УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА, РОТОРНЫЙ ВАЛ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА
DEVICE FOR SUPPORT AND DIRECTION OF ROTARY SHAFT, ROTOR SHAFT OF TURBOMACHINE AND TURBOMACHINE

Изобретение относится к устройству для поддерживания и направления вращающегося вала, в частности роторного вала в турбомашине, такой как самолетный турбовинтовой или турбореактивный двигатель.
Небольшие величины дисбаланса роторного вала приводят к радиальной вибрации и отклонению от оси вала и его подшипников, которые необходимо амортизировать посредством устройств для сжатия масляной пленки (масляных амортизаторов), связанных с подшипниками для поддерживания и направления вала.
Каждый масляный амортизатор содержит гнездо, выполненное в опорном корпусе соответствующего подшипника, в котором наружное кольцо подшипника смонтировано с радиальным зазором малой величины. Кольцевое пространство, образованное вокруг кольца в указанном гнезде, заполнено маслом и закрыто в осевом направлении кольцевыми уплотнительными элементами, которые могут свободно вращаться в кольцевых канавках наружного кольца подшипника и которые уплотненным образом взаимодействуют с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса.
Впускные отверстия для масла выполнены в корпусе и открыты в вышеупомянутое кольцевое пространство, а выпускные отверстия для масла выполнены в кольцевых уплотнительных элементах и открыты наружу из указанного кольцевого пространства с тем, чтобы обеспечить непрерывное протекание масла через кольцевое пространство и охлаждение снаружи указанного пространства для того, чтобы отводить тепловую энергию, рассеиваемую трением, которое происходит от сжатия масляной пленки наружным кольцом подшипника при его планетарном перемещении в вышеупомянутом гнезде. Без охлаждения повышение температуры масла в кольцевом пространстве привело бы к значительному падению его вязкости и, таким образом, снижению его способности демпфировать планетарные перемещения наружного кольца подшипника вала.
Для вала самолетного турбовинтового или турбореактивного двигателя кольцевые уплотнительные элементы обычно изготавливают из сегментов, которые выдерживают высокие температуры, причем указанные сегменты являются разрезными кольцами из упруго деформируемого металла, и обычно они имеют прямоугольное сечение. Разделительные пазы в таких сегментах могут быть поперечными или они могут быть прорезаны с перекрыванием, и они образуют выпускные отверстия для масла. Чтобы обеспечить достаточную скорость просачивания масла, предпочтительнее использовать сегменты с поперечными прорезями, чем сегменты с перекрывающимися прорезями, и выполнять ступеньку в наружной периферии каждого сегмента, совмещенную с его пазом для того, чтобы регулировать скорость потока просачивания масла.
Просачивание масла, таким образом, локализовано в конкретной точке на периферии сегмента. Тем не менее, было замечено, что скорость, с которой масло просачивается через паз, сильно изменяется как функция углового положения наружного кольца подшипника относительно паза. Анализ поведения амортизатора показал, что наружное кольцо подшипника подвергается как стационарной (не вращающейся) гидростатической силе, так и вращающейся гидродинамической силе, причем гидростатическая сила имеет примерно ту же величину, что и гидродинамическая сила, и возникает из-за просачивания масла через паз в сегменте.
Стационарная гидростатическая сила действует на сжимаемую пленку масла несимметрично в осевом направлении и неуправляемо, так как сегменты могут свободно вращаться в канавках наружного кольца подшипника, что означает, что трение может вращать их беспорядочным образом, таким образом, заставляя угловые положения пазов в сегментах изменяться неуправляемым образом относительно друг друга и относительно наружного кольца подшипника.
В результате характером поведения масляной пленки не управляют, и радиальные вибрации и отклонение от оси валов не могут быть полностью амортизированы эффективным образом.
В частности, целью изобретения является решение этой проблемы, которое является простым, эффективным и недорогим и которое было прежде неизвестно в данной области техники, устраняя или, по меньшей мере, сильно уменьшая гидростатическую силу благодаря локализации просачивания масла в пазах вышеупомянутых сегментов.
