СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ, ТУРБОМАШИНА И СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ Российский патент 2018 года по МПК F01D25/16 F02C7/32 F02C7/36 

Изобретение касается системы передачи мощности, а также турбомашины, снабженной такой системой.

Обычно турбомашина, как описано, например, в JP 2003-269192, содержит расположенный выше по потоку вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления. Конструктивный промежуточный корпус расположен между компрессорами низкого давления и высокого давления и содержит поперечины, проходящие радиально сквозь поток первичного воздуха, циркулирующего внутри компрессоров, камеры сгорания и турбин, а также сквозь вторичный поток воздуха, огибающий турбореактивный двигатель.

Вал передачи мощности связан с валом компрессора высокого давления посредством средств соединения, таких как зубчатые колеса для угловой передачи, и проходит радиально внутри радиальной поперечины промежуточного корпуса для привода различного оборудования и вспомогательных средств.

В известном уровне техники передаточный вал рассчитан таким образом, что его первая резонансная скорость превышает максимальную скорость вращения при работе. В такой конфигурации передаточный вал называют работающим в «докритическом» режиме и не может входить в резонанс при работе, что ограничивает вибрации передаточного вала.

Во всяком случае для работы вала в докритическом режиме следует рассчитать минимальный размер этого вала таким образом, чтобы придать ему достаточную жесткость, что увеличивает его массу. От этого минимального диаметра передаточного вала зависит минимальное сечение радиальной поперечины, в которой он размещен.

Однако радиальная поперечина, в которой расположен передаточный вал, должна обеспечить хорошее течение первичного и вторичного потоков воздуха, в которых он проходит, что трудно получить с радиальной поперечиной значительного диаметра и что ухудшает аэродинамические характеристики и, таким образом, кпд турбомашины.

Целью настоящего изобретения является предложение простого, эффективного и экономичного решения этих проблем существующего уровня техники.

Для достижения этой цели в изобретении предлагается система передачи мощности, в частности, для турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащей передаточный вал, связанный с валом двигателя с помощью средств соединения, таких, например, как зубчатые колеса для угловой передачи, которые приводят в действие оборудование или вспомогательные средства, отличающаяся тем, что передаточный вал предназначен для работы в сверхкритическом режиме и содержит средства амортизации вибраций на своей резонансной скорости.

Многочисленные взаимозависимые параметры вала, такие как масса, материал, сечение, длина, форма и т.д., влияют на резонансную скорость. В частности, уменьшение сечения вала позволяет уменьшить резонансную скорость.

В соответствии с изобретением вал системы передачи мощности рассчитан таким образом, что по меньшей мере его первая резонансная скорость расположена в диапазоне рабочих скоростей вращения передаточного вала, что позволяет уменьшить его сечение и, следовательно, его массу и его габаритные размеры без возникновения проблем прохождения через резонансную скорость, благодаря предложенным в изобретении средствам амортизации вибраций. В турбомашине становится возможным уменьшить сечение радиальной поперечины промежуточного корпуса, в котором проходит передаточный вал, что позволяет улучшить рабочие аэродинамические характеристики и увеличить кпд турбомашины.

В соответствии с другой характеристикой изобретения средства амортизации съемным образом установлены в кожухе на неподвижном конструктивном элементе, при этом съемный кожух может быть снят для демонтажа передаточного вала и средств амортизации, что облегчает операции технического обслуживания.

Предпочтительно, упомянутый кожух съемным образом встроен в кожух средств соединения передаточного вала с приводимым оборудованием.

В варианте воплощения изобретения средства амортизации вибраций содержат амортизатор со сжатием масляной пленки.

Предпочтительно, амортизатор со сжатием масляной пленки образован вокруг направляющего подшипника передаточного вала.

В частном варианте воплощения масляная пленка амортизатора образована в кольцевом пространстве между внутренней кольцевой поверхностью съемного кожуха и кольцевой деталью, окружающей внешнее кольцо направляющего подшипника.

