ОПОРА РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE ROTOR SUPPORT

Изобретение относится к опорам для вращающихся с большой окружной скоростью роторов газотурбинных двигателей (ГТД), а именно к устройствам смазки радиальных роликоподшипников, и может использоваться для смазки работающих в тяжелых условиях межроторных роликоподшипников.
Известна опора ротора газотурбинного двигателя, содержащая радиальный роликоподшипник, внутренняя обойма которого установлена на валу ротора с образованием масляных каналов между ней и валом, причем у масляных каналов входы через радиальные маслоподводящие отверстия, выполненные в стенке вала напротив средней части внутренней обоймы, соединены с внутренней поверхностью вала, образующей масляную ванну, а выходы с двух сторон внутренней обоймы роликоподшипника сообщены с форсуночными отверстиями (см. патент РФ №2144995, МПК F02C 7/06, опубл. 27.01.2000). Кроме того, с двух сторон внутренней обоймы подшипника имеются дополнительные радиальные отверстия для подвода масла непосредственно к форсуночным отверстиям. Масло на охлаждение подшипника из форсунки подается в масляную ванну, образованную на внутренней поверхности вала. Из масляной ванны часть масла через радиальные маслоподводящие отверстия, выполненные в стенке вала напротив средней части внутренней обоймы, попадает на охлаждение внутренней обоймы подшипника. Другая часть масла через отверстия, расположенные с двух боков внутренней обоймы подшипника, попадает в масляные коллекторы и далее вместе с маслом, прошедшим через масляные каналы между валом и внутренней обоймой подшипника, направляется в форсуночные отверстия с двух сторон подшипника и охлаждает сепаратор и остальные части подшипника.
На ГТД расход масла, подаваемый на смазку и охлаждение подшипников, по частоте вращения роторов практически не меняется. Это приводит к тому, что величину расхода масла выбирают по максимальному режиму работы ГТД. Но в этом случае на режимах между «малым газом» и максимальным расход масла будет избыточным. Из общей теории охлаждения подшипников качения известно, что для конкретной конструкции подшипника и частоты вращения вала существует оптимум по величине расхода масла, при котором происходит минимальное тепловыделение и подогрев масла. Поэтому в техническом решении по патенту РФ №2144995 чрезмерный расход масла, подаваемый на подшипник на частотах вращения ротора меньше максимального, приводит к дополнительному тепловыделению и увеличению температуры масла по сравнению с оптимальной подачей масла. Другим недостатком вышеуказанного решения является то, что на режимах, близких к максимальному, под действием центробежных сил происходит частичный разворот струек масла, подаваемых из форсуночных отверстий, в радиальном направлении. В результате этого масло не полностью попадает в зону роликов и сепаратора, что ухудшает охлаждение подшипника, его надежность и ресурс работы.
Задача изобретения - уменьшение подогрева масла в подшипнике на режимах ниже максимального.
Указанная задача достигается тем, что в опоре ротора газотурбинного двигателя, содержащем радиальный роликоподшипник, внутренняя обойма которого установлена на валу ротора с образованием масляных каналов между ней и валом, причем у масляных каналов входы через радиальные маслоподводящие отверстия, выполненные в стенке вала напротив средней части внутренней обоймы, соединены с внутренней маслоподводящей поверхностью вала, а выходы с двух сторон внутренней обоймы роликоподшипника сообщены с форсуночными отверстиями, по направлению движения масла за радиальными маслоподводящими отверстиями в стенке вала выполнены дополнительные отверстия для перепуска масла мимо подшипника, входы которых размещены на внутренней маслоподводящей поверхности вала.
Кроме того, масляные каналы между внутренней обоймой подшипника и валом могут быть выполнены в виде отдельных продольных каналов, развернутых к продольной оси вала под углом 60-75°, а для валов со шлицами на их внутренней поверхности внутренняя маслоподводящая поверхность может быть образована поверхностью на месте, по меньшей мере, 3-х сфрезерованных и равномерно распределенных по окружности шлицов.
Дополнительной задачей изобретения является улучшение охлаждения подшипника на максимальных и близких к ним режимах, для чего форсуночные отверстия могут быть образованы во внутренней обойме подшипника и выполнены под углом 45-90° к продольной оси ротора.
Новизна изобретения заключается в том, что по направлению движения масла за радиальными маслоподводящими отверстиями в стенке вала выполнены дополнительные отверстия для перепуска масла мимо подшипника, входы которых размещены на внутренней маслоподводящей поверхности вала. Новым является и то, что форсуночные отверстия могут быть образованы во внутренней обойме подшипника и выполнены под углом 45-90° к продольной оси ротора, а масляные каналы между внутренней обоймой подшипника и валом выполнены в виде отдельных продольных каналов, развернутых к продольной оси вала под углом 60-75°. Кроме того, для валов со шлицами на их внутренней поверхности внутренняя маслоподводящая поверхность может быть образована поверхностью на месте, по меньшей мере, 3-х сфрезерованных и равномерно распределенных по окружности шлицов.
