ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОБЪЕДИНЕННОЙ ОПОРОЙ ТУРБИНЫ НИЗКОГО И ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
TURBO-JET ENGINE WITH COMBINED SUPPORT OF LOW AND HIGH PRESSURE TURBINE

Изобретение относится к области авиадвигателестроения летательных аппаратов, в частности к авиационным турбореактивным двухвальным двигателям (ТРД) с противовращением роторов.
Известно использование противовращения роторов в ТРД как в отечественных, так и иностранных двигателях 3-го и 4-го поколений, например, противовращение двух каскадов в двигателе фирмы Роллс-Ройс RB.193-12 "Пегас" (см. книгу "Иностранные авиационные и ракетные двигатели", с.169, изд. ЦИАМ, 1971 г.), или новейшем двигателе 5-го поколения F136 (JSF-F120, см. книгу "Иностранные авиационные двигатели", выпуск 14, с.85…91, изд. ЦИАМ, 2005 г.). Использование противовращения каскадов роторов позволяет при скоростном маневрировании самолета минимизировать их гироскопические моменты, что облегчает пилотирование и маневрирование летательного аппарата при его изменяющемся аэродинамическом нагружении и пространственном положении. Однако использование противовращения роторов значительно усложняет конструкцию системы смазки подшипников, уплотнений газовоздушного тракта и системы охлаждения наиболее нагретых конструктивных элементов турбины. Организация масляных полостей межвальных подшипников концентрических валов (см. Патент РФ №2074968, МПК 7 F02C 3/04, опубл. 03.10.1997 г.) еще более усложняет конструкцию, так как обоймы межвального подшипника вращаются в разные стороны, и требуется применять дополнительные меры по обеспечению его работоспособности, например, необходима организация подвода охлаждающего масла с более низкой температурой и более высоким его расходом. Организация системы охлаждения турбины и масляных полостей в отечественном подъемно-маршевом двигателе Р-79В-300 с противовращением роторов для самолета укороченного взлета и вертикальной посадки Як-141 с передней и задней опорами турбины обеспечило работоспособность конструкции, но привело к ухудшению весовых характеристик двигателя в целом (см. журнал "Ежедневник авиации и космической технологии", "Aviation Week, с.21…24, издание на русском языке, осень 1995 г.).
Наиболее близким к предложенному техническому решению является конструкция системы охлаждения турбины и масляных полостей на двигателе ТРДФ EJ200 для новейшего европейского истребителя "Еврофайтер" (см. книгу "Иностранные авиационные двигатели", стр.207…209, выпуск 14, ЦИАМ, 2005 г.). В этом двухвальном двигателе турбина выполнена по схеме "один плюс один" с объединенной опорой турбины низкого (ТНД) и высокого (ТВД) давления с размещением ее внутри соплового аппарата ТНД и рабочими колесами турбины. Такая конструкция наиболее целесообразна для двигателей с противоположным вращением роторов. Однако силовая связь корпуса подшипниковых опор с корпусом соплового аппарата через пустотелые стойки внутри лопаток соплового аппарата и закрепление внутренних колец обойм подшипников на цапфах дисков турбин роторов усложняет конструкцию, так как необходимость обеспечения надежного охлаждения турбины и потребного перепада давления в системе охлаждения и наддува опор подшипников воздухом, отбираемым от компрессора, приводит к усложнению конструкции лабиринтных уплотнений и, как следствие, к увеличению габаритных долевых размеров и веса двигателя в целом.
Задачей изобретения является улучшение удельных параметров двигателя, обеспечение надежной работы двигателя с одновременной минимизацией гироскопических моментов, возникающих в полете летательного аппарата (при маневрировании, разворотах и т.п.).
