CZ286711B6 - Process and apparatus for eliminating clearances in bearings - Google Patents

Description

Způsob a zařízení pro eliminaci vůlí v ložiskách

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení pro eliminaci vůlí v ložiskách turbínového stroje, zahrnujícího hřídel, nesený ve skříni stroje prvním a druhým ložiskem, která jsou od sebe axiálně vzdálena, a ložiskové těleso, připevněné ke skříni stroje, kde každé uvedené ložisko zahrnuje dvojici radiálně od sebe vzdálených ložiskových kroužků a množství kuliček mezi nimi, přičemž tento stroj je konstruován a uspořádán tak, že radiálně vnitřní ložiskový kroužek každého páru ložisek je připevněn k hřídeli a radiálně vnější ložiskový kroužek prvního ložiska je axiálně pohyblivý vzhledem k uvedenému ložiskovému tělesu, a radiálně vnější ložiskový kroužek druhého ložiska je připevněn k tomuto ložiskovému tělesu.

Dosavadní stav techniky

Turbínové stroje, jako jsou turbínové motory, zahrnují úsek dmýchadla, úsek kompresoru, spalovací úsek a úsek turbíny. Motorem prochází axiálně z úseku dmýchadla do úseku turbíny hřídel. Tento hřídel je obvykle nesen dvěma axiálně od sebe vzdálenými ložisky, která jsou spojena se skříní stroje pomocí ložiskových těles. U mnoha motorů se používá kombinace kuličkového a válečkového ložiska, známo je rovněž použití dvou kuličkových ložisek. Základním požadavkem kladeným na tato ložiska je, aby podpírala hřídel takovým způsobem, že jsou minimalizovány vibrace ložisek a rovněž hřídele za chodu stroje, a to i při velmi vysokých otáčkách hřídele.

Při chodu leteckého turbínového motoru je obvykle zatěžován jeden nebo oba axiálně od sebe vzdálené vnější ložiskové kroužky, které obklopují valivé elementy. Zatížení kroužků je uvádí do trvalého přímkového styku s příslušnými kuličkami, čímž se sníží vibrace, které by jinak v ložisku vznikaly. Pro uvedené zatěžování ložisek je známo použití tlakového vzduchu, avšak použití tlakového vzduchu může být nespolehlivé, protože za provozu motoru může být velikost vyvozovaného tlaku nedostatečná pro účinné zatížení ložisek, což může mít pak za následek nadměrné vibrace ložisek a hřídele, vytvářející nežádoucí úroveň hluku v kabině letadla.

Další varianty způsobu zatěžování ložisek pomocí stlačeného vzduchu jsou popsány v amerických patentech č. 3 574 424, 4 159 808, 4 268 220, 4 578 018 a 5 105 295.1 přes existenci těchto řešení, je zde požadavek na vytvoření zdokonalených zařízení, zajišťujících optimální provozní charakteristiky moderních turbínových motorů.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle se dosahuje způsobem eliminace vůlí v ložiskách turbínového stroje, zahrnujícího hřídel, nesený ve skříni stroje prvním a druhým ložiskem, která jsou od sebe axiálně vzdálena, a ložiskové těleso, připevněné ke skříni stroje, kde každé uvedené ložisko zahrnuje dvojici radiálně od sebe vzdálených ložiskových kroužků a množství kuliček mezi nimi, přičemž tento stroj je konstruován a uspořádán tak, že radiálně vnitřní ložiskový kroužek každého páru ložisek je připevněn k hřídeli a radiálně vnější ložiskový kroužek prvního ložiska je axiálně pohyblivý vzhledem k uvedenému ložiskovému tělesu, a radiálně vnější ložiskový kroužek druhého ložiska je připevněn k tomuto ložiskovému tělesu, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se vyvodí síly v axiálním směru na vnější ložiskový kroužek prvního ložiska.

-1 CZ 286711 B6

Výsledkem způsobu podle tohoto vynálezu je, že axiální síla, vyvozená na vnější kroužek jednoho z ložisek, způsobí uvedení kuliček obou ložisek do trvalého přímkového kontaktu s jejich ložiskovými kroužky a tím zmenšení vibrací mezi ložisky a hřídelem.

