УСТРОЙСТВО МАСЛОПЕРЕДАЧИ МЕЖДУ ДВУМЯ СИСТЕМАМИ КООРДИНАТ, ВРАЩАЮЩИМИСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГ ДРУГА, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВИНТАМИ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR TRANSFERRING OIL BETWEEN TWO COORDINATE SYSTEMS ROTATING RELATIVE TO EACH OTHER  AND PROPELLER TURBOMACHINE FOR AIRCRAFT WITH SUCH DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройству маслопередачи между двумя системами координат, вращающимися относительно друг друга и, в частности, но не исключительно, между статическим картером и устройством понижения скоростей или редуктором газотурбинного двигателя со сдвоенными тяговыми винтами противоположного вращения. Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, содержащему указанное устройство маслопередачи.
Архитектура газотурбинных двигателей со сдвоенными винтами противоположного вращения, обозначаемых английским выражением “open rotor”, отличается от архитектуры обычных турбореактивных двигателей тем, что вентилятор является не внутренним, а наружным и что он состоит их двух коаксиальных винтов противоположного вращения, которые могут находиться на входе или на выходе газогенератора. Такая архитектура обеспечивает меньший расход топлива по сравнению с многоконтурными турбореактивными двигателями, применяемыми в настоящее время на гражданских летательных аппаратах.
Как схематично показано на фиг. 1, газотурбинный двигатель 1 со сдвоенными входным 2 и выходным 3 винтами противоположного вращения в основном содержит вдоль центральной продольной оси А две отдельные части. «Газогенераторная» часть G находится внутри неподвижной цилиндрической гондолы 4 с конструктивным картером 5, закрепленной на конструкции летательного аппарата (такой как задняя часть фюзеляжа самолета), а «тяговая» часть Р со сдвоенными винтами 2,3 противоположного вращения образует не капотированный вентилятор (“open rotor”). В данном примере газотурбинного двигателя эта часть Р продолжает газогенераторную часть G и гондолу 4.
Обычно газогенераторная часть G газотурбинного двигателя 1 содержит от входа к выходу в направлении прохождения относительно оси А газового потока F, поступающего в гондолу 4 газотурбинного двигателя, один или два компрессора 7 в зависимости от архитектуры газогенератора с одним или двумя корпусами, кольцевую камеру 8 сгорания, одну или несколько турбин 9 разного давления в соответствии с упомянутой архитектурой, при этом вал 10 одной из них вращает через устройство понижения скоростей или редуктор 11 с эпициклоидными передачами (обозначаемый английским сокращением PGB от Power Gear Box) в противоположных направлениях концентричные и коаксиальные валы 12 и 13 двух расположенных в линию винтов, входного 2 и выходного 3, вокруг оси А газотурбинного двигателя. Обычно газотурбинный двигатель 1 заканчивается соплом 14. Кроме того, предусмотрена не показанная на чертеже система управления для изменения угла установки лопастей в зависимости от различных фаз полета, то есть шага винтов противоположного вращения.
Вкратце можно упомянуть, что во время работы воздушный поток F, поступающий в газотурбинный двигатель 1, сжимается, затем смешивается с топливом и сгорает в камере 8 сгорания. Затем производимые газообразные продукты сгорания проходят в турбинную часть 9 для приведения во вращение в противоположных направлениях через эпициклоидный редуктор 11 винтов 2,3, которые обеспечивают основную часть тяги. Газообразные продукты сгорания удаляются через сопло 14, увеличивая таким образом тягу газотурбинного двигателя 1.
Редуктор (PGB) 11 вентилятора преобразует так называемую высокую скорость вращения силовой турбины 9, силовой вал 10 которой, схематично показанный на фиг. 2, взаимодействует с планетарным валом 15 редуктора 11, в две так называемые низкие скорости вращения двух винтов. Для этого в представленном примере вал 12 входного винта 2 заканчивается кольцевым загибом 16 для соединения во вращении с водилом 17 редуктора, при этом сателлиты 18 водила зацепляются с планетарным валом 15 редуктора. Что касается вала 13 выходного винта 3, он соединен во вращении с наружной коронной шестерней 19 редуктора, зацепляющейся вокруг сателлитов.
