Смазочное устройство для смазки элементов турбомашины и турбореактивный двигатель
Устройство для смазки элемента турбомашины, в частности подшипника вала турбореактивного двигателя, содержащее кольцевую опорную часть, образующую смазочную камеру вокруг элемента, кольцевую крышку, установленную герметичным способом на опорную часть и включающую в себя элемент для впуска смазки, и кольцевой канал для потока нагнетаемого и охлаждающего воздуха, образованный между опорной частью и крышкой и связанный с воздуховодными каналами в опорной части и кольцевой полостью, образованной в крышке для прохождения нагнетаемого и охлаждающего воздуха. Такие выполнения устройства для смазки и турбореактивного двигателя позволят повысить экономичность и эффективность смазки. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству для смазки элемента турбомашины, в частности подшипника вала турбореактивного двигателя.
Турбомашина содержит газовую турбину, имеющую установленный на валу турбины ротор, несущий ряд неподвижных ступеней направляющих лопаток и ряд подвижных ступеней рабочих лопаток. Вал турбины центрируется и направляется при вращении подшипниками, которые должны постоянно заполняться маслом, чтобы ограничить их износ при трении.
Известное устройство для смазки подшипника турбомашины содержит:
- кольцевую опорную часть подшипника, установленную на статоре турбомашины и образующую смазочную камеру вокруг подшипника; и
- кольцевую крышку, имеющую элемент для впуска масла для смазки подшипника, причем кольцевая крышка установлена герметичным способом на радиальном торце кольцевой опорной части, а герметизация обеспечивается кольцевой прокладкой, установленной между опорной частью и крышкой, при этом указанная крышка включает кольцевую полость для потока нагнетаемого и охлаждающего воздуха, которая заполняется на ее расположенном выше по потоку конце через воздуховодные каналы, образованные в опорной части и открывающиеся на их расположенных ниже по потоку концах в радиальном торце опорной части вокруг кольцевой прокладки.
При работе турбомашины температура нагнетаемого и охлаждающего воздуха, проходящего в воздуховодных каналах опорной части и в кольцевой полости крышки, составляет приблизительно 200°С. Данный воздух предназначен, главным образом, для нагнетания в заднюю полость, а также охлаждения материала, расположенного вблизи указанного воздуховодного канала или кольцевой полости крышки, в то время как температура на участках, которые находятся дальше от опорной части и крышки, в частности на участках торца опорной части, расположенных между расположенными ниже по потоку концами вышеупомянутых воздуховодных каналов, может достигать приблизительно 370°С.
Поэтому кольцевая прокладка, размещенная вблизи торца опорной части, локально подвергается воздействию высоких температур. Данной прокладкой обычно является эластомерная прокладка типа Viton® с ограниченной способностью противостоять температурам свыше 200°С. Вследствие этого она неэффективна при герметизации смазочной камеры подшипника и во время работы турбомашины могут возникать утечки масла между радиальным торцом опорной части и расположенным выше по потоку концом кольцевой полости крышки. Данные утечки масла увеличивают расход масла смазочного устройства и могут также привести к отложению осадка на элементах турбомашины, расположенных вблизи места утечки, причем осадок может образовывать точки перегрева и уменьшать срок службы.
Целью настоящего изобретения является получение простого, экономичного и эффективного решения этой проблемы.
Изобретение предлагает устройство для смазки элементов турбомашины вышеуказанного типа, в котором кольцевая прокладка может быть использована без риска ее разрушения и без риска утечки масла из смазочной камеры.
