УЗЕЛ ЛОПАСТЕЙ ВОЗДУШНОГО ВИНТА
PROPELLER BLADE MOUNTING SYSTEM

Изобретение относится к узлу лопастей воздушного винта для изменяющих шаг лопастей воздушного винта самолетов, причем лопасти воздушного винта могут поворачиваться посредством опор качения вокруг своей соответствующей продольной оси.
Компоновка подшипников, при помощи которой лопасти воздушного винта самолета установлены с возможностью изменения шага в ступице, известна, например, из документа DE 102004060022 A1. Компоновка подшипника состоит из первичного и вторичного подшипника изменения шага, выполненных соответственно в виде шарикоподшипников и являющихся компонентами предварительно собранного унифицированного узла. Смазочное средство собрано в основном в компоновке подшипника и фиксируется, в частности маслозащитными кольцами, окружающими кольца подшипника внутри определенного объема.
Устройство для изменения шага лопасти воздушного винта, содержащее компоновку подшипников качения с шариками и роликами в качестве тел качения, известно, например, из GB 2244525 А. Между первым образованным из шариков рядом тел качения и вторым, образованным из роликов рядом тел качения, приложено усилие предварительного натяжения. В соответствии с известной из документа DE 102004060022 A1 компоновкой подшипников также и в этом случае изменяющие шаг лопасти воздушного винта соединены с внутренними кольцами опоры, в то время как соответствующие внешние кольца находятся в ступице.
Возможность изменения шага лопастей воздушного винта востребована, в частности, в турбовентиляторных двигателях. Пример туннельного турбовентиляторного двигателя с изменяющими шаг лопатками известен из DE 3818466 С1. И, напротив, в документе US 2012/0134822 A1 описан не туннельный турбовентиляторный двигатель.
Турбовентиляторные двигатели являются авиационными двигателями, имеющими наиболее высокую степень двухконтурности для повышения эффективности по сравнению с более старыми конструкциями двигателей. В них посредством лопастей воздушного винта, которые могут находиться, как это известно из уровня техники, либо внутри кожуха, либо снаружи, создается большой воздушный поток. Для согласования мощности двигателя с существующей в данный момент ситуацией полета при наиболее постоянной скорости вращения силовой установки угол наклона лопастей воздушного винта регулируется поворотом вокруг их оси. С этой целью каждая лопасть воздушного винта соединена посредством опоры качения с возможностью поворота со ступицей воздушного винта.
Для предотвращения износа в местах контакта элементов качения опора качения обычно находится в заполненной маслом полости. Вследствие поворота ротора система получает центробежное ускорение, которое может соответствовать примерно 500-кратному или большему обычному земному ускорению. Надежное уплотнение масляной камеры при возникающем гидравлическом давлении имеет существенное значение для надежности и прочности опоры качения и для предотвращения видимых снаружи протечек.
В основе изобретения лежит задача создать усовершенствованный по сравнению с уровнем техники узел лопастей воздушного винта, в частности, пригодный для вращающихся с большой скоростью приводов самолетов, имеющий подшипник качения с возможностью особенно простого смазывания, а также установки и обслуживания.
Эта задача решается согласно изобретению узлом лопастей воздушного винта с признаками пункта 1 формулы изобретения. Узел лопастей воздушного винта имеет опору качения между ступицей и лопастью воздушного винта,
- причем, по меньшей мере, одно наружное кольцо подшипника расположено в лопасти воздушного винта, в частности является, либо составной частью лопасти воздушного винта, либо соединено с ней без возможности вращения;
- по меньшей мере, одно внутреннее кольцо подшипника расположено в ступице воздушного винта, в частности, является либо составной частью ступицы воздушного винта, либо фиксировано на ней;
- соединенный без возможности вращения с лопастью воздушного винта центральный участок в форме втулки расположен радиально внутри внутреннего кольца подшипника опоры качения;
- между наружным кольцом подшипника и центральным участком, в радиальном направлении по отношению к оси вращения ступицы воздушного винта, образована замыкающаяся наружу полость со смазочным средством.
Под понятием "лопасть воздушного винта в широком смысле" в описании понимают весь установленный с возможностью изменения шага в ступице несущий винт, также собранный из нескольких отдельных частей, например, из ножки лопасти и фиксированной на ней лопасти, в частности, в узком смысле - лопасти воздушного винта. При описании узла лопастей воздушного винта речь идет в более широком смысле об опоре лопасти воздушного винта в ступице воздушного винта.
