между внутренним кольцом и внешним кольцом.
Предпочтительно, турбореактивный двигатель, соответствующий настоящему изобретению, также содержит средства, обеспечивающие удерживание ротора вентилятора в осевом направлении и/или образующие резервный подшипник, взаимодействующие со средствами в неподвижной конструкции и зафиксированные на приводном валу.
Также предпочтительно, турбореактивный двигатель включает несущий фланец, к которому прикреплен второй подшипник, и средства, обеспечивающие удерживание вентилятора в осевом направлении и/или образующие резервный подшипник, содержат удерживающий диск, установленный на приводном валу и взаимодействующий со стопорным диском кольца для удерживания вентилятора в осевом направлении, и продольный рукав кольца для формирования резервного подшипника.
Также предпочтительно, средства, обеспечивающие удерживание вентилятора в осевом направлении и/или образующие резервный подшипник, приспособлены для передачи осевых сил непосредственно приводному валу.
В этом случае, второй подшипник, преимущественно, содержит внутреннее кольцо, внешнее кольцо и ролики, установленные между указанными кольцами, а удерживающий диск содержит радиальные зубцы, упирающиеся в осевом направлении в зубцы приводного вала и блокированные при вращении продольными зубцами внутреннего кольца второго подшипника.
Изобретение, в частности, применимо к двухвальному турбореактивному двигателю, в котором вторым подшипником является подшипник, удерживающий ротор низкого давления, но заявитель не ограничивает объем своих прав этой заявкой.
Изобретение будет лучше понятно после ознакомления со следующим описанием предпочтительного варианта выполнения турбореактивного двигателя в соответствии с изобретением, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид сбоку осевого сечения предпочтительного варианта осуществления изобретения;
фиг.2 - увеличенный вид области с фиг.1, выделенной прямоугольником С;
фиг.3 - вид сзади в перспективе вала компрессора и несущего фланца в предпочтительном варианте осуществления изобретения;
фиг.4 - вид сзади с пространственным разнесением деталей вала компрессора, несущего фланца и удерживающего кольца в предпочтительном варианте осуществления изобретения;
фиг.5 - вид сзади с пространственным разнесением деталей вала компрессора, несущего фланца, удерживающего кольца и внутреннего кольца второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения;
фиг.6 - вид сзади с пространственным разнесением деталей вала компрессора, несущего фланца, удерживающего кольца, внутреннего кольца второго подшипника и опоры второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения;
фиг.7 - схематический вид в перспективе узла внешнего кольца в опоре второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения;
фиг.8 - вид в перспективе несущего фланца в предпочтительном варианте осуществления изобретения, и
фиг.9 - схематический вид сбоку сечения второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения после разрушения вала компрессора.
Как показано на фиг.1, турбореактивный двигатель, согласно изобретению содержит вентилятор 2, в котором ротор содержит лопатки 3, проходящие в радиальном направлении вокруг оси 4 турбореактивного двигателя. Вал 2 вентилятора прикреплен на выходной стороне относительно лопаток 3 к валу 5 компрессора, который имеет в основном цилиндрическую форму. Это вал компрессора низкого давления. В остальной части этого описания узел вала 2 вентилятора и вала 5 компрессора будет называться валом 5 компрессора или приводным валом 5. Вал 5 компрессора удерживается первым подшипником 6 и вторым подшипником 7, расположенным с выходной стороны от первого подшипника 6.
Как показано на фиг.2, первый подшипник 6 содержит внутреннее кольцо 8 и внешнее кольцо 9, между которыми установлены шарики 10. Внутреннее кольцо 8 прикреплено к валу 5 компрессора, а внешнее кольцо прикреплено к опорной части 11 для подшипника, далее называемой опорой 11 первого подшипника. Шарики 10 обеспечивают вращение внутреннего кольца 8 и, таким образом, вала 5 компрессора относительно внешнего кольца 9 и, таким образом, относительно опоры 11 первого подшипника.
Опора 11 первого подшипника проходит от первого подшипника 6 в направлении выходной стороны; она имеет в целом цилиндрическую и немного коническую конфигурацию, и ее диаметр увеличивается в направлении выходной стороны. Она установлена на фланце 18 на неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1, в частности, прикрепленном к промежуточному корпусу турбореактивного двигателя и далее называемым несущим фланцем 18, при помощи заднего фланца 12, в который ввинчены срезные винты 13. Эти срезные винты 13 содержат ослабленную часть 13′ с низкой прочностью на разрыв для того, чтобы они разрывались в случае воздействия чрезмерных сил, в частности, когда возникает несбалансированная масса, воздействующая на вал 5 компрессора, например, вследствие потери лопатки 3.
