Редуктор числа оборотов с системой гибкого соединения между сателлитной обоймой и неподвижным кронштейном
Изобретение касается редуктора числа оборотов, предназначенного, в частности, для обеспечения передачи крутящего момента между газовой турбиной и компрессором в газотурбинном двигателе. Редуктор содержит планетарную шестерню (2), коронную шестерню (3) и сателлиты (4), установленные в сепараторе (8), имеющем осевые гнезда (11) между двумя смежными сателлитами. Сепаратор (8) соединен с кронштейном (12) сепаратора, содержащим осевые стойки (14), установленные в гнезда (11) при помощи радиальных штифтов (15), расположенных в средней плоскости сепаратора (8), и при помощи муфты (20), которая охватывает штифт (15) и содержит два кольцевых концевых фланца и несколько осевых втулок между ними, которые обеспечивают наклон и осевое смещение кронштейна (12) сепаратора относительно сепаратора (8). Одна из втулок выполнена из эластомера. Такое выполнение редуктора позволяет уменьшить возможность нарушения контакта между зубьями шестерен. 7 з.п. ф-лы, 11 ил.
Настоящее изобретение касается редуктора числа оборотов, предназначенного, в частности, для обеспечения передачи крутящего момента между газовой турбиной и компрессором в газотурбинном двигателе.
Редуктор в основном состоит из следующих четырех элементов: планетарная шестерня, приводимая в движение валом турбины, коронная шестерня, коаксиальная с планетарной шестерней, сателлиты, входящие в зубчатое зацепление с планетарной шестерней и коронной шестерней, и сателлитная обойма.
Изменения понижающего передаточного числа такого узла достигают путем изменения числа зубьев каждой из шестерен и путем изменения конструкции редуктора.
Известны два типа конфигурации:
- планетарные редукторы, в которых сателлитная обойма является неподвижной, а коронная шестерня - свободной во вращении. Оптимальный диапазон работы такого типа редуктора соответствует понижающему передаточному числу, находящемуся в пределах от 1 до 3;
- эпициклические редукторы, в которых коронная шестерня является неподвижной, а сателлитная обойма - свободной во вращении. Оптимальный диапазон работы такого типа редуктора соответствует понижающему передаточному числу, равному 3 и выше.
В случае, когда редуктор обеспечивает передачу крутящего момента между газовой турбиной и компрессором в газотурбинном двигателе, подвижный элемент редуктора, которым является либо коронная шестерня, либо сателлитная обойма, соединен с приводным валом компрессора, а другой элемент соединен с неподвижной конструкцией газотурбинного двигателя.
Выбор конфигурации редуктора зависит, таким образом, от определения понижающего передаточного числа. Основным недостатком эпициклической конфигурации является то, что, несмотря на меньшие габариты по сравнению с планетарным редуктором, сателлиты подвергаются воздействию центробежного силового поля порядка 2000 г, что создает серьезные проблемы на уровне опорных подшипников, в которых установлены сателлиты.
Изолируя сателлит редуктора, отмечено, что опорный подшипник этого сателлита подвергается действию радиального усилия, равного двукратному тангенциальному усилию, создаваемому зубчатым зацеплением. Кроме того, в эпициклическом редукторе также присутствуют значительные центробежные силы.
Поскольку сателлитная обойма, как правило, соединена с неподвижной конструкцией в случае планетарного редуктора или с трансмиссионным валом в случае редуктора с эпициклической зубчатой передачей одной из своих передних сторон, опорные подшипники сателлитов и сателлитная обойма в целом подвергаются воздействию крутящих моментов и будут деформироваться и передавать напряжения и деформации на элементы, на которых закреплена сателлитная обойма. Эти деформации приводят также к нарушению зубчатого зацепления и преждевременному износу редуктора.
