ОПОРА ВАЛА РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ), УЗЕЛ ОПОРЫ ВАЛА РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, УПРУГОЕ КОЛЬЦО ОПОРЫ ВАЛА РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ТОРЦЕВАЯ ВТУЛКА ЦАПФЫ ВАЛА РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE ROTOR SHAFT SUPPORT (VERSIONS), GAS TURBINE ENGINE ROTOR SHAFT SUPPORT UNIT, GAS TURBINE ENGINE ROTOR SHAFT SUPPORT RESILIENT RING, GAS TURBINE ENGINE ROTOR SHAFT TRUNNION END BUSHING

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления газотурбинных двигателей.
Известна упруго-демпферная опора ротора ГТД, включающая упругий элемент опоры типа «беличье колесо» (С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Москва. Машиностроение 1989, стр. 373-377).
Известна опора ротора ГТД, включающая корпус опоры с упругим демпфером типа «беличье колесо» (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 734-736, рис. 15.4, стр. 767).
К недостаткам известных решений относится невысокая проработанность адаптации компрессора низкого давления (КНД) к работе в стационарных наземных условиях.
Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в конструктивной разработке передней опоры вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД) стационарного типа с улучшенной системой упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала, повышенным ресурсом двигателя без увеличения габаритов, материалоемкости опоры, трудоемкости монтажа КНД и эксплуатационного обслуживания двигателя.
в.у.к.
в.у.к.
Σ
уч.л.
-3
Поставленная задача решается тем, что опора вала ротора газотурбинного двигателя, согласно изобретению, выполнена как передняя опора вала ротора компрессора низкого давления ГТД стационарного типа с системой упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала и содержит роликоподшипник, разделяющий опору на статорную и роторную части, первая из которых включает корпус опоры, который соединен с корпусом роликоподшипника и охвачен кольцевым элементом ступицы внутреннего корпуса входного направляющего аппарата (ВНА) КНД с образованием компактных кольцевых полостей, одна из которых заполнена жидкостью и снабжена упругим кольцом с обеспечением демпфирования колебаний вала упругим кольцом и замедлением перетоков жидкости через стенку ленты кольца, для чего упругое кольцо снабжено выполненными по периметру односторонними выступами, взаимно смещенными по окружности с внешней и внутренней стороны кольца через один с угловой частотой γ в диапазоне, составляющем γ=(2,55÷3,82) [ед/рад], а лента кольца снабжена перфорацией в виде рассредоточенных отверстий, суммарная пропускная площадь поперечного сечения F которых на участке ленты кольца между каждой парой односторонних смежных выступов составляет (1,1÷1,6)×10 от площади F ленты соответствующего участка кольца; другая из указанных полостей содержит элемент упругого демпфирования колебаний вала ротора, выполненный в корпусе опоры в виде кольцевой конструкции типа «беличье колесо», включающей систему продольно ориентированных упругих балочек, разделенных параллельными прорезями, кроме того, статорная часть опоры включает формообразующие кольцевые элементы полостей наддува воздуха, суфлирования и масляной с закрепленными на них кольцевыми крышками лабиринтов и закрепленное в корпусе роликоподшипника наружное кольцо последнего, а роторная часть опоры включает цапфу передней опоры, состоящую из снабженного не менее чем одним уступом полого цилиндрического участка с установленными на нем внутренним кольцом роликоподшипника и двумя гребешковыми кольцами лабиринтов, которые совместно с ответными крышками лабиринтов разделяют масляную и суфлирующую полости, а также суфлирующую полость и полость наддува воздуха, объем которой ограничен третьим гребешковым кольцом лабиринта, установленным на конической диафрагме цапфы, образующей с цилиндрическим участком одно целое и неразъемно соединенной с диском первой ступени вала ротора, кроме того, цапфа снабжена торцевой втулкой с фланцем для силового опирания внутреннего кольца роликоподшипника и расположенных за ним гребешковых колец лабиринтов с поджатием к уступу цилиндрического участка цапфы.
о.п.н.
о.п.н.
При этом цилиндрический участок цапфы опоры может быть выполнен с внутренней стороны с кольцевой канавкой, образующей совместно с ответной канавкой в стенке шлицевой трубы на участке, заведенном в цилиндрический участок цапфы, воздушный кольцевой коллектор, при этом воздушный коллектор выполнен сообщающим расположенную в опоре часть полости наддува воздуха с входной напорной частью воздушной полости, расположенной в шлицевой трубе, посредством отверстий в цапфе и шлицевой трубе, разнесенных по периметру коллектора с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(1,43÷2,07) [ед/рад].
Торцевая втулка цапфы может содержать герметичную диафрагму, разделяющую объем втулки на масляную и воздушную полости, при этом в диафрагме выполнен выступающий в обе стороны от последней стакан, предназначенный для заведения шлицевой втулки, в которую установлен вал привода насоса откачки масла из масляной полости передней опоры.
