Вращательная механическая система с бесконтактным приводом

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям систем изменения шага лопастей воздушных винтов и лопаток турбинных двигателей. Механическая система (10) содержит вал (12), устанавливаемый с возможностью вращения вокруг его первичной оси относительно конструктивного элемента (14), перемещаемую деталь (16), устанавливаемую на валу (12) с возможностью вращения с ним вокруг первичной оси (А) и перемещения выборочно относительно вала (12), приводное средство (18) для перемещения перемещаемой детали (16) относительно вала (12). Приводное средство содержит первый прикрепленный участок (20), который устанавливается на конструктивном элементе (14), и второй перемещаемый участок (22), который устанавливается на валу (12) и соединяется с перемещаемой деталью (16). Приводное средство (18) состоит из электромеханического привода с воздушным зазором между первым участком (20) и вторым участком (22). Обеспечивается снижение трения между перемещаемыми участками. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к вращательной электромеханической системе, содержащей деталь, установленную на перемещаемом валу, которая пригодна для перемещения относительно перемещаемого вала.

Электромеханическая система содержит работающее без трения приводное устройство, в котором один компонент может перемещаться относительно перемещаемого вала, так что срок эксплуатации приводного устройства увеличивается уменьшением трения между перемещающимися частями.

Предшествующий уровень техники

Во вращательной механической системе, такой как, например, турбинный двигатель, содержащий механизм регулировки изменяемого шага лопаток, лопатки поддерживаются валом, с возможностью вращения, установленным вокруг его первичной оси.

Каждая лопатка дополнительно с возможностью перемещения устанавливается относительно вала вокруг радиальной оси относительно главной оси вала для изменения шага лопаток.

Лопатки вращаются посредством приводной системы, которая соединяется с лопатками и в которой одна часть устанавливается на конструктивном элементе турбинного двигателя.

Согласно известным примерам вариантов осуществления, средство для приведения в движение лопаток состоит из вращательных уплотнительных гидравлических систем или вращательных электрических контактов электронных систем.

Такие варианты осуществления содержат многочисленные перемещаемые элементы, которые контактируют друг с другом. Это приводит к износу компонентов и существенной выработке тепла. Таким образом, механическая система также содержит охлаждающее и смазывающее средство для ограничения нагревания и износа этих компонентов. К тому же, необходимо проводить регулярные работы по техническому обслуживанию механической системы.

Задачей изобретения является создание механической системы, снабженной средством для перемещения лопаток относительно вала для ограничения трения между перемещаемыми элементами.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к механической системе, содержащей:

- вал, который с возможностью вращения устанавливается вокруг его первичной оси относительно конструктивного элемента;

- перемещаемую деталь, которая устанавливается на валу так, что она прикрепляется к валу для вращения с ним вокруг первичной оси, и так, что она пригодна для перемещения выборочно относительно вала;

- приводное средство для перемещения перемещаемой детали относительно вала, содержащее первый прикрепленный участок, который устанавливается на конструктивном элементе, и второй перемещаемый участок, который устанавливается на валу и который соединяется с перемещаемой деталью,

и отличается тем, что приводное средство состоит из электромеханического привода с воздушным зазором между первым участком и вторым участком.

Воздушный зазор между двумя участками привода делает возможным устранение любого контакта между элементами, соединенными с конструктивным элементом и элементами, которые могут перемещаться относительно конструктивного элемента, таким образом, уменьшая трение.

Предпочтительно приводное средство состоит из электромеханического привода с воздушным зазором в радиальном поле.

Предпочтительно приводное средство состоит из электромеханического привода с воздушным зазором в аксиальном поле.

Предпочтительно второй участок приводного средства с возможностью вращения устанавливается коаксиально с валом и соединяется с валом средством для направления при вращении вокруг первичной оси вала.

Предпочтительно механическая система содержит средство для преобразования вращательного движения второго участка относительно вала в перемещение перемещаемой детали относительно вала, которое содержит деталь входного перемещения, соединенную со вторым участком, причем указанная деталь входного перемещения выборочно может вращаться относительно вала во время перемещения перемещаемой детали.

Предпочтительно механическая система содержит средство для контролирования приводного средства для контроля скорости вращения второго участка приводного средства относительно первого участка согласно скорости вращения вала.

Предпочтительно средство контроля осуществляется для вращения детали входного перемещения вокруг вала для перемещения перемещаемой детали относительно вала.

Предпочтительно перемещаемая деталь с возможностью вращения устанавливается относительно вала вокруг вторичной оси (В), имеющей радиальное ориентирование относительно первичной оси, причем указанная вторичная ось (В) прикрепляется к валу для вращения с ним вокруг первичной оси.

Изобретение также относится к авиационному турбинному двигателю, отличающемуся тем, что он содержит механическую систему согласно любому из вышеизложенных пунктов патентной заявки, в котором перемещаемая деталь состоит из лопатки изменяемого ориентирования.

