УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ДВУХ ВАЛОВ, ВАЛ ВРАЩЕНИЯ И ТУРБОМАШИНА
DEVICE FOR CONNECTING TWO SHAFTS, ROTARY SHAFT AND TURBOMACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение касается устройств для соединения валов, таких как устройства для соединения между валом турбины и валом компрессора. Изобретение, в особенности, применимо к устройствам соединения валов турбины и компрессора турбомашин, обеспечивающих тягу авиационных летательных аппаратов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Валы турбин низкого давления и компрессора низкого давления сочленяются, главным образом, соединительным устройством с зубчатым зацеплением. В таком устройстве, пример которого представлен на Фиг. 1а и 1b, концевая часть вала компрессора 10 и концевая часть вала турбины 20 коаксиально зацеплены между собой, при этом простираются вдоль одной оси вращения Х-Х.
Каждая из частей содержит множество шлицов 12, 22, при этом шлицы одного зацепления входят в контакт со шлицами другого зацепления. Каждая часть имеет, кроме того, зоны, называемые центрирующими, соответственно на выходе 14а, 24а и на входе 14b, 24b, совмещаемые поверхности которых позволяют обеспечить осевое центрирование одних относительно других.
Шлицы обычно имеют постоянный профиль по всей своей длине. В области турбомашин желательно уменьшать диаметр валов вращения и увеличивать моменты, передаваемые соединительными устройствами. Из этого вытекает увеличение соотношения передаваемый момент/основной радиус шлицов валов и усилий, особенно значительных на части шлицов, которые подвергаются весьма значительным напряжениям, при этом передача момента в случае соединения турбина-компрессор осуществляется с выхода турбины на вход компрессора относительно потока воздуха в турбомашине.
В документе FR 2918726 было предложено устройство для соединения, в котором шлицы одного из валов имеют переменный профиль.
2
1
Шлицы 22 соединительной части вала турбины низкого давления 20, схематично изображенные на Фиг. 2, имеют на своем выходном конце зону, вдоль которой толщина ешлицов уменьшается относительно толщины е оставшейся части шлица. Толщина одного шлица измеряется между боковыми стенками 23 шлица на уровне его вершины 26, так как боковые стенки 23 шлицов имеют профиль в поперечном разрезе в соответствии с эвольвентой круга, при этом толщина одного шлица изменяется в зависимости от уровня, на котором она была измерена.
Шлицы 12 вала компрессора низкого давления 10 имеют постоянную толщину между боковыми стенками по всей их длине.
Таким образом, в холодном состоянии только зоны шлицов, где толщина между их боковыми стенками максимальна, влияют на шлицы другого вала. При работе нагрев и передаваемый момент деформируют шлицы, уменьшая первоначальный зазор.
Такая деформация позволяет улучшить распределение контактных давлений между шлицами в процессе работы и, таким образом, уменьшить напряжения.
Такое решение образует две критические зоны при работе. Первая расположена на выходном конце шлицов вала турбины низкого давления, на свободных краях боковых стенок шлицов и в соединении между боковыми стенками шлицов и доньями шлицов. Эта зона является зоной накопления растягивающих напряжений с меньшим сроком службы, чем остальная часть вала. Следовательно, наличие такой зоны уменьшает срок службы всего вала.
Кроме того, для облегчения вала между выходным концом шлица и выходной центрирующей зоной 24а (см. фиг. 1b) выполняют полость 25, то есть зону вала, толщина которой уменьшена в поперечной плоскости по сравнению с толщиной вала на уровне выходной центровки.
Эта полость 25 образует вторую критическую зону, на уровне которой инерция уменьшена, что делает эту зону более хрупкой и уменьшает ее устойчивость при чрезмерной нагрузке в случае выброса лопатки из вентилятора при ее отрыве («Fan Blade Off» на англ. яз.).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является решение упомянутых выше проблем путем разработки профилей шлицов, которые обеспечивают хорошую передачу вращающего момента и гарантируют устойчивость в случае чрезмерной нагрузки.
