СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ АМОРТИЗАЦИИ ВАЛА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ, В ЧАСТНОСТИ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ВАЛА, И АМОРТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DYNAMIC SHOCK-ABSORBING OF POWER TRANSFER SHAFT, IN PARTICULAR SUPERCRITICAL SHAFT, AND SHOCK-ABSORBING DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение касается способа динамической амортизации вала для передачи мощности, в частности сверхкритического вала, а также амортизирующего устройства для осуществления этого способа.
Вращающиеся валы для передачи мощности, в частности, в турбомашинах, имеют диапазоны номинальной работы, которые могут превышать первую критическую скорость изгиба. По определению, диапазон работы сверхкритических валов всегда превосходит их первую критическую скорость. При резонансе, который возникает при переходе критической скорости, валы для передачи мощности испытывают явления перенапряжения, которые усиливают деформации и нагрузки, вызываемые дисбалансами вала.
Нормативный анализ конструкции вала заданной мощности, который классически имеет передний подшипник и задний подшипник, позволяет определить значения критических скоростей, форму нормативных деформаций, а также распределение деформирующей энергии между компонентами линии вала: передним, задним подшипниками и валом, связывающим эти подшипники.
Представленный пример нормативного анализа сверхкритического вала дает первую величину критической скорости, равную 15000 об/мин, или 70% от номинальной скорости, со значением распределения энергии деформации, составляющим 10% на переднем подшипнике, 30% на заднем подшипнике и 60% на валу.
Для амортизации значительных механических напряжений, связанных с использованием сверхкритических валов, амортизирующие подшипники с масляной пленкой, называемой также «squeeze film», позволяют ограничить амплитуду перенапряжения, вызываемую переходом через критическую скорость.
Однако эти валы могут содержать зубчатые зацепления для передачи мощности, что, обычно, бывает в случае газотурбинных двигателей с редуктором скорости, используемых в авиационной технике, когда скорость вращения вала для передачи мощности повышена. Редуктор скорости позволяет преобразовать мощность для питания приемников (основная коробка передач вертолета, электрогенератор и т. д.). В этом случае использование масляной пленки на подшипниках, которыми оканчиваются зубчатые зацепления вала передачи мощности, исключено. Действительно, эти подшипники должны иметь достаточную жесткость для ограничения любого радиального перемещения зубчатого колеса, испытывающего усилия зубчатого зацепления для передачи момента двигателя, и исключения любого выхода из зацепления или преждевременного износа. Таким образом, для масляных пленок необходимо радиальное перемещение качения для того, чтобы быть сжатыми и обеспечивать амортизирующий эффект. Использование масляных пленок несравнимо, следовательно, с подшипниками, которыми оканчиваются зубчатые зацепления.
Энергия деформации на заднем подшипнике остается всегда значительной - превышающей 10% - а амортизацию на переднем подшипнике трудно осуществить вследствие наличия зубчатых зацеплений для передачи мощности, при этом системы амортизации конструкций двигателей с редукторами скорости и критическими валами расположены, таким образом, на задних подшипниках линии вала.
Однако в некоторых современных конструкциях задние подшипники больше не участвуют в нормативной деформации, и никакая внешняя амортизация не является возможной на уровне этих задних подшипников. Таким образом, на передних подшипниках, обычно, локализуется около 25%, а на валу, примерно, 75% энергии деформации: задние подшипники, которые не работают в амортизирующем режиме, практически не поглощают деформацию (менее 1%). Подшипники ведущего зубчатого колеса становятся, таким образом, единственной зоной, которая может обеспечить внешнюю амортизацию в системе линии вала, процентное содержание энергии деформации в валу в 75% является неприемлемым.
В изобретении предлагается конструкция, позволяющая обеспечить достаточную амортизацию при сохранении жесткости на уровне передних подшипников для того, чтобы не подвергать опасности зубчатые колеса передачи мощности. Для этого создана амортизация динамического сжатия в продолжение заднего подшипника зубчатой передачи.
Точнее, объектом изобретения является способ динамической амортизации на валу передачи мощности, содержащем зубчатую передачу для уменьшения скорости на ведущем зубчатом колесе, с обеих сторон которого размещены входной и выходной суппорты вала зубчатой передачи. В этой конструкции система суппортов продолжена на выходе с помощью, по меньшей мере, одного дополнительного суппорта, спаренного с компрессионной амортизацией при орбитальном движении для формирования выходной амортизации аксиально эксцентричной относительно входного суппорта напротив зубчатой передачи мощности. Такая эксцентричная конструкция позволяет обеспечить динамическую амортизацию.