С этой целью изобретение предлагает смазочное устройство для смазки элемента турбомашины, в частности подшипника вала турбореактивного двигателя, содержащее:
- кольцевую опорную часть элемента, установленную на неподвижных элементах и образующую смазочную камеру вокруг элемента; и
- кольцевую крышку, включающую в себя элемент для впуска масла для смазки элемента, причем кольцевая крышка установлена герметично на радиальном торце указанной кольцевой опорной части, при этом герметизация обеспечивается кольцевой прокладкой, установленной между опорной частью и крышкой, причем указанная крышка включает в себя кольцевую полость для подачи нагнетаемого и охлаждающего воздуха, которая заполняется на ее расположенном выше по потоку конце через воздуховодные каналы, образованные в опорной части, концы которых, расположенные ниже по потоку, открываются вокруг вышеупомянутой кольцевой прокладки;
- при этом устройство включает в себя кольцевой канал для обеспечения потока нагнетаемого и охлаждающего воздуха, образованный между радиальным торцом опорной части и расположенным выше по потоку концом указанной полости и соединяющий расположенные ниже по потоку концы воздуховодных каналов в опорной части.
Данный кольцевой канал для потока воздуха предназначен для подвода нагнетаемого и охлаждающего воздуха к участкам радиального торца опорной части, которые расположены между расположенными ниже по потоку концами вышеупомянутого воздуховодного канала, чтобы тем самым охладить прокладку по всей ее периферии. Кольцевая прокладка, таким образом, больше не подвергается локальному воздействию температур, значительно превышающих 200°C, и может поэтому надежно герметизировать смазочную камеру.
Нагнетаемый и охлаждающий воздух, который проходит внутри кольцевого канала, находится под давлением, которое больше, чем давление воздуха и маслосмеси внутри смазочной камеры и чем давление воздуха снаружи смазочной камеры, что противодействует утечке воздуха и масла из указанной камеры.
Преимущественно, кольцевой канал открыт вблизи уплотнительной прокладки на границе между опорными поверхностями прокладки так, чтобы эффективно охлаждать материал рядом с кольцевой прокладкой. Например, данный канал открывается на границе между опорными поверхностями прокладок через фаску на периферийной кромке радиального торца опорной части.
В одном варианте воплощения изобретения кольцевой канал образован в расположенном выше по потоку радиальном торце крышки, обращенном к расположенным ниже по потоку концам вышеупомянутых воздуховодных каналов в опорной части, и включает в себя отверстия, расположенные на одной оси с указанными воздуховодными каналами и открывающиеся в указанную полость. Таким образом, кольцевой канал охлаждает прокладку по всей ее периферии без помех протеканию воздуха в вышеупомянутых воздуховодных каналах опорной части.
В другом варианте воплощения изобретения кольцевой канал образован фаской на периферийной кромке радиального торца опорной части и проходит радиально от осевого кольцевого зазора, образованного между указанным торцом и расположенным выше по потоку концом полости вблизи расположенных ниже по потоку концов вышеупомянутых воздуховодных каналов опорной части, к границе опорных поверхностей кольцевой прокладки.
В данном варианте воплощения кольцевой канал связан с полостью крышки через, по меньшей мере, одно отверстие в стенке расположенного выше по потоку конца указанной полости, и, преимущественно, вторая уплотнительная прокладка установлена в вышеупомянутом осевом кольцевом зазоре и имеет отверстия для протекания нагнетаемого и охлаждающего воздуха, которые расположены на одной оси с воздуховодными каналами опорной части. Это улучшает герметизацию смазочной камеры и предотвращает утечку воздуха и масла из указанной камеры даже в случае разрушения второй уплотнительной прокладки.
Изобретение также предлагает турбореактивный двигатель, содержащий турбину, вал которой направляется подшипником, оборудованным смазочным устройством, включающим кольцевой канал вышеуказанного типа.
Другие преимущества и особенности изобретения станут очевидны из следующего подробного описания неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематический вид в продольном разрезе половины прототипа устройства для смазки подшипника вала в турбореактивном двигателе;
фиг.2 - схематический местный вид в увеличенном масштабе в продольном разрезе смазочного устройства согласно изобретению, показывающий зону, герметизируемую кольцевой прокладкой; и
фиг.3 - схематический местный вид в продольном разрезе другого варианта смазочного устройства согласно изобретению.
