ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ С ДВОЙНЫМ ВПРЫСКОМ ЖИДКОЙ СМАЗКИ И ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, СОДЕРЖАЩИЙ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДИН ТАКОЙ УЗЕЛ
BEARING ASSEMBLY WITH DOUBLE INJECTION OF LIQUID LUBRICANT AND AIRCRAFT CONTAINING AT LEAST ONE SUCH ASSEMBLY

Настоящее изобретение в основном относится к подшипниковому узлу, содержащему неподвижную деталь, вращающуюся деталь и подшипник, вставленный между упомянутыми неподвижной и вращающейся деталями, причем узел также содержит первый инжектор для впрыска жидкой смазки, подаваемой исключительно из источника неиспользуемой повторно жидкой смазки, такого как топливный бак ракеты.
Настоящее изобретение также относится к любому летательному аппарату, оснащенному турбовальным двигателем, содержащим, по меньшей мере, один такой подшипниковый узел.
В каждый турбовальный двигатель на летательном аппарате, например, на ракете, оснащенной одним или несколькими турбовальными двигателями, встроен, по меньшей мере, один подшипниковый узел, в основном содержащий вал ротора, статор и подшипник, вставленный между валом ротора и статором.
В этом очень широко распространенном типе механизма жидкая смазка транспортируется внутрь подшипника так, чтобы смазывать рабочие поверхности подшипника и тем самым обновлять пленку жидкости, и отбирать тепло, получаемое при вращении вала ротора, образующего вращающуюся деталь узла.
Известные способы смазки подшипников, заключающиеся в периодической подаче консистентной смазки в таких летательных аппаратах, недостаточны для достижения высоких рабочих характеристик, требующихся в этой области, таких как высокая частота вращения вала ротора.
Таким образом, технология смазки, используемая для удовлетворения вышеупомянутых требований, должна обеспечивать подачу на подшипник достаточного количества жидкой смазки так, чтобы толщина разделяющей пленки, расположенной между рабочими поверхностями этого подшипника, не уменьшалась, и чрезмерно не росла температура подшипника. В этом отношении следует отметить, что при недостатке смазки два вышеупомянутых явления взаимно усиливают друг друга и могут привести к разрушению подшипника, достигшего критической температуры.
Предлагались разные решения, позволяющие избежать возникновения таких последствий, например, системы динамической смазки, в которых смазывающая жидкость непрерывно циркулирует по замкнутому контуру и впрыскивается между кольцами подшипника, в дальнейшем выходя из подшипника и рассеивая накапливаемое в нем тепло.
Хотя такое решение согласно предшествующему уровню техники является удовлетворительным в детали смазки подшипника, поскольку его можно использовать для получения неразрушающейся разделяющей пленки, ему присущи и недостатки, которыми невозможно пренебречь.
Такая технология постоянной подачи смазки требует большого и сложного замкнутого контура, включающего в себя улавливающие черпачки, трубы, фильтры и насос, что приводит к повышению общей массы и стоимости турбовального двигателя, содержащего такой подшипниковый узел с динамической смазкой.
Такое решение для динамической смазки с замкнутым контуром можно заменить так называемой «теряющейся смазкой», при которой на инжектор, разбрызгивающий смазку между кольцами подшипника, подают жидкую смазку исключительно из источника не используемой повторно смазки, тем самым подразумевая, что в отличие от предыдущего решения жидкость, проходящая через инжектор, после выхода из подшипника не будет повторно впрыскиваться в питающую цепь.
Преимущества, получаемые при такой конфигурации, обусловлены тем фактом, что требуемая питающая цепь не является замкнутым контуром, а это значит, что она налагает существенно меньшие ограничения по стоимости, размерам и весу. Следует отметить, что этот конкретный признак особенно полезен в контексте использования подшипникового узла в летательном аппарате, например, в ракете или в пусковой установке, для которых снижение веса остается не теряющей актуальности проблемой.
