Силовые схемы

Ротор ГТД состоит из деталей роторов компресса, турбины, узла их соединения, а у ТВД, кроме того, - из вращающихся деталей редуктора. Ротор опирается на подшипники, установленные в корпусе двигателя. Силовая схема и конструкция ротора определяются типом и конструкций компрессора и турбины.

По числу опор роторы могут быть двух-, трех-, четырех- и много­опорными. Число опор зависит от длины и жесткости элементов ротора и способа соединения валов.

Осевая фиксация ротора относительно корпуса осуществляется одним или несколькими радиально-упорными шарикоподшипниками.

Соединение валов компрессора и турбины может быть жестким и подвижным (гибким). При жестком соединении взаимное перемещение валов исключается, при подвижном обеспечивается возможность вза­имного перемещения валов с перекосом. При этом соединение валов мо­жет передавать только крутящий момент, крутящий момент и осевую силу или же крутящий момент, радиальную и осевую силы.

Одновальные двухопорные роторы применяются в ГТД с неболь­шой длиной ротора, во вспомогательных ГТД и турбостартерах, а так­же в подъемных двигателях самолетов вертикального взлета и посадки (СВВП).

Двухопорные роторы выполняются с жестким соединением валов турбины и компрессора, поэтому они имеют простую конструкцию и небольшой вес. Компрессор и турбина могут располагаться на валу консольно (рис. 47, а). Эта схема применяется, если длина компрес­сора небольшая, обычно при центробежных компрессорах (С-ЗООМ, ТГ-16). При большей длине компрессора для повышения жесткости ротора и уменьшения его прогибов опоры располагают, как показано на рис. 47, б.

Puc. 47. Силовые схемы одновальных двухопорных роторов:

а— с консольным расположением компрессора и турбины; б—с расположе­нием компрессора между опорами, а турбины —консольно

Опорно-упорный подшипник, как более нагруженный, в двухопорном роторе ставят вблизи компрессора, т. е. в области более низких температур. Он воспринимает разность осевых нагрузок, возникающих на роторах компрессора и турбины, и часть радиальной нагрузки.

При конструировании и изготовлении двигателей с двухопорным ротором большое внимание уделяется увеличению жесткости корпуса и валов, а также обеспечению соосности гнезд подшипников, чтобы избежать защемления подшипников при изгибных колебаниях вала. При значительной длине ротора увеличивают число опор.

Одновальные трехопорные роторы с подвижным соединением валов турбины и компрессора получили наибольшее распространение в современных ГТД. Крутящий момент и радиальная нагрузка турбины передаются компрессору при помощи шлицевой муфты 2 (рис. 48, а), допускающей перекос валов за счет зазора в шлицах муфты. Для обес­печения прочности коротких шлицев при передаче крутящего момента муфта имеет большой диаметр.

Рис. 48. Силовые схемы одновальных трехопорных роторов:

а —с подвижным соединением валов компрессора и турбины, передающим крутящий момент и радиальную нагрузку; б -с подвижным соединением валов компрессора и турбины, передающим крутящий момент, осевую и радиальные нагрузки

Фиксация роторов компрессора и турбины в осевом направлении раздельная и осуществляется опорно-упорными подшипниками 1. При раздельной осевой фиксации компрессора и турбины соединитель­ная муфта должна допускать свободу осевого удлинения валов при их нагревании.

Такая силовая схема ротора не получила широкого применения, так как опорно-упорные подшипники 1 должны воспринимать боль­шие осевые силы, достигающие по величине нескольких десятков тонн. Кроме того, подшипник турбины работает в условиях затруднительного охлаждения, подвода и отвода смазки.

Трехопорные роторы с шарнирным соединением турбины и компрес­сора (рис. 48, б) получили более широкое применение. Средняя опора такого ротора обычно выполняется с шарикоподшипником, который воспринимает как радиальные, так и суммарные осевые уси­лия роторов.

Передняя и задняя опоры имеют роликоподшипники, которые вос­принимают только радиальные усилия. Таким образом, осевая фикса­ция ротора относительно корпуса двигателя осуществляется при по­мощи среднего опорно-упорного подшипника. При этом уменьшается изменение осевых зазоров в проточной части компрессора и турбины при изменении режима работы двигателя (вследствие нагрева или ох­лаждения деталей корпуса и ротора двигателя).

Крутящий момент турбины передается шлицевой муфтой 2. Осевая связь компрессора и турбины происходит через шаровой шарнир 3, являющийся одновременно второй опорой вала турбины.

Наличие шарнира в соединительной муфте предотвращает возник­новение дополнительных изгибных деформаций в случае несоосности или некоторого перекоса валов турбины и компрессора; упрощаются сборка и изготовление деталей корпусов подшипников, так как отпа­дает необходимость очень точной центровки узлов корпуса двига­теля.

Двухвальные роторы. На рис. 49, а изображен двухвальный ротор ТВД, в котором ротор компрессора приводится во вращение турбиной высокого давления, а воздушный винт — турбиной низкого давления

Рис. 49. Силовые схемы двухвальных роторов: а— ТВД; б-ТРД

через внутренний вал и редуктор. У переднего хвостовика внутреннего вала есть шлицы для передачи крутящего момента редуктору через шлицевую муфту. Каждый ротор имеет по две опоры с ролико- и шари­коподшипниками, установленными в корпусе двигателя. Такая схема двухзального ротора применяется в ТВД с турбокомпрессором небольшой длины. Ротор компрессора имеет шлицевое соединение с ротором турбины.

Двухвальный ротор ТРД показан на рис. 49, б. Ротор низкого давления имеет подшипники 3, 4 и 5. Опорный 3 и опорно-упорный 4 подшипники устанавливаются внутри вала ротора высокого давления, а опорный подшипник 5 монтируется в передней части корпуса ком­прессора. Ротор высокого давления — двухопорный, опирается на опорно-упорный подшипник 1 и опорный подшипник 2, которые на­ходятся в корпусе двигателя. Опорно-упорный подшипник 1 передает на силовой корпус двигателя суммарное осевое усилие от обоих рото­ров, поэтому он имеет два ряда шариков.

Основным недостатком двухвальных роторов является усложнение системы смазки и увеличение веса двигателя. Кроме того, ввиду боль­шой длины внутреннего вала трудно обеспечить его надежную жест­кость. Для получения нужных вибрационных характеристик прихо­дится увеличивать диаметры валов ротора или число опор. В последнем случае еще больше затрудняются подача масла к подшипникам и от­вод его от них, а также обеспечение силовой связи опор с корпусом двигателя.