ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DOUBLE-FLOW TURBINE JET ENGINE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и может быть использовано в опорах роторов осевых вентиляторов авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей с целью минимизации вторичных повреждений конструкции двигателя при обрыве лопатки ротора его вентилятора.
Обрыв лопаток лопаточных машин может быть связан с воздействием случайных эксплуатационных факторов. Уровень и характер повреждения лопаточной машины определяется размерами и количеством фрагментов, уровнем их кинетической энергии. Вторичные повреждения конструкции двигателя могут приводить к более тяжелым последствиям, чем непосредственно разрушение проточной части самой лопаточной машины. Большие неуравновешенные силы ротора вентилятора, возникающие после обрыва его лопатки и действующие со стороны ротора вентилятора на корпус двигателя, создают повышенные динамические нагрузки в узлах его подвески в мотогондоле летательного аппарата. Можно выделить три фазы процесса:
- собственно момент обрыва лопатки с разрушением части корпусных элементов конструкции и контактом лопаток ротора вентилятора с корпусом его статора,
- выбег ротора после выключения подачи топлива в камеру сгорания со снижением его частоты вращения до авторотации,
- режим авторотации.
Одним из элементов конструкции двигателя, предотвращающим значительные разрушения в случае обрыва лопатки вентилятора является специальное устройство, вводимое в конструкцию опор его ротора. В иностранной литературе применяется термин «Load Reduction Device (LRD)», а в отечественной используется термин «Слабое Звено». Современные двигатели с большой степенью двухконтурности, имеющие лопатки вентилятора большой размерности со значительной массой, оснащаются такими устройствами. В связи с применением высоконапорных вентиляторов с так называемыми "широкохордными лопатками" со значительной массой потребность в этих специальных устройствах может возникать и для двигателей с относительно небольшой степенью двухконтурности.
Известен турбореактивный двигатель, вал ротора вентилятора которого поддерживается опорой с двумя подшипниками. Первый подшипник поддерживается деталью опоры, образующей оболочку вокруг вала, ориентированную назад по ходу от первого подшипника и прикрепленную к неподвижной конструкции двигателя. Второй подшипник поддерживается деталью опоры, которая также прикреплена к неподвижной конструкции двигателя. Деталь опоры первого подшипника прикреплена к неподвижной конструкции двигателя так называемыми «срезными винтами» с ослабленным проточкой участком цилиндрического стержня, по которому происходит их разрушение под действием повышенных прикладываемых нагрузок (Патент FR №2752024, МПК F16C 13/02, F16B 31/00, F01D 25/16, опубликован 06.02.1998 г.).
Неуравновешенные силы ротора вентилятора, возникающие после обрыва его лопатки и действующие со стороны ротора вентилятора на неподвижную конструкцию двигателя, создают повышенные динамические нагрузки на срезные винты, которые ломаются, отсоединяя деталь опоры первого подшипника от неподвижной конструкции двигателя. После отсоединения детали опоры первого подшипника от неподвижной конструкции двигателя ротор вентилятора произвольно смещается и продолжает вращаться. При этом нарушается герметичность масляной полости первого и второго подшипников, что может привести к повышенной пожароопасности и является недостатком.
Наиболее близким предлагаемому техническому решению является турбореактивный двигатель с ротором вентилятора, составляющим одно целое с ведущим валом, поддерживаемым первым и вторым подшипниками, содержащий статор и ротор вентилятора с валом, поддерживаемым первым и вторым подшипниками, а также удерживающий диск на валу вентилятора, взаимодействующий с ограничительным диском статора для образования аварийного подшипника, удерживающего ротор вентилятора в осевом направлении. (Патент РФ №2386050, МПК F02K 3/04, опубликован 10.04.2010 г.).
В случае разрушения срезных винтов опоры («Слабого звена») крепления корпуса первого подшипника от воздействия больших неуравновешенных сил ротора вентилятора, вызванных обрывом его лопатки, под действием осевого усилия происходит смещение ротора навстречу потоку воздуха, поступающему в вентилятор, до динамического контакта удерживающего диска на валу вентилятора с ограничительным диском его статора в зоне второго подшипника с образованием аварийного подшипника. При этом нарушается герметичность масляной полости первого и второго подшипников, а радиальное усилие с ротора вентилятора может передаваться на его статор путем произвольного динамического контакта с ним торцев лопаток ротора. Это может привести к повышенной пожароопасности и является недостатком известного двигателя.
Предлагаемое изобретение направлено на минимизацию вторичных повреждений конструкции двигателя при обрыве лопатки ротора его вентилятора путем создания конструкции опоры вентилятора со «Слабым Звеном», исключающей смещение ротора в осевом направлении и обеспечивающей возможность смещения корпуса первого подшипника его опоры в радиальном направлении без нарушения герметичности масляной полости.
При создании данного изобретения решается задача расширения арсенала технических средств - опор ротора вентилятора турбореактивного двигателя с устройством «Слабое Звено», предотвращающим значительные разрушения в случае обрыва лопатки ротора вентилятора.
Поставленная задача решается тем, что в двухконтурном турбореактивном двигателе, содержащем ротор вентилятора с валом, поддерживаемым первым радиально-упорным шариковым и вторым радиальным роликовым подшипниками, установленными в соответствующих корпусах, закрепленных на промежуточном корпусе двигателя, корпус первого подшипника снабжен фланцем, который зафиксирован в расточке промежуточного корпуса в осевом направлении прижимным фланцем, а в радиальном направлении - срезными штифтами с обеспечением радиального зазора между наружной цилиндрической поверхностью фланца корпуса первого подшипника и внутренней цилиндрической поверхностью расточки, при этом оси срезных штифтов ориентированы параллельно оси вращения ротора вентилятора, а фланец корпуса первого подшипника и расточка промежуточного корпуса уплотнены между собой упругим кольцом.
