УСТАНОВКА ВАЛА В ПОДШИПНИК С САМОУДАЛЯЮЩЕЙСЯ ГАЙКОЙ Российский патент 2012 года по МПК F01D25/16 

Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю в самолетостроительной области и касается установки вала внутрь двигателя, в частности, входного конца вала компрессора высокого давления в двухконтурном двигателе.

Операции монтажа и демонтажа газотурбинных двигателей являются весьма сложными по причине количества входящих в них деталей и малых зазоров между ними, хотя размеры могут быть значительными. Стоимость работ на двигателях этого типа в связи с этим всегда велика. Постоянно ведутся поиски возможности их упрощения. В двигателе с передним и двухконтурным турбокомпрессором, таком как cfm56, доступ к опорному подшипнику вала компрессора высокого давления особенно затруднен, так как он установлен на уровне промежуточного картера сзади вентилятора и двух первых опорных подшипников, соответственно вала компрессора низкого давления и вала вентилятора.

Следует отметить, что подразумевается под термином "промежуточный картер" - конструктивный элемент статора, размещенный за вентиляционным картером, с помощью которого передается часть усилий между двигателем самолета и который удерживает передние подшипники роторов. Промежуточный картер содержит ступицу, несущую подшипники, первым из которых является передний подшипник вала ротора высокого давления. Ступица связана с внешним кожухом радиальными кронштейнами, которые пересекают первичный и вторичный потоки. Подшипник компрессора высокого давления обеспечивает вращение переднего конца вала компрессора высокого давления. Перед этим валом в его аксиальном продолжении размещено коническое зубчатое колесо, которое находится в зацеплении с коническим зубчатым колесом, жестко соединенным с радиальным валом. Эти зубчатые колеса образуют систему промежуточной коробки передач (IGB). Радиальный вал приводит в действие своим радиально внешним концом в картере вентилятора зубчатое зацепление коробки, называемой дополнительной коробки передач (AGB), служащей для механического привода дополнительного оборудования двигателя: насосы, генераторы электрического тока или другое.

Во избежание демонтажа всей части, расположенной перед двигателем, и, в особенности, вентилятора, элементы подшипника установлены с возможностью их монтажа сзади. Такое решение имеет свои преимущества, но требует осторожности.

Известно решение двухконтурного турбореактивного двухконтурного двигателя, который представляет собой сложную систему с множеством деталей, сложных в изготовлении и монтаже. Кроме того, это решение требует большой длины при его установке, несовместимой с двигателями малых размеров.

Кроме того, это известное решение не совместимо с системой смазки с использованием центробежных черпаков.

Таким образом, проблема может быть решена при использовании связи между валом компрессора высокого давления, IGB и подшипником, позволяющей осуществить монтаж и демонтаж компрессора высокого давления с единственным доступом для инструментов сзади двигателя.

Цель изобретения заключается также в обеспечении компактной связи, которая вписывается в свободное пространство без необходимости изменения окружающих деталей и уменьшения зазора с валом турбины низкого давления. Такой зазор необходим в случае разъединения подшипников вентилятора, например, при потере лопатки, а также для вентиляции двигателя.

В целом, изобретение относится к газотурбинному двигателю, содержащему вал, подшипник, муфту, установленную в подшипнике, при этом конец вала введен с помощью цапфы внутрь муфты и закреплен в муфте с помощью цилиндрической гайки.

В соответствии с изобретением вышеупомянутые цели обеспечиваются тем, что гайка размещается внутри муфты и аксиально упирается в первом направлении в муфту, когда цапфа навинчена на гайку, при этом разрезное стопорное кольцо, размещенное в кольцевой канавке, выполненной на внешней поверхности гайки, является аксиальным упором против муфты в направлении, противоположном первому, и позволяет осуществить вывод цапфы из муфты путем отвинчивания гайки.

Гайка является гайкой самоудаляющегося типа и позволяет упростить последовательность монтажа и демонтажа двигателя. Детали двигателя, в действительности, представляют собой часть инструментов, необходимых для этой последовательности. Таким образом, двигатель постоянно содержит большую часть инструментов, что уменьшает необходимое количество инструментов, которыми должно располагать каждое обслуживающее предприятие.

