Устройство для регулирования осевых сил в газотурбинном двигателе

 

Использование: в машиностроении. Сущность изобретения: устройство снабжено двумя упругими элементами, закрепленными на диафрагмах, причем на торце подвижной в осевом направлении диафрагмы и на контактирующей с ней торцевой поверхности ротора выполнены равномерно расположенные в окружном направлении одинаковые кольцевые профилированные выступы в виде выпуклых поверхностей с постоянным радиусом кривизны, а диафрагма установлена относительно выступа ротора с зазором с образованием гидродинамического клина. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к газотурбинным двигателям.

Известно устройство для уменьшения осевой силы, действующей в газотурбинном двигателе, состоящее из разгрузочной полости, ограниченной корпусом и ротором, в которую подается сжатый воздух от одной из ступеней компрессора, воздействующий на торцовую поверхность ротора.

Недостатками указанного устройства являются снижение экономичности газотурбинного двигателя вследствие потерь примерно 1-3% мощности двигателя из-за отбора воздуха из проточной части компрессора, невозможность полного устранения вредного воздействия осевой силы и ее регулирования в зависимости от режимов нагружения двигателя.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым за прототип, является устройство, содержащее разгрузочную полость, соединенную с аккумулятором давления, заполненную жидкостью кольцевую камеру, образованную жесткими диафрагмами, причем одна из диафрагм жестко закреплена в корпусе двигателя, а другая выполнена на валу двигателя (авт. св. СССР N 628738, кл. D 01 D 3/00, 1986).

Недостатками этого устройства являются невысокая экономичность вследствие потерь мощности на трение при взаимо- действии внутренней стенки диафрагмы с жидкостью, громоздкость и сложность ее изготовления и эксплуатации.

Целью изобретения является повышение экономичности газотурбинного двигателя.

Для этого устройство снабжено двумя упругими элементами, закрепленными на диафрагмах, причем на торце подвижной в осевом направлении диафрагмы и на контактирующей с ней торцовой поверхности ротора выполнены равномерно расположенные в окружном направлении одинаковые кольцевые профилированные выступы в виде выпуклых поверхностей с постоянным радиусом кривизны, а диафрагма установлена относительно выступа ротора с зазором с образованием гидродинамического клина.

Сравнение предлагаемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не выявило в них признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображено в разрезе устройство для регулирования осевых сил; на фиг.2 - тарировочный график, характеризующий функциональную зависимость между удельным давлением в кольцевой камере и осевой силой; на фиг.3 - развертка по диаметру средней окружности торцового контакта элементов диафрагмы и ротора двигателя.

Устройство состоит из недеформируемых диафрагм 1 и 2, к которым при помощи сварки жестко прикреплены упругие элементы 3 и 4, обладающие в осевом направлении одинаковой податливостью. Диафрагмы 1 и 2 имеют радиальные зазоры относительно ротора 5 газотурбинного двигателя. Диафрагма 1 при помощи болтового соединения закреплена фланцами разъемных частей 6 и 7 корпуса. Диафрагма 2 свободна относительно корпуса, но она может перемещаться в осевом направлении относительно диафрагмы 1. С полостями 8 и 9 кольцевой камеры, образованной поверхностями диафрагмы и упругих элементов, при помощи канала 10 соединен аккумулятор 11 давлений, снабженный манометром 12. Наружная торцовая поверхность 13 диафрагмы 2 выступом 14 соприкасается выступом 15 торцовой поверхности ротора 5, причем в зону контакта указанных поверхностей подается смазка, которая на фиг.1 не показана.

Между торцовой поверхностью 13 диаграммы 2 и торцовой поверхностью ротора 5 предусмотрен осевой зазор, необходимый для отсоединения двигателя от устройства при прокрутке ротора.

Устройство работает следующим образом.

В момент времени, предшествующий запуску газотурбинного двигателя, в полость герметичной кольцевой камеры (фиг.1) при помощи аккумулятора 11 давления, которым может быть плунжерный насос, через канал 10 подается под давлением жидкость, например масло, которая, воздействуя на диафрагму 2, перемещает ее в осевом направлении до полного выбора осевого зазора между торцовой поверхностью 13 диафрагмы 2 и торцовой поверхностью ротора 5.