Особенностью этого редуктора 11 является то, что он не имеет никакого статического компонента и считается дифференциальным редуктором с эпициклоидными зубчатыми передачами и имеет на входе первоначальную скорость вращения (то есть скорость турбины) и на выходе - две разные скорости вращения в противоположных направлениях (то есть скорости двух ступеней вентилятора).
Для обеспечения оптимальной и надежной работы редуктора необходимо подавать масло для смазки и охлаждения образующих его вращающихся компонентов, учитывая, что этот редуктор подвергается действию различных усилий со стороны входного (турбина) и выходного (винты) валов, а также механическим и термическим внешним воздействиям, возникающим в газотурбинном двигателе.
Для этого, как показано на фиг. 1 и 2, для смазки редуктора предусмотрено устройство 20 маслопередачи, которое соединено с источником 21 питания маслом, находящимся в неподвижной гондоле 4, и расположено с входной стороны этого редуктора, обращенной к турбине, при этом выходная сторона обращена к валам винтов.
Устройство 20 маслопередачи в основном содержит (фиг. 2) два концентричных кольца, наружное 22 и внутреннее 23, отстоящие друг от друга в радиальном направлении, при этом наружное кольцо 22 закреплено на статическом картере 24 корпуса турбины 9, и внутреннее кольцо 23 неподвижно соединено с водилом 17 редуктора. Для перехода вращения между неподвижным наружным кольцом 22, связанным со статическим картером (неподвижная система координат), и вращающимся внутренним кольцом 23, связанным с редуктором (вращающаяся система координат), между кольцами расположены подшипники 25 скольжения или качения.
Отходящий от источника 21 трубопровод 26 питания проходит через одну из радиальных стоек 27 (фиг. 1), предусмотренных между конструктивным картером 5 гондолы 4 и статическим картером 24 корпуса турбины 9, и соединяется с наружным кольцом 22 устройства 20 маслопередачи. Таким образом, масло проходит в пространство между кольцами и выходит из внутреннего кольца 23 в направлении водила 17 для смазки внутренней среды редуктора (водило 17, сателлиты 18, планетарная шестерня 15 и коронная шестерня 19).
Кроме того, трансмиссионные валы 12,13 направляются опорными подшипниками 28,29, находящимися с выходной стороны редуктора, то есть противоположно стороне, где находится устройство 20 перемещения. В частности, предусмотрены два опорных подшипника 28 между двумя концентричными валами 12,13 винтов и два других опорных подшипника 29 между наружным валом 12 входного винта и статическим картером 30 внутреннего корпуса двигателя.
Таким образом, вращающийся редуктор (PGB) 11 может претерпевать колебания как радиального, так и углового положения относительно остальной части газотурбинного двигателя 1, в частности, статических картеров, чего следует избегать. Такие колебания могут привести к смещениям между осью редуктора 11 и осью устройства 20 маслопередачи, так как это устройство соединено с редуктором и с соответствующим статическим картером. Следовательно, эти смещения могут создать между ними механические проблемы, учитывая высокие скорости вращения, и привести к утечкам и/или к плохой смазке редуктора.
Настоящее изобретение призвано решить вышеупомянутые проблемы и предложить устройство маслопередачи, конструкция которого позволяет полностью устранить возможные смещения.
Для этого предложено устройство маслопередачи между двумя системами координат, вращающимися относительно друг друга, такими как статический картер и устройство понижения скоростей газотурбинного двигателя, содержащее:
- два концентричных кольца, наружное и внутреннее, одно из которых соединено с трубопроводом подачи масла, выходящим из одной из систем координат, а другое кольцо соединено с другой из систем координат, при этом масло циркулирует между кольцами, и
- опорные подшипники между кольцами для осуществления смены систем координат между ними,
отличающееся тем, что дополнительно содержит эластичное средство, образующее амортизатор, предусмотренное между первым из упомянутых колец и промежуточным кольцом, которое отделено от второго из упомянутых колец упомянутыми подшипниками, при этом эластичное средство образует герметичную деформирующуюся камеру, в которой масло перемещается между двумя системами координат.
