МАСЛОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО, РАЗДЕЛЕННОЕ ПЕРЕГОРОДКОЙ В ОСЕВОМ НАПРАВЛЕНИИ, И ПЛАНЕТАРНЫЙ РЕДУКТОР, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ КОЛЬЦО
OIL-DISTRIBUTING RING DIVIDED BY PARTITION IN AXIAL DIRECTION, AND PLANETARY REDUCTION GEAR CONTAINING SUCH RING

Настоящее изобретение относится, в частности, к кольцу для распределения смазочного материала в турбинном двигателе и к планетарному редуктору, которым оснащен, в частности, турбовинтовой или турбореактивный двигатель воздушного судна.
Как правило, редуктор состоит из внутренней планетарной шестерни (также называемой солнечной шестерней), выполненной с возможностью приведения в действие посредством ведущего вала, например, вала турбины, и внешней планетарной шестерни (также называемой коронной шестерней), которая расположена соосно с внутренней планетарной шестерней, при этом как с внутренней, так и с внешней планетарными шестернями находятся в зацеплении сателлиты, при этом редуктор также содержит водило, на котором указанные сателлиты установлены с возможностью вращения.
Изменение передаточного отношения такого редуктора обеспечивается путем изменения количества зубьев солнечной шестерни, сателлитов и внешней коронной шестерни, а также путем изменения конфигурации указанного редуктора.
Известно использование в турбинных двигателях смазочных колец, имеющих ось, вокруг которой проходит кольцевая полость, при этом:
- указанная полость открыта в радиальном направлении относительно указанной оси,
- указанная полость ограничена по бокам первой и второй стенками, которые проходят по существу в радиальном направлении относительно указанной оси, для обеспечения возможности приема смазочного материала,
- от указанной полости расходятся по меньшей мере первый и второй каналы для подачи смазочного материала для обеспечения подачи смазочного материала к различным элементам, подлежащим смазыванию.
В международной публикации WO 2010/092263 описана такая кольцевая смазочная полость, которая разделена в направлении, параллельном оси, вокруг которой она проходит, на по меньшей мере первую и вторую кольцевые части полости, которые:
- разделены кольцевой внутренней перегородкой, проходящей по существу радиально к указанной оси,
- и сообщаются соответственно с первым и вторым каналами.
Ряд проблем возникает при подаче смазочного материала к подлежащим смазыванию элементам под давлением. Они возникают, в частности, когда указанные элементы расположены в зоне вращения (такие элементы как подшипники редуктора и зубья), при этом подача смазочного материала к данным элементам обеспечена с помощью насоса, расположенного в неподвижной базовой точке. Более того, требования, предъявляемые к смазочному материалу, различаются в зависимости от эксплуатационных фаз редуктора. Помимо этого, для ограничения потерь смазочного материала смазывание необходимо выполнять, по возможности учитывая необходимое количество для каждого из указанных элементов, что вызывает необходимость обеспечить возможность регулирования распределения смазочного материала.
Более конкретно, цель настоящего изобретения заключается в создании кольца, которое предназначено для обеспечения возможности такого регулирования, при этом также обеспечивая возможность подачи смазочного материала к смазываемым элементам под давлением.
Для достижения этой цели прежде всего предложено, что в указанном кольце указанная кольцевая полость выполнена с возможностью переливания смазочного материала в местоположении указанной внутренней перегородки с обеспечением перетекания смазочного материала параллельно указанной оси из первой части полости во вторую и наоборот.
