Роторная машина

 

Роторная машина включает в себя два ротора, гибкий вал одного из которых проходит внутри другого. В середине пролета вала имеется буртик. На внутренней поверхности наружного ротора установлен ограничитель динамического прогиба вала, состоящий из кольца, внутренняя поверхность которого образует с наружной поверхностью буртика вала кольцевой зазор поверхностей, составляющих антифрикционную пару. Поверхность наружного ротора, ограничивающая взаимное смещение роторов, образована концами пружинных проволочек, собранных в пучки, равномерно расположенные по окружности. Изобретение приводит к увеличению ресурса роторной машины и снижению ее массы и габаритов. 3 ил.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения и может быть использовано в турбомашиностроении и других областях народного хозяйства для обеспечения работоспособности гибких валов.

Известно, что шведский инженер Лаваль более 100 лет тому назад создал активную паровую турбину с гибким валом. Менее известно, что работоспособность этой турбины была обеспечена установкой на статоре ограничительных колец, предназначенных для плавного прохождения критических частот вращения ротора на запуске и останове машины (см. статью П.Л.Капицы "Устойчивость и переход через критические обороты быстровращающихся роторов при наличии трения", "Журнал технической физики", М., 1939, т.IX, вып.2, с. 135, рис.5).

Заметим, что проблема обеспечения надежной работы роторных машин с гибким валом до настоящего времени не имеет общего решения, однако имеется ряд частных конструктивных решений, позволяющих использовать в машинах гибкие валы и роторы.

В качестве аналога выбрана схема гибкого консольного вала с ограничителем прогиба, расположенным в середине пролета (см. книгу Н.В.Григорьева "Нелинейные колебания элементов машин и сооружений", М-Л, "Машгиз", 1961 с. 177, фиг. 85). Данная схема ротора соответствует схеме типовой конструкции ротора свободной турбины (СТ) турбовинтового двигателя, а также схеме ротора турбины низкого давления турбореактивного двигателя.

В составе двигателя ротор СТ обычно вращается внутри более быстроходного ротора турбокомпрессора (ТК), который, как правило, вращается в том же направлении, что и ротор СТ.

На сегодня одним из зарубежных турбовинтовых двигателей, выпускаемых серийно, является американский двигатель Т-700 и его модификации, к числу которых относится двигатель СТ7.

Анализ чертежей двигателя СТ7, приведенный в "Руководстве по техническому обслуживанию" (см. "СТ7, TURBOSHAFT ENGINES, CT7-2A, MAINTENANCE MANUAL, GENERAL ELECTRIC, AIRGRAFT ENGINE GROUP, MAPCH 31, 1981") свидетельствует о наличии между роторами ограничителя динамического прогиба вала в виде буртика на валу ротора СТ и кольца, закрепленного на роторе турбокомпрессора в плоскости указанного буртика. Плоскость эта проходит в середине пролета вала между опорами ротора СТ.

В качестве прототипа рассматриваемой роторной машины является роторная система турбовального двигателя СТ7.

Основным недостатком прототипа является возможность виброударного режима взаимодействия роторов ТК и СТ в кольцевом зазоре ограничителя. Ударный вход в контакт элементов ограничителя и вала, а также высокий уровень сил сухого трения приводят к быстрому износу соприкасаемых поверхностей и к малому межремонтному ресурсу ограничителя, а следовательно, и двигателя.

При разработке рассматриваемой роторной машины были поставлены следующие задачи: - резкое увеличение ресурса машины, что обеспечивается за счет "мягкого" безударного входа в контакт поверхностей ограничителя и вала; - создание упругих сил, восстанавливающих первоначальную ось вала при его прогибе; - исключение работы ограничителя на основных длительных режимах работы машины; - обеспечение низкого уровня вибрации с частотой вращения ротора СТ; - простота и низкая стоимость восстановительного ремонта ограничителя.

По существу вместо жесткого, виброударного взаимодействия между вращающимися роторами ТК и СТ предложены "мягкие", упруго-демпферные упоры, которые, деформируясь при возникновении прогиба вала, создают упругую силу, направленную на восстановление первоначальной оси вала ротора СТ.

Рассматриваемая роторная машина состоит из статора и двух роторов, вал одного из которых проходит внутри другого. В дальнейшем будем называть эти роторы "внутренний ротор" и "наружный ротор".

С точки зрения критических частот вращения внутренний ротор является гибким. Следовательно, он проходит критические частоты, что сопровождается ростом динамического прогиба вала.

Отметим, что ряд наружных поверхностей внутреннего ротора имеют весьма малые радиальные зазоры со статором и с внутренними поверхностями наружного ротора. Величины этих зазоров могут оказаться равными величинам прогибов вала, что приведет к задеванию внутреннего ротора за наружный ротор или статор, и далее к нарушению работоспособности всей машины.

