ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных двигателей, турбокомпрессоров, турбодетандеров.
Известен газотурбинный двигатель, компрессор которого содержит корпус с размещенными в нем несколькими рядами направляющих лопаток, ротор, содержащий обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами рабочих лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку ротора с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники. Для уменьшения осевой силы к передней торцевой стенке ротора турбомашины из полости нагнетания компрессора подведен сжатый воздух. Чтобы уменьшить утечку воздуха из разгрузочной камеры, ее снабжают двумя уплотнениями, размещенными на периферии и у цапфы компрессора (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.2.14).
Недостатком известного устройства является необходимость установки уплотнений на наружной и внутренней поверхностях газовой камеры, через которые происходит утечка рабочего тела ГТД.
Известен также газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена втулка ротора, снабженного радиальным и осевым подшипниковыми узлами, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора (см. RU 2456482, МПК F04D 29/051; F01D 3/04, 2012 г.).
При использовании в транспортных газотурбинных двигателях (ГТД) подшипников с масляной смазкой необходима система смазки подшипников, что усложняет установку, увеличивает затраты на эксплуатацию, затрудняет запуск двигателей при низких температурах. Использование лепестковых газодинамических подшипников ограничено массой роторов до 10 кг.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности радиального и упорного подшипниковых узлов ГТД, повышение надежности их работы при высоких динамических нагрузках, уменьшение потерь на трение на всех режимах работы, исключение загрязнения рабочего тела турбомашины маслом, повышение механического КПД ГТД.
Результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального и упорного подшипникового узлов на всех режимах работы при уменьшении в них потерь на трение, надежном запуске ГТД при низких температурах, повышении его надежности работы при высоких динамических нагрузках, а также повышении механического КПД ГТД.
Поставленная задача решается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена втулка ротора, снабженного радиальным и осевым подшипниковыми узлами, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, отличающийся тем, что на цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета соосно с цилиндрической втулкой первая чашеобразная цапфа-пята первого магнитного подшипникового узла, ориентированная своим днищем к колесу турбины, при этом на участке ротора, прилегающем к колесу компрессора, непосредственно на вал надета соосно с ним, с упором в колесо компрессора и торец втулки ротора, вторая чашеобразная цапфа-пята второго магнитного подшипникового узла, ориентированная своим днищем к колесу компрессора, при этом магнитные узлы обеих чашеобразных цапф-пят содержат конструктивно одинаковые магнитные элементы, составляющие магнитные радиальные и упорные подшипники, для чего донные части выемок чашеобразных цапф-пят выполнены плоскими, а внешней и внутренней поверхностям их боковых стенок придана цилиндрическая форма, при этом на донных частях выемок чашеобразных цапф-пят жестко закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на внутренней поверхности боковых стенок чашеобразных цапф-пят жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита с одинаковыми внешним и внутренним диаметрами колец, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца намагничены в радиальном направлении, кроме того, кольцевые выступы первой и второй чашеобразных цапф-пят, охвачены кольцевыми выточками, выполненными в проставке, изготовленной из немагнитного материала, размещенной между корпусами турбины и компрессора, при этом поверхности кольцевых пазов проставки, обращенные к донным частям чашеобразных цапф-пят, выполнены плоскими и на них, напротив донных участков чашеобразных цапф-пят, содержащих магниты, жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита одинаковой высоты, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, причем число, размеры и направление намагниченности этих магнитных колец аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на донных частях выемок чашеобразных цапф-пят, кроме того, на цилиндрических поверхностях кольцевых выточек проставки, обращенных к внутренним поверхностям боковых стенок соответствующих чашеобразных цапф-пят, напротив участков боковых стенок чашеобразных цапф-пят, содержащих магниты, жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита с одинаковыми внешним и внутренним диаметрами колец, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием, причем число, размеры и направление намагниченности этих магнитных колец аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на внутренней поверхности боковых стенок соответствующих чашеобразных цапф-пят, кроме того, обращенные друг к другу поверхности постоянных магнитов обработаны с образованием, соответственно, плоской или цилиндрической поверхности высокой чистоты, с образованием рабочих зазоров, кроме того, по меньшей мере, магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C, при этом цилиндрические участки наружной поверхности чашеобразных цапф-пят снабжены бандажом, выполненным, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие, что «на цилиндрической втулке, со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета соосно с цилиндрической втулкой первая чашеобразная цапфа-пята первого магнитного подшипникового узла, ориентированная своим днищем к колесу турбины, при этом на участке ротора, прилегающем к колесу компрессора, непосредственно на вал надета соосно с ним, с упором в колесо компрессора и торец втулки ротора, вторая чашеобразная цапфа-пята второго магнитного подшипникового узла, ориентированная своим днищем к колесу компрессора», обеспечивают удержание вращающегося элемента по схеме двухопорной балки и равное загружение обоих подшипников.
