Метрология / Том 1. Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы / 4-4-Opory_rotorov_GTD

НДС узла опоры на максимальном режиме представлено на Рис. 4.31. На рисунке хорошо видны места концентрации напряжений, определена их величина. На базе полученных результатов производится расчетная оценка долговечности для наиболее нагруженных мест конструкции. Расчетная долговечность сравнивается с заданной в техническом задании.

Результаты расчета используются для оценки внутренних усилий в подшипниках, а также для

Рисунок 4.30 – Радиальные температурные перемещения деталей опоры роликоподшипника ТНД на максимальном режиме

уточнения изменения температуры колец от внутреннего тепловыделения в подшипниках. По результатам расчета НДС опор могут вноситься соответствующие корректировки как в конструкцию силовых элементов опор, так и в конфигурацию и размеры деталей подшипников.

4.4.6.7 – Экспериментальные исследования отдельных элементов опор

Основными целями проведения экспериментальных исследований опор, проводимых на этапе проектирования ГТД являются:

-уточнение исходных данных на проектирование опор и систем обеспечения работоспособности подшипников;

-уточнение методик теплового расчета опор. Экспериментальные исследования прово-

дятся или на специальных установках, или на двигателях-прототипах. В процессе исследований на физической полноразмерной модели проектируемой опоры определяется зависимость различных параметров (например, температуры колец подшипников, температуры масла на выходе из опоры) от частоты вращения, нагрузки, прокачки масла, внешнего подогрева и т.д. Подробнее с вопросами экспериментальных исследований опор на установках можно ознакомиться, например в [4.9].

4.4.7 – Конструктивное исполнение опор современных ГТД

Выбор силовой схемы ГТД, несмотря на необходимость выполнения общих требований изложенных выше, во многом определяется традициями и практикой работы разработчика двигателя. На основании опыта разработки опор рекомендуют следующее::

-осевая нагрузка через радиально-упорные подшипники должна передаваться, предпочтительно, через бурты, выполненные за одно целое с валом

èкорпусом (пример такого исполнения корпусной детали приведен на Рис. 4.35). При невозможности выполнить данное требование необходимо, чтобы элементы конструкции, через которые передается осевое усилие, обеспечивали стабильность биения опорных торцев в заданных пределах в течение всего времени работы двигателя;

-при значительном влиянии допусков на долевые и угловые размеры (пакеты деталей, большие габаритные размеры и т.д.) необходимо предусмотреть индивидуальную регулировку соосности опор с применением клиновых и эксцентриковых регулировочных колец (регулирование соосности опор с помощью эксцентрикового кольца применяется на опоре роликоподшипника ТВД двигателя ÏÑ-90À – ñì. Ðèñ. 4.36);

-допуск соосности опор, оговоренный в конструкторской документации, должен быть обеспе- чен в течение всего времени эксплуатации;

-в случае, когда подшипник собирается с предварительным натягом, посадка выбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальные зазоры по телам качения с учетом теплового состояния деталей опоры. Подробнее об условиях выполнения этого требования можно ознакомиться в разделе 4.4.4.3;

-конструкции шариковых подшипников и их опор должны обеспечивать демонтаж подшипников без передачи усилия через тела качения;

-диаметр посадочного места под подшипник должен быть определен из условия обеспе- чения параметра d n, ãäå d - посадочный диаметр вала под подшипник или внутренний посадочный диаметр подшипника (мм), n - частота вращения вала (об/мин). Для подшипников из отечествен-

ной теплопрочной стали 8Х4В9Ф2-Ш (ЭИ347-Ш) d n ≤ 2,0 10 6 (мм об/мин), для подшипников из за-

рубежной теплопрочной стали М50Nil VIM VAR d n ≤ 2,4 10 6 (ìì îá/ìèí);

-максимальная температура опоры должна быть не менее, чем на 50 îС ниже температуры отпуска материала подшипников. При этом следует

учитывать, что максимальную температуру опора может иметь уже после останова двигателя (из-за поступающего тепла от дисков турбины и т.п. при отсутствии охлаждения).

