УПРУГОДЕМПФЕРНАЯ ОПОРА РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
ELASTIC DAMPER ROTOR SUPPORT TURBOMACHINERY

Упругодемпферная опора газотурбинного двигателя (ГТД) относится к ГТД авиационного и наземного применения, а именно к конструкции упругодемпферной опоры компрессора ГТД.
Известна упругодемпферная опора газотурбинного двигателя (см. патент РФ на полезную модель №92696, МПК F01D 25/16. Упругодемпферная опора газотурбинного двигателя. Волченкова Е.Г., Букреев А.Н., Интернет, файл 92696. html), содержащая подшипник, наружное кольцо которого прикреплено к обечайке, соединенной со статорным элементом при помощи разрезной втулки, образующей с ним демпфирующую полость, ограниченную уплотнениями. Обечайка снабжена ограничительным элементом, выполненным в виде выступов, установленных с зазором в ответных пазах статорного элемента, при этом выступы обечайки и пазы статорного элемента размещены в осевом направлении, а к боковым поверхностям пазов жестко прикреплены пластины.
Недостатками этой упругодемпферной опоры являются ее большие габариты как в осевом, так и в радиальном направлениях, получаемые за счет наличия в конструкции опоры обечайки и разрезной втулки. Кроме того, в качестве уплотнения демпфирующей полости в опорах роторов авиационных двигателей применяются резиновые уплотнительные кольца, которые при прецессировании ротора проскальзывают с сухим трением по статорному элементу, что приводит к их износу и, следовательно, к необходимости их многократной замены при выработке ресурса двигателем.
Известна также упругодемпферная опора газотурбинного двигателя (Патент РФ на изобретение RU 2151896 C1, МПК 7 F02C 7/06. Опора газотурбинного двигателя. Кузнецов В.Α., патентообладатель: ОАО «Авиадвигатель». Опубл. 27.06.2000), содержащая корпус опоры, крышку, закрепленную на корпусе, отделяющую масляную полость опоры, смонтированный на роторе подшипник качения, размещенный между ними демпфер из двух концентрично расположенных с зазором втулок, одна из которых закреплена в корпусе, а другая - на наружном кольце подшипника, форсунки для подачи смазки в подшипник, закрепленные на корпусе, радиально-торцовое контактное уплотнение в виде закрепленной на валу втулки, уплотнительного разрезного графитового кольца, крышки, закрепленной на подшипнике, лабиринтного уплотнения. Торцы зазора демпфера уплотнены разрезными металлическими уплотнительными кольцами, размещенными в кольцевых канавках на наружной поверхности втулки, закрепленной на наружном кольце подшипника. Масло под давлением подачи подается из полости в корпусе в демпферный зазор и к форсункам. Каждая из втулок опоры выполнена за одно целое с упругим элементом типа «беличье колесо», которые торцами скреплены друг с другом.
К числу недостатков этой упругодемпферной опоры следует также отнести ее большие габариты в радиальном и осевом направлениях и то обстоятельство, что демпферный зазор через полость в корпусе трактом с небольшим гидравлическим сопротивлением связан с форсунками, что приводит к существенному снижению упругодемпфирующих свойств демпфера.
Кроме того, разрезные металлические уплотнительные кольца подвержены износу, так как при прецессировании ротора они проскальзывают с сухим трением по втулке, закрепленной в корпусе, что приводит к необходимости их многократной замены при выработке ресурса двигателем.
Эта упругодемпферная опора по технической сущности наиболее близка к предлагаемой и принята за прототип.
Ставится задача создания конструкции упругодемпферной опоры ротора турбомашины с меньшими, чем у прототипа, радиальными размерами, более высокими, чем у него, упругодемпфирующими свойствами и уплотнениями с существенно большей наработкой до их замены.
