ИНТЕГРИРОВАНИЕ НАСОСА В ХВОСТОВИК ШЕСТЕРНИ
PUMP INTEGRATION INTO SHANK END OF GEAR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области смазки элементов летательного аппарата, в частности, элементов, расположенных на кинематической цепи силовой трансмиссии, например, коробки привода агрегатов (AGB от “Accessory GearBox” в англо-саксонской терминологии).
Как правило, механическую мощность, необходимую для приведения во вращение агрегатов, отбирают механически на уровне силовой установки летательного аппарата. Далее ступени шестерен позволяют подавать ее на различные агрегаты, необходимые для работы летательного аппарата: генератор, стартер, генератор переменного тока, гидравлические насосы, смазочный блок и т.д.
Ступени шестерен, а также подшипники скольжения и качения, обеспечивающие вращение элементов кинематической цепи, требуют практически постоянной смазки.
Уровень техники
В известных решениях эти шестерни и подшипники смазываются при помощи насоса или смазочного блока, питаемого(ых) от коробки AGB. Жиклеры орошают элементы маслом, которое затем собирается в коллекторах или карманах, находящихся на картере или крышке.
Однако такая смазка зависит напрямую от работы насоса или смазочного блока. Таким образом, если силовую установку выключают, смазка прекращается, если не считать все еще присутствующего остатка масла или масла, просачивающегося из картера на шестерни.
Однако при выключении с учетом эффекта “windmilling”, то есть вращения силовой установки под действием ветра при не работающей силовой установке, шестерни могут вращаться и, следовательно, нуждаться в смазке. В противном случае существует риск повреждения шестерен (заклинивание и т.д.).
Эффект “windmilling” проявляется также в полете, когда воздух заходит в двигатель, и влияние ветра изменяет скорость вращения лопастей или лопаток, что может привести к недостаточной смазке.
Раскрытие сущности изобретения
Для преодоления вышеупомянутых проблем изобретением предложено устройство смазки системы приводов агрегатов летательного аппарата, содержащее шестерню, имеющую хвостовик шестерни, который выполнен полым и имеет ось вращения, при этом, согласно изобретению, указанное устройство дополнительно содержит:
- вал, расположенный внутри хвостовика и проходящий вдоль оси вращения,
- пространство между валом и хвостовиком шестерни, обеспечивающее перемещение масла,
- масляный резервуар, расположенный напротив указанного пространства на уровне первого конца хвостовика шестерни,
- выходной масляный канал, расположенный напротив пространства на уровне второго конца хвостовика шестерни,
в котором хвостовик шестерни и вал образуют вместе насос и взаимодействуют, толкая масло из резервуара в выходной масляный канал, благодаря вращению хвостовика шестерни вокруг вала.
Такое устройство образует насос, дополнительный к традиционным системам, питаемым от силовой установки летательного аппарата. Оно полностью использует инерцию вращения некоторых элементов, когда силовая установка выключена, а также их способность к приведению в движение под действием механики текучих сред как во время стоянки, так и в полете, чтобы перекачивать масло и обеспечивать таким образом смазку элементов.
Изобретение представляет собой дополнительный источник для смазки элементов (в частности, шестерен) кинематической цепи, когда подача масла в летательном аппарате прекращается, что препятствует повреждению элементов летательного аппарата (заклинивание и т.д.).
Этот вариант смазки, дополняющий традиционный вариант смазочных блоков и/или насоса, имеет ряд преимуществ.
Этот дополнительный источник смазки может дополнить собой традиционный смазочный блок и/или насос.
Наконец, в случае поломки или нарушения в работе традиционной системы смазки (утечка, отключение насоса или смазочного блока и т.д.) этот дополнительный источник смазки может по меньшей мере частично заменить собой смазку, которая больше не обеспечивается традиционным смазочным блоком и/или насосом.
Изобретение дополнительно имеет следующие отличительные признаки, рассматриваемые отдельно или в комбинации:
Первый вариант осуществления, в котором:
- хвостовик шестерни имеет спиралевидную полость, и
- вал образует эксцентричный винт, форма которого соответствует форме спиралевидной полости,
при этом насос является насосом типа Moineau.
Второй вариант осуществления, в котором:
- хвостовик шестерни имеет форму полой цилиндрической трубы, и
- вал содержит витки в виде резьбы, выполненные радиально в сторону хвостовика и наматывающиеся вокруг вала в направлении, параллельном оси вращения,
при этом насос является шнековым насосом.