Тем не менее жидкую смазку обычно отбирают из топливного бака соответствующего транспортного средства, и, следовательно, он является источником не используемой повторно жидкой смазки. Это значит, что необходимость применения избыточной и удовлетворительной смазки может привести к отбору существенного количества не используемого повторно смазывающего топлива, тем самым существенно сокращая длительность работы/радиус действия этого транспортного средства.
Следовательно, желательно сократить расход смазывающего топлива, отбираемого из бака, что может быстро привести к уменьшению толщины разделяющей пленки между рабочими поверхностями подшипника и, тем самым, вызвать разрушение подшипника.
Следовательно, целью настоящего изобретения является создание подшипникового узла, содержащего неподвижную деталь, вращающуюся деталь и подшипник, вставленный между упомянутыми неподвижной и вращающейся деталями, а также содержащего систему смазки подшипника, по меньшей мере, частично устраняющую недостатки, упомянутые выше со ссылкой на системы смазки согласно предшествующему уровню техники.
Другой целью настоящего изобретения является создание летательного аппарата, на котором для его движения установлен турбовальный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один такой подшипник.
Следовательно, для достижения этого объектом изобретения является подшипниковый узел, содержащий неподвижную деталь, вращающуюся деталь и подшипник, вставленный между фиксированной и вращающейся деталями; причем подшипник содержит внутреннее кольцо и внешнее кольцо, каждое из которых имеет беговую дорожку, контактирующую с элементами качения подшипника, при этом одно кольцо закреплено на неподвижной детали, а другое кольцо - на вращающейся детали, причем узел также содержит первый инжектор для жидкой смазки, предназначенный для подачи исключительно неиспользуемой повторно жидкой смазки. Согласно настоящему изобретению сквозь кольцо, закрепленное на неподвижной детали, проходит множество дренажных отверстий, при этом узел также содержит второй инжектор жидкой смазки, автоматически питаемый жидкой смазкой, дренированной через собирающее средство для сбора жидкой смазки, дренированной из этих дренажных отверстий, и это собирающее средство сообщается, прежде всего, со вторым инжектором и с обводным контуром, предназначенным для удаления избытка дренированной жидкой смазки.
Следовательно, следует понимать, что изобретение раскрывает интегрирующее средство подшипникового узла, обеспечивающее двойной впрыск жидкой смазки. Первый инжектор осуществляет первый впрыск не используемой повторно жидкой смазки в подшипник, т.е. осуществляет смазку жидкостью, которая проходит через подшипник один раз, и источник которой можно квалифицировать как не пополняемый при работе или не используемый повторно, и который образует деталь разомкнутого контура, описанного в предшествующем уровне техники как решение с потерей смазки.
Одновременно второй инжектор может осуществлять второй автоматический впрыск в подшипник жидкой смазки, т.е., осуществлять смазку жидкостью, которая стекла изнутри подшипника, при этом не возникает необходимости создавать большие и дорогие средства, например насос или фильтры, такие как описаны в предшествующем уровне техники для систем смазки с замкнутым контуром. Этот второй автоматический впрыск основан на использовании кинетической энергии, создаваемой вращением элементов в подшипниковом узле, которая позволяет впрыскивать, по меньшей мере, часть жидкости, находящейся внутри подшипника, через дренажные отверстия, проходящие через кольцо, закрепленное на неподвижной детали, и которой достаточно, чтобы подавать эту часть жидкости на второй инжектор, который может вновь распределять ее по подшипнику.
Таким образом, в подшипниковом узле согласно настоящему изобретению жидкая смазка принудительно движется под воздействием кинетической энергии, возникающей при вращении, и затем при выходе из дренажных отверстий, проникает в собирающее средство, после чего автоматически попадает в контур повторного впрыска, прежде чем, наконец, попасть во второй инжектор, при этом в этом втором контуре жидкой смазки отсутствует необходимость в использовании насоса. Следует отметить, что использованная выше концепция «автоматической» подачи отражает тот факт, что единственным источником энергии, необходимой для отбора жидкости изнутри подшипника и для распределения ее через второй инжектор, является кинетическая энергия, возникающая при вращении элементов узла.
