RU143279U1

RU143279U1 - GAS TURBINE ENGINE

Info

Publication number: RU143279U1
Application number: RU2014105976/06U
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Дидов; Виктор Дмитриевич Сергеев; Александр Владимирович Кудренко; Мария Алексеевна Халченко
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2014-07-20

Abstract

Газотурбинный двигатель содержит корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена цилиндрическая втулка ротора, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора. На цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу турбины. На свободном конце вала последовательно установлены, с упором друг в друга, чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу компрессора, колесо центробежного компрессора и балансировочная шайба, зафиксированные гайкой. Каждый радиальный магнитный подшипник включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку, выполненную из немагнитного материала, на которую надеты и жестко закреплены, по меньшей мере, три кольца, выполненные из магнитного материала, одни из которых намагниченных радиально, а другие - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободная поверхность постоянных магнитов выполнена цилиндрической и образует рабочий зазор магнитного подшипника с обращенной к ней поверхностью цапфы-пяты. Цилиндрические части первой и второй чашеобразных цапф-пят, составляющих радиальные магнитные подшипники, снабжены бандажом из высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол и размещены в кольцевых пазах соответствующего поперечного сечения, выполненных в проставке, размещенной между турбиной и компрессором. Один из кольцевых пазов открыт к компрессору, а другой к турбине, причем между поверхностью кольцевых пазов проставки и цилиндрическими втулками размещены гофрированные втулки с продольными гофрами, выполненные из упругого материала. Упорный магнитный подшипник включает в себя подпятник, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевом корпусе, между дном которого и торцевой поверхностью цапфы-пяты закреплены как минимум три коаксиальных кольцевых постоянных магнита, одни из которых намагниченных радиально, а другие - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободные поверхности названных постоянных магнитов образуют плоскую поверхность, обращенную в зазор с торцевой поверхностью цапфы-пяты. Между подпятником и обращенным к нему дном выточки обоих магнитных подшипников установлена упругая шайба, выполненная в виде пластины из упругого материала, деформированной с образованием кольцевых гофров. Магнитные радиальные и упорные подшипники зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала, кроме того, упорный лепестковый газодинамический подшипник содержит пяту и уплотнение компрессора, между которыми размещено дистанционное кольцо. В полости между ними размещены первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, разделенные общей пятой, при этом в зазоре между поверхностью цилиндрической полости проставки и обращенной к ней поверхностью цилиндрической втулки ротора размещен радиальный лепестковый газодинамический подшипник. Технический результат: обеспечение высокой несущей способности радиального и упорного подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение. 2 ил. A gas turbine engine comprises a housing in which a rotor is installed in a cylindrical cavity, including a shaft, one end of which is rigidly fastened to the turbine impeller, on which a cylindrical rotor sleeve is mounted, and a centrifugal compressor wheel is fixed on the free end. On the cylindrical sleeve from the side adjacent to the turbine wheel, the first cup-shaped pin-heel of the first angular contact magnetic bearing is mounted, oriented with its protrusion to the turbine wheel. At the free end of the shaft, a cup-shaped pin-heel of the second angular contact magnetic bearing oriented with its protrusion towards the compressor wheel, a centrifugal compressor wheel and a balancing washer, fixed by a nut, are sequentially installed, with an emphasis on each other. Each radial magnetic bearing includes a thin-walled cylindrical sleeve made of non-magnetic material, on which at least three rings made of magnetic material are mounted and rigidly fixed, some of which are radially magnetized, and others - along the rotor axis with the implementation of the circuit Halbach, and the free surface of the permanent magnets is cylindrical and forms the working gap of the magnetic bearing with the surface of the heel pin facing it. The cylindrical parts of the first and second cup-shaped trunnion-heels constituting radial magnetic bearings are provided with a high-strength fiber bandage on a binder made of hardening synthetic resins and are placed in annular grooves of the corresponding cross section made in the spacer placed between the turbine and the compressor. One of the annular grooves is open to the compressor, and the other to the turbine, and between the surface of the annular grooves of the spacer and the cylindrical bushings there are corrugated bushings with longitudinal corrugations made of elastic material. The thrust magnetic bearing includes a thrust bearing made of non-magnetic material, placed in an annular housing, between the bottom of which and the end surface of the heel pin at least three coaxial annular permanent magnets are fixed, one of which is radially magnetized, and the other along the rotor axis with implementation Halbach scheme, and the free surfaces of the said permanent magnets form a flat surface facing the gap with the end surface of the heel pin. Between the thrust bearing and the bottom of the recess of both magnetic bearings facing it, an elastic washer is installed, made in the form of a plate of elastic material, deformed with the formation of annular corrugations. Magnetic radial and thrust bearings are fixed against rotation around the longitudinal axis of the shaft, in addition, the thrust lobe gas-dynamic bearing contains a heel and a compressor seal, between which a distance ring is placed. In the cavity between them, the first and second thrust lobe gas bearings are located, separated by a common fifth, while in the gap between the surface of the cylindrical cavity of the spacer and the surface of the cylindrical sleeve of the rotor facing it, a radial lobe gas-dynamic bearing is placed. Effect: providing high bearing capacity of the radial and thrust bearing units in the operating mode while reducing friction losses in them. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области турбостроения и может быть использована при проектировании, например, газотурбинных двигателей, турбокомпрессоров, турбодетандеров.The utility model relates to the field of turbine engineering and can be used in the design, for example, of gas turbine engines, turbocompressors, and turbine expanders.