На фиг. 1 показан двухконтурный турбореактивный двигатель с опорой вентилятора; на фиг. 2 - опора вентилятора с первым и вторым подшипниками (вид А на фиг. 1); на фиг. 3 - соединение корпуса первого подшипника с промежуточным корпусом двухконтурного турбореактивного двигателя (вид Б на фиг. 3).
Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит статор 1, закрепленный на промежуточном корпусе двигателя 2, и ротор вентилятора 3 с валом 4. Ротор вентилятора 3 поддерживается первым радиально-упорным шариковым подшипником 5 с корпусом 6 и вторым радиальным роликовым подшипником 7 с корпусом 8 с обеспечением регламентированных радиальных зазоров между торцами лопаток ротора 3 и статора 1 вентилятора, а корпусы подшипников 6 и 8 закреплены на промежуточном корпусе 2. Опора вентилятора имеет масляную полость 9. Корпус 6 первого подшипника 5 снабжен фланцем 10, который зафиксирован в расточке 11 промежуточного корпуса в осевом направлении с помощью прижимного фланца 12, закрепленного винтами 13 в промежуточном корпусе 2. В радиальном направлении фланец 10 зафиксирован в расточке 11 срезными штифтами 14 («Слабое Звено») с обеспечением радиального зазора 15 между наружной цилиндрической поверхностью фланца 10 корпуса первого подшипника и внутренней цилиндрической поверхностью расточки 11. Фланец 10 центрируют с помощью штифтов 14 с обеспечением плотности стыков по поверхностям 16, при этом оси штифтов 14 и винтов 13 параллельны оси вращения ротора вентилятора 3. Уплотнение масляной полости 9 опоры по сопрягаемым поверхностям фланца 10 корпуса 6 первого подшипника 5 с промежуточным корпусом 2 осуществляют упругим кольцом 17.
При изготовлении ротора вентилятора 3 с валом 4 выполняют его динамическую балансировку на подшипниках 5 и 7 с целью минимизации динамических нагрузок на подшипники при штатной его работе в составе двухконтурного турбореактивного двигателя. При сборке двухконтурного турбореактивного двигателя выполняют контроль соосности посадочных мест под подшипники 5 и 7 в их корпусах 6 и 8, закрепленных на промежуточном корпусе 2. Таким образом, обеспечивают совмещение центра масс ротора вентилятора 3 и вала 4 с осью его вращения в составе вентилятора двигателя и расчетный уровень осевого и радиальных усилий на подшипники 5 и 7 при штатной работе двухконтурного турбореактивного двигателя.
В случае обрыва лопатки ротора вентилятора 3 в результате воздействия случайных эксплуатационных факторов, которыми являются полетные режимы с максимальной скоростью потока воздуха, поступающего в вентилятор и максимальной частотой вращения его ротора, происходит следующее:
- оборвавшаяся лопатка оказывает динамическое силовое воздействие на статор вентилятора 1, усилие со статора 1 через промежуточный корпус 2 двухконтурного турбореактивного двигателя передается на узлы его подвески в мотогондоле летательного аппарата (не показаны),
- ротор вентилятора 3 без рабочей лопатки становится динамически неуравновешенным, так как центр его масс не совпадает с осью вращения его вала 4 в подшипниках 5 и 7; лопатки вращающегося ротора вентилятора 3 вступают в контакт со статором 1 и при этом частично разрушаются;
- усилия, действующие на подшипники 5 и 7 резко и значительно возрастают, что ведет к динамическому нагружению их корпусов 6 и 8, а также мест их крепления на промежуточном корпусе 2 - в первую очередь корпуса 6 первого радиально-упорного шарикового подшипника 5, фланец 10 которого закреплен в промежуточном корпусе 2 винтами 13 с помощью прижимного фланца 12 и штифтов 14 расточке 11;
- под действием динамического радиального усилия происходит срезание штифтов 14 по плоскостям поверхностей 16, что обеспечивает возможность смещения корпуса 6 с подшипником 5 в радиальном направлении на величину зазора 15 и тем самым значительно снижает величину радиального усилия от подшипника 5, передающегося через промежуточный корпус 2 двигателя на узлы его подвески;
- осевое усилие при этом постоянно воспринимается прижимным фланцем 12, закрепленным винтами крепления 13 в промежуточном корпусе, и, соответственно, передается через промежуточный корпус 2 двигателя на узлы его подвески,
- при этом герметичность масляной полости 9 опоры обеспечивает упругое кольцо 17, посредством которого уплотнены фланец 10 корпуса первого подшипника и расточка 11 промежуточного корпуса;
- после выключения подачи топлива в камеру сгорания двигателя происходит снижение частоты вращения ротора вентилятора до режима авторотации.
Таким образом, предлагаемая конструкции опоры ротора вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя исключает смещение ротора в осевом направлении и обеспечивает возможность смещения первого радиально-упорного шарикового подшипника его опоры в радиальном направлении без нарушения герметичности масляной полости, что минимизирует значительные разрушения конструкции двигателя при обрыве лопатки ротора его вентилятора.