ОПОРА РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в конструкциях опор роторов высокооборотных газотурбинных двигателей.
Одной из основных проблем эксплуатации газотурбинных двигателей является резонанс их роторов при критических частотах вращения. Для решения этой проблемы обычно осуществляют отстройку роторов, при проведении которой смещают критические частоты вращения, т.е. выводят их из рабочего диапазона эксплуатации двигателей.
Изменение критических частот вращения роторов, при которых они теряют устойчивость, может быть осуществлено за счет изменения конструкции их вращающихся элементов, приводящей к изменению массовых, геометрических, жесткостных характеристик валов роторов (см. Биргер И.А и др. «Расчет на прочность деталей машин», М. «Машиностроение», 1979. -431 с.). Однако внесение конструктивных изменений в двигатели весьма затруднительно и практически не может быть осуществлено на эксплуатирующихся двигателях.
Гораздо более простым направлением управления критическими частотами является изменение жесткостей опор (см. Биргер И.А и др. «Расчет на прочность деталей машин», М. «Машиностроение», 1979. -433 с.). Однако управление критическими частотами эффективно может быть реализовано для одной критической частоты, а при эксплуатации двигателя таких частот в его рабочем диапазоне бывает, как правило, несколько.
Обычно наиболее низкая критическая частота вращения роторов связана со скалочной формой колебаний, когда ротор совершает колебания без деформирования вала, а только за счет упругости опоры. Эта критическая частота, как правило, лежит ниже рабочего диапазона, но она обязательно присуща ротору, например, в момент запуска двигателя.
Для безопасной работы двигателя данная частота должна быть как можно ниже, так как кинетическая энергия ротора в этом случае минимальна и последствия преодоления этой частоты будут минимальны. Этого можно добиться за счет уменьшения жесткости опоры.
На более высоких оборотах ротора наблюдается изгибная форма колебаний ротора, которая представляет большую опасность для безопасности двигателя и желательно ее вывести из зоны рабочих частот двигателя. Это можно добиться за счет увеличения жесткости опоры.
Известна упругодемпферная опора турбомашины, содержащая подшипник, статорный элемент и закрепленную на наружном кольце подшипника обечайку, соединенную со статорным элементом посредством упругого демпфирующего элемента - разрезной втулки и образующую с ним демпфирующую полость. Статорный элемент и обечайка выполнены с уступами и установлены относительно друг друга с возможностью контактирования по их коническим посадочным поверхностям. Разрезная втулка [выполнена с прорезями, наклонными относительно продольной оси опоры (см. патент РФ №2303143, кл. F01D 25/16, 2007 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известной опоры необходимо отметить, что ее конструкция позволяет путем изменения осевой нагрузки регулировать податливость опоры непосредственно в процессе работы роторной машины, тем самым, изменяя амплитудно-частотную характеристику ротора, что обеспечивает работу ротора на некритических частотах его вращения, что снижает вибрации роторной машины, а также позволяет уменьшить осевые габариты опоры.
Однако в процессе работы авиационного газотурбинного двигателя осевая нагрузка меняется не только при изменении оборотов ротора, но и при изменении режимов полета (например, высоты и скорости). В этом случае изменение жесткости однозначно не связано с частотой вращения ротора, что снижает эффективность регулирования работы ротора на некритических частотах.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности работы и срока службы двигателя за счет обеспечения регулирования жесткости опоры его ротора в зависимости от частоты вращения ротора, что позволяет избежать резонансных колебаний на всех режимах эксплуатации двигателя.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в опоре ротора газотурбинного двигателя, содержащей корпус, имеющий возможность связи со статором двигателя, на котором одним кольцом смонтирован подшипник качения и вал ротора, установленный на другом кольце подшипника, а также упругий элемент. Новизна заключается в том, что упругий элемент размещен между кольцом подшипника и валом ротора и предназначен для изменения жесткости опоры в зависимости от частоты вращения вала ротора, при этом, упругий элемент выполнен в виде втулки с центральным и двумя торцевыми поясками на ее образующей, причем центральный поясок образован радиальными относительно наружной и внутренней образующей поверхностей выступами, а торцевые пояски образованы выступами или по наружной образующей втулки при вращении внешнего кольца или по внутренней при вращении внутреннего кольца подшипника, при этом, максимальный радиус торцевых выступов больше максимального радиуса центрального пояска, а на образующей втулки между центральным и торцевыми поясками выполнены пазы.
По наружным поверхностям торцевых поясков выполнены радиальные пазы. На центральном пояске выполнены радиальные пазы.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- Фиг.1 - опора ротора, радиальный разрез;
- Фиг.2 - сечение А-А по фиг.1;
- Фиг.3 - упругий элемент опоры;
- Фиг.4 - сечение В-В по фиг.3;
- Фиг.5 - вид А по фиг.3;
- Фиг.6 - сечение Б-Б по фиг.5;
- Фиг.7 - опора ротора, радиальный разрез;
- Фиг.8 - сечение А-А по фиг.8;
- Фиг.9 - упругий элемент опоры;
- Фиг.10 - вид А по фиг.10;
- Фиг.11 - сечение Б-Б по фиг.10.