Предпочтительно турбинный двигатель содержит множество лопаток, распределенных вокруг первичной оси вала.

Краткое описание чертежей

- Фиг.1 представляет собой схематический вид механической системы согласно изобретению;

- Фиг.2 представляет собой вид, аналогичный фиг.1, изображающий второй вариант осуществления средства для преобразования движения;

- Фиг.3 представляет собой подробное схематическое изображение механической системы согласно изобретению, для которой приводное средство состоит из магнитного асинхронного или асинхронного двигателя;

- Фиг.4 представляет собой вид, аналогичный фиг.3, на котором приводное средство состоит из синхронного двигателя с обмоткой возбуждения;

- Фиг.5 представляет собой вид, аналогичный фиг.3, на котором приводное средство состоит из синхронного двигателя с аксиальным воздушным зазором.

Подробное описание конкретных вариантов осуществления

На фиг.1 изображена механическая система 10, такая как ротор турбинного двигателя, содержащий вращаемый вал 12 вокруг его первичной оси А относительно конструктивного элемента 14 турбинного двигателя. Этот конструктивный элемент может, в свою очередь, прикрепляться в турбинном двигателе или может перемещаться в турбинном двигателе. Для ясности конструктивный элемент 14 будет рассматриваться для прикрепления относительно вала 12.

Вал 12 поддерживает множество лопаток 16, которые распределяются равномерно вокруг вала 12 относительно первичной оси А и которые прикрепляются к валу 12 для вращения с ним относительно конструктивного элемента 14 вокруг первичной оси А.

Механическая система 10 содержит средство для установки шага лопаток 16 для приспособления системы к условиям работы турбинного двигателя.

Таким образом, каждая лопатка 16 с возможностью перемещения устанавливается относительно вала 12 вокруг вторичной оси В, имеющей радиальное основное ориентирование относительно первичной оси А. Каждая вторичная ось В представляет собой первичную ось присоединенной лопатки 16, таким образом она прикрепляется к валу 12 для вращения с ним вокруг первичной оси А.

Средство для установки шага лопаток 16 содержит приводное средство 18 для вращения каждой лопатки 16 вокруг присоединенной вторичной оси В.

Приводное средство по существу содержит первый прикрепленный участок 20, который прикрепляется к конструктивному элементу 14, и второй перемещаемый участок 22, который соединяется с каждой лопаткой 16.

Второй участок с возможностью вращения устанавливается относительно конструктивного элемента 14 вокруг первичной оси А.

При этом первый участок 20 и второй участок 22 коаксиальны с валом 12 и состоят из двух вращающихся элементов, расположенных выше радиально на валу 12.

Приводное средство 18 состоит из электромеханического привода с воздушным зазором. Это означает, что зазор находится между прикрепленным участком 20 и перемещаемым участком 22.

Таким образом, между прикрепленным участком 20 и перемещаемым участком 22 нет механического контакта.

Перемещаемый участок 22 вращается относительно прикрепленного участка 20 посредством электромагнитных сил, не требующих контакта между двумя участками 20, 22.

Согласно первому варианту осуществления, изображенному на фиг.3, приводное средство 18 состоит из синхронного двигателя с постоянным магнитом.

Согласно этому варианту осуществления, перемещаемый участок 22 поддерживает один или множество постоянных магнитов (не изображены), и прикрепленный участок 20 содержит средство для образования электромагнитного поля, вызывающего вращение перемещаемого участка, поддерживающего постоянный магнит(магниты).

Согласно второму варианту осуществления, изображенному на фиг.4, приводное средство 18 состоит из синхронного двигателя с обмоткой возбуждения.

Согласно этому варианту осуществления, перемещаемый участок 22 поддерживает один или множество витков, которые снабжаются электрическим током, для действия как одного или множества электромагнитов.

Согласно изобретению, для устранения любого электрического контакта между прикрепленным участком 20 и перемещаемым участком 22, перемещаемый участок 22 снабжается энергией посредством системы 24 подачи тока, которая к тому же представляет бесконтактный тип.

Согласно дополнительному варианту осуществления, приводное средство 18 состоит из асинхронного двигателя.

Во время работы механической системы 10, вал 12 и перемещаемый участок 22, оба, вращаются вокруг первичной оси А.

Механическая система 10 осуществлена так, что второй участок 22 пригоден для вращения со скоростью, отличной от скорости вращения вала 12 для возможности перемещения лопаток 16.

В дополнение, так как нет контакта между вторым участком 22 и первым участком 20, в общем между вторым участком 22 и конструктивным элементом 14, второй участок 22 направляется при вращении вокруг первичной оси А средством 26 для соединения второго участка 22 с валом 12, которое является средством для направления второго участка 22 при вращении относительно вала 12 вокруг первичной оси А.

