Устройство для повторной установки и центрирования вала вентилятора турбореактивного двигателя после отсоединения вала - RU2304235C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к проблеме обеспечения сохранности турбореактивных двигателей после повреждения вентилятора.

Уровень техники

Турбореактивные двигатели содержат двигатель, который приводит во вращение вентилятор или винт большого диаметра, расположенный перед двигателем. Лопасти вентилятора могут быть повреждены в результате попадания посторонних тел. В общем случае вентилятор достаточно прочен и может выдерживать воздействие такого вмешательства посторонних тел без слишком больших повреждений, сохраняя работоспособность, возможно, с некоторым снижением эффективности.

Однако в некоторых обстоятельствах вентилятор может оказаться поврежденным до степени потери кусков одной или нескольких лопастей. В этом случае создается значительный дисбаланс и требуется остановка двигателя с целью снижения риска для летательного аппарата. В любом случае такой дисбаланс, созданный потерей лопастей, вызывает чрезвычайно высокие циклические нагрузки, которые должны восприниматься несущей конструкцией двигателя, по крайней мере, в ходе снижения режима работы двигателя до скорости авторотации вентилятора. Скорость авторотации - это скорость вращения двигателя в режиме холостого хода в результате скорости перемещения в атмосфере.

Обычный способ устранения циклических нагрузок, которые должны восприниматься несущей конструкцией двигателя, заключается в отсоединении вала вентилятора от опорной конструкции на уровне передней подшипниковой опоры вала. Это обычно осуществляется путем включения между подшипником и несущей конструкцией опоры подшипника предохранительных элементов. Эти элементы реагируют на радиальную нагрузку и разрушаются, когда эта нагрузка, которая должна восприниматься подшипником, превышает предварительно заданное значение.

В результате вал вентилятора получает возможность до некоторой степени радиально смещаться и поворачиваться вокруг продольной оси симметрии двигателя, причем вентилятор начинает вращаться вокруг оси вращения, которая проходит по существу вблизи его нового центра тяжести.

Однако при некоторых обстоятельствах вибрация от дисбаланса, сохраняющаяся на скорости авторотации, может быть все еще очень значительной. Это вызывается собственной частотой вибрации вентилятора и снижением радиальной жесткости подшипника опоры. Поэтому в некоторых конструкциях опоры вала предусматриваются средства для сохранения некоторой жесткости подшипника, то есть для возврата оси вала в положение, по существу соосное валу двигателя.

Так, опора, описанная в патентном документе ЕР 0874137, содержит опорный элемент, помещенный между наружной обоймой подшипника и опорной конструкцией. При нормальной работе этот опорный элемент фиксируется в радиальном направлении предохранительными элементами, а после разрушения этих предохранительных элементов он может скользить в кольцевой полости. При этом указанный опорный элемент упирается в амортизатор, который стремится вернуть его в первоначальное положение. Кольцевая полость выполнена в виде полого сегмента, ограниченного двумя концентричными сферическими поверхностями. Трение между опорным элементом и этими поверхностями является причиной неточности при повторном центрировании.

В патенте США №6009701 также описан опорный подшипник вала вентилятора, наружная обойма которого радиально зафиксирована на неподвижной несущей конструкции с помощью предохранительных элементов с тем, чтобы освобождать вал относительно этой неподвижной несущей конструкции в случае разрушения предохранительных элементов. Наружная обойма окружена открытым кольцом спиральной формы, которое может взаимодействовать с конусной поверхностью, жестко связанной с неподвижной несущей конструкцией. В этой конусной поверхности имеется внутренняя спиральная канавка, допускающая смещение спирального кольца из одного крайнего положения максимального возможного биения вала в другое крайнее положение, в котором ось вала вновь становится соосной валу двигателя. Этот возврат обеспечивается вращением вала вокруг оси двигателя в ходе снижения режима работы вентилятора от рабочей скорости вращения до скорости авторотации.

Уровень техники отражен также в патентах США №№5733050 и 6098399.

Следует отметить, что во всех указанных технических решениях предохранительные элементы помещены между наружной обоймой подшипника и неподвижной несущей конструкцией двигателя. В передний опорный подшипник вентилятора смазка подается через сопла, жестко соединенные с неподвижной несущей конструкцией двигателя. Во время осевого смещения подшипника эти сопла могут повреждаться, и это специально предусмотрено в патенте США №5733050. Такое повреждение может, в свою очередь, вызвать повреждение подшипника из-за отсутствия смазки в ходе режима авторотации, если этот режим имеет большую продолжительность.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении точного повторного центрирования вала после его отсоединения.

Второй задачей изобретения является сохранение целостности смазочных средств после отсоединения.

