Дренажная труба и вал турбокомпрессора низкого давления
Изобретение относится к дренажным трубам, предназначенным для установки коаксиальным образом внутри вала турбокомпрессора низкого давления и имеющим полую металлическую цилиндрическую часть, длина которой, по существу, равна длине вала, внутри которого установлена указанная труба. Внешняя поверхность металлической части покрыта, по меньшей мере, на части ее длины композитным материалом на основе волокон, ориентированных, по существу, продольно и придающих трубе прочность на изгиб и сохранить герметичность канала течения масла. 2 н. и 7 з.п.ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к дренажным трубам, предназначенным для установки внутри вала турбокомпрессора низкого давления.
Уровень техники
Вал турбокомпрессора низкого давления в турбомашине, называемый далее валом низкого давления, приводит во вращение расположенный спереди (относительно направления движения газов) от него вал вентилятора. Этот вращающийся вал вентилятора поддерживается подшипником качения, который необходимо смазывать и охлаждать. Для этого предусмотрен контур подачи масла, с помощью которого масло подают в пространство, расположенное между кольцами подшипника качения. Масло содержится в полости, в которой оно смешивается с воздухом, а затем выводится в выводной картер турбомашины, протекая внутри вала низкого давления.
Во избежание повреждения вала низкого давления маслом, протекающим через этот вал низкого давления, в частности в результате коксования масла, по известной технологии внутри вала устанавливают коаксиально полую трубу вывода масла, называемую дренажной трубой. Дренажные трубы должны соответствовать определенным критериям: в частности, они должны быть легкими и обладать хорошей способностью к деформации изгиба, чтобы предотвратить возникновение в них открытых трещин в случае поломки.
Для соответствия этим критериям предлагалось изготавливать дренажные трубы из металла, например из титана или никеля. Такие трубы обладают хорошей продольной изгибаемостью, позволяющей избежать возникновения открытых трещин в случае поломки. Их основной недостаток заключается в том, что отношение модуля к плотности, характерное для металла, требует установки между валом низкого давления и трубой промежуточных фиксирующих распорок во избежание радиального смещения трубы внутри вала при его вращении. Такие распорки затрудняют операции монтажа и демонтажа трубы внутри вала, осуществляемые вслепую, и в случае неточной установки трубы внутри вала приводят к возникновению в ней трещин.
Раскрытие изобретения
Таким образом, основная задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков путем создания дренажной трубы, позволяющей исключить использование промежуточных распорок при сохранении герметичности канала течения масла и высокой способности трубы к деформации изгиба.
Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается дренажная труба, предназначенная для установки коаксиально внутри вала турбокомпрессора низкого давления. Труба по изобретению имеет полую металлическую цилиндрическую часть, длина которой, по существу, равна длине вала, внутри которого установлена указанная труба. Данная труба характеризуется тем, что внешняя поверхность металлической части покрыта, по меньшей мере, на части ее длины, композитным материалом на основе волокон, ориентированных, по существу, продольно и придающих трубе прочность на изгиб.
Наличие волокон из композитного материала, ориентированных вдоль трубы, придает ей хорошую способность к деформации изгиба в процессе вращения вала и значительно повышает ее модуль. Таким образом, дренажная труба может быть лишена промежуточных распорок, прикрепляющих ее к валу, что упрощает ее монтаж внутри вала и демонтаж. Кроме того, сохраняется герметичность трубы.
В предпочтительном варианте композитный материал, покрывающий внешнюю поверхность металлической части, дополнительно содержит переплетенные волокна, обеспечивающие удержание продольных волокон.
Металлическая часть может быть снабжена расположенным на ее переднем конце соединительным наконечником, обеспечивающим прикрепление к переднему концу вала, внутри которого установлена указанная труба. В этом случае соединительный наконечник может содержать устройство блокировки вращения трубы относительно вала. Данный наконечник также может содержать, по меньшей мере, одно уплотнительное кольцо, предотвращающее, во взаимодействии с валом, проникновение масла в пространство между валом и дренажной трубой.
Металлическая часть трубы предпочтительно изготовлена из титана, а композитный материал состоит предпочтительно из углеродных волокон, пропитанных смолой. Такие углеродные волокна, расположенные продольно, могут покрывать от 50% до 75% внешней поверхности металлической части.
Настоящее изобретение также охватывает вал турбокомпрессора низкого давления, содержащий вышеописанную дренажную трубу.
Краткое описание чертежей
Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений.
