ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЕНТИЛЯТОРОМ, СОСТАВЛЯЮЩИМ ОДНО ЦЕЛОЕ С ВЕДУЩИМ ВАЛОМ, ПОДДЕРЖИВАЕМЫМ ПЕРВЫМ И ВТОРЫМ ПОДШИПНИКАМИ
JET TURBINE ENGINE WITH FAN WHICH IS INTEGRAL WITH DRIVE SHAFT SUPPORTED WITH FIRST AND SECOND BEARINGS

Настоящее изобретение относится к области реактивных двигателей, и более конкретно, к двигателям, вентилятор которых составляет одно целое с ведущим валом, который поддерживается первым подшипником и вторым подшипником.
Упомянутый турбореактивный двигатель, от переднего конца до заднего конца в направлении реактивной струи выхлопных газов, содержит вентилятор, одну или более ступеней компрессора, одну или более ступеней турбины и выхлопной патрубок. Вентилятор содержит ротор, снабженный лопастями по его периферии, которые, при приведении во вращение, вводят воздух в турбореактивный двигатель. Ротор вентилятора поддерживается валом ротора каскада низкого давления двигателя. Он центрирован на оси реактивного двигателя с помощью первого подшипника, который расположен впереди по ходу от второго подшипника, соединенного с неподвижной конструкцией, в частности с промежуточным картером.
В остальной части описания, поскольку вентилятор смонтирован за одно целое с валом компрессора, который в двухкорпусном двигателе является валом ротора каскада низкого давления, этот вал должен быть обозначен как единственный вал компрессора.
Первый подшипник поддерживается деталью опоры, образующей оболочку вокруг вала компрессора, ориентированную назад по ходу от первого подшипника и прикрепленную к неподвижной конструкции реактивного двигателя. Второй подшипник поддерживается деталью опоры, которая также прикреплена к неподвижной конструкции реактивного двигателя.
Может случиться так, что лопасть вентилятора случайно окажется утерянной. В результате на валу компрессора возникает существенное нарушение баланса, которое ведет к нагрузкам и вибрациям на подшипниках, передаваемым через их детали опоры к неподвижным конструкциям реактивного двигателя, которые из-за этого могут повреждаться.
С целью предотвращения риска слишком обширного повреждения реактивного двигателя конструкция может иметь избыточный размер или, как предложено в патенте Франции 2752024, для первого подшипника может быть обеспечена система отсоединения. Деталь опоры первого подшипника прикреплена к конструкции реактивного двигателя так называемыми срезными винтами, которые содержат ослабленный участок, вызывающий их разрушение, если прикладываемые нагрузки являются слишком высокими. Поэтому, когда происходит нарушение баланса на валу компрессора, напряжения, индуцируемые на первом подшипнике, передаются срезным винтам, которые ломаются, отсоединяя деталь опоры первого подшипника от конструкции реактивного двигателя. Согласно одному варианту осуществления, опора второго подшипника связана с опорой первого подшипника, сопровождая ее в случае отсоединения. Тогда напряжения, вызванные нарушением баланса, больше не передаются неподвижной конструкции реактивного двигателя этими деталями опор.
Однако после отсоединения подшипников вентилятор продолжает вращаться, и возможно, что вал компрессора больше не будет способен вращаться вокруг своей оси, подвергаясь большому смещению, которое может повредить неподвижную конструкцию реактивного двигателя. Патент Франции 2752024 предусматривает в этом случае на неподвижной конструкции реактивного двигателя гребень, окружающий деталь опоры двух подшипников и действующий как осевой ограничитель и как аварийный подшипник.
Однако в этом случае, аварийный подшипник удален в радиальном направлении от первоначальных подшипников, что полностью изменяет распределение напряжений на различных частях двигателя.
Наконец, поскольку второй подшипник способен, в некоторых случаях, обеспечивать поддерживание вала компрессора после отсоединения первого подшипника, не является необходимым, чтобы оба подшипника одновременно систематически отсоединялись, поскольку всегда предпочтительно сохранять реактивный двигатель в конфигурациях, которые являются наиболее близкими к нормальной.
