ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области турбостроения и может быть использована при проектировании, например, газотурбинных двигателей, турбокомпрессоров, турбодетандеров.
Известен газотурбинный двигатель (ГТД), 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 цилиндрическая втулка ротора, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, при этом ротор выполнен с возможностью его газодинамического поддержания и снабжен подшипниковым узлом (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.
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 в рабочем режиме.
Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального и упорного подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение.
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 цилиндрическая втулка ротора, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, при этом ротор выполнен с возможностью его газодинамического поддержания и снабжен подшипниковым узлом, отличается тем, что на цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу турбины, при этом на свободном конце вала последовательно установлены, с упором друг в друга, чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу компрессора, колесо центробежного компрессора и балансировочная шайба, зафиксированные гайкой, при этом каждый радиальный магнитный подшипник включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку, выполненную из немагнитного материала, на которую надеты и жестко закреплены, по меньшей мере, три кольца, выполненные из магнитного материала, одни из которых намагниченных радиально, а другие - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободная поверхность постоянных магнитов выполнена цилиндрической и образует рабочий зазор магнитного подшипника с обращенной к ней поверхностью цапфы-пяты, кроме того, цилиндрические части первой и второй чашеобразных цапф-пят, составляющих радиальные магнитные подшипники, снабжены бандажом из высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол и размещены в кольцевых пазах соответствующего поперечного сечения, выполненных в проставке, размещенной между турбиной и компрессором, при этом один из кольцевых пазов открыт к компрессору, а другой к турбине, причем между поверхностью кольцевых пазов проставки и цилиндрическими втулками размещены гофрированные втулки с продольными гофрами, выполненные из упругого материала, при этом внутренние поверхности цапфы-пяты покрыты слоем меди и обработаны с высокой чистотой поверхности, причем, упорный магнитный подшипник включает в себя подпятник, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевом корпусе, между дном которого и торцевой поверхностью цапфы-пяты закреплены как минимум три коаксиальных кольцевых постоянных магнита, одни из которых намагниченных радиально, а другие - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободные поверхности названных постоянных магнитов образуют плоскую поверхность, обращенную в зазор с торцевой поверхностью цапфы-пяты, кроме того, по меньшей мере, радиальный и упорный магнитные подшипники, размещенные со стороны турбины, выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C, при этом между подпятником и обращенным к нему дном выточки обоих магнитных подшипников установлена упругая шайба, выполненная в виде пластины из упругого материала, деформированной с образованием кольцевых гофров, кроме того, магнитные радиальные и упорные подшипники зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала, кроме того, упорный лепестковый газодинамический подшипник содержит пяту и уплотнение компрессора, между которыми размещено дистанционное кольцо, при этом в полости между ними размещены первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, разделенные общей пятой, при этом в зазоре между поверхностью цилиндрической полости проставки и обращенной к ней поверхностью цилиндрической втулки ротора размещен радиальный лепестковый газодинамический подшипник.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом совокупность существенных признаков отличительной части формулы полезной модели позволяет дополнительно к газодинамическим силам обеспечить электродинамические силы отталкивания при вращении цапфы без прилипания сегментов постоянных магнитов к цапфе, уменьшает деформации зазора радиальных магнитных подшипников. Это повышает несущую способность и жесткость радиального подшипникового узла. Кроме того формирует упорный магнитный подшипник и обеспечивает усиление магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного магнитного подшипника для получения значительных электродинамических сил и обеспечивают формирование рабочего зазора с поверхностью пяты, а также обеспечивают гладкую плоскую поверхность упорного магнитного подшипника.
На фиг. 1 показан продольный разрез ГТД, а на фиг. 2 - поперечный разрез ГТД.
