составной полый вал газотурбинного двигателя

Формула изобретения

Составной полый вал ГТД, содержащий три участка, жестко соединенных между собой, отличающийся тем, что средний участок выполнен из титана, причем его длина выбрана в пределах 0,5-0,7 от длины всего составного вала, а его диаметр в пределах 1,15-1,25 от диаметров крайних участков тела вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составным валам с разъемными соединениями.

Известен вал, соединяющий компрессор и турбину, являющийся полым цилиндром, расположенным на 2 подшипниках [1].

Полностью, выполняя свое предназначение, он очень труден в изготовлении, т.к. трудно выполнить центровку внутреннего отверстия, чтобы стенки полого вала имели одну толщину. Разная толщина стенок вала вызывает дисбаланс вала, а это нежелательно.

Ближайшим по техническому решению является составной полый вал ГТД, содержащий три участка, жестко соединенных между собой [2].

Эта конструкция упрощает изготовление вала, но при большой длине вала собственная частота вращения вала будет недостаточной для работы. Собственная частота системы является конструктивной характеристикой данной системы, если есть возможность ее увеличить, то система выигрывает. В данном случае собственная частота незначительно выше рабочей, увеличивая собственную частоту до запаса 25%, мы способствуем бесперебойной работе ГТД. В противном случае это приведет к увеличению уровня вибрации, который не поддается демпфированию, т.к. данная критическая частота вращения вызывает изгиб вала и имеет незначительное смещение в опорах, где располагаются демпферы.

Задачей изобретения является повышение критической частоты вращения вала на 5%-10%, что в некоторых случаях бывает достаточно для получения необходимых запасов по критической частоте вращения вала, кроме этой задачи, также уменьшается вес вала, что также полезно для авиации.

Указанная задача решается тем, что составной полый вал ГТД, содержащий три участка, жестко соединенных между собой, причем средний участок выполнен из титана, причем его длина выбрана в пределах 0,5-0,7 от длины всего составного вала, а его диаметр в пределах 1,15-1,25 от диаметров крайних участков тела вала.

Новым является то, что средний участок выполнен из титана, причем его длина выбрана в пределах 0,5-0,7 от длины всего составного вала, а его диаметр в пределах 1,15-1,25 от диаметров крайних участков тела вала.

Вал, состоящий из трех частей, является двухопорным. Две части выполнены, например, из стали, а средняя - из титана. Две части из стали предполагают расположение на них подшипников и должны быть меньшего диаметра и большей толщины. Средняя часть выполняется большего диаметра, внутренняя обойма одного из подшипников или вала подшипника закрепляется на валу ротора и он определяет возможные размеры диаметра средней части при сохранении возможности передачи крутящего момента.

Увеличенный диаметр средней части и применение более легкого металла, например титана, приводит к тому, что средняя часть становится более легкой и обладающей такой же жесткостью, как и две крайние части, вследствие этого критическая (или собственная) частота возрастает. Увеличение собственной частоты вала не более 10%, но этого достаточно в некоторых случаях, помимо этого из-за применения титана вал становится легче, что также выгодно для ГТД.

Приводим пример расчета вала из трех частей для передачи крутящего момента от компрессора низкого давления к турбине низкого давления, применяемой для авиационного ГТД военного образца.

Исходные данные

длина вала l=1214,7 мм

диаметр левой

крайней части Д₁/d₁=55/47,5 (мм)

диаметр правой

крайней части Д₁/d ₁=55/37,5 (мм)

диаметр

средней части Д ₃/d₃=64/60 (мм)

длина левой части l₁=273 мм

длина правой части l₂=279,3 мм

длина средней части l₃=662,4 мм

Расчет, выполненный методом начальных параметров, если весь вал из стали:

n_кр=1114,3 об/мин m=23,899 кг,

если средняя часть выполнена из титана

n_кр=1223,3 об/мин m=20,398 кг,

выигрыш в массе 3,5 кг, а разница критических частот оборотов 9%.

На чертеже изображен вал из трех участков, где левая крайняя часть 1, правая крайняя часть 2, середина увеличенного диаметра из титана 3, подшипники 4, 5, конус 6.

Работа осуществляется следующим образом: когда работает двигатель, вал начинает разгоняться и при максимальном режиме достигает максимальной частоты вращения (если запас по критической частоте времени недостаточен, возрастает прогиб вала и необходимым требованием в нормативной документации является величина запасов по критической частоте). Если изгиб вала велик сверх нормы, возрастает нагрузка на подшипники 4, 5, что может вызвать их поломку. Увеличение запасов по критической частоте увеличивает работоспособность подшипников 4, 5.

Из описания видно, что для реализации устройств используются элементы, применяемые в промышленности, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости изобретения.

Источники информации

1. Никитин Ю.М. Конструирование элементов, деталей и узлов авиадвигателей (под ред. д-ра тех. наук проф. Г.С.Скубачевского), М.: Машиностроение, 1968, стр. 312-313, рис. 9.6.

2. Там же, стр. 107, рис. 4.11.