ВНУТРЕННЯЯ ОБОЙМА РОЛИКОПОДШИПНИКА ТУРБОМАШИНЫ, РОЛИКОПОДШИПНИК ТУРБОМАШИНЫ И ЦАПФА ВАЛА, УСТАНОВЛЕННАЯ В ДАННОМ РОЛИКОПОДШИПНИКЕ
INTERNAL RACE OF TURBOMACHINE ROLLER BEARING, TURBOMACHINE ROLLER BEARING AND SHAFT JOURNAL INSTALLED IN THIS ROLLER BEARING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области роликоподшипников турбомашин, и более конкретно охватывает роликоподшипник, в котором установлена цапфа турбины высокого давления, вращающаяся относительно неподвижного основания, прикрепленного к корпусу турбомашины.
Уровень техники
Известны различные варианты выполнения шарикоподшипников и роликоподшипников, используемых для установки цапф различных валов в турбомашине, вращающихся относительно неподвижного основания или корпуса (см., например, US 4456425, 26.06.1984, F01D 15/12 и US 4804288, 14.02.1989, F16D 1/00).
При этом, как правило, цапфа вала ступени высокого давления турбомашины, вращающаяся относительно неподвижного основания, прикрепленного к корпусу, устанавливается в роликоподшипнике. Подобный роликоподшипник, его внутренняя обойма и взаимодействующая с роликоподшипником цапфа вала ступени высокого давления турбомашины, описанные в US 5288210, 22.02.1994, F01D 5/30 (см. фиг.2 и 3), могут быть выбраны в качестве ближайших аналогов предлагаемых изобретений.
Техническое решение, конструктивно аналогичное раскрытому в US 5288210, будет далее подробно описано со ссылками на фиг.6. Как показано на этом чертеже, ступень высокого давления турбомашины содержит, в частности, диск 100 турбины высокого давления, на котором вокруг продольной оси Х-Х турбомашины установлены рабочие (подвижные) лопатки (не представлены). Вал 102, образующий цапфу основного вала ступени высокого давления турбомашины (называемую далее цапфой турбины высокого давления), прикреплен к диску 100 турбины высокого давления при помощи болтового соединения 104. Цапфа 102 турбины высокого давления, вращающаяся относительно неподвижного основания 106, соединенного с корпусом турбомашины, установлена в роликоподшипнике 108.
Роликоподшипник 108 состоит из роликов 110, расположенных между внешней обоймой 112, находящейся со стороны неподвижного основания 106, и внутренней обоймой 114, находящейся со стороны цапфы 102 турбины высокого давления. Внешняя обойма 112 и внутренняя обойма 114 образуют дорожки качения роликов 110.
Внешняя обойма 112 подшипника 108 прикреплена непосредственно к неподвижному основанию 106. Внутренняя же обойма 114 установлена на внешней поверхности цапфы 102 турбины высокого давления вблизи ее заднего (относительно направления течения газов в турбомашине) конца. Зажимная гайка, расположенная за внутренней обоймой 114, позволяет обеспечить аксиальную фиксацию внутренней обоймы на цапфе 102 турбины высокого давления.
Такая конструкция роликоподшипника обладает многочисленными недостатками. В частности, использование внутренней обоймы, отдельной и независимой от цапфы турбины высокого давления, увеличивает радиальные размеры роликоподшипника и массу конструкции. Кроме того, наличие зажимной гайки, расположенной за внутренней обоймой и необходимой для фиксации внутренней обоймы, приводит к увеличению аксиальных размеров конструкции.
Для устранения этих недостатков предлагалось объединить внутреннюю обойму подшипника непосредственно с цапфой высокого давления. Такое решение также обладает некоторыми недостатками. С одной стороны, в случае поломки роликоподшипника оказывается необходимой замена всей цапфы турбины высокого давления, что приводит к увеличению затрат. С другой стороны, соединение между внутренней обоймой и цапфой высокого давления, выполняемое методом биметаллической сварки, представляет технические сложности.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в ослаблении отмеченных недостатков за счет создания компактного роликоподшипника, обладающего минимальной массой и простого в обслуживании.
Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается роликоподшипник турбомашины, в котором с возможностью вращения относительно неподвижного основания, соединенного с корпусом турбомашины, установлен вал, образованный цапфой основного вала ступени высокого давления турбомашины. Роликоподшипник по изобретению содержит ролики, находящиеся между внешней обоймой, расположенной со стороны неподвижного основания, и внутренней обоймой, расположенной со стороны цапфы турбины высокого давления. Роликоподшипник характеризуется тем, что внутренняя обойма выступает в аксиальном направлении за задний конец цапфы турбины высокого давления, к которой она прикреплена при помощи зажимных элементов. При этом внутренняя обойма дополнительно снабжена средствами, предотвращающими ее проворачивание относительно цапфы турбины высокого давления.
Изобретение относится также к внутренней обойме, определяющей дорожки качения описанного роликоподшипника, т.е. роликоподшипника, в котором установлена цапфа основного вала ступени высокого давления турбомашины. Таким образом, внутренняя обойма по изобретению, расположенная со стороны указанной цапфы, характеризуется тем, что выступает в аксиальном направлении за задний конец цапфы, к которой она прикреплена при помощи зажимных элементов. Данная обойма дополнительно снабжена средствами, предотвращающими ее проворачивание относительно цапфы.
В такой конфигурации, поскольку внутренняя обойма подшипника не установлена непосредственно на цапфе высокого давления, аксиальные и радиальные размеры подшипника могут быть уменьшены. Кроме того, поскольку внутренняя обойма является деталью, независимой от цапфы турбины высокого давления, в случае поломки подшипника не возникает необходимости замены всей цапфы. Таким образом, операция по обслуживанию подшипника упрощается.
Внутренняя обойма может быть расположена внутри цапфы турбины высокого давления.
В этом случае внутренняя обойма может содержать, по меньшей мере, одну выемку, взаимодействующую с, по меньшей мере, одним выступом, предусмотренным на заднем конце цапфы турбины высокого давления, исключая тем самым проворачивание внутренней обоймы относительно цапфы турбины высокого давления.
Внутренняя обойма также может содержать шлицы, предусмотренные на ее переднем краю и взаимодействующие с соответствующими им шлицами цапфы турбины высокого давления, исключая тем самым проворачивание внутренней обоймы относительно цапфы турбины высокого давления.
В одном из альтернативных вариантов внутренняя обойма может быть, по меньшей мере, частично расположена вне цапфы турбины высокого давления. В этом случае подшипник может содержать, по меньшей мере, один штифт, вставляемый радиально в отверстия, предусмотренные во внутренней обойме и в цапфе высокого давления, исключая тем самым проворачивание внутренней обоймы относительно цапфы турбины высокого давления.
В соответствии с другим вариантом осуществления внутренняя обойма может быть расположена в продолжение цапфы турбины высокого давления. В этом случае внутренняя обойма может содержать зубья предпочтительно трапецеидальной формы, предусмотренные на ее переднем краю и входящие в аксиальном направлении в промежутки между соответствующими им зубьями, предусмотренными на заднем конце цапфы турбины высокого давления. Тем самым исключается проворачивание внутренней обоймы относительно цапфы турбины высокого давления.
Фиксация внутренней обоймы относительно цапфы турбины высокого давления может быть обеспечена при помощи зажимной гайки.
Кроме того, настоящее изобретение охватывает цапфу основного вала ступени высокого давления, установленную с возможностью вращения относительно неподвижного основания, соединенного с корпусом турбомашины, в роликоподшипнике, соответствующем роликоподшипнику по любому из п.п.1-12 формулы изобретения, т.е. в роликоподшипнике, внутренняя обойма которого выступает в аксиальном направлении за задний конец цапфы и прикреплена к ней при помощи зажимных элементов.
