УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОРПУС ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ПРИВОДНОЙ УЗЕЛ КОРОБКИ ПРИВОДОВ АГРЕГАТОВ
IMPROVED INTERMEDIATE CASING FOR GAS TURBINE ENGINE AND ACCESSORY GEARBOX DRIVE ASSEMBLY

Область техники
Изобретение относится к промежуточному корпусу газотурбинного двигателя и к приводному узлу вспомогательных агрегатов газотурбинного двигателя, содержащему такой корпус.
Предшествующий уровень техники
Пример газотурбинного двигателя схематично представлен на фиг. 1.
Газотурбинный двигатель 1 обычно содержит вентилятор 2 для впуска воздуха, первую секцию 3 сжатия воздуха, поступающего в двигатель, называемую секцией низкого давления, и вторую секцию 4 сжатия, называемую секцией высокого давления. Воздух в них сжимается, после чего поступает в камеру 5 сгорания и смешивается с топливом для сжигания в этой камере.
После этого горячие газообразные продукты сгорания расширяются в различных ступенях турбины: в ступени 6 турбины высокого давления, находящейся сразу на выходе камеры сгорания, и в ступени 7 турбины низкого давления, снова расширяющей газы на выходе.
Приводной вал 8 приводится во вращение двумя ступенями турбины и приводит во вращение ступени низкого и высокого давления компрессоров.
Кроме того, турбина содержит множество вспомогательных агрегатов, сгруппированных внутри коробки приводов агрегатов (называемой на английском языке Accessory Gearbox или сокращенно AGB), причем эти агрегаты являются устройствами типа насосов, контуров смазки, стартера и т.д., которые, хотя и не участвуют в создании тяги, необходимы для работы газотурбинного двигателя.
Такая коробка содержит систему зубчатых колес, которые приводятся во вращение за счет отбора мощности на приводном валу на уровне промежуточного корпуса, то есть корпуса, расположенного вокруг приводного вала на уровне промежутка между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления.
Для этого в промежуточном корпусе 10 находится радиальный вал, который зацеплен с приводным валом при помощи промежуточной конической зубчатой передачи (Intermediate GearBox или IGB), которая в свою очередь взаимодействует с коробкой приводов агрегатов через коническую зубчатую передачу, содержащуюся в коробке угловой передачи (или на английском языке TGB от Transfer GearBox), установленной на промежуточном корпусе.
Если на радиальном валу должно быть произведено техническое обслуживание, необходимо снять коробку угловой передачи, что занимает много времени и приводит к удорожанию обслуживания.
Кроме того, в некоторых газотурбинных двигателях коробка приводов агрегатов может быть смещена в осевом направлении достаточно далеко относительно коробки угловой передачи, что вынуждает устанавливать дополнительный вал между этими двумя элементами.
Однако в рамках поисков решений снижения шума, создаваемого газотурбинным двигателем, было предложено увеличить диаметры газотурбинного двигателя и одновременно попытаться уменьшить его осевую длину. Поэтому необходимо ограничить удаленность коробки приводов агрегатов от коробки угловой передачи.
Наконец, необходимо уменьшать массу газотурбинных двигателей, чтобы ограничить расход топлива и, следовательно, стоимость перелета.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
В частности, задачей изобретения является создание приводного узла коробки приводов агрегатов, который обеспечивает доступ к радиальному валу, не снимая коробку угловой передачи или коробку приводов агрегатов.
Еще одной задачей изобретения является уменьшение массы и осевого габарита газотурбинного двигателя.
В связи с этим объектом изобретения является промежуточный корпус газотурбинного двигателя, содержащий:
- внутреннюю втулку, выполненную с возможностью размещения в ней вала компрессора газотурбинного двигателя,
- наружную обечайку, и
- множество радиальных стоек, соединяющих втулку и обечайку, при этом одна из стоек содержит внутреннее гнездо для радиального вала привода вспомогательных агрегатов,
причем корпус дополнительно содержит коробку угловой передачи радиального вала, расположенную в наружной обечайке, выполненную за одно целое с наружной обечайкой и содержащую гнездо зубчатой передачи между радиальным валом и коробкой приводов агрегатов, имеющее отверстие, выходящее на периферию наружной обечайки.
Предпочтительно, но необязательно, промежуточный корпус согласно изобретению может также иметь по меньшей мере одну из следующих особенностей:
- коробка угловой передачи дополнительно содержит стойку соединения с коробкой приводов агрегатов, выполненную полой для размещения системы зубчатых колес коробки приводов агрегатов, а гнездо зубчатой передачи дополнительно содержит отверстие, сообщающееся с указанной стойкой,
- отверстие гнезда расположено напротив радиальной стойки, содержащей внутреннее гнездо для радиального вала.
