книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы

Зона максимального нагрева подшипника распо­ ложена на контактной поверхности роликов с беговой дорожкой внутреннего кольца под­ шипника. Необходимо обратить внимание на до­ вольно большую неравномерность температур­ ного состояния подшипника (относительно хо­ лодная наружная обойма, неравномерный про­ грев внутреннего кольца). Все это необходимо учитывать при подборе или проектировании подшипников, анализе изменения рабочих за­ зоров при работе.

Анализ результатов теплового расчета опор сводится прежде всего к сравнению получен­ ных значений температуры деталей подшипни­ ков с температурами этих деталей, указанны­ ми в техническом задании на проектирование. Кроме этого, сравниваются полученные значе­ ния температуры масла на выходе из опоры, а так­ же температуры поверхностей деталей, контак­ тирующих с маслом, с предельно допустимыми значениями этих параметров. В случае расхож­ дения заданных и полученных в расчете значе­ ний температуры производится корректиров­ ка конфигурации и параметров элементов опор и систем обеспечения работоспособности под­ шипников, которая включает:

- изменение температуры масла на входе

вопору;

-изменение величины прокачки масла че­ рез опору;

-изменение температуры и расхода воздуха,

охлаждающего опору; - изменение конструкции собственно опоры

(элементов теплоизоляции, элементов подвода масла к подшипникам и т.д.).

После соответствующей корректировки ис­ ходных данных проводится повторный расчет теплового состояния опоры и повторный анализ результатов расчета. Подобные циклы повторя­ ются до тех пор, пока не будет получена удовлет­ ворительная сходимость расчетных и заданных величин температуры компонентов, участвую­ щих в процессе теплообмена. На основании ре­ зультатов расчета теплового состояния опор про­ изводится соответствующая корректировка ис­ ходных требований к маслосистеме (например, по величинам теплосъема в топливно-масляных и воздушно-масляных теплообменниках, произ­ водительности масляных насосов и т.д., (подроб­ нее о маслосистеме см. подразд. 12.6.), а также исходных требований к воздушной системе ох­ лаждения опор (температуре, расходу охлаждаю­ щего воздуха, конфигурации схемы охлаждения и т.д.). Результаты расчета теплового состояния опор используются также в качестве исходных данных для расчета НДС опор.

4.4. Опоры роторов ГТД

4.4.6.6. Расчет напряженно-деформированного состояния элементов опор

Расчет напряженно-деформированного состо­ яния (НДС) элементов опор в общем случае сво­ дится к решению двух задач:

1.Определение НДС силовых элементов опор.

2.Определение внутренних зазоров в подшип­ никах.

При расчете НДС силовых элементов опор для различных режимов полетного цикла произ­ водится оценка запасов прочности силовых эле­ ментов по внешним нагрузкам, сохранения поса­ док колец подшипников в корпусах и на валах, осевой затяжки «пакетов» деталей опор с наруж­ ными и внутренними кольцами подшипников.

Расчет внутренних зазоров в подшипниках производится на основе результатов расчета НДС элементов опор. По результатам этого расчета оп­ ределяются:

-для шарикоподшипников - диапазон изме­ нения углов контакта;

-для роликоподшипников - диапазон изме­ нения радиальных зазоров.

На примере расчета НДС опоры роликопод­ шипника ТНД авиационных ГТД, выполненных

сприменением пакета ANSYS, рассмотрим пос­ ледовательность выполнения отдельных этапов этой работы.

Сначала были сформированы исходные дан­ ные, представляющие описание условий работы деталей опоры для разных режимов работы дви­ гателя. Эти исходные данные базируются на ре­ зультатах предварительных тепловых расчетов модулей двигателя, опыта эксплуатации аналогов

ит.д. В нашем случае предварительная расчетная модель температурного состояния деталей опоры

идавлений в ее полостях для максимального ре­ жима представлена на рис. 4.27.

Для расчета НДС в пакете ANSYS создана ко­ нечно-элементная модель узла опоры, представ­ ленная на рис. 4.28 (подробно о создании конеч­ но-элементных моделей рассказывается в книге «Динамика и прочность авиационных двигателей

иэнергетических установок»).

Расчет НДС выполнен в осесимметричной постановке с учетом взаимодействия деталей опоры между собой. Температура деталей при­ нималась по окружности равномерной. Прове­ денный анализ НДС для условий монтажа (т.е. для «холодной» опоры) показал, что напряжен­ ным местом является область переднего паза под уплотнение обоймы демпфера (рис. 4.29).

На следующем этапе проведена оценка тем­ пературной деформации деталей опоры на мак­ симальном режиме работы двигателя (рис. 4.30).

4.4.7Л. Конструкция опор авиационных ГТД

Как показывает анализ существующих конс­ трукций авиационных двигателей, при проекти­ ровании ГТД разработчики широко используют свой опыт, проверенные временем конструктив­ ные решения, при обязательном выполнении тех общих требований к конструкции опор, о кото­ рых говорилось выше. Это наглядно можно уви­ деть на примерах российского двигателя ПС-90А и американского двигателя PW 2037.