Признаки, указывающие, что «магнитные узлы обеих чашеобразных цапф-пят содержат конструктивно одинаковые магнитные элементы, составляющие магнитные радиальные и упорные подшипники», обеспечивают создание радиальных и упорных магнитных подшипников, что позволяет цапфам-пятам магнитных подшипников достигать высоких окружных скоростей без их разрушения от действия центробежных сил, при этом одинаковость конструкции этих узлов упрощает их изготовление и эксплуатацию.
Признаки, указывающие, что «донные части выемок чашеобразных цапф-пят выполнены плоскими, а внешней и внутренней поверхностям их боковых стенок придана цилиндрическая форма», упрощают формирование составных кольцевых магнитов в пределах названных выемок
Признаки «…на донных частях выемок чашеобразных цапф-пят жестко закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием», обеспечивают формирование и усиление магнитного потока цапф радиальных и пят упорных магнитных подшипников и направление его основной части в зону рабочих зазоров радиальных и упорных магнитных подшипников для получения значительных магнитных сил отталкивания, то есть создающих наибольшую несущую способность и жесткость подшипников,
Признаки, указывающие, что, «на внутренней поверхности боковых стенок чашеобразных цапф-пят жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита с одинаковыми внешним и внутренним диаметрами колец, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием», обеспечивают формирование и усиление магнитного потока цапф радиальных магнитных подшипников и направление его основной части в зону рабочих зазоров радиальных и упорных магнитных подшипников для получения значительных магнитных сил отталкивания, а также обеспечивают формирование рабочих зазоров с поверхностью вкладыша и подпятника.
Признаки, указывающие, что «кольцевые выступы первой и второй чашеобразных цапф-пят, охвачены кольцевыми выточками, выполненными в проставке, изготовленной из немагнитного материала, размещенной между корпусами турбины и компрессора», обеспечивают возможность формирования составного магнита, который будет взаимодействовать с составным магнитом, сформированным на боковых стенках чашеобразных цапф-пят, обеспечивающих «работу» радиального подшипника.
Признаки «…поверхности кольцевых пазов проставки, обращенные к донным частям чашеобразных цапф-пят, выполнены плоскими и на них, напротив донных участков чашеобразных цапф-пят, содержащих магниты, жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита одинаковой высоты, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с осевым намагничиванием, причем число, размеры и направление намагниченности этих магнитных колец аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на донных частях выемок чашеобразных цапф-пят…» обеспечивают возможность формирования составного магнита, который будет взаимодействовать с составным магнитом, сформированным на донных частях выемок чашеобразных цапф-пят, обеспечивающих «работу» осевого упорного подшипника.