Следует отметить, что один из особых признаков настоящего изобретения обусловлен тем фактом, что дренированная жидкая смазка, выходящая из дренажных отверстий, сначала попадает в контур повторного впрыска, а затем - в обводной контур, используемый для удаления избытка дренированной жидкой смазки. Таким образом, выходящий из второго инжектора поток дренированной жидкой смазки ограничивается, во-первых, выходным сечением второго инжектора, а, во-вторых, наличием обводного контура, позволяющего избытку дренированной жидкости, которую нельзя впрыснуть тем же инжектором с калиброванным сечением, автоматически отводиться от подшипникового узла, всегда предпочтительно и с использованием кинетической энергии без необходимости в перекачивающем средстве.
Это позволяет, предпочтительно, избежать ситуаций, при которых подшипниковый узел смазывается под высоким давлением, при котором общее добавленное количество жидкой смазки будет слишком большим и совершенно несовместимым с работой на высоких скоростях.
Следовательно, узел согласно настоящему изобретению имеет определенные преимущества по стоимости, весу и размерам и, в частности, позволяет получить выгоду от увеличенного общего потока жидкой смазки, который возникает в случае предшествующих систем с потерей смазки, отбираемой из непополняемого источника, или получить такой же общий поток, который встречается в системах с потерей смазки при уменьшенном отборе потока из такого непополняемого источника.
Естественно следует отметить, что это последнее преимущество особенно применимо, если узел согласно настоящему изобретению применяется в летательном аппарате, например в ракете или в любом ракета-носителе, например, способной запускать беспилотный летательный аппарат или подобный аппарат, поскольку время полета/радиус действия такого аппарата можно увеличить благодаря уменьшению отбора смазывающего топлива.
Предпочтительно, собирающее средство дренированной жидкой смазки состоит из, по меньшей мере, кольцевого пространства, образованного в неподвижной детали, и в которое открыты дренажные отверстия. Таким образом, кольцевое пространство может состоять из канавки.
Предпочтительно, собирающее средство дренированной жидкой смазки состоит из множества канавок, отстоящих друг от друга по оси, каждая из которых взаимодействует с окружной группой дренажных отверстий.
Кроме того, контур повторного впрыска содержит канал, выполненный в неподвижной детали и сообщающийся, во-первых, с собирающим средством дренированной жидкой смазки и, во-вторых, со вторым инжектором так, чтобы питать этот второй инжектор.
Кроме того, обводной контур может содержать канал, выполненный в неподвижной детали и сообщающийся с собирающим средством дренированной жидкой смазки. В этом случае по технологическим соображениям предпочтительно расположить обводной контур выровненным с каналом контура повторного впрыска.
Предпочтительно, неподвижная деталь закреплена на внешнем кольце, а вращающаяся деталь закреплена на внутреннем кольце. Естественно, обратная конструкция также возможна и остается в рамках настоящего изобретения.
Более того, первый и второй инжекторы прикреплены к неподвижной детали и ориентированы так, чтобы впрыскивать жидкую смазку между двумя кольцами в положении элементов качения, которыми могут быть как ролики, так и шарики.
Кроме того, настоящее изобретение относится к летательному аппарату, оснащенному турбовальным двигателем для приведения его в движение и содержащему, по меньшей мере, один подшипниковый узел, при этом вращающаяся деталь состоит из роторного вала турбовального двигателя, а первый инжектор питается исключительно жидкой смазкой из топливного бака аппарата. Таким образом, очевидно, что одним предпочтительным применением настоящего изобретения являются движущиеся летательные аппараты, в которых подшипники, по меньшей мере, частично смазываются жидким смазывающим топливом из топливного бака, расположенного на этом аппарате.
В этом отношении упомянутым выше движущимся летательным аппаратом может быть ракета или ракета-носитель, например, способный запускать беспилотный летательный аппарат.
Другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного не ограничивающего описания.
