ВИНТ, УСТРОЙСТВО И СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ДЕТАЛИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D5/02 F16F15/32 G01M1/30 

Область техники

Настоящее изобретение относится к балансировочному винту балансировочного устройства двигателя для входного обтекателя газотурбинного двигателя, а также к балансировочному устройству двигателя для входного обтекателя газотурбинного двигателя капота и газотурбинному двигателю, содержащему такое балансировочное устройство. Настоящее изобретение также относится к входному обтекателю, имеющему такое балансировочное устройство, и способу балансировки с использованием такого балансировочного устройства.

Предшествующий уровень техники

Вращающийся входной обтекатель 10 газотурбинного двигателя летательного аппарата, как правило, содержит две части, соединенные друг с другом как показано на фиг.1:

- переднюю конусообразную часть, называемую передним конусом 11. Передний конус 11 имеет передний конец 13 в виде вершины конуса с центром на оси вращения Х входного обтекателя 10, соответствующей также продольной оси всего газотурбинного двигателя. Передний конус 11 имеет также задний конец 14, проходящий в радиальном направлении относительно оси X, в форме кольца.

- заднюю часть, называемую задним кожухом 12, проходящим вдоль продольной оси Х газотурбинного двигателя и удлиняющим передний конус 11. Задний кожух 12 имеет передний конец 15, проходящий в радиальном направлении относительно оси X, в форме кольца. Обычно передний конус 11 и задний кожух 12 закреплены болтами 16, проходящими спереди назад через задний конец 14 переднего конуса 11 и передний конец 15 заднего кожуха 12.

Следует отметить, что термины «передний» и «задний» должны рассматриваться по отношению к основному направлению потока газообразной среды через газотурбинный двигатель, проходящего спереди назад, как схематически показано стрелкой 100.

Как известно, газотурбинный двигатель содержит модули, называемые основными, который содержат модули, называемые второстепенными. Это разделение на модули обеспечивает удобную систему компоновки элементов, а также распределение перекосов за счет модульной балансировки. В действительности, каждый вращающийся второстепенный модуль сбалансирован в динамике для того, чтобы уменьшить перекос и таким образом ограничить воздействие на двигатель, когда он скомпонован. Перекос является разрушающим явлением, вызывающим дисбаланс вращающейся детали.

Далее, по окончании сборки, газотурбинный двигатель является сбалансированным. Обычно задний кожух 12 имеет тридцать шесть отверстий 17, распределенных по периферии, в которые вставлены гайки 18. Вставленные гайки 18 выполнены с возможностью установки в них винтов, указанных, как балансировочные, позволяющие ограничить общий перекос газотурбинного двигателя. В действительности, тщательно выбирая вес балансировочных винтов для завинчивания в гайки 18, балансируют газотурбинный двигатель.

Тем не менее, в небольших двигателях, функцию балансировки двигателя путем установки балансировочных винтов различной длины и массы трудно осуществить. В действительности, в небольших двигателях передний конус имеет малый диаметр, так что центр тяжести винтов находится очень близко к оси двигателя, что снижает их способность к полной балансировке. Кроме того, диаметр и ограниченное пространство требует уменьшить количество используемых винтов и использовать винты малого диаметра с резьбой, что приводит к снижению общей массы винтов, и, таким образом, возможности полной балансировки. Кроме того, в небольших двигателях балансировочные винты увеличивают вес газотурбинного двигателя.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение недостатков известного уровня техники, и разработка балансировочного винта для балансировочного устройства, который позволит использовать балансировочное устройство в небольших двигателях, и является оптимизированным по массе относительно предшествующего уровня техники.

Для этого предлагается в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, балансировочный винт для балансировочного устройства газотурбинного двигателя, балансировочный винт имеет стержень с резьбой и головку, в головке выполнено углубление, включающее в себя шлиц и дополнительное углубление, причем шлиц имеет дно, в котором выполнено дополнительное углубление.