Как можно видеть на фиг. 1 и 2, второй участок 22 приводного средства 18 дополнительно соединяется с лопатками 16 посредством средства 28 для преобразования движения.

Средство 28 для преобразования движения устанавливается на валу 12 так, что оно прикрепляется к валу 12 для вращения с ним вокруг первичной оси А. Средство 28 для преобразования движения содержит деталь 36 входного перемещения, которая соединяется со вторым участком 22 приводного средства 18. Деталь 36 для преобразования движения пригодна для вращения выборочно вокруг вала 12 согласно скорости вращения второго участка 22 приводного средства 18 вокруг первичной оси А.

Средство 28 для преобразования движения осуществлено так, что, когда деталь 36 входного перемещения вращается относительно вала 12, каждая лопатка 16 вращается вокруг присоединенной вторичной оси В.

Согласно варианту осуществления, изображенному на Фиг.1, средство 28 для преобразования движения представляет тип, содержащий коническое зубчатое соединение 32.

Согласно варианту осуществления, изображенному на фиг.2, средство 28 для преобразования движения представляет тип, содержащий систему 34 коленчатого вала.

При этом деталь 36 входного перемещения соединяется со вторым участком 22 приводного средства 18 посредством системы 30 зацепления для изменения скорости вращения детали 36 входного перемещения вокруг первичной оси А относительно скорости вращения второго участка 22 вокруг первичной оси А.

Передаточное число этой системы 30 зацепления определяется для уменьшения или увеличения скорости вращения второго участка 22 согласно типу привода, образующего приводное средство 18, и согласно диапазону скорости вращения вала 12.

Согласно одному альтернативному варианту осуществления, второй участок 22 приводного средства 18 соединяется непосредственно с деталью 36 входного перемещения.

Приводное средство 18 также содержит средство регулирования (не изображено), которое выполнено с возможностью регулирования скорости вращения второго участка 22 относительно конструктивного элемента 14 согласно скорости вращения вала 12 относительно конструктивного элемента 14 и согласно передаточному числу системы 30 зацепления.

Средство регулирования осуществлено для вращения выборочно детали 36 входного перемещения относительно вала 12, когда необходимо менять ориентирование лопаток 16.

Действительно, во время работы механической системы 10, и когда лопатки 16 не должны перемещаться относительно вала 12, деталь 36 входного перемещения должна оставаться неподвижной относительно вала 12, т.е. она вращается с такой же скоростью, как вал 12 относительно конструктивного элемента 14.

Таким образом, скорость вращения второго участка 22 относительно конструктивного элемента 14 определяется так, что скорость вращения детали 36 входного перемещения относительно конструктивного элемента 14 равна скорости вращения вала 12 относительно конструктивного элемента 14.

При этом когда ориентирование лопаток 16 должно меняться, средство регулирования меняет скорость вращения второго участка 22 относительно конструктивного элемента 14 в течение некоторого времени так, что деталь 36 входного перемещения вращается относительно вала 12 под заранее заданным углом, соответствующим модификации углового положения каждой лопатки 16.

Модификация скорости вращения второго участка 22 относительно конструктивного элемента 14 может состоять из увеличения, уменьшения или изменения на обратное скорости вращения второго участка 22.

Когда получается искомое угловое положение каждой лопатки 16, средство регулирования меняет скорость вращения второго участка 22 относительно конструктивного элемента 14 так, что деталь 36 входного перемещения вращается с такой же скоростью, как вал 12 относительно конструктивного элемента 14, и так, что деталь 36 входного перемещения неподвижна относительно вала 12.

В качестве неограниченного примера, в котором приводное средство 18 состоит из синхронного двигателя с постоянным магнитом, частота подачи энергии на прикрепленном участке 20 должна смещать скорость вращения вала 12 относительно первичной оси А.

Ссылка «F12», таким образом, определяется как частота дифференциального вращения вала 12 относительно первого участка 20 (например, для скорости вращения вала 12 относительно первичной оси А 1200 оборотов в минуту, это соответствует частоте F12 20 Гц).

Ссылка «p» также определяется как некоторое количество пар полюсов магнитного синхронного двигателя.

Для получения относительной частоты «F22» вращения второго участка 22 относительно вала 12, потребуется частота подачи энергии магнитного синхронного двигателя p*(F12+F22).

Для магнитного синхронного двигателя, имеющего три пары полюсов и максимальную приводную скорость 10, 200 оборотов в минуту, максимальная частота подачи энергии получается 3*(20 Гц + 170 Гц) = 570 Гц.

В случае использования асинхронного двигателя, подача энергии определяется по формуле p*(F12+F22+Fr), где Fr представляет собой частоту тока ротора на втором участке 22.

Fr меняется согласно прилагаемому крутящему моменту и рабочей точке.