Двигатель ПС-90А (рис. 4.32) имеет трехопор­ ную конструкцию роторов ВД и НД. На рис. 4.32 показана схема расположения опор на двигателе ПС-90А Силовые схемы роторов и корпусов это­ го двигателя представлены в подразд. 4.2 и 4.3 (см. рис. 4.15 и 4.17).

Опора шарикоподшипника ротора НД (рис. 4.33) расположена в «холодной» зоне и не требует специальных мероприятий по обеспече­ нию теплового режима. На этой опоре происхо­ дит передача осевого усилия с ротора НД на кор­ пус. В ней установлен радиально-упорный под­ шипник 7. На внутреннем кольце подшипника выполнен технологический бурт для съема под­ шипника при разборке. Наружное кольцо подши­ пника установлено в корпус 2. Внутреннее разъ­ емное кольцо подшипника установлено на валу 3 ротора. Подача масла на шарикоподшипник осу­ ществляется через форсунку 4 во внутреннюю коническую полость резьбовой втулки 5. Под дей­ ствием центробежных сил во внутренней кони­ ческой полости втулки создается масляная ванна, откуда масло по пазам в вале ротора поступает под внутреннее кольцо подшипника и через отверстия в кольце - на тела качения. Уплотнения масляной полости осуществляется лабиринтами б и 7, при­ чем на лабиринте выполнен маслоотбойный бур­ тик. Для наддува лабиринтов используется воздух из противообледенительной системы двигателя.

На рис. 4.34, показана промежуточная опо­ ра ротора НД. Роликоподшипник 7 установлен в разделительном корпусе 2 на упруго-демпфер­ ной опоре 3 типа «беличье колесо». Подача масла на подшипник осуществляется через форсунку 4.

Передняя опора ротора ВД (рис. 4.35) также расположена в разделительном корпусе. Ролико­ подшипник 7 установлен на упруго-демпферной опоре 2. Уплотнение масляной полости осущест­ вляется лабиринтами 3 и 4, при этом производится наддув межлабиринтной полости воздухом из-за компрессора НД.

Все вышеуказанные опоры расположены в единой масляной полости разделительного корпуса с объединенной откачкой масла в ниж­ ней части.

4.4. Опоры роторов ГТД

Для снижения давления в масляной полости и обеспечения рабочего перепада давления на ла­ биринтных уплотнениях полость соединена с ок­ ружающей атмосферой через систему суфлиро­ вания. Подсоединение системы суфлирования производится в верхней части масляной полости разделительного корпуса.

Опора шарикоподшипника ротора ВД (см. рис. 4.36) предназначена для передачи осевого усилия с ротора ВД на корпусные детали дви­ гателя. В состав опоры входит радиально-упор­ ный шарикоподшипник 7, имеющий разъемное внутреннее кольцо 2. Наружное кольцо 3 уста­ новлено в обойму 4, запрессованную в корпус 5 кожуха внутреннего камеры сгорания. Подача масла осуществляется через форсунки 6 в зазор между сепаратором 7 и внутренним кольцом под­ шипника. Уплотнение масляной полости произ­ водится лабиринтами 8 и 9, имеющими маслоот­ бойный буртик.

Опора расположена в зоне высоких темпе­ ратур, поэтому для нее предусмотрены особые меры по устранению перегрева - установка теп­ лозащитного экрана 10 на наружных деталях масляной полости, а также введение продувки корпусных деталей относительно «холодным» воздухом. На первых двигателях воздух для ох­ лаждения опоры брался из-за КНД, но как пока­ зал опыт эксплуатации, из-за низкого давления ох­ лаждающего воздуха не удавалось реализовать надежный режим охлаждения опоры. В связи

сэтим отбор воздуха для охлаждения опоры стал производиться из-за седьмой ступени КВД, но,

собязательным охлаждением в воздушном теп­ лообменнике, расположенном в наружном конту­ ре двигателя. Таким образом, вокруг опоры ша­ рикоподшипника конструктивно сформирована полость 77, через которую пропускается охлаж­ дающий воздух.

Опора шарикоподшипника и задняя опора ротора ВД двигателя ПС-90А установлены в од­ ной масляной полости, организованной кожу­ хом вала камеры сгорания. В масляной полос­ ти в нижней части находятся два трубопровода отвода масла (отдельно - для шарикоподшипни­

ка КВД и для роликоподшипника ТВД), причем в каждой линии откачки установлены элементы системы диагностики состояния подшипникамагнитный сигнализатор стружки и датчик тем­ пературы масла. Верхняя часть масляной полос­ ти соединена с окружающей атмосферой через систему суфлирования.

В задней опоре ротора НД (рис. 4.38) рас­ положен роликоподшипник 7. Подшипник ус­ тановлен на «жестком» фланце 2, имеющем упруго-демпферную опору 3. Фланец находится