Наличие дополнительного углубления, которое удлиняет в осевом направлении шлиц, обеспечивает более легкий балансировочный винт. В действительности, таким образом можно уменьшить вес винтов без изменения их габаритов, что является целесообразным, поскольку все отверстия кожуха, предназначенные для установки в них винтов, должны быть обязательно перекрыты винтами, даже если некоторые из этих винтов не являются необходимыми для балансировки, так как эти отверстия сообщаются с трактом. Таким образом, целесообразно иметь низкую массу винта, чтобы не перегружать газотурбинный двигатель. В этом случае в головке вин та выполнено углубление, образованное шлицем и дополнительным углублением, которое удлиняет зажимную полость. Дополнительное углубление имеет предпочтительно цилиндрическую форму, позволяющую облегчить его изготовление. Кроме того, дополнительное углубление предпочтительно имеет размеры меньшие, чем размеры шлица, таким образом, чтобы вставленный в шлиц гаечный ключ мог упираться в дно шлица на границе с дополнительным углублением.

Второй аспект изобретения относится к балансировочному устройству для вращающейся детали газотурбинного двигателя, содержащей кожух, в котором выполнено множество отверстий, через каждое отверстие проходит балансировочный винт в соответствии с первым аспектом изобретения.

Балансировочное устройство согласно изобретению также может включать ряд следующих признаков, взятых по отдельности или во всех технически возможных комбинациях.

Предпочтительно, балансировочные винты являются по меньшей мере винтами первого и второго типа, углубление винтов первого типа имеет глубину p1, балансировочные винты второго типа имеют глубину углубления p2, р2 строго меньше p1, балансировочные винты второго типа и первого типа радиально распределены вокруг кожуха таким образом, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь.

Наличие балансировочного устройства, в котором можно изменять глубину шлицов головок винтов таким образом, чтобы компенсировать дисбаланс, обеспечивает больше возможностей, чтобы сбалансировать газотурбинный двигатель, в том числе при его небольших размерах. В действительности, изменение глубины шлица обеспечивает значительное изменение массы и положения центра тяжести балансировочных винтов, это обеспечивает больше возможностей для балансировки двигателя, в том числе при малых размерах двигателя. Таким образом, можно варьировать массу балансировочных винтов без изменения их габаритов.

Предпочтительно, балансировочные винты первого и второго типа содержат шлиц, выполненный с возможностью установки в него гаечного ключа.

Шлицы балансировочных винтов второго типа предпочтительно соответствует шлицам балансировочных винтов второго типа. Таким образом, балансировочные винты второго типа предпочтительно имеют минимальное углубление, которое позволяет им иметь более значительную массу. В этом случае углубление, соответствующее шлицу предпочтительно имеет форму, соответствующую форме гаечного ключа, который предназначен для введения в шлиц.

В соответствии с одним из вариантов осуществления:

- балансировочные винты первого типа выполнены из материала, имеющего первую плотность m1,

- балансировочные винты второго типа выполнены из материала, имеющего вторую плотность m2, m2 строго больше m1.

Использование различных материалов для балансировочных винтов обеспечивает больше возможностей для балансировки вращающейся детали, это является предпочтительным в случае, если кожух имеет небольшие размеры и если возможности балансировки путем изменения габаритов балансировочных винтов ограничены.

Предпочтительно, балансировочные винты первого типа изготовлены из титана.

Предпочтительно, балансировочные винты второго типа изготовлены из стали.

В соответствии с одним из вариантов осуществления:

- винты первого типа имеют длину l1;

- винты второго типа имеют длину l2, l2>l1;

Это позволяет еще более увеличить отклонение массы между винтами первого типа и винтами второго типа.

Балансировочные винты предпочтительно имеют цилиндрические головки, что позволяет облегчить изготовление балансировочных винтов. Кроме того, для балансировочных винтов второго типа это позволяет дополнительно увеличить массу головок. Увеличение массы головок винтов второго типа позволяет сместить их центр тяжести в сторону головки указанных винтов, и, таким образом, отдалить ее от оси двигателя, это позволяет увеличить способность балансировки винтов.

