МУФТА ГАЗОГЕНЕРАТОРА
GAS GENERATOR CLUTCH

Изобретение относится к газотурбинным силовым установкам легких и беспилотных летательных аппаратов, а именно к конструкции газогенераторов газотурбинных двигателей (ГТД). Изобретение может быть использовано в области машиностроения и предназначено для быстрого соединения и рассоединения соосных валов машин с удерживающими средствами, например валов составных роторов ГТД, вращающимися с муфтой и взаимодействующими посредством взаимозацепляющихся элементов.
Выполнение ротора составным из двух соосных роторов, например, газогенератора ГТД, состоящего из двух центробежных колес, первое из которых составляет первый ротор, а второе центробежное колесо, соединенное специальным болтом и гайкой с турбиной и образующее второй соосный ротор, позволяет установить каждый ротор на своих подшипниках - роликовом, воспринимающем только радиальную нагрузку, и шариковом радиально-упорном, воспринимающем как радиальную, так и осевую нагрузку - для обеспечения выведения критической частоты вращения ротора в сборе за пределы рабочих частот вращения.
Такое решение значительно упрощает конструкцию единого ротора газогенератора ГТД за счет исключения из конструкции газогенератора стального вала, с посаженными на него рабочими колесами компрессора и турбины, который приводил к необходимости демпфирования для уменьшения вибраций при прохождении критических частот вращения во время выхода газогенератора на рабочие режимы и вывода критических частот за пределы рабочих режимов. Демпфирующие устройства сложны в изготовлении и отладке и требуют дополнительного подвода и отвода смазки, а также существенно усложняют изготовление, сборку и разборку газогенератора при плановых осмотрах и ремонтах в эксплуатации.
Передача крутящего момента между двумя соосными роторами осуществляется через шлицевое соединение.
Однако в осевом направлении оба соосных ротора в этом случае не связаны между собой. Поэтому у первого ротора, содержащего только компрессорную ступень, например центробежную, осевая сила, возникающая при вращении ротора и направленная на вход газогенератора, воспринимается только шариковым радиально-упорным подшипником, а второй ротор, содержащий компрессорную и турбинную ступени, также воспринимает осевую нагрузку шариковым подшипником, но направленную в другую сторону, так как осевая сила, создаваемая турбинной ступенью, превосходит осевую силу, создаваемую второй компрессорной ступенью.
Известен узел быстроразъемного соединения валов, включающий зубчатую муфту и промежуточный вал, на концах которого расположены полумуфты с втулками, соединенными с валами при помощи шлицев. В узле установлены подпружиненные двуплечие рычаги, причем одно плечо каждого рычага закреплено на втулке, а другое расположено в пазу, выполненном в промежуточном валу (авторское свидетельство СССР №201844, F16D 1/108, 1967). Узел обеспечивает надежное и быстрое соединение муфты в осевом направлении. Однако такое соединение требует значительных затрат физического труда и времени при его разборке.
Известна втулочная муфта (авторское свидетельство СССР №391300, F16D 1/10, 1973), которая содержит закрепленную на ведущем валу втулку, несущую защелку с головками, заходящими в сквозные окна, выполненные во втулке и взаимодействующие с ведущим валом. Защелки размещены в продольных пазах, выполненных во втулке параллельно ее оси, а головки защелок подпружинены и имеют заходные фаски на торцах. Муфта повышает скорость сцепления и расцепления валов без предварительного их взаимного углового центрирования. Однако муфта не обеспечивает жесткого сцепления ведущего и ведомого валов, что особенно важно для работы высокооборотных машин.
Наиболее близким техническим решением является газогенератор ГТД (RU 2487258, F02C 7/36, 2012), который содержит двухступенчатый центробежный компрессор, камеру сгорания и, по меньшей мере, одну осевую ступень турбины, связанную с компрессором по оси в единый ротор, установленный в статоре на подшипниках качения. Выключаемая муфта соединения задней ступицы первой ступени и передней ступицы второй ступени компрессора с механически действующими сцепляющими органами выполнена в виде кольцевых выемок, расположенных внутри задней ступицы первой ступени, и снаружи передней ступицы второй ступени, совмещенных по оси, в которых находятся шарики одного диаметра. При пуске газогенератора ротор набирает обороты, и шарики под действием центробежных сил перемещаются в совмещенную по оси выемку, расположенную внутри задней ступицы первой ступени, обеспечивая неразъемное соединение в осевом направлении.
Однако расчеты показывают, что в ряде случаев, когда по конструктивным соображениям невозможно использовать шарики необходимой массы, которые бы обеспечивали неразъемное соединение роторов при рабочих оборотах газогенератора, вместо шариков могут применяться элементы сцепления, обладающие значительно большей массой, как, например, в предлагаемой заявке на изобретение.
При передаче существенных осевых усилий между роторами в месте контакта шариков с цапфами возникают высокие уровни контактных напряжений, что приводит к необходимости увеличения размеров шариков и, соответственно, к увеличению габаритов соединения.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- расширение диапазона по частоте вращения для эффективной работы муфты;
- уменьшение контактных напряжений.
Поставленные задачи решаются тем, что муфта газогенератора содержит средства для передачи крутящего момента и осевого сцепления между валами в виде перемещающихся элементов, размещенных в кольцевых выемках, выполненных в задней и передней цапфах первого и второго роторов соответственно.
Новым в изобретении является то, что перемещающиеся в кольцевых выемках элементы сцепления выполнены в виде подпружиненных сегментов и предохранительных элементов. Предохранительные элементы расположены между сегментами и взаимодействуют с ними. Пружина, контактирующая с сегментами, выполнена в виде втулки с осевыми лепестками, установлена и закреплена на передней цапфе второго ротора крепежными элементами. Внутренняя поверхность трубчатой задней цапфы первого ротора выполнена профилированной, расширяющейся от основания лепестков пружины в сторону кольцевой выемки и ограничивающей раскрытие лепестков пружины.
Новым также является то, что кольцевая выемка задней цапфы первого ротора выполнена с боковыми поверхностями, перпендикулярными оси роторов, конусными или торовыми, конгруэнтными с контактирующими поверхностями сегментов.
В соответствии с изобретением:
- выемки выполнены в виде поперечных оси роторов кольцевых канавок, расположенных напротив друг друга;
- элементы сцепления роторов выполнены в виде сегментов, установленных в кольцевую выемку передней цапфы второго центробежного колеса;
- кольцевая лепестковая пружина, удерживающая элементы сцепления (сегменты) в кольцевой выемке передней цапфы второго центробежного колеса при остановке ротора, выполнена в виде втулки с прорезями, образующими лепестки, и закреплена на той же передней цапфе второго центробежного колеса;
- элементы крепления лепестковой пружины на передней цапфе второго центробежного колеса выполнены, например, в виде круглой гайки и стопора;
- предохранительные элементы, расположенные между сегментами, выполнены, например, в виде цилиндрических роликов;
- кольцевая выемка, расположенная в задней цапфе первого ротора (центробежного колеса) над кольцевой выемкой с сегментами, выполнена с боковыми поверхностями, перпендикулярными оси роторов, или конусными с углом конусности меньшим 90°.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач:
- расширение диапазона по частоте вращения для эффективной работы муфты достигается за счет увеличения массы сегментов;
- уменьшение контактных напряжений за счет увеличения площади контакта перемещающихся элементов, выполненных в виде сегментов.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи, по сравнению с известными аналогами.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием конструкции и работы муфты газогенератора со ссылкой на фиг.1-4, где:
на фиг.1 изображен продольный разрез газогенератора с муфтой сцепления двух соосных роторов в нерабочем положении;
на фиг.2 - элемент I фиг.1 в увеличенном масштабе в нерабочем положении;
на фиг.3 - поперечный разрез элемента I в средней части сегментов в нерабочем положении;
на фиг.4 - элемент I фиг.1 в увеличенном масштабе в рабочем положении.
Муфта газогенератора для соединения двух соосных роторов 1 и 2, образующих единый составной ротор, например ротор газогенератора ГТД (см. фиг.1), содержит средство для осевого сцепления 1 и 2 роторов.
Средство осевого сцепления включает:
- кольцевые выемки 3, 4 в сопрягаемых между собой цапфах 5 и 6 роторов 1 и 2 (см. фиг.1, фиг.2, фиг.4);
- сегменты 7, расположенные в кольцевой выемке 4 цапфы 6 второго ротора 2 при невращающихся роторах и являющиеся элементами сцепления 1 и 2 роторов при их вращении;
- кольцевую лепестковую пружину 8 с лепестками 9, количество которых соответствует количеству расположенных в выемке 4 сегментов 7;
- предохранительные элементы, например, в виде цилиндрических роликов 10 (см. фиг.3), расположенные между сегментами 7 и взаимодействующие с ними, обеспечивая вхождение сегментов 7 в кольцевую выемку 4 цапфы 6 ротора 2 в случае поломки одного или нескольких лепестков 9 пружины 8 при остановке роторов;
- профилированную проточку 11 в задней цапфе 5 ротора 1 (см. фиг.1, фиг.4), обеспечивающую раскрытие лепестков 9 пружины 8 при вращении составного ротора до конструктивно заданного положения;
- крепежные элементы, например, в виде круглой гайки 12 и стопора 13 (см. фиг.1, фиг.4), обеспечивающие закрепление пружины 8 на передней цапфе 6 ротора 2 и предотвращающие ее проворот при сбросе/приемистости оборотов составного ротора;
- шлицевое соединение роторов 1 и 2 посредством поясов шлиц 14 и 15 (см. фиг.1, фиг.4), расположенных на цапфах 5 и 6.