Для того чтобы во время работы свести к минимуму деформации сателлитной обоймы в редукторе с эпициклической зубчатой передачей, в документе US 5391125, который является ближайшим аналогом настоящего изобретения, предложен редуктор числа оборотов для передачи крутящего момента между газовой турбиной и компрессором в газотурбинном двигателе, содержащий планетарную шестерню, коаксиальную с осью редуктора и соединенную с турбиной, сателлитную обойму, соединенную с компрессором коаксиально с планетарной шестерней и содержащую несколько сателлитов, находящихся в зубчатом зацеплении с планетарной шестерней, и коронную шестерню, которая закреплена на конструкции газотурбинного двигателя и с которой находятся в зубчатом зацеплении сателлиты. В этом эпицикличном редукторе сателлитная обойма содержит кольцевой сепаратор с множеством шеек, которые предназначены для установки опорных подшипников параллельно валу редуктора и на каждой из которых вращается один из сателлитов, и множество осевых гнезд, каждое из которых находится между двумя смежными сателлитами, и, с другой стороны, кольцевой кронштейн сепаратора, соединенный с компрессором и содержащий множество осевых стоек, при этом каждая стойка установлена в одном из гнезд сепаратора и закреплена со смежным участком сепаратора при помощи штифта, расположенного в средней радиальной плоскости сепаратора.
Каждый штифт, расположенный перпендикулярно к оси редуктора, вставлен в отверстие, выполненное в соответствующей стойке, и в два отверстия, выполненных радиально по обе стороны стойки в осевой стенке, соответственно через посредство вкладышей. Такое соединение типа жесткого закрепления позволяет избежать любого перекоса или осевого смещения между сепаратором и кронштейном сепаратора, которые могут возникать в газотурбинном двигателе, в частности авиационном газотурбинном двигателе, вследствие вибраций, происходящих в результате турбулентности окружающего воздуха или тепловых расширений.
Редуктор в соответствии с настоящим изобретением отличается от этого ближайшего аналога тем, что гнезда стоек расположены радиально на пересечении усилий смежных сателлитов, и тем, что каждый крепежный штифт стойки на смежном участке сепаратора жестко закреплен на одной из деталей, образованной указанной стойкой и указанным участком сепаратора, и установлен на другой детали при помощи соединения типа шарового пальца, которое является жестким по отношению к валу редуктора и гибким при наклоне и осевом смещении, при этом соединение между штифтом и другой деталью обеспечивается при помощи муфты, охватывающей штифт и расположенной в отверстии другой детали, при этом указанная муфта содержит два кольцевых концевых фланца и несколько осевых втулок между фланцами, при этом по меньшей мере одна из втулок выполнена из эластомера.
Такое расположение способствует приданию гибкости в соединениях «планетарные шестерни - сателлиты» и «сателлиты - коронная шестерня». Его существенным преимуществом является уменьшение возможности нарушения контакта между зубьями шестерен.
Такая втулка из эластомера обеспечивает, в случае необходимости, наклон сепаратора по отношению к кронштейну сепаратора, соединенному с первым элементом.
Предпочтительно каждый из кольцевых концевых фланцев муфты содержит находящиеся друг против друга радиально внутренний фальц и радиально наружный фальц, при этом указанные фальцы отделены друг от друга кольцевым ребром жесткости, а втулки содержат жесткое внутреннее кольцо, концы которого заходят в радиально внутренние фальцы фланцев, жесткое наружное кольцо, расположенное между радиально наружными ребрами жесткости фланцев и содержащее на своих концах радиально внутренние пазы напротив радиально наружных фальцев фланцев, а втулку из эластомера вставляют между внутренним кольцом и наружным кольцом и между ребрами жесткости фланцев.
В кольцевые полости, ограниченные радиально наружными фальцами фланцев и радиально внутренними пазами наружного кольца, вставляют упругие прокладки.
Каждая из кольцевых полостей дополнительно содержит противоэкструзионное кольцо, предназначенное для того чтобы воспрепятствовать выдавливанию эластомера, при этом противоэкструзионное кольцо вставляют между упругой прокладкой и передней стороной радиально внутреннего паза наружного кольца. Для стопорения муфты на штифте один из фланцев муфты упирается в деталь, на которой закреплен штифт, а другой фланец прижимается к внутреннему кольцу гайкой, взаимодействующей с резьбой штифта.
Согласно первому варианту выполнения штифт жестко соединен с соответствующей стойкой и расположен перпендикулярно к оси редуктора.