Согласно различным вариантам осуществления:

- головка каждого балансировочного винта первого типа может иметь массу равную, по меньшей мере, 60% от общей массы указанного балансировочного винта; и/или

- головка каждого балансировочного винта второго типа может иметь массу равную, по меньшей мере, 40% от общей массы указанного балансировочного винта.

Наличие относительно тяжелой головки по отношению к общей массе винта позволяет сместить центр тяжести винтов к указанной головке, это позволяет увеличивает способность балансировки винтов.

Как правило, можно использовать балансировочные винты с головками более или менее большими, чтобы компенсировать длину корпуса винта. Таким образом, при ограниченном пространстве в кожухе и, следовательно, ограниченном размере корпуса винтов, можно компенсировать размер корпуса винтов за счет размеров головок винтов.

Предусматривается, что все балансировочные винты первого типа идентичны друг другу таким образом, чтобы упростить производство балансировочного устройства.

По тем же причинам, возможно также предусмотреть, чтобы все балансировочные винты второго типа были одинаковыми для упрощения изготовления устройства.

В этом случае, когда использование двух групп балансировочных винтов, одинаковых в каждой из групп, не является достаточным, чтобы компенсировать дисбаланс вращающегося двигателя, балансировочное устройство может также содержать промежуточные балансировочные винты, каждый промежуточный винт имеет массу, находящуюся в интервале между массой одного из винтов первого типа и массой одного из винтов второго типа. Эти промежуточные балансировочные винты позволяют соблюдать все критерии балансировки и осуществлять разные виды балансировки.

Промежуточные балансировочные винты, например, могут являться:

- винтами, изготовленными из того же материала и имеющими те же габариты, что и балансировочные винты первого типа, но не содержащие дополнительного углубления за пределами их шлица;

- винтами, которые имеют размеры, равные размерам винтов первого типа, но которые изготовлены из материала, плотность которого больше, чем плотность материала винтов первого типа;

- винтами, которые изготовлены из того же материала, что и винты первого типа, но которые имеют меньшие размеры.

В частности, можно изменять размеры головок винтов таким образом, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь.

Третий аспект изобретения относится к входному обтекателю газотурбинного двигателя, содержащему балансировочное устройство в соответствии со вторым аспектом изобретения.

Четвертый аспект изобретения относится к газотурбинному двигателю, содержащему балансировочное устройство в соответствии со вторым аспектом изобретения.

Пятый аспект изобретения относится к способу балансировки вращающейся детали газотурбинного двигателя, снабженной балансировочным устройством в соответствии со вторым аспектом изобретения, способ включает этап регулирования глубины шлицев головок винтов таким образом, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь.

Преимущественно, способ балансировки дополнительно включает этап регулировки одного или более из следующих параметров для того, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь:

- габариты каждой из головок винтов;

- форму головок винтов;

- материал балансировочных винтов.

Способ может также включать следующие этапы:

- этап вставки балансировочных винтов первого типа в каждое отверстие кожуха;

- этап приведения во вращение вращающейся детали таким образом, чтобы обнаружить наличие дисбаланса;

- при обнаружении дисбаланса этап замены некоторых балансировочных винтов первого типа балансировочными винтами второго типа и/или промежуточными балансировочными винтами таким образом, чтобы компенсировать дисбаланс.

При этом способ может включать этап регулирования массы головок винтов второго типа и/или промежуточных балансировочных винтов для компенсации дисбаланса вращающейся детали.

Масса головки винтов может быть скорректирована, в частности:

- выполнением шлица более или менее глубокого в указанной головке;

- увеличением габаритов указанной головки, в частности, ее высоты;

- изменением формы указанной головки. В результате при эквивалентном размере, цилиндрическая головка винта будет иметь большую массу, чем шестигранная головка винта;

- изменением материала указанной головки.