Таким образом, изобретение относится к устройству для восприятия радиальной нагрузки от передней части вала привода вентилятора турбореактивного двигателя с продольной осью X, причем геометрическая ось указанного вала в нормальном положении коаксиальна указанной продольной оси X. Устройство по изобретению содержит неподвижную кольцевую опору, окружающую указанный вал, опорный подшипник, который расположен между указанным валом и указанной опорой и содержит неподвижную наружную обойму и подвижную внутреннюю обойму, вращающуюся вместе с валом. Устройство содержит также средства, реагирующие на радиальную нагрузку, которые размещены между указанными обоймами и смежным элементом узла, образованного указанным валом и указанной опорой, и предназначены для разрушения при появлении радиальной нагрузки, превышающей предварительно заданное пороговое значение с тем, чтобы обеспечить возможность радиального смещения вала в радиальном направлении относительно указанной опоры, и средства для повторного центрирования геометрической оси вала напродольной оси Х турбореактивного двигателя после разрушения средств, реагирующих на радиальную нагрузку.

Устройство по изобретению характеризуется тем, что средства, реагирующие на радиальную нагрузку, содержат две секторные кольцевые полки или два зубца, предусмотренные в радиальных наружных зонах внутренней обоймы и выступающие наружу в осевом направлении. В нормальном положении концы указанных полок или зубцов удерживаются на периферии двух кольцевых колодок, которые отстоят друг от друга в осевом направлении и жестко соединены с валом для совместного вращения. Внутренняя радиальная поверхность внутренней обоймы отстоит от вала в радиальном направлении с тем, чтобы допускать биение вала в случае разрушения указанных полок или зубцов.

Средства для повторного центрирования геометрической оси вала на продольной оси турбореактивного двигателя содержат два комплекта шариков, каждый из которых расположен между торцевой стороной внутренней обоймы и смежной с ней колодкой, причем в нормальном положении каждый шарик опирается на донные части двух гнезд, выполненных напротив друг друга: одно в смежной колодке и другое в торцевой смежной стороне внутренней обоймы, и упругие средства, которые создают усилие, стремящееся сместить колодки навстречу друг другу для возврата шариков к донным частям гнезд.

Таким образом, при нормальной работе, когда воспринимаемые радиальные нагрузки ниже предварительно заданного порогового значения, внутренняя обойма жестко соединена с колодками и шарики занимают положение в донных частях гнезд. В том случае, когда вследствие аварии вентилятора создается биение от радиальных нагрузок, которые, по меньшей мере, равны предварительно заданному пороговому значению, полки или зубцы внутренней обоймы разрушаются. В результате вал может смещаться относительно геометрической оси турбореактивного двигателя, которая является одновременно геометрической осью внутренней обоймы. Шарики опускаются по сторонам колодок и раздвигают последние, что повышает усилия, создаваемые упругими средствами, до возврата вращающейся части в равновесное состояние. Радиальное усилие уменьшается со снижением скорости вращения, и вал повторно центрируется шариками при очень низких силах трения. В течение периода, когда колодки находятся в децентрированном положении относительно внутренней обоймы, шарики катятся по поверхностям противолежащих гнезд вокруг центра этих гнезд с очень низким усилием трения.

Таким образом, устройство по изобретению позволяет ограничить вторичные повреждения двигателя и несущей конструкции летательного аппарата во время фазы авторотации, которая следует за отсоединением вала. Кроме того, необходимо отметить, что радиальное смещение вала ограничено контактом между валом и внутренней обоймой опорного подшипника.

Оптимальным является пример выполнения, в котором каждое гнездо имеет форму тела вращения вокруг оси, в нормальном положении параллельной продольной оси Х.

Упругие средства предпочтительно установлены с упором в наружную торцевую сторону одной из колодок; другая колодка зафиксирована в осевом направлении относительно вала.

Примеры осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает на виде в продольном разрезе устройство по изобретению при нормальной работе,

фиг.2 изображает на виде в продольном разрезе устройство после отсоединения вала,

фиг.3А, 3В и 3С изображают три примера выполнения гнезд на виде в разрезе в осевой плоскости, проходящей через центр гнезда,

на фиг.4А представлена диаграмма смещения вала в функции радиального усилия при использовании конусных гнезд по фиг.3А,

на фиг.4В представлена диаграмма смещения вала в функции радиального усилия при выполнении гнезд по фиг.3В.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 показана передняя часть 1 вала 2 привода ступицы вентилятора 3 турбореактивного двигателя с продольной осью X. Вал 2 приводится во вращение турбиной низкого давления (не показана).