Опора качения узла лопастей воздушного винта выполнена предпочтительно как многорядный, в частности двухрядный или трехрядный, подшипник. Хотя опора качения может быть также выполнена, например, с четырьмя, пятью или шестью рядами тел качения. В качестве тел качения могут рассматриваться как шарики, так и игольчатые подшипники, цилиндрические ролики, а также конические ролики. Также возможна комбинация различных форм и размеров тел качения внутри опоры качения. Тела качения могут быть изготовлены из стали для подшипников качения или из керамического материала, например из нитрида кремния. Тела качения могут быть отделены друг от друга одной обоймой, соответственно направляющими множество тел качения сегментами обоймы, или соответственно расположенными между двумя телами качения распорочными элементами. В качестве материалов для обоймы могут использоваться металлы, а также полимерные материалы, в частности волокнисто-усиленные полимерные материалы.
В возможном варианте выполнения опора качения выполнена в виде трехрядного радиально-упорного шарикоподшипника, причем три ряда в телах качения находятся на разном удалении от оси вращения ступицы воздушного винта. При этом выполнении узел лопастей воздушного винта сконструирован предпочтительно для восприятия действующих радиально наружу усилий. Предварительное натяжение между рядами тел качения обеспечивает зазор узла лопастей воздушного винта. Одновременно с этим равномерно распределяются и поддерживаются в целом на низком уровне механические нагрузки на отдельные ряды тел качения.
В особенно предпочтительном варианте выполнения находящийся на самом маленьком расстоянии от оси вращения ступицы воздушного винта ряд тел качения шарикоподшипника образует с соседним с ним, средним, вторым рядом тел качения и соответствующими кольцами подшипника О-образную компоновку, в то время как самый крайний, в частности третий, самый удаленный от ступицы воздушного винта ряд тел качения расположен под углом контакта между кольцами подшипника, ориентация которого соответствует углу контакта среднего ряда тел качения.
В наиболее предпочтительном варианте выполнения угол контакта среднего ряда тел качения совпадает с углом контакта крайнего ряда тел качения или отклоняется от него не более чем на 10°, в частности не более чем на 5°. Подобным образом опора качения может быть выполнена также четырехрядной или многорядной, причем угол контакта четвертого, а при необходимости, по меньшей мере, одного следующего ряда тела качения совпадает предпочтительно с углом контакта третьего ряда тел качения.
Двухрядная, трехрядная или многорядная опора качения может иметь одно единственное внешнее кольцо и несколько внутренних колец. Монолитное внешнее кольцо может быть соединено с помощью приформованного на нем крепежного фланца с лопастью воздушного винта или с несущим его кронштейном. Наружное кольцо подшипника изготовлено предпочтительно из стали и имеет твердость от 300 до 500 HV1 (твердость по Виккерсу), а также закаленные краевые контактные поверхности качения с твердостью более чем 700 HV1. Обращенные к внешней среде поверхности внешнего кольца могут иметь покрытие для защиты от коррозии. Внутренние кольца могут быть насажены и стянуты на опорной цапфе, представляющей собой компонент ступицы. Контактные поверхности качения всех колец подшипника, могут иметь устойчивое к износу покрытие или обработку поверхности, в частности нитроцементацию.
Особенное преимущество радиально замыкающейся наружу полости со смазочным средством состоит в том, что не требуется уплотнение, действующее между подвижными относительно друг друга частями для предотвращения утечки смазочного средства в радиальном направлении, по отношению к оси вращения воздушного винта. И наоборот, следует устанавливать уплотнения между подвижными относительно друг друга, в частности, с возможностью поворота, частями на радиальной внутренней стороне, по отношению к оси вращения ступицы воздушного винта, полости со смазочным средством. При этом первое уплотнение действует между внешним кольцом и ступицей воздушного винта, причем это первое, внешнее уплотнение контактирует на своей внутренней стороне, по отношению к продольной оси лопасти воздушного винта, либо непосредственно с внутренним кольцом подшипника, либо с другой жестко установленной в ступице ротора частью. Второе, внутреннее уплотнение, создающее уплотнение между ступицей воздушного винта и центральным участком лопасти воздушного винта, контактирует также на своей внешней стороне, по отношению к продольной оси лопасти воздушного винта, с компонентом ступицы, в частности, несущего внутренние кольца держателя лопасти воздушного винта в форме втулки.
