RU2647021C1 - Межроторная опора газотурбинного двигателя - Google Patents

Межроторная опора газотурбинного двигателя Download PDF

Info

Publication number
RU2647021C1
RU2647021C1 RU2016145646A RU2016145646A RU2647021C1 RU 2647021 C1 RU2647021 C1 RU 2647021C1 RU 2016145646 A RU2016145646 A RU 2016145646A RU 2016145646 A RU2016145646 A RU 2016145646A RU 2647021 C1 RU2647021 C1 RU 2647021C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bearing
support
ring
shaft
rotor
Prior art date
Application number
RU2016145646A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Евгеньевич Низовцев
Денис Александрович Климов
Александр Ананьевич Корнилов
Анатолий Сергеевич Полев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Priority to RU2016145646A priority Critical patent/RU2647021C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2647021C1 publication Critical patent/RU2647021C1/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/06Arrangements of bearings; Lubricating
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C25/00Bearings for exclusively rotary movement adjustable for wear or play
    • F16C25/02Sliding-contact bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/24Brasses; Bushes; Linings with different areas of the sliding surface consisting of different materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области авиационного моторостроения и может быть использовано в межроторных опорах газотурбинных двигателей. Межроторная опора газотурбинного двигателя включает подшипник скольжения, содержащий внутреннее кольцо подшипника, выполненное из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния и закрепленное на валу ротора низкого давления, наружное кольцо, выполненное из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при определенном соотношении компонентов и расположенное внутри вала ротора высокого давления, а опора снабжена шарнирным элементом, представляющим собой опорное кольцо, выполненное из жаропрочной стали, установленное на наружном кольце подшипника. При этом внешняя поверхность опорного кольца выполнена в виде полусферы, взаимодействующей с соответствующей внутренней поверхностью вала ротора высокого давления. Технический результат заключается в исключении воздействия изгибающих моментов на подшипник в процессе рабочего цикла при одновременном повышении износостойкости подшипника опоры, что обеспечивает повышение надежности межроторной опоры. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области авиационного моторостроения, а именно к межроторным опорам газотурбинных двигателей.
Для решения перспективных задач в части создания самолетов с высокими показателями эффективности требуется увеличение удельной тяги двигателя и снижение удельного расхода топлива, что заставляет предусматривать все более высокие значения газодинамических параметров рабочего цикла двигателя. При высоких оборотах роторов резко увеличиваются нагрузки на все детали двигателя, особенно на элементы роторных систем, что вызвано зависимостью сил, возникающих из-за дисбаланса от частоты вращения, ростом давлений и скоростей в критических сечениях двигателя и в связи с указанными причинами ростом сил реакции, которые передаются на корпус двигателя через опоры.
Возникающие нагрузки носят переменный характер по величине, интенсивности и частоте воздействия приложенных сил, поэтому подшипники опор роторов оказываются в сложных условиях, значительно сокращающих их ресурс. Необходимо отметить, что использование подшипников скольжения в конструкции опор газотурбинного двигателя невозможно из-за напряженных условий работы. Расчетные значения удельной нагрузки для подшипников скольжения межроторной опоры турбины высокого давления должны составлять до 1,7 МПа при окружной скорости в зоне контакта поверхностей скольжения до 40 м/с. Для традиционно применяемых конструкционных материалов подшипников скольжения, где используются пары трения «чугун-бронза» при удельной нагрузке до 2,0 МПа предельная скорость не превышает 1 м/с, что значительно меньше необходимых значений параметров. Основным преимуществом подшипников качения является низкий коэффициент трения. Такие подшипники характеризуются меньшими потерями механической энергии и более высоким к.п.д. Существенным недостатком подшипников качения является недостаточная надежность, обусловленная их низкой устойчивостью к внешней вибрации, приводящей к возникновению знакопеременной изгибающей нагрузки в опоре, чувствительность к чистоте и качеству смазки, обеспечивающей снижение коэффициента трения и одновременно охлаждение подшипника в процессе рабочего цикла.
Известна межроторная опора газотурбинного двигателя, включающая стальной подшипник качения, установленный между валами роторов низкого и высокого давления и содержащий наружное и внутреннее кольцо, и систему смазки (патент US №5211535, 1993 г.).