Объектом изобретения является также приводной узел коробки приводов агрегатов газотурбинного двигателя, содержащий промежуточный корпус, радиальный вал, проходящий в радиальной стойке корпуса, зубчатую передачу зацепления радиального вала с коробкой приводов агрегатов, установленную на конце радиального вала, и коробку угловой передачи радиального вала, причем промежуточный корпус является корпусом согласно изобретению, при этом коробка угловой передачи выполнена как единое целое в указанном корпусе.
Предпочтительно, но необязательно, приводной узел согласно изобретению может также иметь по меньшей мере одну из следующих особенностей:
- узел дополнительно содержит крышку, закрывающую отверстие гнезда корпуса на периферии обечайки, при этом указанная крышка имеет патрубок для залива масла и патрубок для слива масла.
- зубчатая передача содержит коническую шестерню, содержащую ступицу, выполненную с возможностью размещения в ней конца радиального вала, и зубчатая передача содержит устройство осевого стопорения радиального вала в ступице шестерни,
- ступица конической шестерни содержит внутренний окружной паз, а устройство осевого стопорения содержит кольцо, расположенное в пазу ступицы конической шестерни и выступающее относительно внутренней поверхности ступицы конической шестерни, образуя осевой упор для радиального вала,
- зубчатая передача дополнительно содержит два подшипника, расположенных вокруг ступицы конической шестерни, и приводной узел дополнительно содержит маслораспределитель, установленный в радиальный вал и сообщающийся по текучей среде с подшипниками.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий приводной вал, коробку приводов агрегатов и приводной узел коробки приводов агрегатов согласно изобретению.
Наконец, объектом изобретения является способ установки такого приводного узла коробки приводов агрегатов, включающий в себя этапы, на которых:
- зубчатую передачу вводят в коробку угловой передачи корпуса через отверстие в наружной стенке обечайки корпуса и указанную передачу прикрепляют к стенке коробки угловой передачи, при этом указанная стенка отделяет коробку от полой осевой стойки корпуса,
- вставляют радиальный вал в указанную стойку корпуса через ступицу шестерни зубчатой передачи,
- в ступицу шестерни вводят устройство осевого стопорения радиального вала, и
- отверстие на периферии наружной обечайки закрывают крышкой.
Промежуточный корпус в соответствии с изобретением имеет много преимуществ. Прежде всего, за счет встраивания коробки угловой передачи он позволяет уменьшить массу газотурбинного двигателя, так как, с одной стороны, уменьшается число дополнительных деталей, присоединяемых к корпусу для обеспечения работы коробки приводов агрегатов, и, с другой стороны, этот промежуточный корпус позволяет отказаться от дополнительного вала, соединяющего коробку угловой передачи с системой зубчатых колес коробки приводов агрегатов.
Кроме того, этот корпус обеспечивает легкий доступ к радиальной стойке, в которой находится радиальная ось, в частности, через отверстие в наружной стенке обечайки корпуса.
Приводной узел коробки приводов агрегатов, содержащий такой корпус, позволяет также, в частности, благодаря этому отверстию, легко смазывать подшипники зубчатой передачи, содержащейся в коробке угловой передачи, и удалять масло.
Наконец, облегчается монтаж и демонтаж такого приводного узла, что позволяет сократить продолжительность и стоимость операций обслуживания.
Другие особенности, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из последующего описания, являющегося исключительно поясняющим и не ограничительным, со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 (уже описана) показан газотурбинный двигатель, в котором можно применить изобретение, схематичный вид;
на фиг. 2a, 2b и 2c - промежуточный корпус согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 3a и 3b - часть приводного узла коробки приводов агрегатов, содержащего такой промежуточный корпус, вид в разрезе;
на фиг. 4 - крепление зубчатой передачи приводного узла на стенке коробки угловой передачи;
фиг. 5a-5d поясняют этапы установки приводного узла;
на фиг. 6 - блок-схема этапов способа установки приводного узла.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 2a-2c показан промежуточный корпус 10 газотурбинного двигателя, то есть часть корпуса, которая окружает секцию приводного вала газотурбинного двигателя, заключенную между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления. В этой связи следует отметить, что промежуточный корпус является кольцевой деталью, расположенной вокруг и центрованной по оси вала вращения газотурбинного двигателя.