На чертежах слева показана сторона, расположенная выше по потоку или по направлению к передней стороне, в то время как справа - расположенная ниже по потоку или по направлению к задней стороне турбореактивного двигателя.
Сначала обратимся к фиг.1, которая является схематичным осевым видом половины прототипа устройства 10 для смазки подшипника 12 вала 14 турбины низкого давления турбореактивного двигателя, показывающим местный разрез по плоскости, включающей ось 16 вращения турбины.
Ротор турбины содержит диски 18 турбины, показанные частично, которые связаны друг с другом и несут на своей периферии ступени рабочих лопаток (не показаны), причем диски 18 отделены друг от друга ступенями направляющих лопаток (не показаны) и связаны с валом 14 турбины через ступенчатую передачу 20, которая показана частично.
На показанном примере подшипник 12 является подшипником качения, внутренняя крышка 22 которого опирается на вал 14, его наружная крышка 24 опирается на кольцевую часть 28, снабженную кольцевой крышкой 30 и образующую кольцевую смазочную камеру 32 вокруг подшипника 12 вала и соответствующего участка вала 14 и его задней концевой части.
Кольцевая часть 28 по существу имеет форму усеченного конуса и на ее расположенном выше по потоку конце меньшего диаметра она включает в себя цилиндрический канал 34 вдоль оси 16, в котором установлена наружная крышка 24 подшипника 12, и на ее расположенном ниже по потоку конце большего диаметра она имеет кольцевой фланец 36, прижатый к кольцевому фланцу 38 неподвижного элемента турбины и прикрепленный к нему соответствующим способом, например типа винт-гайка 40.
Средний участок кольцевой части 28 содержит стенку 42, имеющую форму усеченного конуса, которая проходит ниже по потоку и по направлению к оси 16 вращения турбины и в которой образованы воздуховодные каналы 44, имеющие расположенные выше по потоку концы, открывающиеся в расположенную выше по потоку наружную поверхность кольцевой части 28, и расположенные ниже по потоку концы, открывающиеся в торец 46 стенки 42.
Кольцевая часть 28 также имеет две по существу цилиндрические кромки 47 и 48, проходящие выше по потоку, с расположенными выше по потоку концами воздуховодных каналов 44, открывающимися между кромками. Расположенные выше по потоку концы кромок 47 и 48 взаимодействуют герметичным способом с соответствующими лабиринтными уплотнениями 49, 50, которые несут элементы ротора турбины.
Кольцевая крышка 30 закрыта на ее расположенном ниже по потоку конце, установленном герметичным способом вокруг вала 14 турбины, и имеет, по меньшей мере, один трубчатый наконечник 51 для заполнения маслом, который подсоединен к воздуховодному каналу 52, открывающемуся внутрь смазочной камеры 32 вблизи подшипника 12. Расположенный выше по потоку конец кольцевой крышки 30 имеет кольцевой радиальный торец 53, установленный герметичным способом на радиальный торец 46 стенки 42 и прикрепленный к нему винтами 54, и обращенную наружу цилиндрическую опорную поверхность 56, взаимодействующую с обращенной внутрь цилиндрической опорной поверхностью 58 на расположенном ниже по потоку конце стенки 42. Фаска 60 образована на внутренней периферийной кромке радиального торца 46 и окружает цилиндрическую опорную поверхность 56 на расположенном выше по потоку конце крышки.
Кольцевая крышка 30 имеет кольцевую полость 62 для потока нагнетаемого и охлаждающего воздуха, причем эта полость проходит сверху вниз по потоку, открывается на ее расположенном ниже по потоку конце на внешнюю периферию вала 14 и связана на ее расположенном выше по потоку конце посредством ряда отверстий 64, образованных в расположенном выше по потоку торце 53 крышки 30, с расположенными ниже по потоку концами вышеупомянутых воздуховодных каналов 44, образованных в стенке 42 части 28.