Поставленная задача решается тем, что предлагается упругодемпферная опора газотурбинного двигателя, содержащая корпус, смонтированный на роторе подшипник качения, втулку, закрепленную на корпусе, имеющую внутренний бурт, демпферный зазор, уплотненный по торцам, форсуночное кольцо для подачи смазки в подшипник, закрепленное на корпусе, радиально-торцовое контактное уплотнение в виде закрепленной на роторе втулки, уплотнительного разрезного кольца, крышки, кольца лабиринтного уплотнения, закрепленного на роторе, отличающаяся тем, что демпферный зазор образован внешним кольцом подшипника и втулкой, закрепленной в корпусе, торцы зазора уплотнены металлическими уплотнительными кольцами, изготовленными из того же материала, что и втулка, и прижаты к торцам внешнего кольца подшипника ответными полированными торцами резиновыми уплотнительными кольцами, расположенными в кольцевых канавках форсуночного кольца и в бурте втулки, на металлических уплотнительных кольцах выполнены один или два прямоугольных выступа, расположенные на диаметрально противоположных половинах каждого металлического уплотнительного кольца, которые входят в ответные пазы, выполненные в форсуночном кольце и бурте втулки с зазором по периметру паза, меньшим смещения металлического уплотнительного кольца, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического и резинового уплотнительных колец, например с зазором 0÷0,05 мм, а на внешнем кольце подшипника выполнен выступ, входящий в ответный несквозной паз в металлическом уплотнительном кольце с зазором по периметру паза, равным или немного большим демпферного зазора, например с зазором 0,15÷0,2 мм, и радиальный зазор между металлическими уплотнительными кольцами и втулкой, закрепленной на корпусе, в случае выполнения по одному прямоугольному выступу на каждом металлическом уплотнительном кольце меньше или равен 0,1 мм, а в случае выполнения двух выступов - меньше или равен 0,2 мм, твердость материала металлических уплотнительных колец меньше твердости материала внешнего кольца подшипника, а масло в форсуночное кольцо и демпферный зазор поступает под давлением подачи из отдельных герметичных полостей в корпусе, герметичность которых обеспечивается натягом между втулкой и корпусом, величина которого выбрана такой, что определенная величина этого натяга сохраняется и при рабочих температурах упругодемпферной опоры.
Выполнение кольцевых канавок под уплотнительные кольца и обеспечение прочности втулки, насаживаемой с натягом на внешнее кольцо подшипника, приводит у прототипа к тому, что радиальный размер поперечного сечения стенки втулки составляет 8÷9 мм.
Именно на два таких радиальных размера уменьшается внутренний диаметр корпуса предлагаемой опоры, по которому в нем закрепляется втулка.
Недопустимый износ металлических уплотнительных колец достигается за промежуток времени, в разы больший, чем промежуток времени, за который достигается недопустимый износ разрезных металлических уплотнительных колец у прототипа, за счет того, что площадь контакта у них в разы больше, а давление в контакте в разы меньше. У предлагаемой упругодемпферной опоры промежуток времени между регламентными работами по опоре определяется временем старения резины уплотнительных колец. Замена металлических уплотнительных колец вследствие достижения ими недопустимого износа может быть совмещена по времени с одной из замен уплотнительных резиновых колец.
Время достижения недопустимого износа металлических уплотнительных колец у предлагаемой упругодемпферной опоры может быть увеличено нанесением на их поверхность, контактирующую с внешним кольцом подшипника, износостойкого покрытия, например твердой смазки или серебрения.
Меньшая твердость материала металлических уплотнительных колец по сравнению с твердостью материала внешнего кольца подшипника снижает износ этого кольца.
Отметим также, что технология изготовления металлических уплотнительных колец не сложнее технологии изготовления разрезных металлических уплотнительных колец, а их применение в данном случае позволяет упростить конструкцию подшипника, так как в этом случае отпадает необходимость изготовления кольцевых канавок в его внешнем кольце.
При выполнении металлических уплотнительных колец с одним прямоугольным выступом радиальный зазор между ними и втулкой, закрепленной в корпусе, должен быть меньше смещения металлического уплотнительного кольца, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического и резинового уплотнительных колец, т.е. быть меньшим или равным 0,1 мм. В случае изготовления двух прямоугольных выступов на каждом металлическом уплотнительном кольце при выборе величины этого зазора отпадает необходимость в учете этого условия и диапазон допустимых значений радиальных зазоров выбран большим (меньшим или равным 0,2 мм) и таким, при котором исключается надобность в селективном подборе металлических уплотнительных колец.
Под прямоугольным выступом здесь понимается выступ, у которого стороны, образующие зазор с ответным пазом, являются сторонами прямоугольного параллелепипеда. Выполнение выступов и ответных пазов с такой геометрической формой, во-первых, упрощает технологию изготовления паза, во-вторых, является одним из условий, обеспечивающих при их выполнении исключение селективной сборки.