Разность между радиусами внешнего и внутреннего выступов упругого кольца, равная радиальной ширине кольцевой полости между ответными поверхностями кольцевого элемента ступицы внутреннего корпуса ВНА и кольцевого участка корпуса опоры, может быть выполнена превышающей в (3,2÷4,6) раза толщину ленты упругого кольца на участках между выступами, а радиальная высота внешнего выступа кольца относительно внешней поверхности ленты кольца выполнена в (3,7÷5,4) раза больше аналогичной радиальной высоты внутреннего выступа относительно внутренней поверхности ленты кольца.
п.б.к.
п.б.к.
Упругие балочки могут быть расположены по периметру корпуса опоры с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(7,2÷14,4) [ед/рад], кроме того, балочки разделены параллельными прорезями, ширина которых в (1,1÷2,4) раза превышает ширину балочек.
Кольцевой элемент ступицы внутреннего корпуса ВНА может быть наделен с внешней стороны силовой конической диафрагмой, которая выполнена заодно целое с корпусом ВНА, обращена раструбом к носовому обтекателю и содержит промежуточный кольцевой элемент с двумя фланцами - для крепления маслонасоса опоры и для крепления кожуха, изолирующего масляную полость опоры, а периферийный конец раструба диафрагмы снабжен усиленным двусторонним фланцем, внешняя поверхность которого совмещена с аэродинамическим обводом соответствующего осевого участка внутреннего контура проточной части КНД.
в.у.к.
в.у.к.
Поставленная задача по второму объекту изобретения решается тем, что опора вала ротора газотурбинного двигателя, согласно изобретению, выполнена как передняя опора вала ротора компрессора низкого давления ГТД стационарного типа с системой упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала и содержит роликоподшипник, разделяющий опору на статорную и роторную части, первая из которых включает корпус опоры, который соединен с корпусом роликоподшипника и охвачен кольцевым элементом ступицы внутреннего корпуса входного направляющего аппарата КНД с образованием компактных кольцевых полостей, одна из которых заполнена жидкостью и снабжена упругим кольцом с обеспечением демпфирования колебаний вала упругим кольцом и замедлением перетоков жидкости через стенку ленты кольца, для чего упругое кольцо снабжено с двух сторон выступами, взаимно смещенными по окружности через один с угловой частотой γ в диапазоне, составляющем γ=(2,55÷3,82) [ед/рад], а лента кольца снабжена перфорацией в виде рассредоточенных отверстий, кроме того, статорная часть опоры включает формообразующие кольцевые элементы полостей наддува воздуха, суфлирования и масляной с закрепленными на них кольцевыми крышками лабиринтов и закрепленное в корпусе роликоподшипника наружное кольцо последнего, а роторная часть опоры включает цапфу передней опоры вала ротора, состоящую из снабженного не менее чем одним уступом полого цилиндрического участка с установленными на нем внутренним кольцом роликоподшипника и двумя гребешковыми кольцами лабиринтов, а также конической диафрагмы, с установленным на ней третьим гребешковым кольцом лабиринта, образующей с цилиндрическим участком одно целое и неразъемно соединенной с диском первой ступени вала ротора.
При этом вторая кольцевая полость может содержать элемент упругого демпфирования колебаний вала ротора, выполненный в корпусе опоры в виде кольцевой конструкции типа «беличье колесо», включающей систему продольно ориентированных упругих балочек, разделенных параллельными прорезями.
Цапфа может быть снабжена торцевой втулкой с фланцем для силового опирания внутреннего кольца роликоподшипника и расположенных за ним гребешковых колец лабиринтов с поджатием к уступу цилиндрического участка цапфы, причем торцевая втулка цапфы содержит герметичную диафрагму, разделяющую объем втулки на масляную и воздушную полости, а в диафрагме выполнен выступающий в обе стороны от последней стакан, предназначенный для заведения шлицевой втулки, в которую установлен вал привода насоса откачки масла из масляной полости передней опоры.
о.п.н.
о.п.н.
Цилиндрический участок цапфы опоры может быть выполнен с внутренней стороны с кольцевой канавкой, образующей совместно с ответной канавкой в стенке шлицевой трубы на участке, заведенном в цилиндрический участок цапфы, воздушный кольцевой коллектор, при этом воздушный коллектор выполнен сообщающим расположенную в опоре часть полости наддува воздуха с входной напорной частью воздушной полости, расположенной в шлицевой трубе, посредством отверстий в цапфе и шлицевой трубе, разнесенных по периметру коллектора с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(1,43÷2,07) [ед/рад].
Разность между радиусами внешнего и внутреннего выступов упругого кольца, равная радиальной ширине кольцевой полости между ответными поверхностями кольцевого элемента ступицы внутреннего корпуса ВНА и кольцевого участка корпуса опоры, может быть выполнена превышающей в (3,2÷4,6) раза толщину ленты упругого кольца на участках между выступами, а радиальная высота внешнего выступа кольца относительно внешней поверхности ленты кольца выполнена в (3,7÷5,4) раза больше аналогичной радиальной высоты внутреннего выступа относительно внутренней поверхности ленты кольца.
п.б.к.
п.б.к.
Упругие балочки могут быть расположены по периметру корпуса опоры с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(7,2÷14,4) [ед/рад], кроме того, балочки разделены параллельными прорезями, ширина которых в (1,1÷2,4) раза превышает ширину балочек.