При температуре свыше 250 îС происходит активное разложение даже синтетических масел, оставшихся в масляной полости, а значит необходимо предусмотреть конструктивные решения по предотвращению перегрева опор после останова двигателя (теплозащитные покрытия, экраны, продувка холодным воздухом). Пример реализации такого решения представлен на Рис. 4.36.

4.4.7.1 – Конструкция опор авиационных ГТД

Как показывает анализ существующих конструкций авиационных двигателей, при проектировании ГТД разработчики широко используют свой опыт, проверенные временем конструктивные решения, при обязательном выполнении тех общих требований к конструкции опор, о которых говорилось выше. Это наглядно можно увидеть на примерах российского двигателя ПС-90А и американского двигателя PW 2037.

Двигатель ПС-90А (см. Рис. 4.32) имеет трехопорную конструкцию роторов ВД и НД. На Рис. 4.32 показана схема расположения опор на двигателе ПС-90А Силовые схемы роторов и корпусов этого двигателя представлены в разделах 4.2 и 4.3 (см. Рис. 4.15 и 4.17).

Опора шарикоподшипника ротора НД (см. Рис. 4.33) расположена в «холодной» зоне и не требует специальных мероприятий по обеспече- нию теплового режима. На этой опоре происходит передача осевого усилия с ротора НД на корпус. В ней установлен радиально-упорный подшипник 1. На внутреннем кольце подшипника выполнен технологический бурт для съема подшипника при разборке. Наружное кольцо подшипника установлено в корпус 2. Внутреннее разъемное кольцо подшипника установлено на валу 3 ротора. Подача масла на шарикоподшипник осуществляется через форсунку 4 во внутреннюю коническую полость резьбовой втулки 5. Под действием центробежных сил во внутренней конической полости втулки создается масляная ванна, откуда масло по пазам в вале ротора поступает под внутреннее кольцо подшипника и через отверстия в кольце – на тела качения. Уплотнения масляной полости осуществляется лабиринтами 6 и 7, причем на лабиринте выполнен маслоотбойный буртик. Для наддува лабиринтов используется воздух из противообледенительной системы двигателя.

Рисунок 4.34 – а) Промежуточная опора ротора НД с роликоподшипником 1 – роликоподшипник; 2 - корпус;

3- упруго-демпферная опора;

4- форсунка

ры стал производиться из-за седьмой ступени КВД, но с обязательным охлаждением в воздушном теплообменнике, расположенном в наружном контуре двигателя. Таким образом, вокруг опоры шарикоподшипника конструктивно сформирована полость 11, через которую пропускается охлаждающий воздух.

Опора шарикоподшипника и задняя опора ротора ВД двигателя ПС-90А установлены в одной

Рисунок 4.34 - б) Передняя опора ротора ВД с роликоподшипником 1 – роликоподшипник; 2 - упруго-дем-

пферная опора; 3 и 4 - лабиринты

масляной полости, организованной кожухом вала камеры сгорания.

В масляной полости в нижней части находятся два трубопровода отвода масла (отдельно – для шарикоподшипника КВД и для роликоподшипника ТВД), причем в каждой линии откачки установлены элементы системы диагностики состояния подшипника – магнитный сигнализатор стружки

Рисунок 4.35 - Опора шарикоподшипника ротора ВД

1 – шарикоподшипник; 2 - внутреннее кольцо; 3 - наружное кольцо; 4 - обойма; 5 - корпус кожуха внутренний камеры сгорания; 6 - форсунка; 7 - сепаратор;

8 и 9 - лабиринты; 10 - теплозащитный экран; 11 - воздушная полость

и датчик температуры масла. Верхняя часть масляной полости соединена с окружающей атмосферой через систему суфлирования.

