МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, РАЗРУШАЕМЫЙ ПРИ КРУЧЕНИИ, И АГРЕГАТ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ОСНАЩЕННЫЙ ТАКИМ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕМ
MECHANICAL SAFETY DEVICE, WHICH IS DESTRUCTIBLE AT TORSION, AND GAS TURBINE ENGINE COOLING UNIT EQUIPPED WITH SUCH SAFETY DEVICE

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к механическому предохранителю, разрушаемому при кручении. Изобретение относится также к агрегату охлаждения газотурбинного двигателя, оснащенному таким механическим предохранителем.
2. Уровень техники
Во многих областях техники, в частности, в авиации, необходимо иметь механические соединения валов, которые могут разрываться, когда на эти соединения действуют моменты противоположных сил, которые превышают заранее определенное значение. Эта функция позволяет защищать детали на выходе этих соединений. Для этого, как известно, на линиях валов выполняют секции, разрушаемые при кручении. Такая секция, разрушаемая при кручении, может разрываться, когда на нее действует момент противоположных сил, превышающий заранее определенное значение.
Одним из недостатков этого решения является то, что, когда разрушаемая секция разрывается, необходимо заменить весь вал, что требует в некоторых случаях демонтажа всех органов, связанных с этим валом. В частности, это относится к агрегатам охлаждения газотурбинных двигателей. Агрегат охлаждения содержит шестерню и рабочее колесо, установленное консольно на валу, на котором установлена шестерня. Если разрушаемая секция, выполненная на валу за счет локального уменьшения диаметра, разрывается, необходимо снять рабочее колесо и редукторный модуль, соединенный с агрегатом охлаждения, чтобы заменить приводной вал. Это усложняет обслуживание и замену такой разрушаемой секции и делает ее мало практичной.
Кроме того, если максимальный момент является относительно слабым, что происходит, например, в случае рабочих колес агрегатов охлаждения, разрушаемая секция может иметь небольшой размер, что может усложнить монтаж (чтобы не подвергать ее напряжению) и привести к большим напряжениям во время работы (динамика линии вала, перемещение под нагрузкой маневров).
Другое решение для выполнения секции, разрушаемой при кручении, состоит в использовании полого вала с локальным уменьшением количества материала на его внутренней или наружной стенке. В этом решении остаются недостатки предыдущего решения. Кроме того, расчет размеров для момента разрыва при таком решении приводит к небольшим значениям толщины, которые трудно контролировать.
Другим решением является запрессовка одного механического органа на другом и контроль усилия скольжения. Одним из недостатков этого решения является затрудненный контроль скольжения в рабочем температурном диапазоне рассматриваемых органов. Этот недостаток не позволяет адаптировать это решение для агрегатов охлаждения газотурбинных двигателей.
В связи с этим существует потребность в усовершенствованном решении для выполнения секции, разрушаемой при кручении, внутри механического соединения органов в газотурбинном двигателе. Такая потребность возникает, в частности, но не ограничительно для использования внутри агрегатов охлаждения газотурбинных двигателей.
В частности, существует потребность в решении, которое позволяет заменять эту разрушаемую секцию без особых трудностей, в частности, не прибегая к полному демонтажу механических органов, связанных с этим соединением.
3. Задачи изобретения
Задачей изобретения является устранение по меньшей мере некоторых недостатков известных решений для выполнения секций, разрушаемых при кручении, в механических соединениях внутри газотурбинного двигателя.
По меньшей мере в одном варианте выполнения изобретение призвано предложить разрушаемую секцию, которая сама по себе является более прочной при монтаже и в отношении усилий изгиба.
По меньшей мере в одном варианте выполнения изобретение призвано предложить разрушаемую секцию, которую без особых трудностей может заменить оператор.
Изобретение призвано также предложить агрегат охлаждения, оснащенный разрушаемой секцией в соответствии с изобретением.
4. Раскрытие изобретения
Объектом изобретения является механический предохранитель, предназначенный для неподвижной установки в газотурбинном двигателе между приводным механическим органом, называемым ведущим органом, и исполнительным механическим органом, называемым ведомым органом, каждый из которых вращается вокруг одной и той же оси вращения.
