САМОЦЕНТРИРУЮЩИЙСЯ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ
SELF-CENTERING PLAIN BEARING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к механическому узлу из двух деталей, вращающихся одна относительно другой и образующих самоцентрирующийся гидростатический подшипник.
Такой механический узел, в частности, может быть использован в элементах передач, например, в планетарных зубчатых передачах. Изобретение может найти применение в авиации, например, в авиационных турбореактивных двигателях или в вертолетных турбовальных двигателях, в частности, в редукторах таких турбореактивных двигателей, в которых имеется зубчатая передача.
Уровень техники
В настоящее время в гражданской авиации обычно применяются двухкаскадные двухконтурные турбореактивные двигатели. Однако из-за постоянно растущих ограничений на операционные издержки, тесно связанные с затратами на топливо, которые в настоящее время являются очень высокими, были предложены новые проекты турбореактивных двигателей, которые отличаются меньшим удельным расходом топлива.
Одним из перспективных вариантов является установка турбореактивных двигателей с понижающей зубчатой передачей, расположенной между компрессором низкого давления и вентилятором. В результате можно увеличить скорость вращения каскада низкого давления, тем самым повышая общую эффективность турбореактивного двигателя, уменьшая при этом скорость вентилятора, тем самым позволяя увеличить диаметр вентилятора и, следовательно, позволяя увеличить степень двухконтурности двигателя, сохраняя при этом окружную скорость на концах лопастей, приемлемую для ограничения появления аэродинамических возмущений, которые, в частности, создают шум.
Такой двухконтурный турбореактивный двигатель с редуктором показан на фиг. 1 в разрезе вдоль его главной оси А. От передней части к задней он содержит вентилятор 2, редуктор 3, компрессор 4 низкого давления, компрессор 5 высокого давления, камеру 6 сгорания, турбину 7 высокого давления и турбину 8 низкого давления.
В таком турбореактивном двигателе 1 с редуктором турбина 7 высокого давления приводит в действие компрессор 5 высокого давления через вал 9 высокого давления. Турбина 8 низкого давления, называемая также быстрой турбиной, приводит в действие компрессор 4 низкого давления через вал 10 низкого давления. Быстрая турбина 8 также приводит в действие вентилятор 2 через редуктор 3. Таким образом, вентилятор 2 вращается с пониженной скоростью, что предпочтительно с точки зрения аэродинамики, а турбина 7 низкого давления может работать на более высокой скорости, что предпочтительно с термодинамической точки зрения.
Как показано на фиг. 2, редуктор 3 представляет собой планетарную зубчатую передачу, у которой имеется коронная шестерня 31, солнечная шестерня 32 и сателлиты 33. Сателлиты 33 установлены с возможностью вращения на пальцах 34 водила 35 планетарной передачи. Таким образом, каждый сателлит 33 вращается вокруг оси F соответствующего пальца 34. Подшипники 36 между сателлитами 33 и соответствующими пальцами 34 могут быть гладкими, т.е. без каких-либо элементов качения. В этом случае в подшипниках 36 имеется пленка масла под давлением для их смазки и охлаждения. Пример такой системы распределения масла приведен во французской заявке на патент № 13/58581.
В обычной конфигурации коронная шестерня 31 прикреплена к корпусу 60, водило 35 соединено с валом 2а вентилятора, приводя в действие вентилятор 2, а солнечная шестерня 32 соединена с концом 10а вала 10 низкого давления.
При работе турбинного двигателя солнечная шестерня 32 вращается, коронная шестерня 31 неподвижна, а сателлиты 33 движутся, сочетая вращение вокруг оси А вращения планетарной зубчатой передачи и вращение вокруг осей F соответствующих пальцев 34. При этом пальцы 34 и водило 35 как одно целое приводятся во вращение вокруг оси А.
Таким образом, усилия, приводящие в действие сателлиты 33, вместе с центробежной силой и в меньшей степени с силой тяжести приводят к тому, что сателлиты 33 стремятся сместиться от центра относительно пальцев 34. В частности, в результате действия приводного усилия пленка масла сужается за каждым пальцем 34.