Для того чтобы обеспечить установку разрезного стопорного кольца, его толщина должна быть меньше радиального зазора между гайкой и муфтой.

Предпочтительно поверхность разрезного стопорного кольца со стороны поверхности аксиального упора муфты и поверхность аксиального упора муфты имеют форму усеченного конуса для предотвращения раскрытия разрезного стопорного кольца под действием аксиального усилия, когда кольцо упирается в поверхность аксиального упора муфты.

Предпочтительно, разрезное стопорное кольцо со стороны, противоположной предыдущей, содержит цилиндрическое продолжение, образующее устройство, предотвращающее неверное подсоединение.

Для обеспечения удержания разрезного стопорного кольца в упомянутой канавке, цапфа имеет наружную цилиндрическую часть, перекрывающую разрезное стопорное кольцо.

Изобретение используется предпочтительно в случае, когда муфта является коническим зубчатым колесом для отбора механической мощности для приведения в действие дополнительного оборудования и, в частности, в случае, когда вал является валом компрессора высокого давления в двухконтурном двигателе.

Это решение позволяет демонтировать компрессор высокого давления простым образом только со стороны задней части двигателя и не требует обычно используемых инструментов и средств для монтажа.

Монтаж и демонтаж со стороны задней части двигателя является предпочтительным и значительно уменьшает стоимость этой операции.

Изобретение представляет особый интерес в случае, когда цапфа вала компрессора закреплена кольцом внутри конического зубчатого колеса. Под "креплением кольцом" понимается, что цапфа и коническая шестерня достаточно сжаты между собой для того, чтобы при работе двигателя не было никакого скольжения между зубчатым колесом и цапфой, что могло бы вызвать преждевременный контактный износ поверхности (фреттинг).

Изобретение относится также к способу монтажа и демонтажа.

Способ монтажа вала компрессора высокого давления в упомянутом подшипнике двигателя содержит следующие этапы:

- установку гайки в зубчатом колесе,

- установку стопорного кольца в канавку гайки,

- аксиальное закрепление гайки,

- установку концевой цапфы на входном конце вала компрессора высокого давления,

- навинчивание гайки внутри цапфы путем аксиального давления на вал до упора.

В необходимом случае способ содержит этап нагрева конического колеса перед установкой в него крайней части вала компрессора.

Способ демонтажа вала компрессора высокого давления из упомянутого подшипника двигателя содержит следующие этапы:

- аксиальную блокировку концевой цапфы вала компрессора,

- отвинчивание гайки до упора стопорного кольца в зубчатое колесо,

- аксиальное крепление гайки,

- отвинчивание гайки до полного выведения из концевой части вала компрессора путем аксиального давления на вал для уменьшения нагрузки на резьбу.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг.1 изображает аксиальный разрез газотурбинного двигателя типа двухконтурного турбореактивного двигателя с двумя роторами.

Фиг.2 изображает аксиальный разрез зоны подшипника, удерживающего концевую цапфу вала компрессора.

Фиг.3 изображает в увеличенном масштабе гайку, размещенную на коническом колесе, при этом разрезное стопорное кольцо находится в процессе монтажа.

Фиг.4 изображает фиг.3 с установленной концевой цапфой компрессора.

Фиг.5 изображает подготовку монтажа цапфы компрессора в подшипник с нагревом подшипника.

Фиг.6-9 изображают четыре этапа монтажа цапфы компрессора в подшипнике.

Фиг.10-13 изображают три этапа демонтажа цапфы компрессора.

Двигатель, изображенный на фиг.1, содержит от входа к выходу по отношению к газовым потокам следующие механические элементы: входной вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру 5 сгорания, ступень 6 турбины высокого давления, принимающую газы камеры сгорания, модуль 7 турбины низкого давления. Вентилятор 2, компрессор 3 низкого давления и турбина низкого давления образуют ротор, жестко соединенный с валом 8, размещенным по оси двигателя. Компрессор 4 и турбина 6 высокого давления образуют второй ротор 9, независимый от первого и установленный концентрически на оси 8 первого ротора. Двигатель размещен в картерном комплексе, на входе которого промежуточный картер 11 размещен на выходе картера 12 вентилятора. Промежуточный картер 11 содержит передние подшипники двух роторов, в частности подшипник цапфы 10 входного конца ротора 9 высокого давления.

