Система опор ротора вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно к системам опор ротора вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя.
Разрушение рабочей лопатки вентилятора, либо ротора вентилятора может вызывать серьезные проблемы при эксплуатации турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД). В их числе разрушение элементов подвески и отделение двигателя от летательного аппарата (ЛА), возникновение неконтролируемого пожара, передача чрезмерных усилий на элементы силовой схемы ЛА. Для решения этих проблем разработаны конструкторско-технологические решения, направленные на совершенствование силовой схемы вентилятора двигателя путем введения «слабых звеньев» в его опоры. При срабатывании «слабых звеньев» меняется конфигурация и жесткость опор, что позволяет предотвратить опасные последствия.
Известна система опор ротора вентилятора газотурбинной установки, включающая несущую раму, выполненную в виде кольцевой опоры с фланцем, установленные на раме подшипниковые опоры, предназначенные для установки вала ротора, причем передняя опора выполнена в виде радиально-упорного шарикоподшипника, а задняя опора выполнена в виде роликового подшипника, включающего внешнее кольцо, связанное с кольцевой опорой и внутреннее кольцо, связанное с валом вентилятора, и фиксаторы, выполненные с возможностью разрушения при заданном уровне нагрузки (RU 2689258, 2019).
В известном техническом решении фиксаторы выполнены в виде разрывных винтов, при помощи которых внешнее кольцо роликового подшипника связано с внутренним фланцем кольцевой опоры, а наружный фланец кольцевой опоры связан со статором. Фиксаторы разрушаются, когда на них действуют усилия, превышающие заранее определенный порог, например, при потере лопатки вентилятора.
Известна система опор ротора вентилятора газотурбинного двигателя, включающая несущую раму с установленными на ней подшипниковыми опорами, предназначенными для установки вала ротора, кинематически связанного с вентилятором и компрессором низкого давления, содержащим диск со ступицей, причем передняя опора выполнена в виде радиально-упорного шарикоподшипника, связанного с несущей рамой при помощи опорного конуса, а задняя опора выполнена в виде установленного на валу ротора роликового подшипника и опорного рычага, один конец которого связан с роликовым подшипником, а другой конец связан с несущей рамой, и фиксатор, выполненный с возможностью разрушения при заданном уровне нагрузки (US 6240719, 2001).
В известном техническом решении опорный конус выполнен из двух частей, одна из которых связана с шарикоподшипником передней опоры, а другая часть связана с несущей рамой. При этом фиксатор выполнен в виде предохранителя, установленного между частями опорного конуса. Опорный конус предназначен для удержания вала ротора как в осевом, так и в радиальном направлении. В данном случае система опор работает аналогично с указанным выше техническим решением. Фиксатор разрушаются при потере лопатки вентилятора.
При этом в известных технических решениях не предусмотрено средств удержания части ротора, связанной с вентилятором, от вылета по направлению полета, который возможен при разрушении вала после разрушения фиксаторов.
Наиболее близкой по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является система опор ротора вентилятора турбореактивного двигателя, включающая несущую раму с установленными на ней подшипниковыми опорами, предназначенными для установки вала ротора, кинематически связанного с вентилятором и компрессором низкого давления, содержащим диск со ступицей, причем передняя опора выполнена в виде роликового подшипника, размещенного в конической оболочке, связанной с несущей рамой, а задняя опора выполнена в виде радиально-упорного шарикоподшипника, включающего внешнее кольцо, установленное в соответствующем корпусе, содержащем фланец, связанный с соответствующей опорной поверхностью несущей рамы при помощи фиксаторов, и внутреннее кольцо, установленное в коническом корпусе, связанном при помощи фиксаторов с монтажным кольцом, закрепленным на валу ротора, причем фиксаторы выполнены с возможностью разрушения при заданном уровне нагрузки (US 6491497, 2002).