Кольцевой элемент ступицы внутреннего корпуса ВНА может быть наделен с внешней стороны силовой конической диафрагмой, которая выполнена заодно целое с корпусом ВНА, обращена раструбом к носовому обтекателю и содержит промежуточный кольцевой элемент с двумя фланцами - для крепления маслонасоса опоры и для крепления кожуха, изолирующего масляную полость опоры, а периферийный конец раструба диафрагмы снабжен усиленным двусторонним фланцем, внешняя поверхность которого совмещена с аэродинамическим обводом соответствующего осевого участка внутреннего контура проточной части КНД.
о.к.у
о.у.к.
в.
Поставленная задача по третьему объекту изобретения решается тем, что узел опоры вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, согласно изобретению, включает кольцевую компактную полость передней опоры вала ротора, образованную ответными кольцевыми участками корпуса опоры КНД и кольцевым элементом ступицы внутреннего корпуса входного направляющего аппарата, заполненную в рабочем состоянии компрессора жидкостью типа авиационного масла, и содержит введенное в полость упругое кольцо для совместного с жидкостью упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала ротора, для чего упругое кольцо выполнено в виде бесконечной ленты из упругого стойкого к вибрациям материала с высокой длительной прочностью, снабжено расположенными по периметру через один с внешней и внутренней стороны односторонними выступами осевой высотой, равной толщине кольца, разделяющими с каждой из сторон кольца объем полости на локализованные участки, размещенные с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=N/2π=(1,27÷1,90) [ед/рад], кроме того, выступы с противоположных сторон ленты кольца взаимно смещены по периметру на часть длины дуги смежных участков, а каждый участок ленты между двумя смежными односторонними выступами снабжен перфорацией с числом отверстий не менее четырех.
-3
При этом отверстия для демпфирующего перетока жидкости можут быть попарно разнесены по высоте ленты кольца не менее чем на 0,5 высоты последнего и взаимно смещены по окружности ленты не менее чем на пять диаметров отверстия, а элементарный единичный объем ΔV демпфирующего перетока жидкости через каждое из указанных отверстий, соответствующий единичному статическому объему жидкости в условном цилиндре высотой, равной толщине ленты кольца, и основанием, равным площади поперечного сечения отверстия, составляет (1,6÷2,3)×10 от меньшего из локализованных объемов жидкости, примыкающих к ленте на смежных участках с противоположных сторон ленты кольца.
-4
Условный единичный объем демпфирующего перетока жидкости, выраженный как объем элементарного цилиндра с основанием, равным площади поперечного сечения указанного отверстия и высотой, равной толщине локализованного участка полости с внешней стороны кольца, может быть выполнен превышающим аналогичный единичный объем, расположенный с внутренней стороны кольца в (3,7÷5,4) раза, при этом единичный объем условного цилиндра жидкости в локализованном участке полости с внутренней стороны ленты кольца составляет (2,8÷4,1)×10 от объема указанного локализованного участка полости.
о.к.у
о.к.у
Поставленная задача по четвертому объекту изобретения решается тем, что упругое кольцо опоры вала компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, согласно изобретению, предназначено для введения в кольцевую компактную полость передней опоры вала ротора, для чего кольцо выполнено в виде бесконечной ленты из упругого стойкого к вибрациям материала, наделенного высокой длительной прочностью, принято высотой, соответствующей осевой длине указанной полости, снабжено расположенными по периметру через один с внешней и внутренней стороны ленты односторонними выступами, обеспечивающими разделение объема полости с каждой из сторон ленты кольца на локализованные участки с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(1,27÷1,90) [ед/рад], а радиальная высота внешнего выступа кольца относительно внешней поверхности ленты кольца выполнена в (3,7÷5,4) раза больше аналогичной радиальной высоты внутреннего выступа относительно внутренней поверхности ленты кольца.
При этом кольцо может быть выполнено с геометрическими параметрами осевой высоты и радиальной толщины, соответствующими параметрам осевой длины и радиальной толщины полости, достаточными для свободного введения упругого кольца и демпфирующего гашения колебаний вала ротора, и снабжено перфорацией с числом отверстий не менее четырех между двумя смежными односторонними выступами на ленте кольца для обеспечения возможности замедления возвратного перетока жидкости через ленту кольца в процессе демпфирования амплитуды и рассеивания энергии колебаний вала ротора.
о.т.в.
о.т.в
Поставленная задача по пятому объекту изобретения решается тем, что торцевая втулка цапфы передней опоры вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, согласно изобретению, выполнена многофункциональной, осесимметричной относительно оси вала ротора и содержит корпус, имеющий форму тела вращения с условной описывающей поверхностью, конгруэнтно вписанной в ответную внутреннюю поверхность цапфы, при этом корпус втулки содержит выполненную за единое целое со стенкой корпуса герметичную диафрагму, разделяющую объем втулки на масляную полость и воздушную полость, которая сообщена с полостью наддува опоры, кроме того, корпус втулки снабжен фланцем с шириной, достаточной для силового опирания на внутреннее кольцо роликоподшипника и для поджатия последнего к расположенным за ним двух гребешковых колец лабиринтов, для чего фланец снабжен не менее чем двумя центрирующими отверстиями и отверстиями для крепления втулки к цапфе, разнесенными по периметру фланца с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(0,80÷1,9) [ед/рад], а в диафрагме выполнен за одно целое с ней выступающий в обе стороны от последней стакан, при этом фронтальная часть стакана выполнена сообщенной с масляной полостью и с тыльной частью стакана, конструктивно выступающей в воздушную полостью и предназначенной для заведения шлицевой втулки, в которой установлен вал привода насоса откачки масла из масляной полости передней опоры.
