УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ И СОДЕРЖАЩИЙ ЕГО ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
BEARING ATTACHMENT ASSEMBLY AND GAS TURBINE ENGINE COMPRISING IT

Область техники
Настоящее изобретение относится к узлу крепления подшипников, предназначенному для установки в газотурбинный двигатель между внутренними по радиусу первым и вторым подшипниками, в которых установлены с возможностью вращения первый и второй роторы, соответственно, и наружной по радиусу рамой двигателя, причем узел крепления подшипников содержит первую кольцевую пластинчатую деталь и средство крепления первого подшипника у одного из ее краев и вторую кольцевую пластинчатую деталь и средство крепления второго подшипника у одного из ее краев. Изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему такой узел крепления подшипников.
Узел крепления подшипников может быть использован в стационарных газотурбинных двигателях, но особое преимущество имеет его использование в реактивных двигателях летательных аппаратов. Подразумевается, что понятие реактивный двигатель включает в себя различные типы двигателей, в которые поступает воздух с относительно небольшой скоростью, нагревается в процессе горения и выбрасывается наружу с значительно большей скоростью. В понятие реактивный двигатель входят, например, турбореактивный и турбовентиляторный двигатели. Изобретение будет описано в приложении к турбовентиляторному двигателю, но, конечно, может быть использовано и для других типов двигателей.
Уровень техники
Газотурбинный двигатель летательного аппарата турбовентиляторного типа в общем случае содержит установленный впереди вентилятор и компрессор низкого давления, находящийся в средней части, внутренний контур двигателя и находящуюся в задней части силовую турбину низкого давления. Внутренний контур двигателя содержит соединенные последовательно компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления. Компрессор высокого давления и турбина высокого давления внутреннего контура двигателя соединены друг с другом валом высокого давления. Компрессор высокого давления, турбина и вал по существу образуют ротор высокого давления. Компрессор высокого давления приводится во вращательное движение и производит сжатие воздуха, поступающего во внутренний контур двигателя под относительно высоким давлением. Этот воздух высокого давления затем в камере сгорания смешивают с топливом и воспламеняют для образования высокоэнергетичного газового потока. При движении к задней части двигателя газовый поток проходит через турбину высокого давления, приводя во вращательное движение ее и вал высокого давления, который в свою очередь вращает компрессор высокого давления.
Газовый поток, выходя из турбины высокого давления, расширяется при прохождении через вторую или низкого давления турбину. Турбина низкого давления приводит через вал низкого давления во вращательное движение вентилятор и компрессор низкого давления, которые вместе образуют ротор низкого давления. Вал низкого давления проходит сквозь ротор высокого давления. Большая часть создаваемой тяги образуется за счет вентилятора. Для крепления и удержания подшипников, которые в свою очередь с возможностью вращения крепят роторы, используют рамы (корпуса) крепления двигателя. Обычные турбовентиляторные двигатели имеют раму (корпус) вентилятора, среднюю раму (силовая конструкция между ступенями турбины) и заднюю раму турбины (силовая конструкция выходной части турбины).
Двигатель крепят к летательному аппарату за передний узел крепления, расположенный в передней части рамы вентилятора, и за задний узел крепления, расположенный в задней части рамы турбины.
Изобретение в основном относится к задней части двигателя и, в частности, к тому участку, где находится задняя часть рамы двигателя, расположенная между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления, и предлагаемая в изобретении конструкция узла крепления подшипников проходит вовнутрь по радиусу от местоположения заднего узла крепления двигателя, находящегося на раме турбины. Известны решения для узлов крепления подшипников, причем эти узлы расположены в радиальном направлении между первым и вторым подшипниками и связаны с этими подшипниками, которые с возможностью вращения крепят первый и второй роторы, соответственно, и наружной по радиусу задней частью рамы двигателя. В соответствии с одним из таких решений узел крепления подшипников содержит литой корпус подшипников, в котором закреплены оба подшипника и который жестко соединен с так называемой кессонной коробчатой конструкцией или с помощью сварки, или болтами. Кессонная коробчатая конструкция в свою очередь жестко соединена с рамой двигателя. Такой литой корпус подшипников часто имеет сложную форму и отливается как целиковая деталь. Процесс изготовления такого корпуса подшипников и его установка в двигатель занимают много времени.