Для этого согласно изобретению создано устройство для поддерживания и направления вращающегося вала, в частности роторного вала турбомашины, такой как самолетный турбовинтовой или турбореактивный двигатель, содержащее, по меньшей мере, один подшипник, смонтированный вокруг вала, и масляный амортизатор, расположенный вокруг подшипника, причем указанный амортизатор содержит гнездо, выполненное в наружном корпусе и образующее кольцевое пространство вокруг наружного кольца подшипника, при этом кольцевое пространство заполнено маслом и закрыто в осевом направлении кольцевыми уплотнительными элементами, которые могут свободно вращаться в кольцевых канавках в указанном наружном кольце подшипника и которые уплотненным образом взаимодействуют с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, причем в корпусе выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для подачи масла, а в кольцевых уплотнительных элементах выполнены выпускные отверстия для масла, чтобы позволить маслу втекать в указанное кольцевое пространство и позволить указанному маслу охлаждаться снаружи кольцевого пространства, при этом каждый кольцевой уплотнительный элемент включает в себя множество калиброванных выпускных отверстий для масла, отстоящих друг от друга по наружной периферии указанного кольцевого элемента и расположенных таким образом, чтобы по существу нейтрализовать результирующую статических сил, образующихся в масляной пленке при вращении вала и происходящих из потоков просачивающегося масла через указанные калиброванные отверстия.
Каждый из потоков просачивающегося масла, находящихся в различных точках вокруг периферии сегмента, создает гидростатическую силу на кольце подшипника, причем каждая сила ориентирована приблизительно в направлении соответствующего выпускного отверстия.
Распределением этих выпускных отверстий по периферии сегмента можно по существу нейтрализовать результирующую этих гидростатических сил, сохраняя при этом только гидродинамические силы, которые обеспечивают желаемое демпфирование планетарного перемещения кольца подшипника. Это обеспечивает достижение симметричного в осевом направлении поведения для масляного амортизатора и лучшее управление динамическим поведением роторного вала.
Количество выпускных отверстий, выполненных в каждом кольцевом уплотнительном элементе, преимущественно меньше или равно 8, и предпочтительно меньше или равно 5.
Каждый кольцевой элемент разделен в точке по его периферии и имеет четное или нечетное количество калиброванных выпускных отверстий для масла, причем эти отверстия и разделительный паз в кольцевом элементе распределены так, чтобы отстоять по существу на равном друг от друга расстоянии по периферии кольцевого элемента.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения количество калиброванных отверстий является нечетным, и одно из отверстий расположено диаметрально противоположно пазу в кольцевом элементе.
Удобно, если калиброванные выпускные отверстия для масла образованы выемками в наружной периферии кольцевых элементов.
Для вала винта самолетного турбовинтового или турбореактивного двигателя кольцевыми уплотнительными элементами являются металлические сегменты, в частности прямоугольного сечения, и каждый может включать в себя поперечный, косой или перекрывающийся паз.
В других применениях, где вращающийся вал не подвергается воздействию высоких температур, кольцевые уплотнительные элементы могут быть образованы уплотнительными кольцами, включающими в себя небольшое количество калиброванных выпускных отверстий для масла, распределенных по их периферии.
Согласно изобретению также создан роторный вал турбомашины, поддерживаемый и направляемый устройством вышеописанного типа.
Наконец, согласно изобретению создана турбомашина, такая как самолетный турбовинтовой или турбореактивный двигатель, включающая в себя устройство вышеописанного типа для поддерживания и направления вращающегося вала.