Известен газотурбинный двигатель (ГТД), компрессор которого содержит корпус с размещенными в нем несколькими рядами направляющих лопаток, ротор, содержащий обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами рабочих лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку ротора с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники. Для уменьшения осевой силы к передней торцевой стенке ротора турбомашины из полости нагнетания компрессора подведен сжатый воздух. Чтобы уменьшить утечку воздуха из разгрузочной камеры, ее снабжают двумя уплотнениями, размещенными на периферии и у цапфы компрессора (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис. 2.14).A gas turbine engine (GTE) is known, the compressor of which contains a housing with several rows of guide vanes located in it, a rotor containing a shell with several rows of rotor blades mounted on it. Two steel covers cover the rotor shell from the ends and have trunnions with which the rotor rests on bearings. To reduce the axial force, compressed air is supplied to the front end wall of the rotor of the turbomachine from the compressor discharge cavity. To reduce air leakage from the unloading chamber, it is supplied with two seals located on the periphery and at the compressor axle (see G. Skubachevsky. Aircraft gas turbine engines. Design and calculation of parts. M .: Mashinostroyenie, 1969, Fig. 2.14).

Недостатком известного устройства является необходимость установки уплотнений на наружной и внутренней поверхностях газовой камеры, через которые происходит утечка рабочего тела ГТД.A disadvantage of the known device is the need to install seals on the outer and inner surfaces of the gas chamber, through which the leak of the gas turbine working fluid occurs.

Известен также газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена цилиндрическая втулка ротора, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, при этом ротор выполнен с возможностью его газодинамического поддержания и снабжен подшипниковым узлом (см. RU 2456482, МПК F04D 29/051; F01D 3/04, 2012 г.).A gas turbine engine is also known, comprising a housing in which a rotor with a cylindrical outer surface is mounted in a cylindrical cavity, including a shaft, one end of which is rigidly fastened to the turbine impeller, on which a cylindrical rotor sleeve is mounted, and a centrifugal compressor wheel is fixed on the free end, while the rotor is made with the possibility of its gas-dynamic support and is equipped with a bearing assembly (see RU 2456482, IPC F04D 29/051; F01D 3/04, 2012).

При использовании в транспортных газотурбинных двигателях (ГТД) подшипников с масляной смазкой необходима система смазки подшипников, что усложняет установку, увеличивает затраты на эксплуатацию, затрудняет запуск двигателей при низких температурах.When using bearings with oil lubrication in gas turbine gas turbine engines (GTE), a bearing lubrication system is required, which complicates installation, increases operating costs, and makes it difficult to start engines at low temperatures.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности радиального и упорного подшипниковых узлов ГТД, повышение надежности их работы при высоких динамических нагрузках, уменьшение потерь на трение в рабочем режиме.The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the bearing capacity of the radial and thrust bearing assemblies of the gas turbine engine, increase the reliability of their operation at high dynamic loads, and reduce friction losses in the operating mode.

Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального и упорного подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение.The technical result of the proposed technical solution is expressed in providing a high bearing capacity of the radial and thrust bearing units in the operating mode while reducing friction losses in them.