Другой пример известного из предшествующего уровня техники двигателя летательного аппарата описан в патенте US6,708,482. Задняя часть рамы двигателя расположена между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления и проходит вовнутрь по радиусу от местоположения заднего узла крепления двигателя на раме турбины. В узле крепления подшипников установлены первый и второй подшипники, которые с возможностью вращения крепят первый и второй роторы, соответственно. Узел крепления подшипников содержит две отдельные пластинчатые детали, каждая из которых проходит или от первого, или от второго подшипника к раме двигателя. Две отдельные пластинчатые детали соединены болтами с противоположными, если смотреть в направлении продольной центральной оси двигателя, краями рамы двигателя. Положение подшипников и конструкция узла крепления подшипников делают затруднительными установку узла в двигатель и удаление его из двигателя. Кроме того, существует тенденция перемещать вперед расположенный в задней части рамы турбины задний узел крепления двигателя так, что вся турбина низкого давления или по меньшей мере часть ее становится консольной. Одна из причин для такого подхода связана со снижением веса. Обычная упомянутая задняя рама турбины, называемая также корпусом хвостового подшипника или выходным патрубок турбины, может быть заменена или дополнена узлом крепления подшипников, расположенным впереди всей или по меньшей мере части турбины низкого давления. На этот узел крепления подшипников, называемый здесь центральной или средней рамой турбины, будет приходиться нагрузка от по меньшей мере двух разных валов. Поэтому к узлу крепления подшипников и связанной с ним задней части рамы двигателя предъявляют высокие требования по жесткости из-за динамического взаимодействия между этими валами, которые могут вращаться в одном или противоположных направлениях.
Краткое изложение сущности изобретения
Одна из целей изобретения заключается в создании узла крепления подшипников для газотурбинного двигателя с двумя роторами, конструкция которого была проста в монтаже и имела достаточную жесткость, чтобы передавать нагрузки, приходящиеся на подшипники, причем эта конструкция размещалась бы в направлении по радиусу между подшипниками двух роторов и рамой крепления двигателя. Предпочтительно, чтобы узел крепления подшипников имел малый вес. Узел крепления подшипников должен быть особенно пригоден для использования в газотурбинном двигателя, в котором расположенный в задней части рамы турбины задний узел крепления двигателя смещен вперед, так что вся турбина низкого давления или по меньшей мере часть ее становится консольной.
Эта цель достигается в узле крепления подшипников, выполненном согласно пункту 1 формулы изобретения. За счет использования двух пластинчатых деталей для крепления двух подшипников отпадает необходимость в сложном литом корпусе подшипников, известном из предшествующего уровня техники. Кроме того, такое решение создает условия для устранения известной из предшествующего уровня техники кессонной коробчатой конструкции. Таким образом, цельный узел крепления подшипников заменяет литой корпус подшипников и кессонную коробчатую конструкцию. Кроме того, изобретение создает условия для использования в узле крепления подшипников более прочных материалов, что также может снизить его вес по сравнению с обычным литьем.
Одно из требований, предъявляемых к газотурбинным двигателям, заключается в том, что они должны противостоять большому вращательному разбалансу, возникающему в случае поломки по какой-либо причине лопастей вентилятора или лопаток турбины, или части их. Предлагаемое в изобретении решение обладает большими возможностями с точки зрения того, что эффект разбаланса в одном из подшипников через две пластинчатые детали может быть передан на другой подшипник. Это приводит к уменьшению сил обратной реакции в узлах крепления двигателя и создает условия для снижения веса рамы двигателя.
Каждое из средств крепления подшипников пластинчатых деталей содержит обойму подшипника или направляющую, соединенную с соответствующей пластинчатой деталью или встроенную в нее. Подшипники установлены на опорной части соответствующей обоймы или направляющей подшипника.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения узел крепления подшипников содержит кольцевой центральный элемент, причем первая и вторая пластинчатые детали жестко соединены с кольцевым центральным элементом. При этом становится возможным создание конструкции с жесткостью, достаточной для передачи нагрузки от подшипников к раме двигателя. Первая и вторая пластинчатые детали предпочтительно имеют форму конуса, расходящегося от центрального кольцевого элемента к соответствующему подшипнику.