На фиг.1 частично представлена в продольном разрезе передняя часть дренажной трубы по изобретению, установленной внутри вала турбокомпрессора низкого давления;
на фиг.2 частично представлена в продольном разрезе задняя часть дренажной трубы по фиг.1.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображена часть вала 2 турбокомпрессора низкого давления турбомашины. Этот полый вал 2, имеющий продольную ось XX', расположен практически по всей длине турбомашины. При помощи выступов 6 на своем переднем конце 2а он приводит во вращение вал 4 вентилятора. Вал 4 вентилятора расположен коаксиально вокруг вала 2 низкого давления.
Подвижные (рабочие) лопатки вентилятора (не представлены) закреплены на переднем конце вала 4 вентилятора. Кроме того, вращающийся вал 4 вентилятора поддерживается подшипником 8 качения. Этот подшипник 8 может состоять, например, из шариков 8а, расположенных между внутренним кольцом 8b, установленным на валу 4 вентилятора, и внешним кольцом 8с, установленным на валу 10.
Контур подачи масла (не представлен) позволяет направлять и впрыскивать масло между кольцами 8b, 8с подшипника 8 качения с целью его смазывания и охлаждения. Смазывающее и охлаждающее масло заключено в масляную полость 12, ограниченную, в частности, валом 4 вентилятора и валом 10, на котором установлено внешнее кольцо 8с подшипника 8.
В месте расположения масляной полости 12 сквозь вал вентилятора проходят полые втулки (или трубки) 14, позволяющие выводить смазывающее и охлаждающее масло из полости 12. В переднем конце 2а вала 2 низкого давления предусмотрены отверстия 16, расположенные напротив полых втулок 14 и позволяющие направлять смазывающее и охлаждающее масло внутрь вала низкого давления.
В соответствии с изобретением внутри вала 2 низкого давления предусмотрена установка трубы 18, называемой «дренажной» трубой. Дренажная труба 18 расположена коаксиально с валом и обеспечивает возможность вывода смазывающего и охлаждающего масла без повреждения вала низкого давления.
Такая труба 18 имеет вид полой металлической детали цилиндрической формы, расположенной симметрично относительно оси XX', причем длина трубы 18, по существу, равна длине вала 2 низкого давления. Таким образом, дренажная труба 18 расположена от переднего конца 2а вала 2 низкого давления (фиг.1) до его заднего конца 2b (фиг.2).
При этом дренажная труба 18 снабжена отверстиями 19, расположенными вблизи ее переднего конца и предназначенными для вывода масла в трубу.
В соответствии с изобретением внешняя поверхность металлической части трубы 18, по меньшей мере, на части ее длины, покрыта композитным материалом 20, волокна которого ориентированы, по существу, в продольном направлении (т. е. вдоль оси XX' трубы) и который сообщает дренажной трубе прочность на изгиб.
На фиг.1 и 2 продольные волокна 20 практически полностью покрывают дренажную трубу 18 по всей ее длине. Однако может быть предусмотрен вариант, в котором эти волокна лишь частично покрывают металлическую часть трубы непрерывным образом или на отдельных ее участках.
При таком выполнении дренажная труба 18 обладает таким соотношением модуля и плотности, которое избавляет от необходимости использования промежуточных фиксирующих распорок между валом 2 низкого давления и трубой при сохранении герметичности трубы и ее способности к пластической деформации. Кроме того, дренажная труба имеет минимальную возможную массу.
В соответствии с полезной особенностью изобретения композитный материал дополнительно содержит переплетенные волокна 22, предназначенные для удерживания продольных волокон 20 на металлической части трубы 18. Эти переплетенные волокна 22, которые, например, могут быть наклонены относительно продольной оси XX' трубы под углом от 45° до 60°, покрывают продольные волокна 20.
Металлическая часть дренажной трубы 18 предпочтительно изготовлена из титана, а композитный материал предпочтительно состоит из волокон 20, 22, изготовленных из углерода и пропитанных смолой. Использование углеродных волокон позволяет создать композитный материал, придающий трубе наилучшее сопротивление изгибу. Кроме того, углеродные волокна в настоящее время широко используются в промышленности, что делает их использование менее дорогостоящим, чем применение других композитных материалов.
Разумеется, для изготовления продольных волокон и переплетенных волокон дренажной трубы также могут быть использованы и другие материалы. Аналогичным образом, металлическая часть дренажной трубы может быть изготовлена из других металлов, например из никеля.
Продольные углеродные волокна 20 могут покрывать от 50% до 75% (а в предпочтительном варианте - приблизительно 60%) внешней поверхности металлической части дренажной трубы 18.