Uvedeného cíle se také dosáhne zařízením, zahrnujícím hřídel, nesený ve skříni stroje prvním a druhým kuličkovým ložiskem, která jsou od sebe v axiálním směru vzdálena, kde každé uvedené ložisko zahrnuje dvojici radiálně od sebe vzdálených ložiskových kroužků a množství kuliček mezi těmito ložiskovými kroužky, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že dále zahrnuje ložiskové těleso, připevněné ke skříni stroje, kde radiálně vnější ložiskový kroužek prvního ložiska je axiálně pohyblivý vzhledem k ložiskovému tělesu, radiálně vnější ložiskový kroužek druhého ložiska je upevněn k tomuto ložiskovému tělesu radiálně a axiálně pevně a radiálně vnitřní kroužky obou ložisek jsou připevněné k hřídeli, pro uvádění uvedeného vnějšího kroužku prvního ložiska do kontaktu sjeho kuličkami, které jsou naopak v kontaktu s vnitřním ložiskovým kroužkem prvního ložiska a pohybují se s hřídelem v uvedeném směru současně s vnitřním ložiskovým kroužkem uvedeného druhého ložiska, a pro uvádění tohoto vnitřního ložiskového kroužku do kontaktu s kuličkami tohoto ložiska, které jsou v kontaktu s vnějším ložiskovým kroužkem druhého ložiska a přenášejí tak na něj sílu, axiálně vyvozenou na vnější ložiskový kroužek předního ložiska, a dále zahrnuje prostředky pro vyvození síly, směrované axiálně na vnější ložiskový kroužek prvního ložiska.

Podle výhodného provedení zahrnují prostředky pro vyvození síly na uvedený vnější ložiskový kroužek prvního ložiska prostředky pro dodávku tlakového oleje na pohyblivý píst, přilehlý k uvedenému vnějšímu ložiskovému kroužku. Podle dalšího výhodného provedení je ložiskové těleso tvořeno jednodílnou konstrukcí, umístěnou mezi uvedenými ložisky.

Přehled obrázků na výkrese

Na přiloženém výkrese je zobrazen řez částí turbínového motoru, ukazující oblast ložisek turbínového stroje podle tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Jak již bylo výše uvedeno, zahrnují moderní turbínové motory na svém jednom konci úsek dmýchadla a úsek turbíny na axiálně po směru proudění druhém konci motoru. Mezi úsekem dmýchadla a úsekem turbíny se nachází úsek kompresoru a spalovací úsek. Tímto motorem prochází v axiálním směru hřídel. Jsou známy konstrukce motoru, které používají pouze jeden hřídel, jiné konstrukce pak používají hřídele dva nebo více. Tento vynález je možno použít u motorů s jedním hřídelem, stejně jako u motorů s více hřídeli. Na přiloženém výkrese je tento hřídel označen vztahovou značkou 12 a směr jeho otáčení při chodu motoru je označen šipkou 13.

Hřídel 12 je nesen dvěma ložisky 16 a 18. První ložisko 16 (následně pro snazší orientaci označované jako přední ložisko) je od druhého ložiska 18 (následně pro snazší orientaci označovaného jako zadní ložisko) axiálně vzdáleno po směru proudění v motoru. Tato ložiska 16 a 18 jsou běžnými kuličkovými ložisky, zahrnujícími dvojici radiálně od sebe vzdálených ložiskových kroužků a množství kuliček, rozmístěných s obvodovými rozestupy mezi těmito ložiskovými kroužky. Konkrétně přední ložisko 16 zahrnuje vnější ložiskový kroužek 20 a vnitřní ložiskový kroužek 22, které spolupůsobí tak, že obklopují kuličky 24 a udržují je ve stanovené poloze. Podobně zadní ložisko 18 zahrnuje vnější ložiskový kroužek 26, vnitřní ložiskový kroužek 28 a kuličky 30.

-2CZ 286711 B6

Vnitřní ložiskový kroužek 22 předního ložiska 16 je připevněn k hřídeli 12, výhodně na vnitřním povrchu 32 tohoto vnitřního ložiskového kroužku 22. Vnější ložiskový kroužek 20 předního ložiska 16 je axiálně pohyblivý vzhledem k ložiskovému tělesu 36 a tedy je pohyblivý i vzhledem ke hřídeli 12. U zadního ložiska 18 je vnitřní ložiskový kroužek 28 připevněn k hřídeli 12, výhodně vnitřním povrchem 38 vnitřního ložiskového kroužku 28. V radiálním směru vnější povrch 72 vnějšího ložiskového kroužku 26 zadního ložiska 18 je připevněn k ložiskovému tělesu 36. Toto ložiskové těleso 36 je připevněno ke skříni stroje prostřednictvím vložené skříně 40. Pro účely tohoto vynálezu může být ložiskové těleso 36 připojeno i přímo ke skříni stroje, nebo kjakémukoliv nosníku, který je pevně připojen ktéto skříni. Skříň stroje a hřídel 12 jsou koaxiální, přičemž osa motoru je na výkrese označena vztahovou značkou 42.