Передняя часть 1 вала поддерживается в радиальном направлении неподвижной кольцевой опорой 4 несущей конструкции турбореактивного двигателя с помощью подшипника 5, который содержит шарики 6, помещенные в полостях сепаратора 7 между наружной обоймой 8 и внутренней обоймой 9.

Неподвижная кольцевая опора 4, коаксиальная продольной оси X, окружает переднюю часть 1 вала 2, а наружная обойма 8 закреплена фланцем на кольцевой опоре 4 посредством болтов с гайками 10.

В нормальных условиях работы геометрическая ось 11 вала 2 совпадает с продольной осью Х турбореактивного двигателя.

Как ясно видно из фиг.1, между внутренней радиальной поверхностью 12 внутренней обоймы 9 и наружной поверхностью вала 2 имеется расстояние или зазор J. Наружная радиальная сторона 13 внутренней обоймы 9 содержит две кольцевые полки или два зубца 14а, 14b, которые выступают в осевом направлении от внутренней обоймы, причем полка 14а выступает вперед, а полка 14b - назад относительно турбореактивного двигателя.

Передний конец полки или зубца 14а удерживается в канавке 15а, выполненной на периферии первой кольцевой колодки 16а, которая жестко соединена с валом 2 и вращается вместе с ним. Передняя сторона кольцевой колодки 16а упирается в торцевой фланец 17 передней части 1 вала 2, к которому ступица вентилятора 3 прикреплена болтами с гайками 18.

Аналогичным образом задний конец полки или зубца 14b удерживается в канавке 15b, выполненной на периферии второй кольцевой колодки 16b, которая жестко соединена с валом 2 и вращается вместе с ним.

Между задней стороной второй колодки 16b и кольцевым упором 21 на оси 11, который охватывает вал 2 и жестко соединен с ним, помещены упругие прокладки 20. Упругие прокладки 20 постоянно нажимают на вторую колодку 16b в направлении первой колодки 16а, которая жестко зафиксирована относительно вала 2. В противоположность этому вторая колодка 16b установлена на валу 2 с возможностью смещения в осевом направлении.

Длина полок или зубцов 14а и 14b в осевом направлении такова, что заднюю сторону 23а первой колодки 16а от передней стороны 24а внутренней обоймы 9 и заднюю сторону 24b внутренней обоймы 9 от передней стороны 23b второй колодки 16b соответственно отделяют кольцевые пространства 22а и 22b.

На задней стороне 23а первой колодки 24а и передней стороне 24а внутренней обоймы 9 выполнено множество гнезд, имеющих форму тела вращения вокруг оси 30, параллельной продольной оси X. Эти гнезда обозначены позицией 25 на первой колодке 16а и позицией 26 на внутренней обойме 9 на фиг.1. При нормальной работе вентилятора данные гнезда находятся напротив друг друга.

В каждой паре гнезд 25, 26 помещен шарик 28а. В нормальных условиях работы устройства он центрирован на оси 30, общей для двух гнезд 25 и 26, и опирается на донные части этих гнезд.

На задней стороне 24b внутренней обоймы 9 и передней стороне 23b второй колодки 16b также выполнено множество гнезд 25 и 26, которые имеют ось 30 и удерживают шарики 28b, опирающиеся на донные части этих гнезд.

Диаметр шариков 28а и 28b зависит от длины полок или зубцов 14а и 14b и рассчитан так, чтобы при нормальных условиях работы турбореактивного двигателя шарики 28а и 28b удерживались в своих гнездах, а полки или зубцы 14а и 14b удерживались в канавках 15а и 15b колодок 24а и 16b.

Полки или зубцы 14а и 14b позволяют центрировать внутреннюю обойму 9 на колодках 16а и 16b. Толщина полок 14а и 14b рассчитана так, чтобы они передавали радиальные нагрузки от вала 2 на внутреннюю обойму 9, если эти радиальные нагрузки не превышают предварительно заданного порогового значения Fm. Когда радиальные нагрузки, передаваемые валом 2, равны или больше Fm, полки или зубцы 14а и 14b разрушаются, и передняя часть 1 вала 2 получает возможность радиального смещения по отношению к продольной оси Х внутренней обоймы 9. Другими словами, геометрическая ось 11 вала 2 смещается от продольной оси Х на расстояние d, максимально равное зазору J между внутренней поверхностью 12 внутренней обоймы 9 и наружной поверхностью вала 2, как это показано на фиг.2. Это может происходить в случае значительного биения из-за поломки лопасти вентилятора.