Опора ротора газотурбинного двигателя, связывающая вал ротора со статором посредством подшипника качения содержит корпус подшипника, связанный силовыми элементами с корпусом двигателя.
Опора также содержит стандартный упругодемпферный элемент (не показан), размещенный между корпусом подшипника и силовыми элементами. Выполнение данного элемента не является предметом патентной охраны и поэтому он в материалах заявки не раскрыт. Данные элементы известны из уровня техники (см., например, Скубачевский Г.С. «Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей». - М.: Машиностроение, 1981. - С.379).
В зависимости от исполнения газо- турбинного двигателя вал ротора может быть смонтирован на внешнем кольце подшипника, а внутреннее кольцо - на корпусе подшипника или вал ротора смонтирован на внутреннем кольце подшипника, а внешнее кольцо - на корпусе подшипника.
Ниже будет раскрыта конструкция и описана работа опор двух приведенных выше исполнений.
Опора ротора газотурбинного двигателя (фиг.1, фиг.2 - исполнение 1) содержит связанный со статором двигателя корпус 1 подшипника, на котором внутренним кольцом 2 посажен подшипник, имеющий тела качения 3. На наружном кольце 4 подшипника установлен упругий элемент 5, обеспечивающий регулирование жесткости опоры в зависимости от частоты вращения вала 6 ротора.
Элемент 5 (фиг.3-фиг.6) представляет собой упругую втулку, в средней части образующей которой выполнен центральный поясок 7, образованный радиальными выступами как относительно наружной, так и относительно внутренней образующих поверхностей втулки. По торцам втулки выполнены торцевые пояски 8 и 9, образованные выступами относительно наружной образующей поверхности втулки.
По образующей поверхности элемента 5 между центральным пояском 7 и торцевыми поясками 8 и 9 равномерно выполнены прорези, формирующие перемычки 10 (Фиг.5). По наружным торцевым поверхностям поясков 8 и 9 могут быть выполнены радиальные пазы 11 (Фиг.5). На наружной поверхности центрального пояска с двух его сторон, предпочтительно напротив друг друга могут быть выполнены пазы 12 (Фиг.5).
1
2
Максимальный радиус (R) выступа пояска 7, однонаправленного с выступами торцевых поясков, меньше чем максимальные радиусы (R) торцевых поясков 8 и 9.
Размеры поясков 7, 8, 9, перемычек 10, а также радиальных пазов 11 и 12 определяют жесткостные параметры элемента 5, а именно радиальные перемещения центрального и торцевых поясков под действием центробежных сил и посадку центрального пояска на вал ротора, а также жесткость элемента 5 до посадки центрального пояска на вал ротора под действием радиальных нагрузок от ротора.
Монтаж опоры осуществляют следующим образом.
Необходимо отметить, что двигатель содержит статорные элементы, в которые входят корпус двигателя, соединенный силовыми элементами с корпусом подшипника, между которыми размещен штатный упругодемпферный элемент.
На корпус 1 подшипника, с установленным на нем внутренним кольцом 2 вместе с роликами 3, как правило, в вертикальном положении монтируют (устанавливают) вал 6 ротора. На вал установлен с натягом элемент 5 и внешнее кольцо 4 подшипника (Фиг.2). Монтаж вала 6 ротора на корпус 1 реализуется за счет люфта подшипника (зазор между внутренним и внешним кольцом при наличии роликов), который может быть увеличен при предварительном нагреве вала 6, элемента 5 и наружного кольца 4 подшипника.
2
1
В собранной неработающей опоре с валом 6 контактируют торцевые пояски 8 и 9 элемента 5, а однонаправленный с ними выступ центрального пояска 7 имеет с поверхностью ротора зазор (Δ), определяемый разностью значений максимальных радиусов (Δ=R-R). Противоположно направленный выступ центрального пояска 7 имеет минимальный радиус меньший по сравнению с радиусом внутренней образующей 5 на величину δ, которая должна быть достаточной, чтобы при деформировании втулки в процессе ее вращения в эксплуатации всегда реализовывался контакт центрального пояска 7 с наружным кольцом 4 подшипника. При этом при толщине торцевых поясков h, толщина центрального пояска будет составлять h+δ-Δ.
Фиксация элемента 5 и наружного кольца подшипника в осевом направлении производится стопорными кольцами (не показаны), установленными на валу 6, а внутреннего кольца подшипника - стопорными кольцами, установленными на корпусе 1 или гайкой (не показана), навинченной на корпусе 1.