Признаки, указывающие, что «на цилиндрических поверхностях кольцевых выточек проставки, обращенных к внутренним поверхностям боковых стенок соответствующих чашеобразных цапф-пят, напротив участков боковых стенок чашеобразных цапф-пят, содержащих магниты, жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита с одинаковыми внешним и внутренним диаметрами колец, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием, причем число, размеры и направление намагниченности этих магнитных колец аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на внутренней поверхности боковых стенок соответствующих чашеобразных цапф-пят», обеспечивают появления радиальных сил отталкивания («работу радиального подшипника
Признаки «…обращенные друг к другу поверхности постоянных магнитов обработаны с образованием соответственно плоской или цилиндрической поверхности высокой чистоты, с образованием рабочих зазоров…» обеспечивают формирование рабочих зазоров с поверхностью цапфы и пяты и способствуют уменьшению трения о воздух цапф магнитных подшипников.
Признак, указывающий, что «по меньшей мере, магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С», предотвращает размагничивание постоянных магнитов от действия высоких температур со стороны турбины и тем самым обеспечивает работоспособность магнитных подшипников во всем рабочем диапазоне температур.
Признак, указывающий, что «цилиндрические участки наружной поверхности чашеобразных цапф-пят снабжены бандажом, выполненным, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами», повышает прочность цапфы, уменьшает деформации зазора радиальных магнитных подшипников.
На фиг.1 показан продольный разрез ГТД, а на фиг.2 - поперечный разрезы по радиально-осевым магнитным подшипникам.
На чертежах показаны проставка 1 корпуса ГТД, вал 2, рабочее колесо турбины 3, цилиндрическая втулка 4, колесо центробежного компрессора 5, каркас 6, цапфа-пята 7 первого магнитного подшипникового узла, цапфа-пята 8 второго магнитного подшипникового узла, кольцевые постоянные магниты 9, 10 и 11, 12, кольцевые коаксиальные постоянные магниты 13, 14 и 15, 16, кольцевые выступы 17, 18, кольцевые выточки 19, 20, кольцевые пазы 21, 22, радиальные зазоры 23, 24, осевые зазоры 25, 26, бандажи 27, 28, балансировочная шайба 29 и гайка 30.
Корпус газотурбинного двигателя содержит проставку 1, размещенную между корпусами турбины 3 и центробежного компрессора 5. В цилиндрической полости проставки 1 установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью. Ротор ГТД включает вал 2, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины 3, (например, сваркой трением), на который насажена цилиндрическая втулка 4 ротора, выполненного с возможностью его газодинамического поддержания, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора 5. Цилиндрическая втулка 4 выполнена из немагнитного материала, например, жаропрочного алюминиевого сплава типа АК4-1, (предназначен для изготовления деталей реактивного двигателя) подвергнутая микродуговому оксидированию с последующей шлифовкой для получения высокой твердости и высокой чистоты поверхности и снабжена силовым каркасом 6.
На цилиндрической втулке 4 со стороны, прилегающей к колесу турбины 3, соосно с цилиндрической втулкой 4 размещена первая чашеобразная цапфа-пята 7 радиально-упорного магнитного подшипника, жестко скрепленная с цилиндрической втулкой 4, например, сваркой, ориентированная своим выступом 17 к колесу компрессора 5, на наружную поверхность которой надет бандаж 27 из высокопрочного материала, выполненный, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами. На участке ротора, прилегающем к колесу центробежного компрессора 5, непосредственно на вал 2 соосно с ним, вплотную к торцу втулки 4 насажена цапфа-пята 8 второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом 18 к колесу турбины 3, на наружную поверхность которой также надет бандаж 28 из высокопрочного материала. Далее на вал 2 вплотную к торцам соответствующих поверхностей насажены следующие детали: колесо центробежного компрессора 5, балансировочная шайба 29 и гайка 30.