На чертежах показаны проставка 1, рабочее колесо турбины 2, вал 3, цилиндрическая втулка 4, каркас 5, лопатки охлаждения 6, чашеобразная цапфа-пята 7, компрессор 8, бандаж 9, цапфа-пята 10, бандаж 11, пята 12 упорного ЛПГ, балансировочная шайба 13, гайка 14, радиальные ЛТП 15, тонкостенные цилиндрические втулки 16 и 17, магнитные кольца 18, 19, 20, и 21, 22, 23, рабочие зазоры 24 и 25, продольные гофры 26 и 27, бурты 28, 29, 30 и 31, корпус 32 и 33 подпятника, коаксиальные кольцевые постоянные магниты 34, 35, 36 и 37, 38, 39, зазоры 40 и 41. упругие шайбы 42 и 43, штифты 44 и 45, болты 46 и 47, уплотнения 48 компрессора, упорные ЛГП 49, 50, дистанционное кольцо 51, подпятник 52.
ГТД включает проставку 1, в который установлен ротор ГТД. Ротор ГТД включает рабочее колесо турбины 2, к которому приварен сваркой трением вал 3, на который насажена цилиндрическая втулка 4, выполненная из немагнитного материала, например, алюминиевого сплава АК-4, подвергнутая микродуговому оксидированию с последующей шлифовкой для получения высокой твердости и высокой чистоты поверхности, снабженная силовым каркасом 5 и жестко скрепленная торцевой поверхностью с лопатками охлаждения 6 рабочего колеса турбины 2, размещенными на его тыльной стороне. На цилиндрической втулке 4 со стороны, прилегающей к колесу турбины 2, размещена чашеобразная цапфа - пята 7 радиально-упорного магнитного подшипника, жестко скрепленная с цилиндрической втулкой 4, например, сваркой, ориентированная своим выступом к колесу компрессора 8, на наружную поверхность, которой надет бандаж 9 из высокопрочного материала, выполненный, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами. На вал 3 со стороны компрессора вплотную к торцу втулки 4 насажена чашеобразная цапфа-пята 10 второго радиально - упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу турбины 2, на наружную поверхность которой также надет бандаж 11 из высокопрочного материала.
Далее на вал 3 вплотную к торцам соответствующих поверхностей насажены следующие детали: пята 12 упорного ЛИГ, колесо центробежного компрессора 8, балансировочная шайба 13 и гайка 14.
Между цилиндрической втулкой 4 и внутренней полостью проставки 1 установлены радиальные ЛГП 15. Симметрично с двух сторон в кольцевых пазах проставки 1 размещены радиальные магнитные подшипники. Симметрично с двух сторон в цилиндрических пазах проставки 1 размещены упорные магнитные подшипники.
Каждый радиальный магнитный включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку 16 и 17, выполненную из немагнитного материала, например, нержавеющей немагнитной стали или титана, на которую надеты и жестко закреплены, по меньшей мере, три кольца 18, 19, 20, и 21, 22, 23, выполненные из магнитного материала, одни из которых 18 и 21 намагничены радиально, а другие - 19, 20 и 22, 23 в осевом встречном направлении с реализацией схемы Хальбаха, причем свободная поверхность постоянных магнитов выполнена цилиндрической и образует зазор магнитного подшипника с обращенной к ней поверхностью цапфы-пяты 7 и 10.
Магнитные кольца 18, 19, 20, и 21, 22, 23 выполнены, например, из материала неодим-желез-бор или самарий-кобальт и имеют прямоугольную форму поперечного сечения. При этом поверхность, образованная магнитными кольцами 18, 19, 20, и 21, 22, 23, обращенная к внутренней поверхности цапфы-пяты 7 и 10, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора 24 и 25 с поверхностью цапфы-пяты 7 и 10.
Между поверхностью кольцевых пазов проставки 1 и внутренней поверхностью тонкостенных цилиндрических втулок 16 и 17 размещены гофрированные втулки с продольными гофрами 26 и 27, выполненные из сплава с заданными упругими свойствами, например, 36НХТЮ8М. Каждый радиальный магнитный подшипник зафиксирован от перемещения вдоль продольной оси в пазу проставки 1 с одной стороны буртом 28 и 29 на втулке 16 и 17, а с другой стороны - буртом 30 и 31 на проставке 1. Внутренние поверхности цапфы-пяты 7 и 10 покрывают слоем меди и обрабатывают с высокой чистотой поверхности.