Двигатель 1 работает следующим образом. Воздух всасывается вентилятором 2 и разделяется на два концентрических потока: первичный поток и вторичный поток. Вторичный поток выбрасывается в атмосферу и обеспечивает большую часть тяги. Первичный поток направляется через компрессоры 3 и 4 в камеру сгорания 5, где он смешивается с топливом. Газы высокого давления, исходящие из камеры сгорания, последовательно расширяются в турбинах 6 и 7, приводя их в движение. Турбины, в свою очередь, приводят в действие соответствующий компрессор. Газы первичного потока выбрасываются на выход и участвуют в движущей силе, производимой мотором.

Фиг.2 детально изображает внутреннюю часть ступицы промежуточного картера.

Промежуточный картер 11 содержит подшипник качения 14. Этот подшипник обозначен третьим номером, так как он является третьим от входной части двигателя. Первый и второй подшипники несут валы вентилятора и компрессора низкого давления.

Шариковый подшипник 14 заключен в корпусе, образованном входным герметизирующим фланцем 15 и выходным герметизирующим фланцем 16. Подшипник 14 удерживается цапфой 18, которая неподвижно соединена с конусным колесом 19. Конусное колесо содержит зубья, расположенные на конической поверхности, взаимодействующие с зубьями конической шестерни 20, размещенной по существу перпендикулярно оси ХХ двигателя. Зубчатая шестерня жестко сочленена с радиальным валом 21, часть которого видна на чертеже. Этот вал продолжается до картера вентилятора, где он соединяется с коробкой передач AGB для привода дополнительного оборудования 9.

Конечная цапфа 10 вала компрессора высокого давления удерживается внутри муфты 18 цилиндрической гайкой 23.

Гайка обычно цилиндрической формы навинчена внутри цапфы 10. Она упирается в первом аксиальном направлении к выходной части радиальным внешним фланцем 23А в поверхность 18А, поперечной к муфте 18. В случае необходимости центробежный черпак 24 для масла размещается между двумя поверхностями 23А и 10В. Гайка содержит резьбу 23В на внешней поверхности, взаимодействующую с внутренней резьбой 10В цапфы 10.

Разрезное стальное стопорное кольцо 25 размещено в кольцевой канавке 23С, выполненной на внешней поверхности гайки 23. Фиг.3 изображает установку на место кольца 25, которое перемещается по стрелке F в кольцевой зазор между гайкой 23 и муфтой 18 перед навинчиванием на цапфу 10. Толщина кольца выбирается такой, чтобы оно могло пройти в этот зазор. Фиг.4 изображает цапфу 10 после навинчивания гайки 23. Цапфа содержит внешнюю цилиндрическую часть 10А, которая закрывает кольцо 25. Такое расположение обеспечивает блокировку кольца при работе двигателя, удерживая его в канавке 23С.

Поверхности радиального внутреннего фланца 18А и кольца 25, 18А1 и 25А соответственно, находящиеся в контакте, имеют форму усеченного конуса.

Кольцо 25 содержит аксиально продолженный ободок 25В, который предотвращает ошибку при соединении в случае, когда оно установлено наоборот. Действительно, продолжение 25В упирается в часть поверхности над частью 18А1, что препятствует введению кольца в канавку 23С. Ободок облегчает также захват разрезного стопорного кольца при его демонтаже.

Монтаж цапфы в подшипнике изображен на фиг.5-9, показывающих его разные фазы.

На фиг.5 гайка 23 установлена на место в муфте 18 с упором против радиального фланца 18А муфты. Кольцо 25 вводится вдоль поверхности между гайкой и муфтой и проскальзывает в канавку 23С. Вначале осуществляют нагрев в направлении С муфты и конического колеса в подшипнике для уменьшения усилия, необходимого для дальнейшего крепления. Термическая защита Т покрывает гайку во избежание нагрева резьбы 23В.