Согласно второму варианту выполнения штифт выполнен путем формовки на конце стойки и расположен параллельно оси редуктора.
Другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - осевое изображение редуктора, показывающее тангенциальные усилия, порождаемые зубчатым зацеплением сателлитов, и их результирующую на опорные подшипники сателлитов;
Фиг.2 - перспективное изображение половины редуктора, разрезанного по плоскости, проходящей через его ось;
Фиг.3 - перспективное изображение редуктора в соответствии с настоящим изобретением без коронной шестерни и без бокового фланца, служащего осевым упором для опорных подшипников сателлитов;
Фиг.4 - перспективное изображение сателлитной обоймы в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.5 - перспективное изображение кронштейна сепаратора;
Фиг.6 - изображение в разрезе соединения между стойкой и сепаратором;
Фиг.7 - изображение в разрезе муфты, показанной на фиг.6;
Фиг.8 - изображение в разобранном виде предпочтительного варианта выполнения муфты в разрезе по плоскости, содержащей ось муфты;
Фиг.9 - изображение в разрезе муфты, показанной на фиг.8;
Фиг.10 - перспективное изображение варианта выполнения соединения между сепаратором и кронштейном сепаратора;
Фиг.11 - изображение в разрезе соединения, показанного на фиг.10.
На фиг.1 и 2 показан редуктор 1 с осью Х, содержащий планетарную шестерню 2 с осью Х, содержащую по периферии зубчатый венец 2d, коронную шестерню 3 с осью Х, имеющую диаметр, превышающий диаметр планетарной шестерни 2, и содержащую на своей радиально внутренней стенке зубчатый венец 3d, и между планетарной шестерней 2 и коронной шестерней 3 - множество сателлитов 4, их число равно 5 на фиг.1, содержащих по периферии зубчатый венец 4d, входящий в зацепление с зубчатыми венцами 2d и 3d планетарной шестерни 2 и коронной шестерни 3. Сателлиты 4 установлены с возможностью вращения на опорных подшипниках 5, параллельных оси Х, концы которых установлены в парах шеек, выполненных друг против друга в двух боковых фланцах 7а и 7b сепаратора 8, в котором установлены сателлиты 5, при этом оба боковых фланца 7а и 7b жестко соединены между собой при помощи мостиков 9, выполненных между двумя соседними сателлитами.
Предпочтительно мостики 9 и один из боковых фланцев 7а выполнены в виде единой детали, образующей опорный картер для опорных подшипников 5 сателлитов 4, а другой боковой фланец 7b представляет собой крышку, выполняющую роль осевого упора для опорных подшипников 5 сателлитов 4. Опорные подшипники 5, в количестве пяти штук на данных чертежах, равномерно распределены вокруг оси Х редуктора 1 и расположены на половине расстояния от зубчатых венцов 2d и 3d.
Как для планетарного редуктора, в котором сепаратор 8 является неподвижным во вращении вокруг оси Х, а коронная шестерня 3 является подвижной, так и для редуктора с эпициклической зубчатой передачей, в котором коронная шестерня 3 жестко закреплена на неподвижной конструкции, а сепаратор 8 является подвижным во вращении вокруг оси Х, каждый опорный подшипник 5 подвергается воздействию усилия, перпендикулярного плоскости, содержащей ось Х и ось указанного опорного подшипника, причем величина этого усилия эквивалентна двукратному тангенциальному усилию, порождаемому зубчатым зацеплением.
На фиг.1 стрелкой Fa показано направление силы, действующей на опорный подшипник 5а сателлита 4а, и стрелкой Fb - направление силы, действующей на опорный подшипник 5b сателлита 4b, смежного с сателлитом 4а. Эти две силы Fa и Fb пересекаются в точке 10, находящейся внутри диаметра коронной шестерни 3 и в средней радиальной плоскости сепаратора 8.
В соответствии с настоящим изобретением мостики 9 и по меньшей мере один из боковых фланцев 7а и 7b содержат осевые гнезда 11, в каждом из которых находится точка 10 пересечения линий сил Fa и Fb двух смежных сателлитов 4а, 4b.