Для решения этой задачи предлагается устройство для соединения валов с зубчатым зацеплением, содержащее соединительную часть, которой оканчивается один из двух валов, предназначенное для концентрической установки в дополнительной соединительной части, которой оканчивается другой вал, причем упомянутая соединительная часть содержит две центрирующие зоны, между которыми простирается множество шлицов, при этом в устройстве шлицы упомянутой соединительной части имеют профиль:
- который постоянен вдоль средней зоны соединительной части; и
- который в первой зоне в продолжение упомянутой средней зоны имеет толщину, между боковыми стенками шлица, уменьшенную по сравнению с толщиной между боковыми стенками того же шлица в средней зоне,
и в котором шлицы упомянутой соединительной части продолжаются за первой зоной, где они имеют уменьшенную толщину, до центрирующей зоны, которая расположена с той же стороны, что и упомянутая первая зона относительно средней зоны, при этом упомянутые шлицы, а также донья шлицов представляют собой в зоне соединения между упомянутой центрирующей зоной и упомянутой первой зоной, где они имеют уменьшенную толщину, профиль, непрерывно соединяющий упомянутые шлицы и донья шлицов с поверхностью упомянутых центрирующих зон.
Предпочтительно, но факультативно, изобретение может, кроме того, отвечать, по меньшей мере, одной из следующих характеристик:
- шлицы в зоне соединения представляют собой профиль, который утолщается в зоне, где они имеют уменьшенную толщину к центрирующей зоне;
- в зоне соединения глубина дна шлицов постепенно повышается до поверхности центрирующей зоны;
- дно шлицов в зоне соединения имеет искривленный профиль;
- шлицы упомянутой соединительной части продолжаются также со стороны, противоположной первой зоне, второй зоны, в которой они имеют профиль уменьшенной толщины;
- длина средней зоны составляет от 0 до 80% общей длины шлица;
- промежуточная зона простирается по длине, составляющей от 0 до 25% от общей длины шлица, а толщина шлица вдоль этой зоны уменьшается от 0 до 25% от максимальной толщины шлица;
- зона соединения простирается на длину, составляющую от 10 до 40% от общей длины шлица;
- концевая зона шлица простирается на длину, составляющую от 0 до 25% общей длины шлица, а толщина шлица уменьшается от 0 до 15% от максимальной толщины шлица;
- шлицы соединительной части другого вала имеют постоянный профиль.
Объектом изобретения является также вал вращения, содержащий соединительную часть для соединения с другим валом, предназначенную для концентрического размещения в дополняющей соединительной части, которой оканчивается другой вал, при этом упомянутая соединительная часть содержит две центрирующие зоны, между которыми простирается множество шлицов, при этом шлицы упомянутой соединительной зоны имеют профиль:
- который является постоянным вдоль средней соединительной части; и
- который в первой зоне в продолжение упомянутой средней зоны имеет толщину между боковыми стенками шлица, которая уменьшается относительно толщины того же шлица в средней зоне, и
в котором шлицы упомянутой части соединения продолжаются за первой зоной, где они имеют уменьшенную толщину, до зоны центрирования, которая находится с той же стороны, что и упомянутая первая зона относительно средней зоны, при этом упомянутые шлицы, а также донья шлицов в зоне соединения между упомянутой зоной центрирования, где они имеют уменьшенную толщину, представляют собой профиль, соединяющий известным образом упомянутые шлицы и донья шлицов с поверхностью упомянутой зоны центрирования.
