Узел кольцеобразный подшипниковой опоры (варианты) - RU2132474C1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к кольцеобразному узлу подшипниковой опоры для газотурбинных двигателей.

Уровень техники
Такие турбомашины, как газотурбинные двигатели, включают вентилятор, компрессор, камеру сгорания и турбину. Вал двигателя проходит аксиально от вентилятора сквозь турбину и вращает разнесенные по оси секции дисков. Каждый диск включает разнесенные по окружности лопатки, которые проходят от вала радиально в газовом потоке. Вал поддерживается одним или несколькими узлами подшипников. Узлы подшипников соединяются с корпусом с помощью опорных кожухов подшипников. Кожух выполняет несколько задач: он поддерживает узлы подшипников, образует замкнутую емкость для смазки и сохраняет узел подшипника, предохраняя, таким образом, вал в случае разбалансировки диска вентилятора или в другом непредвиденном случае.

В заявке Великобритании GB-A-2 152-148 раскрывается кожух подшипника, который окружен двумя секциями: внешняя секция для организации зоны неподвижного воздуха, имеющая уплотнение от горячего воздуха ступени высокого давления компрессора, и промежуточная секция, в которую поступает охлаждающий воздух высокого давления для охлаждения внешней поверхности кожуха подшипника, и этот охлаждающий воздух под давлением подается в пространство, прилегающее к уплотнениям кожуха подшипника, предотвращая просачивание горячего воздуха в кожух подшипника и предохраняя его от вспышек масла.

Несмотря на то что много конструкций кожухов подшипников предлагалось и использовалось в газотурбинных двигателях, однако до сих пор существует потребность в улучшенных конструкциях для обеспечения оптимальных рабочих характеристик новых двигателей. Данное изобретение отвечает указанной потребности промышленности.

Сущность изобретения
В соответствии с изобретением кольцеобразный узел подшипниковой опоры турбомашины, включающей вал, проходящий аксиально через турбомашину и установленный в узле подшипниковой опоры, включает кольцевой подшипник, коаксиальный с валом, причем подшипник состоит из внутреннего кольца, закрепленного на валу, из внешнего кольца, окружающего внутреннее кольцо, и из множества разнесенных по окружности роликов, размещенных между внутренним и внешним кольцами, и, кроме того, узел подшипниковой опоры содержит кожух кольцевого подшипника, имеющий первый и второй конец, причем первый конец имеет первое уплотнение, и второй конец имеет второе уплотнение, и эти оба уплотнения предназначены для уплотнения места соединения первого и второго концов кожуха подшипника и вала в процессе работы двигателя. Кожух подшипника и уплотнения формируют герметичную кольцевую камеру для масла, окружающую подшипник со множеством роликов, находящихся в камере для масла. Узел подшипниковой опоры снабжен первой стенкой, находящейся на некотором расстоянии от первого и второго концов кожуха подшипника с уплотнением между этой стенкой и концами кожуха, причем первая стенка и кожух образуют первую кольцевую герметичную воздушную полость, которая окружает камеру для масла между первым и вторым концами кожуха подшипника; и второй стенкой, имеющей первый и второй концы и находящейся на некотором расстоянии от первой стенки с уплотнением между валом и концами второй стенки в процессе работы двигателя, причем вторая стенка образует вторую кольцевую герметичную воздушную полость, которая окружает первую кольцевую герметичную воздушную полость и первое и второе уплотнения кожуха подшипника.