Магнитные узлы обеих чашеобразных цапф-пят 7 и 8 содержат конструктивно одинаковые магнитные элементы, составляющие магнитные радиальные и упорные подшипники. Для этого донные части выемок чашеобразных цапф-пят 7, 8 выполнены плоскими, а внешней и внутренней поверхностям их боковых стенок придана цилиндрическая форма, при этом на донных частях выемок чашеобразных цапф-пят 7, 8 жестко закреплены составные кольцевые постоянные магниты 9, 10 и 11, 12 одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием. На внутренней поверхности боковых стенок чашеобразных цапф-пят 7, 8 жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита 13, 14 и 15, 16 с одинаковыми внешним и внутренним диаметрами колец, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца намагничены в радиальном направлении. Кольцевые выступы 17, 18 первой 7 и второй 8 чашеобразных цапф-пят соответственно охвачены кольцевыми выточками 19, 20, выполненными в проставке 1. Симметрично с двух сторон в кольцевых выточках 19, 20 проставки 1 размещены радиальные магнитные подшипники. Поверхности кольцевых пазов 21, 22 проставки 1, обращенные к донным частям чашеобразных цапф-пят 7, 8, выполнены плоскими. Симметрично с двух сторон в кольцевых пазах 21, 22 проставки 1 размещены упорные магнитные подшипники.
Каждый радиальный магнитный подшипник включает в себя два кольцевых постоянных магнита 9, 10 и 11, 12, обращенных друг к другу с зазором 23 и 24 неэкранированными поверхностями, один из которых вклеен в кольцевую выточку 19 и 20 проставки 1, а другой - во внутреннюю поверхность боковых стенок цапфы-пяты 7 и 8. Каждый постоянный магнит 9, 10 и 11, 12, включает, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные намагничены радиально и навстречу к обращенным к ним неэкранированными поверхностями постоянным магнитам, то есть магниты намагничены по схеме Хальбаха.
Каждый упорный магнитный подшипник содержит цапфу-пяту 7 и 8, на донной части которой закреплен кольцевой коаксиальный постоянный магнит 14 и 16, обращенный с зазором 25 и 26 к неэкранированному от него кольцевому коаксиальному постоянному магниту 13 и 15, закрепленному в кольцевом пазу 21 и 22 проставки 1.
Магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины 3, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C,
Изготавливают и собирают радиальный магнитный подшипник следующим образом, В кольцевую проточку 19 и 20 проставки 1 вклеивают предварительно изготовленные радиально и по оси ротора намагниченные кольцевые постоянные магниты 9 и 11. На цапфу-пяту 7 и 8 наматывают углеволокно и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. На внутреннюю поверхность боковых стенок цапф-пят 7 и 8 устанавливают на клей предварительно изготовленные радиально и по оси ротора намагниченные кольцевые постоянные магниты 10 и 12.
Упорный магнитный подшипник собирают в следующем порядке. Предварительно изготавливают, радиально и по оси ротора намагничивают кольцевые коаксиальные постоянные магниты 13, 14 и 15, 16. Их вклеивают в кольцевые пазы 21, 22 в проставке 1 и в донные части выемок цапфы-пяты 7, 8. Ротор подвергают динамической балансировке.
Отбалансированный ротор разбирают по балансировочным меткам. В проставку 1 вставляют ротор, без съемных деталей. Закрепляют в проставке 1 ГТД теплозащитный экран, состоящий из двух половин, насаживают на вал 2 цапфу-пяту 8, уплотнение цетробежного компрессора 5, и фиксируют, например, винтами. Далее насаживают колесо цетробежного компрессора 5, балансировочную шайбу 29 и затягивают гайку 30 необходимым моментом. Остальные детали собирают согласно технологии сборки ГТД.
Радиально-упорный подшипниковый узел работает следующим образом. Радиальные составляющие магнитных сил действуют отталкивающим образом между постоянными магнитами 9 и 10, а также между 11 и 12.
Магнитные части предлагаемого радиального подшипникового узла автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению цапфы 7, 8 от соосного положения относительно точки подвижного равновесия цапфы в подшипниковом узле и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).
Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. Осевая составляющая магнитных сил действует отталкивающим образом между постоянными магнитами 13 и 14, а также между 15 и 16, зафиксированными в пяте 7, 8 и в проставке 1. При двусторонней симметричной конструкции осевого подшипникового узла магнитные составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты 7 и 8 от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).