Ložiskové těleso 36 je jednodílná konstrukce, která se rozprostírá mezi ložisky 16 a 18 a sestává ze tří částí: z první části 44 v oblasti předního ložiska 16, z druhé části 46 v oblasti zadního ložiskem 18 a ze třetí části 48 v oblasti připojení ke vložené skříni 40.

První část 44 ložiskového tělesa 36 je tvořena tenkou kovovou stěnou 50, která tvoří dvojici rovnoběžných, mírně od sebe vzdálených ramen 52, 54. Délka obou těchto ramen 52, 54 je přibližně stejná. Radiálně vnitřní rameno 54 zahrnuje úsek 56, který se rozprostírá po směru proudění za předním ložiskem 16, a dále úsek 58, rozprostírající se ve směru proti proudění před předním ložiskem j_6. Vnitřní rameno 54 rovněž zahrnuje na zadním konci úseku 56 ohyb 60 ve tvaru písmene L, který leží na axiálně pohyblivém pístu 62 a vytváří zásobník oleje, přiváděného ke kuličkám 24. Jak je vidět z obrázku, přiléhá tento píst 62 k vnějšímu ložiskovému kroužku 20. Zásobník 64 je ve spojení s kuličkami 24 předního ložiska 16 prostřednictvím kanálku (nezobrazen), který vede ze zásobníku 64 k vnitřnímu ložiskovému kroužku 22. Ze zásobníku 64 je olej přiváděn rovněž do mezery mezi vnějším povrchem 63 vnějšího ložiskového kroužku 20 a vnitřním povrchem 65 ložiskového tělesa 36. Těsnicí kroužky jsou označeny 67. Olej je do zásobníku 64 přiváděn olejovým vedením 66, které ústí přes trubici 61 a nástavec 71 v ložiskovém tělese 36. Olejové vedení 66 zajišťuje prostřednictvím trubky 69 (částečně zobrazena) i mazání kuliček 30 zadního ložiska 18. Přechod mezi vnitřním ramenem 54 a vnějším ramenem 52 je proveden ohybem 68 v místě před předním ložiskem 16. Vnější rameno 52 je rovnoběžné s vnitřním ramenem 54. V místě ležícím za předním ložiskem 16 (ve směru proudění v motoru) a za rovnoběžnými rameny 52, 54 směřuje první část 44 ložiskového tělesa 36 radiálně směrem ven k vložené skříni 40 a ke skříni stroje.

Druhá část 46 ložiskového tělesa 36 leží v oblasti blízko zadního ložiska 18. Tato druhá část 46 ložiskového tělesa 36 je tvořena stěnou 70 a je připevněna k zadnímu ložisku 18. Stěna 70 probíhá axiálně proti směru proudění a radiálně ven od zadního ložiska 18 směrem ke skříni stroje a k vložené skříni 40. Tato stěna 70 je připevněna k vnějšímu ložiskovému kroužku 26 zadního ložiska 18 pomocí šroubu 74, který prochází otvorem (nezobrazeno) v této stěně 70 a ve vnějším ložiskovém kroužku 26.

Třetí část 48 ložiskového tělesa 36 je tvořena silnou kovovou stěnou 80, procházející z vložené skříně 40 axiálně proti směru proudění a radiálně směrem dovnitř. Tato třetí část 48 ložiskového tělesa 36 je připevněna k vložené skříni 40 pomocí šroubů 75, které procházejí otvory (nezobrazeno) v radiálně vystupující plošce 76 třetí části 48 ložiskového tělesa 36. Tato ploška 76 dosedá na povrch 82 vložené skříně 40. Třetí část 48 ložiskového tělesa zahrnuje rovněž axiální výstupek 83 s plochou 84, která dosedá na axiálně směřující plochu 86 vložené skříně 40.

