СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСЕВЫХ СИЛ НА РАДИАЛЬНО-УПОРНОМ ПОДШИПНИКЕ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
SYSTEM OF AXIAL FORCES ADJUSTMENT ON RADIAL-THRUST BEARING OF TURBINE MACHINE ROTOR

Изобретение относится к турбомашиностроению и может быть использовано в системах регулирования, перераспределения и уравновешивания осевых сил, действующих на радиально-упорные подшипники качения составных роторов турбомашин и ступеней роторов турбомашин ГТД и ГТУ.
Ротор турбомашины состоит из ротора компрессора и ротора турбины. Соединение роторов компрессора и турбины или ступеней компрессора (турбины) в составном роторе между собой должно обеспечить передачу крутящего момента и осевого усилия. Для этого предусматривается осевая фиксация роторов (ступеней).
Радиально-упорный подшипник ротора турбомашины воспринимает разность осевых сил, возникающих на роторах компрессора и турбины (они направлены в противоположные стороны). Несмотря на это, неуравновешенная осевая сила, действующая на радиально-упорный подшипник, может быть больше допустимой для него нагрузки. Для снижения осевой силы предусматриваются конструктивные различные разгрузочные схемы.
Известна принципиальная схема разгрузки радиально-упорного подшипника ротора ГТД (А.А.Гарькавый и др. Двигатели летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1987, с.217, Рис.7.57) от осевой силы. Для снижения осевой силы в полость А по трубопроводу проводится воздух с повышенным давлением от одной из промежуточных ступеней компрессора, а полость Б соединяется патрубком с атмосферой. Вследствие этого возрастает сила, действующая на передний торец ротора, и уменьшается осевая сила, действующая на задний торец ротора и радиально-упорный подшипник ротора. Это повышает ресурс подшипника. Однако отбор воздуха из проточного тракта компрессора ведет к снижению его кпд.
Известно автоматическое регулирующее устройство уравновешивания осевых сил ротора (патент US 4578018, U.S. 415/14, Mar.25, 1986). Осевые силы на роторе возникают вследствие газодинамического и газостатического воздействия потока на рабочие лопатки ротора. Устройство уравновешивания ротора, включающего вал с радиально-упорным подшипником, содержит гидравлическое устройство, установленное в корпусе ГТД, и электромеханическое устройство. Гидравлическое устройство включает источник давления жидкости (масла) и кольцевую камеру, подключенную к источнику. Корпус ГТД и ротор сопряжены между собой через соосную ротору кольцевую камеру. Внутреннее кольцо подшипника установлено на роторе, а наружное кольцо расположено в корпусе ГТД. Электромеханическое устройство содержит тензодатчик, установленный на наружном кольце подшипника, усилитель сигнала тензодатчика и управляющее устройство. Выход тензодатчика через усилитель сигнала и управляющее устройство подключен к источнику давления жидкости. При осевой нагрузке на подшипник выше заданной с тензодатчика через усилитель и управляющее устройство подают сигнал на включение источника давления жидкости. Из источника жидкость под давлением направляют в кольцевую камеру и создают на роторе противодействующую нагрузку, которая разгружает подшипник. Это устройство уравновешивания осевых сил обеспечивает достижение заданного ресурса ГТД. Недостатком такого устройства является наличие уплотнений, контактирующих с высокооборотными деталями двигателя. Работоспособность уплотнений может влиять на снижение ресурса ГТД.
Наиболее близкими из известных устройств по технической сущности и достигаемому результату являются способ и система управления осевой силой на упорном подшипнике ротора газотурбинного двигателя (патент US 5735666, НКИ U.S. 415/34, Apr.7, 1998). Система содержит электромагнитное устройство, обеспечивающее компенсацию осевой нагрузки на упорном подшипнике, блок управления этим устройством, а также датчик, определяющий скорость вращения сепаратора упорного подшипника. Если отношение скорости вращения сепаратора к скорости вращения ротора турбины падает ниже определенной величины, то этот датчик выдает на блок управления соответствующий сигнал, по которому компенсирующее устройство системы создает определенную дополнительную нагрузку на упорном подшипнике. В результате величина результирующей нагрузки сохраняется в пределах заданного диапазона. Система позволяет отказаться от торцевых и радиальных уплотнений, применяемых при установке гидравлических и пневматических устройств. Однако при такой схеме измерения - по частоте вращения сепаратора - не учитывается возможность проскальзывания шариков в подшипнике и, как следствие, неточность измерения частоты вращения. Для работы такой системы необходим дополнительный источник питания. Данная система регулирует осевую силу только одного упорного подшипника.