Задачей настоящего изобретения является преодоление этих недостатков.
С этой целью изобретение касается турбореактивного двигателя, содержащего неподвижную конструкцию, ротор вентилятора, составляющий одно целое с ведущим валом, поддерживаемым первым подшипником и вторым подшипником, отличающегося тем, что он включает в себя средство, образующее осевое удерживающее средство для вентиляторного ротора и/или образующее аварийный подшипник, взаимодействующий со средством неподвижной конструкции и смонтированный за одно целое с ведущим валом.
Предпочтительно, поскольку реактивный двигатель содержит конструктивный фланец, на котором закреплен второй подшипник, средство, образующее осевое удерживающее средство для вентилятора и/или образующее аварийный подшипник, содержит удерживающий диск, установленный на ведущем валу и взаимодействующий с ограничительным диском фланца для удерживания в осевом направлении вентилятора, и продольную втулку фланца для образования аварийного подшипника.
Далее предпочтительно, что средство, образующее осевое удерживание вентилятора и/или аварийный подшипник, выполнено с возможностью передачи осевых напряжений непосредственно ведущему валу. Если это не имеет место, во время осевого удерживания вентилятора, напряжения, индуцируемые на деталях опор подшипников, могут распространяться по детали опоры второго подшипника и вести к разрушению контргайки второго подшипника на валу компрессора. Такое разрушение может свести на нет осевое удерживание второго подшипника на валу компрессора. Поскольку вентилятор будет продолжать вращаться, он будет приводить вал компрессора вперед, и он может скользить во втором подшипнике, то есть не удерживается в осевом направлении, и на другие элементы, закрепленные в этой точке. В результате вентилятор может быть вытолкнут из реактивного двигателя, и последствия этого могут быть бедственными.
Предпочтительно, второй подшипник содержит внутреннее кольцо, внешнее кольцо и ролики, установленные между упомянутыми кольцами, удерживающий диск содержит радиальные зубцы, опирающиеся в осевом направлении на зубцы ведущего вала и блокируемые при вращении продольными зубцами внутреннего кольца второго подшипника.
Изобретение легче будет понять с помощью последующего описания предпочтительного варианта осуществления турбореактивного двигателя по изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает вид профиля осевого сечения предпочтительного варианта осуществления изобретения,
- фиг.2 представляет увеличенный вид области на фиг.1, заключенной в пределах пространства C;
- фиг.3 представляет вид сзади в перспективе вала компрессора и конструктивного фланца предпочтительного варианта осуществления изобретения,
- фиг.4 представляет вид сзади, в перспективе, в разобранном виде, вала компрессора, конструктивного фланца и стопорного кольца в предпочтительном варианте осуществления изобретения,
- фиг.5 представляет вид сзади, в перспективе, в разобранном виде, вала компрессора, конструктивного фланца, стопорного кольца и внутреннего кольца второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения,
- фиг.6 представляет вид сзади, в перспективе, в разобранном виде, вала компрессора, конструктивного фланца, стопорного кольца, внутреннего кольца второго подшипника и опоры для второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения,
- фиг.7 представляет схематичный вид в перспективе установки внешнего кольца в опору второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения,
- фиг.8 представляет вид в перспективе конструктивного фланца в предпочтительном варианте осуществления изобретения,
- фиг.9 представляет схематичный вид сбоку в разрезе второго подшипника в предпочтительном варианте осуществления изобретения, после разрушения вала компрессора,
- фиг.10 изображает вид в разрезе другого варианта осуществления изобретения.
Со ссылкой на фиг.1 отметим, что турбореактивный двигатель по изобретению содержит вентилятор 2, ротор которого имеет лопасти 3, продолжающиеся радиально относительно оси 4 реактивного двигателя. Вал вентилятора 2 закреплен, позади по ходу от лопастей 3, на валу 5 компрессора, имеющем глобально цилиндрическую форму. Это - вал компрессора низкого давления. В остальной части этого описания узел вала вентилятора 2 и вала 5 компрессора будет упоминаться как вал 5 компрессора или ведущий вал 5. Вал компрессора поддерживается первым подшипником 6 и вторым подшипником 7, расположенными позади первого подшипника 6.