В соответствии с особыми вариантами осуществления:
- выходное продолжение выполнено с помощью упругой связи, образующей рычаг для выравнивания жесткости, позволяющий регулировать распределение деформации в валу и результирующую энергию амортизации; таким образом, упругая связь позволяет управлять жесткостью выходной амортизации и ограничивать, таким образом, критическую скорость посредством лучшего распределения деформации в валу;
- выходное смещение дополнительной амортизации определено итерацией таким образом, чтобы включить эту амортизацию в деформацию вала для того, чтобы довести до максимума амортизацию путем радиального сжатия; зубчатая передача, таким образом, ограничена с двух сторон двумя жесткими подшипниками, обеспечивающими передачу оптимального момента.
Изобретение относится также к системе динамической амортизации на валу передачи мощности с использованием упомянутого выше способа. Такая система содержит входной и выходной шариковые подшипники для передачи мощности, размещенные с обеих сторон зубчатого колеса передачи для уменьшения скорости. Выходной подшипник спарен, по меньшей мере, с одним дополнительным шариковым подшипником, сочлененным с компрессионным амортизатором, для образования выходного амортизатора, аксиально эксцентричного относительно входного подшипника напротив колеса зубчатой передачи.
Предпочтительно, чтобы два выходных подшипника были соединены упругим сепаратором, установленным на общем корпусе.
Предпочтительно также, чтобы компрессионный амортизатор был образован сжатой пленкой, в частности сжатой пленкой, отцентрованной упругим сепаратором на валу.
Предпочтительно также, чтобы тело качения дополнительного выходного подшипника было шариковым или роликовым.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид нормативной деформации установленного между передним и задним подшипниками классического вала, связанного с ведущим зубчатым колесом;
Фиг.2 изображает половину вида в продольном (частичном) разрезе ведущего зубчатого колеса редуктора, связанного с валом мощности по фиг.1 в соответствии с конструкцией по изобретению;
Фиг.3 изображает (частичный) вид в изометрии вала мощности, снабженного динамическим амортизатором по изобретению, и
Фиг.4а и 4b изображают две диаграммы усилий на передних подшипниках вала мощности в зависимости от скорости вращения, соответственно при отсутствии и при наличии динамического амортизатора по изобретению.
Ниже в описании термины передний или входной относятся, по сравнению с длиной оси Х'Х, к положению элементов, расположенных со стороны ведущего зубчатого колеса или ближе к зубчатому колесу, тогда как термины выходной или задний, по сравнению с длиной оси Х'Х, обозначают положение элементов, более удаленных от ведущего зубчатого колеса или к части, создающей момент двигателя. Кроме того, такими же понятиями характеризуются идентичные или эквивалентные элементы.
В соответствии с общим видом на фиг.1 изображен вал 10 мощности привода турбины 19, представленный в нормативной деформации относительно его оси Х'Х в состоянии покоя, при этом в изгибе участвует примерно 75% энергии деформации, когда задние подшипники практически не участвуют (менее 1%) в амортизации. Передние подшипники 12 и 14, между которыми заключено зубчатое колесо 15, на котором установлено ведущее зубчатое колесо 16 редуктора скорости, выдерживают, таким образом, 25% энергии деформации, которая не амортизирована. Такое распределение не является приемлемым, особенно при резонансе. Усилия, испытываемые подшипниками качения на уровне передних подшипников, изображены на фиг.4а и прокомментированы ниже.
Конструкция в соответствии с изобретением, изображенная на фиг.2 (половина вида в разрезе) и 3 (вид в изометрии), позволяет амортизировать усилия, испытываемые передними подшипниками 12 и 14 твердых роликов - тел качения 12r и 14r без ущерба для зубчатой передачи переднего зубчатого колеса. Подшипники 12 и 14 установлены соответственно в корпусах 32 и 34 фланцев 36 с помощью систем винт-гайка 38 и кольцевых втулок 39.
В этой конструкции передний подшипник 14, расположенный на выходе относительно первого входного подшипника 12 по ориентированной оси Х'Х вала 10, и дополнительный выходной подшипник 20 установлены на конце корпуса 34. Подшипники смазываются по каналам 22 жиклерами 24. Втулка 36 аксиально продолжается упругим сепаратором 24, выполненным из стали с отверстиями типа беличьей клетки, которая продолжается наружным сепаратором 20а подшипника 20. Упругий сепаратор 24 связан, таким образом, с телами качения 14r и 20r, при этом подшипник 20 удерживается в своем положении втулкой 36 через упругий сепаратор 24. В качестве опции, втулка 21 (втулка 21 и корпус 34 не изображены на чертеже, чтобы не скрывать сепаратор), закрепленная системой винт-гайка 38а и продолженная по оси языком 25, позволяет защитить корпус 34. Тело качения 20r этого подшипника с шариками в данном примере является «упорным» - в том смысле, что он воспринимает осевые усилия системы линии вала.
