ШЛИЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ В УЗЛЕ ПРИВОДА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК F02C7/06 F01D25/18 F02C7/36 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к конструкции привода коробок приводных агрегатов (КПА) газотурбинного двигателя (ГТД), и может быть использовано в ГТД авиационного и наземного применения.

В ГТД для передачи крутящего момента от зубчатого зацепления центрального привода (ЦП) к зубчатым зацеплениям углового конического привода (УКП) и КПА, а также к приводным агрегатам используются шлицевые соединения. В процессе передачи крутящего момента в шлицевом соединении возникают микроперемещения в условиях повышенного трения, вызванные изгибами валов, температурными расширениями, вибрациями приводных агрегатов и ГТУ. Для уменьшения износа, увеличения срока эксплуатации шлицев, и соответственно повышения надежности ГТД, шлицевое соединение необходимо смазывать.

Известен газотурбинный двигатель (RU 2352801, МПК F02C 7/36, опубл. 20.04.2009), включающий вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, ведущее зубчатое колесо, передающее крутящий момент с вала компрессора высокого давления на центральный привод через шлицевое соединение, в котором на валу компрессора низкого давления установлена втулка с лабиринтными гребешками, а на ведущем зубчатом колесе размещена втулка с уплотнительным покрытием, образующая с указанным зубчатым колесом кольцевые радиальные полости, которые сообщаются с входной полостью, расположенной между указанными втулками, и полостью центрального привода через отверстия, выполненные в стенках втулки с уплотнительным покрытием, ведущего зубчатого колеса и вала компрессора высокого давления. В процессе работы газотурбинного двигателя пары масла, поступающие из полости центрального привода в кольцевую входную полость, за счет центробежной силы от вращающихся роторов скапливаются на поверхности в виде масляной пленки. Накопившееся масло через радиальные отверстия перетекает в кольцевую полость. Под действием той же центробежной силы через радиальные отверстия масло дальше перетекает в полость, из которой равномерно распределяется по зазорам шлицевого соединения, смазывая шлицы, и далее вытекает в кольцевую полость. Далее через радиальные отверстия масло выбрасывается в полость. Таким образом, обеспечивается постоянная непрерывная смазка шлицев и предотвращается их износ. Недостатком данного изобретения является недостаточность смазки шлицев, поскольку масло, попадая в шлицевое соединение под действием центробежной силы, сразу же вытекает из него по радиальным зазорам между вершинами и впадинами шлицев.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является «Устройство передачи крутящего момента от вала компрессора к коробке приводных агрегатов газотурбинного двигателя» (патент RU 2305787, МПК F02C 7/36, опубл. 10.09.2007). В данном устройстве передача крутящего момента от одного зубчатого колеса к другому происходит с помощью промежуточного вала с шлицевыми соединениями, на концах которого имеются внутренние кольцевые полости, соединенные радиальными каналами с полостями шлицевых соединений, причем два соединяемых зубчатых колеса выполнены с внутренними буртиками, диаметр которых меньше внутреннего диаметра впадин шлицев промежуточного вала. Наличие внутренних кольцевых полостей между шлицами и открытыми торцами промежуточного вала, радиальных каналов и внутренних буртиков обеспечивает постоянную прокачку маслом шлицевых соединений. Недостатком этой конструкции, принятой за прототип, является недостаточность смазки шлицев, поскольку масло, которое попадает в шлицы под действием центробежных сил, вытекает по радиальным зазорам, практически не смазывая боковые стенки этих шлицев.

Технической проблемой является износ в шлицевых соединениях, работающих в условиях повышенного трения, вызванного передачей крутящего момента, изгибами валов, температурными расширениями, вибрацией приводных агрегатов. Износ шлицев может привести к полной потере кинематической связи при передаче крутящего момента, что соответственно приведет к нарушению работы двигателя. Износ может быть предотвращен или значительно снижен за счет смазки шлицев. Однако известные способы смазки не являются достаточно эффективными для смазки всей поверхности шлицев.