Применяемое таким образом изменение массы каждой головки компенсирует изменение массы корпуса винта. В действительности, масса корпуса винтов ограничена свободным пространством внутри кожуха. Таким образом, можно использовать головки винтов для того, чтобы иметь больше возможностей балансировки вращающегося двигателя.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества изобретения следуют из описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

- Фиг.1 изображает вид в разрезе входного обтекателя газотурбинного двигателя согласно предшествующему уровню техники;

- Фиг.2 - общий вид входного обтекателя газотурбинного двигателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

- Фиг.3 - вид в разрезе входного обтекателя на фиг.2;

- Фиг.4 - увеличенный вид в разрезе части входного обтекателя на фиг.2;

- Фиг.5 - другой вид в разрезе части входного обтекателя на фиг.2;

- Фиг.6 - другой вид в разрезе другой части входного обтекателя на фиг.2;

- Фиг.7 - вид в разрезе одного из винтов входного обтекателя на фиг.2;

- Фиг.8 - вид в разрезе другого винта входного обтекателя на фиг.2.

Для большей ясности идентичные или аналогичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями на всех фигурах.

Подробное описание по меньшей мере одного варианта осуществления

На фиг.2 и с 4 по 6 показан входной обтекатель 20 газотурбинного двигателя, имеющего балансировочное устройство в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

Входной обтекатель 20 содержит конус 21, снабженный балансировочным устройством 22. Балансировочное устройство 22 имеет кожух 23. Кожух 23 имеет в данном случае коническую форму. В данном варианте осуществления кожух 23 образован задней частью конуса 21. Тем не менее, в варианте осуществления на фиг.3, кожух 23 выполнен с помощью дополнительной детали 24, которая является осесимметричной и связана с конусом 21.

В кожухе 23 выполнены отверстия 25, которые радиально распределены по всей окружности кожуха 23. В данном варианте осуществления в кожухе 23 выполнены двадцать отверстий 25. Однако, количество отверстий зависит, в частности, от диаметра кожуха 23 и требуемой точности балансировки.

Устройство балансировки также содержит гайки 26, каждая гайка 26 вставлена в одно из отверстий 25. Вставленные гайки 26 выполнены с возможностью установки в них указанных балансировочных винтов 27, 27' для того, чтобы уменьшить и даже устранить дисбаланс газотурбинного двигателя.

С этой целью балансировочные винты 27 первого типа сначала вставляют в каждое отверстие 25 и ввинчивают в каждую гайку.

Газотурбинный двигатель затем начинают вращать таким образом, чтобы обнаружить наличие возможного дисбаланса.

Если дисбаланс обнаруживается, некоторые винты первого типа 27 в этом случае заменяются балансировочными винтами второго типа 27' с целью уменьшения дисбаланса. Балансировочные винты первого типа 27 и второго типа 27' распределены радиально вокруг кожуха таким образом, чтобы уменьшить дисбаланс газотурбинного двигателя. В данном примере осуществления пять винтов первого типа 27 были заменены пятью винтами второго типа 27', однако радиальное распределение и соответствующее количество винтов первого типа и второго типа зависит от дисбаланса.

Балансировочные винты второго типа 27' имеют массу большую, чем масса винтов 27 первого типа.

Винт 27 первого типа показан детально на фиг.7.