Третий вариант осуществления, в котором:
- хвостовик шестерни имеет форму цилиндрической трубы, внутри которой расположены витки, выполненные радиально в сторону вала и наматывающиеся вокруг вала в направлении, параллельном оси вращения, и
- вал является цилиндрическим,
- радиальный размер витков меньше расстояния между хвостовиком и валом,
- шаг витков является постоянным,
- шаг витков уменьшается между первым концом и вторым концом таким образом, чтобы увеличивать давление перекачиваемого масла,
- выходной масляный канал высвобождает масло на смазываемое место, например, на верхнюю часть шестерни,
- выходной канал соединен с жиклером, который впрыскивает масло под давлением или работает за счет силы тяжести как капельница.
Объектом изобретения является также узел, содержащий описанное выше устройство и дополнительно содержащий картер и/или крышку, при этом крышка находится на уровне оси вращения устройства.
Изобретение дополнительно имеет следующие отличительные признаки, рассматриваемые отдельно или в комбинации:
- масляный резервуар является коллектором или карманом, встроенным в картер или крышку,
- резервуар питается за счет потока масла в картере.
Объектом изобретения является также система, содержащая описанный выше узел и дополнительно содержащая силовую установку в виде газотурбинного двигателя, питающего систему приводов агрегатов и обеспечивающего приведение во вращение шестерни.
Наконец, объектом изобретения является летательный аппарат, содержащий устройство, узел и вышеупомянутую систему.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве иллюстративного и неограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1, 3, 5 показаны различные варианты осуществления изобретения для трех данных типов насосов;
на фиг. 2, 4, 6 показаны соответствующие детали различных вариантов осуществления, относящиеся к работе указанных насосов.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-6 представлены различные варианты осуществления устройства 1.
Устройство 1 содержит шестерню 2, имеющую зубчатый венец 21 шестерни, позволяющий приводить шестерню 2 во вращение вокруг оси вращения R-R’. Шестерней называют любое зубчатое колесо на оси вращения.
Зубчатый венец 21 шестерни неподвижно соединен путем крепления или за счет моноблочного выполнения с полым хвостовиком 22 шестерни (в дальнейшем называемым «хвостовиком»), который расположен вдоль оси вращения R-R’. Хвостовик шестерни является центральной частью шестерни, в центре которой проходит ось вращения и на которой находится диск, содержащий зубчатый венец.
Как правило, шестерня 2 расположена на цепи передачи усилия от коробки AGB, то есть указанная шестерня 2 вращает, например, агрегат (или устройство) или образует промежуточный элемент во время этапа понижения передаточного отношения или трансмиссии. Саму коробку AGB вращает силовая установка летательного аппарата. Предпочтительно указанная силовая установка является газотурбинным двигателем.
Внутри полого хвостовика 22 шестерни расположен вал 23, который проходит вдоль оси вращения R-R’. Хвостовик 22 и вал 23 расположены таким образом, что между ними существует пространство Е.
Благодаря вращению хвостовика 22, вал 23 и хвостовик 22 образуют насосные средства и взаимодействуют, чтобы толкать масло. Как будет показано ниже, пространство Е обеспечивает перемещение масла во время перекачивания, используя вращение хвостовика шестерни.
На уровне первого конца 23а вала 23 и первого конца 22а хвостовика 22 напротив пространства Е расположен масляный резервуар 31. Масляный резервуар 31 позволяет питать маслом пространство Е. Масляный резервуар 31 будет подробно описан ниже.
На уровне второго конца 23b вала 23 и второго конца 22b хвостовика 22 тоже напротив пространства Е расположен выходной масляный канал 42 для сбора перекачиваемого масла, которое, в случае необходимости, может быть под давлением.
Предпочтительно выходной масляный канал 42 находится в нижней части вала, чтобы сила тяжести способствовала потоку.
Выходной масляный канал 42 может выходить в разных местах. В варианте осуществления масляный канал 42 выходит на шестерню 2 и обеспечивает ее смазку. В других вариантах осуществления масляный канал 42 выходит в разные смазываемые места, такие как подшипники 6 скольжения или подшипники качения. Ниже канал 42 будет описан подробнее, и будут представлены различные варианты осуществления.
Благодаря вращению хвостовика 22, вал 23 и хвостовик 22, образующие насосные средства, перемещают масло из масляного резервуара 31 в выходной масляный канал 32. Как было указано выше, это перемещение может сопровождаться созданием давления.