Наиболее благоприятным решением указанной проблемы является такая смазка шлицевого соединения, при которой по всей высоте шлицев образуется масляная ванна, но при этом сохраняется постоянный маслообмен, который вымывает продукты возможного износа из полости шлицевого соединения. Масляная ванна кроме смазки также выполняет функцию охлаждения.

Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении износа в шлицевых соединениях за счет повышения эффективности их смазки и охлаждения, и как следствие, повышение надежности работы двигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в шлицевом соединении в узле привода газотурбинного двигателя, передающем крутящий момент между зубчатыми колесами через промежуточный вал, где зубчатые колеса выполнены с внутренними буртиками, ограничивающими полость шлицевого соединения с одной стороны, при этом диаметр буртика зубчатого колеса меньше внутреннего диаметра впадин шлицев промежуточного вала, согласно изобретению, полость шлицевого соединения с противоположной стороны ограничена уплотнительным кольцом, установленным с натягом с сопряженным элементом в кольцевую проточку кольцевого буртика, выполненного на выходе шлицев промежуточного вала, с возможностью формирования масляной ванны для смазки и охлаждения шлицев глубиной не менее делительного диаметра шлицев, при этом для слива избыточного масла из полости шлицевого соединения в уплотнительном кольце выполнено не менее одного сливного отверстия, обеспечивающего слив масла объемом меньшим, чем объем масла, поступающего в полость шлицевого соединения, а объем масла, вытекающего из полости шлицевого соединения через сливное отверстие, в 1,1-10 раз меньше объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения из внутренней полости узла приводов.

Для слива избыточного масла сливное отверстие выполнено в сопряженном элементе, размер сливного отверстия зависит от объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения, и количества сливных отверстий.

Масло из внутренней полости узла приводов в полость шлицевого соединения поступает под действием центробежной силы и собственного веса.

Масляная ванна, которая сформировалась за счет ограничения полости шлицевого соединения с одной стороны буртиком зубчатого колеса, а с другой стороны уплотнительным кольцом в буртике промежуточного вала, позволяет осуществлять смазку и охлаждение шлицев по всей их поверхности, а не только в радиальных зазорах между вершинами и впадинами шлицев. Наличие сливного отверстия позволяет обеспечить маслообмен в полости шлицевого соединения, при этом масляная ванна сохраняется благодаря тому, что объем вытекающего масла меньше объема поступающего масла. Данное техническое решение может применяться для шлицевых валов различной ориентации - как горизонтальных, так и наклонных, в том числе вертикальных.

На фиг. 1 схематично показано соединение КПА, УКП и ЦП посредством горизонтального и наклонного (вертикального) шлицевых валов.

На фиг. 2 - масляная ванна в шлицевом соединении узла приводов.

На фиг. 3 - элемент I на фиг. 2 в увеличенном виде (слив избыточного масла).

На фиг. 4 - масляная ванна со сливом в шлицевом соединении вертикального вала (вариант).

КПА 1, УКП 2 и ЦП 3 соединены между собой через шлицы 4 промежуточных валов (горизонтального вала 5 и наклонного (вертикального) вала 6) и имеют общую масляную полость 7, из которой масло через жиклеры 8 попадает внутрь зубчатых колес 9 узла приводов. Зубчатые колеса 9 имеют внутренние буртики 10, диаметр которых меньше внутреннего диаметра впадин шлицев 4 промежуточного вала. На промежуточном валу (5, 6) изготовлен кольцевой буртик 11 с кольцевой проточкой, в которую вставлено уплотнительное кольцо 12, уплотнительное кольцо установлено с натягом с сопряженным элементом. Размер (высота) уплотнительного кольца 12 определяет уровень масляной ванны 13 для смазки и охлаждения шлицев 4, который должен быть не менее делительного диаметра шлицев 4. В кольцевом буртике 11 сделан как минимум один паз 14, в котором зазор между внутренней поверхностью паза 14 и внешней поверхностью уплотнительного кольца 12 выполняет роль сливного отверстия 15 для избыточного масла. Для уменьшения дисбаланса, вызванного срезанием части металла, целесообразно изготовление двух и более равнорасположенных пазов 14. Для слива избыточного масла из полости шлицевого соединения промежуточного вала в качестве сливного отверстия 15 можно использовать отверстие в самом уплотнительном кольце или в сопряженном элементе (например, зубчатом колесе 9). Размер сливных отверстий 15 должен быть таким, чтобы обеспечить вытекание масла из полости шлицев 4 объемом меньшим, чем при поступлении в эту полость.