Следующий этап, изображенный на фиг.6, заключается в аксиальном закреплении гайки, как на входе В1, так и на выходе В2, на неподвижной части инструментов для того, чтобы аксиальные усилия монтажа не передавались подшипникам качения 3. Это могло бы привести к точечным следам на дорожке качения шариков, вызывающим уменьшение продолжительности срока службы подшипников.

Можно также, как изображено на фиг.7, ввести цапфу 10 концевой части компрессора высокого давления до контакта с выемками 10С и 18С соответственно. При этом выемки являются индексированными, а коническое колесо установлено неподвижно с помощью радиального вспомогательного вала. Цапфа выталкивается в направлении гайки дополнительным усилием инструмента во входную сторону Раm.

Далее цапфу продвигают в выемках до контакта с резьбой 23В и 10В соответственно.

Гайку начинают закручивать дополнительным усилием инструмента во входную сторону Раm для уменьшения нагрузки на резьбу. Гайку завинчивают до упора D цапфы 10, фиг.8, таким образом, чтобы обеспечить прочную связь путем соединения цапфы 10 и муфты 18 конического колеса 19, используя две крепежные зоны, одна F1 - на уровне конического колеса, вторая F2 - на уровне подшипника.

После использования закручивающего момента стопор гайки 27, фиг.9, ставят на место. Стопор содержит цилиндрическую часть с держателями 27Е, которые взаимодействуют с пазами 23Е на конце гайки 23 и желобки 27С, которые взаимодействуют с внутренними желобками 10I цапфы. Стопор содержит язычки 27L на нижнем конце гибких лапок 27, которые вводятся во внутреннюю канавку 10F цапфы 10. Этот стопор препятствует, таким образом, любому вращению гайки в сторону развинчивания.

Демонтаж содержит следующие операции.

Вынимают стопор 27 и аксиально блокируют ВА цапфу, фиг.10. Для этого используют канавку 10F, освобожденную стопором гайки.

Отвинчивают гайку 23, она перемещается к входной части до контакта стопорного кольца 25 с выходной поверхностью внутреннего радиального фланца 18А зубчатого колеса, фиг.11.

Захватывают аксиально гайку 23 с обеих сторон, В1 и В2, как для монтажа, на фиксирующей части инструмента, фиг.12. Такая мера предотвращает раскрытие кольца под воздействием усилий, передаваемых подшипником 3.

Отвинчивают гайку до полного выхода из цапфы, фиг.13. Дополнительное усилие Рarr от инструмента, направленное к выходу, разгружает резьбу. Следует отметить, что усилия, направленные на раскрытие кольца, являются весьма значительными, так как между муфтой конического колеса и цапфой 10 нет разницы температур. Коническая ориентация поверхности контакта 18А1 и 25А исключает раскрытие кольца и его выход из канавки 23С.

Усилие, необходимое для снятия кольца с оси, составляющее множество тонн, полностью направлено на резьбовое соединение между гайкой подшипника и цапфой оси компрессора, если используемый инструмент не будет частично его ослаблять. Однако оборудование должно вызывать аксиальные противодействия, чтобы не допустить передачи усилия, возникающие при монтаже/демонтаже в подшипник 3, что может повредить дорожку качения.