Каждый упорный магнитный подшипник состоит из подпятника и пяты. Подпятник содержит корпус 32 и 33 виде неглубокого цилиндра, выполненный из немагнитного материала, на дне которого закреплены, как минимум, три коаксиальных кольцевых постоянных магнита 34, 35, 36 и 37, 38, 39, одни из которых 35, 36 и 38, 39 намагничены в радиальном встречном направлении, а другие 34 и 37 - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободные поверхности названных постоянных магнитов образуют плоскую поверхность, обращенную в зазор с торцевой поверхностью цапфы-пяты 7 и 10.
Кольца постоянных магнитов 34, 35, 36 и 37, 38, 39 выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С, например, из сплава неодим-железо-бор или самарий-кобальт, имеют прямоугольное поперечное сечение и закреплены на дне корпуса подпятника 32 и 33, например, клеем. Цапфа-пята 7 и 10 выполнена чашеобразной полой из немагнитного электропроводного материала и образует с подпятником 52 зазор 40 и 41.
Между подпятником 52 и обращенным к нему дном выточки обоих упорных магнитных подшипников установлена упругая шайба 42 и 43, выполненная в виде пластины из упругого материала, например, сплава 36НХТЮ8М, деформированной с образованием кольцевых гофров, которая предотвращает заклинивание упорного магнитного подшипника в рабочем состоянии от неравномерности теплового расширения ротора и проставки 1.
Для предотвращения проворачивания радиальных магнитных подшипников под действием тормозных сил они зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала штифтом 44 и 45. Для предотвращения проворачивания упорных магнитных подшипников под действием тормозных сил вокруг продольной оси вала и их осевого смещения в сторону пяты при пуске они зафиксированы болтом 46 и 47.
Упорный ЛГП состоит из корпуса подпятника 52, уплотнения 48 компрессора 8, двух упорных ЛГП 49, 50, расположенных по разные стороны пяты 12, и дистанционного кольца 51.
Изготавливают и собирают радиальный магнитный подшипник следующим образом. На наружной поверхности тонкостенных цилиндрических втулок 16 и 17 устанавливают на клей по разметке равномерно по оси ротора радиально и по оси ротора намагниченные магнитные кольца 18, 20, 21 и 19, 22, 23. В пазы проставки 1 ГТД вставляют радиальные магнитные подшипники. Между тонкостенной цилиндрической втулкой 16 магнитного подшипника и проставкой 1 вставляют гофрированную втулку с продольными гофрами 26 до упора в бурт 30 на тонкостенной цилиндрической втулке 16 с одной стороны и в бурт 28 на проставке 1 с другой стороны. Аналогично между тонкостенной цилиндрической втулкой 17 магнитного подшипника и проставкой 1 вставляют гофрированную втулку с продольными гофрами 27 до упора в бурт 31 на тонкостенной цилиндрической втулке 17 с одной стороны и в бурт 29 на проставке 1 с другой стороны.
Упорный магнитный подшипник изготавливают и собирают в следующем порядке. Предварительно изготавливают корпус подпятника 32 и 33 из немагнитного материала, например алюминиевого сплава АК-4, устанавливают на клей по разметке, намагниченные по оси ротора и радиально магнитные кольца 34, 36, 37 и 35, 38, 39 с образованием плоской поверхности и затем шлифуют наружную поверхность. Во внутреннюю цилиндрическую полость проставки 1 устанавливают лепестки радиального ЛГП 15. В проставку 1 вставляют кольцевую упругую шайбу 42 и 43, на нее устанавливают собранный магнитный подпятник и фиксируют его болтом 46 и 47 от проворачивания и осевого смещения в сторону пяты.
Цапфу-пяту 7 и 10 подвергают микродуговому оксидированию, шлифуют, внутреннюю поверхность покрывают слоем меди и обрабатывают с высокой степенью чистоты поверхности. На наружной цилиндрической поверхности цапфы-пяты 7 и 10 выполняют бандаж 9 и 11 и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами.