В предпочтительном варианте конструктивного выполнения изобретения кожух кольцевого подшипника включает переднюю стенку, перпендикулярную продольной оси двигателя, включающую переднее уплотнение, и заднюю стенку, перпендикулярную продольной оси двигателя, включающую заднее уплотнение, причем оба уплотнения предназначены для уплотнения передней и задней стенок кожуха подшипника относительно вала в процессе работы двигателя, и передняя и задняя стенки кожуха подшипника образуют герметичную кольцевую камеру для масла, окружающую подшипник вокруг вала, с роликами, находящимися в камере для масла, и узел подшипниковой опоры отличается тем, что снабжен передней крышкой, прикрепленной к передней стенке кожуха подшипника, и задней крышкой, прикрепленной к задней стенке кожуха подшипника, причем каждая из крышек включает аксиально разнесенные внутреннюю и внешнюю стенки, при этом внутренняя стенка передней крышки находится на некотором расстоянии от передней стенки кожуха подшипника с уплотнением между этими стенками, причем один конец внутренней стенки имеет уплотнение с передней стенкой кожуха подшипника, прилегающей к переднему уплотнению кожуха подшипника, образуя переднюю герметичную воздушную полость, прилегающую к камере для масла, и внутренняя стенка задней крышки находится на некотором расстоянии от задней стенки кожуха, причем один конец внутренней стенки имеет уплотнение с передней стенкой кожуха подшипника, прилегающей к заднему уплотнению кожуха подшипника, образуя заднюю герметичную воздушную полость, прилегающую к камере для масла, и передняя и задняя герметичные воздушные полости сообщаются между собой с помощью разнесенных по окружности эллиптических каналов, проходящих в продольном направлении, причем каналы проходят от передней крышки к задней и образуют кольцевую, вытянутую в аксиальном направлении герметичную воздушную полость, прилегающую к камере для масла, которая образует зону неподвижного воздуха, изолирующую воздушную полость от горячих газов узла подшипниковой опоры. При этом внутренняя и внешняя стенки передней крышки образуют переднюю буферную воздушную полость, прилегающую к передней герметичной воздушной полости с одним концом внешней стенки, уплотненной по отношению к валу в процессе работы, и внутренняя и внешняя стенки задней крышки образуют заднюю буферную воздушную полость, прилегающую к задней герметичной воздушной полости с одним концом внешней стенки, уплотненной по отношению к валу в процессе работы, и буферные полости сообщаются друг с другом с помощью разнесенных по окружности эллиптических каналов, проходящих в продольном направлении, причем каналы буферного воздуха проходят от передней крышки к задней и образуют кольцевую, вытянутую в аксиальном направлении, буферную воздушную полость, прилегающую к герметичной воздушной полости и окружающую переднее и заднее уплотнения, которая обеспечивает дополнительную теплоизоляцию узла подшипниковой опоры.

Другие особенности и достоинства данного изобретения станут очевидными из схем и описания наилучшего варианта выполнения изобретения, как это описано ниже.

Описание чертежей
На фиг. 1 представлено продольное сечение узла подшипниковой опоры в соответствии с изобретением.

На фиг. 2 представлено продольное сечение кожуха подшипника в соответствии с изобретением.

На фиг. 3 представлено продольное сечение передней крышки, используемой в узле подшипниковой опоры в соответствии с изобретением.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение по линии 4 - 4 на фиг. 3.

На фиг. 5 представлено поперечное сечение по линии 5 - 5 на фиг. 2.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 1 показан вал 10, проходящий в направлении газового потока сквозь газотурбинный двигатель и имеющий ось вращения 12. На валу 10 установлены диск вентилятора 14 и диск турбины 16. По внешней окружности диска турбины 16 размещено множество разнесенных по окружности лопаток 18, которые находятся в канале 19 прохождения рабочего газового потока. Выше по потоку от диска турбины 16 находится статор 20 турбины, на котором размещено множество пространственно разнесенных стационарных направляющих лопаток 22 турбины. Между диском вентилятора 14 и диском турбины аксиально расположен узел 24 подшипниковой опоры. Узел 24 подшипниковой опоры является опорой для вала 10 при его вращении в процессе работы двигателя, и (способ соединения узла с корпусом двигателя описан ниже). Узел 24 подшипниковой опоры включает кольцевой подшипник 26, коаксиальный с валом 10. Кольцевой подшипник 26 включает внутреннее кольцо 28 подшипника, которое установлено на валу 10, внешнее кольцо 30 подшипника, окружающее внутреннее кольцо, и множество разнесенных по окружности роликов 32, размещенных между внутренним и внешним кольцами 28 и 30 соответственно.

Кожух 34 подшипника окружает кольцевой подшипник 26. Кожух 34 подшипника включает переднюю и заднюю стенки 36 и 38 соответственно, которые вместе образуют кольцевую камеру 44 для масла. Кольцевой подшипник 26 сконструирован и размещен таким образом, что ролики 32 находятся в камере 44 для масла.

Узел 24 подшипниковой опоры также включает переднюю крышку 46, прикрепленную к передней стенке 36 кожуха 34 подшипника, и заднюю крышку 48, прикрепленную к задней стенке 38 кожуха 34 подшипника. Передняя крышка 46 включает разнесенные по оси внутреннюю и внешнюю стенки 50 и 52 соответственно. Аналогично, задняя крышка 48 включает разнесенные по оси внутреннюю и внешнюю стенки 54 и 56, соответственно. Передняя и задняя крышки 46 и 48 прикреплены к кожуху 34 подшипника болтами 58 или другими крепежными элементами, разнесенными по окружности, которые проходят сквозь отверстия для болтов (не показано) в крышках 46 и 48, как это описано ниже.