Заявленный предохранитель содержит корпус, расположенный в продольном направлении, параллельном упомянутой оси вращения, после установки предохранителя между упомянутыми ведущим и ведомым органами.
Заявленный предохранитель отличается тем, что упомянутый корпус содержит множество продольных стержней, при этом каждый стержень выполнен с возможностью деформироваться путем изгиба под действием момента кручения, прикладываемого ко всем стержням, образуя разрушаемый механический предохранитель.
Таким образом, изобретением предложено новое решение для выполнения секции, разрушаемой при кручении, внутри соединения механических органов в газотурбинном двигателе. Это решение состоит в использовании механического предохранителя, являющегося присоединяемой деталью, которая соединяет между собой два механических органа. Особенностью этого механического предохранителя является то, что он содержит множество деформирующихся стержней, каждая из которых изгибается под действием момента кручения. Этот набор стержней, выполненных продольно вдоль оси вращения механических органов, соединенных этим предохранителем, образует предохранитель, разрушаемый при кручении. Иначе говоря, сопротивление кручению предохранителя зависит от сопротивления изгибу стержней. Заявленный предохранитель позволяет увеличить жесткость при изгибе, что снижает чувствительность к биению. Иначе говоря, заявленный предохранитель позволяет получить секцию, разрушаемую при кручении, которая обладает меньшей способностью разрываться ненадлежащим образом, чем известные разрушаемые секции.
Кроме того, заявленный предохранитель позволяет лучше рассчитывать размеры разрушаемой секции за счет определения числа стержней, длины стержней, ширины стержней, толщины стержней, поперечного сечения стержней и, в целом, всех размерных и геометрических характеристик стержней.
Предпочтительно заявленный механический предохранитель содержит средства реверсивного соединения предохранителя с упомянутым ведущим органом, выполненные на продольном конце упомянутого корпуса, называемом дистальным концом.
Предпочтительно, согласно изобретению, упомянутый дистальный конец упомянутого корпуса имеет цилиндрический участок или конический участок, соответствующий цилиндрическому или коническому участку упомянутого ведущего органа. Эти участки образуют средства реверсивного соединения.
Коническое или цилиндрическое соединение между механическим предохранителем и ведущим органом обеспечивает минимальную эксцентричность, что позволяет ограничить биение ведомого органа. В частности, в случае использования механического предохранителя согласно этому варианту в качестве детали соединения между шестерней агрегата охлаждения и рабочим колесом, установленным консольно на шестерне через механический предохранитель, коническое соединение образует опорную точку балансировки. Это гарантирует, что соединение между шестерней и рабочим колесом можно повторять идентично во время каждого монтажа.
Предпочтительно заявленный механический предохранитель содержит средства реверсивного соединения предохранителя с упомянутым ведомым органом, выполненные на продольном конце упомянутого корпуса, называемом проксимальным концом.
Предпочтительно, согласно изобретению, упомянутый проксимальный конец упомянутого корпуса содержит крепежную площадку, выполненную с возможностью крепления на упомянутом ведомом органе. Эта крепежная площадка образует средства реверсивного соединения.
Таким образом, монтаж и демонтаж механического предохранителя является исключительно легким. Кроме того, в рамках использования для агрегата охлаждения газотурбинного двигателя предохранитель можно снимать и заменять, не прибегая, в частности, к демонтажу редуктора агрегата.
Предпочтительно, согласно изобретению, корпус является полым.
Полый корпус позволяет, в частности, пропускать крепежные элементы в центр корпуса. Использование стержней позволяет сохранять толщины материала, которые легко поддаются механической обработке, и их размеры позволяют контролировать диапазон разрыва разрушаемой секции под действием крутящего момента. Эти крепежные элементы содержат, например, гайку или винт, который проходит в полый корпус до дистального конца предохранителя. Эти крепежные элементы обеспечивают соединение предохранителя с ведущим органом с одновременным взаимодействием конических участков.
Предпочтительно, согласно этому варианту, механический предохранитель содержит распорку, выполненную с возможностью установки в упомянутом полом корпусе через упомянутый проксимальный конец и с возможностью приведения в положение опоры упомянутого конического участка дистального конца на соответствующий упомянутый конический участок упомянутого ведущего органа.