При этом выступающая в масляную полость фронтальная часть стакана может быть выполнена с диаметром, превышающим диаметр тыльной части стакана и объединена с последней посредством переходного кругового скоса, а шлицевая втулка зафиксирована от проворота штифтом.
Технический результат группы изобретений, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков передней опоры вала ротора КНД ГТД, заключается в повышении эффективности системы упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала, расширении диапазона рабочих режимов устойчивой работы двигателя с демпфированием колебаний вала ротора без вхождения в резонансные частоты и повышении ресурса двигателя в целом. Это достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений передней опоры, а именно, элемента упругого демпфирования колебаний вала типа «беличье колесо» и установленного в корпусе опоры упругого колеса, работающего в зоне сжатия как упругая криволинейная балка, демпфируя часть энергии колебания разработанной в изобретении лентой кольца, выполненной с выступами с внешней и внутренней стороны ленты и калиброванными отверстиями. При вращении вала конструктивное замедление перетока жидкости из зоны сжатия во внешнем участке ленты кольца в зону разряжения в оппозитном участке полости гасит при этом энергию колебаний, что повышает эффективность упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала в целом, а также за счет уменьшения изнашивания элементов опоры КНД повышает ресурс компрессора в 2 раза и продолжительность межремонтной работы на 18-20%.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 - передняя опора вала ротора КНД ГТД, продольный разрез;
На фиг. 2 - фрагмент упругого кольца, вид сбоку;
На фиг. 2 - лента упругого кольца, вид сверху;
На фиг. 4 - торцевая втулка цапфы вала ротора, продольный разрез;
На фиг. 5 - торцевая втулка цапфы вала ротора, вид сбоку.
Опора вала ротора газотурбинного двигателя выполнена как передняя опора вала ротора компрессора низкого давления ГТД стационарного типа с системой упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала.
Опора вала ротора содержит роликоподшипник 1, разделяющий опору на статорную и роторную части. Статорная часть включает корпус 2 опоры, который соединен с корпусом 3 роликоподшипника 1 и охвачен с боковой поверхности примыкающим к нему кольцевым элементом ступицы 4 внутреннего корпуса 5 входного направляющего аппарата КНД с образованием между ними двух компактных периферийных кольцевых полостей 6 и 7.
в.у.к.
Кольцевая полость 6 в рабочем состоянии заполнена жидкостью и снабжена автономным упругим кольцом 8. Кольцо 8 разделяет кольцевую полость 6 на неодинаковые объемы по разные стороны кольца 8 с обеспечением демпфирования колебаний вала одновременно упругим кольцом 8 и конструктивным замедлением возвратных перетоков жидкости через стенку ленты 9 кольца 8. Для этого кольцо 8 снабжено выполненными по периметру ленты 9 кольца односторонними выступами 10 и 11 с внешней и внутренней стороны. Выступы 10, 11 взаимно смещены по окружности через один с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
в.у.к.
в.
γ=N/2π=(2,55÷3,82) [ед/рад],
в.
где N - общее число выступов с обеих сторон ленты упругого кольца.
Σ
уч.л.
-3
Лента 9 кольца 8 снабжена перфорацией в виде рассредоточенных отверстий 12. Суммарная пропускная площадь поперечного сечения F отверстий 12 на участке ленты 9 кольца 8 между каждой парой односторонних смежных выступов 10, 11 составляет (1,1÷1,6)×10 от площади F ленты 9 соответствующего участка кольца 8.
Разность между радиусами внешнего и внутреннего выступов 10 и 11 упругого кольца 8, равная радиальной ширине кольцевой полости между ответными поверхностями кольцевого элемента ступицы 4 внутреннего корпуса 5 ВНА и кольцевого участка корпуса 2 опоры, выполнена превышающей в (3,2÷4,6) раза толщину ленты 9 упругого кольца 8 на участках между выступами 10, 11. Радиальная высота внешнего выступа 10 кольца 8 относительно внешней поверхности ленты 9 кольца 8 на участках между выступами 10, 11 выполнена в (3,7÷5,4) раза больше аналогичной радиальной высоты внутреннего выступа 11 относительно внутренней поверхности ленты 9 кольца 8.
б.б.к.
Кольцевая полость 7 содержит элемент упругого демпфирования колебаний вала ротора и изменения резонансной частоты вращения ротора, выполненный непосредственно в теле корпуса 2 опоры вала ротора в виде кольцевой конструкции типа «беличье колесо», включающей систему продольно ориентированных упругих балочек 13. Балочки 13 расположены по периметру корпуса 2 опоры с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
б.б.к.