Этот корпус 10 содержит внутреннюю втулку 11, приспособленную для размещения в ней приводного вала газотурбинного двигателя, наружную обечайку 12 и множество радиальных стоек 13, расположенных между втулкой и обечайкой.
Обечайка 12 содержит внутреннюю стенку 14, воспроизводящую верхнюю часть проточного тракта первичного контура газотурбинного двигателя. Обечайка 12 также содержит две кольцевые боковые стенки 15 и множество распорок.
Внутренняя стенка 14 проходит в окружном направлении вокруг оси газотурбинного двигателя и заключена между двумя кольцевыми боковыми стенками 15, проходящими в радиальном направлении относительно оси газотурбинного двигателя, с множеством распорок 16, проходящих между боковыми стенками и соединяющих их между собой.
Внутренняя стенка 14 соединяет между собой распорки 16, которые равномерно распределены по окружности обечайки, и может также соединять распорки с одной и даже с двумя боковыми стенками 15.
Распорки 16 расположены в радиальном направлении вокруг оси газотурбинного двигателя в продолжении радиальных стоек 13.
Как показано на фиг. 2b, согласно частному варианту осуществления, распорки 16 распределены группами по две распорки, при этом группы по две распорки равномерно распределены по окружности обечайки и совмещены с радиальными стойками таким образом, что распорки продолжают радиальные стойки 13 между боковыми стенками 15 обечайки.
Узел промежуточного корпуса 10, содержащий втулку 11, радиальные стойки 13, распорки 16 и внутренние 14 и боковые 15 стенки обечайки, выполнен посредством литья в виде единой детали.
Предпочтительно по меньшей мере одна радиальная стойка 13 является полой, то есть содержит внутреннее гнездо, которое предпочтительно выходит с внутренней стороны относительно оси газотурбинного двигателя через отверстие, выполненное во втулке 11, и с наружной стороны через отверстие, выполненное во внутренней стенке 14 обечайки, и выполнено с возможностью приема в него радиального вала 20 и соединения, с одной стороны, с приводным валом газотурбинного двигателя и, с другой стороны, с коробкой 30 угловой передачи. Предпочтительно, но необязательно все радиальные стойки 13 выполнены полыми, чтобы облегчить конструкцию и обеспечивать прокладку вспомогательных линий.
Предпочтительно две распорки 16, расположенные в продолжении полой радиальной стойки 13, расположены на большем расстоянии друг от друга, чем другие группы по две распорки, для обеспечения встраивания зубчатой передачи, как будет пояснено далее.
Как показано на фиг. 3a, радиальный вал 20 проходит в радиальной стойке 13 и выходит с одной стороны во втулку, где промежуточная коническая зубчатая передача или IGB обеспечивает первую угловую передачу между приводным валом и радиальным валом, а на другой стороне - в коробку 30 угловой передачи.
Предпочтительно радиальный вал 20 окружен в радиальной стойке 13 герметичным кожухом 21.
Кроме того, коробка 30 угловой передачи расположена в наружной обечайке 12 будучи встроенной в нее, то есть выполнена посредством литья в виде единой детали с указанной обечайкой 12, образуя неотъемлемую часть корпуса 10.
Коробка угловой передачи содержит гнездо 31, выполненное в наружной обечайке и ограниченное в осевом направлении боковыми стенками 15, в угловом направлении группой из двух распорок 16 и в радиальном направлении, с одной стороны, внутренней стенкой 14 обечайки и, с другой стороны, наружной стенкой 32, проходящей по периферии обечайки между двумя распорками 16. В альтернативном варианте обечайка 12 содержит наружную стенку, проходящую по всей окружности обечайки.
Это гнездо является местом расположения конической зубчатой передачи между радиальным валом 20 и системой зубчатых колес (не показаны) коробки приводов агрегатов. Для этого, как показано на фиг. 2с, коробка 30 угловой передачи дополнительно содержит стойку 33 соединения с коробкой приводов агрегатов, которая выполнена полой вдоль оси, не параллельной направлению радиальной стойки, в которой находится радиальный вал.
Гнездо 31 содержит отверстие 34, выполненное в одной из боковых стенок обечайки, для сообщения со стойкой 33 соединения.
Кроме того, гнездо имеет второе отверстие 35, выполненное на периферии обечайки в ее наружной стенке 32. Отверстие 35 расположено напротив полой радиальной стойки 13, в которой располагают радиальный вал 20, чтобы радиальный вал 20 мог пройти в это отверстие для установки в радиальной стойке 13. Как будет описано далее, это отверстие позволяет также заливать и удалять масло для смазки конической зубчатой передачи, содержащейся в коробке угловой передачи.