Поставленная задача решается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена цилиндрическая втулка ротора, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, при этом ротор выполнен с возможностью его газодинамического поддержания и снабжен подшипниковым узлом, отличается тем, что на цилиндрической втулке со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу турбины, при этом на свободном конце вала последовательно установлены, с упором друг в друга, чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу компрессора, колесо центробежного компрессора и балансировочная шайба, зафиксированные гайкой, при этом каждый радиальный магнитный подшипник включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку, выполненную из немагнитного материала, на которую надеты и жестко закреплены, по меньшей мере, три кольца, выполненные из магнитного материала, одни из которых намагниченных радиально, а другие - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободная поверхность постоянных магнитов выполнена цилиндрической и образует рабочий зазор магнитного подшипника с обращенной к ней поверхностью цапфы-пяты, кроме того, цилиндрические части первой и второй чашеобразных цапф-пят, составляющих радиальные магнитные подшипники, снабжены бандажом из высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол и размещены в кольцевых пазах соответствующего поперечного сечения, выполненных в проставке, размещенной между турбиной и компрессором, при этом один из кольцевых пазов открыт к компрессору, а другой к турбине, причем между поверхностью кольцевых пазов проставки и цилиндрическими втулками размещены гофрированные втулки с продольными гофрами, выполненные из упругого материала, при этом внутренние поверхности цапфы-пяты покрыты слоем меди и обработаны с высокой чистотой поверхности, причем, упорный магнитный подшипник включает в себя подпятник, выполненный из немагнитного материала, размещенный в кольцевом корпусе, между дном которого и торцевой поверхностью цапфы-пяты закреплены как минимум три коаксиальных кольцевых постоянных магнита, одни из которых намагниченных радиально, а другие - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободные поверхности названных постоянных магнитов образуют плоскую поверхность, обращенную в зазор с торцевой поверхностью цапфы-пяты, кроме того, по меньшей мере, радиальный и упорный магнитные подшипники, размещенные со стороны турбины, выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°C, при этом между подпятником и обращенным к нему дном выточки обоих магнитных подшипников установлена упругая шайба, выполненная в виде пластины из упругого материала, деформированной с образованием кольцевых гофров, кроме того, магнитные радиальные и упорные подшипники зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала, кроме того, упорный лепестковый газодинамический подшипник содержит пяту и уплотнение компрессора, между которыми размещено дистанционное кольцо, при этом в полости между ними размещены первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, разделенные общей пятой, при этом в зазоре между поверхностью цилиндрической полости проставки и обращенной к ней поверхностью цилиндрической втулки ротора размещен радиальный лепестковый газодинамический подшипник.The problem is solved in that a gas turbine engine containing a housing in the cylindrical cavity of which a rotor is installed with a cylindrical outer surface, including a shaft, one end of which is rigidly fastened to the turbine impeller, on which the cylindrical rotor sleeve is mounted, and a centrifugal wheel is fixed on the free end compressor, while the rotor is made with the possibility of its gas-dynamic support and is equipped with a bearing assembly, characterized in that on the cylindrical sleeve from the side, the seat leading to the turbine wheel, the first cup-shaped pin-heel of the first angular contact magnetic bearing is put on, oriented with its protrusion to the turbine wheel, while at the free end of the shaft, the cup-shaped pin-heel of the second angular contact magnetic bearing is sequentially mounted oriented with its protrusion towards the compressor wheel, the centrifugal compressor wheel and the balancing washer fixed by a nut, each radial magnetic bearing includes a thin-walled cylinder at least three rings made of magnetic material, one of which is magnetized radially, and the other along the axis of the rotor with the implementation of the Halbach scheme, and the free surface of the permanent magnets is made cylindrical and forms the working clearance of the magnetic bearing with the surface of the heel pin facing it, in addition, the cylindrical parts of the first and second cup-shaped trunnion heels constituting the radial magnetic bearings, They are covered by a bandage of high-strength fiber on a binder made of hardening synthetic resins and are placed in annular grooves of the corresponding cross section made in a spacer placed between the turbine and the compressor, one of the annular grooves being open to the compressor and the other to the turbine, and between the surface of the annular grooves spacers and cylindrical bushings accommodate corrugated bushings with longitudinal corrugations made of elastic material, while the inner surfaces of the heel trunnion are coated with a layer of copper and processed with a high surface cleanliness, moreover, a thrust magnetic bearing includes a thrust bearing made of non-magnetic material, placed in an annular housing, at least three coaxial annular permanent magnets, one of which are radially magnetized, are fixed between the bottom and the end surface of the pin-heel and others along the rotor axis with the Halbach scheme, the free surfaces of the said permanent magnets forming a flat surface facing the gap with the end surface of the heel pin, chrome Moreover, at least the radial and thrust magnetic bearings located on the turbine side are made using magnetic material with a Curie point of at least 900 ° C, while an elastic washer is installed between the thrust bearing and the bottom of the recess of both magnetic bearings facing it in the form of a plate of elastic material, deformed with the formation of annular corrugations, in addition, magnetic radial and thrust bearings are fixed from rotation around the longitudinal axis of the shaft, in addition, the thrust lobe gas The bearing contains a heel and a compressor seal, between which a spacer ring is placed, with the first and second thrust gas bearings, separated by a common fifth, located in the cavity between them, while in the gap between the surface of the cylindrical cavity of the spacer and the surface of the cylindrical sleeve of the rotor facing it placed radial flap gas-dynamic bearing.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the essential features of the proposed technical solution and the essential features of the prototype and analogues indicates its compliance with the criterion of "novelty."

При этом совокупность существенных признаков отличительной части формулы полезной модели позволяет дополнительно к газодинамическим силам обеспечить электродинамические силы отталкивания при вращении цапфы без прилипания сегментов постоянных магнитов к цапфе, уменьшает деформации зазора радиальных магнитных подшипников. Это повышает несущую способность и жесткость радиального подшипникового узла. Кроме того формирует упорный магнитный подшипник и обеспечивает усиление магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного магнитного подшипника для получения значительных электродинамических сил и обеспечивают формирование рабочего зазора с поверхностью пяты, а также обеспечивают гладкую плоскую поверхность упорного магнитного подшипника.At the same time, the set of essential features of the distinctive part of the utility model formula allows, in addition to gas-dynamic forces, to provide electrodynamic repulsive forces when the pin rotates without sticking the permanent magnet segments to the pin, and reduces the clearance deformations of radial magnetic bearings. This increases the bearing capacity and stiffness of the radial bearing assembly. In addition, it forms a thrust magnetic bearing and provides amplification of the magnetic flux and directs its main part to the working gap region of the thrust magnetic bearing to obtain significant electrodynamic forces and ensures the formation of a working gap with the heel surface, as well as providing a smooth flat surface of the thrust magnetic bearing.

На фиг. 1 показан продольный разрез ГТД, а на фиг. 2 - поперечный разрез ГТД.In FIG. 1 shows a longitudinal section of a gas turbine engine, and in FIG. 2 - cross section of a gas turbine engine.