První, druhá a třetí část 44, 46, 48 ložiskového tělesa 36 se stýkají v místě situovaném v axiálním směru mezi prvním a druhým ložiskem 16, 18 a v radiálním směru vně těchto ložisek 16 a 18. Ložiskové těleso 36 je vyrobeno známými metodami zpracování kovů, přednostně je jeho první část 44 tvořena plechem a tvářenými díly, vzájemně spojenými svařením. Druhá a třetí část 46, 48 ložiskového tělesa 36 jsou výhodně jednodílné odlévané nebo tvářené kovové díly. První část

-3 CŽ 286711 B6 ložiskového tělesa 36 je připojena k druhé a třetí části 46 a 48 svarem nebo jiným běžným způsobem spojování kovů. Ložiskové těleso 36 je přednostně vyrobeno z titanu.

Vnitřní ložiskový kroužek 22 předního ložiska 16 je na hřídeli 12 v axiálním směru přidržován radiálně vystupujícím osazením 88 hřídele a uhlíkovým těsněním 90 z druhé strany vnitřního ložiskového kroužku 22. Uhlíkové těsnění 90 je axiálně drženo na hřídeli 12 diskem dmýchadla (nezobrazeno), na ložiskovém tělese 36 je další těsnění 98 drženo pomocí radiálně vystupujícího dorazu 91, který prochází drážkou 93, vytvořenou v ložiskovém tělese 36. Jak bylo již uvedeno, je vnější ložiskový kroužek 20 předního ložiska 16 axiálně posuvný vzhledem k ložiskovému tělesu 36 a pro zajištění mazání je do mezery mezi tímto vnějším ložiskovým kroužkem 20 a vnitřním ramenem 54 první části 44 ložiskového tělesa 36 přiváděn olej. Vzájemný axiální pohyb mezi vnějším ložiskovým kroužkem 20 a ložiskovým tělesem 36 je umožněn pomocí systému drážka a třmen. Třmen 94 vnějšího ložiskového kroužku 20 předního ložiska 16 prochází drážkou 96, vytvořenou v uhlíkovém těsnění 98 vnějšího ložiskového kroužku 20. Zadní ložisko 18 je axiálně připevněno k hřídeli 12 pomocí radiálního osazení 92, vytvořeného na hřídeli 12 na zadní straně vnitřního ložiskového kroužku 28 a na přední straně vnitřního ložiskového kroužku 28 pak pojistnou maticí 99.

Základní funkcí těchto ložisek je umožnit otáčení hřídele 12 s minimálními vibracemi i při jeho velmi vysokých otáčkách. Tento vynález minimalizuje vibrace uvedením ložiskových kroužků do těsného kontaktu s jejich kuličkami za chodu stroje. Toho je dosaženo výše uvedeným uspořádáním ložisek 16 a 18, hřídele 12 a ložiskového tělesa 36. Jak již bylo uvedeno, jsou radiálně vnitřní ložiskové kroužky 22 a 28 obou ložisek 16 a 18 připevněny k hřídeli 12, radiálně vnější ložiskový kroužek 20 předního ložiska 16 je pohyblivý v axiálním směru vzhledem k ložiskovému tělesu 36 a hřídeli 12, zatímco radiálně vnější ložiskový kroužek 26 zadního ložiska 18 je upevněn k ložiskovému tělesu 36. Vyvození axiální síly na vnější ložiskový kroužek 20 předního ložiska 16 má za následek axiální zatížení všech kuliček 24, 30 obou ložisek 16 a 18. U tohoto vynálezu jsou ložiskové kroužky 20, 22 předního ložiska 16 uvedeny do trvalého přímkového kontaktu s kuličkami 24 tohoto ložiska, podobně jsou ložiskové kroužky 26, 28 zadního ložiska 18 uvedeny do trvalého přímkového kontaktu s kuličkami 30. Takového těsného kontaktu se dosáhne použitím tlakového oleje, přiváděného do zásobníku 64. Tlakový olej v tomto zásobníku 64 vyvozuje na povrch 100 pístu 62 sílu ve směru proti proudění v motoru, a tato síla je pak přenášena na vnější ložiskový kroužek 20 předního ložiska 16 a způsobí, že se tento vnější ložiskový kroužek 20 pohybuje v tomto axiálním směru. Při svém pohybu kontaktuje vnější ložiskový kroužek 20 kuličky 24 a uvádí je do kontaktu s vnitřním ložiskovým kroužkem 22 předního ložiska 16. V důsledku toho je výsledkem vyvození axiální síly na vnější ložiskový kroužek 20 pístem 62 působení tohoto kroužku 20 na kuličky 24 a dále působení těchto kuliček 24 na vnitřní ložiskový kroužek 22 předního ložiska 16. Přenos síly z vnějšího ložiskového kroužku 20 předního ložiska 16 na vnitřní ložiskový kroužek 22 tohoto ložiska probíhá přibližně po čáře, označené na obrázku vztahovou značkou 102.