Далее со ссылками на фиг. 3a и 3b следует описание приводного узла 40 коробки приводов агрегатов, который содержит описанный выше корпус 10, радиальный вал 20, расположенный в радиальной стойке 13 указанного корпуса, а также зубчатую передачу 50 для зацепления радиального вала 20 с системой зубчатых колес коробки приводов агрегатов.
Зубчатая передача 50 установлена на наружном конце радиального вала 20 и содержит, в частности, коническую шестерню 51, содержащую ступицу 510, в которой установлен конец радиального вала. Ступица 510 шестерни и радиальный вал неподвижно соединены во вращении для обеспечения передачи движения от вала на коническую шестерню 51.
Кроме того, зубчатая передача 50 содержит устройство 52 осевого стопорения радиального вала в ступице 510 шестерни.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, устройство 52 осевого стопорения содержит окружной паз 520, выполненный на внутренней поверхности ступицы 510, и кольцо 521, имеющее размеры, подходящие для захождения в указанный паз таким образом, чтобы после установки в пазу кольцо выступало по окружности относительно внутренней поверхности ступицы 510. Для этого кольцо 521 предпочтительно имеет диаметр, равный диаметру паза, и радиальный размер, превышающий глубину паза.
Таким образом, после установки радиального вала 20 внутри ступицы 510 шестерни, кольцо может быть установлено в паз, после чего вал оказывается в положении упора в кольцо.
Зубчатая передача 50 содержит также два подшипника 53, 54 крепления шестерни в гнезде 31, при этом подшипники установлены с примыканием вокруг ступицы 510 и заключены между внутренней стенкой 14 обечайки и шестерней 51.
Самый наружный подшипник 53 содержит опору 530, которая установлена на внутренней стенке гнезда при помощи болтов или винтов, что позволяет также удерживать второй подшипник 54 между стенкой и этим первым подшипником 53.
Зубчатая передача содержит также распорку 57, расположенную между подшипниками 53, 54, и регулировочный клин 58, расположенный между внутренней стенкой гнезда и наиболее внутренним подшипником 54, причем эти элементы позволяют подгонять подшипники в осевом направлении для обеспечения хорошей передачи усилий от шестерни 51 к корпусу 10.
Наличие двух подшипников, заключенных между регулировочным клином 58 и шестерней 51, делает возможным монтаж и демонтаж зубчатой передачи относительно остальной части корпуса 10, не используя дополнительный элемент корпуса, содержащий эту передачу, что дает выигрыш с точки зрения массы и легкости монтажа при изготовлении и обслуживании и, следовательно, позволяет сократить расходы по эксплуатации и изготовлению приводного узла.
Предпочтительно опора 530 подшипника 53 и регулировочный клин 58 проходят в окружном направлении вокруг ступицы шестерни таким образом, чтобы их можно было закрепить на стенке при помощи множества винтов 56, предпочтительно равномерно распределенных вокруг ступицы 510, как показано на фиг. 4.
Подшипник 53 является шарикоподшипником, а другой подшипник 54 - роликоподшипником. Эти два подшипника расположены с одной стороны конической шестерни (в отличие от известного решения, где коническая шестерня находится между двумя подшипниками). Эта ситуация возможна, когда динамическое состояние вала является нормальным, и он имеет высокую критическую скорость, что соответствует настоящему случаю, так как вал является коротким за счет того, что, с одной стороны, коробка угловой передачи встроена в корпус, и, с другой стороны, коробка приводов агрегатов расположена на корпусе без осевого смещения, то есть без необходимости в добавлении дополнительного вала передачи движения между этой коробкой и коробкой угловой передачи.
Отвинтив винты 56 снаружи (через отверстие 35), можно снять зубчатую передачу 50 вместе с ее подшипниками и с опорами подшипников в ходе одной операции, не прибегая для этого к ее демонтажу.
Предпочтительно радиальный вал 20 содержит маслораспределитель 25, который представляет собой цилиндрическую деталь, установленную внутри конца вала, при этом сам этот конец находится в ступице шестерни 51. Кроме того, шестерня, распределитель и вал выполнены с возможностью обеспечения циркуляции масла между маслораспределителем 25 и подшипниками 53, 54.