Краткое описание чертежей
Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют не вносящий ограничений пример осуществления изобретения. На чертежах:
- на фиг.1 в аксиальном разрезе изображена часть ступени высокого давления турбомашины, оборудованного роликоподшипником по одному из вариантов осуществления изобретения;
- на фиг.2-4 в аксиальном разрезе изображены роликоподшипники по другим вариантам осуществления изобретения;
- на фиг.5 представлен частичный вид в направлении, обозначенном стрелкой V на фиг.4;
- на фиг.6 изображен роликоподшипник, соответствующий уровню техники.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображена в аксиальном разрезе часть ступени высокого давления турбомашины.
Ступень высокого давления турбомашины с продольной осью Х-Х содержит, в частности, турбину высокого давления, содержащую рабочие (подвижные) лопатки (не представлены), через которые проходят горячие газы, поступающие из камеры сгорания (не представлена). Эти лопатки установлены на диске 2 турбины высокого давления, через центр которого проходит ось Х-Х.
Диск 2 турбины высокого давления приводит во вращательное движение вал 4, представляющий собой цапфу основного вала ступени высокого давления турбомашины.
Цапфа 4 турбины высокого давления состоит из, по существу, радиальной части 4а, прикрепленной к диску 2 турбины высокого давления при помощи болтового соединения 6, и части 4b, направленной аксиально к задней относительно направления движения газов стороне диска 2.
В соответствии с изобретением цапфа 4 турбины высокого давления, вращающаяся относительно неподвижного основания 8, прикрепленного к корпусу турбомашины, установлена относительно него посредством роликоподшипника 10. С учетом радиальных нагрузок турбомашины в качестве такого подшипника обычно используют роликоподшипник качения.
В соответствии с конструкцией, известной как таковая, роликоподшипник 10 состоит из роликов 12, расположенных между внешней обоймой 14, расположенной со стороны неподвижного основания 8, и внутренней обоймой 16, расположенной со стороны цапфы 4 турбины высокого давления. Таким образом, внешняя обойма 14 и внутренняя обойма 16 определяют дорожки качения роликов 12.
Внешнюю обойму 14 обычно прикрепляют непосредственно к неподвижному основанию 8, соединенному с корпусом турбомашины.
К неподвижному основанию 8 также прикреплен масляный инжектор 18, расположенный за роликоподшипником 10. Этот инжектор обеспечивает подачу масла в масляный картер 20, в котором находится роликоподшипник 10. Масло, находящееся в этом картере, предназначено, в частности, для смазки и охлаждения роликов 12 роликоподшипника 10.
С этой целью внутренняя обойма 16 роликоподшипника 10 снабжена отверстиями 22, обеспечивающими поступление масла к роликам 12 для их смазки и охлаждения под воздействием центробежной силы, вызванной вращением цапфы 4 турбины высокого давления вокруг оси Х-Х.
В соответствии с изобретением внутренняя обойма 16 роликоподшипника 10 выступает в аксиальном направлении за задний конец цапфы 4 турбины высокого давления, к которой она прикреплена при помощи зажимных элементов. Внутренняя обойма 16 дополнительно оборудована средствами, позволяющими предотвратить ее проворачивание относительно цапфы 4 турбины высокого давления.
Таким образом, расположение внутренней обоймы 16 за задним концом цапфы 4 турбины высокого давления позволяет уменьшить радиальную высоту, необходимую для установки дорожек качения роликов 12, вследствие чего уменьшаются и радиальные размеры роликоподшипника 10.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, проиллюстрированным фиг.1, внутренняя обойма 16 роликоподшипника 10 расположена внутри цапфы 4 турбины высокого давления.
Точнее, внутренняя обойма 16, выполненная отдельно от цапфы 4 турбины высокого давления, начинается в аксиальном направлении от переднего края аксиальной части 4b цапфы турбины высокого давления и выступает за задний край этой аксиальной части.
Внутренняя обойма 16 дополнительно содержит, по меньшей мере, одну выемку 24, взаимодействующую с, по меньшей мере, одним выступом 26, предусмотренным на заднем конце цапфы 4 турбины высокого давления, для предотвращения проворачивания внутренней обоймы относительно цапфы 4 турбины высокого давления.
Точнее, выемка или выемки 24 предусмотрена (предусмотрены) на радиальном выступе 16а внутренней обоймы 16.
