Газотурбінний двигун з валом відбору потужності від силової турбіни в напрямку, протилежному плину повітря

Газотурбінний двигун з валом відбору потужності від силової турбіни в напрямку, протилежному плину повітря, що містить передній корпус, контур низького тиску, який складається з компресора низького тиску і турбіни низького тиску, ротори яких встановлені на підшипниках, розміщених в корпусах, проміжний корпус, контур високого тиску, який складається з компресора високого тиску і турбіни високого тиску, ротори яких встановлені на підшипниках, розміщених в корпусах, камеру згоряння і силову турбіну, який відрізняється тим, що в передньому корпусі на валу відбору потужності встановлені роликовий підшипник, дискова пружна муфта і два регулювальних кільця, які розміщені з торців внутрішньої обойми роликового підшипника, камера згоряння виконана протитечійною, а між роторами компресора і турбіни високого тиску встановлений корпус заднього підшипника ротора компресора високого тиску. Винахід відноситься до машинобудування і може бути використаний в газотурбінних двигунах енергетичного та корабельного виконання. ГТД із відбором потужності від силової турбіни назад (збігається з напрямком повітря) знайшов широке застосування в енергетичному секторі. Створення ГТД із валом відбору потужності від силової турбіни вперед розширює можливості його застосування, особливо в кораблебудуванні, тому що вихлоп газу здійснюється «у корму» і не потрібно створення вихлопної шахти. Тим самим зменшуються габарити корабельної установки і збільшується корисна площа на палубі. Необхідність у таких ГТД виникла з появою кораблів з динамічними принципами підтримки руху, коли одні ГТД здійснюють підйом корабля на юбку, а інші ГТД, що працюють на потужні повітряні гвинти, здійснюють подовжнє переміщення корабля. Проектанти ГТД, вирішуючи задачу передачі потужності від силової турбіни вперед, беруть за основу існуючі ГТД із традиційним відбором поту жності назад і різними способами здійснюють передачу потужності вперед. Відома конструкція двигуна ГТД-ЗФ (Альбом конструктивних схем ГТД. Складач Коваль В.А. Харків 1990 р., стор. 25), де передача потужності вперед здійснена зовнішнім валом через складну і громіздку систему передач, що значно збільшує трудомісткість виготовлення і знижує надійність двигуна в цілому. Відома конструкція авіаційного двигуна АИ-25 (Конструкция и проектирование авиационных ГТД. Хронин Д.В. Москва. Машиностроение. 1989 г., стр. 137. рис. 4.5. д), де до існуючого газогенератору додана нульова ступінь. Недоліком цієї конструкції є те, що силовий вал між компресором і турбіною виконаний складеним із двох частин, з'єднаних між собою через шліцьові вінці стяжкою. Це значно збільшує трудомісткість виготовлення і знижує надійність двигуна в цілому. Найбільш близьким по своїй технічної суті до конструкції, що заявляється, є двигун Д18Т (Аль (19) UA (11) 87670 (13) (21) a200606266 (22) 05.06.2006 (24) 10.08.2009 (46) 10.08.2009, Бюл.№ 15, 2009 р. (72) ЧЕРНОВ СЕРГІЙ КОСТЯНТИНОВИЧ, СПІЦИН ВОЛОДИМИР ЄВГЕНІЙОВИЧ, ЛИСЕНКО ВАЛЕНТИН МИКИТОВИЧ (73) ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО "НАУКОВОВИРОБНИЧИЙ КОМПЛЕКС ГАЗОТУРБОБУДУВАННЯ "ЗОРЯ"-"МАШПРОЕКТ" (56) FR 2566046, F01D25/12, 20.12.1985 GB 658778, 10.10.1951 GB 774503, F02C, 08.05.1958 GB 1318629, F02C7/06, 31.05.1973 RU 2179647, F02C7/06, 20.02.2002 RU 2211936, F02C7/36, 10.09.2003 RU 2250386, F02C7/06, 20.04.2005 US 4884903, F16C25/08, 05.12.1989 US 2004/0062460, F16C19/00, 01.04.2004 Альбом конструктивних схем ГТД. Укладач Коваль В.А. Харків, 1990. - С.1, 25 C2 1 3 бом конструктивних схем ГТД. Складач Коваль В.А. Харків 1990 р., стор. 1). Двигун містить корпус передній, контур низького тиску, проміжний корпус, контур високого тиску, камеру згоряння, силову турбіну з валом відбору потужності вперед для вентиляторної ступіні, установленої перед корпусом переднім. Недоліком цієї конструкції є постановка в передньому корпусі шарикового підшипника силової турбіни, тому що через різні температурні розширення корпусів і вала силової турбіни відбувається збільшення осьових переміщень у силовій турбіні і збільшення радіальних зазорів між робочими лопатками та корпусом. Це змушує конструктора вводити бандажирування робочих лопаток силової турбіни. До того ж виготовлення бандажируваних лопаток має високу трудомісткість. Для забезпечення величини