В соответствии с другой характеристикой изобретения масляная пленка ограничена сбоку по меньшей мере двумя кольцевыми герметизирующими прокладками, вставленными в кольцевые гнезда кольцевой детали и/или съемного кожуха.

В соответствии с еще одной характеристикой изобретения направляющий подшипник вставлен на цилиндрической опорной поверхности вала и аксиально удерживается с одной стороны гайкой, навинченной на резьбовую часть цилиндрической опорной поверхности кольцевой детали, а с другой стороны - радиальным выступом передаточного вала.

Изобретение касается также турбомашины, содержащей, по меньшей мере, описанную выше систему передачи, в которой передаточный вал проходит в радиальной поперечине промежуточного кожуха.

Предпочтительно средства амортизации съемным образом установлены вокруг радиально внешнего конца передаточного вала, что позволяет исключить увеличение сечения радиальной поперечины, служащей для прохода передаточного вала, по отношению к монтажу средств амортизации в радиальной поперечине.

Предпочтительно, средства амортизации установлены в съемном кожухе вокруг радиально внешнего конца передаточного вала и внутри отверстия неподвижной конструкции, размещенной на промежуточном корпусе.

Это крепление съемного кожуха на радиально внешнем конце передаточного вала позволяет быстро и просто демонтировать съемный кожух и передаточный вал для осуществления операций технического обслуживания. Кроме того, при работе поток вторичного воздуха, проходящего вокруг радиальных поперечин, может привести к деформациям промежуточного корпуса. Монтаж съемного кожуха в радиально наружном положении позволяет исключить воздействие деформаций промежуточного корпуса на средства амортизации, обеспечивая, таким образом, оптимальную работу средств амортизации.

Изобретение касается также способа передачи мощности оборудованию и вспомогательным средствам такой турбомашины, как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, с помощью передаточного вала, связанного с валом двигателя средствами соединения, отличающегося тем, что он состоит в том, что вращают передаточный вал со сверхкритической скоростью и амортизируют вибрации при его работе при его резонансной скорости.

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

- фиг. 1 схематично представляет вид турбомашины в осевом разрезе:

- фиг. 2 схематично изображает вид в осевом разрезе радиально внешней концевой части передаточного вала и средства соединения с оборудованием турбомашины;

- фиг. 3 схематично изображает вид в осевом разрезе в более крупном масштабе зоны, ограниченной пунктиром на фиг. 2,

- фиг. 4 схематично изображает вид в перспективе и в осевом разрезе средств амортизации, установленных в съемном кожухе на радиально наружном конце передаточного вала в соответствии с вариантом воплощения изобретения,

- фиг. 5 схематично изображает вид в разрезе кожуха по фиг. 4,

- фиг. 6 и 7 схематично изображают виды в перспективе средств соединения, включающих в себя средства соединения в соответствии с другим вариантом изобретения,

- фиг. 8 схематично изображает вид в разрезе кожуха по фиг. 6.

Обратимся вначале к фиг. 1, которая изображает турбомашину 10, содержащую, от расположения выше по потоку к расположению ниже по потоку, вентилятор 12, компрессор низкого давления 14, промежуточный корпус 16, компрессор высокого давления 18, камеру сгорания 20, турбину высокого давления 22 и турбину низкого давления 24. Воздух, поступающий в турбомашину, разделяется на первичный воздушный поток (стрелка А), который проходит внутри компрессоров низкого и высокого давления 14, 18 к камере сгорания 20, затем через турбины высокого и низкого давления 22, 24, и на поток вторичного воздуха (стрелка В), который огибает компрессоры 14, 18, камеру сгорания 20 и турбины 22, 24.