Таким образом, зубчатую передачу, которая содержит подшипники 53, 54, установленные вокруг шестерни 51, и саму шестерню, можно собрать до ее установки посредством крепления подшипников и клина на внутренней стенке обечайки 12. Этот монтаж является простым, поскольку, как показано на фиг. 4, достаточно вставить винты 56 во внутреннюю стенку обечайки 12 через опору 530 подшипника 53 и регулировочный клин 58.
Как показано на фиг. 3a и 3b, приводной узел 40 дополнительно содержит крышку 41, установленную на обечайке 12, закрывая отверстие 35, выполненное на ее периферии. Вместе с тем, ее можно снимать для получения доступа внутрь гнезда 31 с целью облегчения осуществления операции обслуживания.
Крышка 41 содержит патрубок 410 для залива масла и патрубок 411 для слива масла, причем эти два патрубка подсоединяют к трубопроводам масляного контура.
Патрубок 410 для залива масла дополнительно содержит удлинение 412, проходящее внутри гнезда 31 в сторону конической шестерни 51 и позволяющее за счет нагнетания масла под давлением доставлять масло в гнезде 31 до шестерни 51, которая таким образом смазывается, и внутрь ее ступицы 510, в маслораспределитель 25, который затем за счет центробежного эффекта распределяет масло в подшипники 53, 54 для обеспечения их смазки.
Таким образом, гнездо 31 образует масляную камеру для смазки конической зубчатой передачи, содержащейся в коробке угловой передачи.
Кроме того, как показано на фиг. 2a, когда приводной узел 40 установлен в газотурбинном двигателе, например, показанном на фиг. 1, корпус расположен таким образом, что коробка 30 угловой передачи находится прямо под приводным валом внизу («на 6 часов») газотурбинного двигателя. Таким образом, отверстие 35 гнезда и крышка 41 находятся под конической зубчатой передачей между радиальным валом 20 и коробкой приводов агрегатов, поэтому масло для смазки зубчатой передачи 50 может падать за счет силы тяжести в основание гнезда 31 и вытекать из гнезда через патрубок 411 для слива масла в крышке.
Далее со ссылками на фиг. 5a-5d и фиг. 6 следует описание способа установки 1000 приводного узла 40.
На первом этапе 1100 посредством литья выполняют корпус 10, содержащий коробку 30 угловой передачи, выполненную непосредственно в обечайке корпуса.
После выполнения корпуса внутри его центральной втулки 11 закрепляют промежуточную коническую передачу IGB, как показано на фиг. 5a, причем эта передача выполнена с возможностью зацепления с непоказанной на фигуре дополнительной зубчатой передачей приводного вала газотурбинного двигателя.
На этапе 1200 через отверстие 35 корпуса, выполненное на периферии обечайки (в наружной стенке 32), вставляют зубчатую передачу 50 зацепления радиального вала с коробкой приводов агрегатов (на фигуре не показана). Как показано на фиг. 5b, при помощи множества винтов 56 эту передачу закрепляют на внутренней стенке 14 обечайки 12 на конце радиальной стойки 13.
Как показано на фиг. 5c, после этого радиальный вал вставляют 1300 в радиальную стойку через отверстие 35 и в ступицу 510 конической шестерни зубчатой передачи. Своим внутренним концом этот радиальный вал заходит в промежуточную коническую зубчатую передачу IGB и своим наружным концом в ступицу 510 шестерни 51.
Предпочтительно в специально выполненный паз 520 ступицы 510 шестерни вставляют 1310 кольцо 521 осевого стопорения радиального вала в ступице 510.
Наконец, как показано на фиг. 5d, отверстие 35 закрывают крышкой 41 во время этапа 1400.
Соединение коробки приводов агрегатов с этой зубчатой передачей можно в дальнейшем осуществить, вставив систему зубчатых колес коробки в гнездо 31 с зацеплением с конической шестерней и закрепив коробку приводов агрегатов на стойке 33 соединения с коробкой угловой передачи.
Решение согласно изобретению позволяет встраивать коробку угловой передачи в промежуточный корпус, просто установив радиальный вал и зубчатую передачу через отверстие, выполненное в коробке. Это позволяет получить выигрыш во времени при монтаже и демонтаже в ходе технического обслуживания и, следовательно, выигрыш в стоимости изготовления и обслуживания.
Кроме того, такая компактная установка позволяет отказаться от дополнительных деталей (например, как в случае конструкции коробки угловой передачи, которая раньше представляла собой дополнительную деталь, устанавливаемую на корпусе) и, следовательно, облегчить газотурбинный двигатель.