Балансировочный винт первого типа 27 проходит вдоль осевой линии 31. Балансировочный винт первого типа 27 предпочтительно изготовлен из титана. Балансировочный винт первого типа 27 содержит головку 29 и стержень 30 с резьбой. Стержень 30 балансировочного винта первого типа 27 имеет на внешней поверхности резьбу 35 для ввинчивания балансировочного винта первого типа 27 в гайку 26. Стержень 30 винта первого типа 30 имеет длину l1, достаточную для полного ввинчивания в гайку 26. Однако длину l1 предпочтительно выбирают таким образом, чтобы стержень 30 не слишком выступал за пределы гайки 26, таким образом, чтобы не слишком перегружать газотурбинный двигатель. В головке 29 винта первого типа выполнено углубление 32. Углубление 32 образовано шлицем 33 и дополнительным углублением 34, расположенным в осевом продолжении шлица 33. Шлиц 33 имеет дно 40, в котором выполнено дополнительное углубление 34. Шлиц 33 выполнен с возможностью установки в него гаечного ключа для завинчивания винта в соответствующую гайку 26. С этой целью шлиц 33 предпочтительно имеет шестигранное сечение. Дополнительное углубление 34 предпочтительно имеет цилиндрическую форму для того, чтобы облегчить его обработку. Кроме того, предпочтительно, чтобы его размеры в поперечном направлении относительно осевой линии 31 были меньше, чем размеры шлица 33, чтобы ключ, вставленный в шлиц 33, упирался в дно 40 на границе между шлицем 33 и дополнительным углублением 34. Глубину p1 углубления 32 регулируют в соответствии с требуемой массой винтов и, в частности, головкой винта. Аналогично, размеры в поперечном направлении дополнительного углубления могут регулироваться в зависимости от требуемой массы винта и, в частности, головки винта. Головка 29 предпочтительно имеет цилиндрическую форму, чтобы облегчить ее изготовление.

Размеры винтов первого типа 27 могут быть изменены в зависимости от массы, которую они должны иметь для того, чтобы сбалансировать газотурбинный двигатель. Таким образом, можно сначала изменить длину l1 стержня 30 винтов первого типа 27. Можно также изменить массу головки 29 для достижения требуемой балансировки. При этом возможно, в частности, изменить размеры головки 29, и в том числе ее высоту l3. Возможно также изменить глубину p1 углубления 32, а также его форму. Возможно также предусмотреть возможность изменения формы головки 29.

Винт второго типа 27' показан детально на фиг.8.

Балансировочные винты второго типа 27' заменяются несколькими винтами 27 первого типа с целью уменьшения дисбаланса газотурбинного двигателя.

Балансировочный винт второго типа 27' предпочтительно изготовлен из стали. Балансировочный винт второй типа 27' также проходит вдоль осевой линии 31', и он также имеет головку 29' и корпус 30'. Стержень 30' балансировочного винта второго типа 27' также имеет на внешней поверхности резьбу 35' для ввинчивания винта балансировочного второго типа 27' в гайку 26. Стержень 30' предпочтительно имеет длину l2 большую, чем длина l1 корпуса 30 регулировочного винта первого типа 27. В головке 29' выполнено углубление 32'. Углубление 32' образовано в данном примере осуществления шлицем 33'. В данном примере осуществления углубление 32' не выходит за рамки шлица 33'. Следовательно, в данном примере глубина р2 углубления 32' соответствует глубине шлица 33'. Глубина р2 таким образом меньше, чем глубина p1. Углубление 32' балансировочного винта второго типа 27' таким образом минимально в данном варианте осуществления с целью максимального увеличения массы головок и, следовательно, способности балансировки винта. Аналогично, головка предпочтительно имеет цилиндрическую форму для максимального увеличения ее массы.

Размеры винтов второго типа 27' могут быть изменены в зависимости от массы, которую они должны иметь для того, чтобы сбалансировать газотурбинный двигатель. Таким образом, можно сначала изменить длину l2 стержня 30' винтов второго типа 27'. Тем не менее, эта длина l2 ограничена внутренним пространством кожуха. Следовательно, целесообразно изменить массу головки 29' для того, чтобы достичь необходимой балансировки. При этом возможно, в частности, изменить размеры головки 29', и в том числе ее высоту l4. Возможно также изменить глубину p2 углубления, а также его форму. Возможно также предусмотреть возможность изменения формы головки 29'.

Кроме того, в данном варианте осуществления, все балансировочные винты первого типа 27 являются одинаковыми, а также все балансировочные винты второго типа 27' являются одинаковыми. Тем не менее, можно также предусмотреть возможность использования балансировочных винтов первого типа 27 отличных друг от друга и/или балансировочных винтов второго типа 27' отличных друг от друга.

