Устройство для ограничения прогиба гибкого вала

 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к многовальным газотурбинным двигателям, и позволяет повысить надежность. Устройство для ограничения прогиба гибкого вала и предотвращения перетирания валов ГТД расположено на коаксиальных валах роторов 7, 8. Между внутренней поверхностью В охватываемого вала 10 установлено опорное кольцо с упругим элементом из антифрикционного эластичного материала. Опорное кольцо и упругий элемент присоединены к внутренней поверхности Б, а с наружной поверхностью В образуют зазор А, равный по величине сумме прогиба вала 10 при критической скорости вращения плюс монтажный эксцентриситет. Упругость элемента устройства необходима для смягчения ударов валов при их касании и снижения амплитуды колебаний валов. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к многовальным газотурбинным двигателям. Многовальные газотурбинные двигатели получили широкое распространение. Их характерной особенностью является наличие концентричных пустотелых валов роторов, опирающихся на опоры. В наиболее неблагоприятных условиях работы находится вал ротора, который расположен последним по ходу течения газов. Вал этого ротора наиболее длинный и из-за недостатка радиальных габаритов, как правило, получается гибким, т.е. он обладает способностью прогибаться, особенно на критических скоростях вращения. При недостаточном зазоре между валами возможно их касание, повреждение и выход из строя не только валов, но и двигателя. Используют различные приемы, уменьшающие прогиб валов. Вводят демпфирование роторов, увеличивают число опор в двигателе. Известно устройство для уменьшения прогиба вала, например промежуточная опора между валами для многовальной турбомашины с демпфированием масляной пленкой. Опора содержит межвальный подшипник с роликами, систему подвода масла для смазки и охлаждения подшипника и создания масляной демпфирующей пленки между обоймой подшипника и валом. Кроме того, конструкция включает системы сброса масла, уплотнения и их наддува, систему суфлирования. Указанная конструкция в основном решает задачу уменьшения прогиба вала, однако является весьма сложной в изготовлении и доводке и потому ненадежной и дорогой. Известно устройство, ограничивающее прогиб вала при переходе через критические обороты. Устройство содержит кольцо, расположенное концентрично оси вала на роликах, на которое вал опирается при переходе через критическое число оборотов. Во время работы гибкий вал опирается с проскальзыванием на кольце, которое получает ускорение и начинает вращаться на роликах. В условиях высоких температур такая конструкция ненадежна, так как возможно заклинивание и проскальзывание роликов, что приводит к надирам и износам трущихся поверхностей, в том числе вала, по которому должны катиться ролики, что недопустимо. При проскальзывании кольца по наружной поверхности гибкого вала также возможны надиры, прижоги и изменение формы соприкасаемых деталей из-за жесткого контакта и большого трения металла о металл. При взаимном касании валов возможны значительные повреждения их и выход из строя ГТД. Целью изобретения является повышение надежности многовального ГТД, у которого хотя бы один из валов гибкий. Цель достигается тем, что при выполнении наружного коаксиального вала опорное кольцо снабжено упругим антифрикционным элементом, установленным внутри жесткого вала и обращенным рабочей поверхностью к гибкому валу, при этом опорное кольцо закреплено на внутренней поверхности наружного коаксиального вала. Упругий элемент выполнен из спрессованной бронзовой проволоки и имеет покрытие, состоящее, например, из смеси графита, талька и эмали КО-856 в соотношении компонентов 1:1:2. По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция обладает существенными отличиями. Упругий элемент, установленный в опорном кольце между валами, в отличие от прототипа позволяет смягчать удары, возникающие при касании валов, уменьшать (ограничивать) прогиб вала. Благодаря свойствам антифрикционности материала (бронзовая проволока и покрытие) достигается отсутствие задиров и прижогов на поверхностях соприкосновения и, как следствие, отсутствует изменение формы валов под действием пластической деформации. Пористые свойства элемента обеспечивают его эффективное закрепление на внутренней поверхности вала, например, при помощи пайки или приклейки. На фиг. 1 дана схема ГДТ, продольный разрез; на фиг.2 узел I на фиг.1 (устройство для ограничения прогиба гибкого вала