На чертежах показаны проставка 1, рабочее колесо турбины 2, вал 3, цилиндрическая втулка 4, каркас 5, лопатки охлаждения 6, чашеобразная цапфа-пята 7, компрессор 8, бандаж 9, цапфа-пята 10, бандаж 11, пята 12 упорного ЛПГ, балансировочная шайба 13, гайка 14, радиальные ЛТП 15, тонкостенные цилиндрические втулки 16 и 17, магнитные кольца 18, 19, 20, и 21, 22, 23, рабочие зазоры 24 и 25, продольные гофры 26 и 27, бурты 28, 29, 30 и 31, корпус 32 и 33 подпятника, коаксиальные кольцевые постоянные магниты 34, 35, 36 и 37, 38, 39, зазоры 40 и 41. упругие шайбы 42 и 43, штифты 44 и 45, болты 46 и 47, уплотнения 48 компрессора, упорные ЛГП 49, 50, дистанционное кольцо 51, подпятник 52.The drawings show a spacer 1, an impeller of a turbine 2, a shaft 3, a cylindrical sleeve 4, a frame 5, cooling blades 6, a cup-shaped pin-heel 7, a compressor 8, a brace 9, a pin-heel 10, a brace 11, a stub 12 of a thrust LPG, balancing washer 13, nut 14, radial LTP 15, thin-walled cylindrical bushings 16 and 17, magnetic rings 18, 19, 20, and 21, 22, 23, working clearances 24 and 25, longitudinal corrugations 26 and 27, collars 28, 29, 30 and 31, thrust bearing housing 32 and 33, coaxial annular permanent magnets 34, 35, 36 and 37, 38, 39, clearances 40 and 41. elastic washers 42 and 43, pins 44 and 45, bolts 46 and 47, seals 48 to compressors, persistent LGP 49, 50, distance ring 51, thrust bearing 52.

ГТД включает проставку 1, в который установлен ротор ГТД. Ротор ГТД включает рабочее колесо турбины 2, к которому приварен сваркой трением вал 3, на который насажена цилиндрическая втулка 4, выполненная из немагнитного материала, например, алюминиевого сплава АК-4, подвергнутая микродуговому оксидированию с последующей шлифовкой для получения высокой твердости и высокой чистоты поверхности, снабженная силовым каркасом 5 и жестко скрепленная торцевой поверхностью с лопатками охлаждения 6 рабочего колеса турбины 2, размещенными на его тыльной стороне. На цилиндрической втулке 4 со стороны, прилегающей к колесу турбины 2, размещена чашеобразная цапфа - пята 7 радиально-упорного магнитного подшипника, жестко скрепленная с цилиндрической втулкой 4, например, сваркой, ориентированная своим выступом к колесу компрессора 8, на наружную поверхность, которой надет бандаж 9 из высокопрочного материала, выполненный, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами. На вал 3 со стороны компрессора вплотную к торцу втулки 4 насажена чашеобразная цапфа-пята 10 второго радиально - упорного магнитного подшипника, ориентированная своим выступом к колесу турбины 2, на наружную поверхность которой также надет бандаж 11 из высокопрочного материала.A gas turbine engine includes a spacer 1, in which a gas turbine rotor is installed. The GTE rotor includes a turbine impeller 2, to which a shaft 3 is welded by friction, onto which a cylindrical sleeve 4 is mounted, made of non-magnetic material, for example, AK-4 aluminum alloy, subjected to microarc oxidation followed by grinding to obtain high hardness and high surface cleanliness equipped with a power frame 5 and rigidly fastened by the end surface with cooling blades 6 of the impeller of the turbine 2, located on its rear side. On the cylindrical sleeve 4 from the side adjacent to the turbine wheel 2, there is a bowl-shaped pin — the heel 7 of the angular contact magnetic bearing, rigidly fastened to the cylindrical sleeve 4, for example, by welding, oriented with its protrusion to the compressor wheel 8, on the outer surface, which is worn a bandage 9 of high strength material, made, for example, by winding carbon fiber impregnated with hardening synthetic resins. A cup-shaped pin-heel 10 of the second angular contact magnetic bearing is mounted on the shaft 3 from the compressor side, close to the end of the sleeve 4, oriented with its protrusion to the turbine wheel 2, on the outer surface of which a bandage 11 of high-strength material is also worn.

Далее на вал 3 вплотную к торцам соответствующих поверхностей насажены следующие детали: пята 12 упорного ЛИГ, колесо центробежного компрессора 8, балансировочная шайба 13 и гайка 14.Next, on the shaft 3, close to the ends of the respective surfaces, the following parts are mounted: the heel 12 of the persistent LIG, the centrifugal compressor wheel 8, the balancing washer 13 and the nut 14.

Между цилиндрической втулкой 4 и внутренней полостью проставки 1 установлены радиальные ЛГП 15. Симметрично с двух сторон в кольцевых пазах проставки 1 размещены радиальные магнитные подшипники. Симметрично с двух сторон в цилиндрических пазах проставки 1 размещены упорные магнитные подшипники.Between the cylindrical sleeve 4 and the inner cavity of the spacer 1 installed radial LGP 15. Symmetrically on both sides in the annular grooves of the spacer 1 are placed radial magnetic bearings. Symmetrically on both sides in the cylindrical grooves of the spacer 1 are placed thrust magnetic bearings.

Каждый радиальный магнитный включает в себя тонкостенную цилиндрическую втулку 16 и 17, выполненную из немагнитного материала, например, нержавеющей немагнитной стали или титана, на которую надеты и жестко закреплены, по меньшей мере, три кольца 18, 19, 20, и 21, 22, 23, выполненные из магнитного материала, одни из которых 18 и 21 намагничены радиально, а другие - 19, 20 и 22, 23 в осевом встречном направлении с реализацией схемы Хальбаха, причем свободная поверхность постоянных магнитов выполнена цилиндрической и образует зазор магнитного подшипника с обращенной к ней поверхностью цапфы-пяты 7 и 10.Each radial magnetic includes a thin-walled cylindrical sleeve 16 and 17 made of non-magnetic material, for example, stainless non-magnetic steel or titanium, on which at least three rings 18, 19, 20, and 21, 22 are worn and rigidly fixed 23 made of magnetic material, some of which 18 and 21 are magnetized radially, and the other 19, 20 and 22, 23 in the axial counter direction with the implementation of the Halbach scheme, and the free surface of the permanent magnets is cylindrical and forms a clearance of the magnetic bearing with ennoy thereto spigot heel surface 7 and 10.