Второй подшипник 7 содержит внутреннее опорное кольцо 14 и внешнее опорное кольцо 15, между которыми установлены ролики 16. Внутреннее кольцо 14 неподвижно установлено на валу 5 компрессора, а внешнее кольцо 15 неподвижно установлено на неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1 в условиях нормальной работы, как будет описано далее. Ролики 16 установлены параллельно оси 4 турбореактивного двигателя 1 в канавке 14а, проходящей по окружности внутреннего кольца 14, и они удерживаются с разнесением друг от друга сепаратором 17, хорошо известным специалистам в данной области техники. Ролики обеспечивают вращение внутреннего кольца 14 относительно внешнего кольца 15 и, таким образом, вращение вала 5 компрессора относительно неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1 при помощи этих колец.
Второй подшипник 7 удерживается опорной частью 19 для подшипника, далее называемой опорой 19 второго подшипника, содержащей корпус или кольцо 20, которое зажимает внешнее кольцо 15 второго подшипника 7 и от которого в радиальном направлении проходит крепежный фланец 21, привинченный к несущему фланцу 18 срезными винтами 22.
Внешнее кольцо 15 второго подшипника 7 содержит внешнюю поверхность 23, имеющую выпуклую сферическую конфигурацию, как видно из осевого сечения. Эта выпуклая сферическая поверхность 23 соответствует вогнутой сферической конфигурации внутренней поверхности 24 кольца 20 опоры 19 второго подшипника. Две сферические поверхности, то есть выпуклая поверхность 23 и вогнутая поверхность 24, взаимодействуют для образования соединения, образующего шаровой шарнир (23, 24). Они устроены так, что при нормальной работе турбореактивного двигателя 1, соединение, образующее шаровой шарнир (23, 24), не вращается. Внешнее кольцо 15 второго шарнира 7 в этом случае зафиксировано относительно опоры 19 второго подшипника и, таким образом, относительно неподвижных частей турбореактивного двигателя 1. Его работа в случае потери лопатки 3 будет описана ниже.
Конструкция элементов турбореактивного двигателя 1 в области второго подшипника 7 будет дана посредством описания узла его элементов со ссылками на фиг.3-6, которые будут способствовать пониманию их устройства.
Как показано на фиг.3, вал 5 компрессора содержит две выступающие кольцевые части, примыкающие к несущему фланцу 18 на входной стороне 25 и выходной стороне 26, образующие кольцевую канавку 27. Выступающая часть 26 содержит радиальные вырезы 26', образующие расположенные между ними зубцы 26′′. Предпочтительно, зубцы 26′′ и вырезы 26' имеют одинаковые размеры по окружности и, таким образом, и те и другие охватывают по половине окружности вала 5 компрессора.
Как показано на фиг.4, в кольцевую канавку 27 вала 5 компрессора установлен удерживающий диск 28. Удерживающий диск 28 содержит радиальные вырезы 28' и зубцы 28′′, проходящие по окружности его внутренней радиальной кромки, при этом их размеры по окружности соответствуют размерам вырезов 26' и зубцов 26′′ вала 5 компрессора. В ходе сборки удерживающий диск 28 сажают с натягом на вал 5 компрессора в направлении входной стороны; при этом его зубцы 28” вводятся в вырезы 26' вала 5 компрессора, пока они не будут застопорены, войдя в контакт с задней поверхностью кольцевой части, проходящей в направлении входной стороны 25 вала 5 компрессора; затем удерживающий диск 28 поворачивают вокруг оси 4 турбореактивного двигателя 1, пока зубцы 28′′ не будут выровнены по оси с зубцами вала 5 компрессора. В этом положении они оказываются зажатыми между задней поверхностью кольцевой части, проходящей в направлении входной стороны 25, и передней поверхностью зубцов 26′′ вала 5 компрессора, при этом вырезы 26', 28' вала 5 компрессора и удерживающего диска 28 совмещаются в осевом направлении.