Указанное кольцо, установленное в планетарном редукторе или в описанном далее устройстве для подачи масла, выполнено с обеспечением всех или некоторых из следующих преимуществ:
- обеспечена возможность смазывания без использования соединительных частей между контурами, связанными с неподвижными базовыми точками, и контурами, соединенными с водилом, как правило, выполненным в редукторе, что обеспечивает преимущества с точки зрения стоимости и надежности,
- обеспечена возможность перемещения смазочного материала (как правило, масла) из неподвижной базовой точки к вращающейся базовой точке без использования изнашиваемых деталей, что также повышает надежность,
- обеспечена возможность выполнения модульной установки редуктора в двигателе, что позволяет снизить расходы на техническое обслуживание,
- обеспечена возможность распределения смазочного материала между разными компонентами редуктора и регулирования данного распределения в зависимости от эксплуатационных фаз редуктора, что позволяет оптимизировать смазывание, повысить продуктивность и по возможности снизить общий вес двигателя (чем меньше смазочного материала необходимо использовать, тем меньше ее берут на борт),
- обеспечена возможность смазывания редуктора при неисправности любой из указанных подающих систем (например, при блокировании распылителя, слишком большом расходе и т.д.), при этом также повышая надежность его работы.
В связи с вышеизложенным желательно, чтобы в указанном кольце радиально относительно его оси:
- и первая, и вторая части полости имели донную часть, и
- высота внутренней перегородки относительно соответствующей донной части была меньше высоты первой стенки и высоты второй стенки.
Благодаря простому варианту выполнения такой конструкции обеспечено необходимое перетекание в месте расположения внутренней перегородки.
Что касается вышеуказанного устройства, предназначенного для подачи масла в узел, содержащий шестерни, находящиеся в зацеплении друг с другом при вращении вокруг общей оси (X) вращения, желательно, чтобы данное устройство содержало:
- резервуар со смазочным маслом,
- по меньшей мере один неподвижный канал для подачи масла к указанному узлу, а также другие каналы для подачи масла к вращающимся шестерням, находящимся в зацеплении, причем другие каналы выполнены с возможностью перемещения при вращении шестерен вокруг общей оси (X) вращения,
- по меньшей мере одно средство для выпуска масла, предназначенное для выпуска масла на конце неподвижного канала подачи,
- и вышеуказанное кольцо, обладающее всеми или некоторыми описанными характеристиками, которое выполнено с возможностью перемещения при вращении вокруг общей оси (X) вращения и расположено напротив средства для выпуска для обеспечения возможности приема масла.
Настоящее изобретение также относится к такому планетарному редуктору, который выполнен с возможностью вращения вокруг указанной общей оси (X) вращения и содержит:
- вышеуказанный узел, содержащий шестерни, которые находятся в зацеплении друг с другом, и
- вышеуказанное устройство для подачи масла.
Предпочтительно в данном редукторе внутренняя перегородка рассматриваемого кольца расположена дальше от оси (X) вращения по сравнению с первой и второй боковыми стенками кольца с обеспечением возможности перетекания смазочного материала предпочтительно из одной части полости в другую, а не наружу, параллельно указанной оси, т.е. из первой части полости во вторую часть полости и наоборот.
Преимущества указанной конструкции перечислены выше.
Все вышеуказанное полностью или частично также обеспечивает возможность создания:
- нагнетательного модуля двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащего вал нагнетателя, выполненный с возможностью приведения в действие с помощью редуктора с усовершенствованной конструкцией, который описан выше,
- и/или турбинного двигателя, содержащего по меньшей мере один такой редуктор.
Настоящее изобретение также относится к способу работы вышеуказанного устройства для подачи масла.
Согласно данному способу обеспечивают:
- подачу масла в кольцевую полость кольца с помощью средства для выпуска масла, так что с помощью внутренней перегородки в указанной полости кольца обеспечивается предварительное распределение смазочного масла, при этом в указанной первой и второй частях полости обеспечивается определенный уровень или уровни масла,
- последующую подачу масла с избытком в указанные первую и вторую части полости, выполняемую до тех пор, пока масло не будет перетекать в месте расположения внутренней перегородки в другую из указанных первой и второй частей полости кольца.
В некоторые моменты во время работы происходит повышенное потребление смазочного материала. Более того, может возникнуть необходимость предотвратить разбрызгивание масла на элементы, смазываемые посредством данного кольца.