Не ограничительно устройство 1 встроено в картер 5, который предохраняет другие элементы летательного аппарата, в частности, от выбросов масла. На конце устройства 1 может находиться крышка 51, неподвижно соединенная с картером 5, например, посредством завинчивания. В альтернативном варианте крышка 51 может быть частью той же детали, что и картер 5. Шестерня 2 (в частности, хвостовик 22) и вал 23 удерживаются в положении, предпочтительно благодаря картеру 5 и/или крышке 51. Для этого на концах устройства 1 предусмотрены опорные подшипники 6, которые одновременно поддерживают шестерню 2 и обеспечивают вращение устройства 1. В частности, первый конец 22а хвостовика 22, находящийся со стороны масляного резервуара 31, и второй конец 22b хвостовика 22, находящийся со стороны выходного масляного канала 42, установлены в указанных подшипниках 6.
В альтернативном варианте осуществления с консольным расположением подшипники 6 поддерживают только один конец 22а, 22b хвостовика 22.
Далее следует описание различных вариантов осуществления насосной системы устройства 1.
Насос типа Moineau (эксцентриковый винтовой насос)
В этом первом варианте осуществления полый хвостовик 22 шестерни и вал 23 образуют насос типа Moineau (см. фиг. 1).
Полый хвостовик 22 шестерни имеет спиралевидную форму, и вал является эксцентричным спиралевидным валом, форма которого соответствует форме спиралевидной полости хвостовика 22. Когда вал вставляют в хвостовик шестерни, пространство Е содержит двойную цепь герметичных полостей Е1, Е2 (иногда называемых ячейками). Когда хвостовик 22 вращается снаружи вала 23, форма эксцентричного спиралевидного вала 23 взаимодействует со спиралевидной формой хвостовика 22 шестерни, и ячейки перемещаются вдоль вала 23 и хвостовика 22 насоса, не меняя ни своей формы, ни объема, что способствует перемещению масла из масляного резервуара 31 в выходной масляный канал 42.
В этом варианте осуществления, учитывая перемещающиеся герметичные полости Е1 и Е2, масляный резервуар 31, как правило, содержит носик 311, который выходит в верхнюю часть пространства Е.
Архитектура вала 22 и хвостовика 21 такова, что ячейки перемещаются от резервуара 31 к выходному каналу 42, когда шестерня 2 вращает насос.
В этом варианте осуществления, учитывая спиралевидную эксцентричность вала 23 и приведение во вращение от хвостовика 22, оба конца 23а, 23b вала 23 осуществляют прямолинейное поступательное движение в плоскости, параллельной оси вращения R-R’ (см. фиг. 2). Для обеспечения этого движения картер 5 и/или крышка 51 могут иметь вырезы 52. Для обеспечения герметичности на уровне этих поступательных движений в вырезах 52 расположены уплотнительные прокладки (на фигурах не показаны).
На уровне каждого конца 23b вала 23 масло должно направляться в сторону выходного масляного канала 42. Предпочтительно картер 5 выполнен в соответствии с этой задачей.
Работу насоса называют объемной. В нем не происходит создания давления или существует только слабое давление.
Насос выдает дискретные объемы текучей среды.
Шнековый насос
В этом втором варианте осуществления полый хвостовик 22 шестерни и вал 23 образует насос типа шнекового насоса (см. фиг. 3).
Полый хвостовик 22 шестерни образует цилиндрическую трубу, и вал 23 является цилиндрической трубой с центром на оси вращения R-R’. На своей наружной поверхности вал 23 содержит витки 24, выполненные радиально в направлении хвостовика 22 и наматывающиеся вокруг вала 23 вдоль оси вращения R-R’, например, в виде резьбы.
Вал 23 зафиксирован в устройстве 1, тогда как хвостовик 22 вращается. Для этого вал 23 неподвижно соединен с картером 5 или крышкой 51 либо cо стороны первого конца 23а, либо со стороны второго конца 23b (как показано на фиг. 3), и хвостовик 22 приводится во вращение зубчатым венцом 21 шестерни. По сравнению с традиционным винтовым насосом, в котором хвостовик (статор) является неподвижным, а вал (ротор) вращается, в данном случае насос является инвертированным. Однако относительное движение хвостовика 22 относительно вала 23 остается таким же, и насос работает аналогично. Вал 23 может быть закреплен на картере 5 или может быть выполнен с ним за одно целое.
В этом варианте осуществления хвостовик продолжен в осевом направлении вдоль оси R-R’ дальше, чем первый конец 23а вала 23, чтобы масло из резервуара 31 могло выливаться непосредственно в пространство Е.