и предотвращения перетирания валов). Многовальный газотурбинный двигатель включает входное 1 и выходное 2 устройства, статор 3, опоры 4, 5, 6 с подшипниками, на которые установлены роторы 7, 8, 9. Вал 10 ротора 7 гибкий. Устройство расположено на валах роторов 7, 8. Между внутренней поверхностью Б охватывающего вала 11 и наружной поверхностью В охватываемого вала 10 установлено опорное кольцо 12 с упругим элементом 13 из антифрикционного эластичного материала. При этом опорное кольцо и упругий элемент присоединены к внутренней поверхности Б, а с наружной поверхностью В образует зазор А, равный по величине сумме прогиба вала 10 при критической скорости вращения плюс монтажный эксцентриситет. Опорное кольцо 12 закреплено на валу 11, например, при помощи заклепок 14 или развальцованных штифтов. Крепление упругого элемента 13 к опорному кольцу 12 может быть выполнено в различных вариантах пайка, приклеивание высокотемпературным клеем, сварка. Упругость элемента 13 устройства необходима для того, чтобы смягчить удары валов при их касании, снижать амплитуды колебаний валов, возникающие при нестационарных возмущениях и при прохождении роторами критических частот вращения. Упругость материала элемента 13 определяется по относительной величине деформации сжатия и составляет 21-27% Материал разной упругости можно, например, получить из проволоки, которую предварительно скручивают в спираль в виде пружины, укладывают, а затем прессуют до получения необходимых упругих свойств. Увеличение упругости более 27% желательно, однако трудно реализовать заданную форму детали из-за ухудшения прессовых свойств (остаточной деформации), которые для разных материалов разные. Уменьшение упругости менее 21% нежелательно, так как увеличивается жесткость элемента, из-за чего возможны повреждения валов при касании. Кроме того, с увеличением жесткости ухудшаются антифрикционные свойства материала из-за трудности введения твердой смазки графита и талька 15. Антифрикционные свойства устройства необходимы для устранения задиров, прижогов, что достигается за счет уменьшения коэффициента трения. К значительному снижению коэффициента трения по сравнению со сталями приводит применение бронзы, которая в виде тонкой бронзовой проволоки используется для прессования с последующим наполнением твердой смазкой. В качестве твердой смазки чаще всего используют тальк и графит. Тальк применяют для повышения теплостойкости смазки, хотя он и имеет несколько выше по сравнению с графитом коэффициент трения. Увеличение содержания графита желательно, однако при температуре выше 350^оС он начинает выгорать. Подбирая соотношение между графитом и тальком обеспечивается с одной стороны смазывающие, антифрикционные свойства, а с другой долговечность упругого элемента устройства. Соотношение между тальком и графитом 1:1 обеспечивает функциональные свойства до температуры 500^оС. Смазку обычного замешивают на жаростойкой эмали, что улучшает пропитку бронзы. Введение смазки несколько увеличивает жесткость детали (снижает упругость материала). Соотношение между тальком, графитом и эмалью составляет 1:1:2. После нанесения покрытия упругость составляет 21-27% Эластичность упругого элемента необходима для получения плотного прилегания материала к опорному кольцу 12. Прилегание обеспечивает качественное соединение упругого элемента при пайке, сварке, склеивании. В интервале деформации 21-27% эластичность удовлетворительная, соединение получается качественное. Величина зазора между упругим элементом из антифрикционного материала и гибким валом зависит от прогиба вала при критической скорости вращения, монтажного эксцентриситета между пустотелыми валами и определяется по формуле А А₁ + А₂, в которой А зазор между упругим антифрикционным элементом и наружной поверхностью гибкого вала, мм; А₁ прогиб вала при критической скорости вращения ротора, мм; А₂ монтажный эксцентриситет между концентричными пустотелыми валами, мм. Прогиб А₁ вала при критической скорости вращения определяется расчетно и может быть замерен на двигателе путем тензометрирования. Величина монтажного эксцентриситета между пустотелыми валами зависит в основном от допусков на изготовление и сборку деталей ГЛТД, податливости корпусов опор и тоже определяется расчетно и экспериментально. Дальнейшее увеличение радиального зазора (запас) ограничено радиальными габаритами и часто невозможно, так как приводит к увеличению радиальных размеров подшипников, отверстий в ступице дисков турбин, что нежелательно