Для обеспечения крепления внутренней обоймы 16 на цапфе 4 турбины высокого давления предусмотрена зажимная (фиксирующая) гайка 28, навинчиваемая на передний край внутренней обоймы. С этой целью передний край внутренней обоймы 16 несколько выступает в аксиальном направлении за передний край аксиальной части 4b цапфы 4 турбины высокого давления.
Гайка 28, навинчиваемая на передний край внутренней обоймы 16, упирается в передний край аксиальной части 4b цапфы 4 турбины высокого давления и таким образом исключает любое аксиальное смещение внутренней обоймы 16 относительно цапфы 4 турбины высокого давления.
Гайка 28 расположена перед роликоподшипником 10 в отличие от известных роликоподшипников, в которых зажимная гайка обычно расположена за роликоподшипником. Благодаря этому может быть достигнуто уменьшение аксиальных размеров масляного картера 20, расположенного за роликоподшипником 10.
Следует отметить, что в соответствии с данным вариантом осуществления изобретения внутренняя обойма 16 и цапфа 4 турбины высокого давления снабжены несколькими отверстиями соответственно 30 и 32, обеспечивающими возможность прохождения вентилирующего воздуха из воздушной полости 34, предусмотренной перед масляным картером 20, наружу. Разумеется, эти отверстия 30, 32 взаимно согласованы в радиальном направлении.
Далее, со ссылками на фиг.2-5, следует описание других вариантов осуществления изобретения.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, проиллюстрированным фиг.2, внутренняя обойма 16 роликоподшипника 10, выполненная отдельно от цапфы 4 турбины высокого давления, также расположена внутри последней.
Этот вариант осуществления изобретения отличается от предыдущего средствами блокировки проворачивания и зажимными (фиксирующими) средствами.
Проворачивание внутренней обоймы 16 относительно цапфы 4 турбины высокого давления предотвращается при помощи шлицов 36, предусмотренных на внешней поверхности переднего края внутренней обоймы и взаимодействующих с соответствующими им шлицами 38, предусмотренными на внутренней поверхности переднего края аксиальной части 4b цапфы турбины высокого давления.
Крепление внутренней обоймы 16 на цапфе 4 турбины высокого давления обеспечивается при помощи гайки 40, которая затягивается на внутренней обойме в районе заднего конца цапфы 4 турбины высокого давления, а точнее, упирается в задний край ее аксиальной части 4b.
Для обеспечения осевой фиксации внутренней обоймы 16 относительно цапфы турбины высокого давления может быть предусмотрено байонетное соединение. В такой конструкции зажимная гайка 40 имеет выемку 41, в которую входит радиальный выступ, предусмотренный на заднем конце цапфы турбины высокого давления.
Таким образом, зажимная гайка 40 устанавливается перед роликоподшипником 10, что также позволяет уменьшить аксиальные размеры подшипника.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, проиллюстрированным фиг.3, внутренняя обойма 16 роликоподшипника 10, по меньшей мере, частично, находится снаружи цапфы 4 турбины высокого давления.
Точнее, внутренняя обойма 16, независимая от цапфы 4 турбины высокого давления, имеет переднюю часть, расположенную снаружи аксиальной части 4b цапфы турбины высокого давления и переходящую в заднюю часть, которая расположена за пределами этой аксиальной части.
Внутренняя обойма 16 снабжена, по меньшей мере, одним штифтом 42, который вставляется в радиальном направлении в отверстия соответственно 44 и 46, предусмотренные во внутренней обойме 16 и в цапфе 4 турбины высокого давления, для предотвращения проворачивания внутренней обоймы относительно цапфы турбины высокого давления.
Отверстия 44, 46 могут, например, быть предусмотрены вблизи заднего края аксиальной части 4b цапфы 4 турбины высокого давления.
В соответствии с данным вариантом осуществления изобретения роликоподшипник 10 содержит также дополнительное кольцо 48, расположенное внутри цапфы 4 турбины высокого давления.
Это дополнительное кольцо 48 начинается в аксиальном направлении от переднего края аксиальной части 4b цапфы 4 турбины высокого давления и продолжается до заднего края внутренней обоймы 16.