В соответствии с дальнейшим усовершенствованием указанного варианта выполнения узел содержит третью кольцевую пластинчатую деталь со средством соединения с рамой двигателя. Третья пластинчатая деталь предпочтительно также жестко соединена с кольцевым центральным элементом. Такая конструкция также имеет увеличенную жесткость.
Узел крепления подшипников предпочтительно содержит также четвертую кольцевую пластинчатую деталь со средством соединения с рамой двигателя. За счет соединения первых краев каждой из четырех конических пластинчатых деталей с центральным элементом и за счет размещения деталей так, чтобы они проходили в различных направлениях, образуя в поперечном сечении, перпендикулярном продольной центральной оси двигателя, X-образную форму, достигается жесткость соединения в радиальном направлении подшипников с рамой двигателя. Кроме того, создается возможность относительного перемещения двух подшипников. Крутящий момент, передающийся на раму двигателя, также минимизируется, что создает условия для того, чтобы сделать ее легче и менее сложной.
Кроме того, наклон и толщину каждой из конических пластинчатых деталей можно менять так, чтобы создавать узел передачи нагрузки подшипников с разными параметрами.
Одна из проблем известных ранее решений заключается в том, что положение двух подшипников, в соответствии с требованиями, связано с вращающимися роторами. Тогда один из подшипников (или оба подшипника) могут оказаться в положении, далеком от наиболее предпочтительного с точки зрения нагрузок или крутящего момента, то есть от положения по вертикали под узлом крепления двигателя.
Одно из преимуществ предлагаемого в изобретении решения заключается в том, что конструкция узла крепления подшипников может быть легко улучшена путем замены одной из конических пластинчатых деталей на другую деталь, имеющую другой наклон и/или длину и/или выполненную из другого материала.
Задачей изобретения также является создание газотурбинного двигателя с узлом крепления подшипников, расположенным между внутренними по радиусу первым и вторым подшипниками, в которых установлены с возможностью вращения первый и второй роторы, соответственно, и наружной по радиусу рамой двигателя, причем этот узел должен иметь достаточную жесткость для того, чтобы передавать нагрузки, приходящиеся на подшипники, и прост в монтаже и демонтаже в двигателе. Узел крепления подшипников предпочтительно установлен, если смотреть в направлении продольной центральной оси двигателя, между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления.
Указанная задача решается в газотурбинном двигателе, выполненном по пункту 1 формулы изобретения.
Другие предпочтительные варианты выполнения и другие преимущества изобретения станут ясными из подробного описания и формулы изобретения, приведенных ниже.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет раскрыто на примере вариантов выполнения, приведенных на прилагаемых чертежах, на которых:
на фиг.1 схематически представлено продольное сечение, иллюстрирующее приведенный в качестве примера вариант выполнения турбовентиляторного газотурбинного двигателя летательного аппарата,
на фиг.2 в увеличенном виде представлен первый вариант выполнения узла крепления подшипников, связанного с задней рамой двигателя между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления двигателя с фиг.1, и
на фиг.3 в увеличенном виде представлен вид сбоку узла крепления подшипников с фиг.2.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения
Изобретение далее будет раскрыто в приложении к турбовентиляторному газотурбинному авиационному двигателю 1, имеющему продольную центральную ось 2 двигателя (и узла крепления подшипников). Двигатель 1 содержит наружный корпус или гондолу 3, внутренний корпус 4 (ротор) и промежуточный корпус 5, концентричный относительно первых двух и делящий промежуток между ними на внутренний основной газовый канал 6, предназначенный для сжатия воздуха, и вторичный канал 7, по которому проходит поток воздуха наружного контура. Таким образом, оба газовых канала 6, 7 имеют кольцевое поперечное сечение, перпендикулярное продольной центральной оси 2 двигателя.
Двигатель 1 содержит вентилятор 8, воспринимающий окружающий воздух 9, бустер или компрессор 10 низкого давления и компрессор 11 высокого давления, расположенные в основном газовом канале 6 внутреннего контура, камеру 12 сгорания, в которой происходит смешивание топлива со сжатым воздухом, поступающим от компрессора 11 высокого давления, и дальнейшее образование газообразных продуктов сгорания, проходящих вниз по газовоздушному тракту через турбину 13 высокого давления и турбину 14 низкого давления, после которой газообразные продукты сгорания выбрасываются из двигателя.