Что касается фиг.2, там первый подшипник содержит внутреннее кольцо 8 и внешнее кольцо 9, между которыми установлены шарикоподшипники 10. Внутреннее кольцо 8 смонтировано за одно целое с валом 5 компрессора, а внешнее кольцо составляет одно целое с деталью 11 опоры подшипника, называемой в дальнейшем опорой 11 первого подшипника. Шарикоподшипники 10 обеспечивают возможность вращения внутреннего кольца 8 и, следовательно, вала 5 компрессора, относительно внешнего кольца 9, а следовательно, относительно опоры 11 первого подшипника.
Опора 11 первого подшипника продолжается от первого подшипника 6 в направлении назад; она имеет глобально цилиндрическую форму, слегка коническую, ее диаметр увеличивается в направлении назад. Она смонтирована на фланце 18 неподвижной конструкции реактивного двигателя 1 за одно целое, в частности, с промежуточным картером двигателя, и в дальнейшем называется конструктивным фланцем 18, посредством расположенного позади зажима 12, в который завинчены срезные винты 13. Эти срезные винты 13 содержат ослабленный участок 13', имеющий низкое сопротивление растягивающим усилиям, приводящим к их разрушению, когда напряжения становятся слишком высокими, в частности, когда происходит нарушение баланса на валу 5 компрессора, в частности, после потери лопасти 3.
Второй подшипник 7 содержит внутреннее кольцо 14 и внешнее кольцо 15, между которыми установлены ролики 16. Внутреннее кольцо 14 смонтировано за одно целое с валом 5 компрессора, а внешнее кольцо 15 смонтировано за одно целое с неподвижной конструкцией реактивного двигателя 1 при нормальной работе, как будет описано ниже. Ролики 16 установлены параллельно оси 4 реактивного двигателя 1, в канале 14a, продолжающемся вокруг периферии внутреннего кольца 14, и удерживаются на расстоянии друг от друга держателем 17, известным специалистам в данной области техники. Они обеспечивают возможность вращения внутреннего кольца 14 относительно внешнего кольца 15, и таким образом, вала 5 компрессора относительно неподвижной конструкции реактивного двигателя 1.
Второй подшипник 7 поддерживается деталью 19 опоры подшипника, в дальнейшем называемой опорой 19 второго подшипника, содержащей кожух 20, или кольцо 20, которое плотно окружает внешнее кольцо 15 второго подшипника 7, на периферии которого фиксирующий зажим 21 продолжается в радиальном направлении, свинченный с конструктивным фланцем 18 срезными винтами 22.
Внешнее кольцо 15 второго подшипника 7 содержит внешнюю поверхность 23 выпуклой сферической формы, если рассматривать в осевом сечении. Эта выпуклая сферическая поверхность 23 пригнана к внутренней поверхности 24 кольца 20 опоры 19 второго подшипника, имеющей вогнутую сферическую форму. Две сферические поверхности, выпуклая 23 и вогнутая 24, формируют между ними соединение, образующее шаровой шарнир (23, 24). Они выполнены так, что при нормальной работе реактивного двигателя 1, соединение, образующее шаровой шарнир (23, 24), не вращается. Затем внешнее кольцо 15 второго подшипника 7 закрепляют относительно опоры 19 второго подшипника, а следовательно, относительно неподвижных частей реактивного двигателя 1. Его поведение в случае потери лопасти 3 описано ниже.
Описание конструкции элементов реактивного двигателя 1 в области второго подшипника 7, которое внесет вклад в понимание их расположения, будет сделано посредством описания монтажа его элементов со ссылкой на фиг.3-6.
Что касается фиг.3, там вал 5 компрессора, над конструктивным фланцем 18, содержит два выступающих кольцеобразных участка, расположенных впереди 25 и позади 26 по ходу, формирующих кольцеобразную канавку 27. Выступающие участки 26 содержат радиальные выемки 26', таким образом формирующие между ними зубцы 26". Зубцы 26" и выемки 26' предпочтительно имеют равный размер по окружности и поэтому, в целом, каждый продолжается на протяжении половины окружности вала 5 компрессора.