В описании приводятся ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид сбоку ракеты, содержащей подшипниковый узел согласно первому предпочтительному варианту настоящего изобретения;
фиг.2 - продольное сечение в увеличенном масштабе подшипникового узла с фиг.1;
фиг.3 - частичное сечение по линии III-III с фиг.2; и
фиг.4 - продольное сечение второго предпочтительного варианта подшипникового узла согласно настоящему изобретению.
На фиг.1 показана ракета 1, оснащенная турбовальным двигателем 2 для приведения ее в движение, при этом турбовальный двигатель 2 является, например, турбореактивным двигателем.
В ракете 1, являющейся другим объектом настоящего изобретения, имеется подшипниковый узел 4 согласно первому предпочтительному варианту настоящего изобретения, в основном содержащий корпус 6 турбовального двигателя 2 и роторный вал 8, соединенный с корпусом 6 через смазываемый подшипник 10, при этом элементы 6 и 8 в остальной детали описания называются неподвижной и вращающейся деталями соответственно.
Следует отметить, что хотя предпочтительным вариантом применения в настоящем описании указана ракета, очевидно следует понимать, что подшипниковый узел 4 согласно настоящему изобретению может применяться на всех летательных аппаратах и других, не авиационных, транспортных средствах, в которых соответствующий подшипник смазывается, по меньшей мере, частично из источника неиспользуемой повторно жидкой смазки, такого как топливный бак на этой ракете.
Как более подробно показано на фиг.2 и 3, представляющих подробное изображение подшипникового узла, и где снова показаны неподвижная деталь 6, окружающая вращающуюся деталь 8 и подшипник 10 этого узла 4, эффективно вставленный между этими деталями 6 и 8, эти элементы расположены на оси 9, соответствующей оси вращения узла.
Следовательно, внешняя поверхность внешнего кольца 12 подшипника 10 находится в контакте с неподвижной деталью 6, неподвижно закрепленной на внешнем кольце 12, а внешняя поверхность внутреннего кольца 14 подшипника 10 находится в контакте с вращающейся деталью 8, установленной неподвижно на внутреннем кольце 14.
Противоположные поверхности колец 12, 14, а именно внутренние поверхности, обращенные друг к другу, являются беговыми дорожками 16 и 18, внутри которых удерживаются шарики 20. Дорожки 16, 18 имеют не тороидальную, а скорее форму стрельчатого свода с вершиной 21 или 22, принадлежащей центральной окружности, внутри которой образованы дренажные отверстия 24, полностью проходящие сквозь это кольцо 12 для дорожки 16 внешнего кольца 12, закрепленного на неподвижной детали 6. Следовательно, шарики 20 никогда не перекрывают отверстия 24, хотя и касаются как внутреннего кольца 14 в двух боковых точках контакта (не обозначены), так и внешнего кольца 12 - в двух других боковых точках контакта 26 и 28 с каждой стороны от отверстий 24. В этом отношении следует отметить, что дорожки 16, 18 могут иметь тороидальную форму, которая не выходит за пределы настоящего изобретения, даже если в данном предпочтительном варианте используется другая их форма.
Для облегчения потока жидкой смазки отверстия 24 внешнего кольца 12 наклонены в направлении 28 вращения вращающейся детали 8 относительно неподвижной детали 6, как будет описано ниже. Кроме того, как показано на фиг.3, эти дренажные отверстия 24 равномерно распределены вокруг внутреннего кольца 12 и тем самым образуют окружную группу 30 по окружности (не показана), причем перпендикулярно оси 9.
Дополнительно, узел 4 выполнен с первым инжектором 32 жидкой смазки, прикрепленным к неподвижной детали 6 и ориентированным так, чтобы распылять жидкость между двумя кольцами 12, 14. Например, такая ориентация может быть адаптирована так, чтобы струя жидкой смазки, выходящая из первого инжектора 32, била в нижнюю деталь шариков 20, выполняющих функцию несущих элементов, как схематически показано стрелкой 34.