из-за увеличения веса конструкции. Предлагаемое устройство с опорным кольцом и упругим элементом из антифрикционного материала предназначено для устранения вредных последствий, вызываемых случайным возмущением газового потока или непрогревом двигателя. Устройство работает следующим образом. При вращении ротора 7 на частотах, близких или равных критическим, вал 10 изгибается. В этом случае касание его об упругости элемента 13 незначительно или не происходит. При возникновении нерасчетного режима, например неожиданного возмущения потока в газовоздушном тракте, возможно увеличение прогиба вала 10 более расчетного значения и касания его о вал ротора 8. Касание происходит через упругий элемент 13. В момент наряду с относительным проскальзыванием валов происходит их взаимное силовое воздействие. Благодаря антифрикционным свойствам материала при относительном проскальзывании не происходит задиров и прижогов материала, сила, возникающая при прогибе вала 10, передается им на упругий элемент 13, который деформируется. Следствием деформации является возникновение силы, которая от элемента 13 направлена радиально и противоположно силе, изгибающей вал. П р и м е р. Проведено испытание газотурбинного двигателя, который состоял из входного и выходного устройств, роторов высокого, среднего и низкого давлений, в котором вал ротора низкого давления гибкий. Между валами роторов среднего и низкого давления установили устройство из упругого эластичного антифрикционного материала. Упругий элемент 13 был припаян к опорному кольцу 12, которое в свою очередь было закреплено на валу ротора среднего давления при помощи развальцованных штифтов. Упругий элемент состоял из двух поясов. Материал упругого элемента проволока из берилиевой бронзы БрБ2 (по ГОСТу 15834-77) с покрытием рабочей поверхности (пропиткой) смесью графита и талька, замешанного на эмали КО-856, в соотношении 1:1:2. Для подтверждения данных по работоспособности в процессе испытаний регистрировались вибрации, прогиб вала ротора низкого давления, частоты вращения роторов. Для получения прогиба вала ротора низкого давления в его середину вводился дисбаланс последовательно 200, 350, 530, 680, 750 г^. см. Момент касания определялся по обрыву петель-свидетелей, по которым шел сигнал. Петли закреплялись на валу ротора низкого давления. Для определения величины прогиба на валу были установлены тензодатчики. Оценка работоспособности ГТД приводилась по тем критериям, которые характеризуют состояние ГТД в работе и после разборки. Состояние ГТД в работе оценивалось по величине вибрации, а состояние после разборки по изменению геометрических параметров валов и состоянию поверхностей касания. Заметных отличий по вибрациям изделия до начала испытания и после с приведением искусственного дисбаланса в исходное состояние не произошло, что косвенно свидетельствовало о сохранении формы валов после нескольких касаний. Анализ состояния поверхностей касания после испытания и разборки двигателя показывает, что поверхность вала в месте касания гладкая, без задиров и цветов побежалости. Биение по стволам валов роторов низкого и среднего давления не превышает требований чертежа при изготовлении и составляет 0,04 мм. Состояние упругого элемента также удовлетворительное. В местах касания упругого элемента о вал видны следы трения, видны бронзовые проволочки и незначительный износ. Детали пригодны для последующих испытаний. Таким образом, применение в ГТД устройства, содержащего опорное кольцо с упругими антифрикционными элементами между валами, оказалось эффективным. Несмотря на касание валов недопустимого их повреждения не произошло, что свидетельствует о повышении надежности.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ПРОГИБА ГИБКОГО ВАЛА, содержащее опорное кольцо, расположенное с зазором относительно гибкого вала, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, при выполнении наружного коаксиального вала, опорное кольцо снабжено упругим антифрикционным элементом, установленным внутри наружного вала и обращенным рабочей поверхностью к гибкому валу, при этом опорное кольцо закреплено на внутренней поверхности наружного коаксиального вала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий элемент выполнен из спрессованной бронзовой проволоки и имеет покрытие, состоящее, например, из смеси графита, талька и эмали КО-856 в соотношении компонентов 1:1:2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 14-2002

Извещение опубликовано: 20.05.2002        

---