критичних обертів вала силової турбіни необхідно збільшувати його діаметр, тому підшипники всіх опор роторів двигуна мають збільшені діаметри, через що у високообертовому двигуні довговічність підшипників падає. Збільшення діаметрів підшипників веде до погіршення масогабаритних характеристик двигуна. При обертанні високообертових валів ГТД на деяких числах оборотів помічаються великі прогини валів. Робота на цих обертах, які звуться критичними, супроводжується великими вібраціями двигуна, а тривала робота може викликати його аварію. Але, якщо швидко пройти через критичне число обертів, то двигун знову зможе працювати з припустимою нормою вібрації. На початку розвитку газотурбінних двигунів вали намагалися робити «жорсткими» так, щоб критичні оберти були вище робочих. Такі вали робилися великих діаметрів і великої ваги. В сучасних ГТД існують також «гнучкі» вали, у яких критичне число обертів менше робочих. Конструктори змушені проектувати вали, у яких критичні оберти за першою формою їх пружної лінії менше обертів холостої ходи двигуна і проходяться швидко, а критичні оберти по інших формах пружної лінії - більше обертів режимної роботи. Задачею винаходу є створення газотурбінного двигуна з «гнучким» валом силової турбіни і здійсненням його зборки при розташуванні роликового підшипника вала в передньому корпусі. При цьому повинні забезпечуватися необхідні запаси по критичних обертах вала. Для вирішення поставленої задачі у газотурбінному двигуні з валом відбору потужності від силової турбіни в напряму, протилежному плину повітря, що містить передній корпус, контур низького тиску, який складається з компресора низького тиску і турбіни низького тиску, ротори яких установлені на підшипниках, розміщених в корпусах, проміжний корпус, контур високого тиску, який складається з компресора високого тиску і турбіни високого тиску, ротори яких установлені на підшипниках, розміщених в корпусах, камеру згоряння і силову турбіну, відповідно до винаходу, в передньому корпусі на валу відбору потужності від силової турбіни встановлені роликовий підшипник, 87670 4 дискова пружна муфта і два регулювальних кільця, які розміщені з торців внутрішньої обойми роликового підшипника, камера згоряння виконана протитечійною, а між роторами компресора і турбіни високого тиску встановлений корпус заднього підшипника ротора компресора високого тиску. При зборці такого двигуна, відповідно до винаходу, перед установкою на вал визначають ширину регулювального кільця, яка забезпечує заданий розмір зміщення (розмір А) внутрішньої обойми підшипника відносно роликів, доробляють торець кільця до визначеної ширини і установлюють його на вал, після чого установлюють внутрішню обойму підшипника, друге регулювальне кільце і дискову пружну муфту, розміщення якої на валу фіксують відстанню між фланцем переднього корпусу і фланцем муфти (розмір В). Формула для визначення критичних обертів (Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Машиностроение. Москва. 1969 г., стр. 331) 2 d æd ö (1) 1+ ç 1 ÷ çd÷ l2 è ø де: d - зовнішній діаметр вала; d1 - внутрішній діаметр вала; l - відстань між опорами вала; Тому що вал встановлюється в існуючий двигун, величини зовнішніх діаметрів d задані конструкцією. Величини внутрішніх діаметрів d1 вибирають з умов жорсткості вала і по виникаючим при передачі крутного моменту, напругам крутіння. Ці показники не є визначальними в рішенні поставленої задачі. Визначальної величиною у формулі є відстань між опорами l. Тому конструктори для збільшення критичних обертів зменшують величину l, створюючи малоступінчаті компресори та турбіни низького та високого тиску. Відомі спроби створення коротких камер згоряння і виносу камери згоряння за межі двигуна. Це погіршує масогабаритні характеристики двигуна. Кращий результат для двигуна з відбором потужності вперед дає застосування повнорозмірної протитечійної камери згоряння, яка скорочує відстань між підшипниками вала силової турбіни на всю довжину камери згоряння. Розміщення корпусу заднього підшипника ротора компресора високого тиску між компресором і турбіною високого тиску дозволяє збільшити жорсткість ротора компресора і поліпшити запас по його і критичних обертах. Застосування протитечійної камери згоряння поліпшує такі ж показники і для контуру низького тиску. Постановка роликового підшипника вала силової турбіни, який здійснює компенсацію температурних