ПРИВОДНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК F01D25/16 F02C7/36 F02C7/20 

Область техники

Изобретение относится к газотурбинному двигателю и, более конкретно, к гибкой несущей конструкции для зубчатой системы передач в данном двигателе.

Уровень техники

Приводные конструкции, использующие эпициклические зубчатые приводы с планетарными зубчатыми передачами, известные, например, из US 5433674 А, 18.07.1995, и US 6223616 А, 01.05.2001, находят применение в газотурбинных двигателях благодаря их компактной конструкции и эффективности при высоких коэффициентах редукции. Планетарные зубчатые передачи, в том числе со стационарным водилом, обычно содержат зубчатые компоненты трех видов: центральную (солнечную) шестерню, внешнюю кольцевую шестерню с внутренними зубьями и связанные с водилом планетарные шестерни, расположенные между солнечной и кольцевой шестернями и находящиеся в зацеплении с ними. У всех этих компонентов имеется общая центральная продольная ось, вокруг которой вращаются по меньшей мере два из них. Достоинство эпициклических зубчатых передач состоит в том, что приводной крутящий момент может быть подан на любой из трех компонентов. При этом один из двух остальных компонентов неподвижно фиксируется по отношению к двум другим, чтобы сделать выходным третий компонент.

Применительно к газотурбинным двигателям, когда необходима понижающая передача, вращающий момент от энергетической установки обычно прикладывается к центральной (солнечной) шестерне, внешняя кольцевая шестерня обычно является стационарной, а водило планетарных шестерен вращается в том же направлении, что и солнечная шестерня, обеспечивая получение выходного крутящего момента при уменьшенной скорости вращения. В планетарных передачах с неподвижным водилом выходной вал приводится во вращение кольцевой шестерней в направлении, противоположном направлению вращения солнечной шестерни.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является приводная конструкция для газотурбинного двигателя, предложенная в патентной заявке US 2010105516 А1, МПК А16Н 57/08, 29.04.2011, принадлежащей заявителю настоящего изобретения. Известная приводная конструкция содержит вал вентилятора; раму, поддерживающую этот вал, который приводится во вращение посредством эпициклической зубчатой системы; гибкую несущую конструкцию, по меньшей мере частично поддерживающую зубчатую систему, и входной узел зубчатой системы.

Во время полета легкие элементы конструкции отклоняются под действием нагрузок, связанных с маневрированием, что приводит к существенному изгибу в поперечном направлении, известному как структурный изгиб двигателя. Такой изгиб может привести в известной конструкции к тому, что ось вращения солнечной или планетарной шестерни перестанет быть параллельной центральной оси. В результате возможно рассогласование подшипников скольжения в составе зубчатой передачи и находящихся в зацеплении зубьев. Такое рассогласование может привести к потерям в эффективности и к сокращению срока службы ввиду роста концентрации напряжений.

Раскрытие изобретения

Соответственно, изобретение направлено на устранение опасности указанного рассогласования, т.е. на предотвращение потерь эффективности и сокращения срока службы приводной конструкции и газотурбинного двигателя в целом.

Приводная конструкция на основе зубчатой системы передач для газотурбинного двигателя согласно одному аспекту изобретения содержит: вал вентилятора; раму, поддерживающую этот вал; зубчатую систему, приводящую во вращение вал вентилятора; гибкую несущую конструкцию, по меньшей мере частично поддерживающую зубчатую систему, и входной узел зубчатой системы.

Согласно изобретению для компонентов приводной конструкции задаются определенные соотношения между значениями изгибной жесткости относительно продольной оси двигателя (далее для краткости именуемой изгибной жесткостью).

Более конкретно, в первом варианте приводной конструкции изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции, как и изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла составляют менее 20% изгибной жесткости (Kframe^BEND) рамы.

В описанном варианте приводной конструкции для газотурбинного двигателя рама и гибкая несущая конструкция могут быть установлены на статической конструкции, конкретно, на статической конструкции в составе газотурбинного двигателя. Дополнительно или альтернативно, гибкая несущая конструкция может быть установлена на переднюю центральную часть корпуса газотурбинного двигателя. Дополнительно или альтернативно, гибкая несущая конструкция может быть связана с водилом планетарных шестерен зубчатой системы.

Еще в одной модификации данного варианта приводной конструкции входной узел может быть связан с солнечной шестерней, а вал вентилятора может быть связан с кольцевой шестерней зубчатой системы. При этом зубчатая система может быть планетарной системой со стационарным водилом.