Таким образом, в указанной ситуации также необходимо обеспечить возможность для продолжения избыточной подачи масла в по меньшей мере одну из первой и второй частей полости до тех пор, пока масло не начнет переливаться наружу.
Кроме того, для обеспечения эффективной работы системы со смазочным кольцом желательно, чтобы для подачи и избыточной подачи масла в кольцевую полость смазочного кольца обеспечивают вращение указанного кольца для создания в данной полости под действием центробежной силы давления, величина которого зависит от скорости вращения кольца и высоты столба масла в указанной полости.
Настоящее изобретение и его другие признаки, параметры и преимущества станут более понятны после прочтения описания, приведенного далее в качестве неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает основную конструкцию устройства двухконтурного турбореактивного двигателя,
Фиг. 2 изображает планетарный редуктор для вала нагнетателя, оснащенный смазочной системой согласно возможному варианту выполнения, которая содержит элементы для обеспечения подачи смазочного материала к редуктору и внутрь него, причем указанное кольцо выполнено без усовершенствования согласно данному изобретению,
Фиг. 3 изображает вид в аксонометрии и в разрезе вышеуказанного редуктора, в котором указанное кольцо выполнено с усовершенствованиями согласно настоящему изобретению,
Фиг. 4 изображает вид сбоку, выполненный по стрелке IV, и
Фиг. 5-7 иллюстрируют три состояния указанного кольца при его заполнении.
На Фиг. 1 изображен турбинный двигатель 1, например, в данном случае турбореактивный двигатель, который обычно содержит следующие элементы, в целом расположенные последовательно вдоль продольной оси X турбинного двигателя: нагнетатель S, компрессор 1а низкого давления, компрессор 1b высокого давления, камеру 1с сгорания, турбину 1d высокого давления, турбину 1е низкого давления и выпускное сопло 1h. Компрессор 1b высокого давления и турбина 1d высокого давления соединены валом 2 высокого давления и образуют вместе с ним блок высокого давления (ВД). Компрессор 1а низкого давления и указанная турбина низкого давления соединены валом 3 низкого давления и вместе с ним образуют блок низкого давления (НД). В представленной конфигурации с обычным турбонагнетателем диск, на котором установлены лопатки нагнетателя S, выполнен с возможностью приведения в действие с помощью вала 4 нагнетателя или оси НД, которая в свою очередь выполнена с возможностью приведения во вращение непосредственно посредством вала 3 НД с помощью планетарного редуктора 10.
Продольная ось X является осью X вращения турбинного двигателя (вокруг которой обеспечено вращение подвижных лопаток нагнетателя S, компрессоров и турбин). В данном документе слово «радиальный» обозначает направление, радиальное относительно данной оси X.
Лопатки нагнетателя S установлены на валу 4 нагнетателя, который соединен с указанным двигателем. Нижний по потоку конец указанного вала прикреплен к водилу 13 редуктора 10. В свою очередь вал 3 НД соединен с планетарной шестерней 11 редуктора 10 с помощью своих выступов 7.
Фиг. 2 изображает в целом радиальный разрез верхней части редуктора 10, при этом его нижняя часть расположена симметрично относительно оси X вращения.
Как изображено на чертеже, редуктор 10 прикреплен к одному концу опорного корпуса 22 с помощью запорных и крепежных фланцев 20, которые проходят от коронной шестерни планетарного редуктора, тем самым, удерживая редуктор на валу 2 нагнетателя в определенном положении относительно вала 3 НД.
Область вокруг редуктора 10, окруженная корпусом 24, находится под давлением. Давление в корпусе 24 создано таким образом, чтобы обеспечить в пространстве вокруг редуктора такое давление, которое будет превышать окружающее давление, при этом в указанном пространстве создают вакуум посредством насоса для всасывания масла в редуктор 10. Корпус 24 окружает опорный корпус 22.