Как показано на фиг.5, внутреннее кольцо 14 второго подшипника 7 содержит продольные вырезы 14' и зубцы 14” на его передней части, имеющие размеры по окружности, соответствующие размерам по окружности указанных выше вырезов 26', 28' и зубцов 26′′, 28′′. Внутреннее кольцо 14 сажают с натягом на вал 5 компрессора, и его зубцы 14′′ вставляются в вырезы 26', 28' вала 5 компрессора и удерживающего диска 28, пока они не будут остановлены, войдя в контакт с задней поверхностью кольцевой части вала 5 компрессора, проходящей в направлении входной стороны 25, при этом поперечные поверхности его вырезов 14' стопорятся, входя в контакт с зубцами 26' вала 5 компрессора. Таким образом, зубцы 14′′ внутреннего кольца 14 блокируют удерживающий диск 28 при вращении, и зубцы 28′(этого диска стопорятся, войдя в осевой контакт с зубцами 26′(вала 5 компрессора.
Как показано на фиг.6, на внутреннее кольцо 14 в канавку 14а, выполненную для этой цели, установлены ролики 16; при этом сепаратор 17, удерживающий их на месте относительно друг друга, не показан. Внешнее кольцо 15 второго подшипника 7, установленное на опоре 19 второго подшипника, сажают с натягом вокруг роликов 16; внутренняя поверхность 15а внешнего кольца 15 является прямолинейной, как видно из осевого сечения, и имеет продольный размер, превышающий продольный размер роликов 16. Фланец 21 опоры 19 второго подшипника прикрепляют к несущему фланцу 18 срезными винтами 22.
Теперь со ссылкой на фиг.7 будет описана сборка внешнего кольца 15 второго подшипника 7 и кольца 20 опоры 19 второго подшипника для получения соединения, образующего шаровой шарнир (23, 24). Кольцо 20 опоры 19 второго подшипника содержит два сборочных выреза 20', 20′′, расположенных диаметрально противоположно друг другу, причем их размер по окружности соответствует продольному размеру внешнего кольца 15 второго подшипника 7. Как показано, одну сторону внешнего кольца 15 поворачивают к опоре 19 второго подшипника и со скольжением вводят в ее вырезы 20', 20′′. Затем его поворачивают на 90° таким образом, чтобы его внешняя поверхность 23 плотно входила в контакт с внутренней поверхностью 24 кольца 20 опоры 19 второго подшипника и, таким образом, образовывала соединение, действующее как шаровой шарнир (23, 24).
На вал 5 компрессора с выходной стороны от внутреннего кольца 14 второго подшипника 7 могут быть посажены с натягом и другие элементы. Например, в таком случае, как показано на фиг.1 и 2, применяют систему 29 отбора мощности для приведения в действие других элементов посредством движения вала 5 компрессора вместе с вращением воздухонепроницаемого уплотнения. Когда все элементы посажены с натягом, узел запирают в осевом направлении стопорной гайкой 31.
Как показано на фиг.8, несущий фланец 18 имеет высверленное центральное отверстие. Он включает продольный рукав 32 в его центральной части, а стопорный диск 33 проходит непрерывно в радиальном направлении внутрь на входном конце этого продольного рукава, при этом внутренняя кромка стопорного диска образует центральное отверстие фланца 18. Стопорный диск 33 расположен так, что передняя поверхность 34 удерживающего диска 28 может входить в контакт с его задней поверхностью 35. Контактные поверхности 34, 35, образованные этими двумя поверхностями 34, 35, расположены так, что они соответствуют друг другу и могут упираться друг в друга как можно более равномерно. В варианте выполнения описанного здесь турбореактивного двигателя 1 согласно изобретению контактные поверхности 34, 35 имеют коническую конфигурацию. Эти контактные поверхности могут также быть плоскими или, более предпочтительно, сферическими. Назначением стопорного диска 33 является блокирование вала 5 компрессора в осевом направлении в случае повреждения таким образом, чтобы вентилятор 2, который к нему прикреплен, не увлекался вперед, как будет описано далее.
Теперь будет более подробно описана работа турбореактивного двигателя 1 согласно изобретению при потере лопатки 3 вентилятора.
Потеря лопатки 3 создает несбалансированную массу, воздействующую на вал 5 компрессора. Создаваемые силы разрушают срезные винты 13, прикрепляющие опору 11 первого подшипника к несущему фланцу 18, и отсоединяют опору 11 от неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1.