В основу предлагаемого изобретения для составных роторов турбомашин и ступеней роторов турбомашин положено решение следующих задач:
- уменьшение воздействия осевой силы на радиально-упорный подшипник передней части составного ротора турбомашины путем передачи избыточной величины осевой силы на радиально-упорный подшипник задней части ротора;
- перераспределение осевых сил между радиально-упорными подшипниками передней и задней частей составного ротора турбомашины в соответствии с заданными требованиями;
- уравновешивание осевых сил, воздействующих на каждый радиально-упорный подшипник передней и задней частей составного ротора турбомашины по заданному закону с помощью уравновешивающего устройства.
Для решения поставленных задач необходима разгрузка радиально-упорных подшипников составного ротора от избыточных осевых сил.
Поставленные задачи решаются тем, что система регулирования осевых сил на упорном подшипнике ротора турбомашины, содержит устройства регулирования и уравновешивания осевых сил ротора и блок управления регулирующего и уравновешивающего устройств. Ротор турбомашины включает вал с дисками, установленный в статоре на радиально-упорном и радиальном подшипниках качения.
Согласно изобретению ротор выполнен составным из передней и задней автономных частей. Каждая часть ротора установлена в статоре на радиально-упорном и радиальном подшипниках. Притом части ротора соединены друг с другом с возможностью относительного осевого перемещения. Причем наружные кольца подшипников размещены в статоре, а внутренние кольца закреплены на валах частей ротора. Кроме того, устройство регулирования осевых сил содержит тензокольца, связанные электрически с блоком управления. При этом тензокольца расположены между торцами наружных колец радиально-упорных подшипников обеих частей ротора и статором с противоположных сторон приложения к наружным кольцам осевых сил. Между тензокольцом радиально-упорного подшипника передней части ротора и статором дополнительно установлено упругое кольцо.
При такой системе регулирования осевых сил:
- выполнение ротора составным из передней и задней автономных частей, где каждая часть ротора установлена в статоре автономно на радиально-упорном и радиальном подшипнике, обеспечивает до заданного уровня раздельное восприятие осевых нагрузок, действующих на радиально упорные подшипники передней и задней частей ротора;
- соединение частей ротора друг с другом с возможностью относительного осевого перемещения, где наружные кольца подшипников размещены в статоре, а внутренние кольца закреплены на валах частей ротора, позволяет обеспечить перераспределение осевых нагрузок между передней и задней частями ротора в соответствие с заданными требованиями;
- наличие в устройстве регулирования осевых сил тензоколец, связанных электрически с блоком управления, где тензокольца расположены между торцами наружных колец радиально-упорных подшипников обеих частей ротора и статором с противоположных сторон приложения к наружным кольцам осевых сил, обеспечивает контроль осевых сил, которые воспринимают подшипники передней и задней частей ротора, а через устройство уравновешивания и перераспределение осевых сил - между радиально-упорными подшипниками передней и задней частей составного ротора;
- установка между тензокольцом радиально-упорного подшипника передней части ротора и статором упругого кольца обеспечивает перемещение передней части ротора под действием осевой силы на величину зазора между Г-образными кольцевыми гребешками смежных дисков передней и задней частей ротора.