В предпочтительном выполнении обеспечивается надежное уплотнение полости со смазочным средством при обусловленном центробежным ускорением относительно оси вращения ступицы воздушного винта, направленном наружу вызываемом смазочным средством гидравлическом давлении более 10 бар.
Согласно предпочтительному усовершенствованию внешнее кольцо окружено находящимся в соединении со ступицей, например, фиксированном непосредственно на ступице, расположенным концентрически относительно колец подшипника защитным кольцом, которое может быть сделано, например, из листовой стали или из комбинированного материала. Это защитное кольцо может находиться в концентрически окружающем продольную ось лопасти воздушного винта частичном участке на таком маленьком расстоянии от регулируемых компонентов узла лопастей воздушного винта, в частности, от фланца внешнего кольца или лопасти воздушного винта, что, благодаря этому, создается дополнительное, не прикасающееся уплотнение.
Центральный участок в форме втулки лопасти воздушного винта, занимающий полость внутри внутренних колец подшипника и образующий внутреннюю стенку полости со смазочным средством, является предпочтительно компонентом регулировочного устройства для регулировки угла установки лопасти воздушного винта. Передача крутящего момента, поворачивающего лопасть воздушного винта в направлении изменения шага вокруг его продольной оси, может осуществляться для этого посредством электрических и/или гидравлических регулировочных механизмов.
Преимущество изобретения особенно состоит, в частности, в том, что узел лопастей воздушного винта выполнен как предварительно собранное устройство, которое может соединяться со ступицей ротора и лопастью воздушного винта в значительной степени без дополнительных сборочных мероприятий. Вследствие того, что уплотнение масляной камеры, в частности, полости со смазочным средством, между двигающимися друг к другу частями относительно оси ротора радиально внутри опоры качения, осуществляется рядом с осью вращения ступицы ротора, гидравлическое давление масла при вращении не действует на динамичные уплотнения. И, напротив, в подверженной гидравлическому давлению полости выше опоры качения имеются самые большие статические уплотнения.
Далее приводится более подробное разъяснение примера выполнения изобретения посредством единственной фигуры, на которой показан узел лопастей воздушного винта самолета.
На фигуре 1 схематично показан обозначенный ссылочной позицией 1 узел лопастей воздушного винта неизображенного самолета, в отношении принципиального функционирования которого следует обратиться к уже указанному уровню техники.
Узел 1 лопастей воздушного винта служит для опоры с возможностью поворота лопасти 2 воздушного винта в ступице 3 воздушного винта. Ось вращения ступицы 3 воздушного винта обозначена буквой R, продольная ось лопасти 2 воздушного винта - буквой L. Для регулировки угла наклона лопасти 2 воздушного винта предусмотрена опора 4 качения, выполненная в виде трехрядного шарикоподшипника.
Три ряда тел качения опоры 4 качения обозначены как внутренний ряд 5, средний ряд 6, а также внешний ряд 7. Тела качения, в частности шарики, имеют единообразную ссылочную позицию 8. Внутренний ряд 5 имеет самый маленький, а внешний ряд 7 - самый большой интервал от оси R вращения ступицы 3 воздушного винта. Все три ряда 5, 6, 7 тел 8 качения одинаково удалены от продольной оси L лопасти 7 воздушного винта, в частности, от используемой для регулировки шага оси поворота опоры 4 качения.
Опора 4 качения выполнена в виде радиально-упорного шарикоподшипника, имеющего единственное внешнее кольцо 9. К внешнему кольцу 9 приформован как одно целое фланец 10, фиксированный в лопасти 2 воздушного винта. Лопасть 2 воздушного винта также имеет с этой целью крепежный фланец 11. Радиально внутри крепежного фланца 11, по отношению к продольной оси L, находится кольцеобразная торцовая поверхность 12 лопасти 2 воздушного винта. Торцовая поверхность. 12 ограничена радиально вовнутрь, опять же по отношению к продольной оси L, центральным участком 13 в виде втулки, являющимся компонентом лопасти 2 воздушного винта. Центральный участок 13, идентично или, по меньшей мере, жестко соединенный с лопастью 2 воздушного винта, может поворачиваться с помощью неизображенного механизма для регулировки угла наклона лопастей 2 воздушного винта, а поэтому представляет собой регулировочное кольцо непоказанного регулировочного устройства.