Указанный технический результат достигается тем, что турбореактивный двигатель с объединенной опорой турбины низкого и высокого давления, содержащий компрессор, камеру сгорания, реактивное сопло, турбины каскадов низкого и высокого давления с роторами, имеющими противоположные направления вращения и укрепленными на своих валах, корпус подшипниковых опор турбин, размещенный между их рабочими колесами в зоне соплового аппарата турбины низкого давления и контактирующий через тела качения опорных подшипников и цапфы с рабочими колесами турбин, а через силовые спицы с наружным корпусом соплового аппарата турбины низкого давления, при этом внутренние кольца обойм опорных подшипников закреплены на корпусе подшипниковых опор турбины, наружное кольцо одного подшипника закреплено на цапфе рабочего колеса турбины высокого давления, снабженного цилиндрической полкой с отверстиями для подвода охлаждающего воздуха и соединенного через эту цилиндрическую полку с цапфой, а наружное кольцо другого - на цапфе рабочего колеса турбины низкого давления, кроме того, корпус подшипниковых опор своей конической стенкой связан с силовым кольцом цилиндрической обечайки, внешняя сторона которого через фланец соединена с кронштейнами, количество которых равно числу лопаток соплового аппарата турбины низкого давления, каждый кронштейн закреплен на нижнем конце пустотелой спицы, проходящей внутри каждой лопатки соплового аппарата, а наружный конец каждой спицы закреплен на наружной стенке корпуса соплового аппарата турбины низкого давления, при этом рабочее колесо турбины низкого давления слева от несущего полотна снабжено цилиндрической полкой с отверстиями для прохода охлаждающего воздуха, соединенной с цапфой рабочего колеса турбины низкого давления, на которой крепится передний покрывной диск, справа от несущего полотна диск рабочего колеса турбины низкого давления снабжен цилиндрической Г-образной полкой с отверстиями на фланце для крепления заднего покрывного диска, снабженного лопастями сжатия, обращенными в сторону несущего полотна, и закрепленного на фланце Г-образной полки с образованием щели между поверхностью фланца Г-образной полки и задним покрывным диском для прохода охлаждающего воздуха во внутреннюю полость между несущим полотном и задним покрывным диском, полость соединена с внутренними полостями охлаждаемых рабочих лопаток турбины низкого давления, рабочее колесо турбины высокого давления справа от несущего полотна снабжено своим задним покрывным диском, закрепленным на его цапфе, кроме того, задний покрывной диск турбины высокого давления и передний покрывной диск турбины низкого давления снабжены каждый верхней и нижней лабиринтными полками с лабиринтными гребешками, верхняя полка каждого покрывного диска лабиринтными гребешками контактирует с нижней поверхностью стенки соплового аппарата турбины низкого давления, а нижняя полка каждого покрывного диска своими лабиринтными гребешками контактирует с нижней поверхностью цилиндрической обечайки.
Сущность изобретения поясняется чертежами
На фиг.1 представлена принципиальная схема размещения опор турбины, системы охлаждения турбины, масляных полостей и наддува лабиринтных уплотнений между рабочими колесами турбины низкого и высокого давления турбореактивного двигателя с объединенной опорой турбин и противовращением роторов.
На фиг.2 представлено сечение А-А фиг.1.
На фиг.3 представлен элемент I фиг.1.
На фиг.4 представлен элемент II фиг.1.
Турбореактивный двигатель с объединенной опорой турбины низкого и высокого давления содержит компрессор, камеру сгорания, реактивное сопло (на принципиальной схеме не показаны), турбины каскадов низкого 1 и высокого 2 давлений, вал 3 ротора низкого давления, корпус 4 подшипниковых опор, рабочие колеса 5 и 6 турбин низкого и высокого давления соответственно, сопловой аппарат турбины низкого давления 7, тела 8 и 9 качения опорных подшипников, цапфы 10 и 11, корпус 12 соплового аппарата турбины низкого давления, внутренние 13, 14 и наружные 15, 16 кольца обойм опорных подшипников, цилиндрическую полку 17 с отверстиями 18 рабочего колеса 6 турбины 2 высокого давления, коническую стенку 19, силовое кольцо 20 цилиндрической обечайки 21, кронштейны 22, лопатки 23 соплового аппарата турбины низкого давления, пустотелые спицы 24, наружную стенку 25 соплового аппарата 7 турбины 1 низкого давления, диск 26 рабочего колеса турбины 1 низкого давления, цилиндрическую полку 27 с отверстиями 28, покрывной диск 29, цилиндрическую Г-образную полку 30 с отверстиями на фланце для крепления заднего покрывного диска с образованием щели 31 между поверхностью фланца Г-образной полки и заднего покрывного диска 32 с лопастями 33, внутреннюю полость 34, отверстия 35 в ободной части диска, рабочие лопатки 36 турбины 1 низкого давления, диск 37 турбины 2 высокого давления, задний покрывной диск 39 турбины 2 высокого давления с рабочими лопатками 38, лабиринтные полки 40, 41 - нижние и 42, 43 - верхние, нижняя стенка 44 соплового аппарата турбины низкого давления, полость 45, связанную с атмосферой, полость 46 - наддува масляных уплотнений, масляную полость 47, ограниченную крышками 48, 49 на корпусе 4 подшипниковых опор и полками 50, 51 - на цапфах со сквозными отверстиями 52 и 53 в полках, полости 54 и 55 для прохода охлаждающего воздуха сопловых лопаток с выходными щелями 56 и 57.