розширень корпусів двигуна, в передній корпус дозволяє виготовляти робочі лопатки силової турбіни без бандажних полиць. При цьому компенсацію температурних розширень вала силової турбіни виконує дискова пружна муфта. На Фіг.1 зображений поздовжній розріз газотурбінного двигуна з валом відбору потужності від силової турбіни вперед. n кр = 13,9 × 10 6 5 На Фіг.2 показаний укрупнений поздовжній розріз по місту установки роликового підшипника вала силової турбіни і дискової пружної муфти. На Фіг.3 показаний укрупнений поздовжній розріз по місту установки роликового підшипника вала силової турбіни із схемою вимірів для установки регулюючого кільця. Газотурбінний двигун з відбором потужності від силової турбіни вперед містить (Фіг.1) передній корпус 1, контур низького тиску 2, проміжний корпус 3, контур високого тиску 4, протитечійну камеру згоряння 5, силову турбіну 6 з валом 7 відбору потужності вперед, у якому в передній корпус 1 установлений роликовий підшипник 8 вала 7 відбору потужності вперед, при цьому для компенсації температурних розширень корпусів двигуна внутрішня обойма підшипника зміщена відносно роликів на задану величину A, яка визначається дослідницьким шляхом як різниця розширень вала силової турбіни і корпусів двигуна. Наприклад, за статистичними даними експлуатаційного використання конкретно виконаного двигуна з валом відбору потужності вперед, вал силової турбіни під час роботи подовжується на 4мм, а корпуси двигуна - на 11мм. Таким чином, ролики підшипника від холодного стану двигуна до його номінального режиму переміщуються по внутрішній обоймі підшипника на 7мм (зміщення A). На валу 7 відбору потужності вперед для компенсації температурних розширень вала через щоку 9 установлена дискова пружна муфта 10, фіксоване розміщення якої на валу 7 визначається розміром B, який є відстанню між фланцем переднього корпусу 1 і фланцем муфти 10. Розмір B є визначальним для забезпечення взаємозамінності двигуна в умовах експлуатації. Камера згоряння 5 для зменшення осьового габариту двигуна виконана протитечійною. Між ротором 11 компресора високого тиску і ротором 12 турбіни високого тиску для більшої жорсткості ротора 11 компресора і збільшення його запасів по критичних оборотах установлений корпус 13 заднього підшипника ротора компресора високого тиску. З обох торців внутрішньої обойми 14 (Фіг.2) роликового підшипника 8 установлені регулюваль 87670 6 ні кільця 16, 17. Для забезпечення надійної роботи підшипника зміщення його внутрішньої обойми відносно роликів на величину А (Фіг.3) здійснюється за допомогою регулювального кільця 16, ширину якого визначають по формулі H=C-E-F+А (2), де C - відстань від торця 18 упору підшипника до торця 20 переднього корпуса 1; E - відстань від торця 19 зовнішньої обойми підшипника 8 до торця 20 переднього корпуса 1; F - ширина внутрішньої обойми підшипника 8; А - задане зміщення внутрішньої обойми підшипника 8 відносно роликів; Регулювальне кільце 17 (Фіг.2) забезпечує дотримання фіксованого розміру В у разі необхідності демонтажу двигуна в умовах експлуатації і заміни його на новий або на відремонтований. При зборці двигуна перед установкою внутрішньої обойми 14 на вал роликового підшипника 8 із заданим зміщенням А відносно роликів 15 визначають по формулі (2) ширину (H) (Фіг.3) регулювального кільця 16, для чого вимірюють відстань (розмір C) від торця 18 упору підшипника до торця 20 переднього корпуса 1, відстань (розмір E) від торця 19 зовнішньої обойми підшипника 8 до торця 20 переднього корпуса 1, ширину (розмір F) внутрішньої обойми підшипника 8. Потім доробляють торець кільця 16 до визначеної ширини і установлюють його на вал, після чого установлюють внутрішню обойму 14 підшипника, регулювальне кільце 17 (Фіг.2) і дискову пружну муфту 10, фіксоване розміщення якої на валу відносно фланця переднього корпусу 1 визначають відстанню між фланцем переднього корпусу 1 і фланцем муфти (розмір В) (Фіг.1). У разі необхідності заміни двигуна в експлуатації фіксоване розміщення муфти 10 (дотримання розміру В) забезпечують шляхом доробки торця регулювального кільця 17 (Фіг.2) до необхідної його ширини. Заявлена конструкція запропонована до впровадження на НВКГ "Зоря-Машпроект" у виробах для кораблів з динамічними принципами підтримки руху. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 87670 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601