Существенные признаки изобретения могут иметь дополнение и развитие:
- устройство уравновешивания осевых сил ротора может быть выполнено в виде стендового силового привода со штоком, жестко соединенным с внутренним кольцом радиально-упорного подшипника задней части ротора. Силовой привод может быть выполнен в виде гидроцилиндра, электродвигателя с шариковинтовой передачей, пневмопривода и другого силового устройства подобного типа. Это позволяет разгружать и уравновешивать по заданному закону осевые силы, действующие на радиально-упорные подшипники задней и передней частей ротора;
- устройство уравновешивания осевых силы ротора может быть выполнено в виде электромагнита (см. например, патент US №5735666, FIG 2). Электромагнит содержит ряд установленных соосно в статоре с осевым зазором кольцевых сердечников из магнитных материалов с канавками, катушек с токопроводящими обмотками, размещенных в канавках кольцевых сердечников и расположенного на роторе якоря. Якорь может быть выполнен в виде набора кольцевых гребешков из магнитных материалов, где каждый гребешок соответственно сопряжен через зазор с отдельным кольцевым сердечником в статоре. Причем якорь жестко соединен по оси с внутренним кольцом радиально-упорного подшипника задней части ротора. Это обеспечивает заданный закон уравновешивания осевых сил, воздействующих на радиально-упорные подшипники передней и задней частей ротора турбомашины;
- тензокольца могут быть установлены с обоих торцов наружных колец радиально-упорных подшипников передней и/или задней частей ротора. Это позволяет определять пульсации осевых нагрузок на подшипники в противоположных направлениях;
- части ротора могут быть соединены друг с другом соосно центральной муфтой. Соединение частей ротора центральной муфтой обеспечивает возможность передачи крутящего момента с вала задней части ротора на вал передней части ротора;
- части ротора могут быть дополнительно соединены взаимосцепляющимися через зазор по оси органами, расположенными на обращенных друг к другу поверхностях смежных дисков передней и задней частей ротора. Взаимосцепляющиеся органы передней и задней частей ротора могут быть выполнены в виде Г-образных кольцевых гребешков с радиальными пазами на торцах гребешков. Установка взаимосцепляющихся кольцевых гребешков позволяет, при осевом перемещении вперед передней части ротора от действия осевой силы и выборке осевого зазора между Г-образными кольцевыми гребешками, передавать избыточную осевую силу на радиально-упорный подшипник задней части ротора, т.е. регулировать, перераспределять и уравновешивать осевые нагрузки на радиально-упорных подшипниках передней и задней частей ротора. Причем осевое перемещение передней части ротора происходит за счет деформации упругого кольца, установленного между тензокольцом радиально-упорного подшипника передней части ротора и статором с противоположной стороны приложения осевой силы на подшипник.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи для составных роторов и ступеней роторов турбомашин:
- уменьшено воздействие осевой силы на радиально-упорный подшипник передней части составного ротора турбомашины путем передачи избыточной величины осевого усилия на радиально-упорный подшипник задней части ротора;
- осевые силы между радиально-упорными подшипниками передней и задней частей составного ротора турбомашины перераспределяются в соответствии с заданными требованиями;
- осевые силы, воздействующие на каждый радиально-упорный подшипник передней и задней частей составного ротора турбомашины, уравновешиваются по заданному закону с помощью уравновешивающего устройства.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием системы регулирования осевых сил ротора турбомашины и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-4, где:
на фиг.1 изображена система регулирования осевых сил ротора турбомашины, где устройство уравновешивания выполнено в виде стендового силового привода со штоком;
на фиг.2 - система регулирования осевых сил ротора турбомашины, где устройство уравновешивания выполнено в виде электромагнита;
на фиг.3 - элемент I на фиг.1;
на фиг.4 - элемент II на фиг.1.
Система регулирования осевых сил на радиально-упорные подшипники качения ротора турбомашины содержит (см. фиг.1) устройства регулирования и уравновешивания осевых сил ротора и блок 1 управления регулирующего и уравновешивающего устройств. Ротор турбомашины включает вал с дисками, установленный в статоре 2 на радиально-упорных и радиальных подшипниках качения. Ротор выполнен составным из передней 3 и задней 4 автономных частей. Каждая часть 3, 4 ротора установлена в статоре 2 соответственно на радиально-упорных 5, 6 и радиальных 7, 8 подшипниках. Наружные кольца подшипников 5, 6, 7, 8 размещены в статоре 2. Внутренние кольца подшипников 5, 6, 7, 8 закреплены соответственно на валах частей 3, 4 ротора. При этом части 3, 4 ротора соединены друг с другом с возможностью относительного осевого перемещения. Контроль величины осевого усилия на радиально-упорном подшипнике 5 передней части 3 ротора осуществляется с помощью тензокольца 9, связанном электрически (не показано) с блоком 1 управления. Контроль величины осевого усилия на радиально-упорном подшипнике 6 задней части 4 ротора осуществляется с помощью тензокольца 10, связанном электрически (не показано) с блоком 1 управления. При этом тензокольцо 9 расположено между торцом наружного кольца радиально-упорного подшипника 5 передней части 3 ротора и упругим кольцом 11 (см. фиг.3), а тензокольцо 10 (см. фиг.1) - между торцом наружного кольца радиально-упорного подшипника 6 задней части 4 ротора и статором 2. Тензокольца 9, 10 расположены с противоположных сторон приложения осевых сил соответственно к наружным кольцам подшипников 5, 6.