Магнитные кольца 18, 19, 20, и 21, 22, 23 выполнены, например, из материала неодим-желез-бор или самарий-кобальт и имеют прямоугольную форму поперечного сечения. При этом поверхность, образованная магнитными кольцами 18, 19, 20, и 21, 22, 23, обращенная к внутренней поверхности цапфы-пяты 7 и 10, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора 24 и 25 с поверхностью цапфы-пяты 7 и 10.The magnetic rings 18, 19, 20, and 21, 22, 23 are made, for example, of neodymium-iron-boron or samarium-cobalt material and have a rectangular cross-sectional shape. Moreover, the surface formed by magnetic rings 18, 19, 20, and 21, 22, 23, facing the inner surface of the heel pin 7 and 10, is made cylindrical with the formation of a working gap 24 and 25 with the surface of the heel pin 7 and 10.

Между поверхностью кольцевых пазов проставки 1 и внутренней поверхностью тонкостенных цилиндрических втулок 16 и 17 размещены гофрированные втулки с продольными гофрами 26 и 27, выполненные из сплава с заданными упругими свойствами, например, 36НХТЮ8М. Каждый радиальный магнитный подшипник зафиксирован от перемещения вдоль продольной оси в пазу проставки 1 с одной стороны буртом 28 и 29 на втулке 16 и 17, а с другой стороны - буртом 30 и 31 на проставке 1. Внутренние поверхности цапфы-пяты 7 и 10 покрывают слоем меди и обрабатывают с высокой чистотой поверхности.Between the surface of the annular grooves of the spacer 1 and the inner surface of the thin-walled cylindrical bushings 16 and 17, corrugated bushings with longitudinal corrugations 26 and 27 are made of an alloy with predetermined elastic properties, for example, 36НХТЮ8М. Each radial magnetic bearing is fixed from moving along the longitudinal axis into the groove of the spacer 1 on one side by a collar 28 and 29 on the sleeve 16 and 17, and on the other hand by a collar 30 and 31 on the spacer 1. The inner surfaces of the axle-heels 7 and 10 are covered with a layer copper and treated with high surface finish.

Каждый упорный магнитный подшипник состоит из подпятника и пяты. Подпятник содержит корпус 32 и 33 виде неглубокого цилиндра, выполненный из немагнитного материала, на дне которого закреплены, как минимум, три коаксиальных кольцевых постоянных магнита 34, 35, 36 и 37, 38, 39, одни из которых 35, 36 и 38, 39 намагничены в радиальном встречном направлении, а другие 34 и 37 - по оси ротора с реализацией схемы Хальбаха, причем свободные поверхности названных постоянных магнитов образуют плоскую поверхность, обращенную в зазор с торцевой поверхностью цапфы-пяты 7 и 10.Each thrust magnetic bearing consists of a thrust bearing and a heel. The thrust bearing comprises a housing 32 and 33 in the form of a shallow cylinder made of non-magnetic material, at the bottom of which at least three coaxial ring permanent magnets 34, 35, 36 and 37, 38, 39 are fixed, one of which is 35, 36 and 38, 39 magnetized in the radial opposite direction, and the other 34 and 37 along the axis of the rotor with the implementation of the Halbach scheme, and the free surfaces of these permanent magnets form a flat surface facing the gap with the end surface of the heel pin 7 and 10.

Кольца постоянных магнитов 34, 35, 36 и 37, 38, 39 выполнены с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С, например, из сплава неодим-железо-бор или самарий-кобальт, имеют прямоугольное поперечное сечение и закреплены на дне корпуса подпятника 32 и 33, например, клеем. Цапфа-пята 7 и 10 выполнена чашеобразной полой из немагнитного электропроводного материала и образует с подпятником 52 зазор 40 и 41.Permanent magnet rings 34, 35, 36 and 37, 38, 39 are made using magnetic material with a Curie point of at least 900 ° C, for example, from a neodymium-iron-boron or samarium-cobalt alloy, have a rectangular cross section and are fixed at the bottom thrust bearings 32 and 33, for example, with glue. The pin-heel 7 and 10 is made in a bowl-shaped hollow of non-magnetic electrically conductive material and forms a gap 40 and 41 with the thrust bearing 52.

Между подпятником 52 и обращенным к нему дном выточки обоих упорных магнитных подшипников установлена упругая шайба 42 и 43, выполненная в виде пластины из упругого материала, например, сплава 36НХТЮ8М, деформированной с образованием кольцевых гофров, которая предотвращает заклинивание упорного магнитного подшипника в рабочем состоянии от неравномерности теплового расширения ротора и проставки 1.Between the thrust bearing 52 and the bottom of the recess of both of the thrust magnetic bearings facing it, an elastic washer 42 and 43 is installed, made in the form of a plate of elastic material, for example, 36НХТЮ8М alloy, deformed to form annular corrugations, which prevents jamming of the thrust magnetic bearing in operation from unevenness thermal expansion of the rotor and spacers 1.