б.б.к.
γ=N/2π=(7,2÷14,4) [ед/рад],
б.б.к.
где N - число упругих балочек в «беличьем колесе».
Балочки 13 разделены параллельными прорезями (на чертежах не показано), ширина которых в (1,1÷2,4) раза превышает ширину балочек 13.
Статорная часть опоры включает масляную полость 14, полость 15 суфлирования и полость 16 наддува воздуха. Полости 14, 15, 16 выполнены формообразующими кольцевыми элементами 17, 18, 19 с закрепленными на них кольцевыми крышками 20, 21, 22 лабиринтов. Статорная часть опоры включает также закрепленное в корпусе 3 роликоподшипника 1 наружное кольцо 23 последнего.
Роторная часть опоры включает цапфу 24 передней опоры. Цапфа 24 состоит из полого цилиндрического участка 25 с не менее чем одним уступом 26 и конической диафрагмы 27. На цилиндрическом участке 25 цапфы 24 установлены внутреннее кольцо 28 роликоподшипника 1 и два гребешковых кольца 29, 30 лабиринта. Кольца 29, 30 лабиринта совместно с ответными крышками 20, 21 лабиринтов разделяют масляную полость 14 и суфлирующую полость 15, а также суфлирующую полость 15 и полость 16 наддува воздуха. Объем полости 16 наддува воздуха ограничен третьим гребешковым кольцом 31 лабиринта, установленным на конической диафрагме 27 цапфы, образующей с цилиндрическим участком одно целое и неразъемно соединенной с диском первой ступени (на чертежах не показано) вала ротора. Цапфа снабжена торцевой втулкой 32 с фланцем 33 для силового опирания внутреннего кольцо 28 роликоподшипника 1 и расположенных за ним гребешковых колец 29, 30 лабиринтов с поджатием к уступу 26 цилиндрического участка 25 цапфы 24.
Цилиндрический участок 25 цапфы 24 опоры выполнен с внутренней стороны с кольцевой канавкой 34, образующей совместно с ответной канавкой 35 в стенке шлицевой трубы 36 на участке, заведенном в полый цилиндрический участок 25 цапфы 24, воздушный кольцевой коллектор 37. Воздушный коллектор 37 выполнен сообщающим расположенную в опоре часть полости 14 наддува воздуха с входной напорной частью воздушной полости, расположенной в шлицевой трубе 36, посредством отверстий 38, 39 соответственно в цапфе 24 и шлицевой трубе 36.
о.п.н.
Отверстия 38, 39 разнесены по периметру коллектора 37 с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
о.п.н.
γ=N/2π=(1,43÷2,07) [ед/рад],
где N - количество выходящих в воздушный коллектор отверстий полости наддува воздуха, выполненных в цапфе опоры и стенке шлицевой трубы.
Кольцевой элемент ступицы 4 внутреннего корпуса 5 ВНА наделен с внешней стороны силовой конической диафрагмой 40, которая выполнена заодно целое с корпусом 5 ВНА, обращена раструбом к носовому обтекателю. Коническая диафрагма 40 содержит промежуточный кольцевой элемент (на чертежах не показано) с двумя фланцами - для крепления маслонасоса опоры и для крепления кожуха, изолирующего масляную полость опоры. Периферийный конец раструба диафрагмы снабжен усиленным двусторонним фланцем (на чертежах не показано), внешняя поверхность которого совмещена с аэродинамическим обводом соответствующего осевого участка внутреннего контура проточной части КНД.
Узел опоры вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя стационарного типа включает кольцевую компактную полость 6 передней опоры вала ротора, образованную ответными кольцевыми участками корпуса 2 опоры КНД и ступицы 4 внутреннего корпуса 5 входного направляющего аппарата, заполненную в рабочем состоянии компрессора жидкостью типа авиационного масла.
о.к.у.
Узел опоры вала содержит введенное в полость 6 упругое кольцо 8 для совместного с жидкостью упруго-гидравлического демпфирования колебаний вала ротора. Для чего кольцо 8 выполнено в виде бесконечной ленты 9 из упругого стойкого к вибрациям материала с высокой длительной прочностью. Кольцо 8 снабжено расположенными по периметру через один с внешней и внутренней стороны односторонними выступами 10 и 11 осевой длиной, равной высоте кольца 8. Выступы 10 и 11 разделяют с каждой из сторон упругого кольца 8 объем кольцевой полости 6 на локализованные участки, размещенные с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
o.к.у
o.в.к.
γ=N/2π=(1,27÷1,90) [ед/рад],
о.к.у.
о.в.к.
где γ - угловая частота односторонних кольцевых участков между выступами; N - количество односторонних кольцевой участков полости с внешней либо с внутренней стороны ленты кольца.
Выступы 10, 11 с противоположных сторон ленты 9 кольца 8 взаимно смещены по периметру на часть длины дуги смежных участков 41. Каждый участок 41 ленты 9 между двумя смежными односторонними выступами снабжен перфорацией с числом отверстий 12 не менее четырех. Отверстия 12 для демпфирующего перетока жидкости попарно разнесены по высоте ленты 9 кольца 8 не менее чем на 0,5 высоты последнего и взаимно смещены по окружности ленты 9 не менее чем на пять диаметров отверстия 12.