Этот первый инжектор 32 предназначен для подачи жидкости исключительно из источника 36 не используемой повторно смазки, который в этом предпочтительном варианте соответствует топливному баку ракеты 1. Таким образом, следует понимать, что первый инжектор 32 нагнетает только жидкую смазку, которая еще не прошла через подшипник 10, и в остальной части описания эта жидкость именуется «свежая жидкая смазка».
Следует отметить, что соединение между первым инжектором 32 и резервуаром 36 предпочтительно выполнено способом, который известен специалистам, и может быть идентично или подобно средствам, используемым в решениях с потерей смазки согласно предшествующему уровню техники, например, с использованием главного топливного насоса (высокого давления), насоса-ускорителя (электрический насос, погруженный в бак) или за счет наддува бака, устраняющего необходимость в нагнетательном насосе. Следовательно, такое соединение более подробно описано не будет.
Более того, подшипниковый узел 4 включает второй контур жидкой смазки, содержащий дренажные отверстия 24, сквозь которые жидкая смазка выходит из подшипника 10.
Более точно, имеется канавка 38 на внутренней поверхности неподвижной детали 6, при этом эта внутренняя поверхность является поверхностью, контактирующей с внешней поверхностью внешнего кольца 12. Канавка 38 образует кольцевое пространство, расположенное вокруг внешнего кольца 12, в которое открывается каждое из дренажных отверстий 24 группы 30. Таким образом, следует понимать, что канавка 38 может считаться средством сбора дренированной жидкой смазки, выходящей из отверстий 24.
Жидкая смазка, расположенная внутри подшипника 10 автоматически дренируется и выводится за счет очень большой центробежной силы, создаваемой вращением роторного вала 8 в направлении этих наклонных дренажных отверстий 24, что устраняет необходимость применения большого и дорогостоящего средства, такого как насос. В этом отношении следует отметить, что такая технология дренажа, основанного на центробежной силе, также описана в документе FR-A-2740187, который включен в настоящее описание посредством ссылки.
В узле согласно настоящему изобретению жидкая смазка, входящая между двумя кольцами 12, 14, затем огибает шарики 20, проходя между ними и по бокам от них, и очень быстро достигает отверстий 24 перед тем, как автоматически попасть в окружающую канавку 38 и пройти по контуру, который будет описан ниже и который образует один из особых признаков настоящего изобретения.
Во-первых, контур повторного впрыска предпочтительно в форме канала 40, выполненного в неподвижной детали 6, сообщается одним концом с канавкой 38, а вторым концом - со вторым инжектором 42. Следовательно, дренированная жидкая смазка, попадающая в канавку 38, автоматически нагнетается в указанный канал 40 и затем автоматически попадает в инжектор 42, из которого она в итоге выпрыскивается/распыляется между двумя кольцами 12 и 14. В другом примере ориентация может быть адаптирована так, чтобы дренированная жидкая смазка, выходящая из второго инжектора 42, попадала на нижнюю деталь шариков 20, работающих в виде несущих элементов, как схематически обозначено стрелкой 44. Кроме того, как показано на фиг.2, два инжектора 32, 42, прикрепленные к неподвижной детали 6, предпочтительно расположены рядом друг с другом, хотя очевидно, что они могут быть разнесены по окружности, и это не выходит за рамки настоящего изобретения.
Таким образом, следует понимать, что контур 40 повторного впрыска, расположенный между канавкой 38 и вторым инжектором 42, не имеет каких-либо средств перекачивания дренированной жидкой смазки, что делает его компактным и легким в изготовлении.
Имеется также обводной контур предпочтительно в форме канала 48, образованного в неподвижной детали 6, который открыт одним концом в канавку 38 и предназначен для удаления избытка дренированной жидкой смазки за пределы узла 4 через свой другой конец (не показан). Как показано на фиг.2, каналы 40 и 48 предпочтительно выровнены друг с другом, и каждый из них проходит по существу параллельно оси 9 так, что их можно считать единым каналом, сообщающимся с канавкой 38.