Позицией 12 обозначен кольцевой кронштейн сепаратора, показанный на фиг.2, с осью Х, содержащий на своей передней стороне 13 множество параллельных оси Х стоек 14, в количестве пяти на данных чертежах, каждая из которых установлена в осевом гнезде 11.
Каждая стойка 14 закреплена на смежном мостике 9 при помощи штифта 15, геометрическая ось которого перпендикулярна к оси Х редуктора 1 и пересекается с последней. Штифт 15 жестко закреплен на стойке 14 и соединен со смежным мостиком 9 при помощи соединения типа шарового пальца, радиально стопорящего кронштейн 12 сепаратора, но способствующего в некоторой степени наклону кронштейна 12 сепаратора или его небольшому осевому смещению относительно сепаратора 8, чтобы обеспечить гибкость соединений между планетарной шестерней 2 и сателлитами 4, и между сателлитами 4 и коронной шестерней 3. Существенным преимуществом в данном случае является уменьшение возможности нарушения контакта зубчатых венцов 2d, 4d и 3d.
Геометрические оси штифтов 15 находятся в средней радиальной плоскости сателлитов 4 и проходят через точки 10 пересечения сил Fa и Fb двух смежных опорных подшипников 5а, 5b.
На фиг.5 в перспективе отдельно показан кронштейн 12 сепаратора. На этой фигуре видно, что стойки 14 имеют практически прямоугольное сечение, и каждая из них на своем конце содержит радиальное отверстие 16 для установки в него радиально наружной части штифта 15.
Напротив радиального отверстия 16 соответствующий мостик 9 содержит радиальное отверстие 17, в котором устанавливают муфту 20, охватывающую радиально внутреннюю часть штифта 15, как это показано на фиг.6, при этом муфта 20 удерживается на штифте 15 при помощи гайки 21, взаимодействующей с резьбой, выполненной на радиально внутреннем конце штифта 15.
Детально показанная на фиг.7 муфта 20 содержит два кольцевых концевых фланца, обозначенных позициями 22 и 23, по меньшей мере три коаксиальные втулки 24, 25 и 26, установленные между кольцевыми фланцами 22 и 23, при этом промежуточная втулка 25 выполнена из эластомерного материала. Радиально внутренняя втулка 24, а также кольцевые фланцы 22 и 23 имеют внутренний диаметр, равный наружному диаметру штифта 15, и концы внутренней втулки 24 установлены в фальцах, выполненных друг против друга в кольцевых фланцах 22 и 23. Эластомерная втулка 25 установлена между внутренней втулкой 24 и наружной втулкой 26 и между кольцевыми концевыми фланцами 22 и 23. Радиально наружная втулка 26 имеет наружный диаметр, равный диаметру отверстия 17 мостика 9. Наружная втулка 26 запрессована в отверстие 17 и охватывает эластомерную втулку 25. Между кольцевыми фланцами 22 и 23 и радиально наружной стенкой отверстия 17 или концами радиально наружной втулки 26 установлены упругие прокладки 28 и 29, обеспечивающие возможность наклона или осевого смещения наружной втулки 26 относительно внутренней втулки 27 при деформации эластомерной втулки 25.
Между упругими прокладками 28 и 29 и передней поверхностью наружной втулки 26 установлены противоэкструзионные кольца, обозначенные позициями 30 и 31.
Внутренняя 24 и наружная 26 втулки выполнены в виде жестких металлических колец. Противоэкструзионные кольца 30 и 31 обеспечивают удержание материала эластомерной втулки 25 в кольцевом пространстве, выполненном для ее установки.
Радиально наружная часть штифта 15 запрессована в отверстие 16 стойки 14 через вкладыш 32, показанный на фиг.6. Эта радиально наружная часть содержит расширенную головку 33. При затягивании гайки 21 на кольцевом фланце 23, последний прижимает внутреннюю втулку 24 к кольцевому фланцу 22, который в свою очередь прижимается к радиальной внутренней относительно оси Х стороне стойки 14. Таким образом муфта 20 удерживается в неподвижном положении радиально относительно оси Х редуктора 1.