Для асинхронного двигателя, имеющего три пары полюсов и максимальную приводную скорость 1200 оборотов в минуту, например, при установившихся условиях, получается максимальная частота подачи энергии 3*(20 Гц + 170 Гц + 10 Гц) = 600 Гц.

Будет понятно, что скорость вращения второго участка 22 может меняться непрерывно для предотвращения любого толчка.

Согласно вариантам осуществления, изображенным на фиг.1-4, приводное средство 18 представляет собой тип воздушного зазора в радиальном поле, т.е. прикрепленный участок 20 и перемещаемый участок 22 коаксиальны и радиально смещены относительно друг друга.

Будет понятно, что изобретение не ограничивается этим вариантом осуществления и что приводное средство 18 может быть другого типа, такого как, например, изображенного на фиг.5, в котором приводное средство представляет собой тип воздушного зазора в аксиальном поле.

Согласно этому варианту осуществления, прикрепленный участок 20 и перемещаемый участок 22 аксиально смещены относительно друг друга.

Согласно дополнительному варианту осуществления (не изображен), приводное средство 18 представляет собой тип, объединяющий воздушный зазор в радиальном поле и воздушный зазор в аксиальном поле.

В дополнение, изобретение описано в связи с лопатками 16 турбинного двигателя, которые могут вращаться вокруг вторичной оси В. Будет понятно, что изобретение не ограничивается этим вариантом осуществления и что изобретение может быть связано с любым элементом, с возможностью перемещения установленным вдоль вторичной оси В при перемещении вдоль вторичной оси В или согласно движению, объединяющему перемещение и вращение относительно вторичной оси.

1. Механическая система(10), содержащая:

- вал (12), который с возможностью вращения устанавливается вокруг его первичной оси относительно конструктивного элемента (14);

- перемещаемую деталь (16), которая устанавливается на валу (12) так, что она прикрепляется к валу (12) для вращения с ним вокруг первичной оси (А), и так, что она пригодна для перемещения выборочно относительно вала (12);

- приводное средство (18) для перемещения перемещаемой детали (16) относительно вала (12), содержащее первый прикрепленный участок (20), который устанавливается на конструктивном элементе (14), и второй перемещаемый участок (22), который устанавливается на валу (12) и который соединяется с перемещаемой деталью (16), состоящее из электромеханического привода с воздушным зазором между первым участком (20) и вторым участком (22);

в которой второй перемещаемый участок (22) выполнен с возможностью приведения во вращение относительно первого прикрепленного участка (20) электромагнитными силами, производимыми электромеханическим приводом, при функционировании механической системы, когда перемещаемая деталь (16) подлежит перемещению относительно вала (12) и когда перемещаемая деталь (16) является неподвижной относительно вала (12),

причем система содержит средство для контролирования приводного средства (18) для контроля скорости вращения второго перемещаемого участка (22) приводного средства (18) относительно первого участка (20), в зависимости от скорости вращения вала (12).

2. Механическая система (10) по п. 1, отличающаяся тем, что приводное средство (18) состоит из электромеханического привода с воздушным зазором в радиальном поле.

3. Механическая система (10) по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что приводное средство (18) состоит из электромеханического привода с воздушным зазором в аксиальном поле.

4. Механическая система (10) по п. 1, отличающаяся тем, что второй участок (22) приводного средства (18) с возможностью вращения устанавливается коаксиально с валом (12) и соединяется с валом (12) средством (26) для направления при вращении вокруг первичной оси (А) вала (12).

5. Механическая система (10) по п. 4, отличающаяся тем, что она содержит средство (28) для преобразования вращательного движения второго участка (22) относительно вала (12) в перемещение перемещаемой детали (16) относительно вала (12), которое содержит деталь (36) ввода движения, соединенную со вторым участком (22), причем указанная деталь (36) ввода движения выборочно может вращаться относительно вала (12) во время перемещения перемещаемой детали (16).

6. Механическая система (10) по п. 1, отличающаяся тем, что средство контроля осуществлено для вращения детали (36) ввода движения вокруг вала (12) для перемещения перемещаемой детали (16) относительно вала (12).

7. Механическая система (10) по п. 1, отличающаяся тем, что перемещаемая деталь (16) с возможностью вращения устанавливается относительно вала (12) вокруг вторичной оси (В), имеющей радиальное ориентирование относительно первичной оси (А), причем указанная вторичная ось (В) прикрепляется к валу (12) для вращения с ним вокруг первичной оси (А).

8. Авиационный турбинный двигатель, отличающийся тем, что он содержит механическую систему (10) по любому из пп. 1-7, в которой перемещаемая деталь (16) состоит из лопатки изменяемого ориентирования.

9. Турбинный двигатель по п. 8, отличающийся тем, что он содержит множество лопаток (16), распределенных вокруг первичной оси (А) вала (12).