Что касается фиг.4, там в кольцеобразной канавке 27 вала 5 компрессора установлен удерживающий диск 28. Этот удерживающий диск 28 на своей внутренней в радиальном направлении кромке содержит выемки 28' и радиальные зубцы 28", размеры по окружности которых соответствуют размерам по окружности выемок 26' и зубцов 26" вала 5 компрессора. При монтаже удерживающий диск 28 устанавливают на вал 5 компрессора в направлении вперед по ходу, его зубцы 28" вставляют в выемки 26' вала 5 компрессора, пока они не упрутся в заднюю поверхность расположенного впереди по ходу выступающего кольцеобразного участка 25 вала 5 компрессора; затем удерживающий диск 28 поворачивают вокруг оси 4 реактивного двигателя 1 до тех пор, пока его зубцы 28" не окажутся выровненными в осевом направлении с зубцами вала 5 компрессора; в этом положении они окажутся заключенными между задней поверхностью расположенного впереди выступающего кольцеобразного участка 25 и передней поверхностью зубцов 26" вала 5 компрессора, в то время как выемки 26', 28' вала 5 компрессора и удерживающего диска 28 являются выровненными в осевом направлении.
Что касается фиг.5, там внутреннее кольцо 14 второго подшипника 7, на его переднем участке, содержит выемки 14' и продольные зубцы 14", размеры по окружности которых соответствуют размерам по окружности предварительно описанных выемок 26', 28' и зубцов 26", 28". Внутреннее кольцо 14 устанавливают на вал 5 компрессора, и его зубцы 14" вставляют в выемки 26', 28' вала 5 компрессора и удерживающего диска 28, пока они не упрутся в заднюю поверхность расположенного впереди выступающего кольцеобразного участка 25 вала 5 компрессора, тогда поперечная поверхность его выемок 14' окажется примыкающей к зубцам 26" вала 5 компрессора. Поэтому зубцы 14" внутреннего кольца 14 блокируют удерживающий диск 28 при вращении, зубцы 28" которого в осевом направлении примыкают к зубцам 26" вала 5 компрессора.
Что касается фиг.6, там ролики 16 установлены на внутреннем кольце 14, в канале 14a, обеспеченном для этой цели; держатель 17, скрепляющий их вместе, не показан. Внешнее кольцо 15 второго подшипника 7, смонтированного в опоре 19 второго подшипника, установлено вокруг роликов 16; внутренняя поверхность 15a внешнего кольца 15 является прямолинейной, с точки зрения осевого сечения, и имеет продольный размер больше, чем у роликов 16. Зажим 21 опоры 19 второго подшипника закреплен на конструктивном фланце 18 через срезные винты 22.
Теперь со ссылкой на фиг.7 будет пояснен монтаж внешнего кольца 15 второго подшипника 7 в кольце 20 опоры 19 второго подшипника для образования соединения, формирующего шаровой шарнир (23, 24). Кольцо 20 опоры 19 второго подшипника содержит две монтажные выемки 20', 20", которые расположены диаметрально противоположно, и их размер по окружности соответствует продольному размеру внешнего кольца 15 второго подшипника 7. Внешнее кольцо 15 показано на стороне, обращенной ко второму подшипнику 19, и проскальзывает в эти выемки 20', 20". Затем его поворачивают на 90° (так, чтобы его внешняя поверхность 23 опиралась на внутреннюю поверхность 24 кольца 20 опоры 19 второго подшипника, таким образом образуя соединение, формирующее шаровой шарнир (23, 24).
На вал 5 компрессора могут быть установлены другие элементы позади от внутреннего кольца 14 второго подшипника 7. Например, в этом случае, со ссылкой на фиг.1 и 2, отметим, что предусмотрено устройство 29 захвата перемещения, для приведения других элементов посредством перемещения вала 5 компрессора, вместе с так называемым лабиринтным соединением 30. Как только все элементы установлены, узел в осевом направлении запирается контргайкой 31.
