ГЛАВНЫЙ РЕДУКТОР НЕСУЩЕГО ВИНТА
MAIN ROTOR TRANSMISSION

Изобретение относится к области авиастроения и может быть использовано в главных редукторах несущих винтов вертолетов.
Известны конструкции главных редукторов несущих винтов вертолетов, использующих в высокоскоростных входных зубчатых передачах муфты свободного хода (МСХ), обеспечивающих автоматическое отсоединение вала отказавшего двигателя, а также возможность разнорежимной работы двигателя (патенты РФ №2065381, №2263608). Известны конструкции МСХ, используемые в таких высокоскоростных приводах - авт.свид. №1666827, которые выполнены роликового типа фрикционного действия.
Наиболее близким по техническому решению является входная ступень главного редуктора ВР-2Б с МСХ роликового типа с групповым (сепараторным) прижимным устройством (см. «Механические передачи вертолетов» под ред. В.Н.Кестельмана, М., Машиностроение, 1983, стр.51, 78-79 и «Авиационные зубчатые передачи и редукторы» под ред. Э.Б.Булгакова, М., Машиностроение, 1981, стр.293, рис.15.4).
Как известно, смазка МСХ имеет свои особенности, в частности оказывает неодинаковое влияние на работоспособность МСХ в различные циклы движения ее звеньев (см. В.Ф.Мальцев «Роликовые механизмы свободного хода», М., Машиностроение, 1968, стр.405-407). Кроме того, для быстроходных механизмов с относительно высоким уровнем динамической нагрузки и большой амплитудой крутильных колебаний валов, какими является зубчатые передачи главного редуктора несущего винта вертолета, применяют, как правило, смазку под давлением. Поэтому каналы, подающие смазку в МСХ, должны, с одной стороны, обеспечить необходимый объем прокачки масла, а с другой стороны - исключить застой масла в полости МСХ, во избежание перегрева масла и откладывания продуктов износа и загрязнения.
Входная ступень известного главного редуктора несущего винта оснащена МСХ, содержащей корпус МСХ, ведущий и ведомый валы МСХ, установленные в подшипниковых узлах, сепаратор с роликами и пружинным прижимным устройством, ведомый вал МСХ посредством шлицов соединен с ведущим зубчатым (коническим) колесом входной ступени. В корпусе МСХ выполнен маслоканал, в котором смонтирована форсунка, для подачи масла в полость МСХ нагнетающим маслонасосом из поддона, уровень масла в котором ниже расположения корпуса МСХ на редукторе. Из полости МСХ масло самотеком стекает в поддон редуктора.
Такое техническое решение характерно для большинства входных ступеней главных редукторов несущих винтов, когда двигатели вертолетов установлены в подкапотных объемах вне фюзеляжа (как, например, на вертолете Ми-2 или Ка-226). Однако, при компоновочном решении вертолета, когда необходимо оптимизировать его аэродинамические обводы и снизить вредное аэродинамическое сопротивление, как например в случае вертолета MD 520N (см. А.Д.Маслов, О.А.Завалов, «Современные зарубежные гражданские вертолеты», М., изд. МАИ, 2007, стр.105-106) или по патенту РФ №68634, двигатель устанавливается внутри фюзеляжа.
Для обеспечения такого решения главный редуктор несущего винта выполняется с угловым положением его входного вала, ввиду чего корпус МСХ может располагаться несколько ниже уровня масла в поддоне.
Для обеспечения требуемых для МСХ параметров смазки известным техническим решением необходимо понизить уровень масла в поддоне и, соответственно, положение маслонасоса(ов) в поддоне, сохранив при этом требуемый для смазки главного редуктора объем масла. Такое решение потребует изменения как в конструкции поддона, в частности его увеличения по высоте, и как следствие - изменение (увеличение) длины приводного(ных) вала(ов) маслонасоса(ов), что в совокупности приведет к увеличению массы главного редуктора.
Технической задачей изобретения является оптимизация системы смазки МСХ независимо от компоновочного решения главного редуктора несущего винта, в частности его входной ступени, не увеличивая при этом габариты и массу редуктора.