С целью защиты обоих роторов и статора от указанных задеваний в середине пролета вала имеется буртик, а на внутренней поверхности наружного ротора установлен ограничитель динамического прогиба вала, состоящий из кольца, внутренняя поверхность которого образует с наружной поверхностью буртика вала кольцевой зазор поверхностей, составляющих антифрикционную пару.

Основным отличием предложенного решения от прототипа является наличие пружинных проволочек, собранных в пучки, равнорасположенных по окружности внутренней поверхности наружного ротора, и концы которых образуют поверхность наружного ротора, ограничивающую взаимное смещение роторов.

На Фиг.1 изображена схема роторной машины, на Фиг.2 и 3 показан ограничитель динамического прогиба.

На Фиг.1 изображен общий вид роторной машины, содержащей наружный ротор 1 и внутренний ротор 2. Применительно к турбовинтовому двигателю - это роторы ТК и СТ. Упругодемпферные опоры 1.1, 1.2 и 2.1, 2.2 относятся к роторам 1 и 2 соответственно. Вал 3 (см. Фиг.2) ротора 2 в середине пролета имеет буртик 4, наружная поверхность которого может подвергаться особой химико-физической обработке (напыление, покрытие).

В плоскости буртика 4 расположен ограничитель 5 прогиба вала 3, состоящий из левого кольца 6 и правого кольца 7, между которыми защемлены пучки 8 (см. Фиг. 3) пружинных проволочек 9, свободные концы которых расположены на окружности ρ, концентричной поверхности буртика 4. При этом радиальный зазор δ подбирается расчетно-экспериментальными средствами, исходя из учета: конкретной конструкции, воздействия на пучки поля центробежных сил, зазоров в подшипниках, перемещений в упругих опорах роторов, а также тепловых и упругих деформаций элементов ротора 1.

Роторная машина работает следующим образом. При нормальном вращении роторов на режимах, удаленных от критических оборотов не менее чем на 20%, радиальный зазор δ не должен выбираться, т.е. на основных длительных рабочих режимах, расположенных в закритической зоне, ограничитель не должен включаться.

При возникновении прогиба вала на переходных режимах зазор δ выбирается и дальнейшее увеличение прогиба вала сопровождается сопротивлением со стороны упругих проволочек 9. Происходит сжатие этих пружинных проволочек, что приводит к возникновению упругой восстанавливающей силы, действующей на вал. Противодействие к прогибу начинается с малых его значений, что приводит к "мягкому" входу в контакт буртика вала с проволочками и к низкому уровню сил сухого трения. Таким образом, режим сухого трения ограничен по времени и по уровню сил, что приводит к увеличению ресурса всей машины.

Рассматриваемая роторная машина обеспечивает работоспособность гибкого вала, применение которого существенно упрощает конструкцию всего двигателя, сокращая при этом его массу и габариты.

Кроме этого, настройка роторной системы машины на размещение режима самоцентрирования в рабочем диапазоне частот вращения позволяет обеспечивать низкий уровень вибраций двигателя, что приводит к увеличению ресурса двигателя и агрегатов, которые на нем размещены.

В настоящее время применение гибких валов допустимо только при исключении критических частот вращения из рабочего диапазона. Таким образом, существует проблема прохода критических частот вращения на переходных режимах, включая запуск и останов.

Для роторов авиационных двигателей указанная проблема дополняется воздействием на ротор перегрузок, возникающих при эволюциях самолета, а также при грубой посадке самолета.

Приведенные опасные режимы могут сопровождаться значительными прогибами вращающегося вала.

При отсутствии средств ограничения прогибов на двигателе могут возникнуть разрушительные дефекты, связанные с задеванием вала о статор или о другой ротор.

На современном уровне данное решение сохраняет свою актуальность.

Предложенное решение о замене жестких упоров на мягкие нашло свое применение на создаваемом сегодня двигателе ВК-1500, предназначенном для современного пассажирского самолета.

Формула изобретения

Роторная машина, включающая в себя два ротора, гибкий вал одного из которых проходит внутри другого, причем в середине пролета вала имеется буртик, а на внутренней поверхности наружного ротора установлен ограничитель динамического прогиба вала, состоящий из кольца, внутренняя поверхность которого образует с наружной поверхностью буртика вала кольцевой зазор поверхностей, составляющих антифрикционную пару, отличающаяся тем, что поверхность наружного ротора, ограничивающая взаимное смещение роторов, образована концами пружинных проволочек, собранных в пучки, равномерно расположенные по окружности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3