На вал 3, приваренный к рабочему колесу турбины 2, устанавливают цилиндрическую втулку 4, а на нее вблизи рабочего колеса турбины 2 - чашеобразную цапфу-пяту 7. С противоположной стороны на вал 3 вплотную к цилиндрической втулке 4 устанавливают последовательно вторую чашеобразную цапфу-пяту 10, пяту 12 упорного ЛТП, колесо компрессора 8, балансировочную шайбу 13 и затягивают гайкой 14. Ротор подвергают динамической балансировке.
С отбалансированного ротора снимают гайку 14, балансировочную шайбу 13, колесо компрессора 8, пяту упорного ЛТП 12 и цапфу-пяту 10. В проставку 1 со стороны турбины вставляют ротор без снятых деталей, контролируя свободное вхождение цилиндрической части цапфы-пяты 7 в паз проставки 1 над магнитными кольцами 19, 22, 23. Далее вплотную к торцу цилиндрической втулки 4 на вал 3 устанавливают цапфу-пяту 10, контролируя свободное вхождение ее цилиндрической части в паз проставки 1 над магнитными кольцами 18, 21, 24. В проставку 1 устанавливают корпус подпятника 52, упорный ЛТП 50, дистанционное кольцо 51. На вал 3 устанавливают пяту 12 упорного ЛТП. В проставку 1 вставляют упорный ЛТП 49, уплотнение 48 компрессора и фиксируют собранный пакет винтами. Далее на вал 3 вплотную к пяте 12 упорного ЛТП насаживают колесо компрессора 8 и балансировочную шайбу 13. При установке деталей на вал 3 следят за совпадением балансировочных меток. Комплект деталей, установленных на роторе, затягивают гайкой 14 с необходимым моментом.
Остальные детали собирают согласно технологии сборки ГТД.
Радиально-упорный подшипниковый узел работает следующим образом. При вращении цилиндрической втулки 4 (цапфы радиального ЛТП) и пяты 12 осевого ЛТП появляются радиальные и осевые газодинамические реакции газового слоя, и ротор всплывает на газовом смазочном слое. Кроме того, при вращении цапфы чашеобразной цапфы-пяты 7 и 10 дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных магнитным полем магнитных колец 18, 19, 20, и 21, 22, 23 в цилиндрических частях цапф-пят 7 и 10, с полем этих магнитных колец. Радиальные составляющие электродинамических сил действуют отталкивающим образом между внутренними цилиндрическими поверхностями цапф-пят 7 и 10 и магнитными кольцами 18, 19, 20, и 21, 22, 23. Эти силы суммируются с силами радиального ЛТП 15, действующими на цапфу. Гофрированные втулки с продольными гофрами 26 и 27 и радиальный ЛГП 15 демпфируют вынужденные и самовозбуждающиеся колебания ротора, значительно повышают устойчивость ротора в форме «полускоростного вихря». Тангенциальные составляющие электродинамических сил оказывает тормозящее воздействие, но они незначительны. С увеличением линейной скорости на поверхности цапф - пят 7 и 10 отталкивающие составляющие электродинамических сил увеличиваются, а тормозящие - уменьшаются.
Магнитная и газодинамическая части предлагаемого радиального подшипникового узла автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению цапф - пят 7 и 10 от соосного положения относительно точки подвижного равновесия цапф в подшипниковом узле, поэтому не требуются дополнительные устройства (датчики отклонения и быстродействующие регуляторы).
Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. В результате вращения ротора пята 12 упорного ЛГП всплывает на газовом смазочном слое. При вращении дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных в торцевых частях чашеобразных цапф-пят 7 и 10 магнитным полем колец постоянных магнитов 34, 35, 36 и 37, 38, 39, с магнитным полем этих магнитов. Осевые составляющие электродинамических сил действует отталкивающим образом между цапфами-пятами 7 и 10 и постоянными магнитами 34, 35, 36 и 37, 38, 39, и эти силы суммируются с газовыми силами, действующими на пяту 12 упорного лепесткового газового подшипника. Тангенциальные составляющие электродинамических сил оказывают тормозящее воздействие, но они незначительны. С увеличением линейной скорости на поверхности цапф-пят 7 и 10 отталкивающие составляющие электродинамических сил увеличиваются, а тормозящие - уменьшаются.
При двусторонней симметричной конструкции упорных подшипников магнитная и газодинамическая составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).