При размещении опор турбин между каскадами турбин 1 и 2 низкого и высокого давлений в зоне соплового аппарата 7 турбины низкого давления внутренние кольца 13 и 14 опорных подшипников закреплены на статоре - корпусе 4 подшипниковых опор турбины, а наружные кольца 15 и 16 закреплены на полках 50 и 51 цапф 10 и 11 рабочих колес турбины высокого и низкого давления. Цапфа 10 с одной стороны соединена с цилиндрической полкой 17 рабочего колеса 6, с другой - с задним покрывным диском 39 турбины высокого давления 2, на котором расположены верхняя и нижняя лабиринтные полки 42 и 40. Цапфа 11 (вал 3) с одной стороны соединена с цилиндрической полкой 27 рабочего колеса 5, с другой - с передним покрывным диском 29 турбины низкого давления 1, на котором расположены верхняя и нижняя лабиринтные полки 43 и 41. Диск 26 турбины низкого давления 1 снабжен Г-образной полкой 30, на которой закреплен второй задний покрывной диск 32 с лопастями 33 сжатия. Корпус 4 подшипниковых опор снабжен конической стенкой 19 и соединен с силовым кольцом 20 цилиндрической обечайки 21, которое связано с кронштейнами 22, количество которых равно количеству сопловых лопаток 23 соплового аппарата турбины низкого давления 1. Каждый кронштейн 22 соединен с нижним концом силовой пустотелой спицы 24, проходящей внутри лопатки 23 соплового аппарата, а наружный конец пустотелой спицы закреплен на наружной стенке 25 корпуса 12 соплового аппарата турбины низкого давления 1. Нижняя стенка 44, цилиндрическая обечайка 21 и поверхности покрывных дисков 39 и 29 между верхними 42, 43 и нижними 40, 41 лабиринтными полками образуют полость 45, которая через пустотелые спицы 24 соединена с атмосферой и отделена цилиндрической обечайкой 21 и нижними лабиринтными полками 40, 41 от внутренней полости 46 наддува масляных уплотнений корпуса 4 подшипниковых опор турбины. Масляная полость 47 ограничена крышками 48, 49, закрепленными на корпусе подшипниковых опор 4, полками 50, 51 и лабиринтами 58, 59, также находящихся на цапфах 10, 11.
Рабочий процесс турбореактивного двигателя общеизвестен. Изменение давления, температуры, скорости воздуха и продуктов сгорания, протекающих по газовоздушному тракту, такой же, как и у всех известных турбореактивных двигателей.
Принцип работы турбореактивного двигателя заключается в следующем. Внешний воздух, сжатый в компрессоре (осевом или центробежном), поступает непрерывным потоком в камеру сгорания, куда одновременно через форсунки впрыскивается топливо. Образующиеся в результате сгорания топлива продукты сгорания протекают через турбину (например, каскады турбины 1 и 2 низкого и высокого давления), приводя во вращения ее ротора, и затем, пройдя через реактивное сопло, вытекают с большой скоростью в атмосферу, в сторону, противоположную направления полета. Потенциальная энергия газов, приобретенная в процессе предварительного сжатия и последующего подвода тепла в процессе сгорания, преобразуется в кинетическую в процессе расширения частично в турбине и частично в реактивном сопле. Часть кинетической энергии газов отдается рабочим колесам 5 и 6 турбины каскадов 1 и 2 низкого и высокого давления, то есть идет на привод компрессора низкого и высокого давления соответственно и часть - для привода вспомогательных агрегатов. Остальная часть энергии (кинетическая и потенциальная) используется для ускорения выходящего потока газа и, тем самым, идет на создание реактивной тяги. Лопатки рабочих колес и сопловых аппаратов турбин низкого и высокого давления спрофилированы таким образом, что при протекании потока газа по проточной части обеспечивается вращение роторов 5 и 6 в противоположных направлениях. При вращения роторов расчетная часть сжатого воздуха из компрессора отбирается и поступает на охлаждение наиболее нагретых конструктивных элементов турбины и на наддув уплотнений опор двигателя. Организованный поток воздуха на охлаждение рабочих лопаток 36 и диска 26 турбины низкого давления и наддув уплотнений опор воздухом осуществляют отбором воздуха из-за компрессора или из его промежуточных ступеней и подводом через вал 3 ротора, и через радиальные отверстия 28 и щель 31 в цилиндрических полках 27, 30 соответственно.