Промежуточный корпус 16 содержит конструктивные поперечины 26, проходящие радиально наружу через поток первичного (стрелка А) и вторичного (стрелка В) воздуха. Одна из поперечин 26 промежуточного корпуса 16 содержит радиальный вал 28 передачи мощности, внутренний конец которого соединен во вращении с валом 31 компрессора высокого давления с помощью внутренних средств соединения. Радиально наружный конец передаточного вала 28 связан средствами 30 соединения с вспомогательными средствами, такими, например, как блок смазки, гидравлический насос, стартер, генератор, и т.д.

Внешние средства 30 соединения размещены в кожухе 32, прилегающем к кожуху 34, содержащему приводимое оборудование.

Кожух 32 с средствами 30 соединения и кожух 34 с вспомогательными средствами закреплены на корпусе вентилятора 36 и наружной кольцевой обечайке 38 промежуточного корпуса 16.

При работе передаточный вал 28 обеспечивает передачу мощности от вала 31 привода компрессора высокого давления к вспомогательным средствам, которые в ней нуждаются и которые размещены в кожухе 34.

Для ограничения вибраций передаточного вала 28 он должен иметь достаточный диаметр для обеспечения достаточной мощности для исключения того, чтобы резонансная скорость находилась в диапазоне рабочих скоростей вращения.

Отсюда следует, что радиальная поперечина 26 для прохода передаточного вала 28 также должна иметь достаточно большое сечение для размещения передаточного вала 28, что ухудшает аэродинамические характеристики вокруг радиальной поперечины 26 и уменьшает кпд турбомашины 10.

В изобретении эта проблема решается путем выполнения системы передачи мощности, в которой передаточный вал 40 предназначен для работы в сверхкритическом режиме, то есть по меньшей мере с одной резонансной скоростью, находящейся в диапазоне рабочих скоростей вращения передаточного вала 40 и с использованием средств амортизации, ограничивающих вибрации передаточного вала 40 при переходе на его резонансную скорость.

Фиг. 2 представляет радиально внешнюю часть передаточного вала 40 системы передачи по изобретению.

Радиально внешняя часть передаточного вала 40 установлена в трубчатом валу 42 средств соединения. Передаточный вал 40 связан во вращении с трубчатым валом 42 с помощью шлицов 44, выполненных на внешней поверхности передаточного вала 40, и соответствующих шлицов 46, выполненных на внутренней поверхности трубчатого вала 42.

Трубчатый вал 42 содержит на своей внешней периферии коническую шестерню 45, входящую в зацепление с конической шестерней 48 для передачи мощности к оборудованию. Коническая шестерня 45 трубчатого вала 42 введена между двух подшипников качения 50, 52, размещенных с двух сторон конической шестерни. Каждый подшипник 50, 52 содержит внешнее кольцо 54, 56, жестко соединенное с кожухом 32, содержащим средства 30 соединения.

Система 30 передачи по изобретению содержит съемный кожух 58, вставленный в отверстие кожуха 32 средств 30 соединения и установленный вокруг радиально внешнего конца передаточного вала 40. Съемный кожух 58 содержит внешний кольцевой выступ 60, накладываемый на внешний контур отверстия кожуха 32 средств соединения. Съемный кожух 58 имеет, по существу, форму цилиндра, открытого с обоих концов. Отверстие съемного кожуха 58, открывающееся наружу кожуха 32 средств соединения, перекрывается крышкой 62, содержащей центральную часть 64, вставленную с обеспечением герметизации внутрь отверстия съемного кожуха 58 и связанную по наружному контуру с кольцевым выступом 66, накладываемым на кольцевой выступ 60 съемного кожуха.

Радиально наружный конец передаточного вала 40 содержит цилиндрическую опорную поверхность 68, на которой установлены аксиально один над другим первый и второй подшипники 70, 72, такие как шариковые подшипники. Внутренние кольца первого и второго подшипников блокируются в осевом направлении гайкой 78, навинченной на резьбу свободного конца цилиндрической опорной поверхности 68, а также радиально выступающим кольцевым выступом, выполненным на другом конце цилиндрической опорной поверхности 68.