При сборке двух составных роторов 1 и 2 в единый ротор цапфа 6 ротора 2 с установленными в кольцевую выемку 4 сегментами 7, каждый из которых удерживается от выпадения из кольцевой выемки 4 лепестками 9, лепестковой пружины 8, в свою очередь закрепленной на цапфе 6 крепежным элементом, например, круглой гайкой 12 со стопором 13, вставляется в отверстие цапфы 5 ротора 1 до упора, в дно отверстия, что обеспечивает конструктивное совмещение кольцевой выемки 3, расположенной в цапфе 5, с кольцевой выемкой 4 цапфы 6 с требуемой точностью.
При этом шлицы 15, расположенные на наружной поверхности цапфы 6 входят в зацепление со шлицами 14, расположенными на внутренней поверхности цапфы 5, обеспечивая передачу крутящего момента от ротора 2 к ротору 1.
Все элементы муфты сцепления (сегменты 7, пружина 8 с лепестками 9, крепежные элементы 12 и 13), установленные на цапфе 6, имеют размеры, обеспечивающие свободный вход и выход цапфы 6 в отверстие цапфы 5.
После установки единого ротора в корпус газогенератора расположение кольцевых выемок 3 и 4 муфты сцепления друг над другом в осевом направлении определяется шариковыми радиально-упорными подшипниками 16 и 17 с точностью осевых зазоров самих подшипников.
При эксплуатации, когда роторы 1 и 2 неподвижны, сегменты 7 удерживаются в кольцевой выемке 4 цапфы 6 ротора 2 лепестками 9 пружины 8, при этом осевого сцепления между роторами нет.
При вращении единого ротора сегменты 7 под действием центробежных сил скользят по боковым стенкам кольцевой выемки 4 цапфы 6 ротора 2 и входят в кольцевую выемку 3 цапфы 5 ротора 1 на глубину, определяемую из условий конкретной конструкции. При этом лепестки 9, контактирующие с сегментами 7, раскрываются под действием центробежных сил и прижимаются к профилированной поверхности (проточке) 11, предохраняя лепестки 9 пружины 8 от поломки.
После остановки ротора лепестки 9 пружины 8 возвращают сегменты 7 в кольцевую выемку 4 цапфы 6 ротора 2, обеспечивая тем самым свободное разъединение первого и второго роторов 1, 2, в случае необходимости их демонтажа.
Ролики 10 взаимодействуют со всеми сегментами 7, и в случае поломки одного или нескольких лепестков 9 пружины 8 (например, в случае образования трещины у основания лепестка) остальные неповрежденные лепестки 9 посредством роликов 10, обеспечат вхождение сегментов 7 в кольцевую выемку 4.
Осевое сцепление первого и второго роторов позволяет снизить осевую нагрузку на радиально-упорные подшипники, расположенные на 1 и 2 роторах, от осевых сил, действующих на центробежные колеса роторов в сторону входа в газогенератор, за счет осевой силы, действующей в обратную сторону от турбины.
Изобретение обеспечивает:
- исключение из конструкции газогенератора отдельного стального вала;
- автоматическое сцепление-расцепление составного ротора, состоящего из двух независимых последовательно расположенных и вращающихся на собственных подшипниках роторов, с целью уменьшения осевых нагрузок на шарикоподшипники и быстрой разборки-сборки роторов в эксплуатации;
- сцепление-расцепление в условиях технологической несоосности двух роторов, подшипниковые опоры которых находятся в различных корпусах, при соединении их в единый ротор;
- уменьшение осевых габаритов газогенератора и радиальных габаритов муфты сцепления;
- выведение критических частот каждого составного ротора отдельно и в сборе за пределы рабочих частот обеспечивается тем, что ротор делается составным.
Такое конструктивное решение позволяет уменьшить размеры подшипников, повысить ресурс работы шариковых радиально-упорных подшипников, увеличить время между плановыми осмотрами и ремонтами, снизить эксплуатационные расходы.