Установка и крепление внутренних колец 14 и 13 опорных подшипников на статоре - корпусе опор 4, наружных колец 15 и 16 на вращающихся полках 50 и 51 и выбора подачи масла на подшипник, например, под воздействием центробежных сил, является наиболее рациональным по критерию "расход-охлаждаемость" и с точки зрения минимизации пенообразования, что позволяет иметь масляную полость с небольшим объемом зоны отстоя пены, а следовательно, при заданном диаметре вала 3 ТНД позволяет предельно минимизировать посадочный диаметр подшипников 8 и 9, так как исключает организацию кармана для ввода масла, что становится необходимым в случае крепления внутренних колец опорных подшипников на цапфах роторов. При этом цапфа 10 турбины 2 высокого давления выполняется предельно минимальной по диаметру, короткой и менее массивной, что приводит к минимизации окружных скоростей, тепловыделения из подшипников и массы конструкции. Выполненные в полках 50 и 51 сквозные отверстия 52 и 53 с отклонением от оси вращения позволяют обеспечить отвод масла под действием центробежных сил из "глухих" (заподшипниковых) зон в полость 47, которая связана с общим сливом масла.
Связь силовых элементов корпуса 4 подшипниковых опор осуществляется посредством конической стенки 19 с силовым кольцом 20 цилиндрической обечайки 21 и далее кронштейнами 22, каждый из которых соединен с нижним концом соответствующей кронштейну 22 силовой пустотелой спицей 24 (необходимое количество спиц определяется экспериментальным или расчетным путем), проходящей внутри лопатки 23 соплового аппарата 7, и закреплением их наружных концов на наружной стенке 25 корпуса 12 соплового аппарата, что образует силовую схему объединенной опоры ТВД и ТНД. При этом силовые пустотелые спицы 24 своим наружным диаметром по всей длине контактируют с отверстиями в сопловых лопатках 23 по посадке с малым зазором, например 0,01…0,05 мм, и сопловые лопатки 23 при передаче усилий сжатия и изгиба становятся для спиц 24 бандажами и, тем самым, исключают возможность потери устойчивости пустотелых тонкостенных спиц 24 при продольном сжатии. Это обстоятельство дает возможность минимизировать диаметр и толщину спиц 24 и, соответственно, минимизировать хорду сопловых лопаток 23 и расстояния между турбинами высокого и низкого давления и, тем самым, уменьшить массу турбины в целом.
Тепловая изоляция пустотелых спиц 24 (от горячего газа в тракте), по внутренней полости которых проходят охлаждающие среды (масло, воздух для наддува предмаслянных полостей и т.п.), осуществлена за счет теплообмена с воздухом, идущим для охлаждения самих сопловых лопаток 23, внутренняя полость которых раздела на две полости 54 и 55 со своими выходными щелями 56 и 57.
Крепление цапфы 11 (вала 3) слева от диска 26 рабочего колеса 5 турбины низкого давления позволяет минимизировать диаметр втулочной части диска 26. Подвод воздуха на охлаждения диска 26 рабочего колеса 5 с обеих сторон с низкой температурой (отбор сжатого воздуха, например, из-за первых ступеней компрессора) позволяет минимизировать и толщину самого диска 26.
Последние две особенности позволяют дополнительно снизить массу рабочего колеса 5 на 10…15%.