На внешней стороне редуктора 10 проходит коронная шестерня 14, которая выполнена без возможности вращении и прикреплена к двигателю с помощью фланцев 20. С одной стороны, редуктор находится в зацеплении с выступами 7 вала 3 НД с помощью сателлитных шестерней 11, а с другой стороны, с валом 4 нагнетателя, который прикреплен к водилу 13 этого же планетарного редуктора. Обычно солнечная шестерня 11 предназначена для приведения в действие сателлитных шестерней 12, равномерно распределенных по окружности редуктора. Указанные сателлиты 12 также выполнены с возможностью вращения вокруг оси X, при этом перекатываясь по коронной шестерне 14, которая прикреплена к турбинному двигателю с помощью опорного корпуса 22. В центре каждого сателлита расположена сателлитная ось 16, соединенная с водилом 13, при этом сателлит выполнен с возможностью свободного вращения вокруг этой оси с помощью подшипника, как показано на чертежах. При вращении сателлитов вокруг их осей благодаря взаимодействию их зубьев с коронной шестерней 14 обеспечивается вращение водила 13 вокруг оси X и, соответственно, вокруг оси соединенного с ним вала 4 нагнетателя. Приведение во вращение вала 4 посредством водила 13 обеспечено с помощью набора центровочных пальцев 17, проходящих в осевом направлении от нижнего по потоку конца вала 4. Водило 13 проходит симметрично с каждой стороны редуктора, образуя пространство, в котором может осуществляться смазывание. Для полного закрытия указанного пространства на сателлитных осях 16 с каждой стороны редуктора используются втулки 19.
Стрелками на Фиг. 2 показан путь, по которому протекает масло из специального масляного резервуара, выполненного в виде буферного резервуара 31, к смазываемым шестерням и подшипникам. Резервуар 31 расположен рядом с редуктором, а именно сверху для обеспечения протекания масла под действием силы тяжести по направлению к центру редуктора. Подача масла в данный резервуар 31 обеспечена по каналу 30, проходящему от основного резервуара (не показан). Из резервуара 31 масло протекает в по меньшей мере одну форсунку 32, снабженную по меньшей мере одним распылителем 33. Масло выходит из распылителя в виде струи 34, которая образуется под давлением, обеспечиваемым под действием давления подающего насоса и веса столба масла, находящегося над распылителем. Струя 34 имеет направление с радиальной составляющей, проходящей к внешней части двигателя, и, в конечном счете, попадает в маслораспределительное кольцо 35.
Кольцо 35 образует полость для удерживания масла, поступающего в виде струи 34. Посредством кольца35 маслу сообщается вращательное движение, причем в донной части кольца давление масла увеличивается под действием центробежной силы. От донной части кольца проходят, соответственно, каналы 430 и 450, предназначенные для подачи масла к разным элементам, подлежащим смазыванию. Данные каналы, как в целом показано на Фиг. 2, содержат:
- первый набор каналов 43, количество которых равно количеству сателлитных шестерней 12, при этом указанные каналы проходят от указанного кольца во внутреннее пространство каждого сателлитного вала 16, который закрыт водилом 13,
- и второй набор каналов 45, которые, так же как каналы первого набора, равномерно распределены по периферии редуктора и проходят от кольца 35 в пространство между двумя смежными сателлитными шестернями 12.
Масло, циркулирующее в первых каналах 43, поступает во внутреннюю полость каждой сателлитной оси 16. Под действием центробежной силы обеспечивается поступление масла в направляющие каналы 44, проходящие в радиальном направлении относительно указанных осей. Каналы 44 выходят на периферию сателлитных осей 16 к их подшипникам, поддерживающим сателлиты 12, таким образом, обеспечивая смазывание этих подшипников. Вторые каналы 45 проходят от донной части кольца 35 между сателлитами 12 и расходятся в виде нескольких каналов 45а, 45b, по которым масло проходит к местам зацепления, образованным, с одной стороны, зубьями сателлитов 12 и шестерни 11, а с другой стороны - зубьями сателлитов 12 и коронной шестерни 14. Каждый канал 45а проходит в осевом направлении вдоль соответствующего места зацепления между сателлитом 12 и шестерней 11. Канал 45b, по которому масло подается к месту зацепления между коронной шестерней 11 и сателлитами 12, подает проходящее по нему масло в центр цилиндрического пространства, образованного каждым из сателлитов.