Следствием такого смещения от центра является возрастание риска того, что сателлит 33 войдет в контакт со своим пальцем 34, повреждая тем самым подшипник.
Для устранения этого явления были предложены редукторы, в которых в подшипнике обеспечивалось неравномерное распределение масла, в частности, большее количество масла подавалось в зоны, наиболее подверженных риску трения.
Тем не менее, в общем, такое неравномерное распределение масла представляет собой либо статическую коррекцию, которая, поэтому, не учитывает подлинное состояние системы, либо динамическую коррекцию, для которой требуется наличие датчиков, исполнительных механизмов и электронных контроллеров, что значительно увеличивает сложность и стоимость системы.
Таким образом, существует реальная потребность в механическом узле, который по меньшей мере частично лишен недостатков, присущих вышеуказанным известным конструкциям.
Раскрытие изобретения
Изобретении относится к механическому узлу, содержащему первую деталь с цилиндрической полостью; вторую деталь, имеющую по меньшей мере одну цилиндрическую часть, вставленную в цилиндрическую полость первой детали с зазором, отделяющим цилиндрическую часть от стенки цилиндрической полости и обеспечивающим возможность относительного вращательного движения первой и второй деталей; и систему распределения смазки, выполненную с возможностью подачи в упомянутый зазор жидкой смазки для образования гидростатического подшипника.
Согласно изобретению на первой поверхности, являющейся внутренней поверхностью цилиндрической полости первой детали или внешней поверхностью цилиндрической части второй детали, имеются по меньшей мере два отверстия для подачи смазки, которые отстоят друг от друга не менее чем на 120° вокруг главной оси первой поверхности; а также по меньшей мере одна кольцевая канавка, проходящая по окружности от места вблизи первого отверстия для подачи смазки по меньшей мере на 100° в направлении относительного вращения второй из упомянутых поверхностей относительно первой поверхности, при этом передний конец кольцевой канавки отделен от первого отверстия для подачи смазки.
Посредством такой конструкции можно автоматически сбалансировать скорость потоков смазки, подаваемых в различные зоны гидростатического подшипника. В частности, если первая и вторая детали сближаются в заданном направлении, то соответствующая зона зазора гидростатического подшипника оказывается суженной, что ограничивает сечение потока смазки, оставляя отверстие для подачи смазки расположенным в суженной зоне, сокращая тем самым скорость потока смазки, выходящей через это отверстие и, как следствие, увеличивая скорость потока смазки, вытекающей через другие отверстия. При этом увеличенное количество смазки проходит по кольцевой канавке, так что излишняя смазка подается в зону, расположенную перед зоной сужения.
Таким образом, когда вторая деталь вращается, заданная на ней точка сначала проходит через зону, содержащую излишнюю смазку, и захватывает часть этой смазки перед тем, как достигнуть зоны сужения, обеспечивая тем самым повышенную смазку второй поверхности в зоне сужения и снижая риск того, что первая и вторая поверхности войдут в контакт, а также способствуют центрированию второй поверхности относительно первой.
Естественно, эта система распределения смазки является динамической и может автоматически самосбалансироваться в случае перемещения зоны сужения. Кроме того, в случае повторного центрирования механического узла сужение исчезает, и тогда зазор имеет постоянную ширину вокруг цилиндрического участка второй детали, а сквозные участки отверстий для приема смазки становятся сбалансированными, как и расход смазки.
Таким образом, такой механический узел способен поддерживать и балансировать гидростатический подшипник без каких-либо элементов качения между двумя деталями, причем может осуществлять это автоматически и динамически. В частности, это позволяет снизить риск контакта между двумя деталями независимо от смещения от центра, что способствует центрированию вращающейся детали относительно ее опоры. В таком механическом узле вращающаяся деталь может вращаться плавно, то есть без тряски и с минимальной потерей энергии.
