Устройство и способ распределения осевой силы ротора

Изобретение относится к распределению осевых нагрузок между опорами ротора. В устройстве распределения осевой силы ротора, содержащем ротор и установленные соосно опоры, воспринимающие осевую нагрузку, в отличие от известного, опоры ротора, воспринимающие осевую нагрузку, содержат расположенные соосно внутренний вал и наружный вал, смещающийся под действием осевого усилия в сторону внутреннего вала, при этом на наружной поверхности внутреннего вала размещен подшипник качения, установленный в корпусе опоры внутреннего вала, и на наружной поверхности наружного вала установлен подшипник качения, расположенный в корпусе опоры наружного вала, корпуса опор внутреннего и наружного вала монтируются на размещенный между ними промежуточный корпус, соосность внутреннего и наружного валов обеспечивается телескопической связью внутренней поверхности наружного вала со сферической поверхностью, расположенной на наружной поверхности внутреннего вала, с передачей крутящего момента через шлицы, при этом между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса и торцевыми поверхностями внутреннего и наружного валов размещены два пакета плоских пружин, причем пакет плоских пружин, расположенный между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, установлен с зазором, находящимся с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин, установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу. В способе распределения осевой силы ротора распределение части осевой силы ротора на подшипник качения, установленный на наружной поверхности наружного вала, осуществляется путем изменения величины зазора Δ между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с внутренней относительно оси вращения ротора стороны пакета плоских пружин, установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу, за счет изменения величины зазора Δ₁ между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с наружной относительно оси вращения ротора стороны пакета плоских пружин, установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу. Позволяет уменьшить габаритные и массовые характеристики изделия за счет применения подшипников качения, приводящих к уменьшению габаритно-массовых характеристик ротора в диаметральном направлении, снижения суммарной прокачки масла через двигатель и дистрибуции осевого усилия, воспринимаемого опорами. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам и системам равномерного распределения осевых нагрузок, и может быть использовано в устройствах, осуществляющих распределение осевых нагрузок между опорами ротора.

Ротор располагается как минимум на двух подшипниках. Один подшипник фиксирует осевое положение ротора, а другой подшипник допускает осевое смещение ротора либо требуется введение компенсационных элементов. Это необходимо для компенсации температурных деформаций, которые имеют место из-за изменения температуры по длине ротора. Это требуется для исключения недопустимых деформаций ротора, которые могут привести к поломке.

Осевая сила ротора, возникающая на элементах конструкции двигателя (в данном случае в подшипниках), определяется, как сумма осевых усилий от подшипников, установленных на валах ротора.

Известно устройство и способ распределения осевой силы ротора («Технологическое обеспечение проектирования и производства газотурбинных двигателей» / под ред. Б.Н. Леонова и А.С. Новикова - издание ОАО «Рыбинский Дом печати», Рыбинск, 2000 - стр. 30, рис. 1.30.), содержащий ротор и две опоры, одна из которых подшипник качения (первая опора), а вторая - подшипник скольжения (вторая опора). Опоры установлены соосно.

Наиболее близким является устройство и способ распределения осевой силы ротора, содержащее ротор и установленные соосно опоры, воспринимающие осевую нагрузку (патент №189970, F02C 3/10 и F01D 51/26, опубл. 13.06.2019), одна из которых подшипник качения (первая опора), а вторая - подшипник скольжения (вторая опора).

Недостатками данных устройств и способов является следующее:

- относительно большой диаметральный габаритный размер узла, так как отношение наружного диаметра второй опоры D₂ к наружному диаметру первой опоры D₁ составляет D₂/D₁=5÷4;

- высокая себестоимость изделия, так как при применении подшипника скольжения требуется совместная притирка колодок при изготовлении;

- большая прокачка масла через подшипник скольжения.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является разработка способа и устройства для его осуществления, позволяющего уменьшить габаритные и массовые характеристики изделия, за счет применения подшипников качения, приводящих к уменьшению габаритно-массовых характеристик ротора в диаметральном направлении, снижения суммарной прокачки масла через двигатель и дистрибуции осевого усилия воспринимаемого опорами.