Смазочная камера 32 герметизирована в месте соединения части 28 и крышки 30 кольцевой прокладкой 66, установленной между цилиндрическими опорными поверхностями 58 и 56 стенки 42 и крышки 30 соответственно в кольцевой канавке 68, образованной в цилиндрической опорной поверхности 56 крышки 30. Также другая кольцевая прокладка 70 может быть установлена между торцами 53 и 46 крышки 30 и части 28 соответственно на расположенных ниже по потоку концах воздуховодных каналов 44, причем данная прокладка 70 имеет воздухопроводные отверстия 72, расположенные на одной оси с воздуховодными каналами 44 стенки 42 и отверстиями 64 крышки 30.
Смазочная камера 32 на расположенном ниже по потоку конце крышки герметизирована лабиринтными уплотнениями 73, которые несет вал 14 и размещенными на другой стороне расположенного ниже по потоку конца кольцевой полости 62.
При работе турбореактивного двигателя нагнетаемый и охлаждающий воздух, имеющий температуру около 200°C, проходит сверху вниз между кромками 47 и 48 в воздуховодные каналы 44 в части 28 и затем в полость 62 крышки 30. Давление воздуха в воздуховодных каналах 44 в части 28 и в полости 62 крышки 30 больше, чем давление внутри смазочной камеры 32 и снаружи смазочного устройства 10, так что воздух и маслосмесь, содержащиеся в смазочной камере 32, не могут вытечь через лабиринтные уплотнения 49, 50, 73.
Подача нагнетаемого и охлаждающего воздуха предназначена значительно снизить температуру, например с 350-370°C до приблизительно 200°C, в зонах вблизи воздуховодных каналов 44 и на тех участках прокладки 66 (или прокладки 70), которые наиболее близки к воздуховодным каналам 44. Однако участки прокладок, которые размещены между расположенными ниже по потоку концами воздуховодных каналов 44, не охлаждаются и поэтому остаются под воздействием высоких температур. Кольцевая прокладка 66, таким образом, подвергается воздействию значительных температурных перепадов по ее периферии, которые приводят к ее разрушению и могут также привести к утечке масла между радиальными торцами 46 и 53 части 28 и крышки 30 соответственно, направленной наружу из камеры 32.
Целью настоящего изобретения является создание смазочного устройства вышеописанного типа, имеющего кольцевой канал для протекания нагнетаемого и охлаждающего воздуха, образованный между радиальным торцом 46 части 28 и радиальным торцом 53 крышки 30 таким образом, чтобы соединить расположенные ниже по потоку концы воздуховодных каналов 44 и охладить кольцевую прокладку 66 по ее полному периметру.
В варианте воплощения, показанном частично на фиг.2, кольцевой канал 84 выполнен в расположенном выше по потоку радиальном торце 53 крышки 30 на уровне отверстий 64 полости 62 и обращен к расположенным ниже по потоку концам воздуховодных каналов 44 в части 28.
Преимущественно между расположенным ниже по потоку радиальным торцом 46 части 28 и расположенным выше по потоку радиальным торцом 53 крышки 30 остается осевой кольцевой зазор 86, проходящий радиально внутрь от расположенных ниже по потоку концов воздуховодных каналов 44 таким образом, что кольцевой канал 84 может открыться в контактной поверхности C между внутренней и наружной цилиндрическими опорными поверхностями 58 и 56 части 28 и крышки 30 соответственно через вышеупомянутую фаску 60 на периферийной кромке расположенного ниже по потоку торца 46 части 28.