Выполнение по направлению движения масла за радиальными маслоподводящими отверстиями в стенке вала дополнительных отверстий для перепуска масла мимо подшипника, входы которых размещены на внутренней поверхности вала, позволяет на режимах с частотой вращения вала, меньшей максимальной, доходить части масла до дополнительных отверстий и не попадать на охлаждение подшипника. Таким образом, на этих режимах на подшипник попадает ровно столько масла, сколько нужно для его смазки и охлаждения, а «лишнее» масло перепускается мимо, не подвергаясь излишнему нагреву. Таким образом, общая температура масла на выходе из опоры снижается.
Формирование форсуночных отверстий во внутренней обойме подшипника и выполнение их под углом 45-90° к продольной оси ротора позволяет улучшить охлаждения подшипника на максимальных и близких к ним режимах за счет подачи масла непосредственно в зону сепаратора и роликов.
Выполнение масляных каналов между внутренней обоймой подшипника и валом в виде отдельных продольных каналов, развернутых к продольной оси вала под углом 60-75°, позволяет роликам все время находиться над выступами, образующими канавки, что уменьшает вибрацию ротора.
Использование для валов со шлицами на их внутренней поверхности в качестве внутренней маслоподводящей поверхности поверхности на месте, по меньшей мере, 3-х сфрезерованных, равномерно расположенных по окружности шлицов также снижает подогрев масла, так как снижается гидравлическое сопротивление этого участка вала по сравнению с валом, где эти шлицы были бы оставлены.
На фиг.1 показан продольный разрез опоры ГТД;
на фиг.2 показан вид сверху на масляные каналы и маслоподводящие отверстия, выполненные в стенке вала;
на фиг.3 показано поперечное сечение масляного канала на валу;
на фиг.4 - поперечный разрез по отверстиям перепуска;
На фиг.5 показан график изменения потребного расхода масла на охлаждение подшипника в зависимости от частоты вращения ротора.
Опора ротора газотурбинного двигателя содержит радиальный роликоподшипник 1, внутренняя обойма 2 которого установлена на валу 3 ротора 4 с образованием масляных каналов 5 между ней и валом 3, причем у масляных каналов 5 входы 6 через проточку 7 на валу 3 и радиальные маслоподводящие отверстия 8 в стенке вала 3 напротив средней части внутренней обоймы 2 соединены с внутренней поверхностью 9 вала 3, а выходы 10 через две кольцевые канавки 11 и 12 с двух сторон внутренней обоймы 2 роликоподшипника сообщены с форсуночными отверстиями 13. Для случая когда вал изнутри снабжен шлицами, внутренняя поверхность 9 вала 3, служащая для подвода масла, образована поверхностью на месте 3-х сфрезерованных, равномерно распределенных по окружности шлицов 14. По направлению движения масла за радиальными маслоподводящими отверстиями 8 в стенке вала 3 выполнены дополнительные отверстия 15 для перепуска масла мимо подшипника, входы которых сообщены с внутренней маслоподводящей поверхностью 9 вала 3. Для подвода масла внутрь вала 3 служит форсунка 16.
Наиболее оптимально с точки зрения охлаждения подшипника выполнение форсуночных отверстий 13 во внутренней обойме 2 подшипника под углом 45-90° к продольной оси 17 ротора.
Для уменьшения вибраций ротора масляные продольные канавки 5 между внутренней обоймой 2 подшипника и валом 3 выполнены трапециевидными и развернуты к продольной оси 16 вала 3 под углом α=60-75°.
Опора работает следующим образом.
max
мг
мг
max
мг
Масло из форсунки 16 с максимальным расходом Q, задаваемым по максимальному режиму работы ГТД (см. фиг.5), подается внутрь вала 3 и поступает на внутреннюю маслоподводяшую поверхность 9 вала 3. На режимах, меньших максимального, форсуночные отверстия 13 способны пропустить через себя на охлаждение подшипника только часть масла в соответствии с зависимостью на фиг.5. Так, на оборотах ротора n, на охлаждение подшипника требуется расход Q, а остальное масло с расходом Q=Q-Q по внутренней маслоподводящей поверхности 9 вала 3 двигается дальше и поступает в отверстия 16, по которым перепускается мимо подшипника 2 и поступает на откачивающий насос. Таким образом, на этих режимах масло не подвергается нагреву на подшипнике и поступает в бак из опоры более холодным. На максимальном режиме форсуночные отверстия 13 могут пропустить весь расход и на перепуск масло уже не поступает.