СИЛОВАЯ СВОБОДНАЯ ТУРБИНА
FREE POWER TURBINE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям со свободной силовой турбиной авиационного и наземного применения.
Известен газотурбинный двигатель с опорой роликоподшипника, внутреннее кольцо которого установлено на валу турбины (патент US 2008/0098717, МПК F02K 3/02, опубл. 01.05.2008).
Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность, так как при разрушении роликоподшипника возможен обрыв вала турбины из-за его перегрева.
Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель, в котором внутреннее кольцо роликоподшипника установлено на валу двигателя и зафиксировано в осевом положении гайкой, которая в окружном направлении зафиксирована пластинчатым замком, размещенным в осевом пазу вала. На валу также установлено лабиринтное кольцо, составляющее совместно со статорным фланцем лабиринтное уплотнение (патент RU 2250386, МПК F02K 3/06, опубл. 20.04.2005).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность, так как осевой паз в валу является концентратором напряжений, что снижает надежность газотурбинного двигателя из-за возможной поломки вала. Также возможны утечки масла из масляной полости в воздушную полость на пониженных режимах работы, что также снижает надежность газотурбинного двигателя.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности газотурбинного двигателя путем исключения концентраторов напряжений на валу двигателя при фиксации гайки крепления роликоподшипника в окружном направлении, а также исключения вытекания масла из масляной полости двигателя в воздушную на всех режимах работы двигателя.
Техническая задача достигается тем, что в силовой свободной турбине, включающей в себя роликоподшипник, внутреннее кольцо которого закреплено в осевом положении гайкой, а также воздушное лабиринтное уплотнение с лабиринтным кольцом и фланцем лабиринта, согласно изобретения, между внутренним кольцом роликоподшипника и цилиндрической поверхностью вала установлена промежуточная втулка роликоподшипника с радиальным, направленным к гайке, кольцевым ребром, внутренняя поверхность которого является чередованием плоских и цилиндрических поверхностей с контактом плоских поверхностей втулки по плоским внешним поверхностям вала, внешняя поверхность кольцевого ребра выполнена цилиндрической, с размещением на ней осевого ребра стопорной втулки, которая выполнена с направленным к оси вала ребром, которое также выполнено с внутренней поверхностью из чередующихся между собой плоских и цилиндрических поверхностей с контактом плоскими поверхностями стопорной втулки по плоским внешним поверхностям вала, на промежуточной втулке между внутренним кольцом роликоподшипника и стопорной втулкой установлено лабиринтное кольцо, образующее со статорным фланцем лабиринтное уплотнение с центральной кольцевой воздушной полостью, соединенной на входе с внутренней воздушной полостью вала, а на выходе - через множество лабиринтных гребешков с воздушной полостью газотурбинного двигателя и через единичный лабиринтный гребешок и через С-образную щелевую полость, образованную цилиндрической частью статорного фланца и охватывающей ее передней частью лабиринтного кольца с коническими внутренними поверхностями - с масляной полостью турбины.
Установка между внутренним кольцом роликоподшипника и цилиндрической поверхностью вала свободной турбины промежуточной втулки роликоподшипника исключает повреждение вала турбины в случае поломки роликоподшипника, что повышает надежность газотурбинного двигателя.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, выполнение на промежуточной втулке роликоподшипника радиального, направленного к гайке кольцевого ребра, внутренняя поверхность которого является чередованием плоских и цилиндрических поверхностей с контактом по плоским внешним поверхностям вала, позволяет исключить перемещение втулки относительно вала в окружном направлении, что исключает появление дисбаланса ротора высокооборотной свободной турбины; концентрация напряжений на поверхности вала при этом минимальна.
Выполнение внешней поверхности радиального кольцевого ребра промежуточной втулки цилиндрической, на котором установлено осевое цилиндрическое ребро стопорной втулки, позволяет обеспечить концентричность стопорной втулки с валом высокооборотной турбины, что исключает появление дисбаланса ротора на всех режимах работы двигателя.
Выполнение стопорной втулки с радиальным, направленным к оси вала, кольцевым ребром, внутренняя поверхность которого состоит из чередующихся между собой плоских и цилиндрических поверхностей с контактом плоских поверхностей втулки по плоским внешним поверхностям вала, позволяет исключить перемещение стопорной втулки в окружном направлении относительно вала, что позволяет также обеспечить неподвижность в окружном направлении гайки крепления внутреннего кольца роликоподшипника.
Установка между внутренним кольцом роликоподшипника и стопорной втулкой на промежуточной втулке лабиринтного кольца исключает перегрев и поломку вала турбины в случае заклинивания лабиринтного уплотнения, что повышает надежность газотурбинного двигателя.