Для предотвращения проворачивания радиальных магнитных подшипников под действием тормозных сил они зафиксированы от поворота вокруг продольной оси вала штифтом 44 и 45. Для предотвращения проворачивания упорных магнитных подшипников под действием тормозных сил вокруг продольной оси вала и их осевого смещения в сторону пяты при пуске они зафиксированы болтом 46 и 47.To prevent the rotation of the radial magnetic bearings under the influence of braking forces, they are fixed against rotation around the longitudinal axis of the shaft with a pin 44 and 45. To prevent the thrust magnetic bearings from turning around the longitudinal axis of the shaft and their axial displacement to the heel during starting, they are fixed with a bolt 46 and 47.

Упорный ЛГП состоит из корпуса подпятника 52, уплотнения 48 компрессора 8, двух упорных ЛГП 49, 50, расположенных по разные стороны пяты 12, и дистанционного кольца 51.Thrust LHP consists of a thrust bearing body 52, seals 48 of compressor 8, two thrust LHP 49, 50 located on opposite sides of the heel 12, and a distance ring 51.

Изготавливают и собирают радиальный магнитный подшипник следующим образом. На наружной поверхности тонкостенных цилиндрических втулок 16 и 17 устанавливают на клей по разметке равномерно по оси ротора радиально и по оси ротора намагниченные магнитные кольца 18, 20, 21 и 19, 22, 23. В пазы проставки 1 ГТД вставляют радиальные магнитные подшипники. Между тонкостенной цилиндрической втулкой 16 магнитного подшипника и проставкой 1 вставляют гофрированную втулку с продольными гофрами 26 до упора в бурт 30 на тонкостенной цилиндрической втулке 16 с одной стороны и в бурт 28 на проставке 1 с другой стороны. Аналогично между тонкостенной цилиндрической втулкой 17 магнитного подшипника и проставкой 1 вставляют гофрированную втулку с продольными гофрами 27 до упора в бурт 31 на тонкостенной цилиндрической втулке 17 с одной стороны и в бурт 29 на проставке 1 с другой стороны.A radial magnetic bearing is made and assembled as follows. On the outer surface of thin-walled cylindrical bushings 16 and 17, magnetized magnetic rings 18, 20, 21 and 19, 22, 23 are mounted uniformly on the marking along the rotor axis along the rotor axis and the radial magnetic bearings are inserted into the grooves of the spacer 1 of the TBG. Between the thin-walled cylindrical sleeve 16 of the magnetic bearing and the spacer 1, a corrugated sleeve with longitudinal corrugations 26 is inserted all the way into the shoulder 30 on the thin-walled cylindrical sleeve 16 on one side and in the shoulder 28 on the spacer 1 on the other side. Similarly, between the thin-walled cylindrical sleeve 17 of the magnetic bearing and the spacer 1, a corrugated sleeve with longitudinal corrugations 27 is inserted into the shoulder 31 on the thin-walled cylindrical sleeve 17 on one side and in the shoulder 29 on the spacer 1 on the other hand.

Упорный магнитный подшипник изготавливают и собирают в следующем порядке. Предварительно изготавливают корпус подпятника 32 и 33 из немагнитного материала, например алюминиевого сплава АК-4, устанавливают на клей по разметке, намагниченные по оси ротора и радиально магнитные кольца 34, 36, 37 и 35, 38, 39 с образованием плоской поверхности и затем шлифуют наружную поверхность. Во внутреннюю цилиндрическую полость проставки 1 устанавливают лепестки радиального ЛГП 15. В проставку 1 вставляют кольцевую упругую шайбу 42 и 43, на нее устанавливают собранный магнитный подпятник и фиксируют его болтом 46 и 47 от проворачивания и осевого смещения в сторону пяты.Thrust magnetic bearing is made and assembled in the following order. The thrust bearing housing 32 and 33 are preliminarily made of non-magnetic material, for example AK-4 aluminum alloy, mounted on glue according to the marking, magnetized along the axis of the rotor and radially magnetic rings 34, 36, 37 and 35, 38, 39 with the formation of a flat surface and then ground outer surface. In the inner cylindrical cavity of the spacer 1, the petals of the radial LHP 15 are installed. An annular elastic washer 42 and 43 are inserted into the spacer 1, the assembled magnetic thrust bearing is mounted on it and fixed with a bolt 46 and 47 from turning and axial displacement towards the heel.

Цапфу-пяту 7 и 10 подвергают микродуговому оксидированию, шлифуют, внутреннюю поверхность покрывают слоем меди и обрабатывают с высокой степенью чистоты поверхности. На наружной цилиндрической поверхности цапфы-пяты 7 и 10 выполняют бандаж 9 и 11 и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами.The trunnion heel 7 and 10 are subjected to microarc oxidation, ground, the inner surface is coated with a layer of copper and treated with a high degree of surface purity. On the outer cylindrical surface of the axle-heel 7 and 10 perform a bandage 9 and 11 and impregnate it with hardening synthetic resins.

На вал 3, приваренный к рабочему колесу турбины 2, устанавливают цилиндрическую втулку 4, а на нее вблизи рабочего колеса турбины 2 - чашеобразную цапфу-пяту 7. С противоположной стороны на вал 3 вплотную к цилиндрической втулке 4 устанавливают последовательно вторую чашеобразную цапфу-пяту 10, пяту 12 упорного ЛТП, колесо компрессора 8, балансировочную шайбу 13 и затягивают гайкой 14. Ротор подвергают динамической балансировке.A cylindrical sleeve 4 is mounted on the shaft 3, welded to the impeller of the turbine 2, and a cup-shaped pin-heel 7 is installed on it near the impeller of the turbine 2. On the opposite side, a second cup-shaped pin-heel 10 is mounted sequentially next to the cylindrical sleeve 4 sequentially. , the heel 12 of the persistent LTP, the compressor wheel 8, the balancing washer 13 and tighten with the nut 14. The rotor is subjected to dynamic balancing.