Газотурбинный двигатель содержит вал, подшипник и муфту, удерживаемую подшипником. Вал с помощью цапфы входит своим концом внутрь муфты и фиксируется в муфте цилиндрической гайкой. Гайка размещена внутри цапфы с аксиальным упором в первом направлении в муфту, когда цапфа навинчена на гайку. Разрезное стопорное кольцо, размещенное в кольцевой канавке и установленное на внешней поверхности гайки, образует аксиальный упор в муфту в направлении, противоположном первому, что позволяет осуществить удаление цапфы из муфты путем отвинчивания гайки. Другим объектом настоящего изобретения является способ монтажа цапфы выходной части компрессора высокого давления в подшипнике двигателя, описанного выше. Способ содержит следующие операции: монтаж гайки в муфте зубчатого колеса, введение стопорного кольца в канавку гайки, аксиальное крепление кольцом гайки, введение цапфы компрессора, завинчивание гайки внутри цапфы при осуществлении аксиального давления в сторону входа на цапфу до упора. Также объектом настоящего изобретения является способ демонтажа цапфы компрессора из подшипника двигателя, содержащий следующие операции: аксиальное блокирование цапфы крайней части компрессора, отвинчивание гайки до упора стопорного кольца в зубчатое колесо, аксиальный захват гайки, отвинчивание гайки до полного выхода конца цапфы компрессора при осуществлении аксиального давления на цапфу в сторону выхода. Изобретение позволяет облегчить доступ к опорному подшипнику вала компрессора высокого давления газотурбинного двигателя. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий вал, подшипник (14), муфту (18), удерживаемую подшипником, при этом вал с помощью цапфы (10) входит своим концом внутрь муфты и фиксируется в муфте (18) цилиндрической гайкой (23), отличающийся тем, что гайка (23) размещена внутри цапфы с аксиальным упором в первом направлении в муфту (18), когда цапфа (10) навинчена на гайку (23), причем разрезное стопорное кольцо (25), размещенное в кольцевой канавке (23С) и установленное на внешней поверхности гайки (23), образует аксиальный упор в муфту (18) в направлении, противоположном первому, что позволяет осуществить удаление цапфы (10) из муфты (18) путем отвинчивания гайки (23).

2. Двигатель по п.1, в котором толщина стопорного разрезного кольца (25) меньше радиального зазора между гайкой (23) и муфтой (18).

3. Двигатель по п.1, в котором поверхность (25А) разрезного стопорного кольца (25) со стороны поверхности (18А1) аксиального упора муфты (18) и поверхность (18А1) аксиального упора муфты (18) выполнены в форме усеченного конуса для предотвращения раскрытия разрезного стопорного кольца (25) при упоре кольца в аксиальный упор муфты.

4. Двигатель по п.3, в котором разрезное стопорное кольцо (25) содержит со стороны, противоположной предыдущей, ободок (25В) в виде цилиндрического продолжения, образующее устройство, предотвращающее неверное подсоединение и облегчающее демонтаж кольца.

5. Двигатель по п.1, в котором цапфа (10) содержит цилиндрическую крайнюю часть (10А), перекрывающую разрезное стопорное кольцо (25) для удержания стопорного кольца в канавке (23С).

6. Двигатель по п.1, в котором муфта (18) является частью конического зубчатого колеса (19), отбирающего механическую энергию для привода дополнительного оборудования двигателя.

7. Двигатель по п.6, в котором цапфа размещена в концевой части компрессора высокого давления в двухконтурном двигателе.

8. Двигатель по п.7, в котором цапфа (10) закреплена кольцом внутри муфты (18) конического зубчатого колеса.

9. Способ монтажа цапфы (10) выходной части компрессора высокого давления в упомянутом подшипнике (14) двигателя по п.8, содержащий следующие операции: монтаж гайки (23) в муфте (18) зубчатого колеса, введение стопорного кольца (25) в канавку (23с) гайки, аксиальное крепление кольцом гайки (23), введение цапфы (10) компрессора, завинчивание гайки (23) внутри цапфы (10) при осуществлении аксиального давления в сторону входа (Pam) на цапфу до упора.

10. Способ по п.9, содержащий операцию нагрева муфты конического колеса перед введением конца цапфы в вал компрессора.

11. Способ по п.9 или 10, включающий монтаж стопора (27) гайки.

12. Способ демонтажа цапфы (10) компрессора из подшипника (14) двигателя по п.8 после монтажа по п.9, содержащий следующие операции: аксиальное блокирование (ВА) цапфы (10) крайней части компрессора, отвинчивание гайки (23) до упора стопорного кольца (25) в зубчатое колесо, аксиальный захват (B1, B2) гайки, отвинчивание гайки до полного выхода конца цапфы компрессора при осуществлении аксиального давления (Parr) на цапфу в сторону выхода.