Выполнение лабиринтного уплотнения масляной опоры роликоподшипника с центральной кольцевой воздушной полостью, соединенной на входе с внутренней воздушной полостью вала турбины, а на выходе через множество лабиринтных гребешков с воздушной полстью газотурбинного двигателя и через единичный лабиринтный гребешок и через С-образную щелевую воздушную полость, образованную цилиндрической частью статорного фланца и охватывающей ее передней частью лабиринтного кольца с коническими внутренними поверхностями - с масляной полостью опоры роликоподшипника, позволяет обеспечить надежную работу лабиринтного уплотнения на всех режимах работы газотурбинного двигателя, включая переходные режимы работы, что повышает надежность газотурбинного двигателя.
На фиг. 1 показан продольный разрез силовой свободной турбины.
На фиг. 2 показан элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде.
На фиг. 3 показано сечение А - А на фиг. 2.
На фиг. 4 показано сечение Б - Б на фиг. 2.
На фиг. 5 показан элемент II на фиг. 2 в увеличенном виде.
Силовая свободная турбина 1 включает в себя задний роликоподшипник 2 с внутренним кольцом 3 роликоподшипника 2, которое установлено на промежуточной втулке 4, в свою очередь установленной на внешней цилиндрической поверхности 5 вала 6 ротора 7 турбины 1.
Промежуточная втулка 4 совместно с внутренним кольцом 3, установленным на промежуточной втулке 4, лабиринтным кольцом 8 и стопорной втулкой 9 зафиксированы в осевом направлении установленной на валу 6 гайкой 10, которая зафиксирована в окружном направлении задним хвостовиком 11 стопорной втулки 9.
Промежуточная втулка 4 выполнена с радиальным, направленным к стопорной втулке 9, кольцевым ребром 12, внутренняя поверхность 13 которого выполнена в виде чередующихся между собой плоских 14 и цилиндрических 15 поверхностей с контактами по ответным им плоским наружным поверхностям 16 вала 6. Между цилиндрическими поверхностями 15 кольцевого ребра 12 промежуточной втулки 4 и ответными им цилиндрическими поверхностями 17 вала выполнены радиальные зазоры 18.
Внешняя поверхность 19 кольцевого ребра 12 выполнена цилиндрической, и на ней установлено кольцевое осевое ребро 20 стопорной втулки 9.
Стопорная втулка 9 также выполнена с кольцевым, направленным к оси 21 вала 6 турбины 1, ребром 22, внутренняя поверхность 23 которого также выполнена в виде чередующихся между собой плоских 24 и цилиндрических 25 поверхностей с контактами по ответным им плоским наружным поверхностям 26 вала 6. Между цилиндрическими поверхностями 27 ребра 22 и ответными им цилиндрическими поверхностями 25 вала 6 выполнены радиальные зазоры 28.
Лабиринтное кольцо 8 со статорным фланцем 29 лабиринта совместно образуют лабиринтное уплотнение 30, уплотняющее воздушную полость 31 от масляной полости 32 силовой свободной турбины 1. Лабиринтное уплотнение 30 содержит центральную воздушную кольцевую полость 33, соединенную на входе через радиальные каналы 34, 35 и 36 с внутренней воздушной полостью 37 вала 6, а на выходе через множество лабиринтных гребешков 38 с воздушной полостью 31 и через единичный гребешок 39 и через С - образную щелевую воздушную полость 40, образованную цилиндрической частью 41 статорного фланца 29 и охватывающей ее передней частью 42 лабиринтного кольца 8 с коническими внутренними поверхностями 43 и 44 - с масляной полостью 32 турбины 1.
Работает данное устройство следующим образом.
При работе силовой свободной турбины 1 на пониженных режимах лабиринтное уплотнение 30 надежно уплотняет масляную полость 32 за счет центробежных сил, действующих на частицы масла в С-образной щелевой воздушной полости 40, так частицы масла сбрасываются коническими поверхностями 43, 44 в масляную полость 32. При повышении режима работы газотурбинного двигателя в лабиринтное уплотнение поступает охлаждающий воздух повышенного давления из внутренней воздушной полости 37 вала 6, что еще более улучшает работу лабиринтного уплотнения 30. В случае касания лабиринтного кольца 8 об статорный фланец 29 и разогрева лабиринтного кольца 8 промежуточная втулка 4, зафиксированная в окружном направлении относительно вала 6 плоскими поверхностями 14, надежно защищает вал 6 от повреждения.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками заявляемого изобретения, позволяет повысить надежность газотурбинного двигателя путем исключения концентраторов напряжений на валу двигателя при фиксации гайки крепления роликоподшипника в окружном направлении, а также исключить вытекание масла из масляной полости двигателя в воздушную на всех режимах работы двигателя.