Между внешним кольцом 9 и центральным участком 13 образована замыкающаяся наружу торцовой поверхностью 12 кольцевая полость, в которую входит в форме втулки жестко соединенный со ступицей 3 воздушного винта держатель 14 лопасти воздушного винта. На держатель 14 лопасти воздушного винта натянуты три внутренних кольца 15, 16, 17, по которым перекатываются ряды 5, 6, 7 шариков. Между внутренними кольцами 15, 16, 17 и внешним кольцом 9, между несущим внутренние кольца 15, 16, 17 держателем 14 лопасти воздушного винта и торцовой поверхностью 12 лопасти 2 воздушного винта, а также между несущим лопасти воздушного винта держателем 14 и центральным участком 13 образована связанная полость 18 со смазочным средством.
При повороте ступицы 3 воздушного винта находящееся в полости 18 смазочное средство выдавливается радиально наружу, а вследствие этого в направлении закрытой торцовой поверхности 12. Для предотвращения вытекания смазочного средства из полости 18 со смазочным средством также и при неподвижном состоянии ступицы 3 воздушного винта, она замкнута радиально вовнутрь по отношению к оси R вращения посредством внешнего уплотнения 19, создающего уплотнение между внешним кольцом 9 и самым внутренним кольцом 15, а также посредством внутреннего уплотнения 20, создающего уплотнение между держателем 14 лопасти воздушного винта и центральным участком 13. Вся опора 4 качения закрыта защитным кольцом 21, фиксированным в держателе 14 лопасти воздушного винта. Защитное кольцо 21 имеет в разрезе по фиг. 1 изогнутую форму с плоским дискообразным участком 22, расположенным в плоскости, перпендикулярной к продольной оси L, и с примыкающим к нему цилиндрическим участком 23 стенки. Участок 23 стенки окружает фланец 10 внешнего кольца 9, а также крепежный фланец 11, образуя кольцевую щель 24, являющуюся защитой от проникновения инородных тел в узел 1 лопастей воздушного винта.
Форма колец 9, 15, 16, 17 подшипника опоры 4 качения согласована с возникающими при эксплуатации аэродинамическими усилиями, а также силами инерции. Внутренний и средний ряд 5,6 шариков выполнены как компоненты двухрядного радиально-упорного шарикоподшипника в О-образной компоновке внутри опоры 4 качения. Вследствие этого средний ряд 6 шариков поддерживает лопасть 2 воздушного винта в радиальном направлении, относительно оси R вращения наружу, в то время как внутренний ряд 5 шариков создает опору вовнутрь. Положение при монтаже внешнего ряда 7 шариков соответствует, в соответствии с ориентацией проходящих через тела 8 качения кривых давления, положению при монтаже среднего ряда 6 шариков. Благодаря этому, посредством трехрядной опоры 4 качения в целом создается двойная опора 2 лопасти воздушного винта наружу и одинарная опора вовнутрь.
Тела 8 качения, а также контактные поверхности качения колец 9, 15, 16, 17 подшипника, по которым перекатываются тела 8 качения, подвержены при эксплуатации имеющего узел 1 лопастей воздушного винта самолета, в частности самолета с турбовентиляторным двигателем, самым различным нагрузкам, в том числе вибрациям. Рассчитанные в соответствии с этими нагрузками тела 8 качения могут быть изготовлены из прокаленной стали для подшипников качения или из высокопрочной керамики. Для изготовления колец 9, 15, 16, 17 подшипника подходит прокаленные или сорта стали для подшипников качения с закаленным краевым слоем. Материал, из которого изготовлено внешнее кольцо 9, не обязательно должен быть идентичным материалу, из которого выполнены внутренние кольца 15, 16, 17. Кольца 9, 15, 16, 17 подшипника могут быть снабжены, по меньшей мере частично, на участке контакта качения устойчивым к износу покрытием.
Узел 1 лопастей воздушного винта подходит не только для турбовентиляторных двигателей, но также, например, для турбовинтовых двигателей самолетов. В любом случае особенное преимущество узла 1 лопастей воздушного винта состоит в том, что он очень хорошо доступен для проверочных мероприятий и с целью технического обслуживания.