Вокруг внешних колец 84, 86 подшипников 70, 72 установлена кольцевая деталь 82 для образования кольцевого пространства между наружной поверхностью кольцевой детали 82 и внутренней поверхностью съемного кожуха 58. Это кольцевое пространство аксиально закрыто кольцевыми герметизирующими уплотнениями 88, размещенными в кольцевых канавках наружной поверхности кольцевой детали 82.

Кольцевое пространство заполнено маслом для образования компрессионного амортизатора со сжатием масляной пленки, которая гасит вибрации передаточного вала 40 при переходе через его резонансную скорость. Масло поступает, по меньшей мере, по каналу 41, образованному в толще съемного кожуха и открывающемуся на уровне кольцевого пространства. Этот канал связан со средствами подачи масла.

Кольцевая деталь 82 аксиально блокирована в съемном кожухе 58 своим концом, расположенным со стороны свободного конца передаточного вала 40 на плечике 89 внутренней поверхности съемного кожуха 58. Кольцевая деталь 82 содержит кольцевой выступ 90 на том же конце, на котором аксиально закреплено наружное кольцо 84 первого подшипника 70.

На своем другом конце кольцевая деталь аксиально блокирована кольцевой вставкой 92 и гайкой 94, блокирующей вставку 92, причем гайка 94 на своей внешней поверхности снабжена винтовой резьбой, которая ввинчена в соответствующую резьбу внутренней поверхности съемного кожуха 58.

Монтаж съемного кожуха 58 и средств амортизации путем сжатия масляной пленки вокруг радиально внешнего конца передаточного вала 40 осуществляется следующим образом: кольцевая деталь 82 вдвигается внутрь съемного кожуха 58 до упора в плечико 89, затем оператор последовательно устанавливает первый и второй подшипники 70, 72, затем устанавливает вставку 92 и ввинчивает гайку 94 в съемный кожух 58. Собранный таким образом съемный кожух 58 устанавливается на передаточный вал 40 так, чтобы внутренние кольца 74, 76 первого 70 и второго 72 подшипников скользили по цилиндрической опорной поверхности 68 до тех пор, пока внутреннее кольцо 76 второго подшипника 72 не упрется в радиальный выступ 80 передаточного вала 40. Гайка 78 далее навинчивается на свободный конец опорной поверхности 68, что фиксирует первый 70 и второй 72 подшипники на передаточном валу 40. Узел, образованный передаточным валом 40 и съемным кожухом 58, вставляется далее в отверстие кожуха 32 средств соединения до тех пор, пока кольцевой выступ 60 съемного кожуха 58 не ляжет на внешний контур отверстия кожуха 32 средств соединения. Затем, на последнем этапе, крышка 62 устанавливается на съемном кожухе так, чтобы перекрыть отверстие, как изображено на фиг. 2 и 3.

Фиг. 4 и 5 представляют вариант воплощения по изобретению. В этом варианте кожух 92 также имеет, по существу, цилиндрическую форму и содержит радиальный выступ 94 на своем конце, расположенном внутри средств 32 соединения. Кольцевая деталь 96 содержит кольцевой радиальный выступ 98, расположенный напротив кольцевого радиального выступа 80 вала 40 передачи мощности. Гайка 100 ввинчена по внутренней поверхности кольцевой детали 96 на ее конце, расположенном напротив его кольцевого выступа, опирающегося на наружное кольцо 84 первого подшипника 70. Крышка 102 на фиг. 4 изображена в снятом положении и также содержит среднюю часть 104, предназначенную для герметизации внутренней части съемного кожуха 92, как изображено на фиг. 5. Торец 106 крышки 102, противолежащий ее выступу 108, упирается в кольцевую деталь 96 для ее удержания в осевом положении в съемном кожухе 92.