Объектом изобретения является также турбомашина, содержащая компрессор, вал которого приводится во вращение валом турбины, в которой вал компрессора и вал турбины сочленены устройством по изобретению, а соединительная часть имеет первую зону уменьшенной толщины и соединительную зону, являющуюся зоной вала турбины, при этом упомянутая первая зона и соединительная зона расположены на выходе зоны, средней относительно потока воздуха в турбомашине.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1а и 1b, уже описанные, схематично представляют устройство для соединения валов по известному уровню техники на виде соответственно в перспективе в разобранном состоянии и в продольном разрезе;
Фиг. 2, уже описанная, представляет шлицы вала турбины низкого давления из известного уровня техники;
Фиг. 3 схематично изображает в продольном разрезе турбомашину, в которой установлено соединительное устройство;
Фиг. 4 схематично представляет в продольном разрезе устройство для соединения валов по изобретению;
Фиг. 5а и 5b изображают шлицы вала соединительного устройства соответственно в перспективе и на виде сверху.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 3 изображена турбомашина 100, содержащая соединительное устройство 1 по изобретению. Турбомашина 100 классически содержит со входа на выход по отношению к потоку воздуха в турбомашине компрессор 110 низкого давления, компрессор 130 высокого давления, а на выходе турбину 120 низкого давления и турбину 140 высокого давления.
Выхлопные газы с выхода компрессора 130 высокого давления приводят во вращение турбину 120 низкого давления для привода во вращение компрессора 110, при этом передача вращающего момента осуществляется зубчатым зацеплением.
На Фиг. 4 представлено устройство 1 для соединения двух валов 10, 20, например, соответственно вала 10 компрессора (110) низкого давления, приводимого во вращение валом 20 турбины (120) низкого давления турбомашины (100).
Валы 10, 20 имеют каждый соединительную часть, предназначенную для концентрического размещения в дополняющей соединительной части, которой оканчивается другой вал. Валы с соединительными частями расположены концентрично вокруг оси вращения Х-Х.
Первый вал, в данном случае вал 10 компрессора, имеет на своей внутренней поверхности множество шлицов 12. Второй вал, в данном случае вал 20 турбины, имеет на своей наружной поверхности множество шлицов 22, предназначенных для зацепления со шлицами 12 первого вала 10.
На каждом валу 10, 29 шлицы 12, 22 простираются между двумя центрирующими зонами, выходной центрирующей зоной 14а, 24а и входной центрирующей зоной 14b, 24b.
Входная и выходная центрирующие зоны являются дополняющими и позволяют корректно расположить компрессорный вал 10 относительно турбинного вала 20.
Например, входные центрирующие зоны принимают формы окружного утолщения и соответствующего окружного шлица.
Каждая из выходных центрирующих зон каждого вала представляет собой цилиндрическую поверхность с осью, параллельной оси вращения Х-Х и поднятую относительно оставшейся части вала, в частности, относительно доньев шлицов.
На Фиг. 5а и 5b изображены шлицы вала соединительного устройства 1, предпочтительно вала 20 турбины низкого давления.
Каждый шлиц 12, 22 имеет две боковые стороны 13, 23 и вершину 16, 26, соединяющую боковые стороны. Между двумя последовательными шлицами одного вала дно шлица 17, 27 занято шлицом другого вала для осуществления зацепления.
Предпочтительно шлицы 12 первого вала между боковыми стенками выполнены толщиной е, по существу, постоянной по всей длине шлица. Как и ранее, толщина шлица 12, 22 измерена на уровне вершины 16, 26 шлица.
Кроме того, каждый шлиц 22 второго вала 20 имеет расширяющийся профиль.
На Фиг. 5b каждый шлиц содержит:
m
- среднюю зону ZM, вдоль которой шлиц имеет толщину е, постоянную между своими боковыми сторонами;
i
m
i
- первую зону, называемую промежуточной зоной ZI, в продолжение средней зоны ZM, расположенную на выходе последней в случае турбомашины, вдоль которой толщина е шлица уменьшена относительно толщины e шлица в средней зоне. Предпочтительно эта толщина е уменьшается от средней зоны ZM к выходной центральной зоне;
r
- так называемая соединительная зона ZR в продолжение промежуточной зоны ZI с той же стороны, что и промежуточная зона ZI по отношению к средней зоне (в данном случае, на выходе промежуточной зоны ZI в случае турбомашины), и образуя выходной конец шлица 22. Зона соединения ZR связывает промежуточную зону ZI с центральной выходной зоной 24а вала 20. Для этого, шлиц в этой зоне имеет толщину е между своими боковыми сторонами 23, которая увеличивается от промежуточной зоны ZI до центрирующей зоны 24а до тех пор, пока вершины 26 двух последовательных шлицов и поверхность центрирующей зоны 24а не сомкнутся и не образуют непрерывную поверхность.