В дальнейшем описании термины «осевой», «радиальный», «касательный», «внутренний», «внешний» и производные от них термины определяются относительно главной оси передачи; термин «кольцевой» определен относительно этой оси; термин «осевая плоскость» обозначает плоскость, проходящую через главную ось передачи; а термин «радиальная плоскость» обозначает плоскость, перпендикулярную главной оси. Кроме того, термины «передний» и «дальний» определены относительно направления вращения второй поверхности относительно первой поверхности.
В отдельных вариантах осуществления изобретения первая деталь вращается вокруг второй детали.
В отдельных вариантах осуществления изобретения первая деталь представляет собой шестерню, а вторая деталь – палец, причем шестерня вращается вокруг этого пальца.
Первая деталь может представлять собой опору, а вторая деталь – вал, вращающийся в этой опоре.
В отдельных вариантах осуществления изобретения первая поверхность является внешней поверхностью цилиндрической части второй детали, а вторая поверхность является внутренней поверхностью цилиндрической полости первой детали. Такую конструкцию легче установить в виде шестерни, вращающейся вокруг пальца, даже если сам палец перемещается в системе координат механического элемента большего размера.
В отдельных вариантах осуществления изобретения цилиндрическая часть второй детали включает в себя камеру для приема смазки, выполненную с возможностью приема смазки из ее источника и гидравлически соединенную с отверстиями для подачи смазки. Камера для приема смазки и каналы, подающие смазку к отверстиям для подачи смазки, образуют часть сети распределения смазки. Такая камера позволяет с легкостью распределять смазку по различным отверстиям для подачи смазки. Подать в нее смазку можно с использованием внешнего распределителя, например, распределителя, описанного во французской заявке на патент № 13/58581.
В отдельных вариантах осуществления изобретения первая поверхность включает в себя расположенные в первой поперечной плоскости первое и второе отверстия для подачи смазки, которые находятся на диаметрально противоположных местах. Это позволяет обеспечить эффективную балансировку относительно первой оси.
В отдельных вариантах осуществления изобретения первая поверхность включает в себя третье и четвертое отверстия для подачи смазки, расположенные в диаметрально противоположных положениях во второй поперечной плоскости, отличной от первой поперечной плоскости. Это позволяет обеспечить эффективную балансировку относительно второй оси.
В отдельных вариантах осуществления изобретения первое и второе отверстия для подачи смазки расположены на прямой, перпендикулярной прямой, на которой расположены третье и четвертое отверстия для подачи смазки. Посредством такого расположения первая и вторая оси балансировки являются перпендикулярными, тем самым, облегчая центрирование системы независимо от направления, в котором произошло смещение от центра.
В отдельных вариантах осуществления изобретения кольцевая канавка проходит по окружности от места вблизи каждого отверстия для подачи смазки по меньшей мере на 100° и в направлении относительного вращения второй из упомянутых поверхностей относительно первой поверхности. Таким образом, смазка забирается из каждого отверстия для подачи смазки в зону, расположенную перед следующим отверстием.
В отдельных вариантах осуществления изобретения кольцевая канавка проходит в той же поперечной плоскости, что и первое отверстие для подачи смазки. Это упрощает прохождение смазки из отверстия к канавке.
В отдельных вариантах осуществления изобретения передний конец кольцевой канавки отделен от первого отверстия для смазки. Другими словами, отверстие выходит не на дно канавки, а на поверхность детали. Так как отверстие не выходит непосредственно в канавку, то выходное сечение потока из отверстия в значительной степени уменьшается в зоне сужения, тем самым значительно увеличивая скорость потока масла по направлению к другим отверстиям.
В отдельных вариантах осуществления изобретения передний конец кольцевой канавки расположен от первого отверстия для смазки менее чем в 10°, предпочтительно менее чем 5°. Это упрощает прохождение смазки из отверстия к канавке.
В отдельных вариантах осуществления изобретения кольцевая канавка проходит по меньшей мере на 160°. Таким образом, смазку доставляют очень близко к зоне сужения.