Технический результат в заявленном устройстве достигается тем, что в устройстве распределения осевой силы ротора, содержащем ротор и установленные соосно опоры, воспринимающие осевую нагрузку, в отличие от известного, опоры ротора, воспринимающие осевую нагрузку, содержат расположенные соосно внутренний вал и наружный вал, смещающийся под действием осевого усилия в сторону внутреннего вала, при этом на наружной поверхности внутреннего вала размещен подшипник качения, установленный в корпусе опоры внутреннего вала, и на наружной поверхности наружного вала установлен подшипник качения, расположенный в корпусе опоры наружного вала, корпуса опор внутреннего и наружного вала монтируются на, размещенный между ними, промежуточный корпус, соосность внутреннего и наружного валов обеспечивается телескопической связью внутренней поверхности наружного вала со сферической поверхностью, расположенной на наружной поверхности внутреннего вала, с передачей крутящего момента через шлицы, при этом между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, и торцевыми поверхностями внутреннего и наружного валов размещены два пакета плоских пружин, причем, пакет плоских пружин расположенный между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса установлен с зазором, находящегося с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу.

Технический результат в заявленном способе достигается тем, что в способе распределения осевой силы ротора, осуществляемом посредствам дистрибуции осевых усилий воспринимаемых опорами, в отличие от известного, распределение части осевой силы ротора на подшипник качения, установленный на наружной поверхности наружного вала, осуществляется путем изменения величины зазора Δ - между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу, за счет изменения величины зазора Δ₁ - между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с наружной, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу.

На фигуре показан продольный разрез (главный вид) и выносной элемент вид А опоры ротора ГТД.

Конструкция опоры ротора, воспринимающей осевую нагрузку (фиг.), состоит из двух валов: наружного 1 и внутреннего 2. На наружной поверхности внутреннего вала 2 размещен подшипник качения 3, установленный в корпусе 5 опоры внутреннего вала 2, и на наружной поверхности наружного вала 1 установлен подшипник качения 4, установленный в корпусе 6 опоры наружного вала 1. Валы 1 и 2 контактируют между собой через подшипники качения 3 и 4 и пакет 7 плоских пружин, а корпус 6 опоры и промежуточный корпус 11 - через пакет 8 плоских пружин. Соосность наружного 1 и внутреннего 2 валов обеспечивается телескопической связью со сферической поверхностью 9, расположенной на наружной поверхности внутреннего вала 2, с передачей крутящего момента через шлицы 10. Корпуса 5 и 6 опор внутреннего 2 и наружного 1 валов монтируются на расположенный между ними (корпусами 5 и 6) промежуточный корпус 11. Пакет плоских пружин 7 расположен между торцевыми поверхностями внутреннего 2 и наружного 1 валов, а пакет плоских пружин 8 установлен между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11 с зазорами. При этом один зазор Δ расположен между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11, с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин, установленных между корпусом 6 опоры подшипника 4, расположенного на наружном валу 1. Другой зазор Δ₁ находится между торцами корпуса 6 подшипника 4, установленного на наружном валу 1, и промежуточным корпусом 11, с наружной, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин 1.

Особенность заявленного способа и устройства конструкции заключается в том, что с целью обеспечения компактной схемы, опоры ротора, воспринимающие осевую нагрузку, включают в себя два вала, связанных между собой телескопически через сферическую поверхность и шлицы, при этом валы контактируют между собой через подшипники качения 3 и 4 и пакет плоских пружин 7, корпуса 5 и 6 и промежуточный корпус 11 через пакет 8 плоских пружин соответственно. Вал 2 снабжен подшипником качения 3 (первая опора), вал 1 снабжен подшипником качения 4 (вторая опора), установленных в корпусах 5 и 6 соответственно. Отношение наружных диаметров второй опоры к первой D₂/D₁=1÷1,5 вследствие того, что применяется в качестве опоры 3 и 4 подшипники качения. Применение подшипников качения приводит к уменьшению суммарной прокачки масла через двигатель, что уменьшает массовые характеристики агрегатов маслосистемы (маслонасосы, трубопроводы и т.д.). Соосность валов 1 и 2 обеспечивается телескопической связью со сферической поверхностью 9 с передачей крутящего момента через шлицы 10. Изменение величины зазора Δ между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11, находящегося с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин позволяет регулировать величину осевого усилия за счет изменения величины зазора Δ₁, находящегося с наружной, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин, например, за счет изменения величины расхода воздуха поступающего в опору ротора.

Принцип работы.