Опора ротора газотурбинного двигателя функционирует следующим образом.
При работе опоры в процессе вращения вала ротора 6 податливость (обратная величина жесткости) опоры при малых частотах вращения складывается из податливости штатного упругодемпферного элемента и податливости упругого элемента 5.
1
2
Учитывая, что выступ пояска 7 со стороны контакта его с валом 6 имеет меньший радиус (R) по сравнению с радиусами (R) выступов 8 и 9, он в начальный момент времени, например, при раскручивании ротора, не касается вала 6. Радиальная нагрузка от вала 6 передается на торцевые пояски 8 и 9 элемента 5, а воспринимается выступом центрального пояска 7 со стороны наружного кольца 4 подшипника и через подшипник передается на корпус 1.
При приложении радиальной нагрузки на торцевые пояски 8 и 9 и при ограничении перемещений центрального пояска происходит упругое деформирование (изгиб) элемента 5 в поперечном направлении и, тем самым, реализуется его податливость. Так как на втулке выполнены прорези, то на изгиб работают только перемычки 10 (Фиг.5), обеспечивая необходимую податливость элемента 5 (режимы работы ротора, при которых втулка работает как упругий элемент, приведены в примере расчета).
При увеличении частоты вращения ротора за счет центробежных сил центральный 7 и торцевые 8 и 9 пояски перемещаются в радиальном направлении. Так как на поясках выполнены радиальные пазы, то величины их перемещения определяется размерами каждого пояска и выполненных на нем пазов.
При определенной частоте вращения произойдет посадка пояска 7 (Фиг.4) на вал 6 (Фиг.2) и нагрузка от вала ротора на корпус 1 подшипника будет передаваться через центральный поясок и жесткость элемента 5 становится практически бесконечной, а жесткость опоры в этом случае будет определяться жесткостью только штатного стандартного упругодемпферного элемента.
Ширина пазов и центрального пояска 7 выбираются исходя из условия превышения радиального перемещения центрального пояска над перемещениями торцевых поясков на величину первоначального зазора центрального пояска с валом ротора Δ.
Реализацию работы опоры ротора газотурбинного двигателя данного исполнения рассмотрим на примере опоры с роликовым подшипником радиальным типоразмера 40х62х12 при максимальной частоте вращения его внешнего кольца 45000 об/мин.
Параметры элемента 5 (фиг.5) составили: ширина втулки - 30 мм; толщина торцевых поясков - h=3 мм; ширина торцевых и центрального поясков - 4 и 10 мм; толщина (радиальная) и ширина (окружная) перемычек - 2 и 3 мм при шаге перемычек 45°; пазы на торцевых поясках радиусом 1 мм, а ширина (окружная) и глубина (осевая) на центральном пояске -2 и 4 мм при шаге 15°. Высота центрального пояска при параметре δ=0.2 мм составила 3.2 - Δ. Толщина вала 6 ротора принята 6 мм.
Анализ работы опоры производился посредством программного комплекса «ANSYS».
При зазоре между центральным пояском элемента 5 и валом 6, равным Δ=7 мкм, посадка центрального пояска на внутреннюю поверхность вала и изменение жесткости опоры происходило при частоте вращения вала n=53% от максимальной частоты вращения, когда перемещение центрального пояска упругого элемента - 20.1 мкм превысит перемещение вала 12.5 мкм от центробежных сил и первоначальный зазор Δ.
Жесткость элемента 5, работающего в податливом режиме, была определена в программном комплексе "ANSYS". Прикладывая через вал 6 к элементу 5 силу F=100 H при ограничении перемещения наружного кольца подшипника на секторе, охватывающим три ролика (остальные ролики не прижаты из-за люфта в подшипнике) и, определяя радиальное перемещение вала в этом же направлении ΔL=2.49 мкм, жесткость втулки составила
.
где F - радиальная сила, прикладываемая к элементу 5; ΔL - перемещение вала 6 по направлению приложения силы.
ш
о
*
7
*
7
При жесткости штатного упругодемпферного элемента опоры С=4.010 H/м, результирующая жесткость опоры при частоте вращения ротора до 53% от максимальной частоты ротора, составила C=2.010 H/м.
.
о
в
ш
где С - жесткость опоры совместно с элементом 5; С - жесткость элемента 5; С - жесткость штатного упругодемпферного элемента опоры.
В опоре ротора газотурбинного двигателя (фиг.7 - исполнение 2) корпус подшипника обозначен позицией 13, а вал ротора - позицией 14.
Вал 14 ротора смонтирован на внутреннем кольце 2 подшипника, между которыми установлен упругий элемент 5. Внешнее кольцо подшипника 4 смонтировано на статорном элементе - корпусе 13 подшипника.