С отбалансированного ротора снимают гайку 14, балансировочную шайбу 13, колесо компрессора 8, пяту упорного ЛТП 12 и цапфу-пяту 10. В проставку 1 со стороны турбины вставляют ротор без снятых деталей, контролируя свободное вхождение цилиндрической части цапфы-пяты 7 в паз проставки 1 над магнитными кольцами 19, 22, 23. Далее вплотную к торцу цилиндрической втулки 4 на вал 3 устанавливают цапфу-пяту 10, контролируя свободное вхождение ее цилиндрической части в паз проставки 1 над магнитными кольцами 18, 21, 24. В проставку 1 устанавливают корпус подпятника 52, упорный ЛТП 50, дистанционное кольцо 51. На вал 3 устанавливают пяту 12 упорного ЛТП. В проставку 1 вставляют упорный ЛТП 49, уплотнение 48 компрессора и фиксируют собранный пакет винтами. Далее на вал 3 вплотную к пяте 12 упорного ЛТП насаживают колесо компрессора 8 и балансировочную шайбу 13. При установке деталей на вал 3 следят за совпадением балансировочных меток. Комплект деталей, установленных на роторе, затягивают гайкой 14 с необходимым моментом.Remove the nut 14, the balancing washer 13, the compressor wheel 8, the heel of the thrust LTP 12 and the pin-heel 10 from the balanced rotor. The rotor without removed parts is inserted into the spacer 1 from the turbine side, controlling the free entry of the cylindrical part of the pin-heel 7 into the groove of the spacer 1 above the magnetic rings 19, 22, 23. Next, close to the end of the cylindrical sleeve 4, a pin-heel 10 is mounted on the shaft 3, controlling the free entry of its cylindrical part into the groove of the spacer 1 over the magnetic rings 18, 21, 24. A spacer body is installed in the spacer 1 52, thrust LTP 50, the distance ring 51. On the shaft 3 set the heel 12 of the thrust LTP. In the spacer 1 insert the thrust LTP 49, the compressor seal 48 and fix the assembled package with screws. Next, the compressor wheel 8 and the balancing washer 13 are mounted on the shaft 3 close to the heel 12 of the thrust LTP. When installing parts on the shaft 3, the balancing marks coincide. A set of parts mounted on the rotor is tightened with a nut 14 with the required moment.

Остальные детали собирают согласно технологии сборки ГТД.The remaining parts are assembled according to the assembly technology of the gas turbine engine.

Радиально-упорный подшипниковый узел работает следующим образом. При вращении цилиндрической втулки 4 (цапфы радиального ЛТП) и пяты 12 осевого ЛТП появляются радиальные и осевые газодинамические реакции газового слоя, и ротор всплывает на газовом смазочном слое. Кроме того, при вращении цапфы чашеобразной цапфы-пяты 7 и 10 дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных магнитным полем магнитных колец 18, 19, 20, и 21, 22, 23 в цилиндрических частях цапф-пят 7 и 10, с полем этих магнитных колец. Радиальные составляющие электродинамических сил действуют отталкивающим образом между внутренними цилиндрическими поверхностями цапф-пят 7 и 10 и магнитными кольцами 18, 19, 20, и 21, 22, 23. Эти силы суммируются с силами радиального ЛТП 15, действующими на цапфу. Гофрированные втулки с продольными гофрами 26 и 27 и радиальный ЛГП 15 демпфируют вынужденные и самовозбуждающиеся колебания ротора, значительно повышают устойчивость ротора в форме «полускоростного вихря». Тангенциальные составляющие электродинамических сил оказывает тормозящее воздействие, но они незначительны. С увеличением линейной скорости на поверхности цапф - пят 7 и 10 отталкивающие составляющие электродинамических сил увеличиваются, а тормозящие - уменьшаются.Angular contact bearing assembly operates as follows. When the cylindrical sleeve 4 (axles of the radial LTP) and the heel 12 of the axial LTP rotate, radial and axial gas-dynamic reactions of the gas layer appear and the rotor floats on the gas lubricating layer. In addition, during rotation of the trunnion trunnion pin 7 and 10, electrodynamic forces additionally arise due to the interaction of eddy currents induced by the magnetic field of the magnetic rings 18, 19, 20, and 21, 22, 23 in the cylindrical parts of the trunnion 7 and 10, with the field of these magnetic rings. The radial components of the electrodynamic forces act in a repulsive manner between the inner cylindrical surfaces of the pins-heels 7 and 10 and the magnetic rings 18, 19, 20, and 21, 22, 23. These forces are combined with the forces of the radial LTP 15 acting on the pin. Corrugated bushings with longitudinal corrugations 26 and 27 and radial LGP 15 dampen forced and self-excited oscillations of the rotor, significantly increase the stability of the rotor in the form of a “half-speed vortex”. The tangential components of electrodynamic forces have an inhibitory effect, but they are insignificant. With an increase in the linear velocity on the surface of the pins - heels 7 and 10, the repulsive components of the electrodynamic forces increase, and the braking ones decrease.

