Система обеспечения герметичности между двумя коаксиальными вращающимися валами и газотурбинный двигатель
Изобретение относится к системе динамической герметизации между двумя коаксиальными вращающимися валами, соответственно внутренним валом и наружным валом. Система содержит связанную с внутренним валом разделенную на сектора кольцевую систему пластин, выполненных с возможностью перемещаться под действием центробежных сил, и кольцевой резервуар, предназначенный для жидкости и размещенный на внутренней поверхности наружного вала. Технический результат - повышение эффективности работы данной системы на протяжении длительного промежутка времени. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Предлагаемое изобретение относится к системе обеспечения герметизации между двумя коаксиальными вращающимися валами и, более конкретно, относится к новому типу динамического средства уплотнения, размещенного между двумя этими валами.
В авиационном турбореактивном двигателе, например, необходимо определить и изолировать некоторую камеру, охватывающую тот или иной механический орган, такой, например, как подшипник или шестерня, установленный между двумя вращающимися валами. В эту камеру под давлением подается смазочное масло для того, чтобы обеспечить смазку и охлаждение упомянутого механического органа. Изоляция камеры требует, в частности, наличия герметизирующего уплотнения между двумя этими вращающимися валами.
Различают средства уплотнения с механическим контактом и другие средства, а именно бесконтактные средства уплотнения. Недостатком средств уплотнения с механическим контактом (углеродные уплотнительные прокладки или уплотнительные прокладки щеточного типа) является их быстрый механический износ и необходимость их периодической замены. Кроме того, при использовании углеродной уплотнительной прокладки ее хрупкость создает определенные трудности при монтаже. Относительно небольшой расход воздуха, входящего в упомянутую камеру, чаще всего необходим для того, чтобы поддерживать некоторое избыточное давление в камере. При этом механический износ уплотнительной прокладки оказывается еще более значительным в том случае, когда подлежащие уплотнению валы вращаются в противоположных направлениях.
Бесконтактное средство уплотнения, например уплотнение лабиринтного типа, требует значительно более мощного расхода воздуха, причем часто оказывается затруднительным обеспечить требуемое давление воздуха. Кроме того, в герметизируемой камере образуется смесь воздуха с маслом, что требует применения устройства удаления масла из воздуха перед отведением воздуха. Эффективность функционирования такого устройства обратно пропорциональна расходу подлежащего обработке воздуха. Таким образом, оказывается достаточно затруднительным установление приемлемого компромисса. Кроме того, устройство удаления масла из воздуха является достаточно дорогостоящим, громоздким и тяжелым.
Задача настоящего изобретения состоит в преодолении описанных выше недостатков, присущих известным устройствам, и в разработке конструкции средства уплотнения без введения внешнего воздуха и без механического износа, отрицательным образом влияющего на эффективность работы данной системы на протяжении длительного промежутка времени.
Для решения поставленной задачи предложена система обеспечения герметичности между двумя коаксиальными и наложенными один на другой вращающимися валами, соответственно внутренним валом и трубчатым наружным валом, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере одну связанную с внутренним валом и разделенную на сектора кольцевую систему пластин, выполненную с возможностью перемещаться под действием центробежных сил и перемещающуюся по существу в радиальном направлении в сторону наружного вала, и кольцевой резервуар для жидкости, выполненный на внутренней поверхности наружного вала напротив криволинейных кромок упомянутых пластин, причем упомянутые криволинейные кромки выполнены с возможностью погружения в жидкость при перемещении упомянутых пластин под действием центробежных сил.
Таким образом, в том случае, когда наружный вал приводится во вращательное движение и когда жидкость размещена в упомянутом кольцевом резервуаре, формируется центрифугированное кольцо жидкости, в которое погружаются упомянутые пластины.
Предпочтительно, чтобы упомянутая жидкость представляла собой смазочное масло.
Предпочтительно, чтобы предлагаемая система содержала две упомянутые выше системы пластин, смещенные по отношению друг к другу в угловом отношении. Например, каждая система может содержать четыре пластины, каждая из которых перекрывает угловой сектор величиной в 90° в состоянии покоя.
Предпочтительно также, чтобы две указанные системы пластин размещались против друг друга.
Предпочтительно также, чтобы указанные две системы пластин были наложены одна на другую в окружном направлении.
Предпочтительно также, чтобы упомянутая пластина одной и той же системы имела в своем составе элемент перекрытия, содержащий по существу радиальный плоский элемент жесткости с криволинейной кромкой, упомянутый элемент перекрытия был присоединен к гибкой пластине, закрепленной на донной части опоры, в которой определяется цилиндрическая полость, открытая на одном своем конце, а упомянутая опора была закреплена на наружной поверхности упомянутого внутреннего вала. Упомянутый элемент перекрытия взаимодействует с открытым концом упомянутой цилиндрической полости.