В известном техническом решении коническая оболочка роликового подшипника передней опоры функционально предназначена для удержания вала ротора в радиальном направлении. Внутреннее кольцо радиально-упорного шарикоподшипника размещено в соответствующем корпусе, который связан с монтажным кольцом, причем контактные поверхности корпуса и монтажного кольца выполнены сферическими, а фиксаторы выполнены в виде пружинных элементов, предназначенных для соединения корпуса подшипника с монтажным кольцом, предотвращения их взаимного поворота и контроля осевой нагрузки на монтажное колесо.
При обрыве лопатки вентилятора в результате дисбаланса возникают значительные по величине радиальные силы, приводящие к разрушению оболочки роликового подшипника передней опоры как фиксатора последней. Вал ротора удерживается за счет радиально-упорного шарикоподшипника. Радиальные силы приводят к возникновению изгибающего момента, действующего на радиально-упорный шарикоподшипник задней опоры. Происходит разрушение фиксаторов и поворот вала ротора относительно сферической поверхности корпуса шарикоподшипника таким образом, что его центр тяжести приближается к оси вращения, что позволяет уменьшить изгибающие напряжения вала ротора и динамические нагрузки на несущую раму. При разрушении вала ротора в сечении, лежащем между передней и задней опорами возникает возможность свободного перемещения части вала, связанной с вентилятором в осевом направлении, что приводит к возможности вылета части вала ротора в направлении полета. Часть вала, связанная с турбиной, удерживается радиально-упорным шарикоподшипником задней опоры от осевого смещения, что может привести к значительному увеличению частоты вращения (раскрутке) части вала и разрушению дисков турбины.
Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений является низкий уровень надежности системы опор в процессе эксплуатации двигателя.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении работоспособности системы опор в процессе эксплуатации турбореактивного двухконтурного двигателя при разрушении лопатки вентилятора или вала ротора.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в повышении надежности системы опор ротора вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя в процессе его эксплуатации.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что система опор ротора вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя включает несущую раму с установленными на ней подшипниковыми опорами, предназначенными для установки вала ротора, кинематически связанного с вентилятором и компрессором низкого давления, содержащим диск со ступицей, причем передняя опора выполнена в виде роликового подшипника, размещенного в конической оболочке, связанной с несущей рамой, а задняя опора выполнена в виде радиально-упорного шарикоподшипника, включающего внешнее кольцо, установленное в соответствующем корпусе, содержащем фланец, связанный с соответствующей опорной поверхностью несущей рамы при помощи фиксаторов, и внутреннее кольцо, установленное в коническом корпусе, связанном при помощи фиксаторов с монтажным кольцом, закрепленным на валу ротора, причем фиксаторы выполнены с возможностью разрушения при заданном уровне нагрузки, при этом коническая оболочка роликового подшипника связана с несущей рамой при помощи фиксаторов, фланец корпуса внешнего кольца радиально-упорного шарикоподшипника расположен перед соответствующей опорной поверхностью несущей рамы по направлению полета, а система опор снабжена устройством осевого удержания и дополнительного центрирования вала ротора, выполненным в виде Z-образных скоб, установленных осесимметрично с определенным зазором между ступицей диска компрессора низкого давления и средними полками скоб, один из параллельных фланцев каждой скобы направлен в сторону компрессора низкого давления, а противоположно направленный параллельный фланец каждой скобы жестко связан с несущей рамой.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно:
несущая рама может быть выполнена в виде кольцевого разделительного корпуса с фланцем, причем фланец корпуса внешнего кольца радиально-упорного шарикоподшипника расположен перед фланцем кольцевого разделительного корпуса по направлению полета и связан с ним при помощи фиксаторов;
несущая рама может представлять собой внешнюю часть, выполненную в виде кольцевого разделительного корпуса с фланцем, и внутреннюю часть, выполненную в виде конической оболочки с наружным и внутренним кольцевыми фланцами, причем наружный кольцевой фланец конической оболочки внутренней части несущей рамы жестко связан с фланцем кольцевого разделительного корпуса несущей рамы, а внутренний кольцевой фланец связан с фланцем корпуса внешнего кольца радиально-упорного шарикоподшипника при помощи фиксаторов, наружный и внутренний кольцевые фланцы конической оболочки внутренней части несущей рамы расположены за соответствующими фланцами кольцевого разделительного корпуса несущей рамы и корпуса внешнего кольца радиально-упорного шарикоподшипника по направлению полета, а коническая оболочка роликового подшипника связана с внутренней частью несущей рамы при помощи фиксаторов;
фиксаторы могут быть выполнены в виде болтов.