В этом варианте воплощения изобретения монтаж осуществляется следующим образом: кольцевая деталь вставляется внутрь съемного кожуха 92 до упора в кольцевой радиальный выступ 94 съемного кожуха 92. Первый 72 и второй 78 подшипники устанавливаются между цилиндрической опорной поверхностью 68 передаточного вала 70 и кольцевой деталью 96, затем навинчивают гайку на кольцевую деталь 96. Узел, образованный передаточным валом 40 и съемным кожухом 92, далее вставляется в отверстие кожуха 32 средств соединения. Наконец, крышка 102 устанавливается на съемном кожухе 92.

Фиг. 6 и 7 представляют другой вариант воплощения по изобретению. Фиг. 6 изображает кожух 110 средств соединения, закрепленный на кожухе вспомогательных средств. В этом варианте кожух 114, содержащий средства амортизации, установлен в отверстии 116, служащем для прохода вала передачи мощности к оборудованию и навинчен на неподвижную часть 118, расположенную внутри кожуха 110 средств соединения.

В отличие от двух описанных выше вариантов кожух 114 встроен внутрь кожуха 110 средств соединения и не установлен в отверстии кожуха 110, служащего для введения вала передачи мощности. В этой конфигурации демонтаж кожуха 114 со средствами амортизации требует, таким образом, демонтажа кожуха 112 со вспомогательными средствами.

В этом варианте изобретения монтаж осуществляют следующим образом: кожух 114 устанавливается через отверстие 116 для прохода вала передачи мощности. Кольцевая деталь 120, а также подшипники качения 72, 78 устанавливаются на цилиндрической опорной поверхности 68 вала, затем навинчивают гайку на кольцевую деталь 120. Этот узел, установленный на валу 40 передачи мощности, вставляется внутрь кожуха 114, затем устанавливают крышку 122 так, чтобы ее внутренний край опирался на кольцевую деталь для закрывания отверстия кожуха средств соединения.

Как изображено на фиг. 5 и 7, крышка 102, 122 может содержать осевой палец 124, 126, простирающийся внутрь вала 40 передачи мощности и содержащий по меньшей мере один внутренний канал 128, соединенный с одним или несколькими каналами 130 средней части 104, 132 крышки 102, 122. Эти каналы 130 связаны со средствами подачи масла для того, чтобы масло могло циркулировать до свободного конца пальца 124, 126 и могло поступать внутрь вала. Это масло затем поступает к подшипникам качения 72, 78 через отверстия 134, выполненные в валу.

По сравнению с известным уровнем техники изобретение позволяет уменьшить радиальные размеры передаточного вала 40 и радиальной поперечины промежуточного корпуса, в котором он размещен. Таким образом, легче согласовать размеры радиальной поперечины таким образом, чтобы она обеспечивала хорошее течение воздуха при работе. Уменьшение радиального размера вала 40 обеспечивает его хорошую работу в сверхкритическом режиме без создания затруднений при прохождении через резонансную скорость вследствие наличия средств амортизации вибраций.

Использование съемного кожуха 58, расположенного на конце передаточного вала 40, облегчает операции технического обслуживания, в особенности когда кожух может быть удален без демонтажа кожуха со вспомогательным оборудованием и кожуха средств соединения. Во всех изображенных на чертежах конфигурациях средства амортизации размещены на радиально внешнем конце вала, что облегчает их демонтаж.

Наконец, при работе корпуса и, в особенности промежуточный корпус, деформируются под действием аэродинамических сил, что может привести к несоосности между средствами внутреннего соединения и средствами внешнего соединения. В соответствии с изобретением установка средств амортизации в кожухе 58, 92, 114 жестко соединяет при работе кожуха средств внешнего соединения и промежуточного корпуса, что делает средства амортизации нечувствительными к этим деформациям, что обеспечивает оптимальную работу средств амортизации.

В других вариантах воплощения настоящего изобретения средства амортизации вибраций могли бы быть установлены на радиально внутреннем конце передаточного вала 40, но это не облегчало бы монтаж и демонтаж, как при размещении на радиально внешнем конце передаточного вала 40, как описано со ссылкой на фиг. 2 и 3. В других вариантах воплощения изобретения подшипники качения могут быть как шариковыми, так и, например, коническими роликовыми, которые обеспечивают одновременно восприятие радиальных и осевых нагрузок.