Во время радиального смещения вала 2 относительно внутренней обоймы 9 шарики 28а и 28b отходят от донных частей своих гнезд 25 и 26 и катятся без излишнего трения по стенкам этих гнезд. При этом вторая колодка 16b удаляется от первой колодки 16а, вызывая деформацию упругих прокладок 20.

Осевое усилие, создаваемое упругими прокладками 20, компенсируется осевыми составляющими усилий, передаваемых шариками 28а и 28b на донные части гнезд 25 и 26. Усилия, передаваемые шариками 28а и 28b на донные части гнезд 25 и 26, имеют радиальную равнодействующую, направленную противоположно радиальной нагрузке F от вала 2. Эта радиальная нагрузка является функцией биения и скорости вращения вала. С момента прекращения подачи топлива к двигателю турбореактивного двигателя скорость вращения вентилятора снижается до скорости авторотации, и осевые усилия, передаваемые упругими прокладками 20, стремятся вернуть шарики 28а и 28b в донные части гнезд 25 и 26.

На фиг.3А показано гнездо 25 конусной формы, выполненное в колодках 16а и 16b, а на фиг 4А показана диаграмма смещения d по отношению к радиальной нагрузке F, передаваемой вращающимся валом 2. Пока полки или зубцы 14а и 14b жестко соединены с внутренней обоймой 9 и нагрузка F остается меньше Fm, смещение d равно нулю. Это представлено участком ОА. Как только нагрузка F становится равной или превышает Fm, полки или зубцы 14а и 14b разрушаются, и вал 2 смещается на расстояние d, которое обычно меньше величины зазора J. Если смещение достигает величины J, вал 2 опирается на внутреннюю поверхность 12 внутренней обоймы 9. Первоначальное смещение представлено участком АВ. После того как радиальная нагрузка уменьшается вследствие снижения скорости вращения вала 2, расстояние d становится пропорциональным нагрузке F, как это иллюстрируется участком ВО.

На фиг.3В показано выполненное в колодках 16а и 16b гнездо 25 в форме двойного конуса. Пока нагрузка F остается меньше Fm, а полки или зубцы 14а и 14b жестко соединены с внутренней обоймой 9, смещение d равно нулю. Как только нагрузка F становится равной Fm, полки или зубцы 14а и 14b разрушаются, и геометрическая ось 11 вала 2 смещается на расстояние d от продольной оси X. Это смещение представлено участком АВ на фиг.4В. При этом шарики 28а и 28b устанавливаются на наружном конусе 31b гнезда 25, а после снижения радиальной нагрузки F шарики приближаются к внутреннему конусу 31а. Это движение представлено участком ВС на фиг.4В. Когда шарики 28а и 28b катятся по стенке внутреннего конуса 31а, отношение между смещением d и радиальной нагрузкой F представлено участком СО на фиг.4В.

На фиг.3С показано гнездо 25, которое имеет радиус кривизны, увеличивающийся по мере удаления от оси 30. Это позволяет регулировать жесткость подшипника 5 после разрушения полок или зубцов 14а и 14b.

Гнездо 26, соответствующее гнезду 25, предпочтительно идентично гнезду 25.

На фиг.1 и 2 показано сопло 32, в которое подается смазка по трубопроводу 33, жестко соединенному с неподвижной несущей конструкцией турбореактивного двигателя и служащему для смазки подшипника 5. За счет того, что подшипник остается неподвижным в радиальном направлении относительно неподвижной несущей конструкции, после отсоединения вала вентилятора сопла 32 продолжают обеспечивать смазку подшипника.

Реферат

Изобретение относится к устройству для восприятия радиальной нагрузки от вала (2) и повторного центрирования вала (2) после его отсоединения. Устройство содержит кольцевую опору (4), окружающую вал (2), и опорный подшипник (5), жестко соединенный с кольцевой опорой. Внутренняя обойма (9) подшипника отстоит от вала на величину зазора J и содержит две полки или два зубца (14а, 14b), которые в нормальном рабочем положении удерживаются на периферии двух колодок (16а, 16b), установленных на валу (2). Два комплекта шариков (28а, 28b) в нормальном рабочем положении опираются на донные части гнезд (25, 26), выполненных напротив друг друга в смежных радиальных сторонах колодок (16а, 16b) и внутренней обоймы (9). Упругие средства (20) создают усилие, стремящееся сместить колодки (16а, 16b) навстречу друг другу. В случае разрушения полок или зубцов (14а, 14b) в результате значительного биения шарики (28а, 28b) катятся по стенкам колодок (25, 26) и раздвигают колодки (16а, 16b). Упругие средства (20) стремятся вернуть шарики (28а, 28b) к донным частям гнезд и вновь центрировать вал (2) относительно внутренней обоймы (9). 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула