ГАЗОСБОРНИК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE GAS COLLECTOR

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к газотурбинному двигателю со свободной турбиной, например ГТД-350.
Известен газотурбинный двигатель со свободной турбиной ГТД-350, http://www.aviadocs.net/RLE/Mi-2/CD1/Dvigateli/GTD-350 3ser TO.pdf
Недостатком указанного устройства является то, что основной причиной досрочных съемок двигателей ГТД-350 с эксплуатации является повышенный расход масла, 70% чего приходится на негерметичность воздушно - масляных полостей газосборника из-за образования усталостных трещин.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков газосборника, а за счет этого увеличение эксплуатационной надежности двигателя, увеличение ресурса, упрощение и улучшение качества ремонта.
Поставленная задача решается тем, что газосборник газотурбинного двигателя содержит корпус с двумя внешними кольцевыми фланцами, соединенными между собой продольными и радиальными ребрами, цилиндрической оболочкой и конической мембраной с поддерживающими ребрами, криволинейной оболочкой, образующими контур отвода горячих газов, и корпус подшипников турбины, размещенный во внутренней части корпуса газосборника с магистралью маслоподачи на форсунки охлаждения и смазки подшипников турбины, магистралью маслоудаления, полостью подачи холодного воздуха от компрессора для охлаждения стенок корпуса подшипников турбины, масла в магистралях маслоподачи и маслоудаления, для подачи холодного воздуха к лабиринтным уплотнениям подшипников турбины и штуцерами магистралей маслоподачи и маслоудаления, при этом корпус газосборника снабжен внутренним фланцем, корпус подшипников турбины выполнен в виде ступенчатой втулки с упорным и цилиндрическим фланцами, втулка запрессована в газосборник по двум разнесенным цилиндрическим поясам, с упором по фланцам, между ступенями втулки установлена дополнительная цилиндрическая оболочка, герметизирующая полость подачи холодного воздуха, а магистраль маслоподачи выполнена в виде каналов, образованных в теле втулки.
Преимущественно, одно из поддерживающих ребер газосборника установлено между штуцерами магистрали маслоудаления.
Преимущественно, ступенчатая втулка изготовлена из монолитного стального прутка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан вид и разрез устройства газосборника газотурбинного двигателя ГТД-350 (прототип);
на фиг.2 показаны конкретные места основных дефектов газосборника прототипа и приведена диаграмма;
на фиг.3 показаны вид и разрез газосборника согласно предложенному техническому решению.
Как показано на фиг.1, газосборник газотурбинного двигателя ГТД-350 представляет собой силовую конструкцию, установленную между редуктором двигателя и турбинным отсеком.
Конструкция газосборника цельносварная, состоит из стыковочных фланцев 1 и 2, соединенных между собой по внешнему контуру продольными ребрами 3, по внутреннему контуру радиальными ребрами 4, цилиндрическими оболочками 5 и 6, мембраной 7 с поддерживающими ребрами 8, оболочкой 9. Внутри цилиндрической оболочки 5 установлен корпус подшипников турбины и магистраль подвода масла 11 (см. фиг.2).
Оболочка 9 образует полости, отводящие горячие отработанные газы от турбины во внешнюю среду. Во внутренней части газосборника, собранной из нескольких деталей методом сварки, расположена трубка (магистраль) подвода масла к форсункам, воздушная полость, по которой холодный воздух турбины компрессора из надмембранной полости газосборника поступает к подшипникам турбины для защиты их от горячих газов.
Помимо этого воздух охлаждает элементы газосборника, поддерживая температуру в масловоздушной полости Б, расположенной под воздушной полостью В, в диапазоне рабочих температур масла, обеспечивающего смазку подшипников турбины.
К недостаткам конструкции газосборника прототипа относится следующее:
- монолитность цельносварной конструкции, в которой имеются зоны с высоким температурным перепадом, что приводит к значительным температурным напряжениям в деталях конструкции при работе двигателя, особенно при запуске и остановке с воздействием сопровождающей работу двигателя вибрацией, и, как следствие, с появлением трещин и разрушением деталей. С появлением трещин происходит разгерметизация воздушных и масляных полостей газосборника, что приводит к нарушению баланса давлений в лабиринтных уплотнениях подшипников турбины, защищающих подшипники от проникновения горячих газов, изменению давления масла в форсунках, проникновению масла в воздушную полость. В конечном итоге происходит разрушение подшипников турбины и снятие двигателя с эксплуатации;
- практически невозможен ремонт существующей конструкции газосборника;
- невысокая надежность изделия в целом и, как следствие, досрочное снятие двигателя с эксплуатации;
- большой объем операций контроля сварных швов.
На фиг.2 показаны места проявления дефектов газосборника и основные дефекты в центральной его части с указанием на диаграмме частоты их возникновения в процентах от общего числа дефектов.
I - трещина конического элемента между патрубками слива масла с 4-й и 5-й опор - 54%;
II - трещина по сварному шву №2 - 21%;
III - трещина по сварному шву коллектора маслофорсунки - 8%;
IV - трещина по внутренней цилиндрической обечайке газосборника - 2%;
V - трещина трубки подвода масла на 4-ю опору - 4%;
VI - трещина по посадочным фланцам газосборника (315 мм и 260 мм) - 1%;
VII - трещина по наружной обечайке сердцевины газосборника - 2%;
VIII - трещина вертикальных стоек газосборника - 1%;
IX - повторная трещина (после заварки трещины при предыдущем ремонте конического элемента между патрубками слива масла с 4-й и 5-й опор) - 4%;
X - газосборники, не имеющие дефектов, - 3%.
На фиг.3 показана конструкция газосборника согласно предлагаемому изобретению, которая состоит из двух основных элементов: корпуса газосборника и корпуса подшипников.
Корпус подшипников состоит из ступенчатой втулки 12 с цилиндрическими поясами 13 и 14 упорного фланца 15, по которым происходит стыковка с корпусом газосборника, стыкуются фланцы 15 и 16 цилиндрической оболочки 18.
Ступенчатая втулка 12 может быть изготовлена из монолитного стального прутка методом токарной, фрезерной обработок с просверленными отверстиями маслоподачи.
Элементы соединены между собой на гарантированной посадке по цилиндрическим поясам Д и Е с упором по поверхности Ж фланцев 15 и 16 посредством болтов (не показаны). При таком соединении линейные перемещения по продольной оси элементов газосборника не передаются друг на друга, перемещение происходит со скольжением без напряжения. За счет гарантированной плотной посадки по цилиндрическим поясам соблюдается сохранение единства конструкции в восприятии силовых воздействий.
Корпус газосборника внешне сохраняет существующую конструкцию с добавлением фланца 16, соединенного сваркой с ребрами 8, мембраной 7 и оболочкой 5.
Данное решение позволило также увеличить внутренний диаметр мембраны, установить шесть ребер, поддерживающих мембрану, вместо пяти ребер равномерно расположенных по окружности и, тем самым, дополнительно снизить напряжения в мембране с образованием трещин, имеющих место в прототипе в шве I в 54% случаях.
В результате использования предлагаемой конструкции увеличилась прочность и жесткость сердцевины газосборника за счет уменьшения количества швов повысилась надежность конструкции газосборника.
Устранены дефекты IV, III, V (см. фиг.2) составляющие в прототипе (2%+8%+4%)=14% от общего числа дефектов. Также устранены дефекты VII и II составляющие (2%+21%)=23%.
В прототипе (см. фиг.1) имеет место образование трещин в оболочке 5 и шве II скрытых от визуального контроля при эксплуатации и ремонте.
В предлагаемом решении помимо разгрузки оболочки 5 и шва II надежность конструкции усиливается наличием под оболочкой 5 корпуса газосборника оболочки 18 корпуса подшипников находящейся практически в ненагруженном состоянии, т.к. нагрузка от силовых воздействий на корпус подшипников воспринимается монолитной жесткой ступенчатой втулкой 12. Оболочки 5 и 18 являются стенками дополнительной буферной герметичной полости. Разрушение одной из оболочек или шва II не нарушает нормальную работу газосборника.
Устройство работает следующим образом.
Горячий воздух от турбин двигателя, минуя ребра 4, поступает в контур отвода горячих газов, ограниченный криволинейной оболочкой 9.
Масло в газосборник поступает из редуктора двигателя к маслоприемному штуцеру 21 и по каналам 17 втулки 12 корпуса подшипников - к форсункам 22, распыляющим масло на подшипники турбины, охлаждая и смазывая их.
Далее масло стекает в нижнюю часть масловоздушной полости Б корпуса подшипников, откуда удаляется через штуцера слива масла 19 обратно в редуктор двигателя.
Холодный воздух турбины компрессора через радиальные отверстия фланца 15 из надмембранной полости корпуса газосборника поступает в воздушную полость В корпуса подшипников и далее через отверстия втулки 12 направляется к лабиринтным уплотнениям 20 подшипников турбины, где вступая в газодинамическое равновесие с горячими газами, проникающими к подшипникам через конструктивные зазоры, обеспечивает защиту подшипников от их проникновения, создает противодавление масляному туману, поступающему к подшипникам из форсунок маслоподачи, и обеспечивает охлаждение деталей и масла.
Предлагаемое техническое решение значительно облегчает работы при ремонте двигателя. Проста процедура разборки газосборника на составные части, дефектация, проверочные испытания и замена на взаимозаменяемые части при капитальном ремонте. Уменьшилось количество контрольных операций при изготовлении, снизилась трудоемкость. Повысилась надежность уменьшением вероятности появления дефектов (трещин), составлявших в прототипе - (54%+14%+23%)=91%.
Проведены прочностные расчеты. Проведены натурные квалификационные испытания двигателей ГТД-350 с установленными газосборниками новой конструкции. Получены положительные результаты и рекомендации к проведению подконтрольной эксплуатации двигателей с предложенной конструкцией газосборника.