Использование распорки позволяет ограничить внутренний диаметр механического предохранителя и облегчает доступ к крепежным элементам типа винт/гайка. Кроме того, эта опора конического участка дистального конца на конический участок ведущего органа обеспечивает приведение во вращение ведомого органа ведущим органом через механический предохранитель.
Предпочтительно, согласно этому варианту, упомянутая распорка содержит заплечик, позволяющий ограничивать осевое перемещение упомянутого ведомого органа в случае механического разрыва предохранителя.
Заплечик, выполненный на распорке, позволяет блокировать осевое перемещение ведомого органа в случае разрыва разрушаемой секции, образованной механическим предохранителем.
Согласно другому варианту, механический предохранитель содержит винт, заходящий напрямую в упомянутый полый корпус, для приведения упомянутого конического участка дистального конца в положение опоры на соответствующий конический участок упомянутого ведущего органа.
Предпочтительно, согласно изобретению, корпус является цилиндрическим, и предохранитель содержит три стержня, равномерно распределенные вокруг упомянутого корпуса.
Разумеется, в других вариантах механический предохранитель может содержать более трех стержней.
Объектом изобретения является также агрегат охлаждения газотурбинного двигателя, содержащий приводной вал и рабочее колесо, установленное консольно на упомянутом валу, отличающийся тем, что содержит заявленный механический предохранитель.
Объектами изобретения являются также механический предохранитель и агрегат охлаждения газотурбинного двигателя, отличающиеся в комбинации всеми или частью упомянутых выше и описанных ниже отличительных признаков.
5. Список фигур
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в разрезе известного агрегата охлаждения газотурбинного двигателя, содержащего приводной вал, рабочее колесо, установленное консольно на этом валу, и секцию, разрушаемую при кручении, образованную посредством уменьшения диаметра приводного вала.
Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе агрегата охлаждения газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения, содержащего приводной вал, рабочее колесо, установленное консольно на этом валу, и секцию, разрушаемую при кручении, образованную механическим предохранителем согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 3 - вид в перспективе механического предохранителя согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 4а и 4b - схематичные виды соответственно в разрезе и сверху стержня механического предохранителя согласно варианту выполнения изобретения.
6. Подробное описание варианта выполнения изобретения
В иллюстративных целях и для большей ясности масштабы и пропорции на фигурах строго не соблюдены. В дальнейшем тексте подробного описания, представленного со ссылками на фигуры, если только не указано иное, каждый элемент механического предохранителя описан для случая, когда предохранитель установлен в агрегате охлаждения газотурбинного двигателя между ведущей шестерней агрегата и рабочим колесом агрегата охлаждения, установленном консольно на шестерне. Эта конструкция показана на фиг. 2.
На фиг. 1 частично показан известный агрегат охлаждения. Этот агрегат охлаждения содержит шестерню 8, установленную на валу 9, и рабочее колесо 10, установленное консольно на валу 9. Шестерня 8 и вал 9 выполнены заодно, поэтому в дальнейшем тексте описания равнозначно использованы обозначения шестерни 8 или вала 9 для указания узла, образованного шестерней 8 и валом 9. Это механическое соединение между валом 9 и рабочим колесом 10 содержит секцию 11, разрушаемую при кручении, образованную путем уменьшения диаметра вала 9. Эта разрушаемая секция обычно выполнена путем локального уменьшения диаметра вала 9 примерно на 5 мм.
Из фиг. 1 понятно, что, если разрушаемая секция 11 разрывается, необходимо заменить вал 9. Кроме того, чтобы получить доступ к валу 9, необходимо снять механические органы, находящиеся на входе этой шестерни, такие как редуктор, не показанный на фигурах для упрощения, и рабочее колесо 10.
На фиг. 2 представлен схематичный вид этого же агрегата охлаждения, в котором разрушаемая секция 11 заменена механическим предохранителем 12 согласно варианту выполнения изобретения. Форма рабочего колеса 10 и форма вала 9 были слегка изменены для обеспечения монтажа заявленного механического предохранителя.