Осуществление изобретения, вариант 1.

Смазка и охлаждение шлицев горизонтального вала 5, соединяющим УКП 2 и КПА 1, происходит следующим образом (фиг. 2). Масло из жиклера 8 попадает во внутреннюю полость зубчатого колеса 9. Под действием центробежной силы масло равномерно распределяется по внутренней поверхности зубчатого колеса 9, и направляется к шлицам 4, при этом буртик 10 не позволяет маслу вылиться из этой внутренней полости. Поскольку шлицевые соединения, центрирующиеся по боковой стороне, имеют радиальные зазоры между вершинами и впадинами шлицев, масло проходит через все шлицевое соединение 4. Уплотнительное кольцо 12 является препятствием для дальнейшего продвижения масла, поэтому происходит наполнение масляной ванны 13, и все шлицы 4 полностью погружаются в масляную смазку. Таким образом, происходит смазка и охлаждение не только вершин и впадин шлицев, но и их боковых поверхностей. При наполнении масляной ванны 13 выше уровня уплотнительного кольца 12 (фиг. 3) излишек масла вытекает через сливное отверстие 15, выполненное в кольцевом буртике 11, обеспечивая необходимый маслообмен и удаление продуктов возможного износа из полости шлицевого соединения. Сливное отверстие 15 также может быть изготовлено непосредственно в уплотнительном кольце или в варианте использования разрезного стопорного кольца. Таким же образом смазка и охлаждение шлицевого соединения может осуществляться у валов, расположенных под наклоном относительно горизонтальной оси, в том числе у расположенных вертикально.

Объем масла, вытекающего из полости шлицевого соединения через сливное отверстие, в 1,1-10 раз меньше объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения из внутренней полости узла приводов. Масло из внутренней полости узла приводов в полость шлицевого соединения поступает под действием центробежной силы и собственного веса.

Осуществление изобретения, вариант 2.

В шлицевых валах, где изготовление паза 14 в буртике вала может привести к ослаблению конструкции, например, в наклонном (вертикальном) валу 6 передающем крутящий момент между УКП 2 и ЦП 3 (фиг. 4), возможен следующий вариант осуществления изобретения. Масло в шлицевое соединение 4 попадает из жиклера 8 под действием центробежной силы и собственного веса. Уплотнительное кольцо 12 препятствует вытеканию масла и ведет к наполнению масляной ванны 13, обеспечивая смазку и охлаждение шлицев 4 по всей поверхности. Перед уплотнительным кольцом 12 в сопряженном элементе, в данном случае в зубчатом колесе 9 (коническом зубчатом колесе центрального привода), изготавливается минимум одно сливное отверстие, обеспечивая необходимый маслообмен и удаление продуктов возможного износа из полости шлицевого соединения. Для слива избыточного масла сливное отверстие выполнено в сопряженном элементе, размер сливного отверстия зависит от объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения, и количества сливных отверстий. Таким же образом смазка и охлаждение шлицевого соединения может осуществляться у валов, расположенных под наклоном относительно вертикальной оси, в том числе у расположенных горизонтально.

Осуществление изобретения, вариант 3.