В задней опоре ротора НД (см. Рис. 4.37) расположен роликоподшипник 1. Подшипник установлен на «жестком» фланце 2, имеющем упруго-дем- пферную опору 3. Фланец находится на задней опоре 4 двигателя. Подвод масла на роликоподшипник – принудительный через форсунки. Уплотнения масляной полости осуществляется лабиринтами 5 и 6. Роликоподшипник расположен в масляной полости задней опоры, в которой организованы откачка масла - в нижней части, и суфлирование с - наружной атмосферой – в верхней части. В системе откачки масла установлены элементы диагностики подшипника – магнитная пробка и датчик температуры.

Двигатель PW2037 имеет двухопорную конструкцию ротора ВД и трехопорную конструкцию ротора НД. На Рис. 4.38 показана схема расположения опор на двигателе PW2037.

Силовая схема роторов представлена в разделе 4.2 (см. Рис. 4.15).

Рассматриваемые двигатели – российский ПС-90А и американский PW2037 – являются двигателями одного класса и имеют много общих конст-

Рисунок 4.36 - Задняя опора ротора ВД с роликоподшипником

Рисунок 4.37 - Задняя опора ротора НД с роликоподшипником 1 - роликоподшипник; 2 - фланец;

3 - упруго-демпферная опора; 4 - опора задняя двигателя; 5 и 6 - лабиринтные уплотнения

руктивных решений в исполнении опор, но остановимся на отличиях. В первую очередь у двигателя PW2037 необходимо отметить следующее:

-для ротора ВД принята двухопорная силовая схема, причем опора шарикоподшипника размещена в относительно холодном месте перед КВД;

-уплотнения масляных полостей осуществлены с помощью контактных уплотнений;

- подшипники опор специально спроектированы с учетом применения в конкретной опоре.

На Рис. 4.39…4.43 показаны исполнения опор двигателя PW2037 с описанием особенностей принятых конструктивных решений.

Наружное кольцо 1 шарикоподшипника 2 крепится к фланцу 3. Подвод масла осуществляется под внутренний буртик маслосборного кольца 4, а затем по отверстиям в опорном бурте вала 5 и пазам внутреннего кольца 6 на тело качения (см. Рис. 4.39).

Наружное кольцо 1 роликоподшипника 2 имеет фланец для крепления к корпусу 3 опоры. Подвод масла осуществлен под внутреннее кольцо роликоподшипника. Рядом с роликоподшипником расположено два контактных уплотнения 4, изолирующих масляную полость опоры от межвальной полости роторов ВД и НД (см. Рис. 4.40).

Передача осевого усилия на шарикоподшипник 1 с вала 2 и далее на корпусной фланец осу-

ществлена через бурты на валу ротора и фланце 3 (см. Рис. 4.41).

Опора расположена в «горячей» зоне. Фланец 1 имеет V-образную форму для компенсации различ- ных температурных расширений наружной и внутренней части. Опора защищена теплоизоляционным корпусом 2. Наружное кольцо роликоподшипника 3 имеет увеличенную длину для компенсации монтажных неточностей и теплового расширения (см. Рис. 4.42).

Наружное кольцо роликоподшипника 1 имеет упругий элемент, а внутреннее кольцо – увели- ченную длину. Опора защищена теплоизоляционным кожухом 2 (см. Рис. 4.43).

4.4.7.2 – Конструкция опор наземных ГТД

В конструкции опор наземных ГТД применяются те же конструктивные решения, что и в опорах авиационных двигателей. В случае создания

Рисунок 4.39 - Опора шарикоподшипника ротора НД 1 – наружное кольцо с фланцем;

2 – радиально-упорный шарикоподшипник; 3 – фланец подшипника; 4 – маслосборное кольцо; 5 – вал ротора НД; 6 – внутреннее разъемное

кольцо; 7 – контактное уплотнение; 8 – корпус

Рисунок 4.40 - Промежуточная опора ротора НД с роликоподшипником 1 – наружное кольцо подшипника

с фланцем; 2 – роликоподшипник; 3 – корпус опоры; 4 - контактное уп-

лотнение (уплотнение межвального пространства) ; 5 – вал ротора НД; 6 – вал ротора ВД