Как показано на фиг. 1, внешняя стенка 52 передней крышки 46 включает поверхность 60, находящуюся в контакте с линзообразным в сечении уплотнением 62, имеющим острый, ножевидный край, на передней вращающейся части 41 уплотнения. Аналогично, внешняя стенка 56 задней крышки 48 включает поверхность 64, находящуюся в контакте с линзообразным в сечении уплотнением 66, имеющим острый, ножевидный край, на задней вращающейся части 43 уплотнения. Внутренняя стенка 50 передней крышки 46 соприкасается у конца 68 кожуха 34 с кожухом графитового уплотнения 70; аналогично внутренняя стенка 54 задней крышки 48 соприкасается у конца 72 кожуха 34 с кожухом графитового уплотнения 74. Уплотнения 70 и 74 опираются на вращающиеся части 41 и 43 соответственно. Между кожухом переднего углеродного уплотнения и внешним кольцом 30 подшипника находится упор 74, служащий для точной установки кожуха уплотнения и кольца 30 относительно друг друга.

Кожух 34 подшипника включает канал 76 для входа масла в камеру 44 и канал для выхода масла из камеры 44 (не показан). Кожух 34 включает также масляный фильтр 78 сразу за каналом входа масла в камеру 44. Фильтр 78 правильно размещается в кожухе 34 с помощью держателя 80 или другого аналогичного устройства. Кожух 34 включает также канал 82 для масла, через который во время работы двигателя масло поступает в масляный лоток 84. Из лотка 84 масло поступает к роликам 32 через канал 86 во внутреннем кольце 28.

Центробежный компрессор 14 включает вытянутую по оси поверхность 88, которая опирается на вал 10. Диск турбины 16 также включает вытянутую по оси поверхность 90, которая соединена с поверхностью 88 компрессора с помощью шпонки 92. Компрессор 14 зафиксирован на валу 10 в продольном направлении с помощью гайки 94, которая наворачивается на вал 10. Гайка 94 зафиксирована на валу 10 с помощью кольцевого фиксатора для предотвращения ослабления вала во время работы двигателя.

На фиг. 2 показаны другие особенности кожуха 34 подшипника. Передняя часть кожуха 34 включает отходящие во внешние стороны стенки 96, которые заканчиваются на кожухе 98 диффузора. Кожух 98 диффузора составляет единое целое с кожухом 34 подшипника и включает отверстия для болтов 100 или других аналогичных крепежных элементов, которые прикрепляют кожух 34 подшипника и кожух 98 диффузора к корпусу двигателя или к другой опорной конструкции. Задняя часть кожуха 34 включает цилиндрическую часть, коаксиальную с валом, которая образуется стенкой 102, проходящей в продольном направлении и оканчивающейся фланцем 104. Как это видно на фиг. 1, фланец 104 включает множество разнесенных по окружности отверстий 105 для болтов 107 или других крепежных элементов для присоединения кожуха 34 к статору 22 турбины.

На фиг. 3 показана более детально передняя крышка 46 кожуха 34 подшипника. (Хотя показана только передняя крышка, надо понимать, что задняя крышка 48 имеет аналогичную конструкцию). Внутренняя и внешняя стенки 50 и 52 составляют единое целое с частью 108 крышки 46. Часть 108 включает поверхности 110 и 112 и канал 132 между ними. Во время установки передней крышки на кожухе 34 подшипника, как показано на фиг. 1, поверхности 110 и 112 крышки прижимаются с уплотнением к поверхности 114 кожуха 34; аналогично поверхности 113 и 115 задней крышки 48 прижимаются с уплотнением к соответствующей поверхности 116 кожуха 34. Дополнительно, и как показано выше, внутренние стенки 50 и 54 крышек 46 и 48 соответственно прижимаются с уплотнением к кожухам уплотнений 70 и 74 соответственно. И наконец, площадки 60 и 64 крышек 46 и 48 соответственно опираются на острые края 62 и 66 на движущихся частях уплотнений 41 и 43 соответственно. В результате описанная конструкция обеспечивает формирование герметизированных воздушных полостей между внутренними стенками 50, 54 и кожухом 34 подшипника и формирование буферных воздушных полостей между внутренними стенками 50, 54 и внешними стенками 52, 56 крышек.