Таким образом, благодаря изобретению, за счет эластичности и способности деформироваться упомянутого средства устройство маслопередачи может следовать различным движениями устройства понижения скоростей (PGB), при этом масло, проходящее через деформирующуюся камеру, образованную между кольцами, обеспечивает амортизацию внешних воздействий и одновременно гарантирует хорошую смазку компонентов редукторного устройства. Происходит компенсирование смещений, в частности, радиальных и угловых, поэтому между двумя системами координат сохраняется совмещение. Таким образом, устройство маслопередачи может выдерживать колебания положения редуктора.
Предпочтительно между наружным, промежуточным и внутренним кольцами предусмотрены переходные отверстия для циркуляции масла.
Предпочтительно переходные отверстия, выполненные в наружном кольце и во внутреннем кольце, полностью обеспечивают перемещение масла между двумя системами координат через устройство. Таким образом, устройство может соединяться через эти наружное и внутреннее кольца с двумя масляными контурами, которые вращаются относительно друг друга и между которыми оно обеспечивает перемещение масла.
Предпочтительно опорные подшипники выполнены таким образом, что образуют вместе с частями упомянутого второго кольца и промежуточного кольца, где выполнены упомянутые переходные отверстия, пространство, в котором масло перемещается между двумя системами координат.
В предпочтительном примере выполнения эластичное средство, образующее амортизатор, содержит два радиальных кольцевых фланца, герметично закрепленных между промежуточным кольцом и упомянутым первым кольцом, при этом упомянутая деформирующаяся камера циркуляции масла ограничена фланцами и соответствующими кольцами. Масло в камере обеспечивает амортизацию внешних воздействий, и эластичность фланцев позволяет, например, в вышеупомянутом варианте применения устройству маслопередачи следовать движениям редуктора, не создавая между ними проблем и одновременно обеспечивая смазку редуктора внутри.
В другом варианте выполнения эластичное средство, образующее амортизатор, имеет форму эластичного кольцевого отсека, неподвижно установленного между промежуточным кольцом и упомянутым первым кольцом, при этом упомянутая камера циркуляции масла ограничена отсеком.
Кроме того, эластичное средство может быть выполнено из разных материалов, если только оно обеспечивает допустимую гибкость или эластичную деформацию и соответствующую надежность работы с точки зрения как механической прочности, так и термической стойкости. Например, можно использовать синтетический или натуральный полимерный пластический материал, эластомер, металлический материал или композиционный материал.
В вышеупомянутом варианте применения система координат, с которой связано кольцо, соединенное с трубопроводом подачи масла, является неподвижной и связана со статическим картером газотурбинного двигателя, а другая система координат является вращающейся и связана с устройством понижения скоростей.
Предпочтительно эластичное средство предусмотрено между неподвижным кольцом и промежуточным кольцом, внутри которого установлены опорные подшипники.
Можно также расположить эластичное средство между вращающимся кольцом и промежуточным кольцом, снаружи которого установлены опорные подшипники.
Предпочтительно неподвижное и вращающееся концентричные кольца являются соответственно наружным и внутренним кольцами.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, в частности, для летательного аппарата, содержащий газогенераторную часть и тяговую часть со сдвоенными коаксиальными винтами противоположного вращения, приводимыми во вращение через дифференциальный эпициклоидный редуктор, связанный с турбиной газогенераторной части и смазываемый при помощи устройства маслопередачи.
Предпочтительно устройство маслопередачи является описанным выше устройством.
Изобретение будет более понятно при рассмотрении прилагаемых чертежей. На фигурах чертежей подобные элементы имеют одинаковые обозначения.
Фиг. 1 изображает  схематичный вид в продольном разрезе газотурбинного двигателя со сдвоенными винтами противоположного вращения, такого как газотурбинный двигатель “open rotor”.
Фиг. 2 - увеличенный вид части фиг. 1, в частности, схематично иллюстрирующий устройство маслопередачи с встроенным деформирующимся средством в соответствии с изобретением между статическим картером и вращающимся устройством понижения скоростей.
Фиг. 3 - детальный вид в продольном разрезе примера выполнения устройства маслопередачи в соответствии с изобретением, содержащего деформирующееся средство между статическим картером и редукторным устройством.
Фиг. 4 - частичный вид в изометрии системы питания маслом устройства маслопередачи с деформирующимся средством от статического картера газотурбинного двигателя.