В частности, этот механический предохранитель содержит полый корпус 13, дистальный конец 20, выполненный с возможностью опоры на конец вала 9, и проксимальный конец, выполненный с возможностью соединения с рабочим колесом 10.
Для этого дистальный конец 20 содержит внутренний конический участок (этот конический участок показан на фиг. 2), который соответствует коническому участку 22, выполненному на конце вала 9. Кроме того, в полый корпус 13 можно ввести винт 23 через проксимальный конец 21 для неподвижного соединения механического предохранителя 12 и вала 9. Для этого конический участок 22 вала 9 имеет резьбовое отверстие, выполненное с возможностью завинчивания в него винта 23.
Винт 23 и конические участки 20, 22 образуют средства соединения предохранителя 13 с валом 9.
Проксимальный конец 21 предохранителя содержит крепежную площадку 25. Эта площадка содержит четыре отверстия 26, при этом в каждое отверстие можно запрессовать штифт 27 для крепления рабочего колеса 10 на крепежной площадке. Для этого рабочее колесо 10 тоже содержит четыре отверстия, расположенные напротив отверстий 26 крепежной площадки.
Для облегчения получения опорного положения конических участков предохранитель дополнительно содержит распорку 29, установленную в корпусе 13. Установку этой распорки 29 производят через проксимальный конец механического предохранителя. Эта распорка позволяет удерживать в положении опоры конический участок 22 вала 9 при помощи дистального конца 20 конической формы предохранителя. Между распоркой 29 и корпусом 13 механического предохранителя 12 предусмотрен радиальный зазор, чтобы избегать трений и обеспечивать разрыв предохранителя при заданном крутящем моменте.
Кроме того, эта распорка 29 содержит заплечик 30, позволяющий ограничивать осевое перемещение рабочего колеса 10 в случае механического разрыва предохранителя. Между заплечиком 30 распорки 29 и площадкой 25 механического предохранителя предусмотрен также осевой разор, чтобы избегать трений и обеспечивать разрыв предохранителя при заданном крутящем моменте.
Кроме того, как показано более детально на фиг. 3, механический предохранитель согласно представленному варианту выполнения содержит три продольных стержня 14, равномерно распределенных вокруг полого корпуса 13, при этом каждый стержень 14 выполнен с возможностью деформироваться путем изгиба. Стержни 14 воспринимают момент, связанный с приведением во вращение рабочего колеса 10 шестерней 8, и работают на изгиб.
На фиг. 4а и 4b схематично показан стержень 14 и его деформация на изгиб. Как можно отметить, если к предохранителю приложить момент С, то на каждый стержень действует сила F, касательная к полому корпусу 13. Эта сила F является такой, при которой С=n.r.F, где r является радиусом нейтральной оси относительно оси 7 вращения, и n является числом стержней (в данном случае n=3). В соответствии с теорией балок, закрепленных на двух опорах, максимальный момент М изгиба определяется отношением M=F.L/2, где L является длиной стержня. На фиг.4b представлен вид сверху стержня 14, на которую действует сила F. Стержень деформируется путем изгиба. Затем можно определить критерий разрыва стержней, когда значение напряжения в сечении балки равно максимальному напряжению в любой зоне разрыва. Это значение зависит от пластичности стержня и от выбора материалов.
Согласно варианту выполнения, представленному на фигурах, каждый стержень 14 имеет прямоугольное поперечное сечение, длина которого равна 2.95 мм, и ширина равна 2.9 мм. Нейтральная ось находится на радиусе 6.475 мм относительно оси 7 вала. Кроме того, каждый стержень имеет длину 11.85 мм. Разумеется, эти размеры указаны только в качестве примера, и изобретение не ограничивается этим вариантом выполнения. Для стержней из нержавеющей стали расчеты показывают диапазон момента разрыва от 18.4 Н.м до 40.5 Н.м. Кроме того, испытания показывают, что при радиальном усилии в 100 Н, получают жесткость при изгибе, равную 15453 Н/мм, что намного выше, чем жесткость в 7545 Н/мм в известных решениях.
Изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения. В частности, механический предохранитель может содержать более трех стержней и может быть использован в других соединениях, отличных от соединений агрегата охлаждения газотурбинных двигателей.