Сущность решения поставленной задачи заключается в том, что главный редуктор несущего винта, содержащий корпус с установленными в нем зубчатыми передачами и валами, входной ступени, оснащенной муфтой свободного хода, ведомый и ведущий валы которой кинематически связаны посредством роликов с сепараторным прижимным устройством, корпус муфты с каналами подачи масла, поддон редуктора со встроенным маслонасосом, в нем муфта свободного хода (далее муфта) оснащена крыльчаткой, установленной на ведущем валу муфты, выполненной в виде плоского диска с двусторонним расположением по внешнему периметру плоскости диска профилированных лопаток, при этом зазор Δ в плоскости вращения крыльчатки между ее лопатками и стенками элементов корпуса муфты, образующими рабочую полость вращения крыльчатки, равен или меньше соотношения ширины В рабочей части крыльчатки к высоте Н лопаток, а в корпусе муфты имеется отводной канал масла, сопряженный с рабочей полостью вращения крыльчатки, кроме того, профиль лопаток в плоскости диска выполнен дугами окружностей, размер которых приблизительно равен отношению квадрата диаметра по внутренним торцам лопаток к диаметру диска крыльчатки, а сопряжение отводного канала выполнено на диаметральном уровне упомянутой рабочей полости вращения крыльчатки.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид главного редуктора; на фиг.2 - модульное исполнение МСХ; на фиг.3 - место А фиг.2; на фиг.4 показана (условно) рабочая полость крыльчатки с отводным каналом; на фиг.5 показан фрагмент крыльчатки с профилированными лопатками.
Главный редуктор несущего винта 1 содержит корпус 2 с установленными в нем зубчатыми передачами и валами (условно не показано), поддон 3 для масла со встроенным маслонасосом 4, узлами 5 для крепления редуктора 1 на вертолете.
Вал 6 входной ступени 7 зубчатых передач установлен под углом к валу 8 несущего винта. Входная ступень 7 оснащена МСХ 9, выполненной в модульном исполнении в корпусе 10. МСХ 9 содержит ведущий вал 11 и ведомый вал 12, которые кинематически связаны посредством роликов 13 с сепараторным прижимным устройством 14, обеспечивающим большую скорость относительного вращения валов 11, 12 и высокую нагрузочную способность МСХ. Валы 11,12 установлены в корпусе 10 на подшипниковых опорах 15, 16 соответственно.
Поскольку вал 6 входной ступени 7 установлен под углом, то корпус 10 МСХ (его емкость) оказывается несколько ниже уровня масла в поддоне 3 редуктора 1.
Эта конструктивная особенность редуктора 1 вполне объективна, т.к. процедура оптимизации кинематической схемы редуктора, как правило, основана на методике многопараметрического анализа зубчатых зацеплений и критерий оптимизации основан на минимизации габаритных параметров зубчатых передач и редуктора в целом (см. «Механические передачи вертолетов» под ред. В.Н.Кестельмана, М., Машиностроение, 1983. стр.4-6). Поэтому и маслосистема, не зависимо от типа кинематической схемы редуктора, для обеспечения надежной смазки зубчатых зацеплений и подшипниковых узлов должна обладать малыми расходами и гидравлическим сопротивлением.
Маслосистема главного редуктора 1 выполнена двухконтурной с циркуляцией масла по контуру «бак - редуктор/теплообменник - бак», где в качестве бака служит поддон 3 редуктора 1. Маслонасос 4 в этом случае выполнен двухсекционным (условно не показано) с нагнетающей и' откачивающей секциями.
В рамках решения многопараметрической задачи оптимизации системы смазки МСХ 9 оснащена крыльчаткой 17, установленной на ведущем валу 11 посредством переходника 18, который шлицевым соединением 19 соединен с валом 11. Переходник 18 снабжен фланцем 20 для соединения ведущего вала 11 с валом двигателя (условно не показано). Роль крыльчатки 17 - обеспечить откачку масла из полости 21 корпуса 10 МСХ, которая находится ниже уровня масла в поддоне 3, и этим совместно с откачивающей секцией маслонасоса 4 исключить возможность застоя масла в полости 21 корпуса 10 МСХ.