В отдельных вариантах осуществления изобретения угловое расстояние между задним концом кольцевой канавки и вторым отверстием для приема смазки лежит в диапазоне от 5° до 20°, предпочтительно в диапазоне от 10° до 15°. Это является компромиссом между преимуществом, заключающемся в доставке смазки очень близко к зоне сужения, и преимуществом, заключающемся в том, что смазка, поступающая из второго отверстия, не проникает в кольцевую канавку первого отверстия в ущерб собственной кольцевой канавке.
В отдельных вариантах осуществления изобретения первая поверхность также имеет по меньшей мере одну продольную канавку, проходящую в продольном направлении от дальнего конца кольцевой канавки. Эта продольная канавка позволяет создать пленку масла на значительной протяженности первой поверхности.
Смазкой может быть масло.
Изобретение также относится к передаче типа планетарной зубчатой передачи, которая включает в себя описанный выше механический узел, и в которой первая деталь указанного узла является сателлитом, а вторая деталь – пальцем водила планетарной передачи.
Это позволяет выполнить передачу, например, редуктор, в которой можно использовать самоцентрирующиеся подшипники скольжения для сателлитов. Это гарантирует получение преимуществ вышеописанного механического узла. В результате повышается энергетическая эффективность передачи, и снижаются как ее вибрация, так и нагрев. Срок службы такой передачи также увеличивается.
Изобретение также относится к турбинному двигателю, содержащему описанную передачу.
В отдельных вариантах осуществления изобретения турбинный двигатель также включает в себя турбину низкого давления и вентилятор, а планетарная зубчатая передача также включает в себя солнечную и коронную шестерни.
В отдельных вариантах осуществления изобретения коронная шестерня прикреплена к корпусу предпочтительно с использованием гибкого соединения, солнечная шестерня соединена с турбиной низкого давления через гибкое соединение, а водило планетарной передачи предпочтительно жестко соединено с вентилятором. Термин «гибкое соединение» используется для характеристики соединения, которое является более податливым на изгиб, чем соединение, называемое «жестким».
Описанные и другие особенности и преимущества изобретения в дальнейшем будут более подробно описаны со ссылками на чертежи.
Чертежи являются схематичными и направлены прежде всего на то, чтобы проиллюстрировать принципы изобретения.
Краткое описание чертежей
На чертежах от фигуры к фигуре идентичные элементы (или участки элемента) обозначены одними и теми же ссылочными позициями. Кроме того, элементы (или его части), которые относятся к различным вариантам осуществления изобретения, но обладающие аналогичными функциями, обозначены на фигурах ссылочными позициями, увеличенными на 100, 200 и т.д.
На фиг. 1 показан пример выполнения турбинного двигателя с редуктором, вид в продольном сечении;
на фиг. 2 – теоретическая схема передачи;
на фиг. 3 – шпиндель, вид в перспективе;
на фиг. 4А – разрез по плоскости IVA на фиг. 3;
на фиг. 4В – разрез по плоскости IVВ на фиг. 3;
на фиг. 5А и 5В показана подача смазки, когда шпиндель центрирован, разрезы по плоскостям IVA и IVB, соответственно;
на фиг. 6А и 6В показана подача смазки, когда шпиндель смещен от центра, разрезы по плоскостям IVA и IVB, соответственно;
на фиг. 7 – узел по второму варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;
на фиг. 8А и 8В узел по второму третьему варианту осуществления изобретения, виды в разрезе по двум различным плоскостям.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 показан двухконтурный турбинный двигатель с редуктором, как описано выше, включающий в себя передачу 3 в соответствии с изобретением.
Передача 3 представляет собой планетарную зубчатую передачу 30, аналогичную описанной выше со ссылкой на фиг. 2.
В частности, следует отметить, что в этом примере коронная шестерня 31 прикреплена к корпусу 60 через гибкие фиксаторы 61, водило 35 жестко соединено с валом 2a вентилятора для его приведения в действие, а солнечная шестерня 32 гибко соединена с концом 10a вала 10 низкого давления.