Заявленное устройство 20 маслопередачи, детально показанное на фиг. 3, позволяет подавать смазочное масло, поступающее из статического картера (неподвижная система координат) газотурбинного двигателя, в устройство понижения скоростей или редуктор PGB 11 (вращающаяся система координат), вращающий валы винтов. Путь масла символично показан стрелками Т. Устройство 20 находится в кольцевом внутреннем пространстве газотурбинного двигателя 1, расположенном вокруг вала 10 турбины и ограниченном ее неподвижным картером 24 и входной стороной редуктора PGB 11.
В представленном примере выполнения устройство 20 маслопередачи содержит неподвижное внутреннее кольцо 22, вращающееся внутреннее кольцо 23, опорные подшипники 25, такие как подшипники качения между двумя кольцами, и, согласно изобретению, эластичное средство 31, образующее амортизатор, представляющее собой герметичную и деформирующуюся кольцевую камеру 32, в которой проходит смазочное масло в направлении редуктора.
В частности, в боковой стенке 33 наружного кольца 22 выполнены радиальные входные отверстия 34, с которыми соединены соответствующие трубопроводы 26 подачи масла из неподвижного картера, как показано в перспективе на фиг. 4 (на которой показан только один трубопровод) и стрелкой Т на фиг. 3. Для этого на стенке 33 вокруг каждого входного отверстия 34 предусмотрен прилив 35 для соединения соответствующего трубопровода. Кроме того, наружное кольцо 22 имеет наружный радиальный концевой бортик 36, неподвижно соединенный со статическим картером 24 силовой турбины 9 при помощи крепежных элементов (винтов) 37. Таким образом, наружное кольцо 22 связано с неподвижной системой координат (статический картер).
Внутреннее кольцо 23 неподвижно соединено с редуктором PGB 11, в частности, с промежуточной цилиндрической деталью 47 вращающегося водила 17. Таким образом, внутреннее кольцо связано с вращающейся системой координат. В его боковой стенке 38 предусмотрены радиальные выходные отверстия 39, позволяющие маслу проходить через соответствующие каналы 40 между кольцом 23 и деталью 47 во вращающуюся систему координат внутрь редуктора 11, как показано стрелками Т.
Между двумя кольцами 22 и 23 устройства 20 маслопередачи находятся два подшипника 25, которые в этом примере выполнения установлены между внутренним кольцом 23 и промежуточным кольцом 41. Таким образом, отстоящие друг от друга в осевом направлении два подшипника опираются на боковую стенку 38 внутреннего кольца 23 и на боковую стенку 42 промежуточного кольца 41 и обеспечивают смену систем координат.
В этом примере эластичное средство 31, образующее амортизатор, предусмотрено между боковой стенкой 42 промежуточного кольца 41 и боковой стенкой 33 наружного кольца 22, чтобы получить герметичную и деформирующуюся внутреннюю камеру 32, в которую поступает и в которой затем проходит смазочное масло. Для этого в боковой стенке 42 промежуточного кольца выполнены проходные отверстия 43, устанавливающие гидравлическое сообщение между герметичной камерой 32 эластичного средства 31 и пространством 44 между подшипниками 25, то есть до выходов 39 внутреннего кольца и каналов 40, проходящих внутрь редуктора 11. Таким образом, масло непрерывно циркулирует в устройстве 20 маслопередачи, проходя через камеру, пространство и каналы.
В примере, представленном на фиг. 3, эластичное средство 31 образовано двумя деформирующимися кольцевыми фланцами или диафрагмами 45, отстоящими друг от друга параллельно и соединяющимися по существу на уровне концов наружного 22 и промежуточного 41 колец. На фиг. 3 видно, что наружные и внутренние периферические края этих фланцев 45 закреплены на соответствующих боковых стенках 33, 42 наружного кольца и промежуточного кольца с применением дополнительных кольцевых герметичных средств 46 крепления. Следует отметить, что фланцы являются идентичными и имеют форму сильфона, будучи расположенными друг против друга и обеспечивая гибкость и эластичную деформацию.
В зависимости от выбранного материала, придающего им соответствующую гибкость и обеспечивающего их эластичную деформацию, чтобы следовать движениям редуктора, фланцы 45 можно закрепить на кольцах посредством сварки, если они выполнены из металлического материала, или приклеить, если они выполнены из синтетического или натурального пластического материала, например, из эластомера. Разумеется, материал выбирают таким образом, чтобы, кроме эластичной деформации, обеспечивать механическую и термическую стойкость фланцев во время работы газотурбинного двигателя и гарантировать, таким образом, надежность и длительный срок службы устройства 20 маслопередачи.
Внутренняя герметичная камера 32 эластичного средства 31 заполняется смазочным маслом, что обеспечивает амортизацию внешних воздействий между редуктором 11 и неподвижным наружным кольцом 22 устройства 20 маслопередачи за счет гибкости кольцевых фланцев 45, которые позволяют, таким образом, следовать движениям редуктора, обеспечивая при этом его смазку. Таким образом, возможные смещения, которые могут происходить под действием редуктора, воспринимаются эластичным амортизирующим средством 31 устройства 20 маслопередачи, не создавая между ними механических проблем. Следует отметить, что внутренний объем камеры остается по существу постоянным, но он деформируется на уровне фланцев в зависимости от действующих напряжений.
Поперечное сечение эластичного средства 31, образующего амортизатор и ограничивающего заполненную маслом герметичную внутреннюю камеру 32, может отличаться от показанного сечения с фланцами в виде сильфона. Действительно, эти фланцы могут быть выпуклыми, наклоненными, ступенчатыми и даже просто прямолинейными, то есть радиальными, если только они обеспечивают соответствующую гибкость.
Далее следует описание дифференциального редуктора 11 с обратной эпициклоидной зубчатой передачей и с противоположным вращением двух винтов, входного 2 и выходного 3.
Как показано на фиг. 3, он содержит вдоль продольной оси А планетарный входной вал 15 в виде зубчатого колеса, которое установлено при помощи шлицевого соединения на валу 10 турбины, вращающемся в одном направлении вращения и приводящем во вращение редуктор 11. Сателлиты 18 в количестве трех (на фигуре показан только один из них), расположенные на 120° друг от друга, зацепляются вокруг входного вала 15 и установлены на водиле 17, которое вращается, таким образом, в направлении вращения, противоположном вращению входного вала. Наружная коронная шестерня 19 зацепляется с сателлитами и вращается в том же направлении вращения, что и входной вал 15 и в направлении, противоположном вращению водила 17.
Таким образом, водило 17 содержит три параллельные полые оси 50, на которых соответственно установлены сателлиты 18, соответствующие в этом примере двум идентичным подшипникам (качения), установленным с линейным совмещением и отстоящим друг от друга. Полые оси 50 соединены между собой водилом. Промежуточная цилиндрическая деталь 47 заходит в три полые оси, будучи соединенной с водилом, и доставляет масло, поступающее из каналов 40, внутрь этих осей, затем, как показано стрелками Т, в сателлиты, коронную шестерню и планетарный вал редуктора 11.
Благодаря эластичному средству 31, образующему амортизатор, предусмотренному между неподвижным и вращающимся кольцами, устройство 20 маслопередачи может выдерживать колебания угловых и/или радиальных положений редуктора PGB, с которым связано вращающееся кольцо 23, относительно статического картера, с которым связно неподвижное кольцо 22.
В не показанном на фигурах варианте выполнения эластичное средство может быть выполнено в виде эластичного кольцевого отсека наподобие автомобильной воздушной камеры. При этом эластичный кольцевой отсек расположен между соответствующими кольцами и неподвижно с ними соединен. В стенке отсека выполнены отверстия для обеспечения прохождения масла от входов наружного кольца до выходных каналов, ведущих к редуктору, через герметичную внутреннюю камеру эластичного кольцевого отсека.
Аналогично предыдущему варианту с фланцами, этот вариант выполнения эластичного средства обеспечивает амортизацию внешних воздействий и восприятие движений (смещений) редуктора и одновременно обеспечивает смазку. Поперечное сечение не ограничивается строго круглой формой и может быть эллиптическим, овальным, уплощенным цилиндрическим и т.д., не выходя за рамки изобретения.