Далее двигатель 1 будет рассматриваться с использованием фиг.2. Первый вал или вал 15 высокого давления соединяет турбину 13 высокого давления с компрессором 11 высокого давления, что, в основном, формирует первый ротор или ротор высокого давления.
Второй вал или вал 17 низкого давления соединяет турбину 14 низкого давления с компрессором 10 низкого давления, что, в основном, формирует второй ротор или ротор низкого давления. Компрессор 11 высокого давления, камеру 12 сгорания и турбину 13 высокого давления вместе называют внутренним контуром 19 двигателя. Второй вал или вал 17 низкого давления по меньшей мере частично расположен с возможностью вращения коаксиально и внутри по радиусу относительно первого ротора или ротора высокого давления.
Двигатель имеет несущую конструкцию 20, содержащую переднюю раму 21 или раму вентилятора, связанную через промежуточный корпус 5 с задней рамой двигателя или рамой 22 турбины. Двигатель крепят к летательному аппарату, например, с помощью пилонов (не показаны), отходящих вниз от крыла летательного аппарата. Рама 22 турбины содержит наружное несущее кольцо 23, которое представляет собой корпус, расположенный коаксиально осевой линии 2. Рама 22 турбины содержит также внутреннее несущее кольцо 24, расположенное коаксиально первому несущему кольцу 23 и на некотором расстоянии внутрь по радиусу от него. Рама 22 турбины содержит также группу разнесенных по окружности стоек 25, проходящих в радиальном направлении между первым и вторым несущими кольцами 23, 24 и скрепляющих их друг с другом.
Двигатель крепят к летательному аппарату за передний узел крепления, расположенный в передней части рамы 21 вентилятора, и за задний узел 27 крепления, расположенный в задней части рамы 22 турбины. В приведенном в качестве примера варианте выполнения задний узел крепления содержит U-образные крепежные серьги. Серьги выполнены так, чтобы соединяться с несколькими кольцами с помощью пальцев. Конечно, для крепления двигателя 1 к летательному аппарату могут быть использованы не серьги, а другие средства. Задний узел 27 крепления двигателя, находящийся на раме турбины, жестко соединен с рамой 22 турбины в радиальном направлении над указанными стойками 25.
Газотурбинный двигатель 1 содержит первый подшипник 28, в котором с возможностью вращения крепится первый вал 15, и второй подшипник 29, в котором с возможностью вращения у задней части двигателя 1 крепится второй вал 17. Указанный второй подшипник 29 расположен вдоль оси позади первого подшипника 28 и на большем расстоянии по радиусу от продольной центральной оси 2 двигателя по отношению к первому подшипнику 28.
Узел 30 крепления подшипников расположен в направлении по радиусу между указанными подшипниками 28, 29 и указанной рамой 22 двигателя. Узел 30 крепления подшипников жестко связан с рамой 22 двигателя с помощью болтов 16, 18. Узел 30 крепления подшипников содержит первую кольцевую пластинчатую деталь 31, имеющую средство 32 крепления указанного подшипника 28, и вторую кольцевую пластинчатую деталь 33, имеющую средство 34 крепления указанного второго подшипника 29. Указанные первая и вторая пластинчатые детали 31, 33 соединены друг с другом, образуя цельный узел газотурбинного двигателя 1. Указанные подшипники 28, 29 сформированы роликовыми подшипниками. Каждое из указанных средств 32, 34 крепления подшипников содержит обойму подшипника.
Указанные средства 32, 34 крепления подшипников могут быть сформированы несколькими взаимосвязанными элементами. Элемент, связанный с пластинчатыми деталями 31, 33, может быть выполнен литым или штампованным.
Узел 30 крепления подшипников содержит кольцевой центральный элемент 35, а первая и вторая пластинчатые детали 31, 33 жестко скреплены с кольцевым центральным элементом 35. Кольцевой центральный элемент 35 предпочтительно штампованный. В качестве альтернативы он может быть литым. Кольцевой центральный элемент 35 служит для обеспечения устойчивости узла крепления подшипников и может иметь простую в изготовлении конструкцию. Первая кольцевая пластинчатая деталь 31 и вторая кольцевая пластинчатая деталь 32 проходят от кольцевого центрального элемента 35 в разных направлениях к двум подшипникам 28, 29. Как первая кольцевая пластинчатая деталь 31, так и вторая кольцевая пластинчатая деталь 33 имеют форму усеченного конуса.