В этом примере, как более ясно видно на фиг. 3, 4А и 4В, каждый из пальцев 34 сателлитов 33 имеет камеру 37 для приема масла, гидравлически соединенную с зазором 36, обеспечивая смазку подшипника через каналы 38, которые проходят через палец 34 и выходят через впрыскивающие отверстия 39а – 39d, называемые отверстиями для подачи смазки.
У пальца 34 имеются первое и второе отверстия 39а и 39b для подачи смазки, расположенные в диаметрально противоположных местах в первой радиальной плоскости IVA, проходящей возле первого конца шпинделя, а также третье и четвертое отверстия 39с и 39d для подачи смазки, расположенные в диаметрально противоположных местах во второй радиальной плоскости IVB, проходящей возле второго конца пальца 34. Третье и четвертое отверстия 39с и 39d расположены со смещением на 90° относительно первого и второго отверстий 39а и 39b, т.е. прямая, соединяющая третье и четвертое отверстия 39с и 39d, перпендикулярна прямой, соединяющей первое и второе отверстия 39а и 39b. Таким образом, отверстия 39а – 39d расположены, соответственно, в положениях 0°, 90°, 180° и 270° вокруг оси F пальца 34.
Каждое отверстие 39а – 39d выходит на поверхность пальца 34. На поверхности пальца 34 также выполнены кольцевые канавки 40а – 40d. Каждая кольцевая канавка 40а – 40d проходит от места вблизи отверстия 39а – 39d для подачи масла в той же плоскости, что и отверстие. Более конкретно, передний конец кольцевой канавки 40а расположен непосредственно после соответствующего отверстия 39а, отходя от него менее чем на 5°, тем не менее, отверстие 39а не выходит непосредственно в канавку 40а. В этом редукторе шестерня 33 вращается по часовой стрелке вокруг пальца 34, так что передний конец кольцевой канавки 40а расположен непосредственно после отверстия 39а в направлении по часовой стрелке.
Каждая кольцевая канавка 40а – 40d, связанная с соответствующим отверстием 39а – 39d, проходит до зоны, расположенной перед другим отверстием 39b, 39a, 39d, 39c в той же радиальной плоскости IVA или IVB. Более конкретно, ее передний конец расположен на расстоянии от 10° до 15° перед упомянутым другим отверстием 39b, 39a, 39d, 39c, т.е., в частности, на расстоянии от 10° до 15° в направлении против часовой стрелки. Таким образом, каждая кольцевая канавка 40а – 40d, проходит примерно на 160°.
Более того, каждая кольцевая канавка 40а – 40d продолжается на дальнем своем конце продольной канавкой. При этом продольные канавки 41а и 41b проходят в продольном направлении от кольцевых канавок 40а и 40b в сторону плоскости IVB, но не достигая их, а продольные канавки 41с и 41d проходят в продольном направлении от кольцевых канавок 40с и 40d в сторону плоскости IVA, но не достигая их.
Передача 3 также содержит распределитель 50 масла, предназначенный для распределения смазывающего масла из устройства 64 подачи масла, выполненного в статоре, к подшипникам 36 сателлитов 33.
Такие распределители известны. Например, распределитель может быть аналогичным распределителю, описанному во французской заявке № 13/58581, в связи с чем распределитель не будет снова подробно описан. Достаточно знать, что он содержит деталь, которую приводят во вращение вместе с водилом 35 и которая получает масло из статора и передает его в камеры 37 для приема масла пальцев 34 через соединительные каналы.
Работа балансировочной системы этого гидростатического подшипника описана ниже со ссылкой на фиг. 5A, 5B, 6A и 6B. На фиг. 5А и 5В шестерня 33 корректно центрирована вокруг пальца 34. В результате в зазоре 36 не возникает зоны сужения: расстояние между поверхностью 34s пальца 34 и внутренней поверхностью центральной полости в шестерне 33 является постоянным по всему периметру пальца 34. В таких условиях масло равномерно распределяется в каналах 38, так что скорости 42а – 42d потока масла, впрыскиваемого через отверстия 39а – 39d, равны.