В процессе эксплуатации масло под действием силы тяжести протекает из буферного резервуара 31 к форсунке 32. Под действием давления, создаваемого подающим насосом, и столба масла над форсункой (форсунками) 33, масло выталкивается и затем собирается с помощью вращающегося кольца 35, в которое оно поступает. Далее масло проходит в первый и второй каналы 43 и 45 каждого сателлита 12. При прохождении по первому каналу 43 масло поступает во внутреннюю полость соответствующей сателлитной шестерни 12 и при этом подвергается воздействию предшествующего поля центробежных сил и поля, создаваемого при вращения сателлитной шестерни вокруг ее оси 16. По направляющим каналам 44 масло распределяется по ширине сателлитной шестерни 12 и смазывает подшипник, расположенный между сателлитом 12 и его осью 16. Поле центробежного ускорения создает перепад давления вдоль указанного канала, в результате чего в области подшипника обеспечивается достаточно высокое давление (примерно 0,5 МПа (5 Бар)) для обеспечения подачи масла к указанному подшипнику. В свою очередь, поток масла, проходящий по второму каналу 45, разделяется между вторым каналом 45а подачи, проходящим к шестерням сателлитов, и вторым каналом 45b подачи, проходящим к месту зацепления между сателлитом и коронной шестерней. По каналу 45а масло выбрасывается по всей ширине обеих шестерен с помощью смазывающего средства этого канала. Канал 45b проходит по сателлитной шестерне к месту ее зацепления с коронной шестерней 14, при этом на конце указанного канала выполнен распылитель для смазывания данного зацепления.
Таким образом, с помощью указанной смазывающей конструкции обеспечивается подача смазочного материала из радиально внутренней области кольца 35 к соответствующим зубьям и подшипникам.
В данном случае кольцо 35 представляет собой цилиндрическую чашу, имеющую в радиальном направлении U-образное сечение, при этом ее выходное отверстие обращено к оси X вращения. В то время как (каждая) форсунка 32 и ее распылитель 33 остаются неподвижными, обеспечена возможность вращения кольца 35 вокруг оси X. Выходное отверстие U-образной донной части кольца 35 расположено напротив оси X вращения и указанного распылителя, при этом края указанной донной части проходят по направлению к данной оси.
Таким образом, осью кольца, вокруг которой проходит его внутренняя кольцевая полость 37, является ось X. Более того, полость 37, соответственно, открыта в радиальном направлении к оси X и ограничена сбоку первой и второй стенками 39а, 39b, которые проходят по существу радиально к указанной оси, обеспечивая возможность приема смазочного материала.
Первый и второй каналы 43, 45 для подачи смазочного материала к подшипникам и зубьям проходят от полости 37, как показано на чертежах. Кроме того, в направлении, параллельном оси X, полость 37 разделена на кольцевые части 40а, 40b, в данном случае на две части. Указанные первая и вторая части полости разделены кольцевой внутренней перегородкой 38, проходящей по существу радиально к оси X, и сообщаются с первым и вторым каналами, соответственно.
Внутренняя перегородка имеет высоту h, измеряемую относительно соответствующих донных частей 41а, 41b указанных частей полости (указанные донные части ограничены по бокам первой и второй стенками), при этом высота h меньше высоты первой и второй стенок 39а, 39b (в данном случае обозначенной также - Н).