Ссылаясь на фиг.8, отметим, что там конструктивный фланец 18 рассверлен в его центре. В своей центральной части он содержит продольную втулку 32, на переднем по ходу конце которой ограничительный диск 33 продолжается непрерывно и радиально внутрь, а его внутренняя кромка формирует центральное рассверленное отверстие фланца 18. Ограничительный диск 33 выполнен так, чтобы передняя поверхность 34 удерживающего диска 28 могла опираться на его заднюю поверхность 35. Несущие поверхности 34, 35, образованные этими двумя поверхностями 34, 35, выполнены с дополняющей формой так, чтобы они опирались одна на другую настолько однородно, насколько возможно. В описанном здесь варианте осуществления турбореактивного двигателя 1 по изобретению несущие поверхности 34, 35 имеют коническую форму. Эти несущие поверхности также могут быть плоскими или, предпочтительно, сферическими. Функция ограничительного диска 33 заключается в блокировании в осевом направлении вала 5 компрессора в случае разрушения, чтобы вентилятор 2, который изготовлен за одно целое с ним, не приводился вперед, как будет объясняться ниже.
Теперь будет описано более подробно функционирование турбореактивного двигателя 1 по изобретению в случае потери лопасти 3 вентилятора 2.
Потеря лопасти 3 вызывает нарушение баланса на валу 5 компрессора. Индуцированные напряжения вызывают разрушение срезных винтов 13, прикрепляющих опору 11 первого подшипника к конструктивному фланцу 18, и отсоединение этой опоры 11 от неподвижной конструкции реактивного двигателя 1.
Второй подшипник 7 впоследствии не обязательно отсоединяется от неподвижной конструкции реактивного двигателя 1, соединение, образующее шаровой шарнир (23, 24), делает возможным поглощение некоторого сгибания вала 5 компрессора. Мы видели, что регулирование внешнего кольца 15 второго подшипника 7 в кольце 20 опоры 19 второго подшипника выполняется так, чтобы соединение, образующее шаровой шарнир (23, 24), не вращалось при нормальной работе реактивного двигателя 1, но могло вращаться в случае нарушения баланса на валу 5 компрессора. Поэтому сгибание вала 5 компрессора вызывает вращение соединения, образующего шаровой шарнир (23, 24), относительно центра сферы, определенной сферическими поверхностями 23, 24, формирующими эту сферу.
Однако, если сгибание вала 5 компрессора слишком большое, или если это сгибание не поглощается простым вращением соединения, образующего шаровой шарнир (23, 24), в частности, если сгибание смещено относительно центра по отношению к оси 4 реактивного двигателя 1, срезные винты 22, фиксирующие опору 19 второго подшипника на конструктивном фланце 18, сломаются. Это разрушение обеспечивает возможность радиального перемещения второго подшипника 7 и его опоры 19. Кроме того, продольные перемещения обеспечиваются осевым скольжением роликов 16 по внутренней поверхности 15a внешнего кольца 15 второго подшипника 7, продольный размер которого больше, чем у роликов 16.
Поэтому, благодаря изобретению, допускается кинематика отсоединения первого подшипника 6 на втором подшипнике 7, не вызывая при этом возникновение избыточных напряжений на роликах 16, поскольку на втором подшипнике 7 допускаются радиальные, продольные и угловые перемещения. Перемещения частей не блокируются.
Однако, если ролики 16 ломаются, удерживающий диск 28 через свою радиальную внешнюю поверхность 36 может опираться на внутреннюю поверхность 37 продольной втулки 32 фланца 18; затем они действуют как аварийный подшипник. Если эта функция требуется для диска 28 и втулки 32, радиальное расстояние между внешней поверхностью 36 удерживающего диска 28 и внутренней поверхностью 37 продольной втулки 32 может иметь соответствующий размер.
Однако, несмотря на различные защитные устройства, описанные выше, может происходить разрушение вала 5 компрессора. Поэтому предусмотрена система окончательной защиты. В случае разрушения вала 5 компрессора, вращение вентилятора 2 приводит вентилятор вперед с валом 5 компрессора, с которым он изготовлен за одно целое. Затем передняя поверхность 34 удерживающего диска 28 упирается в заднюю поверхность 35 ограничительного диска 33, составляющего одно целое с неподвижной конструкцией реактивного двигателя 1. Поэтому ограничительный диск 33 действует как осевой ограничитель для вентилятора 2 в случае разрушения вала 5 компрессора (или вала турбины, с которым вал 5 компрессора является одним целым). Преимущество сферической формы для этих двух несущих поверхностей 34, 35 удерживающего диска 28 и ограничительного диска 33, соответственно, здесь становится очевидным; она обеспечивает возможность однородного контакта независимо от наклона вала 5 компрессора относительно конструктивного фланца во время контакта.