Существенность отличительных признаков полезной модели подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая полезную модель, позволяет повысить надежность системы опор ротора вентилятора в процессе эксплуатации ТРДД за счет предотвращения вылета части вала ротора (осевого удержания), связанной с вентилятором по направлению полета, обеспечения возможности осевого смещения части вала ротора, связанной с турбиной в направлении, противоположном направлению полета, при разрушении вала ротора и обеспечения дополнительного центрирования вала ротора при разрушении лопатки вентилятора.
Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием системы опор ротора вентилятора ТРДД и ее работы со ссылками на фигуры 1-3, где
на фиг. 1 представлена схема выполнения системы опор с несущей рамой, выполненной в виде кольцевого разделительного корпуса с фланцем;
на фиг. 2 представлена Z-образная скоба;
на фиг. 3 представлена схема выполнения системы опор с несущей рамой, выполненной из двух частей.
Система опор ротора вентилятора ТРДД включает несущую раму с установленными на ней подшипниковыми опорами, предназначенными для установки вала 1 ротора, кинематически связанного с вентилятором (на чертеже не показан) и компрессором 2 низкого давления, содержащим лопатки 3 и диск со ступицей 4 (см. фиг. 1, 3). Передняя опора выполнена в виде роликового подшипника 5, размещенного в конической оболочке 6, связанной с несущей рамой, а задняя опора выполнена в виде радиально-упорного шарикоподшипника 7, включающего внешнее кольцо 8, установленное в соответствующем корпусе 9, содержащем фланец 10, связанный с соответствующей опорной поверхностью несущей рамы при помощи фиксаторов 11, и внутреннее кольцо 12, установленное в коническом корпусе 13, связанном при помощи фиксаторов 14 с монтажным кольцом 15, закрепленным на валу 1 ротора. Коническая оболочка 6 роликового подшипника 5 связана с несущей рамой при помощи фиксаторов 16. Фиксаторы 11, 14 и 16 выполнены с возможностью разрушения при заданном уровне нагрузки. Фланец 10 корпуса 9 внешнего кольца 8 радиально-упорного шарикоподшипника 7 расположен перед соответствующей опорной поверхностью несущей рамы по направлению полета.
Фиксаторы 11, 14 и 16 могут быть выполнены в виде болтов.
Система опор снабжена устройством осевого удержания и дополнительного центрирования вала 1 ротора, выполненным в виде Z-образных скоб 17, установленных осесимметрично с определенным зазором между ступицей 4 диска компрессора 2 низкого давления и средними полками 18 скоб 17 (см. фиг. 1-3). При этом один из параллельных фланцев 19 каждой скобы 17 направлен в сторону компрессора 2 низкого давления, а противоположно направленный параллельный фланец 20 каждой скобы 17 жестко связан с несущей рамой, например при помощи болтового соединения.
В частном случае реализации несущая рама может быть выполнена в виде кольцевого разделительного корпуса 21 с фланцем 22, который расположен за фланцем 10 корпуса 9 внешнего кольца 8 радиально-упорного шарикоподшипника 7 по направлению полета и связан с ним при помощи фиксаторов 11 (см. фиг. 1).
В другом частном случае реализации несущая рама представляет собой внешнюю часть, выполненную в виде кольцевого разделительного корпуса 23 с фланцем 24, и внутреннюю часть, выполненную в виде конической оболочки 25 с наружным кольцевым фланцем 26 и внутренним кольцевым фланцем 27 (см. фиг. 3). Наружный кольцевой фланец 26 конической оболочки 25 внутренней части несущей рамы жестко связан (например при помощи болтового соединения) с фланцем 24 кольцевого разделительного корпуса 23 несущей рамы, а внутренний кольцевой фланец 27 связан с фланцем 10 корпуса 9 внешнего кольца 8 радиально-упорного шарикоподшипника 7 при помощи фиксаторов 11. Фланцы 26 и 27 конической оболочки 25 расположены за соответствующими фланцами 24 и 10 по направлению полета. Коническая оболочка 6 роликового подшипника 5 связана с внутренней частью несущей рамы, выполненной в виде конической оболочки 25, при помощи фиксаторов 16.