Снабжение маслом форсуночного кольца и демпферного зазора каждого из своих герметичных полостей в разы увеличивает демпфирующую способность предлагаемой упругодемпферной опоры ротора турбомашины.
Кроме того, с целью повышения надежности уплотнения демпферного зазора, исключения возможности работы демпферного зазора с раскрытыми уплотнительными стыками на рабочих режимах турбомашины предлагается упругодемпферная опора ротора турбомашины, отличающаяся тем, что наружный диаметр уплотнительных резиновых колец выбирается таким, что радиальное расстояние от наружной окружности, ограничивающей зону контакта резинового уплотнительного кольца с металлическим уплотнительным кольцом, до наружной цилиндрической поверхности металлического уплотнительного кольца равно или меньше половины радиального размера кольцевой зоны контакта металлического уплотнительного кольца с внешним кольцом подшипника, и на наружной цилиндрической поверхности металлических уплотнительных колец выполнены два, три и более равнорасположенные по окружности сквозные прямоугольные пазы шириной 4÷5 мм и высотой в несколько десятых долей миллиметра, например 0,2÷0,5 мм.
В случае раскрытия в работе уплотнительного стыка между металлическим уплотнительным кольцом и внешним кольцом подшипника и попадания масла в стык в зоне их контакта образуется гидравлическое давление, распределенное по длине радиального размера зоны по прямоугольному треугольнику с катетом, равным давлению масла в концевых сечениях демпферного зазора, а в зазоре между металлическим уплотнительным кольцом и форсункой и таким же кольцом и буртом втулки в зоне от наружной окружности, ограничивающей зону контакта резинового уплотнительного кольца до наружной цилиндрической поверхности металлического уплотнительного кольца, на радиальном размере этой зоны, гидравлическое давление будет распределено по прямоугольной эпюре со стороной прямоугольника, равной давлению масла в концевых сечениях демпферного зазора.
Следовательно, при наружном диаметре резиновых колец, выбранном вышеуказанным образом, и концентричном расположении относительно оси ротора резиновых колец равнодействующие сил гидравлического давления, действующего на металлическое уплотнительное кольцо при раскрытии стыка, уплотняющего демпферный зазор, будут уравновешивать друг друга и стык закроется под действием равнодействующей упругих сил, созданных резиновым уплотнительным кольцом.
Наличие зазоров между металлическим уплотнительным кольцом и форсуночным кольцом или буртом втулки снаружи уплотнительного резинового кольца, в которых кавитационная зона отсутствует и гидравлическое давление в которых везде больше нуля, и сквозных пазов на наружной цилиндрической поверхности металлических уплотнительных колец, соединяющих демпферный зазор с этими зазорами, затрудняет появление и расширение кавитационных зон в демпферном зазоре и тем самым улучшает упругодемпфирующие свойства демпфера и, следовательно, упругодемпферной опоры и в целом всего ГТД.
Возможность применения резиновых уплотнительных колец с наружным диаметром, при котором радиальное расстояние от наружной окружности, ограничивающей зону контакта резинового уплотнительного кольца с металлическим уплотнительным кольцом до наружной цилиндрической поверхности металлического уплотнительного кольца меньше половины радиального размера кольцевой зоны контакта металлического уплотнительного кольца с внешним кольцом подшипника объясняется прежде всего тем, что на рабочих, крейсерских и максимальных режимах работы ГТД демпфер с выдавливаемой пленкой работает в режиме «полупленки», когда в демпферном зазоре в зоне кавитации шириной приблизительно 180° гидравлическое давление можно принять равным нулю. Как уже указывалось, в зазоре между металлическим уплотнительным кольцом и форсуночным кольцом или буртом втулки снаружи уплотнительного резинового кольца кавитационная зона отсутствует и гидравлическое давление в нем везде больше нуля. Поэтому на этих режимах работы будет обеспечиваться закрытие уплотнительных стыков и при указанном расстоянии, меньшем половины радиального размера кольцевой зоны контакта металлического уплотнительного кольца с внешним кольцом подшипника.
Применение уплотнительных резиновых колец с указанным наружным диаметром в ряде случаев может оказаться полезным, так как обеспечит более комфортные условия работы подшипника и исключит возможность появления в нем прижогов.
Предлагаемые конструкции упругодемпферных опор ротора турбомашины поясняются фигурами, где ротор турбомашины изображен тонкой сплошной линией как «обстановка» на сборочном чертеже.