Устройство уравновешивания осевой силы ротора (см. фиг.1) выполнено в виде стендового гидроцилиндра со штоком 12, жестко соединенным с внутренним кольцом радиально-упорного подшипника 6 задней части 4 ротора.
Устройство уравновешивания осевой силы ротора может быть выполнено (см. фиг.2) в виде электромагнита. Электромагнит содержит ряд установленных соосно в статоре 2 с осевым зазором кольцевых сердечников 13 из намагничиваемого материала с канавками, катушек 14 с токопроводящими обмотками, размещенных в канавках кольцевых сердечников 13 и расположенного на задней части 4 ротора якоря. Якорь выполнен в виде набора кольцевых гребешков 15. Каждый гребешок 15 якоря соответственно сопряжен через зазор с отдельным кольцевым сердечником 13 в статоре 2. Причем якорь жестко соединен по оси с внутренним кольцом радиально-упорного подшипника 6 задней части 4 ротора.
Тензокольца 9, 10 могут быть установлены соответственно с обеих сторон наружных колец радиально-упорных подшипников 5, 6 передней и/или задней частей ротора (не показано).
Части 3, 4 ротора (см. фиг.1) соединены друг с другом соосно центральной шлицевой муфтой 16 и взаимосцепляющимися по оси органами, расположенными на обращенных к другу поверхностях смежных дисков передней и задней частей ротора.
Взаимосцепляющиеся органы передней и задней частей ротора (см. фиг.4) могут быть выполнены в виде Г-образных кольцевых гребешков 17, 18 с радиальными пазами (не показано) на торцах гребешков. Радиальные пазы обеспечивают сборку с поворотом Г-образных гребешков 17, 18 передней 3 и задней 4 частей ротора. После установки ротора в статор 2 Г-образные гребешки 17, 18 передней 3 и задней 4 частей ротора расположены напротив друг друга с возможностью относительного осевого перемещения в пределах зазора А и зафиксированы от поворота шлицами центральной муфты 16.
При проведении аэродинамических испытаний турбомашин система регулирования осевых сил, действующих на радиально-упорные подшипники составных роторов или ступеней роторов, работает следующим образом.
Соединение передней 3 и задней 4 частей ротора центральной шлицевой муфтой 16 обеспечивает передачу крутящего момента с вала ротора задней части 4 на вал ротора передней части 3. Установка взаимосцепляющихся Г-образных гребешков 17, 18 позволяет, при осевом перемещении передней части 3 ротора от действия осевой силы и выборке осевого зазора А, предавать избыточную осевую силу (свыше 1500 кг) на радиально-упорный подшипник 6 задней части 4 ротора. Осевое перемещение передней части 3 ротора происходит за счет упругой деформации кольца 11. При достижении заданной величины осевой нагрузки на радиально-упорный подшипник 5 кольцо 11 упруго деформируется на величину осевого зазора А между Г-образными кольцевыми гребешками 17, 18. При выборке осевого зазора А происходит передача избыточной осевой силы с передней части 3 ротора на заднюю часть 4 ротора, которая воспринимается ее радиально-упорным подшипником 6. Сигнал от тензокольца 10 через блок 1 управления поступает (не показано) в устройство уравновешивания осевой силы, которое выполнено в виде гидроцилиндра со штоком 12 или электромагнита с якорем.