Известна межроторная опора газотурбинного двигателя, включающая стальной подшипник качения, установленный между валами роторов низкого и высокого давления и содержащий наружное и внутреннее кольцо, и систему смазки (патент RU №2265742, 2005 г.).
В известном техническом решении внутреннее кольцо подшипника взаимодействует с валом ротора высокого давления, а внешнее кольцо - с валом ротора низкого давления.
Общим существенным недостатком известных технических решений является недостаточная надежность стальных подшипников качения, обусловленная низкой устойчивостью к внешней вибрации, вызывающей действие на опору знакопеременных изгибающих нагрузок, и как следствие, недостаточной износостойкостью материала при повышенных температурах.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является межроторная опора газотурбинного двигателя, включающая подшипник скольжения, содержащий наружное и внутреннее кольцо, предназначенные для взаимодействия с валом ротора высокого давления и валом ротора низкого давления и выполненные из композиционных керамических материалов, и систему смазки («Исследование возможности использования керамических авиационных подшипников скольжения нового поколения в конструкциях опор роторов газотурбинных двигателей», «Двигатель» №3, 2013 г., стр. 24-26). В известном техническом решении применение композиционных керамических материалов на основе карбида кремния и карбонитрида титана при изготовлении колец подшипника скольжения обеспечивает повышение эффективности работы подшипника за счет снижения энергетических потерь на трение. Недостатком известного технического решения является зависимость износостойкости пары трения от величины конструктивного зазора между кольцами, определяемого определенными составами и свойствами материала колец, исключающего возможность возникновения граничного трения, и от действия возникающих в опоре при режимах, близких к критическим режимам работы ротора, знакопеременных изгибающих моментов. Указанные недостатки снижают надежность межроторной опоры.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности межроторной опоры.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в повышении износостойкости подшипника за счет обеспечения конструктивного зазора между кольцами пары трения при одновременном исключении воздействия изгибающих моментов на опору в процессе рабочего цикла.
Результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что межроторная опора газотурбинного двигателя включает подшипник скольжения, содержащий наружное и внутреннее кольца, предназначенные для взаимодействия с валом ротора высокого давления и валом ротора низкого давления и выполненные из композиционных керамических материалов, и систему смазки. Согласно изобретению внутреннее кольцо подшипника выполнено из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния и закреплено на валу ротора низкого давления, наружное кольцо выполнено из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:
титан (Ti) 60-70%
углерод (С) 20-25%
азот (N) остальное
и расположено внутри вала ротора высокого давления, а опора снабжена шарнирным элементом, представляющим собой опорное кольцо, выполненное из жаропрочной стали, установленное на наружном кольце подшипника, причем внешняя поверхность опорного кольца выполнена в виде полусферы, взаимодействующей с соответствующей внутренней поверхностью вала ротора высокого давления.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы, поскольку:
- выполнение внутреннего кольца подшипника из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния и закрепление его на валу ротора низкого давления, выполнение наружного кольца из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:
титан (Ti) 60-70%
углерод (С) 20-25%
азот (N) остальное
и расположение его внутри вала ротора высокого давления обеспечивает повышение износостойкости подшипника за счет обеспечения конструктивного зазора в паре трения в процессе рабочего цикла;
- снабжение опоры шарнирным элементом, представляющим собой опорное кольцо, выполненное из жаропрочной стали, установленное на наружном кольце подшипника, выполнение внешней поверхности опорного кольца в виде полусферы, взаимодействующей с соответствующей внутренней поверхностью вала ротора высокого давления, обеспечивает повышение износостойкости подшипника за счет исключения действия изгибающих моментов на опору в процессе рабочего цикла.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрацию, представленную на рисунке, где изображена схема выполнения межроторной опоры.
Межроторная опора газотурбинного двигателя включает подшипник скольжения, пара трения которого образована внутренним кольцом 1, выполненным из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния, и внешним кольцом 2, выполненным из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:
титан (Ti) 60-70%
углерод (С) 20-25%
азот (N) остальное
Внутреннее кольцо 1 при помощи фиксирующих втулок 3 и 4 и гайки 5 зафиксировано на наружной поверхности вала 6 ротора низкого давления. Внешнее кольцо 2 при помощи фиксирующей втулки 7 и гайки 8 зафиксировано внутри вала 9 ротора высокого давления. На наружном кольце 2 подшипника при помощи гайки 10 закреплен шарнирный элемент в виде кольца 11, выполненный из жаропрочной стали, внешняя поверхность которого представляет собой полусферу, взаимодействующую с внутренней поверхностью вала 9 ротора высокого давления. Фиксация кольца 11 от поворота относительно вала 9 ротора высокого давления осуществляется при помощи штифта 12, размещенного в пазу 13 вала 9. Для предотвращения проникновения горячих газов в опору последняя снабжена лабиринтными уплотнениями 14 и 15, размещенными соответственно на валах 6 и 9. Межроторная опора содержит также уплотнение 16, установленное на наружной поверхности вала 6 ротора низкого давления и контактирующее с кольцом 1, уплотнения 17, установленные на наружной поверхности вала 9 ротора высокого давления и контактирующие с кольцом 2, и систему смазки пары трения. Система содержит устройство подвода смазки, выполненное в виде сообщающихся центральных каналов 18 и 19, расположенных соответственно в теле вала 6 ротора низкого давления и во внутреннем кольце 1, и кольцевую полость 20.
Межроторная опора работает следующим образом. При вращении вала 6 ротора низкого давления и вала 9 ротора высокого давления во вращение вовлекается внутреннее кольцо 1 и наружное кольцо 2 подшипника скольжения, образующие пару трения. Через каналы 18 и 19 в зазор пары трения подается жидкая смазка, обеспечивающая жидкостное трение между кольцами 1 и 2, и через полость 20 удаляется под действием центробежных сил. При вращении колец 1 и 2 подшипника в результате трения последние нагреваются, поэтому смазка одновременно выполняет функцию охлаждающей жидкости. Поскольку коэффициенты линейного расширения материала внутреннего кольца 1 и внешнего кольца равны соответственно (6,0-9,5)×10-6/К и 2,5×10-6/К, конструктивный зазор между последними при нагревании остается практически постоянным. При этом необходимо отметить, что даже при недостаточном уровне смазки не происходит интенсивного разрушения подшипника, что позволяет своевременно обнаружить выход последнего из строя.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при инвертировании колец подшипника, т.е. при изготовлении внутреннего кольца из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана и внешнего кольца из дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния происходит уменьшение зазора, подшипник работает в условиях граничного трения, температура отводимого масла повышается и в результате износостойкость подшипника снижается.
Известно, что прочность, твердость и износостойкость подшипников скольжения, выполненных из композиционных материалов на основе карбонитрида кремния и нитрида титана, зависит от соотношения компонентов. Уменьшение содержания титана в мас. % приводит к повышению прочности и твердости материала. Повышение содержания кремния в материале (карбонитриде кремния) внутреннего кольца приводит к повышению износостойкости пары трения. Проведенные экспериментальные исследования показали наибольшую эффективность работы подшипника в условиях ограниченной смазки при указанном соотношении компонентов материала подшипника. На критических режимах из-за характера распределения нагрузок и режимов взаимодействия пары трения возможен кратковременный всплеск уровня вибраций. При этом кольцо, выполненное из жаропрочной стали, внешняя поверхность которого выполнена в виде полусферы, взаимодействующей с внутренней поверхностью вала ротора высокого давления, позволяет исключить действие изгибающих моментов на опору, поскольку кольцо представляет собой шарнирный элемент, а на опору в результате воздействуют только поперечные силы, вызывающие процесс незначительных по амплитуде автоколебаний.
Таким образом, выполнение внутреннего и внешнего колец подшипника скольжения межроторной опоры соответственно из композиционных керамических материалов на основе карбонитрида кремния и нитрида титана при заданном соотношении компонентов в последнем и размещение на внешнем кольце шарнирного элемента, представляющего собой опорное кольцо из жаропрочной стали, внешняя поверхность которого представляет собой полусферу, взаимодействующую с соответствующей поверхностью вала ротора высокого давления, позволяет повысить износостойкость подшипника, исключает воздействие изгибающих моментов на опору и обеспечивает конструктивный зазор между кольцами подшипника, что повышает надежность опоры.