На фиг. 1 изображен продольный разрез упругодемпферной опоры ротора с РТКУ.
На фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 изображен вид по стр. Б на фиг. 1. Детали РТКУ не показаны.
На фиг. 4 изображен вид по стр. В на фиг. 1.
На фиг. 5 изображен разрез по Г-Г на фиг. 1.
На фиг. 6 изображен продольный разрез упругодемпферной опоры ротора с таким наружным диаметром резиновых уплотнительных колец, при котором радиальное расстояние от наружной окружности, ограничивающей зону контакта резинового уплотнительного кольца с металлическим уплотнительным кольцом, до наружной цилиндрической поверхности металлического уплотнительного кольца меньше половины радиального размера кольцевой зоны контакта металлического уплотнительного кольца с внешним кольцом подшипника.
Предлагаемая упругодемпферная опора газотурбинного двигателя (см. фиг. 1) содержит корпус 1, смонтированный на роторе 2 подшипник качения 3, втулку 4, закрепленную на корпусе 1, имеющую внутренний бурт 5, демпферный зазор 6, уплотненный по торцам металлическими уплотнительными кольцами 7, изготовленными из того же материала, что и втулка 4, и прижатым к торцам внешнего кольца подшипника 3 ответными полированными торцами 8 резиновыми уплотнительными кольцами 9, расположенными в кольцевых канавках форсуночного кольца 10 и в бурте 5 втулки 4, закрепленное на корпусе 1 вместе с втулкой 4 шпильками 11, гайками 12 и контровочными шайбами 13 и центрирующееся во втулке 4 форсуночное кольцо 10 для подачи смазки в подшипник 3 и в радиально-торцовое контактное уплотнение (РТКУ), РТКУ в виде закрепленной на роторе 2 и вращающейся вместе с ним втулки 14, уплотнительного разрезного кольца 15, изготовленного из графита, крышки 16, служащей статором РТКУ, закрепленной на корпусе 1 и центрирующейся по фланцу 17 втулки 4, вторичного лабиринтного уплотнения, образованного крышкой 16 и лабиринтным кольцом 18, закрепленным на роторе 2 и вращающимся вместе с ним. Уплотнительное разрезное кольцо 15 давлением сжатого воздуха, подаваемого через отверстие 19 в кольце 18, прижимается к втулке 14 и крышке 16. Крышка 16 образует масляную полость 20. Демпферный зазор 6 (см. фиг. 1 и 2) образован внешним кольцом подшипника 3 и втулкой 4. На металлических уплотнительных кольцах 7 выполнены прямоугольные выступы 21 (см. фиг. 1), которые входят в ответные пазы 22, выполненные в форсуночном кольце 10 (см. фиг. 3) и бурте 5 втулки 4 (см. фиг. 4) с зазором 23 по периметру паза, меньшим смещения металлического уплотнительного кольца 7, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического 7 и резинового 9 уплотнительных колец, например с зазором 0÷0,05 мм. На внешнем кольце подшипника 3 выполнен выступ 24 (см. фиг. 1 и 5), входящий в ответный несквозной паз 25 в металлическом уплотнительном кольце 7 с зазором 26 по периметру паза 25, равным или немного большим демпферного зазора 6, например с зазором 0,15÷0,2 мм. Радиальный зазор 27 между металлическими уплотнительными кольцами 7 и втулкой 4 (см. фиг. 1) меньше смещения металлического уплотнительного кольца 7, при котором возникают взаимные проскальзывания металлического 7 и резинового 9 уплотнительных колец, например меньше или равен 0,1 мм. Твердость материала металлических уплотнительных колец 7 меньше твердости материала внешнего кольца подшипника 3. Масло под давлением подачи поступает из герметичной полости 28 в корпусе 1 через отверстие (или отверстия) 29 во втулке 4 (см. фиг. 1) в канавку 30 в форсуночном кольце 10 (см. фиг. 3), занимающую сектор, где расположены форсунки 31, и из нее через отверстия 32 и 33 в форсунках 30 (см. фиг. 1) в подшипник 3 и на коническую поверхность втулки 14 РТКУ, откуда под действием центробежных сил попадает через отверстие 34 во втулке 14 на смазку герметичного стыка между втулкой 14 и уплотнительным разрезным кольцом 15. В демпферный зазор 6 (см. фиг. 1 и 2) масло подается из герметичной полости 35 в корпусе 1, через кольцевую канавку 36, выполненную на наружной поверхности втулки 4, и отверстия 37, равнораспределенные по окружности. Число отверстий 37 выбирается из условия полного