Элемент 5 (фиг.8 - фиг.11) данного исполнения представляет собой упругую втулку, в средней части, образующей которой выполнен центральный поясок 7, образованный радиальными выступами как относительно наружной, так и относительно внутренней образующих поверхностей втулки. По торцам втулки выполнены торцевые пояски 8 и 9, образованные выступами относительно внутренней образующей поверхности втулки.
По образующей поверхности элемента 5 между центральным пояском 7 и торцевыми поясками 8 и 9 равномерно выполнены прорези, формирующие перемычки 10. (Фиг.10).
По наружным торцевым поверхностям поясков 8 и 9 могут быть выполнены радиальные пазы 11 (Фиг.10). На наружной поверхности центрального пояска с двух его сторон, предпочтительно напротив друг друга могут быть выполнены пазы (на Фиг.10 не показаны).
5
4
5
4
5
4
При неподвижном роторе минимальный радиус R выступа пояска 7 (фиг.11) больше, чем минимальные радиусы R торцевых поясков 8 и 9 однонаправленных с данным выступом и центральный поясок имеет зазор (Δ) с валом (Δ=R-R) и он в начальный момент вращения ротора не касается вала 14, так как R>R.
В процессе работы опоры радиальная нагрузка от вращающегося вала 14 передается на торцевые пояски 8 и 9 элемента 5, а воспринимается выступом центрального пояска 7 со стороны внутреннего кольца 2 подшипника, и через подшипник - корпусом 13.
При приложении радиальной нагрузки на торцевые пояски 8 и 9 и при ограничении перемещений центрального пояска происходит упругое деформирование (изгиб) элемента 5 в поперечном направлении и, тем самым, реализуется его податливость. Так как на втулке выполнены прорези, то на изгиб работают только перемычки 10 (Фиг.10), обеспечивая необходимую податливость элемента 5.
При вращении элемента 5 за счет центробежных сил центральный 7 и торцевые 8 и 9 пояски будут перемещаться в радиальном направлении. При этом за счет пазов только на торцевых поясках или большей их величины чем на центральном пояске радиальное перемещение торцевых поясков будет превышать радиальные перемещения центрального пояска.
5
4
Изменение жесткости элемента 5 произойдет при контакте выступа центрального пояска 7 с ротором 14, когда зазор Δ=R-R станет равен нулю и жесткость упругого элемента в данном случае неограниченно возрастает, а жесткость опоры будет определяться жесткостью штатного упругодемпферного элемента опоры.
Реализацию работы опоры данного исполнения рассмотрим на примере опоры с роликовым подшипником радиальным типоразмера 40х62х12 при максимальной частоте вращения внутреннего кольца 45000 об/мин.
Параметры элемента 5 (фиг.11) составили: длина - 30 мм; толщина торцевых поясков - h=3 мм; длина (по оси) торцевых и центрального поясков - 5 и 4 мм; толщина (радиальная) и ширина (окружная) перемычек - 2 и 3 мм при шаге перемычек 45°; глубина и ширина пазов 3 и 2 мм при шаге пазов - 15°. Высота центрального пояска при параметре δ=0.2 мм составила 3.2-Δ. Толщина вала 14 ротора принята 3 мм.
Расчет радиальных перемещений втулки и вала производился в программном комплексе «ANSYS».
При наличии зазора между центральным пояском элемента 5 и валом 14 (Δ=10 мкм) посадка центрального пояска на вал и изменение жесткости опоры происходит при частоте вращения вала n=65.8% от максимальной частоты вращения, когда перемещение торцевых поясков 14.4 мкм превысит перемещение центрального пояска 3.8 мкм и первоначальный зазор Δ.
в
Жесткость упругого элемента 5 была определена в программном комплексе "ANSYS", прикладыванием к валу 14 силы F=100 H при ограничении перемещения внутреннего кольца подшипника на секторе охватывающим три ролика (остальные ролики не прижаты из-за люфта в подшипнике) и определяя радиальное перемещение вала в этом же направлении ΔL=1.9 мкм. В этом случае жесткость элемента 5 С составила
,
где F - радиальная сила, прикладываемая к втулке; ΔL - перемещение вала по направлению приложения силы.
Ш
о
7
7
При жесткости штатного упруго-демпферного элемента опоры С=5.3*10 Н/м, результирующая жесткость опоры при частоте вращения ротора до 65.8% от максимальной частоты ротора составит С=2.65*10 Н/м.
,
О
в
ш
где С- жесткость опоры совместно с упругим элементом 5; С - жесткость упругого элемента 5; С- жесткость штатного упругодемпферного элемента опоры.
Применение в конструкции опоры упругого элемента, изменяющего свою жесткость при вращении внешнего или внутреннего колец подшипника, позволяет более эффективно регулировать критические частоты вращения роторов и выводить их из рабочего диапазона частот, что повышает надежность работы двигателя, его безопасность и срок эксплуатации.