В соответствии с вариантом выполнения трубы, проиллюстрированным на фиг.1 и 2, передний конец металлической части дренажной трубы 18 снабжен соединительным наконечником 24, обеспечивающим ее прикрепление к переднему концу 2а вала 2 низкого давления. Такой соединительный наконечник 24 также выполнен из металла (например, из титана, как и цилиндрическая часть трубы) и может быть прикреплен к переднему концу металлической части трубы при помощи сварного соединения 26.
Следует отметить, что отверстия 19, обеспечивающие возможность ввода масла внутрь дренажной трубы 18, предпочтительно предусмотрены в соединительном наконечнике 24. Следует отметить, что задний конец металлической части дренажной трубы 18 также может быть снабжен наконечником 24' (фиг.2). Основное назначение такого заднего наконечника 24' заключается в поддержке дренажной трубы и в защите вала низкого давления в случае возгорания паров масла.
В соответствии с одной из полезных особенностей изобретения соединительный наконечник 24 содержит устройство блокировки вращения относительно вала 2 низкого давления. Устройство блокировки может представлять собой, например, палец 28 вала 2 низкого давления, который входит в уступ 30 соединительного наконечника 24 и таким образом позволяет предотвратить вращение трубы относительно вала низкого давления.
Фиксирующий винт 32, который завинчивают в вал 2 низкого давления вблизи его переднего конца 2а так, чтобы он входил в уступ 30 соединительного наконечника 24, позволяет обеспечить прикрепление дренажной трубы 18 к валу 2. Следует отметить, что дренажную трубу 18 монтируют внутри вала 2 низкого давления и демонтируют спереди, т.е. со стороны переднего конца 2а вала 2.
В соответствии с другой полезной особенностью изобретения соединительный наконечник 24 содержит, по меньшей мере, одно уплотнительное кольцо 34, взаимодействующее с валом 2 низкого давления. Это уплотнительное кольцо 34 расположено после отверстий 19 вывода масла относительно направления движения газов. Оно позволяет избежать утечки поступающего из полости 12 масла в кольцевое пространство, расположенное между валом 2 низкого давления и дренажной трубой 18.
Кроме того, волокна дренажной трубы могут быть защищены от разрушающего воздействия масла путем покрытия их защитной пленкой типа Viton®. Эта защитная пленка на чертежах не представлена.
Способ изготовления дренажной трубы по изобретению очевидным образом вытекает из предшествующего описания.
Металлическая часть дренажной трубы остается идентичной металлическим частям ранее известных дренажных труб, за исключением использования промежуточных распорок. Наконечники 24, 24' приваривают к переднему и заднему концам металлической части. Продольные волокна 20 и переплетенные волокна 22 накладывают с использованием способа, известного в области композитных материалов: после наложения волокон на внешнюю поверхность металлической части их пропитывают смолой (например, эпоксидной смолой), а затем подвергают полимеризации.
В частности, волокна 22, удерживающие продольные волокна 20, могут быть переплетены непосредственно на металлической части трубы при помощи соответствующей катушки или же сплетены заранее в форме рукава, который затем надевают на металлическую часть трубы.
1. Дренажная труба (18) для установки коаксиально внутри вала (2) турбокомпрессора низкого давления, имеющая полую металлическую цилиндрическую часть, длина которой, по существу, равна длине вала, внутри которого устанавливается указанная труба, отличающаяся тем, что внешняя поверхность металлической части покрыта, по меньшей мере, на части ее длины, композитным материалом на основе волокон (20), ориентированных, по существу, продольно и придающих трубе прочность на изгиб.
2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что композитный материал дополнительно содержит переплетенные волокна (22), предназначенные для удержания продольных волокон (20).
3. Труба по п.1, отличающаяся тем, что металлическая часть снабжена расположенным на ее переднем конце соединительным наконечником (24), обеспечивающим прикрепление трубы к переднему концу (2а) вала (2), внутри которого установлена указанная труба.
4. Труба по п.3, отличающаяся тем, что соединительный наконечник (24) содержит устройство (28, 30) блокировки вращения относительно вала (2), внутри которого установлена указанная труба.
5. Труба по п.1, отличающаяся тем, что соединительный наконечник (24) содержит, по меньшей мере, одно уплотнительное кольцо (34), взаимодействующее с валом (2), внутри которого установлена указанная труба.
6. Труба по п.1, отличающаяся тем, что ее металлическая часть изготовлена из титана.
7. Труба по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что композитный материал состоит из волокон (20, 22) углеродных волокон, пропитанных смолой.
8. Труба по п.7, отличающаяся тем, что продольные углеродные волокна (20) покрывают от 50 до 75% внешней поверхности металлической части.
9. Вал (2) турбокомпрессора низкого давления, отличающийся тем, что содержит дренажную трубу (18) по любому из пп.1-8.