Другими словами, радиус R1, вдоль которого в окружном направлении проходят свободные концы каждой из боковых стенок 39а или 39b, меньше радиуса R2, вдоль которого в окружном направлении проходит свободный конец перегородки 38.
Таким образом, внутри указанного кольца обеспечена возможность перетекания смазочного материала параллельно оси X из первой части полости во вторую ее часть и наоборот (см. стрелку на Фиг. 6).
Более того, обеспечено создание зубчатого редуктора с шестернями (11; 12…) и устройства для подачи масла к такому узлу, содержащему шестерни, находящиеся в зацеплении друг с другом при вращении вокруг общей оси X вращения, причем указанное устройство в частности содержит:
- резервуар 31 со смазочным маслом,
- неподвижный канал 32 для подачи масла к шестерням,
- каналы 45, 45а, 45b для подачи масла к вращающимся шестерням, при этом указанные каналы выполнены с возможностью вращения вокруг оси X, следуя за перемещением указанных шестерней,
- средство 33 для выпуска масла, выполненное на конце канала 32,
- и кольцо 35, выполненное с возможностью вращения вокруг той же оси X и, соответственно, расположенное напротив указанного выпускного средства 33 для обеспечения возможности приема масла.
Следует отметить целесообразность того, что указанное средство 33 ориентировано так, что его радиальная составляющая направлена в сторону от оси X для обеспечения более эффективной подачи масла в отделенные в осевом направлении части 40а, 40b полости.
Также следует отметить, что современные турбинные двигатели, в частности турбореактивные двухконтурные двигатели обычно выполнены в виде узла, содержащего модули, которые могут содержать неподвижные и подвижные части. Один такой модуль представляет собой подузел турбинного двигателя, при этом его части для соединения со смежными модулями имеют достаточно точные геометрические параметры для обеспечения возможности их поставки по отдельности. Указанные модули могут быть собраны с образованием полного двигателя, при этом максимально сокращая количество действий, которые необходимо выполнить для балансировки и подгонки частей в местах их соединений.
Согласно настоящему изобретению может быть выполнен такой модуль, в котором вал 4 нагнетателя приводится в действие посредством редуктора, относящегося к вышеописанному типу.
Более того, с помощью вышеописанного подвижного кольца 35 обеспечена возможность достижения сбалансированности давления в указанных частях полости, с обеспечением подачи масла под давлением к распылителям и подшипникам и приведением во вращение указанного кольца, в результате чего в полости 37 под действием центробежных сил создается давление, величина которого зависит от скорости вращения кольца и высоты столба (столбов) масла в данной полости.
Чтобы обеспечить работу соответствующего устройства подачи масла, подачу масла с помощью средства 33 в части 40а, 40b полости кольца выполняют так, что в полости 37 с помощью перегородки 38 смазочное масло может предварительно распределяться, при этом в соответствующих частях полости обеспечивается один уровень (или изначально два уровня) 47а, 47b масла (см. Фиг. 5).
При необходимости, например, во время набора высоты или на взлете в одну из указанных частей полости, например, ту, которая обозначена как 40b на Фиг. 6, масло может подаваться с избытком, пока оно не перетечет в смежную часть полости параллельно оси X через перегородку 38. В данном случае давление, необходимое для обеспечения выпуска потока масла, будет выше общего давления в кольце (вариант на Фиг. 5).
Затем расход потока в части полости, из которой вытекает масло, перестает увеличиваться. Однако расход в части 40а полости продолжает расти. Таким образом, преобразовано распределение потока между подающими частями. Если обе части полости переполнены, масло будет переливаться из кольца наружу (Фиг. 7).
Следует отметить, что в качестве альтернативы внутренней перегородки 38 с уменьшенной высотой, которая изображена на Фиг. 5-7, данная перегородка может иметь большую высоту, при этом в ней, в частности в области радиуса R2, могут быть выполнены каналы для масла, предназначенные для перетекания масла из одной из частей 40а, 40b полости в другую в месте прохождения указанной внутренней перегородки.