Основы проектирования соединений ротора турбины с ротором компрессора и валом редуктора.

Соединение ротора турбины с ротором компрессора в авиационных двигателях или валом редуктора в ТВД осуществляется с помощью шлицевых соединений или шлицевых муфт. Эти соединения в зависимости от схемы расположения опор и схемы передачи осевых сил, должны обеспечить передачу крутящего момента от турбины к компрессору и воздушному винту и агрегатам двигателя.

Передача крутящего момента происходит при взаимодействии осевых, радиальных и окружных усилий, возникающих от инерционных сил и гироскопического момента. Кроме этого, соединение двух валов ротора компрессора с ротором турбины должно работать в условиях некоторой соосности или перекоса осей. Кроме этого, необходимо обеспечить подачу масла на контактирующие поверхности шлицевых соединений и предотвратить проникновение мала в газовоздушные тракты и полости двигателя. Обеспечить доступ к месту соединения с целью контроля правильности сборки и обеспечить процесс сборки в едином предусмотренном положении. При проектировании необходимо обеспечить устойчивую работу шлицевого соединения при возникновении деформации ротора двигателя в полете с различными перегрузками. Следует иметь ввиду, что напряжение смятия шлицевого соединения может увеличиваться в 2-3 раза, если углы перекоса осей от 0,5-1,5⁰ . при трех опорной схеме расположения ротора, при наличии нескольких разъемов на компрессоре и роторе, допускается несоосность задней опоры относительно средней на величину не более 0,2 мм. Это означает что ось ротора турбины может располагаться под некоторым углом но не более чем 1,5⁰ к оси компрессора. При проектировании необходимо иметь ввиду, что при больших нагрузках на статоре двигателя возникают деформации от инерционных сил и гироскопического момента, поэтому угол перекоса осей может увеличиваться. Рассмотри рисунок 1, на котором изображено соединение роторов компрессора и турбины при помощи соединительной муфты. На этом рисунке вал турбины 12 соединяется с валом компрессора 2 при помощи переходной муфты 9, которая фиксируется от осевых перемещений при помощи стопорного кольца 11. ведомая шлицевая муфта 1 устанавливается внутри цапфы компрессора, которая опирается на подшипник 5. эта муфта закрепляется при помощи фризонного болта 3 и гайкой 4, эвальвентные шлицы 6 выполнены с большим модулем и необходимым зазором. Это обеспечивает дополнительную перегрузку концов шлицу, если происходит перекос оси. Для обеспечения допускаемого перекоса осей, передача осевого и радиального усилий применяется сферические соединения. Шаровой конец вала турбины и фланец 8 имеют по 3 паза, что позволяет соединять конец вала турбины и сферическое гнездо ротора компрессора, а затем поворачиваться на 60⁰ для осевых фиксаций и передачи усилий. При этом сферические выступы вала турбины окажутся напротив выступов сферического гнезда фланца 8. после смещения ведущей муфты 9 влево и введении шлицевых поясов 6 в зацепление, муфта фиксируется от смещения на валу турбины стопорным кольцом 11 и фиксатором 10. правильность сборки гарантируется тем, что стопорное кольцо может быть повернуто в пазу вала турбины и застопорено фиксатором, 10 только при условии, что концы штифтов 7 вошли в отверстие переходной муфты 9. а шлицы 14 и 15 удерживаются от осевого смещения. Это возможно лишь в одном условии положения, т.к. эти 3 штифта 7 расположены по окружности неравномерно по углу, как это показано на схеме контрольных винтов-штифтов. Наличие фиксатора 10 в отверстии стопорного кольца 11 гарантирует правильность сборки. Перемещении ведущей муфты м поворот стопорного кольца производят вручную, внутри корпуса двигателя, через форсунку 13 в шлицевое соединение подается смазочное масло.

На рисунке 2 представлено соединение валов турбины и компрессора при помощи трубчатой рессоры и стягивающего болта. С переднего конца вала 9 турбины, крутящий момент передается на заднюю цапфу 3 компрессора при помощи тонкостенной трубчатой рессоры 6. на обеих концах которой выполнены внутренние эвальвентные шлицы. Рессора располагается внутри тонкостенной трубки 7, установленной на РВД во избежание попадания масла внутрь этого ротора. Стяжной болт 4 соединяет валы роторов и обеспечивает передачу усилия с ротора турбины через вал ротора компрессора низкого давления 2 на переднюю фиксирующую опору компрессора. Осевое расположение турбины и невозможность смещения в сторону компрессора гарантируется взаимным упором рессоры и других деталей, расположенных между гайкой 8 и буртиком контровочной втулки 5 с некоторым гарантируемым осевым перемещением. Стяжной болт 4 контрится замком 1.

На рисунке 3 представлен узел ротора компрессора передающий крутящий момент на редуктор ТВД. Осевая фиксация рессоры 1 редуктора осуществляется при помощи пружинного кольцо 4 и фасонного болта 3. с этой цель. Головка болта заложена в расточку рессоры и зафиксирована в ней от смещений пружинным кольцом 4. после веления рессоры внутрь передней цапфы компрессора 2, болт вводится в заглушку 8 до упора в расточную втулку 5, которая предупреждает выдавливание пружинного кольца и канавки. Болт контрится специальным фасонным стопором, смонтированном в шестигранном отверстии заглушки, которая сама удерживается в цапфе при помощи штифта 6.

Более сложным видом соединения, предусматривающим ряд интересных конструктивных решений, является муфта соединяющая роторы компрессора и турбины. Все это представлено на рисунке 4. Муфта обеспечивает соединение вала 4 ротора турбины с задней цапфой 3 осевого компрессора и работу в условиях некоторого перекоса осей соединенных узлов. Для этого внутри задней цапфы 3 выполнено сферическое гнездо с тремя прорезями 6. а на валу 5 ротора турбины имеется 3 выступа 4. Эти выступы являются частью сферы. Крутящий момент передаются ротора турбины на ротор компрессора при помощи шлицевой втулки 2, которая имеет посадку с зазором по обеим шлицевым поясам. Эти зазоры и наличие контакта валов по сфере обеспечивают работу узла в условиях некоторого перекоса осей. Шлицевая втулка удерживается от осевого смещения пружиной 1. При смещении шлицевой втулки влево до выхода из зацепления, ее шлиц со шлицами вала турбины и поворота вала турбины на 60⁰. Сферический замок позволяет сместить вал турбины вправо, т.к. сферические выступы вала 4 проходят чрез прорези 6.