Второй подшипник 7 не обязательно отсоединять от неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1, поскольку соединение, образующее шаровой шарнир (23, 24) способно поглощать некоторую деформацию в виде изгиба вала 5 компрессора. Как уже было показано, внешнее кольцо 15 второго подшипника 7 сопрягается с кольцом 20 опоры 19 второго подшипника таким образом, что полученное соединение, образующее шаровой шарнир (23, 24), не поворачивается в ходе нормальной работы турбореактивного двигателя 1, но может поворачиваться, если на вал 5 компрессора воздействует несбалансированная масса. Таким образом, изгибание вала 5 компрессора вызывает поворот соединения, образующего шаровой шарнир (23, 24), вокруг центра сферы, образованной сферическими поверхностями 23, 24, которые формируют соединение.
Однако если изгибание вала 5 компрессора слишком велико, и если это изгибание не может быть поглощено простым поворотом соединения, образующего шаровой шарнир (23, 24), например, в частности, если изгибание вызывает смещение относительно оси 4 турбореактивного двигателя 1, срезные винты 22, прикрепляющие вторую опору 19 для подшипника к несущему фланцу 18, будут разрушаться. Это разрушение будет допускать радиальные смещения второго подшипника 7 и его опоры 19.
Кроме того, возможны продольные смещения при осевом скольжении роликов 16 по внутренней поверхности 15а внешнего кольца 15 второго подшипника 7, продольный размер которого больше продольного размера роликов 16.
Таким образом, согласно изобретению, динамика отсоединения первого подшипника 6 допускается вторым подшипником 7 без создания избыточных напряжений, воздействующих на ролики 16, поскольку во втором подшипнике 7 допускаются радиальные, продольные и угловые смещения. Препятствий движениям части нет. Вращение происходит вокруг центра вращения, расположенного выше точек 13 крепления первой опоры для подшипника.
Однако если ролики 16 разрушатся, внешняя радиальная поверхность 36 удерживающего диска 28 застопорится, войдя в контакт с внутренней поверхностью 37 продольного рукава 32 фланца 18; таким образом, диск и рукав действуют как резервный подшипник. Если эта функция требуется в отношении этого диска 28 и этого рукава 32, радиальному расстоянию между внешней поверхностью 36 удерживающего диска 28 и внутренней поверхностью 37 продольного рукава можно придать соответствующий размер.
Однако, несмотря на описанные выше предохранительные механизмы, существует возможность разрушения вала 5 компрессора. Принимая это во внимание, предусмотрен последний предохранительный механизм. Если вал 5 компрессора разрушается, вращение вентилятора 2 будет увлекать вентилятор и вал 5 компрессора, с которым он соединен, вперед. Передняя поверхность 34 удерживающего диска 28 в этом случае застопорится, войдя в контакт с задней поверхностью 35 стопорного диска 33, прикрепленного к неподвижной конструкции турбореактивного двигателя 1. Стопорный диск 33, таким образом, действует как стопор в осевом направлении для вентилятора 2, если вал 5 компрессора (или вал турбины, к которому прикреплен вал 5 компрессора) разрушается. В этом случае очевидно преимущество сферической конфигурации для контактной поверхности 34 удерживающего диска 28 и контактной поверхности 35 стопорного диска 33; она обеспечивает равномерный контакт независимо от наклона вала 5 компрессора относительно несущего фланца 18 в момент вхождения в контакт.
В момент вхождения в контакт и после него силы передаются через удерживающий диск 28 зубцам 28′′, которые передают эти силы зубцам 26′′ вала 5 компрессора и, таким образом, валу 5 компрессора. Таким образом, благодаря применению удерживающего диска 28 и внутреннего кольца 14 второго подшипника 7 на валу 5 компрессора, силы, воздействующие на стопорный диск 33 для удерживания в осевом направлении вентилятора 2, не передаются стопорной гайке 31; если бы они передавались, последствия были бы катастрофическими, поскольку разрушение стопорной гайки 31 могло бы вызывать скольжение различных элементов, посаженных с натягом на вал 5 компрессора, и выброс вентилятора 2 и вала 5 компрессора вперед; вместо этого эти силы передаются валу 5 компрессора.
Таким образом, устройство согласно изобретению обеспечивает получение средства для удерживания в осевом направлении вала 5 компрессора и, таким образом, вала 2 вентилятора вторым подшипником 7 без передачи каких-либо удерживающих сил стопорной гайке 31 второго подшипника 7.