Система опор ротора вентилятора ТРДД работает следующим образом.
В случае разрушения вала 1 ротора в сечении, расположенном между передней и задней опорами (за радиально-упорным шарикоподшипником 7 по направлению полета), под действием некомпенсированной вентилятором осевой силы от турбины низкого давления разрушаются фиксаторы 11, связывающие фланец 10 корпуса 9 внешнего кольца 8 радиально-упорного шарикоподшипника 7 с соответствующей опорной поверхностью несущей рамы, а именно с фланцем 22 кольцевого разделительного корпуса 21 в частном случае реализации (фиг. 1) или с внутренним кольцевым фланцем 27 конической оболочки 25 внутренней части несущей рамы в другом частном случае реализации (фиг. 3). При этом обеспечивается возможность смещения части вала 1 ротора, связанной с турбиной, в направлении, противоположном направлению полета, и возможность работы системы защиты от раскрутки (на чертеже не показана), поскольку фланец 10 корпуса 9 внешнего кольца 8 расположен перед соответствующей опорной поверхностью несущей рамы по направлению полета. Фланцы 19 скоб 17, направленные в сторону компрессора 2 низкого давления, обеспечивают удержание части вала 1 ротора, связанной с вентилятором, и предотвращают ее вылет в направлении полета.
При обрыве лопатки (на чертеже не показана) вентилятора под действием нагрузки от дисбаланса разрушаются фиксаторы 16, связывающие коническую оболочку 6 роликового подшипника 5 с несущей рамой (а именно с фланцем 22 кольцевого разделительного корпуса 21 в частном случае реализации (фиг. 1) или с конической оболочкой 25 внутренней части несущей рамы в другом частном случае реализации (фиг. 3)), что приводит к их разъединению. Фиксаторы 14, связывающие конический корпус 13 с установленным в нем внутренним кольцом 12 с монтажным кольцом 15, осуществляют таким образом, чтобы произошло их разрушение (срез) под действием изгибающего момента, создаваемого вращающейся несбалансированной массой ротора. В результате среза фиксаторов 14 задняя опора вентилятора (радиально-упорный шарикоподшипник 7) работает как шарнирная опора - воспринимает радиальную нагрузку и не воспринимает нагрузку от изгибающего момента. Разрушение фиксаторов 16 и срез фиксаторов 14 приводят к изменению схемы опирания вала 1 ротора, к изменению динамических характеристик системы и к снижению нагрузок на элементы силовой схемы ТРДД. В этом случае обеспечивается центрирование вала 1 ротора средними полками 18 скоб 17, которые функционируют как дополнительные опоры. Поскольку в результате обрыва лопатки вентилятора и дисбаланса при контакте поверхностей ступицы 4 диска и средних полок 18 скоб 17 возникают значительные силы трения, для устранения возможных вторичных последствий, например пожара, возможно нанесение на контактные поверхности ступицы 4 диска и полок 18 скоб 17 соответствующих антифрикционных и термозащитных покрытий (например нитрид титана TiN).
Геометрические размеры диска со ступицей 4 компрессора 2 низкого давления, скоб 17, а также материал, из которого изготовлены скобы 17, их количество и зазор между контактирующими поверхностями средних полок 18 и поверхностью ступицы 4 диска компрессора 2 низкого давления предварительно определяют расчетным путем с обеспечением требований прочности фланцев 19 и скоб 17 при разрушении вала 1 и обрыве лопатки вентилятора.
Техническое решение обеспечивает повышение надежности системы опор ротора вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя в процессе его эксплуатации при разрушении лопатки вентилятора или вала ротора.