Таким образом, при достижении максимального расхода жидкости на втором инжекторе 42, этот максимальный поток управляется поперечным сечением его выходного отверстия, причем часть дренированной жидкой смазки, расположенной в канавке 38 и неспособной пройти через инжектор 42, автоматически направляется в канал 48 и через этот канал выходит из узла 4, вновь не требуя какого-либо перекачивающего средства.
Эта дренированная и удаленная часть жидкой смазки может объединяться с частью дренированной жидкой смазки, которая была направлена в подшипник 10 и не вышла через предназначенные для этого отверстия 24. При этом следует отметить, что не вся жидкая смазка, отобранная из бака 36 и поданная в подшипник 10, проходит по второму контуру смазки, поскольку часть этой отобранной жидкости теряется при ее прохождения в подшипнике 10 и автоматически удаляется из узла 4, например, под воздействием силы тяжести.
Следовательно, в соответствии с вышеизложенным шариковые несущие элементы 20 в подшипниковом узле 4 будут смазываться одновременно и непрерывно жидкой смазкой, отобранной из бака 36 и распыленной через первый инжектор 32, и дренированной жидкой смазкой, вышедшей из отверстий 24 и распределяемой в ограниченном количестве вторым инжектором 42.
На фиг.4 показан подшипниковый узел 4 согласно второму варианту настоящего изобретения, который работает аналогично варианту, описанному выше, в частности, не требуя каких-либо перекачивающих средств для прокачивания жидкой смазки по второму контуру.
Элементы на фиг.4, обозначенные одинаковыми позициями с элементами на фиг.1-3, являются такими же или подобными элементами.
Первым отличием этого варианта от описанного выше является использование подшипника 10 с роликами 120, а не шариками 20. Таким образом, внешнее кольцо 12 и внутреннее кольцо 14 снабжены тороидальными дорожками 116 и 118, соответственно, обращенными друг к другу и находящимися в тесном контакте, причем параллельно оси 9, с каждым из роликов 120.
Жидкая смазка, распределяемая инжекторами 32 и 42, сначала попадает на торцы роликов 120, прежде чем попасть на цилиндрическую поверхность этих роликов круглого сечения и, следовательно, распределиться по тороидальным дорожкам 116, 118. Часть этой жидкости затем дренируется через дренажные отверстия 24 так же, как описано выше, другими словами, под воздействием центробежной силы, связанной с вращением роторного вала 8, не требуя каких-либо перекачивающих средств.
Следует отметить также, что эти дренажные отверстия 24, выполненные во внешнем кольце 12 также предпочтительно наклонены в направлении вращения вращающейся детали 8 относительно неподвижной детали 6 и распределены двумя окружными группами 30 на расстоянии друг от друга по оси 9. Таким образом, эти две окружные группы 30, каждая из которых распределена по разным окружностям (не показаны), причем перпендикулярно оси 9, окружены двумя канавками 38, идентичными или подобными канавке 38 первого варианта воплощения изобретения.
Следовательно, две (или, возможно, более) канавки 38 образуют собирающее средство дренированной жидкой смазки, выходящей из дренажных отверстий 24, и сообщаются с теми же каналами 40 и 48, используемыми для повторного впрыска и удаления избытка жидкой смазки. Точнее, как показано на фиг.4, левая канавка 38 сообщается с каналом 40 повторного впрыска, ведущим ко второму инжектору 42, а правая канавка 38 сообщается с каналом 48 удаления, отводящим избыток жидкости, который невозможно распределить через второй калиброванный инжектор 42. Далее, эти два канала 40 и 48 больше не соединяются друг с другом на единственной канавке 38, как в первом варианте, а между двумя канавками 38 образован промежуточный канал 150, обеспечивающий это соединение. Таким образом, понятно, что три канала 40, 48 и 150 выровнены друг с другом так, что их можно считать единым каналом, проходящим параллельно оси 9, и сообщающимся с двумя канавками 38.
Очевидно, что специалист в данной области техники может внести различные изменения как в ракету 1, так и в узлы 4 и 104, описанные выше в виде не ограничивающих примеров.