Предпочтительно, чтобы элемент перекрытия содержал цилиндрический участок, примыкающий к упомянутому плоскому элементу жесткости и присоединенный к нему вдоль одной его кромки.
Например, упомянутая гибкая пластина проходит от середины этого цилиндрического участка. Упомянутая гибкая пластина может быть присоединена рядом с концом элемента перекрытия для того, чтобы в первую очередь содействовать перемещению одного из ее концов в процессе приведения во вращательное движение.
Целесообразно, чтобы упомянутая внутренняя поверхность наружного вала содержала кольцевую канавку, располагающуюся против упомянутой разделенной на сектора кольцевой системы пластин, и масляный жиклер или аналогичное устройство располагалось в непосредственной близости от этой канавки и было ориентировано таким образом, чтобы подавать в эту канавку масло при каждом приведении упомянутого наружного вала во вращательное движение.
Предложен также газотурбинный двигатель, который имеет в своем составе два коаксиальных вращающихся вала, между которыми установлена система обеспечения герметичности в соответствии с п.1.
Предлагаемое изобретение является особенно эффективным в том случае, когда два упомянутых вала вращаются в противоположных направлениях.
Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания нескольких возможных вариантов выполнения системы обеспечения герметичности в соответствии с концепцией изобретения, используемых в качестве примеров, приводимых со ссылками на прилагаемые фигуры, в числе которых:
Фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе системы обеспечения герметичности между двумя коаксиальными валами, проиллюстрированной в состоянии покоя;
Фиг.1А представляет собой схематический вид в разрезе по линии I-I, показанной на фиг.1;
Фиг.2 представляет собой вид, аналогичный виду, показанному на фиг.1, иллюстрирующий функционирование системы обеспечения герметичности в том случае, когда два вала совершают вращательное движение;
Фиг.2А представляет собой схематический вид в разрезе по линии II-II, показанной на фиг.2;
Фиг.3 представляет собой вид, аналогичный виду, показанному на фиг.1, и иллюстрирующий один из вариантов выполнения;
Фиг.4 представляет собой вид, аналогичный виду, показанному на фиг.2, и иллюстрирующий тот же самый вариант выполнения в процессе функционирования;
Фиг.5 представляет собой схематический вид в изометрии двух систем пластин, показанных с осевым смещением и в состоянии покоя;
Фиг.6 представляет те же самые системы пластин, но показанные в процессе функционирования.
На фигурах 1 и 2 и на соответствующих разрезах, представлены два коаксиальных вращающихся вала, соответственно внутренний вал 12 и трубчатый наружный вал 14. Два эти вала наложены один на другой. Система обеспечения герметичности в соответствии с предлагаемым изобретением установлена между двумя этими вращающимися валами внутри кожуха 16, проходящего между наружной поверхностью внутреннего вала и наружной поверхностью наружного вала. Этот кожух прикрывает жидкостный жиклер 18, который в данном случае представляет собой масляный жиклер. Это масло питает систему обеспечения герметичности, начиная с того момента, как наружный вал приводится во вращательное движение.
В соответствии с изобретением система обеспечения герметичности содержит по меньшей мере одну разделенную на сектора кольцевую систему 20а, 20b пластин 22, имеющих возможность перемещаться под действием центробежных сил и перемещающихся по существу в радиальном направлении в сторону наружного вала 14 в том случае, когда эти пластины подвергаются воздействию центробежных сил. Пластины 22 присоединены к внутреннему валу.
Система обеспечения герметизации предпочтительно содержит две упомянутые выше системы 20а, 20b пластин, смещенные в угловом отношении по отношению друг к другу. Устройство этих систем особенно хорошо можно видеть на фигурах 5 и 6. В варианте выполнения, представленном на фигурах 1 и 2, две системы 20а, 20b пластин размещены против друг друга. Согласно данному варианту каждая система содержит четыре криволинейных пластины 22, занимающих сектор в 90°.
Пластина 22 одной и той же системы содержит элемент перекрытия 24, в данном случае содержащий плоский элемент жесткости 26 и цилиндрический участок 28, примыкающий к этому плоскому элементу жесткости и присоединенный к нему вдоль его кромки. Плоский элемент жесткости выступает в направлении наружу, то есть в направлении внутренней поверхности наружного вала 14. Он содержит криволинейную кромку 29, имеющую контур круглой формы. Этот плоский элемент жесткости 26 в положении покоя проходит по существу в радиальной плоскости.