Таким образом, шлицы на уровне соединительной зоны имеют профиль, непрерывно соединяющий упомянутые шлицы и донья шлицов 27 с поверхностью упомянутой центрирующей зоны 24а.
Таким образом, выходные края шлицов 22 совмещаются между собой и совмещаются с выходной центрирующей зоной 24а. Таким образом, боковые стенки 23 шлицов 22 не имеют свободных краев на выходе, где могли бы аккумулироваться напряжения. Предложенные шлицы имеют срок службы, повышенный по сравнению со шлицами соединительных устройств из известного уровня техники.
Кроме того, впадины 25, соседние с выходными концами шлицов из известного уровня техники, заменены соединительными зонами ZR, которые продолжают шлицы 22 до центрирующей зоны 24а. Таким образом, на валу 20 турбины отсутствует зона наименьшей инерции. Следовательно, вал усилен и его срок службы увеличен.
Кроме того, как особенно видно на фиг. 5а, дно шлица 27 на уровне соединительной зоны ZR имеет уменьшающуюся толщину от максимальной глубины на уровне промежуточной зоны до нулевой глубины на уровне центрирующей зоны 24а.
Дно шлица 27 на виде продольного разреза имеет искривленный профиль, предпочтительно радиус кривизны которого является непрерывным.
Таким образом, поверхность, образованная дном шлица 27 и соседними боковыми стенками, не имеет разрывов, способных вызвать аккумулирование напряжений.
е
m
На фиг. 5b шлицы 22 могут также иметь входную концевую зону ZE, соседнюю со средней зоной ZM и продолжающую последнюю к входу. В этой зоне каждый шлиц имеет толщину е, уменьшенную относительно толщины е в средней зоне.
Относительные пропорции различных зон шлицов 22 являются следующими:
e
m
- входная концевая зона ZE имеет длину, составляющую от 0 до 25% общей длины шлица. Толщина е шлица на входном конце - и, следовательно, на конце зоны - уменьшена от 0 до 15% максимальной толщины шлица, эта максимальная толщина представляет собой толщину e на уровне средней зоны ZM;
m
- средняя зона ZM имеет длину, составляющую от 0 до 80% от общей длины шлица. Толщина е шлица является постоянной и равна его максимальному значению, которая определяется в соответствии с нормой ANSI B-1-1996 и зависит от турбомашины;
i
i
- промежуточная зона ZI имеет длину, составляющую от 0 до 80% от общей длины шлица. Вдоль этой зоны толщина е шлица уменьшается от 0 до 25% относительно его максимальной толщины. Предпочтительно толщина е шлица является минимальной на выходном конце этой зоны, на уровне смыкания с соединительной зоной ZR;
r
- наконец, соединительная зона ZR имеет длину, составляющую от 10 до 40% общей длины шлица. Толщина е шлица увеличивается до тех пор, пока боковые стороны двух последовательных шлицов не сомкнутся.
В соответствии с особым вариантом воплощения соединительного устройства средняя зона может иметь длину в 60 мм, промежуточная зона - длину в 25 мм, и соединительная зона - длину в 30 мм. В этом варианте воплощения шлицы 22 не имеют входной концевой зоны ZE, т.е. входные концы шлицов соответствуют входным концам средних зон ZM.
Таким образом, предложено устройство соединения валов, геометрия которого позволяет передавать более значительный вращающий момент и увеличивает срок службы по сравнению с известным уровнем техники.
Это устройство предназначено для установки в турбомашины без ограничений.