Изобретение будет лучше понято, и другие его отличительные признаки, подробности и преимущества станут очевидными после прочтения последующего описания, приведенного в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид в перспективе и в осевом разрезе участка роторного вала, оснащенного устройством по изобретению;
Фиг.2 - вид в перспективе кольцевого уплотнительного сегмента согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.3 - местный схематичный вид другого уплотнительного сегмента согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.4-6 - схематичные виды, на которых показаны гидростатические и гидродинамические силы, приложенные к наружному кольцу подшипника согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.7 - схематичный вид в перспективе кольцевого уплотнительного сегмента согласно изобретению; и
Фиг.8 - схематичный вид, на котором показаны гидростатические силы, приложенные к наружному кольцу подшипника согласно изобретению.
На Фиг.1 ссылочной позицией 10 обозначен роторный вал турбомашины, такой как самолетный турбовинтовой двигатель или турбореактивный двигатель, причем вал центрируют и направляют во вращении в подшипнике 12, например, роликовом подшипнике, имеющем наружное кольцо 14, прикрепленное к беличьей клетке 16 и смонтированное в цилиндрическом гнезде 18 корпуса 20 для того, чтобы составлять масляный амортизатор вокруг кольца 14.
Кольцевое пространство 22 образовано вокруг кольца 14 цилиндрической поверхностью 21 корпуса 18 и закрыто в осевом направлении кольцевыми уплотнительными элементами 24, смонтированными в кольцевых канавках 26 цилиндрической наружной поверхности кольца 14. Кольцевое пространство 22 заполнено маслом, подаваемым через впускное отверстие 28, образованное радиальным отверстием сквозь корпус 20 и открывающееся в кольцевую канавку 30 в цилиндрической поверхности 21 вокруг кольца 14.
Как вариант, масло может быть подано в кольцевое пространство 22 через множество радиальных отверстий 28 в корпусе 20, причем отверстия распределены вокруг оси вращения вала 10.
Для роторного вала турбовинтового или турбореактивного двигателя кольцевыми уплотнительными элементами 24 являются разрезные металлические сегменты прямоугольного сечения, причем эти сегменты смонтированы с возможностью свободного вращения в кольцевых канавках 26 кольца 14 и уплотняющим образом прижимаются посредством своих наружных периферий к цилиндрической поверхности 21 корпуса 20.
Согласно предшествующему уровню техники сегменты 24 являются сегментами типа, показанного на Фиг.2, например, имеющими поперечный паз 32, образующий выпускное отверстие для масла, при помощи чего масло, подаваемое в кольцевое пространство 22 посредством радиального отверстия (отверстий) 28 в корпусе, может протекать внутрь кольцевого пространства и покидать его, выходя наружу из этого пространства посредством пазов 32 в сегментах 24, чтобы охладиться. Обычно масло, подаваемое в кольцевое пространство 22, также служит для смазки подшипника 12.
В другой разновидности, как схематично показано на Фиг.3, сегменты 24 согласно предыдущему уровню техники включают в себя ступеньки 34, выполненные на их наружной периферии вблизи пазов 32 и служащие для регулирования скорости потока просачивания масла через паз 32.
Масло в кольцевом пространстве 22, окружающем кольцо 14, находится под достаточным давлением, чтобы избежать явлений кавитации при планетарных перемещениях кольца 14 в гнезде 18. Эти планетарные перемещения вызваны радиальной вибрацией и отклонением от оси вала 10, и они амортизируются сжатием масляной пленки между кольцом 14 и цилиндрической поверхностью гнезда 18.
Обычно давление масла в кольцевом пространстве 22 меньше или равно 10 бар, и оно может возрастать до 100 бар в масляной пленке, сжимаемой кольцом 14, причем толщина этой масляной пленки составляет примерно от 0,2 миллиметра (мм) до 0,3 мм.
S
Когда кольцо 14 оснащено сегментами 24 типа, показанного на Фиг.2 или 3, скорости потоков просачивания масла, локализованных в пазу 32 или ступеньке 34 каждого сегмента, возмущают поле давления в масляной пленке и повышают гидростатическую силу F, которая приложена к кольцу 14 и которая является стационарной (не вращающейся), причем она ориентирована по существу к выпускному отверстию 32 или 34 для масла, как схематично показано на Фиг.4-6.