В то же время, элемент перекрытия 24 присоединен к гибкой пластине 30, закрепленной в донной части опоры 36а или 36b, в которой выполнена цилиндрическая полость 38а или 38b. Эта опора является цилиндрической и закреплена на наружной поверхности упомянутого внутреннего вала. Эта цилиндрическая полость открыта на том своем конце, где располагается элемент перекрытия 24. Плоский элемент жесткости 26 проходит снаружи от упомянутой полости и элемент перекрытия взаимодействует с открытым концом этой полости. Цилиндрическая полость 38а или 38b продолжается в опоре при помощи продольных выемок 39, в которых проходят гибкие пластины 30. Указанные гибкие пластины закреплены на опоре в донных частях этих выемок. В варианте, представленном на фиг.1, внутренний вал содержит две опоры 36а, 36b с двумя открытыми цилиндрическими полостями 38а, 38b, открытые концы которых располагаются против друг друга. Каждая опора 36а, 36b перекрывает систему пластин и эти пластины взаимодействуют с открытым концом соответствующей полости 38а, 38b. Вследствие гибкости язычка каждая пластина имеет возможность перемещаться по существу в радиальном направлении (вместе с небольшим поворотным движением) в сторону наружного вала под действием центробежных сил, возникающих вследствие вращения внутреннего вала. Перемычка 41, вставленная между двумя опорами, позволяет отрегулировать осевое расстояние, разделяющее системы 20а, 20b.
В то же время, в соответствии с еще одной отличительной характеристикой предлагаемого изобретения кольцевой резервуар для жидкости, в данном случае образованный канавкой 42, выполненной на внутренней поверхности наружного вала, позволяет создать при вращении наружного вала жидкое центрифугированное кольцо 40. Это кольцо удерживается на внутренней поверхности упомянутого наружного вала 14 против криволинейных кромок упомянутых пластин или, более конкретно, кромок 29 элементов жесткости 26.
В рассматриваемом варианте выполнения жидкость предпочтительно представляет собой смазочное масло.
Кольцевая канавка 42 располагается против одной или каждой разделенной на сектора кольцевой системы пластин, тогда как масляный жиклер располагается в непосредственной близости от этой канавки и ориентирован таким образом, чтобы подавать в нее масло при каждом приведении наружного вала во вращательное движение. Вследствие этого и под действием центробежных сил, возникающих в результате вращения наружного вала, жидкость (в данном случае, смазочное масло) собирается и удерживается в донной части кольцевой канавки. В процессе функционирования цилиндрический участок 28 опирается на опору 36 таким образом, чтобы криволинейная кромка 29 погрузилась в жидкость, не входя при этом в механический контакт с донной частью канавки 42.
В том случае, когда пластины 22 перемещаются в направлении наружного вала, криволинейные кромки элементов жесткости погружаются в кольцо масла (см. фиг.2) и, входя в упор с концом опоры 36а или 36b, удерживаются в этом положении под действием центробежных сил, обеспечивая герметичность.
В варианте выполнения, представленном на фигурах 1 и 2, канавка 44 определяется на конце опоры 36b, жестко связанной с внутренним валом, в которой определяется полость 38b, и эта канавка продолжается отверстиями 45, 47, выполненными в опоре. Указанные отверстия открываются в радиальном направлении против кольцевой канавки 42, выполненной на внутренней поверхности наружного вала, для питания упомянутого центрифугированного масляного кольца, удерживаемого в этой кольцевой канавке.
Кольцевая канавка содержит успокоительный барьер 46, выполненный между кольцевой частью 48, куда погружаются упомянутые пластины, и примыкающей кольцевой частью 50, куда подается смазочное масло. Более конкретно, эта примыкающая кольцевая часть располагается против просверленных отверстий 47. Упомянутый успокоительный барьер, имеющий в целом кольцевую форму, содержит по меньшей мере один вырез или аналогичную выемку, что позволяет маслу переходить из одной кольцевой части в другую.
Другая кольцевая канавка 56 находится рядом с той канавкой, которая выполнена против упомянутых пластин. Эта другая канавка выполнена на внутренней поверхности наружного вала в межвальном пространстве и сообщается с кожухом при помощи дренажного отверстия 58, проходящего сквозь этот вал. Таким образом, возможная утечка смазочного масла рекуперируется в этом кожухе. Масло, которое попадает в кожух, может быть собрано и возвращено в цикл.
Как показано на фигурах 1А и 2А, а также на фигурах 5 и 6, внутренние криволинейные кромки элементов перекрытия 24 по существу находятся в контакте своими концами в том случае, когда пластины не подвергаются воздействию центробежных сил. Под действием этих центробежных сил пространство между концами пластин увеличивается, вследствие чего возникает необходимость в использовании двух систем пластин, смещенных относительно друг друга в окружном направлении. В случае системы, образованной четырьмя пластинами, упомянутые системы смещены на 45°.
В соответствии с вариантом выполнения, представленным на фигурах 3 и 4, внутренний вал содержит открытую цилиндрическую полость, выполненную в цилиндрической опоре 36а, присоединенной к наружной поверхности вала. Элементы перекрытия 24 двух систем пластин размещаются в указанной цилиндрической полости. Элементы перекрытия двух систем 20а, 20b пластин 22 взаимодействуют в суперпозиции с открытым концом этой полости 38.
Таким образом, две системы пластин наложены одна на другую. При этом они смещены относительно друг друга в окружном направлении, как и в предыдущем варианте выполнения с той же целью.
В данном варианте выполнения, где аналогичные элементы обозначены теми же цифровыми позициями, сопло 18 направлено непосредственно в кольцевую канавку 42, которая формирует кольцо центрифугированной жидкости. Как и в предшествующем варианте выполнения, кольцевая канавка содержит успокоительный барьер 46, располагающийся между кольцевой частью 48, куда погружаются пластины, и примыкающей кольцевой частью 50, куда смазочное масло подается при помощи жиклера.
1. Система обеспечения герметичности между двумя коаксиальными и наложенными один на другой вращающимися валами, соответственно внутренним валом (12) и трубчатым наружным валом (14), отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере одну связанную с внутренним валом и разделенную на сектора кольцевую систему пластин (22), выполненную с возможностью перемещения под действием центробежных сил, по существу, в радиальном направлении в сторону наружного вала, и кольцевой резервуар (42) для жидкости, выполненный на внутренней поверхности наружного вала напротив криволинейных кромок упомянутых пластин, причем упомянутые криволинейные кромки выполнены с возможностью погружения в жидкость при перемещении упомянутых пластин под действием центробежных сил.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит две упомянутые выше системы (20а, 20b) пластин, смещенные относительно друг друга в окружном направлении.
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что две системы (20а, 20b) пластин размещаются друг против друга.
4. Система по п.2, отличающаяся тем, что две системы пластин наложены одна на другую.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая пластина одной и той же системы имеет в своем составе элемент перекрытия (24), содержащий, по существу, радиальный элемент жесткости (26) с криволинейной кромкой (29), причем упомянутый элемент перекрытия присоединен к гибкой пластине (30), закрепленной на донной части опоры (36а или 36b), связанной с внутренним валом, в которой предусмотрена цилиндрическая полость (38, 38а, 38b), открытая на одном своем конце, причем упомянутая цилиндрическая полость выполнена на поверхности упомянутого внутреннего вала, а элемент перекрытия (24) выполнен с возможностью взаимодействия с открытым концом упомянутой цилиндрической полости.
6. Система по п.5, отличающаяся тем, что элемент перекрытия (24) содержит цилиндрический участок (28), примыкающий к упомянутому плоскому элементу жесткости и присоединенный к нему вдоль его внутренней кромки.
7. Система по одному из пп.3, 5 и 6, отличающаяся тем, что внутренний вал (12) содержит две открытые цилиндрические полости, открытые концы которых располагаются друг против друга, причем элементы перекрытия одной и той же системы (20а, 20b) пластин (22) взаимодействуют с открытым концом соответствующей полости.
8. Система по одному из пп.4-6, отличающаяся тем, что внутренний вал (12) содержит открытую цилиндрическую полость, причем элементы перекрытия двух систем (20а, 20b) пластин взаимодействуют в суперпозиции с открытым концом упомянутой единственной полости.
9. Система по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность наружного вала (14) содержит кольцевую канавку (42), располагающуюся напротив упомянутой разделенной на сектора кольцевой системы пластин, при этом масляный жиклер (18) или аналогичное устройство располагается в непосредственной близости от этой канавки и ориентирован с возможностью подачи в канавку смазочного масла при каждом приведении упомянутого наружного вала во вращательное движение.
10. Система по п.9, отличающаяся тем, что упомянутая кольцевая канавка содержит успокоительный барьер (46), располагающийся между кольцевой частью (48), куда погружаются упомянутые пластины, и примыкающей кольцевой частью (50), куда жидкость подается при помощи упомянутого жиклера.
11. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что он имеет в своем составе два коаксиальных вращающихся вала, между которыми установлена система обеспечения герметичности в соответствии с п.1.
12. Газотурбинный двигатель по п.11, отличающийся тем, что два упомянутых вала вращаются в противоположных направлениях.