После выбора указанного осевого зазора производится запуск газотурбинного двигателя в течение определенного промежутка времени, в результате чего возникает осевая сила, воздействующая на торцовую поверхность 13 диафрагмы 2, причем величина осевой силы постепенно возрастает и принимает максимальное значение при выходе двигателя на номинальные обороты.

В период запуска двигателя в кольцевую камеру продолжает по-прежнему поступать жидкость таким образом, что в каждый момент времени возникающая результирующая осевая сила давления, действующая на диафрагму 2, уравновешивается осевой силой со стороны ротора газотурбинного двигателя, приложенной на наружной торцовой поверхности 13 диафрагмы. Величина результирующей осевой силы прямо пропорциональна удельному давлению р, возникающему в камере, и определяется при помощи построенного тарировочного графика (фиг. 2).

Таким образом, в результате поддержания в камере определенного давления возможно регулирование величины осевой силы, приложенной к ротору 5, в любых пределах ее изменения, вплоть до полного устранения. Однако с целью повышения работоспособности подшипников качения двигателя целесообразно оставлять примерно до 10-15% действующей осевой силы по сравнению с ее максимальной величиной, направленной на прижатие тел качения и устранение проскальзывания в подшипниках качения.

Для обеспечения нормальной работоспособности торцовых поверхностей 13 диафрагмы 2 и ротора 5 газотурбинного двигателя необходимо, чтобы указанные поверхности вступали в контакт строго параллельно по отношению друг к другу. Это условие соблюдается при выполнении двух требований. Первое требование - упругие элементы 3 и 4 должны иметь одинаковую осевую податливость, которая достигается путем подбора соответствующей толщины торцовых стенок элементов. Второе требование - результирующая осевая сила давления жидкости в полости герметичной кольцевой камеры должна быть приложена в пределах высоты l торцовой поверхности (фиг.3). Если точка приложения результирующей силы окажется вне высоты торцовой поверхности, т.е. сместится выше, то в этом случае диафрагма 2 будет перекошена относительно торцовой поверхности ротора 5, что приведет к перекосу соприкасающихся торцовых поверхностей и невозможности выполнения ими возложенных на них функций.

Во избежание указанного перекоса торцовых поверхностей разработана специальная конструкция камеры, состоящая из двух гофр, расположенных таким образом, что их наружная и внутренняя поверхности соприкасаются с жидкостью, находящейся в герметичной кольцевой камере, причем внутренний диаметр d_вн одной гофры должен быть равен наружному диаметру d_н другой гофры.

Указанная конструкция камеры позволяет распределить удельные давления в полостях 8 и 9 (фиг.1) по внутренним стенкам диафрагм 1 и 2 и наружным стенкам гофра (упругий элемент 4) таким образом, что две результирующие силы давления, действующие на внутренние стенки диафрагм в пределах высоты гофра (упругий элемент 4), взаимно уравновешиваются двумя результирующими силами давления, действующими на наружные торцовые стенки гофра 4. Очевидно, что параллельное перемещение диафрагмы 2, а вместе с ней и торцовой поверхности 13, осуществляется лишь за счет сил давления жидкости, находящейся в полости 8 герметичной кольцевой камеры, результирующая которых характеризуется точкой приложения в пределах высоты торцовой поверхности.

Если принять d_вн > d_н, то в этом случае появится дополнительная равнодействующая сил давления жидкости F = π (d_вн² - d_н²)/4, которая будет приложена к площади кольца, что приведет к перекосу диафрагмы относительно торцовой поверхности ротора. Если d_вн < d_н, то в этом случае равнодействующая сила давления жидкости, действующая на внутренние поверхности гофра (упругий элемент 3) уменьшится с учетом уменьшения площади внутренней поверхности гофра (упругий элемент 3) на величину F = π (d_н² - d_вн²)/4, что потребует создания дополнительного давления жидкости в камере, а это нежелательно. Следовательно, в данной конструкции обязательно должно соблюдаться условие d_вн = d_н. Вследствие наличия упругих элементов и объема жидкости в герметичной кольцевой камере последняя характеризуется высокими демпфирующими свойствами, что позволяет воспринимать и гасить любые динамические и ударные нагрузки преимущественно осевого направления, в результате чего существенно улучшаются виброакустические характеристики устройства.