Гибкая несущая конструкция может быть связана с кольцевой шестерней зубчатой системы, тогда как входной узел может быть связан с солнечной шестерней зубчатой системы, а вал вентилятора может быть связан с водилом планетарных шестерен зубчатой системы. При этом зубчатая система может быть планетарной системой.

Еще в одной модификации описанного варианта приводной конструкции входной узел может приводиться во вращение низкоскоростным валом.

В следующей модификации данного варианта изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции и/или изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла могут составлять менее 11% изгибной жесткости (Kframe^BEND) рамы.

Еще в одной модификации описанного варианта и изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции, и изгибная жесткость входного узла могут составлять менее 11% изгибной жесткости (Kframe^BEND) рамы.

Согласно другому аспекту изобретения приводная конструкция на основе зубчатой системы передач для газотурбинного двигателя содержит вал вентилятора; раму, поддерживающую вал вентилятора; зубчатую систему, приводящую во вращение вал вентилятора и содержащую зубчатое зацепление; гибкую несущую конструкцию, по меньшей мере частично поддерживающую зубчатую систему, и входной узел зубчатой системы.

При этом изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла относительно продольной оси двигателя составляет менее 5% изгибной жесткости (KGM^BEND) зоны зубчатого зацепления между солнечной шестерней и планетарными шестернями зубчатой системы, а изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции составляет менее 8% изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления.

В модификации данного варианта приводной конструкции изгибная жесткость (KRG^BEND) кольцевой шестерни зубчатой системы может составлять менее 20% или менее 12% изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления.

Еще в одной неограничивающей модификации описанного варианта приводной конструкции изгибная жесткость (KJB^BEND) подшипника скольжения, поддерживающего планетарную шестерню зубчатой системы, может быть меньше или равна изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления.

Краткое описание чертежей

Особенности и свойства изобретения станут понятны специалистам из нижеследующего подробного описания неограничивающих вариантов изобретения, которые поясняются прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 схематично, в продольном разрезе показан газотурбинный двигатель.

На фиг. 2 в увеличенном масштабе, в разрезе показана часть газотурбинного двигателя, чтобы проиллюстрировать зубчатую систему привода вентилятора (ЗСПВ).

На фиг. 3 схематично показана гибкая несущая конструкция для первого варианта ЗСПВ.

На фиг. 4 схематично показана гибкая несущая конструкция для другого варианта ЗСПВ.

На фиг. 5 схематично показана гибкая несущая конструкция для варианта ЗСПВ с планетарной передачей со стационарным водилом.

На фиг. 6 схематично показана гибкая несущая конструкция для другого варианта ЗСПВ с планетарной передачей.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематично показан газотурбинный двигатель 20. В представленном варианте он является двухвальным турбовентиляторным двигателем, который содержит вентиляторную секцию 22, секцию 24 компрессора, секцию 26 камеры сгорания и турбинную секцию 28. Альтернативные варианты двигателя могут содержать также, в числе других систем и устройств, форсажную секцию (не изображена). Вентиляторная секция 22 направляет воздух во внешний контур, тогда как секция 24 компрессора нагнетает воздух во внутренний (осевой) контур, чтобы сжать его и подать в секцию 26 камеры сгорания, после чего происходит расширение газа в турбинной секции 28. Хотя в данном варианте газотурбинный двигатель является турбовентиляторным, должно быть понятно, что предлагаемые решения применимы не только в турбовентиляторных двигателях, а могут использоваться и в турбинных двигателях других типов, таких как трехвальный газотурбинный двигатель и двигатель с вентилятором внешнего контура без обтекателя.

Двигатель 20 содержит низкоскоростной вал 30 и высокоскоростной вал 32, установленные в подшипниковых системах 38А-38С с возможностью вращения относительно стационарной (статической) части 36 двигателя вокруг его центральной продольной оси А. Должно быть понятно, что, альтернативно или дополнительно, в различных зонах могут иметься и другие подшипниковые системы 38.

Низкоскоростной вал 30 выполнен на основе внутреннего вала 40, который связывает вентилятор 42, компрессор 44 низкого давления и турбину 46 низкого давления. Чтобы приводить вентилятор 42 во вращение со скоростью, меньшей скорости низкоскоростного вала 30, внутренний вал 40 связан с вентилятором 42 посредством зубчатой системы 48 передач. Высокоскоростной вал 32 выполнен на основе наружного вала 50, который связывает компрессор 52 высокого давления и турбину 54 высокого давления. Камера 56 сгорания расположена между компрессором 52 высокого давления и турбиной 54 высокого давления. Внутренний вал 40 и наружный вал 50 являются соосными, причем они вращаются вокруг центральной продольной оси А двигателя, совпадающей с их продольными осями.

