ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения.
Известен газотурбинный двигатель высокой степени двухконтурности, вал ротора низкого давления в котором установлен на двух подшипниках: радиально-упорном в вентиляторе и радиальном за турбиной низкого давления. (С.А. Вьюнов, «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1981 г., стр. 7, рис. 1.2).
Недостатком известной конструкции являются большие прогибы длинного вала ротора низкого давления, что снижает надежность двигателя.
Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель, в котором ротор вентилятора установлен на двух подшипниках: радиально-упорном шариковом, расположенном за рабочим колесом вентилятора и радиальном роликовом, расположенном под силовым разделительным корпусом. (Патент US 6708482, МПК: F01D 5/06, 25/16).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является возможность раскрутки ротора низкого давления в случае обрыва вала вентилятора, что может привести к нелокализованному разрушению газотурбинного двигателя.
В связи с тем, что основные нагрузки от осевых и радиальных сил приходятся на шарикоподшипник, последний выполняется с увеличенным диаметром, а вал вентилятора - увеличивающимся по диаметру от роликоподшипника к шарикоподшипнику. В случае обрыва вала вентилятора между двумя этими подшипниками, ротор низкого давления под действием газовых сил двигается в сторону выхода из двигателя, при этом ролики подшипника начинают контактировать с увеличенной по диаметру частью вала, и движение ротора в осевом направлении прекращается, что приводит к раскрутке ротора низкого давления, так как рабочие лопатки турбины низкого давления не контактируют своими кромками с сопловыми лопатками и не тормозят, таким образом, ротор турбины низкого давления от раскрутки. Т.е. в этом случае радиальный роликовый подшипник кратковременно работает как упорный подшипник, но этого времени достаточно для раскрутки ротора турбины низкого давления до оборотов, которые приводят к разрушению дисков турбины.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении надежности газотурбинного двигателя путем обеспечения торможения ротора низкого давления в случае обрыва вала вентилятора.
Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинном двигателе конусный вал вентилятора установлен на переднем радиально-упорном шариковом подшипнике и заднем радиальном роликовом и соединен с турбиной низкого давления, при этом со стороны вентилятора перед внутренним кольцом роликового подшипника установлена втулка, торцом наружного цилиндрического участка примыкающая к внутреннему кольцу подшипника, а радиальным ребром - к радиальному торцу увеличенного по наружному диаметру участка вала вентилятора, при этом отношение D/d=0,9…1, а L/l=1,5…4, где:
D - наружный диаметр внутреннего кольца роликоподшипника вентилятора,
d - наружный диаметр цилиндрического участка упорной втулки,
L - осевая длина цилиндрического участка упорной втулки,
l - осевое расстояние между выходными кромками рабочих и входными кромками сопловых лопаток турбины низкого давления.
Установка между внутренним кольцом роликоподшипника и увеличенным по наружному диаметру участком вала вентилятора втулки с радиальным ребром и с цилиндрическим участком, наружная поверхность которого выполнена с диаметром, не превышающим наружного диаметра внутреннего кольца роликоподшипника, позволяет перемещаться валу вентилятора в осевом направлении до взаимного касания рабочих и сопловых лопаток турбины низкого давления, что приводит к торможению ротора турбины.
При D/d<0,9 - снижается надежность газотурбинного двигателя из-за уменьшения прочности втулки.
При D/d>1 - снижается надежность газотурбинного двигателя из-за упора втулки в ролики подшипника, раскрутки и нелокализованной поломки ротора турбины низкого давления.
Длина цилиндрического участка упорной втулки выбирается из условия обеспечения касания выходными кромками рабочих лопаток турбины низкого давления входных кромок сопловых лопаток с последующим взаимным износом. При этом учитывается прогиб сопловых лопаток под действием газовых сил, а также изменение осевых зазоров между рабочими и сопловыми лопатками из-за термических деформаций статора и ротора низкого давления газотурбинного двигателя.
При L/l<1,5 - возможна раскрутка ротора низкого давления в случае обрыва вала вентилятора из-за упора втулки радиальным ребром в ролики подшипника.
При L/l>4 - увеличивается вес двигателя.
На фиг. 1 - изображен продольный разрез газотурбинного двигателя.
На фиг. 2 - элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде.
На фиг. 3 - элемент II на фиг. 2 в увеличенном виде.
На фиг. 4 - элемент III на фиг. 1 в увеличенном виде.
Газотурбинный двигатель 1 состоит из вентилятора 2 и компрессора низкого давления 3, компрессора высокого давления 4, камеры сгорания 5, турбины высокого давления 6 и турбины низкого давления 7, соединенной валом 8 с валом 9 ротора 10 вентилятора 2. Вал 9 ротора 10 вентилятора 2 установлен на переднем шариковом радиально-упорном подшипнике 11 и на заднем роликовом радиальном подшипнике 12, который в связи с минимальной нагрузкой на него, а также для размещения деталей центрального привода 13, выполнен малоразмерным. Между внутренним кольцом 14 подшипника 12 и увеличенным по наружному диаметру участком 15 вала 9 вентилятора 2 установлена втулка 16, цилиндрическим своим участком 17 длиной L по наружной поверхности 18 примыкающая к внутреннему кольцу 14, а радиальным ребром 19 - к радиальному торцу 20 участка 15 вала 9.
Турбина низкого давления 7 выполнена с рабочими 21 и сопловыми 22 лопатками, с осевыми зазорами I между выходными кромками 23 рабочих лопаток 21 и входными кромками 24 сопловых лопаток 22. Рабочие лопатки 21 установлены в роторе 25 турбины 7, а сопловые лопатки 22 установлены в статоре 26 турбины 7.
Работает устройство следующим образом.
При работе газотурбинного двигателя 1, в случае поломки вала 9 вентилятора 2, внутреннее кольцо 14 роликоподшипника 12 вместе с частью вала и втулкой 16 под действием газовых сил на ротор турбины 7 сдвигаются в осевом направлении в сторону турбины низкого давления 7, при этом втулка 16 своей цилиндрической частью 17 беспрепятственно проходит под телами качения подшипника 12, а рабочие лопатки 21 турбины 7 своими выходными кромками 23 контактируют с входными кромками 24 сопловых лопаток 22, за счет трения и взаимного износа которых поглощается энергия ротора 25 турбины 7, что предотвращает катастрофическую нелокализованную поломку этой турбины.