Узел 30 крепления подшипников содержит третью кольцевую пластинчатую деталь 36 со средством 37 соединения с рамой 22 двигателя. Третья пластинчатая деталь 36 жестко соединена с кольцевым центральным элементом 35. Указанное средство 37, предназначенное для соединения с рамой двигателя, образовано кольцом, в данном случае отходящим по радиусу вовнутрь от крайней части третьей пластинчатой детали 36.
Узел 30 крепления подшипников содержит также четвертую кольцевую пластинчатую деталь 38 со средством 39 соединения с рамой 22 двигателя. Аналогично пластинчатая деталь 38 жестко соединена с кольцевым центральным элементом 35. Указанное средство 39 соединения с рамой двигателя в данном случае сформировано кольцом, прикрепленным к крайней части четвертой пластинчатой детали 38 снаружи по радиусу от нее.
В предпочтительном варианте каждая из конических пластинчатых деталей 31, 33, 36, 38 перед установкой в двигатель жестко соединена с центральным элементом с помощью сварки. Кроме того, указанные средства соединения 37, 39 предпочтительно составляют часть болтового соединения. Указанные средства 37, 39 соединения с рамой двигателя могут быть также выполнены литыми или штампованными с последующей доводкой с помощью механической обработки до необходимой формы и/или работоспособности. Как третья кольцевая пластинчатая деталь 36, так и четвертая кольцевая пластинчатая деталь 38 имеют форму усеченного конуса.
Первая пластинчатая деталь 31 и четвертая пластинчатая деталь 3 8 отходят от противоположных сторон кольцевого центрального элемента 35 и имеют, в основном, одинаковый наклон. Вторая пластинчатая деталь 33 и третья пластинчатая деталь 36 отходят от противоположных сторон кольцевого центрального элемента 35 и имеют, в основном, одинаковый наклон. При такой конструкции минимизируются локальные концентрации крутящего момента. Таки образом, узел крепления подшипников имеет в поперечном сечении X-образную форму, в которой пластинчатые детали 31, 33, 36, 38 играют роль одной из ветвей X.
Кольцевой центральный элемент 35 содержит канал 40, входящий между указанными первой и второй пластинчатыми деталями 31, 33 и образующий сквозной проход на противоположную сторону кольцевого центрального элемента, выходящий между третьей и четвертой пластинчатыми деталями 36, 38. Наличие канала обеспечивает условия для организации связи с трубопроводами или магистралями, по которым можно, например, подавать воздух и/или масло к подшипникам 28, 29 или в обратном направлении.
Изобретение ни в коей мере не ограничивается приведенным выше вариантом выполнения, наоборот возможен целый ряд альтернатив и модификаций без выхода за рамки нижеследующей формулы изобретения.
Форма узла 30 крепления подшипников может отличаться от X-образной, показанной на фиг.2 и 3. Например, он может содержать только две пластинчатые детали, каждая из которых для крепления подшипника отходит от кольцевого центрального элемента в направлении вовнутрь по радиусу. Кольцевой центральный элемент в этом случае может быть скреплен непосредственно с рамой двигателя. В этом случае узел крепления подшипников имеет в поперечном сечении общую форму буквы V. Кроме того, в качестве альтернативы узел крепления подшипников в добавление к указанным двум проходящим по радиусу вовнутрь пластинчатым деталям может содержать третью пластинчатую деталь, проходящую по радиусу наружу от кольцевого центрального элемента. В этом случае третья пластинчатая деталь была бы скреплена с рамой двигателя. В соответствии с этим альтернативным вариантом узел крепления подшипников имеет в поперечном сечении общую форму буквы Y. Для специалиста в данной области техники, ознакомленного с концепцией настоящего изобретения, очевиден целый ряд альтернативных вариантов.
Указанные средства 32, 34 крепления двух подшипников 28, 29 могут иметь различные формы, и приведенный на фиг.2 и 3 вариант выполнения должен рассматриваться как пример, не определяющий рамок изобретения. Кроме того, указанные средства 37, 39 соединения узла крепления подшипников с рамой 22 двигателя могут иметь различные формы, и приведенный на фиг.2 и 3 вариант выполнения должен рассматриваться только как пример, не определяющий рамок изобретения.