Кроме того, если использование двух типов винтов не является достаточным для того, чтобы устранить дисбаланс газотурбинного двигателя, а также в зависимости от требуемой точности балансировки, можно использовать промежуточные винты, имеющие массу, составляющую между массой винтов 27 первого типа и массой винтов второго типа 27'.

Разумеется, изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными со ссылками на чертежи, и могут рассматриваться варианты, не выходящие за рамки изобретения. Таким образом, возможно изменить радиальное распределение винтов в зависимости от дисбаланса, который нужно устранить. Возможно также использовать и другие материалы для изготовления балансировочных винтов.

Балансировочное устройство, а также соответствующие способ и балансировочный винт, для вращающейся детали газотурбинного двигателя. Балансировочное устройство содержит кожух, в котором выполнено множество отверстий, через каждое из которых проходит балансировочный винт, имеющий стержень и головку, в которой выполнено углубление. Балансировочные винты являются, по меньшей мере, винтами первого и второго типа. Углубление балансировочных винтов первого типа состоит из шлица и дополнительного углубления, причем шлиц имеет дно, в котором выполнено дополнительное углубление. Углубление винтов первого типа имеет глубину p1, углубление винтов второго типа имеет глубину p2, где p2 строго меньше p1. Балансировочные винты второго типа и первого типа распределены радиально вокруг кожуха таким образом, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь. Достигается упрощение балансировки двигателей небольших размеров. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Балансировочное устройство для вращающейся детали газотурбинного двигателя,

содержащее кожух, в котором выполнено множество отверстий, через каждое из которых проходит балансировочный винт, имеющий стержень и головку, в которой выполнено углубление, причем балансировочные винты являются, по меньшей мере, винтами первого и второго типа, причем углубление балансировочных винтов первого типа состоит из шлица и дополнительного углубления, причем шлиц имеет дно, в котором выполнено дополнительное углубление, при этом углубление винтов первого типа имеет глубину p1, углубление винтов второго типа имеет глубину p2, где p2 строго меньше p1, причем балансировочные винты второго типа и первого типа распределены радиально вокруг кожуха таким образом, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь.

2. Балансировочное устройство по п.1, в котором:

- балансировочные винты первого типа (27) изготовлены из материала, имеющего первую плотность m1,

- балансировочные винты второго типа (27') изготовлены из материала, имеющего вторую плотность m2, m2 строго больше m1.

3. Балансировочное устройство (22) по п.2, в котором:

- балансировочные винты первого типа (27) изготовлены из титана;

- балансировочные винты второго типа (27') изготовлены из стали.

4. Балансировочное устройство по одному из пп.1-3, в котором:

- винты первого типа (27) имеют длину l1;

- винты второго типа (27') имеют длину l2, l2>l1.

5. Балансировочное устройство по одному из пп.1-3, в котором балансировочные винты (27, 27') имеют головки (29') цилиндрической формы.

6. Балансировочное устройство по одному из пп.1-3, в котором:

- головка (29) каждого балансировочного винта первого типа (27) имеет массу равную по меньшей мере 60% от общей массы указанного балансировочного винта (27); и/или

- головка (29') каждого балансировочного винта второго типа (27') имеет массу равную по меньшей мере 40% от общей массы указанного балансировочного винта (27').

7. Балансировочное устройство (22) по одному из пп.1-3, содержащее также дополнительные балансировочные винты, причем каждый дополнительный винт имеет массу, находящуюся в интервале между массой винта первого типа (27) и массой винта второго типа (27').

8. Способ балансировки вращающейся детали (20) газотурбинного двигателя, снабженной балансировочным устройством (22) по одному из пп.1-7, включающий этап регулирования глубины углубления (32, 32'), таким образом, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь (20).

9. Способ балансировки по п.8, в котором производят регулировку одного или более из следующих параметров для того, чтобы сбалансировать вращающуюся деталь (20):

- габаритов (d1, l3, d2, l4) каждой головки (29, 29');

- формы головки винтов (29, 29');

- материала балансировочных винтов (27, 27').