-3
Элементарный единичный объем ΔV демпфирующего перетока жидкости через каждое отверстие 12, соответствующий единичному статическому объему жидкости в условном цилиндре высотой, равной толщине ленты 9 кольца 8, и основанием, равным площади поперечного сечения отверстия 12, составляет (1,6÷2,3)×10 от меньшего из локализованных объемов жидкости, примыкающих к ленте 9 на смежных участках 41 с противоположных сторон кольца 8.
-4
Условный единичный объем демпфирующего перетока жидкости, выраженный как объем элементарного цилиндра с основанием, равным площади поперечного сечения отверстия 12 и высотой, равной толщине локализованного участка полости с внешней стороны кольца 8, выполнен превышающим в (3,7÷5,4) раза аналогичный единичный объем, расположенный с внутренней стороны кольца 8. Единичный объем условного цилиндра жидкости в локализованном участке полости с внутренней стороны ленты 9 кольца 8 составляет (2,8÷4,1)×10 от объема указанного локализованного участка полости.
о.к.у
Упругое кольцо 8 опоры вала компрессора низкого давления газотурбинного двигателя предназначено для введения в кольцевую компактную полость 6 передней опоры вала ротора. Кольцо 8 выполнено в виде бесконечной ленты 9 из упругого стойкого к вибрациям материала, наделенного высокой длительной прочностью. Кольцо 9 принято высотой, соответствующей осевой длине полости б. Кольцо 8 снабжено расположенными по периметру ленты 9 через один с внешней и внутренней стороны односторонними выступами 10 и 11. Выступы 10 и 11 выполнены обеспечивающими возможность разделения объема полости 6 с каждой из сторон ленты 9 кольца 8 на локализованные участки с угловой частотой γ, определенной в диапазоне
о.к.у
o.в.к.
γ=N/2π=(1,27÷1,90) [ед/рад],
о.к.у.
о.в.к.
где γ - угловая частота односторонних участков кольцевой полости; N - количество односторонних участков кольцевой полости с внешней либо с внутренней стороны ленты кольца.
Радиальная высота внешнего выступа 10 кольца относительно внешней поверхности ленты 9 кольца 8 на смежных участках 41 между выступами 10 выполнена в (3,7÷5,4) раза больше аналогичной высоты внутреннего выступа 11 относительно внутренней поверхности ленты 9 кольца.
-1
Кольцо 2 выполнено с геометрическими параметрами высоты и радиальной толщины, соответствующими параметрам осевой длины и радиальной толщины полости, достаточными для свободного введения упругого кольца 8 и демпфирующего гашения колебаний вала ротора, и снабжено перфорацией с числом отверстий 12 не менее четырех между двумя смежными односторонними выступами 10, 11 на ленте 9 кольца для рабочего демпфирующего перетока жидкости за период однократного колебательного нажатия вала на внутренний выступ 11 кольца 8 в объеме, составляющем в штатной ситуации работы компрессора не более (1×10) от демпферного объема указанной жидкости в локальной полости между смежными внешними выступами 10, 11 кольца для обеспечения возможности замедления возвратного перетока жидкости через ленту 9 кольца 8 в процессе демпфирования колебаний и рассеивания энергии колебаний вала ротора.
Торцевая втулка 32 цапфы 24 передней опоры вала ротора КНД ГТД выполнена многофункциональной, осесимметричной относительно оси вала ротора. Торцевая втулка 32 содержит корпус 42, имеющий форму тела вращения с условной описывающей поверхностью, конгруэнтно вписанной в ответную внутреннюю поверхность цапфы 24. Корпус 42 втулки содержит выполненную за единое целое со стенкой 43 корпуса герметичную диафрагму 44. Диафрагма 44 разделяет объем втулки на масляную полость 45 и воздушную полость 46, которая сообщена с полостью 14 наддува опоры.
о.т.в.
о.т.в
Корпус 42 торцевой втулки 32 снабжен фланцем 33 с шириной, достаточной для силового опирания на внутреннее кольцо 28 роликоподшипника 1 и для поджатия роликоподшипника 1 к расположенным за ним гребешковым кольцам 29, 30 лабиринтов. Фланец 33 снабжен не менее чем двумя центрирующими отверстиями 47 и отверстиями 48 для крепления торцевой втулки 32 к цапфе 24. Отверстия 48 разнесены по периметру фланца 33 с угловой частотой γ, определенной в диапазоне γ=(0,80÷1,9) [ед/рад].
В диафрагме 44 выполнен за одно целое с ней выступающий в обе стороны от диафрагмы стакан 49. Фронтальная часть 50 стакана 49 выполнена сообщенной с масляной полостью 45. Тыльная часть 51 стакана 43 выполнена конструктивно выступающей в воздушную полостью 46 втулки и предназначенной для заведения шлицевой втулки 52. В шлицевую втулку 52 установлен вал 53 привода насоса откачки масла из масляной полости 16 передней опоры. Выступающая в масляную полость 45 фронтальная часть 50 стакана 49 выполнена с диаметром, превышающим диаметр тыльной части 51 стакана и объединена с последней посредством переходного кругового скоса 54. Шлицевая втулка 52 зафиксирована от проворота штифтом 55.