Корпус 34, предпочтительно, имеет в своей центральной части упругий сепаратор 24 из стали с отверстиями типа беличьей клетки между двумя подшипниками 14 и 20. Подшипник 20, который создает динамическую амортизацию путем сочленения с упругим сепаратором 24, расположен, кроме того, эксцентрично относительно входного подшипника 12, принимая центральное сечение зубьев 15 как ориентир. Упругий сепаратор позволяет, таким образом, управлять жесткостью подшипника 20 и, следовательно, регулировать критическую скорость.
Для того чтобы осуществить динамическую амортизацию дополнительного подшипника 20, установленного на упругом сепараторе 24, тело качения 20r радиально комбинируется с масляной пленкой 26. Речь идет о масляной пленке, расположенной между кольцом 25 и наружным сепаратором 20а подшипника 20 аксиально по оси Х'Х между двумя герметизирующими канавками 27 и 28, содержащими, предпочтительно, сегментные уплотнения для управления расходами утечки. Альтернативно, масляная пленка может быть расположена не по центру сепаратора, а непосредственно размещена на корпусе 34 с внешним «плавающим» кольцом подшипника (не изображенным на чертеже).
Процентное отношение энергии деформации, амортизированной масляной пленкой, в режиме движения вала может, таким образом, регулироваться упругостью сепаратора 24, например, с амортизацией, равной или превышающей, примерно, 15%. Такая конструкция позволяет, таким образом, осуществить распределение (в процентном отношении) от 15 до 25/70 до 60/15 между соответственно энергией, амортизированной в переднем подшипнике/энергии, амортизированной в валу/неамортизированной энергии. Такие распределения являются механически полностью приемлемыми.
Кроме того, создаваемое распоркой 23 смещение «d» осуществляет эксцентричное положение подшипника 20 относительно подшипника 14 и регулируется методом последовательных приближений для того, чтобы амортизирующий подшипник 20 находился в месте деформации вала. Между наименьшим смещением и наибольшим смещением достигнут компромисс для уменьшения габаритного размера при увеличении амортизации в режиме работы. Величина смещения является также, в частности, функцией диапазона скоростей работы, длины зубьев и вала, а также диаметра вала. Смещение «d» предназначено для лучшего расплющивания масляной пленки, что повышает ее эффективность и позволяет достичь максимума амортизации, в особенности при переходе от критической скорости изгиба вала (называемой также резонансом). В примере осуществления смещение «d» отрегулировано до 40 мм.
Действительно, при этом режиме - соответствующем малому моменту передачи ведущим зубчатым колесом - вал испытывает орбитальное движение относительно оси Х'Х под влиянием своего собственного дисбаланса (см. фиг.1). Амортизирующий подшипник 20, установленный на упругом сепараторе 24, осуществляет то же движение и вызывает расплющивание масляной пленки 26, усиливающей динамическую амортизацию.
Кроме того, жесткость подшипников, размещенных с обеих сторон зубьев 15 передачи мощности, позволяет обеспечить хорошую устойчивость зубьев при осуществлении передачи момента двигателя даже при появлении деформаций вала или на полной мощности.
Диаграммы на фиг.4а и 4b иллюстрируют усилия в ньютонах Е (N) на совокупности тел качения переднего подшипника вала мощности в зависимости от скорости вращения V в оборотах в минуту (об/мин) соответственно при отсутствии или при наличии динамической амортизации по изобретению.
Первая кривая С1 (фиг.4а) изображает, в частности, весьма значительный пик резонанса Р1, примерно, в 4500 N при переходе режима работы вала к критической скорости в 19000 об/мин. Испытываемые усилия могут вызывать преждевременные износы или выходы зубьев из зацепления.
Вторая кривая С2 (фиг.4b) не имеет такого пика значительного усилия при переходе вала к критической скорости 24000 об/мин благодаря динамической амортизации, осуществляемой конструкцией описанного выше типа. Зарегистрированный пик Р2 поднимается только, примерно, до 1600 N, что является полностью приемлемым.
Изобретение не ограничивается описанными и представленными примерами осуществления. Можно, например, предусмотреть другие типы компрессионной амортизации, нежели масляная пленка: эластомерное уплотнение, сжатый воздух, магнитный подшипник и т.д. Кроме того, гибкая связь может быть выполнена использованием различных материалов, упругого сплава или плетенки из металлических нитей. Кроме того, могут быть предусмотрены несколько дополнительных подшипников для регулирования распределения для осуществления регулирования высокой точности передней амортизации.