Аналогичным образом (по варианту 1 или варианту 2) изобретение осуществляется в случаях, когда масло подается не через жиклер, а попадает во внутреннюю полость в виде паров масла с последующим формированием масляной пленки на поверхности под действием центробежных сил.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность смазки и охлаждения шлицевых соединений, что значительно снижает износ шлицев и в целом повышает надежность работы двигателя.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к конструкции привода коробок приводных агрегатов (КПА) газотурбинного двигателя (ГТД), и может быть использовано в ГТД авиационного и наземного применения. В ГТД для передачи крутящего момента от зубчатого зацепления центрального привода (ЦП) к зубчатым зацеплениям углового конического привода (УКП) и КПА, а также к приводным агрегатам используются шлицевые соединения 4, которые в процессе работы подвергаются износу. Износ может быть предотвращен или значительно снижен за счет смазки. Смазка шлицев 4 происходит за счет формирования масляной ванны 13 в полости шлицевого соединения, что позволяет осуществлять смазку, а также охлаждение шлицев по всей их поверхности, включая боковые стенки, а не только в радиальных зазорах между вершинами и впадинами шлицев. Наличие сливного отверстия 15 позволяет обеспечить маслообмен в полости шлицевого соединения, при этом масляная ванна 13 сохраняется благодаря тому, что объем вытекающего масла меньше объема поступающего масла. Техническое решение может применяться для шлицевых валов различной ориентации. Технический результат - снижение износа в шлицевых соединениях за счет повышения эффективности их смазки и охлаждения и, как следствие, повышение надежности работы двигателя. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Шлицевое соединение в узле привода газотурбинного двигателя, передающее крутящий момент между зубчатыми колесами через промежуточный вал, где зубчатые колеса выполнены с внутренними буртиками, ограничивающими полость шлицевого соединения с одной стороны, при этом диаметр буртика зубчатого колеса меньше внутреннего диаметра впадин шлицев промежуточного вала, отличающееся тем, что полость шлицевого соединения с противоположной стороны ограничена уплотнительным кольцом, установленным с натягом с сопряженным элементом в кольцевую проточку кольцевого буртика, выполненного на выходе шлицев промежуточного вала, с возможностью формирования масляной ванны для смазки и охлаждения шлицев глубиной не менее делительного диаметра шлицев, при этом для слива избыточного масла из полости шлицевого соединения в уплотнительном кольце выполнено не менее одного сливного отверстия, обеспечивающего слив масла объемом, меньшим, чем объем масла, поступающего в полость шлицевого соединения, а объем масла, вытекающего из полости шлицевого соединения через сливное отверстие, в 1,1-10 раз меньше объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения из внутренней полости узла приводов.

2. Шлицевое соединение по п. 1, отличающееся тем, что для слива избыточного масла сливное отверстие выполнено в виде паза с зазором между поверхностью паза и поверхностью уплотнительного кольца, размер которого зависит от объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения, и количества сливных отверстий.

3. Шлицевое соединение по п. 1, отличающееся тем, что для слива избыточного масла сливное отверстие выполнено в виде отверстия в уплотнительном кольце, в том числе в виде разреза стопорного кольца, размер которого зависит от объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения, и количества сливных отверстий.

4. Шлицевое соединение по п. 1, отличающееся тем, что для слива избыточного масла сливное отверстие выполнено в сопряженном элементе, размер сливного отверстия зависит от объема масла, поступающего в полость шлицевого соединения, и количества сливных отверстий.

5. Шлицевое соединение по п. 1, отличающееся тем, что масло из внутренней полости узла приводов в полость шлицевого соединения поступает под действием центробежных сил.

6. Шлицевое соединение по п. 1, отличающееся тем, что масло из внутренней полости узла приводов в полость шлицевого соединения поступает самопроизвольным стеканием под действием собственного веса.

7. Шлицевое соединение по п. 5 или 6, отличающееся тем, что масло из внутренней полости узла приводов в полость шлицевого соединения поступает под действием центробежной силы и собственного веса.