о.у.к.
о.у.к.
Σотв.
уч.л.
в.у.к.
в.у.к.
-3
Таким образом, технический результат оптимального демпфирования колебаний вала ротора в рабочем диапазоне режимов вращения вала обеспечивается совокупностью найденных в изобретении параметров упругого кольца 8: угловой частоты, геометрических параметров и взаимного смещения односторонних выступов 10, 11 с двух сторон ленты 9 по периметру кольца 8, диаметрами и совокупной площадью поперечного сечения переточных отверстий 12 на участке кольца между смежными выступами 10, 11, а также частотами колебаний вала в рабочих режимах вращения ротора, а именно, угловой частотой общего числа выступов, принимаемой в указанном диапазоне (2,55÷3,82) [ед/рад], угловой частотой γ односторонних выступов, локализующих участки кольцевой полости, которая в изобретении принята в диапазоне γ=(1,27÷1,90) и суммарной пропускной площадью поперечного сечения F на участке ленты 9 кольца 8 между каждой парой односторонних смежных выступов 10, 11, безразмерно выраженной в диапазоне (1,1÷1,6)×10 как отношение к площади F соответствующего участка ленты 9 кольца 8. При угловой частоте γ>3,82 [ед/рад] происходит неоправданное повышение жесткости кольца 8 между выступами 10, 11, сверхтребуемого для конструктивного замедления демпфирующего перетока жидкости через отверстия 12 в ленте 9 кольца, возрастает нетребуемая процессом демпфирования материале- и трудоемкость изготовления кольца 8. При выходе угловой частоты в область значений γ<2,55 [ед/рад] рассогласованно с процессом требуемого упруго-гидравлического демпфирования снижается роль упругости ленты 9.
б.б.к.
б.б.к.
Технический результат выведения критических резонансных частот колебаний вала ротора ниже диапазона рабочих режимов вращения, согласно изобретению, достигается при угловой частоте и геометрических параметрах упругих балочек 13 и прорезей между ними, принимаемых в диапазоне значений (7,2÷14,4) [ед/рад] с одновременным соблюдением условия, при котором ширина прорезей в (1,2÷2,4) раза превышает ширину упругих балочек 13. При соблюдении принятых в изобретении геометрических параметров элементов «беличьего колеса» и соотношения параметров ширины величин «балочка/прорезь» достигают оптимальное сочетание требуемой общей жесткости опоры и функционального назначения элемента упругого демпфирования колебаний вала с необходимым выводом критических резонансных частот ниже рабочего диапазона допустимых колебаний вала ротора. При выходе за пределы найденных в изобретении соотношений значений частоты балочек 13 и прорезей γ<7,2 [ед/рад] и γ>14,4 [ед/рад] недопустимо снижается эффективность влияния конструкции «беличьего колеса» на жесткость опоры и на допустимые напряжения по запасам прочности при прогибе опоры, и как следствие, не обеспечивает достижение требуемого результата упругого демпфирования колебаний вала.
о.т.в.
о.т.в.
о.т.в.
Технический результат изобретения достигается также при значениях угловой частоты γ расположения во фланце 33 отверстий 48 для крепления торцевой втулки 32, принимаемой в диапазоне (0,8÷1,9) [ед/рад]. При увеличении количества и частоты отверстий 48, выполняемых диаметром, разрешенным радиальной шириной фланца 33 торцевой втулки, γ>1,9 [ед/рад] возникает неоправданное ослабление фланца 33 и цапфы 24 в зоне отверстий 48 под крепежные элементы и для подтягивания гребешковых колец 29, 30 лабиринтов и внутреннего кольца 28 роликоподшипника на цапфе 24 потребуется неоправданный перерасход материала фланца и цапфы. Выполнение отверстий 48 во фланце 33 торцевой втулки 32 с частотой, меньшей γ<0,8 [ед/рад] также приведет к неоправданному перерасходу материала фланца и корпуса втулки за счет требуемого увеличения толщины фланца для уменьшения неравномерности нагружения соединяемых элементов.
Пример реализации изобретения.
При монтаже передней опоры вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя используют роликоподшипник 1 с внутренним и наружным кольцами 28 и 23 с телами качения в виде роликов 56 и сепаратором 57 между ними. Посадочный диаметр внутреннего кольца принимают ⌀ 95 мм, а наружного - ⌀ 130 мм. Наружное кольцо 23 устанавливают в корпус 3 роликоподшипника, объединенный с кольцевым элементом 17 разделения масляной полости 14 и суфлирующей полости 15, снабженным крышкой 22 лабиринта.
За внутренним кольцом 28 роликоподшипника 1 на цилиндрическом участке 25 цапфы 24 последовательно устанавливают гребешковые кольца 29 и 30 лабиринтов, которые выполняют с посадочным ⌀ 95 мм. Гребешковое кольцо 29 лабиринта разделяет масляную полость 14 и суфлирующую полость 15. Гребешковое кольцо 30 лабиринта разделяет суфлирующую полость 15 с полостью 16 наддува воздуха. Третье гребешковое кольцо 31 лабиринта устанавливают на конической диафрагме 27 цапфы с ⌀ 146 мм, подвижно ограничивая в сочетании с крышкой 22 лабиринта полость 16 наддува воздуха.