Более конкретно, как можно видеть на фиг. 1, 4 и 5, внутренняя стенка 50 передней крышки 46 и кожух 34 подшипника образуют переднюю герметичную воздушную полость 118; аналогично внутренняя стенка задней крышки 48 и кожух 34 образуют заднюю герметичную воздушную полость 120. Воздушные полости 118 и 120 проходят от передней стенки к задней стенке узла 24 подшипниковой опоры, окружая камеру 44 для масла. Они обеспечивают изоляцию, минимизирующую влияние температуры горячих газов, возникающих при работе двигателя, на температуру масла в камере 44. Внутренняя и внешняя стенки 50, 52 передней крышки 46 и внутренняя и внешняя стенки 54, 56 задней крышки 48 образуют буферные воздушные полости 122, 124 соответственно. Передняя буферная полость 122 формируется внешней стенкой 52 и ее площадкой 60 в контакте с острым краем уплотнения 62 в сочетании с внутренней стенкой 50 в контакте с кожухом уплотнения. Аналогично задняя буферная полость 124 формируется внешней стенкой 56 и ее площадкой 64 в контакте с острым краем уплотнения 66, в сочетании с внутренней стенкой 54 в контакте с кожухом уплотнения. Стенки 50, 52 и 54, 56, определяющие буферные полости 122 и 124 соответственно, уменьшают количество воздуха, который просачивался бы иначе через уплотнения 70, 74 в камеру 44 для масла в процессе работы двигателя. Такое уменьшение просачивания воздуха важно, так как увеличивается срок службы двигателя, поскольку уплотнения 70, 74 изнашиваются в процессе эксплуатации. Буферные воздушные полости выполняющие задачу ограничения просачивания воздуха в камеру 44, в конечном счете, обеспечивают поддержание температуры масла в заданных пределах. В результате размер охладителя масла, используемого для того, чтобы отводить тепло от масла, может быть достаточно небольшим, что позволяет уменьшить вес и стоимость двигателя.

Как это видно на фиг. 4, передняя крышка 46 включает разнесенные по окружности отверстия 128 для прикрепления крышки 46 к кожуху 34 с помощью болтов 58 или других аналогичных крепежных элементов. Крышка 46 включает также множество разнесенных по окружности эллиптических каналов 130, которые позволяют воздуху проходить через узел (24) подшипниковой опоры в направлении потока в процессе работы двигателя. Эти каналы 130 более подробно описаны ниже. Крышка 46 дополнительно включает разнесенные по окружности эллиптические каналы 132. С помощью каналов 132 полости 122 и 124 буферного воздуха сообщаются между собой. Как показано на фиг. 3, передняя буферная полость 122 сообщается с каналами 132 с помощью проходов 134, которые идут радиально сквозь часть 108 крышки 46. В крышке 46 выполнен один проход 134 на каждый канал 132. Как показано на фиг. 4, протяженность каждого из проходов 134 по окружности немного меньше, чем протяженность по окружности соответствующего канала 132. (Как было показано выше, задняя крышка 48 имеет аналогичную форму и соответственно включает такое же количество каналов и проходов, как это показано на фиг. 3).

На фиг. 5 представлены дополнительные детали, поясняющие, как передняя герметичная воздушная полость 118 сообщается с задней герметичной воздушной полостью 120 и как передняя буферная полость 122 сообщается с задней буферной полостью 124. Дополнительно показано, как воздух может проходить по каналам 130 через узел (24) подшипниковой опоры в направлении потока. Более конкретно фиг. 5 является сечением по линиям 5-5 на фиг. 2. Кожух 34 включает множество отверстий 138, через которые проходят болты 58, соединяющие переднюю крышку 46, кожух 34 и заднюю крышку 48. В кожухе 34 имеется множество разнесенных по окружности эллиптических каналов. Более конкретно, первый набор эллиптических каналов 140 расположен по внешнему краю кожуха 34 и позволяет проходить воздуху сначала через каналы 130 в передней крышке 46 (см. фиг. 4), а затем через каналы 140 в кожухе 34 и через каналы в задней крышке 48. Поэтому каналы 130 и 140 вместе образуют множество эллиптических воздуховодов, разнесенных по окружности и проходящих в направлении оси, которые позволяют горячим газам, образующимся в процессе работы двигателя, проходить через узел 24 подшипниковой опоры в направлении потока.