Таким образом, предложенное устройство позволяет полностью или частично, в зависимости от предъявляемых требований и условий эксплуатации, устранить осевые усилия в газотурбинном двигателе и тем самым, сэкономив расход воздуха, отбираемого из проточной части компрессора, повысить его экономичность.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства следует ожидать за счет повышения экономичности двигателя.

Расчет узла трения, подверженного воздействию осевого нагружения, рассматривают исходя из параметров Осевая нагрузка Р_ос = 2 ˙ 10⁴ Н; Средний диаметр (фиг.1) d_ср = 200 мм; Высота подушки (фиг.3) l = 25 мм; Количество подушек Z = 8 шт; Радиус подушки R₁ = 3 м; Радиус торцовой поверхности ротора (фиг.3) R₂ = ∞ ; Вязкость масла μ_o = 0,17 ˙ 10^-2 Па ˙ с; Пьезокоэффициент вязкости α_o = 0,068x x10^-7 1/Па; Частота вращения ротора n = 5860 об/мин.

1. Удельная нагрузка
ω = P_oc/Zl = 2 ˙ 10⁴/8 ˙ 25 ˙ 10^-3 = 10⁵ Н/м.

2. Контактные напряжения
σ_н = 0,418 ˙ (ω E/ρ)^0,5 = 0,418 ˙ (10⁵ ˙ 2,12x x10¹¹/3)^0,5 = 0,351 ˙ 10⁸ Па, где 1/ρ = 1/R₁ + 1/R₂ или ρ = R₁.

3. При ω = 0,351 ˙ 10⁸ Па определяют коэффициент контактной деформации, β = =1,15.

4. Находят полуширину площадки контакта из выражения b_o = 1,27 ω/σ_н= 1,27x x10⁵/0,351 ˙ 10⁸ = 3,62 ˙ 10^-3 м.

5. Определяют толщину смазочного слоя:
h_o = 1,882 ˙ 10⁶ ˙ω^-0,58α_o^0,35(βρ)^0,79x
x (μ_oV)^0,86 = 7,91 мк, где V = π d_cpn/60 = 3,14 ˙ 200 ˙ 10^-3 x x5860/60 = 61,33 м/с.

6. Определяют функцию ϕ (h_o)
ϕ(h_o) = = 0,969, где n₁ = 0,47517 - коэффициент, характеризующий граничные условия Рейнольдса.

7. Рассчитывают коэффициент трения из выражения
f = - = 4,91·10^-3.

8. Находят мгновенное повышение температуры в зоне контакта
Θ=0,0593·10^-3fω = 3,8°C.

9. Потери мощности на трение
N_тр = = = 5,9 кВт.

Таким образом, торцовые поверхности, воспринимающие осевое усилие, работают в режимах жидкостного трения, характеризуются малыми величинами коэффициентов трения, не превышающими таковых величин в подшипниках качения, повышения температуры и потерь мощности на трение, что позволяет сделать вывод о практически неограниченном сроке службы данного узла.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСЕВЫХ СИЛ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ, содержащее расположенную между корпусом и ротором двигателя разгрузочную полость, подключенную к источнику высокого давления, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности, устройство снабжено двумя упругими элементами, разгрузочная полость заполнена жидкостью и образована двумя диафрагмами, установленными перпендикулярно ротору двигателя, одна из которых закреплена в корпусе двигателя, а другая установлена с возможностью осевого перемещения, упругие элементы закреплены на диафрагмах, причем на торце подвижной в осевом направлении диафрагмы и на контактирующей с ней торцевой поверхности ротора выполнены равномерно расположенные в окружном направлении одинаковые кольцевые профилированные выступы в виде выпуклых поверхностей с постоянным радиусом кривизны, а диафрагма установлена относительно выступа ротора с зазором с образованием гидродинамического клина.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3