Задний край дополнительного кольца 48 снабжен радиальным выступом 50, который должен упираться в аксиальном направлении в задний край внутренней обоймы 16.
Кроме того, предусмотрена зажимная (фиксирующая) гайка 52, установленная с возможностью затягивания на переднем краю дополнительного кольца 48 для обеспечения фиксации внутренней обоймы 16 относительно цапфы 4 турбины высокого давления.
С этой целью передний край дополнительного кольца 48 несколько выступает в аксиальном направлении за передний край аксиальной части 4b цапфы 4 турбины высокого давления.
Как и в варианте осуществления изобретения, описанном со ссылками на фиг.1, при затягивании гайки 52 на переднем краю дополнительного кольца 48 оно упирается в передний край аксиальной части 4b цапфы 4 турбины высокого давления и предотвращает любое аксиальное смещение внутренней обоймы 16 относительно цапфы 4 турбины высокого давления.
Гайка 52 расположена перед роликоподшипником 10, что позволяет уменьшить аксиальные размеры подшипника.
Следует отметить, что для обеспечения эффективного вывода вентилирующего воздуха из воздушной полости дополнительное кольцо 48 также должно быть снабжено отверстиями 54, согласованными в радиальном направлении с отверстиями 30, 32, предусмотренными соответственно во внутренней обойме 16 и в цапфе 4 турбины высокого давления.
По сравнению с предыдущими вариантами осуществления изобретения роликоподшипник, описанный со ссылками на фиг.3, обладает тем преимуществом, что используемая в нем внутренняя обойма более проста в изготовлении.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, проиллюстрированным фиг.4 и 5, внутренняя обойма 16 роликоподшипника 10, выполненная отдельно от цапфы 4 турбины высокого давления, расположена так, что она продолжает последнюю, в частности продолжает ее аксиальную часть 4b.
Для предотвращения проворачивания внутренней обоймы 16 относительно цапфы 4 турбины высокого давления она содержит зубья 56, расположенные на ее переднем краю.
Эти зубья 56 входят в аксиальном направлении в промежутки между соответствующими им зубьями 58, предусмотренными на заднем краю цапфы турбины высокого давления, а точнее на заднем краю ее аксиальной части 4b.
Фиксация внутренней обоймы 16 относительно цапфы 4 турбины высокого давления обеспечивается при помощи зажимной гайки 60, которую затягивают на переднем краю внутренней обоймы 16.
Точнее, гайка 60 расположена внутри цапфы 4 турбины высокого давления и внутренней обоймы 16, причем ее резьба расположена на ее внешней поверхности.
На переднем краю гайки 60 предусмотрен радиальный выступ 62. При затягивании гайки 60 на внутренней обойме 16 выступ 62 упирается в соответствующий ему радиальный выступ 64 цапфы 4 турбины высокого давления, чтобы исключить любое аксиальное смещение внутренней обоймы относительно цапфы 4 турбины высокого давления.
Расположение зажимной гайки 60 перед роликоподшипником 10 позволяет уменьшить аксиальные размеры подшипника.

Как показано на фиг.5, зубья 56, 58 внутренней обоймы 16 и цапфы 4 турбины высокого давления предпочтительно образуют соединение типа Curvic.

Соединение типа Curvic отличается тем, что движение передается при помощи аксиальных сопрягающихся деталей, имеющих трапециевидные зубья. Как хорошо видно из фиг.5, зубья 56, 58 имеют трапецеидальную форму.
Использование соединения этого типа особенно выгодно, потому что оно допускает циркуляцию воздуха через зубья 56, 58. В данном приложении это позволяет обеспечить циркуляцию через данное соединение вентилирующего воздуха, поступающего из воздушной полости. Кроме того, необходимо, чтобы зажимная гайка 60 имела отверстия 66, согласованные в радиальном направлении с зубьями 56, 58 соединения.
Другое преимущество соединения этого типа заключается в том, что оно облегчает центрирование внутренней обоймы 16 относительно цапфы 4 турбины высокого давления при сборке роликоподшипника 10.