заполнения масляной пленкой при заданном давлении подачи всего демпферного зазора на режимах работы турбомашины, на которых отсутствует разрыв масляной пленки, и всего сектора демпферного зазора, в котором нет разрыва пленки, на режимах с разрывом масляной пленки, например на режимах работы турбомашины, когда демпфер работает в режиме «полупленки». Величина s демпферного зазора 6 в упругодемпферных опорах роторов турбомашин с демпферами со сдавливаемой пленкой выбирается из диапазона 0,15≤s≤0,2 мм, причем предпочтительным является размер s=0,15 мм. Герметичность полостей 28 и 35 (см. фиг. 1) обеспечивается натягом между втулкой 4 и корпусом 1, величина которого выбрана такой, что определенная величина этого натяга сохраняется и при рабочих температурах упругодемпферной опоры, и уплотнительным резиновым кольцом 38. Герметичность канавки 30 форсуночного кольца 10 обеспечивается уплотнительным резиновым кольцом 39 и натягом между форсуночным кольцом 10 и внутренней поверхностью втулки 4. Причем этот натяг на рабочих режимах турбомашины будет уменьшаться, так как форсуночное кольцо 10 изготавливается из титана, а втулка 4 из стали, а коэффициент температурного расширения титана меньше, чем у стали. Герметичность масляной полости 20 обеспечивается РТКУ и уплотнительным резиновым кольцом 40. Объем масляной полости 20 выполнен большим, так как из нее откачивается вспененное масло. Корпус 1 изготавливается из магниевого сплава и коэффициент температурного расширения этого сплава существенно больше, чем у стали, из которой изготовлена втулка 4, поэтому натяг между втулкой 4 и корпусом 1 значительно ослабляется на рабочих режимах турбомашины и дополнительное крепление втулки 4 к корпусу 1 шпильками 11, гайками 12 и контровочными шайбами 13 обеспечивает на этих режимах прочность и надежность соединения втулки 4 с корпусом 1.
Вариант опоры с металлическими уплотнительными кольцами с двумя прямоугольными выступами на фигурах не показан.
Кроме того, предлагается упругодемпферная опора ротора турбомашины (см. фиг. 6), отличающаяся тем, что наружный диаметр уплотнительных резиновых колец 9, контактирующих с металлическими уплотнительными кольцами 7, выбирается таким, что радиальное расстояние от наружной окружности, ограничивающей зону контакта резинового уплотнительного кольца 9 с металлическим уплотнительным кольцом 7, до наружной цилиндрической поверхности металлического уплотнительного кольца равно или меньше половины радиального размера кольцевой зоны контакта металлического уплотнительного кольца 7 с внешним кольцом подшипника 3, и на наружной цилиндрической поверхности металлических уплотнительных колец 7 выполнены два три и более равнорасположенные по окружности сквозные прямоугольные пазы 41 шириной 4÷5 мм и высотой в несколько десятых долей миллиметра, например 0,2÷0,5 мм.
Технология сборки предлагаемых упругодемпферных опор ясна из конструкции опоры и специально не описывается.
При прецессировании ротора 2 (см. фиг. 1) подшипник 3 будет совершать прецессионное движение в демпферном зазоре 6. При этом масло из зоны высокого давления будет выдавливаться в зазоре 6 в зону низкого давления, перетекая в основном в окружном направлении - по «длинному» пути с большим гидравлическим сопротивлением, за счет чего предлагаемые опоры будут обладать очень высокими упругодемпфирующими характеристиками. Замена масла в демпферном зазоре 6 при работе турбомашины будет происходить постоянно - в низкой зоне давления масло из канавки 36 через отверстия 37 поступает в демпферный зазор 6 и вытекает из него через зазор 26 по периметру паза 25 в металлическом уплотнительном кольце 7. Другие особенности работы и преимущества предлагаемых упругодемпферных опор рассмотрены выше.
Отметим, что все предлагаемые принципиальные отличительные признаки, стоящие в формуле изобретения после слова «отличающаяся», без затруднений могут быть использованы в широком круге известных конструкций опор роторов турбомашин, например, с радиальными и радиально-упорными шариковыми подшипниками, опор с лабиринтными уплотнениями масляной зоны опоры и др.