На фиг. 5 также показан второй набор эллиптических каналов 142, разнесенных по окружности 154 кожуха 34. Каналы 142 в кожухе 34 пространственно совмещены с каналами 132 в крышках 46, 48. Второй набор каналов 142 позволяет из буферной полости перетекать из передней буферной воздушной полости 122 сквозь отверстия 134 в части 108 передней крышки 46 (см. фиг. 3) в каналы 132 буферного воздуха в передней крышке 46, сквозь каналы 142 буферного воздуха в кожухе 34 подшипника, в отверстия 134 и каналы 132 в задней крышке 48 и, наконец, в канал 124 буферного воздуха в задней крышке 48. В результате воздух в передней буферной воздушной полости 122 непрерывно связан с воздухом в задней буферной полости 124.

Полости 122, 124 в сочетании с каналами 132 и 142 и с проходами 134 определяют общую буферную воздушную камеру, которая тянется в продольном направлении в узле 24 подшипниковой опоры. Камера имеет кольцевую форму и тянется от передней части кожуха 34 подшипника к задней части и окружает камеру для масла для ее теплоизоляции.

Как показано на фиг. 5, имеется множество разнесенных по окружности каналов 144, смещенных внутрь по радиусу от каналов 140 и 142. Каналы 144 связывают переднюю герметичную воздушную камеру 118 с задней герметичной воздушной камерой 120 и обеспечивают сообщение между ними. В результате каналы 144 и полости 118, 120 определяют общую герметичную воздушную полость, которая тянется в продольном направлении через узел подшипниковой опоры. Герметичная полость имеет кольцевую форму и окружена в радиальном и аксиальном направлениях общей буферной воздушной камерой. Каналы 144, смещенные внутрь по радиусу, отделены от других каналов 140 и 142 в стенке 36 тонкими, проходящими по окружности ребрами 146 и радиальными ребрами 148. Каналы 140 и 142 разделены радиальными ребрами 150. Тонкие ребра 146, 148 и 150, проходящие по окружности и в радиальном направлении, позволяют кожуху 34 изгибаться в процессе работы двигателя. В частности, при работе двигателя наибольшую температуру имеет внешняя часть 154 кожуха 34, а внутренняя часть 158 кожуха имеет наименьшую температуру. Указанные ребра 146, 148 и 150, проходящие по окружности и в радиальном направлении, обеспечивают снятие температурных напряжений, возникающих между внутренней и внешней частями 158 и 154 соответственно. Возле внутренней части 158 стенки 36 имеются отверстия 156 для дренажа масла.

Узел подшипниковой опоры в соответствии с данным изобретением разрешает сложную проблему, с которой ведут долгую борьбу разработчики современных газотурбинных двигателей, а именно, как в конструкции очень малого объема совместить все функции сложной системы вторичного воздуха и термостойкой опорной структуры подшипника, имеющей необходимую жесткость и гибкость для того, чтобы удовлетворять требованиям динамики ротора. Данная проблема решается изобретенной системой воздушных полостей и соединяющих каналов, защищающих подшипник 26 в широком диапазоне температур воздуха, которые имеют место в процессе работы двигателя, а также образуют буферную уплотняющую систему, минимизирующую количество воздуха, просачивающегося через графитовые уплотнения в камеру для масла при работе двигателя. Узел подшипниковой опоры в соответствии с данным изобретением играет также важную роль в защите камеры для масла в том случае, когда изношены или повреждены графитовые уплотнения в процессе эксплуатации двигателя; в конечном счете, буферные воздушные полости минимизируют размеры охладителя масла двигателя, который необходим для отвода тепла от нагретого масла, и обеспечивают уменьшение веса и стоимости двигателя.

Реферат

Данное изобретение относится к секции подшипниковой опоры 24 для турбоагрегата, такого как газотурбинный двигатель. Подшипник 26 установлен в герметичной кольцевой камере 44 для масла, образованной кожухом 34, который имеет первый 68 и второй 72 концы, в которых размещены первое 70 и второе 74 уплотнения между кожухом и валом 10. Первая кольцевая герметичная воздушная полость 118, 120 образована первой стенкой 50, 54, расположенной с зазором и уплотнением от кожуха 34. Вторая кольцевая герметичная воздушная полость 122, 124 образована второй стенкой 52, 56, расположенной с зазором и с уплотнением от первой стенки 50, 54. Герметичные воздушные полости обеспечивают дополнительную теплоизоляцию камеры 44 для масла. 3 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Формула