Таким образом, масло выходит из каждого отверстия 39а-39d и равномерно распределяется в кольцевых канавках 40а-40d и в продольных канавках 41а-41d, так что центрирование шестерни 33не нарушается.
На фиг. 6А и 6В показана ситуация, в которой шестерня 33 смещена от центра относительно пальца 34: шестерня 33 расположена слишком далеко вправо относительно пальца 34, так что с левой стороны шпинделя присутствует зона Р сужения. Из-за этого сужения сечение канала на выходе из отверстия 39а сокращено, из-за чего скорость 42а потока масла, выходящего из этого отверстия 39а, снижается. В таких условиях, поскольку скорость потока, с которой масло входит в камеру 37, является постоянной, то скорости 42b – 42d потока масла, выходящего из других отверстий 39b – 39d, увеличиваются. Более конкретно, в основном увеличивается скорость потока масла через отверстие, расположенное напротив зоны Р сужения, в частности, через отверстие 39b, поскольку сквозные сечения других двух отверстий 39c и 39d также немного уменьшаются, что вызвано смещением шестерни 33 от центра. Таким образом, скорость 42b потока масла из отверстия 39b существенно увеличивается, и через кольцевую канавку 40b и продольную канавку 41b доставляется большее количество масла в зону М, расположенную непосредственно перед зоной Р сужения. В результате, так как на внутреннюю поверхность шестерни 33, когда она проходит через зону М непосредственно перед прохождением зоны Р сужения, наносится повышенное количество масла, то снижается риск трения. Кроме того, наличие большего количества масла в этой зоне позволяет увеличить зону Р сужения, способствуя тем самым центрированию шестерни 33 на пальце 34.
На фиг. 7 показан вариант осуществления изобретения, согласно которому палец 134 вместо двух имеет три отверстия 139а, 139b и 139с для подачи масла в данной радиальной плоскости. Эти три отверстия 139а – 139с расположены на равном расстоянии друг от друга вокруг оси А, т.е. они расположены через каждые 120°. Аналогично предыдущему примеру, палец 134 может иметь три других отверстия для подачи масла, расположенные во второй радиальной плоскости и смещенные по фазе на 60° относительно отверстий 139а – 139с в первой радиальной плоскости.
Аналогично первому примеру, на поверхности пальца 34 выполнены кольцевые канавки 140а – 140с, которые проходят до зоны, расположенной перед отверстием в направлении против часовой стрелки. Более того, аналогично, каждая кольцевая канавка 140а – 140с продолжается на дальнем конце продольной канавкой 141а – 141с.
На фиг. 8 показан третий вариант осуществления изобретения, согласно которому неподвижная часть является основанием 233, в котором вращается вал 234. В этом примере, так как неподвижная часть является внешней, то система распределения смазки выполнена в этой части. Несмотря на эту разницу, система распределения смазки полностью аналогична системе распределения смазки в первом примере: на внутренней поверхности полости основания 233 имеются два отверстия 239а и 239b для подачи масла в первой радиальной плоскости и два отверстия 239с, 239d для подачи масла во второй радиальной плоскости при фазовом сдвиге на 90°. За каждым из этих отверстий 239a – 239d следует кольцевая канавка 240a – 240d и продольная канавка 241a – 241d.
Описанные в настоящем описании варианты осуществления изобретения приведены в качестве неограничивающей иллюстрации, и специалисты в данной области техники могут легко модифицировать эти варианты осуществления изобретения или рассматривать другие варианты, оставаясь при этом в пределах объема изобретения.
Более того, различные особенности этих вариантов осуществления изобретения можно использовать как по-отдельности, так и в комбинации друг с другом. При комбинировании эти особенности можно сочетать так, как было описано выше, либо другими способами, т.к. изобретение не ограничено специфическими сочетаниями, описанными в настоящем описании. В частности, если не указано обратное, любые особенности, описанные со ссылкой на любой вариант осуществления изобретения, можно применять аналогично другим вариантам.