Система передачи мощности для турбомашины содержит передаточный вал, связанный с валом двигателя с помощью средств соединения и приводящий в действие оборудование или вспомогательные средства. Передаточный вал выполнен с возможностью работы в сверхкритическом режиме и содержит средства амортизации вибраций при его резонансной скорости. Средства амортизации установлены на радиально внешнем конце вала и размещены в съемном кожухе. При передаче мощности оборудованию или вспомогательным средствам вращают передаточный вал на сверхкритической скорости и амортизируют вибрации при его работе на его резонансной скорости средствами амортизации. Другое изобретение группы относится к турбомашине, содержащей указанную выше систему. Группа изобретений позволяет снизить габаритные размеры передаточного вала турбомашины и упростить его техническое обслуживание. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система передачи мощности для турбомашины, содержащая передаточный вал (40), связанный с валом двигателя (31) с помощью средств (30) соединения, который приводит в действие оборудование или вспомогательные средства, отличающаяся тем, что передаточный вал (40) предназначен для работы в сверхкритическом режиме и содержит средства амортизации вибраций при его резонансной скорости, упомянутые средства амортизации установлены на радиально внешнем конце вала и размещены в съемном кожухе.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что средства амортизации съемным образом установлены в кожухе (58, 92, 114), размещенном на неподвижном конструктивном элементе.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что кожух (58, 92, 114) съемным образом встроен в кожух (32) средств соединения передаточного вала (40) с приводимыми оборудованием или вспомогательными средствами.

4. Система по п. 2, отличающаяся тем, что средства амортизации вибраций содержат амортизатор со сжатием масляной пленки.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что амортизатор со сжатием масляной пленки образован вокруг по меньшей мере одного направляющего подшипника (70, 72) передаточного вала (40).

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что масляная пленка амортизатора образована в кольцевом пространстве между внутренней кольцевой поверхностью съемного кожуха (58, 92, 114) и кольцевой деталью (82, 96, 120), окружающей внешнее кольцо (84, 86) направляющего подшипника.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что масляная пленка ограничена сбоку по меньшей мере двумя кольцевыми герметизирующими прокладками (88), вставленными в кольцевые гнезда кольцевой детали и/или съемного кожуха (58).

8. Система по п. 5 или 6, отличающаяся тем, что направляющий подшипник (70, 72) вставлен на цилиндрической опорной поверхности (68) вала (40) и аксиально удерживается на одном конце гайкой (78), навинченной на резьбовую часть цилиндрической опорной поверхности (68) или кольцевой детали (96, 120), а на своем другом конце - радиальным выступом (80) передаточного вала (40).

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что турбомашина представляет собой авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что средства соединения представляют собой зубчатые колеса для угловой передачи.

11. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну систему передачи мощности по п. 1, в которой передаточный вал (40) проходит в радиальной поперечине промежуточного корпуса (16).

12. Турбомашина по п. 11, отличающаяся тем, что средства амортизации установлены съемным образом вокруг радиально внешнего конца передаточного вала (40).

13. Турбомашина по п. 12, отличающаяся тем, что средства амортизации установлены в съемном кожухе (58, 92) вокруг радиально внешнего конца передаточного вала (40) и внутри отверстия неподвижной конструкции, размещенной на промежуточном корпусе.

14. Способ передачи мощности оборудованию или вспомогательным средствам турбомашины по п. 11 посредством передаточного вала (40), связанного с валом двигателя (31) средствами (30) соединения, отличающийся тем, что он состоит в том, что вращают передаточный вал на сверхкритической скорости и амортизируют вибрации при его работе на его резонансной скорости средствами амортизации, установленными на радиально внешнем конце вала и размещенными в съемном кожухе.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что турбомашина представляет собой авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.