Величина осевых усилий системы ротора: Р_вх=Р₁+Р₂,

где Р_вх - осевое усилие, поступающее на ротор;

P₁ - осевое усилие, воспринимаемое подшипником 3 вала 2 (первая опора);

Р₂ - осевое усилие, воспринимаемое подшипником 4 вала 1 (вторая опора).

При работе двигателя под воздействием осевого усилия Р_вх вал 1 смещается в сторону вала 2, сжимая пакет пружин 7 и осевое усилие Р_вх передается на первую опору подшипник качения 3, где подшипник 3 воспринимает осевое усилие величиной Р₁. Затем вал 2 смещается вправо в результате сжатия плоских пружин в пакете 7, при этом вал 1 через вторую опору подшипник качения 4 и корпус 6 опоры сжимает пакет пружин 8, усилие сжатия которого значительно меньше усилия сжатия пакета 7.

Выбрав зазор Δ между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11 с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета 8 плоских пружин, в зависимости от конструкции корпуса 6, величина которого обеспечивает расчетное значение осевой силы P₁ на подшипник 3, дальнейшее увеличение осевой силы Р_вх воспринимается подшипником 4 в пределах его расчетной величины Р₂, которое смещает корпус 6 опоры влево на величину зазора Δ₁, тем самым распределяя осевое усилие Р_вх между подшипниками 3 и 4 валов 2 и 1 на усилия P₁ и Р₂ соответственно при условии

Δ<Δ₁,

где Δ - зазор, который зависит от хода пакета пружин 7 и роторной системы, между корпусом 6 опоры и промежуточным корпусом 11 (расположенный с внутренней стороны пакета пружин 8);

Δ₁ - зазор между корпусом 6 и промежуточным корпусом 11 (расположенный с наружной стороны пакета пружин 8).

Взаимосвязанное изменение величин зазоров Δ и Δ₁ между торцевыми поверхностями корпуса 6 опоры наружного вала 1 и промежуточного корпуса 11, расположенные с внутренней и наружной сторон пакета пружин 8 соответственно, позволяет регулировать, а именно дает возможность, когда это необходимо, перераспределить значение осевых усилий воспринимаемых подшипниками 3 и 4.

Применение телескопической связи со сферической поверхностью 9 совместно со шлицами 10 для передачи крутящего момента обеспечивает соосность валов 1 и 2 с подшипниками качения 4 и 3 соответственно.

Таким образом, в результате введения системы взаимного распределения осевых усилий между валами с опорами и применения подшипников качения данное техническое решение позволяет уменьшить габаритно-массовые характеристики изделия.

1. Устройство распределения осевой силы ротора, содержащее ротор и установленные соосно опоры, воспринимающие осевую нагрузку, одна из которых подшипник качения, отличающееся тем, что опоры ротора, воспринимающие осевую нагрузку, содержат расположенные соосно внутренний вал и наружный вал, смещающийся под действием осевого усилия в сторону внутреннего вала, при этом на наружной поверхности внутреннего вала размещен подшипник качения, установленный в корпусе опоры внутреннего вала, и на наружной поверхности наружного вала установлен подшипник качения, расположенный в корпусе опоры наружного вала, корпуса опор внутреннего и наружного валов монтируются на размещенный между ними промежуточный корпус, соосность внутреннего и наружного валов обеспечивается телескопической связью внутренней поверхности наружного вала со сферической поверхностью, расположенной на наружной поверхности внутреннего вала, с передачей крутящего момента через шлицы, при этом между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса и торцевыми поверхностями внутреннего и наружного валов размещены два пакета плоских пружин, причем пакет плоских пружин, расположенный между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, установлен с зазором, находящимся с внутренней, относительно оси вращения ротора, стороны пакета плоских пружин, установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу.

2. Способ распределения осевой силы ротора, осуществляемый посредством дистрибуции осевых усилий, воспринимаемых опорами, отличающийся тем, что распределение части осевой силы ротора на подшипник качения, установленный на наружной поверхности наружного вала, осуществляется путем изменения величины зазора Δ между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с внутренней относительно оси вращения ротора стороны пакета плоских пружин, установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу, за счет изменения величины зазора Δ₁ между торцевыми поверхностями корпуса опоры наружного вала и промежуточного корпуса, находящегося с наружной относительно оси вращения ротора стороны пакета плоских пружин, установленных между корпусом опоры подшипника, расположенного на наружном валу, и промежуточным корпусом.