Рисунок 4.41 - Опора шарикоподшипника ротора ВД 1 – радиально-упорный шарикопод-

шипник; 2 – вал ротора ВД; 3 – силовой фланец; 4 – корпус; 5 – вал ротора НД; 6 – контактное уплотнение

Рисунок 4.42 - Задняя опора ротора ВД с роликоподшипником 1 – фланец подшипника; 2 – тепло-

изоляционный кожух; 3 – роликоподшипник; 4 – вал ротора ВД; 5 – вал ротора НД; 6 – контактные уплотнения; 7 – корпус

Рисунок 4.43 - Задняя опора ротора НД с роликоподшипником 1 – роликоподшипник; 2 – теплоизо-

ляционный кожух; 3 – вал ротора НД; 4 – контактное уплотнение; 5 – корпус

наземных ГТУ на базе существующих авиационных конструкция опор предусматривает большую степень унификации применяемых деталей и узлов, что позволяет значительно удешевить производство.

4.5 – Подвеска ГТД

Как рассматривалось выше (см. раздел 4.1) часть усилий, возникающих в узлах ГТД, передается на силовые элементы самолета (для авиационных двигателей) и на силовую раму (для двигателей наземного применения).

Совокупность деталей ГТД, обеспечивающих передачу этих усилий, определяет систему подвески двигателя. Кроме того, детали подвески фиксируют двигатель относительно силовых элементов самолета или рамы с обеспечением необходимых степеней свободы.

В общем случае на детали системы подвески действуют следующие силы и моменты:

-осевая сила (сила тяги для авиационного

ÃÒÄ);

-вес двигателя;

-инерционные нагрузки от неуравновешенности ротора;

-неуравновешенная часть момента кручения на статорных деталях.

Для авиационных ГТД, кроме того, необходимо учитывать инерционные нагрузки и гироскопи- ческий момент от ротора двигателя, возникающие при движении летательного аппарата.

Конструктивно система подвески включает в себя силовые корпуса двигателя, к которым прикреплены стержневые тяги, кронштейны, оси, соединяющие эти корпуса с силовыми элементами пилона (крыла, корпуса) самолета или рамы.

Как правило, каждая подвеска состоит из двух поясов – переднего и заднего. Центр масс ГТД обычно размещается примерно посредине между плоскостями крепления. Для упрощения условимся пояс передней подвески обозначать ППП, а пояс задней подвески – ПЗП.

Для анализа работы деталей подвески ГТД используется понятие схемы подвески. Это не что иное, как условное обозначение элементов подвески, показывающее взаимное положение и виды связей силовых элементов корпусов двигателя и самолета (рамы). Схема подвески позволяет определить распределение нагрузок между элементами подвески, провести необходимые прочностные рас- четы, оценку деформации корпусов.

Основная тенденция современных схем подвески двигателя - стремление к уменьшению прогиба геометрической оси силового корпуса двигателя (для ТРДД – силового корпуса газогенератора). От величины прогиба геометрической оси ГТД зависит выбор величины радиального зазора по лопаткам роторов, который является одним из факторов, определяющих КПД узлов компрессора и турбины, а следовательно – экономичность двигателя. Главное влияние на прогиб геометрической оси оказывает размещение на корпусе точки крепления, через которую передаются осевые нагрузки. Чем ближе точка «снятия» осевых нагрузок к оси двигателя, тем меньше изгибные деформации, тем более легким может быть выполнен корпус двигателя, с меньшими зазорами по лопаткам роторов, а следовательно – с более стабильными характеристиками экономичности в процессе эксплуатации.

В меньшей степени на прогиб корпусов влияет расположение точки крепления по оси двигателя. Она может быть расположена вблизи ППП,

вблизи ПЗП или между поясами подвески. От размещения этой точки крепления зависит характер эпюры изгибающего момента по оси двигателя.

На выбор схемы подвески ГТД влияет и конструкция силового корпуса, от которого зависит изменение радиальных зазоров между ротором и статором. Количество опор роторов и наличие жестких радиальных связей в корпусах в месте расположе-