В варианте воплощения, показанном частично на фиг.3, кольцевой канал 88 образован кольцевой фаской 60 на периферийной кромке радиального торца 46 части 28 и может снабжаться нагнетаемым и охлаждающим воздухом через одно или более отверстий 90, образованных в расположенном выше по потоку торце 53 крышки 30 и открывающихся в полость 62. При таких условиях вышеупомянутая уплотнительная прокладка 70 может быть установлена между расположенными выше и ниже по потоку радиальными торцами 53 и 46 крышки 30 и части 28 соответственно на расположенных ниже по потоку концах воздуховодов 44, причем отверстия 72 в прокладке 70 расположены на одной оси с воздуховодными каналами 44 и отверстиями 64 для прохождения охлаждающего воздуха.
Благодаря охлаждению прокладки 66 по ее полному периметру возможно использовать прокладку, выполненную из материала типа Viton® или подобного, в температурном диапазоне, который не превышает приблизительно 200°C и в котором прокладка остается полностью эффективной и имеет долгий срок службы.
Настоящее изобретение также предлагает турбореактивный двигатель, содержащий турбину, вал которой направляется подшипником, оборудованным смазочным устройством, имеющим кольцевой канал вышеуказанного типа.
1. Смазочное устройство для смазки элемента турбомашины, в частности подшипника вала турбореактивного двигателя, содержащее:
кольцевую опорную часть элемента, установленную на неподвижных элементах и образующую смазочную камеру вокруг элемента; и
кольцевую крышку, включающую в себя элемент для впуска масла для смазки элемента, причем кольцевая крышка установлена герметично на радиальном торце указанной кольцевой опорной части, при этом герметизация обеспечивается кольцевой прокладкой, установленной между опорной частью и крышкой, причем указанная крышка включает в себя кольцевую полость для подачи нагнетаемого и охлаждающего воздуха, которая заполняется на ее расположенном выше по потоку конце через воздуховодные каналы, образованные в опорной части, концы которых, расположенные ниже по потоку, открываются вокруг вышеупомянутой кольцевой прокладки;
при этом устройство включает в себя кольцевой канал для обеспечения потока нагнетаемого и охлаждающего воздуха, образованный между радиальным торцом опорной части и расположенным выше по потоку концом указанной полости и соединяющий расположенные ниже по потоку концы воздуховодных каналов в опорной части.
2. Устройство по п.1, в котором указанный кольцевой канал открыт вблизи уплотняющей прокладки на границе между опорными поверхностями указанной прокладки.
3. Устройство по п.1, в котором указанный кольцевой канал образован в расположенном выше по потоку радиальном торце крышки, обращенном к расположенным ниже по потоку концам вышеупомянутых воздуховодных каналов в опорной части, и включает в себя отверстия, расположенные на одной оси с указанными воздуховодными каналами и открывающиеся в указанную полость.
4. Устройство по п.1, в котором указанный кольцевой канал открыт на границе между опорными поверхностями прокладки через фаску на периферийной кромке торца опорной части.
5. Устройство по п.1, в котором проходящий в осевом направлении кольцевой зазор образован между радиальным торцом опорной части и расположенным выше по потоку концом полости на уровне расположенных ниже по потоку концов вышеупомянутых воздуховодных каналов в опорной части.
6. Устройство по п.5, в котором указанный кольцевой канал образован фаской на периферийной кромке радиального торца опорной части, причем указанная фаска соединяет между собой вышеупомянутый проходящий в осевом направлении зазор и границу установочных поверхностей кольцевой прокладки.
7. Устройство по п.6, в котором кольцевой канал связан с вышеупомянутой полостью крышки через, по меньшей мере, одно отверстие в расположенном выше по потоку конце стенки указанной полости.
8. Устройство по п.5, в котором другая уплотнительная прокладка установлена в вышеупомянутом проходящем в осевом направлении кольцевом зазоре и включает в себя отверстия для прохождения нагнетаемого и охлаждающего воздуха, причем данные отверстия расположены на одной оси с вышеупомянутыми воздуховодными каналами в опорной части.
9. Турбореактивный двигатель, содержащий турбину, вал которой направляется подшипником, оборудованным средствами для смазки, в котором средства для смазки включают в себя смазочное устройство по п.1.