При контакте и после него напряжения передаются удерживающим диском 28 его зубцам 28", которые передают его зубцам 26" вала 5 компрессора, и следовательно, валу 5 компрессора. Поэтому благодаря расположению удерживающего диска 28 и внутреннего кольца 14 второго подшипника 7 на валу 5 компрессора напряжения, вызываемые осевым удерживанием вентилятора 2 ограничительным диском 33, контргайке 31 не передаются, передача которой могла бы иметь пагубные последствия, поскольку разрушение контргайки 31 будет вести к скольжению различных элементов, установленных вокруг вала 5 компрессора, и выталкиванию вперед вентилятора 2 и вала 5 компрессора; однако, в противоположность этому, эти напряжения передаются валу 5 компрессора.
Поэтому с устройством по изобретению можно гарантировать осевое удерживание вала компрессора, а следовательно, вентилятора 2, на втором подшипнике 7 без передачи каких-либо напряжений удерживания контргайке 31 второго подшипника 7.
Устройство аварийного подшипника и осевое удерживание реактивного двигателя согласно изобретению были описаны в комбинации с соединением, образующим шаровой шарнир (23, 24), поскольку их функции являются дополняющими.
Очевидно, что устройство по изобретению, с его удерживающим диском 28 и ограничительным диском 33, выполненными так, чтобы их контактные напряжения передавались не контргайке 31, а прямо валу 5 компрессора, можно применять к любому типу реактивного двигателя, содержащего вал 5 компрессора, поддерживаемый двумя подшипниками 6, 7, независимо от типа этих двух подшипников 6, 7.
Например, на фиг.10 можно заметить, что турбореактивный двигатель 41 фактически подобен предварительно описанному реактивному двигателю 1. В частности, он содержит ведущий вал 45, поддерживаемый первым подшипником 46 и вторым подшипником 47. Первый подшипник 46 поддерживается деталью 411 опоры, прикрепленной к фланцу 418, подобному предварительно описанному фланцу 18. Фланец 418, в своей центральной части, также содержит продольную втулку 432, на переднем конце которой находится ограничительный диск 433, продолжающийся непрерывно и радиально внутрь, внутренняя кромка которого формирует центральное рассверленное отверстие фланца 418.
Второй подшипник 47 содержит внутреннее кольцо 414, подобное описанному выше внутреннему кольцу 14, и внешнее кольцо 415, между которыми установлены ролики 416. Внешнее кольцо 415, на своей внешней периферии, содержит фиксирующий зажим 421, прикрепленный к фланцу 418. Удерживающий диск 428, подобный описанному выше удерживающему диску 28, аналогичным образом установлен на ведущем валу 45.
Удерживающий диск 428 здесь выполнен так, что радиальное расстояние между его внешней поверхностью 436 и внутренней поверхностью 437 продольной втулки 432 является довольно коротким, так что может быть обеспечена должным образом функция аварийного подшипника удерживающего диска 428 и продольной втулки 432. Поэтому, если ролики 416 ломаются, внешняя поверхность 436 удерживающего диска 428 будет опираться на внутреннюю поверхность 437 продольной втулки 432, чтобы выполнять свою функцию в качестве аварийного подшипника, без слишком большого радиального смещения.
Как и прежде, в случае разрушения вала 45 компрессора, передняя поверхность 434 удерживающего диска 428 будет упираться в заднюю поверхность 435 ограничительного диска 433, который в случае разрушения вала 45 компрессора действует для вентилятора в качестве осевого ограничителя. Как и прежде, эти две вовлеченные несущие поверхности 434, 435 могут быть плоскими, пересекающимися, коническими или сферическими.