На фиг.8 и 9 показан предпочтительный вариант выполнения муфты 20, отличающейся от муфты 20, показанной на фиг.7, тем, что каждый из кольцевых концевых фланцев 22 и 23 содержит выполненные друг против друга радиально внутренний фальц 40 и радиально наружный фальц 41, разделенные кольцевым ребром жесткости 42.
Наружный диаметр радиально внутреннего фальца 40 равен наружному диаметру внутренней втулки или кольца 24. После сборки концы внутреннего кольца находятся между кольцевыми ребрами жесткости 42 кольцевых фланцев 22 и 23.
Наружная втулка или кольцо 26, высота которого превышает высоту внутреннего кольца 24, содержит на своих концах радиально внутренние пазы, обозначенные позициями 43 и 44, разделенные высотой кольца, практически равной высоте эластомерной втулки 25.
После сборки радиально внутренние пазы 43 и 44 наружного кольца находятся напротив радиально наружных фальцев 41 кольцевых концевых фланцев 22 и 23 и ограничивают вместе с последними кольцевые полости, обозначенные на фиг.9 позициями 45 и 46, в каждую из которых устанавливают уплотнительную прокладку 28, 29 и противоэкструзионное кольцо 30, 31.
Диаметры радиально внутренних пазов 43 и 44 слегка превышают наружный диаметр кольцевых фланцев 22 и 23, и концы наружного кольца 26 охватывают с зазором кольцевые фланцы 22 и 23, чтобы способствовать деформации эластомерной втулки 25 и смещению между внутренним 24 и наружным 26 кольцами.
Точка пересечения сил, действующих на опорные подшипники 5а, 5b двух соседних сателлитов 4а и 4b, предпочтительно находится в центральной зоне муфты 20. Усилие, действующее на штифт 15 и муфту 20, является радиальным усилием, перпендикулярным к оси штифта 15, и не создает крутящего момента на уровне соединения типа шарового пальца. Внутреннее кольцо 24 насажено на штифт 15, а наружное кольцо 26 насажено на мостик 9.
В подробно описанном выше примере штифт 15 насажен на стойку 14, и соединение типа шарового пальца расположено между штифтом 15 и мостиком 9, но для специалиста очевидно, что штифт 15 может быть насажен на мостик 9, и соединение типа шарового пальца будет в этом случае находиться между штифтом 15 и стойкой 14.
На фиг.10 и 11 показан вариант выполнения настоящего изобретения, отличающийся от вышеописанного тем, что штифт 15 выполнен путем формовки на конце стойки 14 и расположен параллельно оси Х редуктора 1. Соответствующий мостик 9 содержит отверстие 17, расположенное в средней плоскости сепаратора 8 и предназначенное для установки муфты 20, аналогичной муфте, описанной со ссылкой на фиг.9. Муфта 20 охватывает штифт 15, а кольцевой фланец 22 упирается в кольцевой заплечик 50, выполненный на стойке 14. Муфта 20 удерживается на штифте 15 при помощи гайки 21, прижимающейся к шайбе 51, которая в свою очередь прижимается к кольцевому фланцу 23.
Преимуществом такого решения является сокращение габаритов и снижение производственных затрат. Действительно, муфту 20 устанавливают параллельно оси Х и на конце штифта 15.
Вышеописанный редуктор 1 находит свое применение в приводном механизме компрессора, который вращается от турбины в авиационном газотурбинном двигателе. В этом случае планетарная шестерня 2 соединена с валом турбины.
Кронштейн 12 сепаратора в этом случае соединен с неподвижной конструкцией двигателя, а коронная шестерня 3 соединена с приводным валом компрессора в случае планетарного редуктора.
В случае редуктора с эпициклической зубчатой передачей кронштейн 12 сепаратора соединен с приводным валом компрессора, а коронная шестерня 3 соединена с неподвижной конструкцией газотурбинного двигателя.