Воздух в осевом канале подвергается сжатию компрессором 44 низкого давления, а затем компрессором 52 высокого давления, смешивается с топливом и сгорает вместе с ним в камере 56 сгорания. Затем продукты горения расширяются в турбине 54 высокого давления и в турбине 46 низкого давления, в результате чего турбины 46, 54 приводят во вращение низкоскоростной вал 30 и высокоскоростной вал 32 соответственно.

Как схематично проиллюстрировано на фиг. 2, зубчатая система 48 передач содержит зубчатую систему 60 привода вентилятора (ЗСПВ), приводимую в действие низкоскоростным валом 30 через входной узел 62. Этот узел передает крутящий момент низкоскоростного вала 30 зубчатой системе 48 передач и облегчает взаимную изоляцию этих частей от вибраций и других кратковременных воздействий. В рассматриваемом неограничивающем варианте ЗСПВ 60 может содержать эпициклическую зубчатую систему, которая может являться, например, планетарной передачей или планетарной передачей со стационарным водилом.

Входной узел 62 может содержать шпоночную канавку 64, связанную посредством шпонки 66 с солнечной шестерней 68 в составе ЗСПВ 60. Шестерня 68 находится в зацеплении с планетарными шестернями 70 (представленными на фиг. 2 одной такой шестерней). Каждая планетарная шестерня 70 установлена, с возможностью вращения, в соответствующем подшипнике 75 скольжения водила 72. Вращательное движение солнечной шестерни 68 заставляет каждую планетарную шестерню 70 вращаться вокруг соответствующей продольной оси Р.

Каждая планетарная шестерня 70 находится также в зацеплении с вращающейся кольцевой шестерней 74, которая механически связана с валом 76 вентилятора. Поскольку планетарные шестерни 70 взаимодействуют как с кольцевой шестерней 74, так и с вращающейся солнечной шестерней 68, планетарные шестерни 70, вращаясь вокруг своих осей, приводят кольцевую шестерню 74 во вращение вокруг оси А двигателя. Вращение кольцевой шестерни 74 через вал 76 вентилятора передается вентилятору 42 (см. фиг. 1), чтобы привести его во вращение со скоростью, меньшей скорости низкоскоростного вала 30. Должно быть понятно, что описанная зубчатая система 48 передач соответствует лишь одному неограничивающему варианту и что возможны и другие альтернативные зубчатые системы передач.

На фиг. 3 показана гибкая конструкция 78, несущая водило 72 планетарной шестерни и служащая, тем самым, по меньшей мере частичной опорой для ЗСПВ 60А по отношению к статической конструкции 36, такой как передняя центральная часть корпуса, для облегчения взаимной изоляции в отношении вибраций и других кратковременных процессов. Должно быть понятно, что различные конструкции корпусов газотурбинных двигателей могут содержать гибкую несущую конструкцию 78 в качестве альтернативы или дополнения к статической конструкции. Следует отметить, что термин "поперечное" определен в данном описании, как "по существу, перпендикулярное движение", а термин "изгибное" соответствует изгибному отклонению относительно оси А вращения, обеспечивающему поглощение отклонений, которые иначе могли бы быть приложены к ЗСПВ 60".

Статическая конструкция 36 может содержать статический компонент в форме рамы 82, несущий подшипниковые системы (опоры) 38А, 38В номер 1 и 1.5 соответственно и далее именуемый рамой. В рассматриваемом примере данный несущий компонент (рама) определяет опорное значение изгибной жесткости Kframe^BEND для этого варианта конструкции.

В данном варианте значения изгибной жесткости (KFS^BEND; KIC^BEND) гибкой несущей конструкции 78 и входного узла 62 соответственно составляют менее 11% изгибной жесткости Kframe^BEND. Таким образом, изгибная жесткость всего ЗСПВ 60 определяется данным соотношением.

На фиг. 4 представлен другой неограничивающий вариант ЗСПВ 60В, который содержит гибкую несущую конструкцию 78', поддерживающую, с возможностью вращения, кольцевую шестерню 74'. Вал 76' вентилятора приводится во вращение водилом 72' планетарных шестерен в составе схематично проиллюстрированной планетарной системы, которая в остальном, по существу, совпадает с системой по фиг. 3.

Фиг. 5 схематично иллюстрирует соотношение изгибных жесткостей внутри ЗСПВ 60С (для системы с планетарной архитектурой при стационарном водиле). Изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла 62, изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции 78, изгибная жесткость (KRG^BEND) кольцевой шестерни 74 и изгибная жесткость (KJB^BEND) подшипника 75 скольжения планетарной шестерни определяются относительно изгибной жесткости (KGM^BEND) зоны зубчатого зацепления между солнечной шестерней 68 и планетарными шестернями 70 зубчатой системы.

Таким образом, опорным (исходным) параметром в пределах ЗСПВ 60 является изгибная жесткость (KGM^BEND), причем статический компонент 82' жестко поддерживает вал 76 вентилятора. Более конкретно, вал 76 вентилятора поддерживается подшипниковыми системами 38А, 38В, которые, по существу, жестко поддерживаются статическим компонентом 82'. Изгибная жесткость (KJB^BEND) может задаваться механическим образом, например жесткостью подшипника 75 скольжения планетарной шестерни, а изгибная жесткость (KRG^BEND) кольцевой шестерни 74 может задаваться механическим образом, например геометрией выступающих частей 74L, 74R этой шестерни (см. фиг. 2).

В рассматриваемом неограничивающем варианте изгибная жесткость (KRG^BEND) кольцевой шестерни 74 составляет менее 12% изгибной жесткости (KGM^BEND) зоны зубчатого зацепления; изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции 78 составляет менее 8% изгибной жесткости (KGM^BEND) зоны зубчатого зацепления; изгибная жесткость (KJB^BEND) подшипника 75 скольжения планетарной шестерни меньше или равна изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления; а изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла 62 составляет менее 5% изгибной жесткости (KGM^BEND) зоны зубчатого зацепления.

Фиг. 6 схематично иллюстрирует другой неограничивающий вариант соотношения изгибных жесткостей внутри ЗСПВ 60D (для системы с планетарной архитектурой, которая в других отношениях совпадает с архитектурой системы по фиг. 5).

Должно быть понятно, что допустимы и комбинации приведенных соотношений изгибной жесткости. Изгибная жесткость каждого из конструктивных компонентов легко поддается измерению по сравнению с жесткостью пленок и шпонок, определение жесткости которых может оказаться довольно сложным.

Гибкость несущей конструкции, предусмотренная с целью учесть взаимное смещение осей при расчетных нагрузках, позволяет понизить расчетные нагрузки на ЗСПВ более чем на 17% и благодаря этому уменьшить общий вес двигателя. Гибкая установка облегчает регулировку системы, что увеличивает ее срок службы и надежность. Изгибная гибкость несущей конструкции и входного узла делает ЗСПВ вместе с валом вентилятора, по существу, "плавающими" при маневрировании. Благодаря этому: (а) передача крутящего момента посредством вала вентилятора, входного узла и гибкой несущей конструкции остается постоянной в процессе маневрирования; (b) изгибные нагрузки на вал вентилятора, возникающие при маневрировании (которые потенциально могли бы привести к рассогласованию зубчатых зацеплений и к повреждению зубьев), эффективно воспринимаются компонентом "K-рама", несущим подшипники номер 1 и 1.5, а (с) гибкая несущая конструкция и входной узел способны передавать небольшие изгибные нагрузки внутри ЗСПВ. Параметры шпонок, жесткость зубьев шестерен, подшипники скольжения и элементы кольцевой шестерни выбираются в процессе конструирования таким образом, чтобы минимизировать вариации нагрузки на зубья шестерен в процессе маневрирования. Другие точки соединения с ЗСПВ (связи с турбиной и с корпусом) также обладают гибкостью. Коэффициенты жесткости этих компонентов задаются по результатам анализа и уточняются в ходе стендовых и полетных испытаний таким образом, чтобы изолировать зубчатые передачи от нагрузок со стороны двигателя при маневрировании. Кроме того, коэффициент жесткости подшипника скольжения планетарной шестерни также может быть задан из условия обеспечения гибкости системы.

Легко видеть, что идентичные или аналогичные компоненты имеют на различных чертежах одинаковые обозначения. Должно быть также понятно, что, в дополнение к конкретному расположению и выполнению компонентов, соответствующим проиллюстрированному варианту, возможны и иные их расположения и выполнения.

Представленное описание имеет иллюстративный характер и не вносит никаких ограничений. Хотя в нем представлены конкретные неограничивающие варианты, специалисту в данной области, в свете приведенных данных, будет очевидна возможность различных модификаций и вариаций, не выходящих за границы прилагаемой формулы изобретения. Другими словами, определяемый формулой объем изобретения охватывает, помимо описанных, и другие варианты его осуществления, т.е. границы изобретения определяются только прилагаемой формулой.

Приводная конструкция для газотурбинного двигателя содержит: вал вентилятора; раму, поддерживающую вал вентилятора; зубчатую систему, приводящую во вращение вал вентилятора; гибкую несущую конструкцию, по меньшей мере частично поддерживающую зубчатую систему, и входной узел зубчатой системы. Изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции относительно продольной оси двигателя и изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла относительно указанной оси вращения составляют менее 20% изгибной жесткости (Kframe^BEND) рамы относительно указанной оси. Изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла относительно продольной оси двигателя составляет менее 5% изгибной жесткости (KGM^BEND) зоны зубчатого зацепления между солнечной шестерней и планетарными шестернями зубчатой системы относительно указанной оси. Изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции относительно указанной оси составляет менее 8% изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления относительно указанной оси. Достигается предотвращение потерь эффективности и сокращения срока службы приводной конструкции и газотурбинного двигателя в целом. В результате возможно рассогласование подшипников скольжения в составе зубчатой передачи и находящихся в зацеплении зубьев. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Приводная конструкция для газотурбинного двигателя, содержащая:

вал вентилятора;

раму, поддерживающую вал вентилятора;

зубчатую систему, приводящую во вращение вал вентилятора;

гибкую несущую конструкцию, по меньшей мере частично поддерживающую зубчатую систему, и

входной узел зубчатой системы,

при этом и изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции относительно продольной оси двигателя, и изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла относительно указанной оси вращения составляют менее 20% изгибной жесткости (Kframe^BEND) рамы относительно указанной оси.

2. Конструкция по п. 1, в которой рама и гибкая несущая конструкция установлены на статической конструкции.

3. Конструкция по п. 1, в которой рама и гибкая несущая конструкция установлены на статической конструкции в составе газотурбинного двигателя.

4. Конструкция по п. 1, в которой рама и гибкая несущая конструкция установлены на переднюю центральную часть корпуса газотурбинного двигателя.

5. Конструкция по п. 1, в которой гибкая несущая конструкция связана с водилом планетарных шестерен зубчатой системы.

6. Конструкция по п. 5, в которой входной узел связан с солнечной шестерней зубчатой системы.

7. Конструкция по п. 6, в которой вал вентилятора связан с кольцевой шестерней зубчатой системы.

8. Конструкция по п. 7, в которой зубчатая система является планетарной системой со стационарным водилом.

9. Конструкция по п. 1, в которой гибкая несущая конструкция связана с кольцевой шестерней зубчатой системы.

10. Конструкция по п. 9, в которой входной узел связан с солнечной шестерней зубчатой системы.

11. Конструкция по п. 10, в которой вал вентилятора связан с водилом планетарных шестерен зубчатой системы.

12. Конструкция по п. 11, в которой зубчатая система является планетарной системой.

13. Конструкция по п. 1, дополнительно содержащая низкоскоростной вал, приводящий во вращение входной узел.

14. Конструкция по п. 1, в которой указанная изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции и/или указанная изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла составляют менее 11% указанной изгибной жесткости (Kframe^BEND) рамы.

15. Конструкция по п. 1, в которой и указанная изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции, и указанная изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла составляют менее 11% указанной изгибной жесткости (Kframe^BEND) рамы.

16. Приводная конструкция для газотурбинного двигателя, содержащая:

вал вентилятора;

раму, поддерживающую вал вентилятора;

зубчатую систему, в которой обеспечивается зубчатое зацепление и которая выполнена с возможностью приведения во вращение вала вентилятора;

гибкую несущую конструкцию, по меньшей мере частично поддерживающую зубчатую систему, и

входной узел зубчатой системы, при этом:

изгибная жесткость (KIC^BEND) входного узла относительно продольной оси двигателя составляет менее 5% изгибной жесткости (KGM^BEND) зоны зубчатого зацепления между солнечной шестерней и планетарными шестернями зубчатой системы относительно указанной оси, а

изгибная жесткость (KFS^BEND) гибкой несущей конструкции относительно указанной оси составляет менее 8% изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления относительно указанной оси.

17. Конструкция по п. 16, в которой изгибная жесткость (KRG^BEND) кольцевой шестерни зубчатой системы относительно продольной оси двигателя составляет менее 20% указанной изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления.

18. Конструкция по п. 16, в которой изгибная жесткость (KRG^BEND) кольцевой шестерни зубчатой системы относительно продольной оси двигателя составляет менее 12% указанной изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления.

19. Конструкция по п. 16, в которой изгибная жесткость (KJB^BEND) подшипника скольжения, поддерживающего планетарную шестерню зубчатой системы, относительно продольной оси двигателя меньше или равна указанной изгибной жесткости (KGM^BEND) указанной зоны зубчатого зацепления.