Направление наматывания витков 24 выбирают таким образом, чтобы при данном вращении шестерни 22 устройство действовало как насос в направлении от резервуара 31 к выходному масляному каналу 32.
Радиальный размер витков 24 обозначен «е», расстояние между валом 23 и хвостовиком 22 обозначено «d», шаг между двумя витками 24 вдоль оси, параллельной оси вращения R-R’, обозначен «L» (см. фиг. 4).
Согласно первой предпочтительной версии, радиальный размер е меньше расстояния d, поэтому на уровне внутренней поверхности хвостовика 22 остается свободный зазор. Таким образом, в плоскости, нормальной к оси вращения R-R’, пространство Е не разделено на несколько частей.
За счет вращения хвостовика 22 и действия центробежной силы масло прижимается к внутренней поверхности хвостовика 22. Следовательно, не все масло увлекается непосредственно витками 24. Эти витки способствуют перемещению масла, и затем перемещение масла обеспечивается за счет вязкости масла.
Согласно второй версии, можно выбрать несколько значений шага L.
В первом случае шаг L между двумя витками 24 является постоянным.
Во втором случае шаг L между двумя витками 24 уменьшается по мере приближения к выходному масляному каналу 42. Предпочтительно уменьшение является постепенным вдоль вала 23 (фиг. 4).
Это уменьшение позволяет повысить давление масла.
Адаптированный винтовой насос
В этом третьем варианте осуществления полый хвостовик 22 шестерни и вал 23 образуют винтовой насос (см. фиг. 5).
Полый хвостовик 22 шестерни образует цилиндрическую трубу 23, и вал является цилиндрической трубой с центром на оси вращения R-R’. На своей внутренней поверхности полый хвостовик 22 шестерни содержит витки 25, выполненные радиально в направлении вала 23 и наматывающиеся на внутренней поверхности хвостовика 22 вдоль оси вращения R-R’, например, в виде резьбы.
Вал 23 зафиксирован в устройстве 1, тогда как хвостовик 22 вращается. Для этого вал 23 неподвижно соединен с картером 5 или крышкой 51, и хвостовик 22 приводится во вращение зубчатым венцом шестерни.
В этом варианте осуществления хвостовик продолжен в осевом направлении вдоль оси R-R’ дальше, чем первый конец 23а вала 23, чтобы масло из резервуара могло выливаться непосредственно в пространство Е.
Направление наматывания витков 24 выбирают таким образом, чтобы при данном вращении шестерни 22 устройство действовало как насос в направлении от резервуара 31 к выходному масляному каналу 32.
Радиальный размер витков 24 обозначен «е’», расстояние между хвостовиком 22 и валом 23 обозначено «d’», шаг между двумя витками 25 вдоль оси, параллельной оси вращения R-R’, обозначен «L’» (см. фиг. 6).
Согласно первой предпочтительной версии, радиальный размер е’ меньше расстояния d’, поэтому на уровне вала 23 остается свободный зазор. Таким образом, в плоскости, нормальной к оси вращения R-R’, пространство Е не разделено на несколько частей.
За счет вращения хвостовика 22 и действия центробежной силы масло прижимается к внутренней поверхности хвостовика 22. Следовательно, основная часть масла увлекается непосредственно витками 25. Остальное масло, находящееся ближе к валу 23, в основном увлекается за счет вязкости.
Согласно второй версии, можно выбрать несколько значений шага L’.
В первом случае шаг L’ между двумя витками 25 является постоянным.
Во втором случае шаг L’ между двумя витками 25 уменьшается по мере приближения к выходному масляному каналу 42. Предпочтительно уменьшение является постепенным вдоль всего хвостовика 22 (фиг. 6).
Это уменьшение позволяет повысить давление масла.
В обоих вариантах винтового осуществления (шнековом и адаптированном) профиль витков 24, 25 резьбы, показанный на фиг. 4, 6, не является ограничивающим. Он может иметь форму зубца или неравнобедренного треугольника, то есть виток 24, 25 резьбы может иметь форму, позволяющую выбрать приоритетное направление перемещения масла, в частности, может иметь наклон в направлении выходного масляного канала 42.
Кроме того, учитывая вязкость масла, витки 24, 25 в основном выполняют роль общего перемещения.
Далее следует более подробное описание некоторых элементов устройства. Эти элементы применяются во всех вариантах осуществления.