Claims (3)

  1. Межроторная опора газотурбинного двигателя, включающая подшипник скольжения, содержащий наружное и внутреннее кольца, предназначенные для взаимодействия с валом ротора высокого давления и валом ротора низкого давления и выполненные из композиционных керамических материалов, и систему смазки, отличающийся тем, что внутреннее кольцо подшипника выполнено из композиционного материала на основе дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбонитрида кремния и закреплено на валу ротора низкого давления, наружное кольцо выполнено из металлокерамоматричного материала на основе нитрида титана при следующем соотношении компонентов мас. %:
  2. титан (Ti) 60-70% углерод (С) 20-25% азот (N) остальное
  3. и расположено внутри вала ротора высокого давления, а опора снабжена шарнирным элементом, представляющим собой опорное кольцо, выполненное из жаропрочной стали, установленное на наружном кольце подшипника, причем внешняя поверхность опорного кольца выполнена в виде полусферы, взаимодействующей с соответствующей внутренней поверхностью вала ротора высокого давления.
RU2016145646A 2016-11-22 2016-11-22 Межроторная опора газотурбинного двигателя RU2647021C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016145646A RU2647021C1 (ru) 2016-11-22 2016-11-22 Межроторная опора газотурбинного двигателя

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016145646A RU2647021C1 (ru) 2016-11-22 2016-11-22 Межроторная опора газотурбинного двигателя

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2647021C1 true RU2647021C1 (ru) 2018-03-13

Family

ID=61629279

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016145646A RU2647021C1 (ru) 2016-11-22 2016-11-22 Межроторная опора газотурбинного двигателя

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2647021C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185233U1 (ru) * 2018-07-25 2018-11-27 Юрий Борисович Назаренко Опора ротора газотурбинного двигателя
RU2680466C1 (ru) * 2018-04-20 2019-02-21 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Подшипник скольжения межроторной опоры

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0850898A1 (de) * 1996-12-23 1998-07-01 Elektroschmelzwerk Kempten GmbH Gleitwerkstoff aus Siliciumcarbid
RU99108274A (ru) * 1999-04-14 2001-02-10 Константин Витальевич Горлицын Межроторная опора биротативной турбины авиационного гтд
RU110437U1 (ru) * 2011-07-11 2011-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Подшипник скольжения с антифрикционным керамическим слоем
RU2477395C1 (ru) * 2011-11-01 2013-03-10 Закрытое акционерное общество "Авиационные технологии. Инжиниринг и консалтинг" Энергосберегающий подшипник скольжения
RU153885U1 (ru) * 2015-01-27 2015-08-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Подшипник скольжения

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0850898A1 (de) * 1996-12-23 1998-07-01 Elektroschmelzwerk Kempten GmbH Gleitwerkstoff aus Siliciumcarbid
RU99108274A (ru) * 1999-04-14 2001-02-10 Константин Витальевич Горлицын Межроторная опора биротативной турбины авиационного гтд
RU110437U1 (ru) * 2011-07-11 2011-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Подшипник скольжения с антифрикционным керамическим слоем
RU2477395C1 (ru) * 2011-11-01 2013-03-10 Закрытое акционерное общество "Авиационные технологии. Инжиниринг и консалтинг" Энергосберегающий подшипник скольжения
RU153885U1 (ru) * 2015-01-27 2015-08-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Подшипник скольжения

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680466C1 (ru) * 2018-04-20 2019-02-21 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Подшипник скольжения межроторной опоры
RU185233U1 (ru) * 2018-07-25 2018-11-27 Юрий Борисович Назаренко Опора ротора газотурбинного двигателя

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10030541B2 (en) Turbine shroud with clamped flange attachment
KR101263021B1 (ko) 가스 터빈 엔진용 분할 슈라우드 시스템
US7824763B2 (en) Composite material for turbine support structure
EP2224103A2 (en) Bearing damper with spring seal
RU2647021C1 (ru) Межроторная опора газотурбинного двигателя
US3759588A (en) High speed hybrid bearing comprising a fluid bearing & a rolling bearing connected in series
US20170321710A1 (en) Molten Metal Transfer Pump
Martsinkovsky et al. Designing radial sliding bearing equipped with hydrostatically suspended pads
US9598961B2 (en) Gas turbine spindle bolt structure with reduced fretting fatigue
KR20220048030A (ko) 병렬 베어링 및 로터 시스템
Stefani et al. Comparative analysis of bearings for micro-GT: an innovative arrangement
US20200353577A1 (en) Turbine wheels, turbine engines including the same, and methods of fabricating turbine wheels with improved bond line geometry
JP2013079680A (ja) 転がり軸受
RU185233U1 (ru) Опора ротора газотурбинного двигателя
JP2018150988A (ja) 転がり軸受
RU153885U1 (ru) Подшипник скольжения
JP2013032797A (ja) フォイル軸受
Conway-Jones et al. Plain bearing damage
RU2680466C1 (ru) Подшипник скольжения межроторной опоры
RU160032U1 (ru) Опорный узел
Zhang et al. Experimental study on performances of carbon seal and finger seal under high-speed and high-pressure condition
RU2168089C2 (ru) Лабиринтное уплотнение
RU2558406C1 (ru) Упорный подшипник
RU176132U1 (ru) Подшипник скольжения
Bruckner Passive thermal management of foil bearings

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201123