Корпус 2 опоры соединен с корпусом 3 роликоподшипника 1 и охвачен с боковой поверхности примыкающим к нему кольцевым элементом ступицы 4 внутреннего корпуса 5 ВНА КНД с образованием между ними двух компактных периферийных кольцевых полостей 6 и 7. В кольцевую полость 6 устанавливают упругое кольцо 8 и заполняют жидкостью типа авиационного моторного масла.
Упругое кольцо 8 выполняют из стали в виде бесконечной ленты 9 ⌀ 173 мм, толщиной 1,3 мм, высотой 22 мм. Упругое кольцо 8 снабжают выполненными по периметру ленты кольца односторонними выступами 10, 11 с внешней и внутренней стороны кольца 8, взаимно смещенными по окружности через один с угловой частотой 1,6 [ед/рад]. Выступы 10 с внешней стороны ленты 9 кольца выполняют радиальной высотой превышения над внешней поверхностью ленты, составляющей 1,03 мм. Превышение внутреннего выступа 11 над внутренней поверхностью ленты 9 кольца составляет 0,22 мм. Ленту 9 кольца снабжают перфорацией в виде групп отверстий 12 диаметром 0,7 мм в количестве 4 штук на каждый участок между двумя смежными выступами. Ширина внешних и внутренних выступов 10, 11 кольца 5 мм.
Кольцевая полость 7 содержит элемент упругого демпфирования колебаний вала ротора, выполненный непосредственно в теле корпуса 2 опоры вала ротора в виде кольцевой конструкции типа «беличье колесо», включающей систему продольно ориентированных упругих балочек 13 с осевой длиной 25 мм, шириной 4 мм, толщиной 2,5 мм, разделенных продольными прорезями шириной 7 мм.
Торцевую втулку 32 цапфы 24 вала ротора выполняют с корпусом 42 в виде цилиндра переменного диаметра, условная описанная поверхность которого выполнена диаметром 75 мм и конгруэнтно вписана в ответную внутреннюю поверхность цапфы 24. Стенку 43 корпуса 42 втулки 32 выполняют точеной за одно целое с герметичной диафрагмой 44, в которой выполнен за одно целое, выступающий в обе стороны от диафрагмы стакан 49. Фронтальная часть 50 стакана 49 имеет ⌀ 21 мм. Тыльную часть 51 выполняют с внутренним ⌀ 14 мм со вставной шлицевой втулкой 52 с установленным в ней гибким валом 53 откачивающего маслонасоса. Втулку 52 фиксируют от проворота в корпусе стакана 49 вставным штифтом 55. В корпусе втулки 52 с внешней стороны выполняют кольцевую канавку масляного коллектора и кольцевую канавку для уплотнительного кольца. Фланец 33 торцевой втулки 32 выполняют с двумя центрирующими отверстиями 47 и восьмью отверстиями 48 для крепления торцевой втулки 32 к цапфе 24.
Работает передняя опора вала ротора компрессора низкого давления ГТД следующим образом.
Возникающие при вращении вала возникающие колебания ротора демпфирует упруго-гидравлическая система опоры, включающая упругое кольцо 8, заключенное в кольцевой полости 6, заполненной под давлением моторным маслом. При динамическом радиальном колебательном надавливании вала на упругое кольцо 8, работающее в зоне сжатия как упругая криволинейная балка на двух опорах часть энергии колебания демпфируется за счет упругого сопротивления ленты 9 кольца 8 происходит гасящий энергию колебания конструктивно замедленный переток жидкости из зоны сжатия в зону разряжения через калиброванные отверстия 12, чем также гасится энергия колебания вала. При переносе нажатия вала на другие участки кольца 8 процесс демпфирования колебаний повторяется, а в предшествующей зоне происходит конструктивно замедленный перфорацией ленты кольца возвратный переток жидкости, также создающий дополнительное демпфирование колебаний вала.
В другой кольцевой полости 7 корпуса опоры, содержащей систему упругих балочек 13, в процессе вращения вала и динамической смены режимов вращения происходит изменение критических частот колебаний вала и через систему балочек 13 происходит вывод критических частот ниже предела диапазона рабочих режимов работы вала, чем достигается повышение безопасной работы компрессора и двигателя в процессе эксплуатации ГТД в составе газоперекачивающих агрегатов для транспортировки газа или газотурбинной электростанции.
Таким образом, за счет конструктивно проработанного корпуса передней опоры вала ротора с установленным в корпусе упругим кольцом с улучшенной системой демпфирования колебаний вала ротора, а также с установленным в корпусе конструкции типа «беличье колесо», достигают расширения диапазона рабочих режимов устойчивой работы двигателя с демпфированием колебаний вала ротора без вхождения в резонансные частоты, чем обеспечивают повышение ресурса компрессора и двигателя в целом.