Чтобы масло могло выливаться из резервуара 31 в указанное пространство Е, первый конец 22а хвостовика 22 продолжен в осевом направлении вдоль оси R-R’ и в сторону масляного резервуара 31 дальше, чем первый конец 23а вала 23, поэтому часть резервуара 31 заходит в объем, образованный цилиндром хвостовика 22, определяя зону Z выливания. Кроме того, когда устройство 1 установлено на летательном аппарате, масляный резервуар 31 по меньшей мере частично находится выше, чем пространство Е, образованное между валом 23 и хвостовиком 22, поэтому масло может выливаться в указанное пространство Е за счет силы тяжести.
В альтернативном варианте вал 23 и хвостовик 22 могут иметь сходную длину на уровне зоны Z выливания, то есть первые концы 22а, 23а хвостовика 22 и вала 23 заканчиваются по существу на одном уровне. В этом случае масляный резервуар 31 может содержать носик 311, который заходит в пространство Е между хвостовиком 22 и валом 23. Предпочтительно носик 311 выходит в верхнюю часть пространства Е.
Как правило, масляный резервуар 31 выполнен в виде кармана или коллектора. Предпочтительно масляный резервуар 31 встроен в картер 5 или крышку 51.
Питание масляного резервуара 31 может происходить за счет стекания масла внутри картера 5. Действительно, под действием центробежной силы при смазке шестерни 2 происходят выбросы масла на стенки картера 5. Выбрасываемые масляные капли стекают вдоль стенки и собираются на уровне коллектора, образующего масляный резервуар 31.
В альтернативном варианте можно предусмотреть специальное питание масляного резервуара 31, например, при помощи специального жиклера. Предпочтительно масляный резервуар 31 рассчитан на достаточное количество масла, чтобы обеспечивать продолжение смазки, когда силовую установку выключают.
В целом резервуар 31 можно заменить подачей масла. Однако предпочтительно располагать запасом масла.
Выходной масляный канал 42 может быть частью картера 5. Можно различать два разных варианта использования выходного масляного канала 42. Как правило, масляный канал 42 может содержать часть 421 сбора, часть 422 передачи и часть 423 выливания.
Предпочтительно часть 421 сбора находится напротив второго конца 22b хвостовика 22 по существу на том же уровне и в нижней часть хвостовика 22, чтобы использовать стекание за счет силы тяжести.
На соединении можно предусмотреть систему прокладки (не показана), чтобы ограничивать утечки.
В первом варианте осуществления часть 422 передачи поднимает масло в верхнюю часть шестерни и выливает на нее масло капля за каплей, чтобы смазывать шестерню 2 за счет силы тяжести потока.
Таким образом, нет необходимости поднимать масло под высоким давлением: достаточно преодолеть гидростатическое давление части 422 передачи. Предпочтительно первый вариант осуществления используют для варианта осуществления с насосом типа Moineau.
Во втором варианте осуществления, когда масло находится под давлением, часть 423 выливания может содержать жиклер 7, который орошает шестерню 2 маслом. Как правило, орошение происходит в нижней части шестерни 2.
Второй вариант осуществления можно применять, когда насос создает давление масла, как в некоторых вариантах винтовых насосов.
Выходной масляный канал 42 может также способствовать смазке опорных подшипников 6 или любой другой опоры в коробке AGB, как правило, в любом месте, где требуется смазка.
В альтернативном варианте выходной масляный канал 42 может проходить через картер 5 для смазки других элементов коробки AGB.
С учетом архитектуры системы и действующих уровней давления изобретение исключительно подходит для локальной смазки, то есть вблизи шестерни 2. Понятие «вблизи» означает такое расстояние, при котором устройство 1 может перемещать масло на всем этом расстоянии. Согласно предпочтительному варианту изобретения, речь может идти даже об автономной смазке, когда шестерня 2 питает смазывающее ее устройство 1.
Независимо от смазываемого элемента, смазка может происходить либо за счет выливания капля за каплей, либо за счет выброса масла под давлением (например, при помощи жиклера).
Изобретение можно применять для всех размеров шестерни 2. Действительно, принцип насоса, интегрированного в полый хвостовик 22 шестерни, можно обобщить для любого диаметра хвостовика 22 и вала 23.
Аналогично, в зависимости от потребностей можно адаптировать параметры элементов, образующих насос (диаметр вала, число витков и т.д.).
В системе приводов агрегатов предусмотрены несколько устройств 1, зацепляющихся друг с другом.
В частности, устройство 1 позволяет передавать усилия и/или понижать передаточное отношение для питания агрегатов.