1. Редуктор числа оборотов, предназначенный, в частности, для передачи крутящего момента между газовой турбиной и компрессором в газотурбинном двигателе, содержащий планетарную шестерню (2), коаксиальную с осью редуктора и соединенную с турбиной, сателлитную обойму, соединенную с первым элементом газотурбинного двигателя коаксиально с планетарной шестерней (20) и содержащую множество сателлитов (4), входящих в зубчатое зацепление с планетарной шестерней (2) и коронной шестерней (3), закрепленной на втором элементе газотурбинного двигателя и входящей в зубчатое зацепление с сателлитами, при этом один из указанных первого и второго элементов является неподвижной конструкцией газотурбинного двигателя, а другие элементы приводят во вращение компрессор, при этом сателлитная обойма содержит с одной стороны кольцевой сепаратор (8), содержащий множество пар гнезд, которые предназначены для установки опорных подшипников (5) параллельно оси указанного редуктора и на которых вращается один из сателлитов (4), и множество осевых гнезд (11), каждое из которых расположено между двумя смежными сателлитами (4a, 4b), и с другой стороны - кольцевой кронштейн (12) сепаратора, соединенный с первым элементом, и содержащий множество осевых стоек (14), при этом каждая стойка (14) установлена в одно из гнезд (11) и закреплена на смежном участке (9) сепаратора (8) при помощи штифта (15), расположенного по существу в средней радиальной плоскости сепаратора, отличающийся тем, что гнезда (11) стоек (14) расположены радиально на пересечении линий сил смежных сателлитов (4a, 4b), и тем, что каждый штифт (15) крепления стойки (14) на смежном участке (9) сепаратора (8) жестко закреплен на одной из деталей, образованной стойкой (14) и участком сепаратора (8), и установлен на другой детали при помощи соединения типа шарового пальца, которое является жестким по отношению к валу редуктора и гибким при наклоне и осевом смещении, соединение между штифтом (15) и другой деталью обеспечивается при помощи муфты (20), охватывающей штифт (15) и расположенной в отверстии (17) другой детали, при этом муфта (20) содержит два кольцевых концевых фланца (22, 23) и несколько осевых втулок (24, 25, 26) между указанными фланцами, и по меньшей мере одна из указанных втулок (25) выполнена из эластомера.
2. Редуктор по п.1, отличающийся тем, что каждый из кольцевых концевых фланцев (22, 23) муфты (20) содержит находящиеся друг против друга радиально внутренний фальц (40) и радиально наружный фальц (41), при этом указанные фальцы отделены друг от друга кольцевым ребром жесткости (42), и втулки содержат жесткое внутреннее кольцо (24), концы которого заходят в радиально внутренние фальцы (40) фланцев (22, 23), жесткое наружное кольцо (26), расположенное между радиально наружными ребрами жесткости (41) фланцев (22, 23), и содержащее на своих концах радиально внутренние пазы (43, 44) напротив радиально наружных фальцев (41) фланцев (22, 23), а втулка (25) из эластомера вставлена между внутренним кольцом (24) и наружным кольцом (26) и между ребрами жесткости (42) фланцев.
3. Редуктор по п.2, отличающийся тем, что кольцевые полости (45, 46) ограничены радиально наружными фальцами (41) фланцев и радиально внутренними пазами (43, 44) наружного кольца (26), при этом в указанные полости установлены упругие прокладки (28, 29).
4. Редуктор по п.3, отличающийся тем, что в каждую из кольцевых полостей (45, 46) дополнительно установлено противоэкструзионное кольцо (30, 31), предназначенное для того, чтобы препятствовать выдавливанию эластомера, при этом противоэкструзионное кольцо (30, 31) установлено между упругой прокладкой (28, 29) и передней стороной радиально внутреннего паза (43, 44) наружного кольца (26).
5. Редуктор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что один из фланцев (22) муфты (20) упирается в деталь, на которой закреплен штифт (15), а другой фланец (23) прижимается к внутреннему кольцу (24) при помощи гайки (21), взаимодействующей с резьбой штифта (15).
6. Редуктор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что штифт (15) жестко соединен с соответствующей стойкой (14) и расположен перпендикулярно к оси редуктора.
7. Редуктор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что штифт (15) выполнен путем формовки на конце стойки (14) и расположен параллельно оси редуктора.
8. Редуктор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что коронная шестерня (3) закреплена на неподвижной конструкции газотурбинного двигателя, и кронштейн (12) сепаратора приводит во вращение компрессор.