Поскольку масло в редукторах является чистой перекачивающей средой, то конструкция крыльчатки 17, как элемента перекачивающего насоса, выполнена в виде плоского диска 22 с двусторонним расположением по внешнему периметру плоскости диска 22 профилированных лопаток 23, образуя центробежное периферийное колесо двухпоточного исполнения. Профиль лопаток 23 выполнен дугами окружностей 24, размер которых приблизительно равен отношению квадрата диаметра 25 по внутренним торцам 26 лопаток 23 к диаметру диска 22 крыльчатки 17. Лопатки 23 загнуты вперед по направлению вращения крыльчатки 17, что позволяет при высоких оборотах крыльчатки (≈6000 об/мин - обороты вала двигателя) обеспечить наибольшую напорность откачки масла в условиях ограниченных размеров МСХ.
Установка крыльчатки 17 относительно корпусных элементов 27, 28 МСХ 9 выполнена так, что стенки 29 упомянутых корпусных элементов образуют кольцевую рабочую полость 30 вращения крыльчатки 17, а зазор Δ в плоскости вращения крыльчатки 17 между ее лопатками 23 и стенками 29 равен или меньше соотношения ширины В рабочей части крыльчатки 17 по оси ее вращения к высоте Н лопаток в диаметральной плоскости диска 22. В корпусе 10 МСХ 9 выполнены каналы 31 для подачи масла под давлением через форсунки 32 и жиклеры 33, установленные в упомянутых каналах. Полость 21 за счет проточек, выполненных в корпусных элементах 27, 28 (условно не показано) сообщается (самотеком) с рабочей полостью 30 вращения крыльчатки 17.
Для отвода масла из внутрикорпусной полости 21 в корпусе 10 выполнен отводной канал 34, который сопряжен с рабочей полостью 30 вращения крыльчатки 17 на ее нижнем диаметральном уровне.
Работа системы смазки входной степени 7 главного редуктора 1, в частности, МСХ 9 осуществляется следующим образом.
При запуске двигателя через переходник 18 начинает вращаться ведущий вал 11 МСХ 9, который посредством роликов 13 с сепараторным прижимным устройством 14 приводит во вращение ведомый вал 12 и далее через входной вал 6 и входную ступень 7 - всю зубчатую передачу редуктора 1. Поскольку маслонасос 4 кинематически связан с зубчатой передачей редуктора, то он также вступает в работу, и его нагнетающая секция забирает масло из поддона 3 и под давлением ≈0,35…0,45 МПа подает, в частности, в канал 31 через жиклер 33 и далее через форсунку 32 на смазку рабочих звеньев 13, 14 и подшипниковой опоры 15 МСХ 9. В процессе дозированной, через жиклеры, непрерывной смазки упомянутых звеньев МСХ масло нагревается и самотеком стекает в полость 21, которая находится ниже уровня масла в поддоне 3, и откачивающей секции маслонасоса 4 проблематично откачать его для подачи в теплообменник. Эту функцию в дополнении к откачивающей секции маслонасоса 4 выполняет крыльчатка 17, рабочая полость 30 которой сообщается с полостью 21. За счет подбора параметров крыльчатки 17: - диаметра ее диска 22, профилировке и размеру лопаток 23, при заданной (оборотами двигателя) частоте вращения, крыльчатка 17 создает в зоне сопряжения полости 30 с отводным каналом 34 напор достаточный для откачки масла из полости 21 в поддон 3. Далее откачивающая секция маслонасоса 4 из поддона 3 направляет горячее масло по контуру «бак-теплообменник-бак» и цикл повторяется.
Использование крыльчатки 17 в качестве как дополнительного насосного элемента к откачивающей секции маслонасоса 4 позволяет повысить производительность откачивающей функции маслонасоса 4 и этим обеспечить непрерывность циркуляции масла, исключить возможность застоя масла и, как следствие, отложения продуктов износа и загрязнения маслосистемы.
Для обеспечения безотказности работы крыльчатки 17 выбор ее параметров как насоса оценивался по показателю кавитационного запаса NPSH (Net Positive Suctioin Head) для исключения ценообразования.
На предложенную конструкцию главного редуктора несущего винта разработана рабочая конструкторская документация.