D
Сжатие масляной пленки в кольцевом промежутке 22 кольцом 14, планетарное перемещение которого обозначено стрелкой 36, также образует гидродинамическую силу F, которая вращается и имеет направление, зависящее от углового положения кольца 14 относительно выпускного отверстия 32 или 34 для масла.
S
D
Амплитуда гидростатической силы F по существу примерно такая же, как амплитуда гидродинамической силы F. Скорости потоков просачивания масла через выпускные отверстия 32, 34, выполненные в сегментах 24, также изменяются как функция углового положения кольца 14 в его планетарном движении, причем периферия кольца 14 может предохранять или более, или менее полностью закрывать выпускное отверстие 32 или 34 каждого сегмента 24.
Кроме того, сегменты 24 могут свободно вращаться в канавках 26 кольца 14 и, следовательно, могут поворачиваться в указанных канавках, так что угловые положения выпускных отверстий 32 или 34 никогда не являются стационарными и изменяются со временем относительно друг друга и относительно кольца 14.
В результате характеристика поведения масляной пленки под давлением не является симметричной в осевом направлении, что означает, что невозможно управлять демпфированием радиальной вибрации и динамического отклонения от оси вала 10.
S
Настоящее изобретение позволяет решить эту проблему путем образования множества выпускных отверстий для масла, которые распределены по периферии сегмента 24, как схематично показано на Фиг.7, таким образом, обеспечивая образование множества гидростатических сил F, дающих результирующую, которая равна нулю, или близка к нулю, как схематично показано на Фиг.8.
В качестве примера кольцевой сегмент 38 согласно изобретению включает в себя единственный паз 40 перекрывающегося типа, позволяющий маслу вытекать из кольцевого пространства 22 с относительно малой скоростью, и выемки 42, выполненные в его наружной периферии, с тем, чтобы разрешить просачивание масла из кольцевого пространства 22 с регулируемыми скоростями, причем выемки 42 расположены симметрично относительно паза 40 и относительно равномерным образом по периферии сегмента 38.
Количество выемок 42 относительно мало и предпочтительно меньше или равно 5. В показанном примере сегмент 38 имеет пять выемок 42, одна из которых схематично противоположна пазу 40 в сегменте.
Потоки просачивания масла через паз 40 и выемки 42, таким образом, распределены по периферии сегмента 38, причем малое количество выемок 42 обеспечивает точную регулировку общей скорости потока просачивания масла, что не было бы возможно, если бы количество выемок, выполненных по периферии сегмента 38, было относительно большим.
На Фиг.8 показана результирующая сила, получаемая согласно изобретению, когда сегмент 38 имеет три идентичных, или по существу идентичных, выпускных отверстия 42 для масла, выполненных под углом 120° друг от друга по его наружной периферии.
S
S
В такой конструкции каждый поток просачивания, локализованный в одном из отверстий 42, образует гидростатическую силу F, приложенную к кольцу 14, причем три силы F ориентированы под углом 120° относительно друг друга и вырабатывают результирующую силу, которая равна нулю или близка к нулю. Кольцо 14, следовательно, подвергается только воздействию вращающейся гидродинамической силы, которое приводит к симметричному в осевом направлении характеру поведения сжатой масляной пленки, таким образом, обеспечивая то, что радиальная вибрация и динамическое отклонение от оси роторного вала демпфируются желаемым образом.
Сегмент согласно изобретению может иметь перекрывающуюся прорезь, как показано на Фиг.7, или поперечную прорезь, как показано на Фиг.2, или косую прорезь.
Когда вал 10 не является роторным валом турбовинтового или турбореактивного двигателя с подшипниками, для которых есть вероятность воздействия высоких температур, кольцевые уплотнительные элементы кольца 14 могут быть образованы уплотнительными кольцами, имеющими калиброванные выпускные отверстия для масла, выполненные на их наружных перифериях.