Магнитная и газодинамическая части предлагаемого радиального подшипникового узла автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению цапф - пят 7 и 10 от соосного положения относительно точки подвижного равновесия цапф в подшипниковом узле, поэтому не требуются дополнительные устройства (датчики отклонения и быстродействующие регуляторы).The magnetic and gas-dynamic parts of the proposed radial bearing assembly automatically implement negative feedback on the deviation of the pins - heels 7 and 10 from the coaxial position with respect to the point of movable equilibrium of the pins in the bearing assembly, so additional devices (deviation sensors and high-speed regulators) are not required.

Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. В результате вращения ротора пята 12 упорного ЛГП всплывает на газовом смазочном слое. При вращении дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных в торцевых частях чашеобразных цапф-пят 7 и 10 магнитным полем колец постоянных магнитов 34, 35, 36 и 37, 38, 39, с магнитным полем этих магнитов. Осевые составляющие электродинамических сил действует отталкивающим образом между цапфами-пятами 7 и 10 и постоянными магнитами 34, 35, 36 и 37, 38, 39, и эти силы суммируются с газовыми силами, действующими на пяту 12 упорного лепесткового газового подшипника. Тангенциальные составляющие электродинамических сил оказывают тормозящее воздействие, но они незначительны. С увеличением линейной скорости на поверхности цапф-пят 7 и 10 отталкивающие составляющие электродинамических сил увеличиваются, а тормозящие - уменьшаются.The thrust bearing assembly operates as follows. As a result of the rotation of the rotor, the heel 12 of the persistent LGP floats on the gas lubricating layer. During rotation, additional electrodynamic forces arise due to the interaction of eddy currents induced in the end parts of the cup-shaped pins-heels 7 and 10 by the magnetic field of the rings of permanent magnets 34, 35, 36 and 37, 38, 39, with the magnetic field of these magnets. The axial components of the electrodynamic forces act in a repulsive manner between the trunnions 7 and 10 and the permanent magnets 34, 35, 36 and 37, 38, 39, and these forces are combined with the gas forces acting on the heel 12 of the thrust lobe gas bearing. The tangential components of electrodynamic forces have an inhibitory effect, but they are insignificant. With an increase in the linear velocity on the surface of the trunnion heels 7 and 10, the repulsive components of the electrodynamic forces increase, while the braking ones decrease.

При двусторонней симметричной конструкции упорных подшипников магнитная и газодинамическая составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).With a double-sided symmetrical design of thrust bearings, the magnetic and gas-dynamic components of the reaction force of the proposed bearing assembly, acting symmetrically and in the opposite direction, automatically implement negative feedback on the deviation of the heel from the equilibrium position and do not require additional devices (deviation sensors and high-speed regulators).

Claims

A gas turbine engine comprising a housing in which a rotor with a cylindrical outer surface is mounted in a cylindrical cavity, including a shaft, one end of which is rigidly attached to the turbine impeller, on which the rotor cylindrical sleeve is mounted, and a centrifugal compressor wheel is fixed on the free end, while the rotor is made with the possibility of its gas-dynamic support and equipped with a bearing assembly, characterized in that on the cylindrical sleeve from the side adjacent to the turbine wheel, the first a cup-shaped pin-heel of the first angular contact magnetic bearing oriented with its protrusion to the turbine wheel, while on the free end of the shaft, a cup-shaped pin-heel of the second angular contact magnetic bearing oriented with its protrusion to the compressor wheel is sequentially mounted a centrifugal compressor and a balancing washer, fixed with a nut, while each radial magnetic bearing includes a thin-walled cylindrical sleeve made of non-magnetic of the total material, on which at least three rings made of magnetic material are worn and rigidly fixed, some of which are radially magnetized, and the other along the rotor axis with the Halbach scheme, the free surface of the permanent magnets being cylindrical and forms a working gap a magnetic bearing with the surface of the heel pin facing it, in addition, the cylindrical parts of the first and second cup-shaped pin-heels constituting the radial magnetic bearings are provided with a high-strength brace Connected to hardening of the synthetic resin and are arranged in annular grooves of the respective cross sections formed in the spacer arranged between a turbine and a compressor, wherein one of the annular grooves is open to the compressor, and the other - to the turbine, and between

corrugated bushings with longitudinal corrugations made of elastic material are placed on the surface of the annular grooves of the spacer and cylindrical bushings, while the inner surfaces of the heel trunnion are coated with a layer of copper and treated with a high surface finish, and the thrust magnetic bearing includes a thrust bearing made of non-magnetic material, placed in an annular body, between the bottom of which and the end surface of the heel pin, at least three coaxial annular permanent magnets are fixed, one of which radially magnetized, and others - along the axis of the rotor with the implementation of the Halbach scheme, and the free surfaces of these permanent magnets form a flat surface facing the gap with the end surface of the heel pin, in addition, at least radial and thrust magnetic bearings located on the side the turbines are made using magnetic material with a Curie point of at least 900 ° C, while between the thrust bearing and the bottom of the recess of both magnetic bearings facing it, an elastic washer made in the form of a layer They are made of elastic material deformed with the formation of annular corrugations, in addition, the magnetic radial and thrust bearings are fixed from rotation around the longitudinal axis of the shaft, in addition, the thrust gas-dynamic bearing contains a heel and compressor seal, between which a distance ring is placed, while in the cavity between them are placed the first and second thrust lobe gas bearings, separated by a common fifth, while in the gap between the surface of the cylindrical cavity of the spacer and facing it the surface of the cylindrical sleeve of the rotor is placed radial flap gas-dynamic bearing.