Jelikož je vnitřní ložiskový kroužek 22 fixován na hřídeli 12. je síla, působící po čáře 102, přenášena rovněž na tento hřídel 12 a způsobuje, že se hřídel 12 pohybuje axiálně ve směru proti proudění v motoru. Dále, v důsledku toho, že vnitřní ložiskový kroužek 28 zadního ložiska 18 je připevněn k hřídeli 12, se při pohybu hřídele 12 pohybuje i tento vnitřní ložiskový kroužek 28. Při svém pohybu proti směru proudění kontaktuje tento vnitřní kroužek 28 kuličky 30 a uvádí tyto kuličky 30 do kontaktu s vnějším ložiskovým kroužkem 26 zadního ložiska 18. Tím při působení síly pístu 62 na vnější ložiskový kroužek 20 předního ložiska 16 nastane pohyb hřídele 12 ve směru proti proudění, kontakt vnitřního ložiskového kroužku 28 zadního ložiska 18 s kuličkami 30 a kontakt těchto kuliček 30 s vnějším kroužkem zadního ložiska 18. Přenos síly z vnitřního ložiskového kroužku 28 na vnější ložiskový kroužek 26 zadního ložiska 18 probíhá podél čáry 104.

-4CZ 286711 B6

Výše popsaný pohyb ložiskových kroužků 20, 22 a 26, 28 je uvádí do trvalého přímkového kontaktu s příslušnými kuličkami 24, 30 a vibrace v ložiskách 16. 18 jsou tak minimalizovány. Výsledkem použití způsobu a zařízení podle tohoto vynálezu je lepší účinnost stroje v důsledku snížení ztrát energie vibracemi. Velikost síly, vyvozované pístem 62, se řídí velikostí pístu 62 ve spojení s velikostí tlaku, generovaného mazacím systémem stroje.

U výhodného provedení tohoto vynálezu je zadní ložisko 18 připevněno k ložiskovému tělesu 36, zatímco přední ložisko 16 je vzhledem k tomuto ložiskovému tělesu 36 volně pohyblivé. Odborníkům v této oblasti techniky jsou známa další provedení ložiskového tělesa, která mohou být upravena pro použití v tomto vynálezu. I když je výhodné kluzné uspořádání vnějšího ložiskového kroužku 20 předního ložiska 16, mohou být použity i další konstrukce, zajišťující axiální pohyblivost tohoto vnějšího ložiskového kroužku 20.

Ačkoliv byl vynález popsán a zobrazen na jednom svém výhodném provedení, budou osobám se znalostmi v této oblasti techniky zřejmé různé možnosti změn ve tvaru a detailech řešení bez toho, aby opustila myšlenku vynálezu a rozsah jeho nárokované ochrany. Například ložiskové těleso podle tohoto vynálezu lze použít u jednohřídelových strojů, stejně jako u strojů vícehřídelových. Vynález je možno použít u motorů pro pohon letadel a helikoptér i u motorů mimo oblast letectví. I když je ložiskové těleso podle vynálezu výhodně vyrobeno z titanu, mohou být použity i jiné slitiny kovů, stejně jako nekovové materiály, například kompozity.

Claims (4)

1. Způsob eliminace vůlí v ložiskách (16, 18) turbínového stroje, zahrnujícího hřídel (12), nesený ve skříni (40) stroje prvním a druhým ložiskem (16, 18), která jsou od sebe axiálně vzdálena, a ložiskové těleso (36), připevněné ke skříni (40) stroje, kde každé uvedené ložisko (16, 18) zahrnuje dvojici radiálně od sebe vzdálených ložiskových kroužků (20, 22, 26, 28) a množství kuliček (24, 30) mezi nimi, přičemž tento stroj je konstruován a uspořádán tak, že radiálně vnitřní ložiskový kroužek (22, 28) každého páru ložisek je připevněn k hřídeli (12) a radiálně vnější ložiskový kroužek (20) prvního ložiska (16) je axiálně pohyblivý vzhledem k uvedenému ložiskovému tělesu (36), a radiálně vnější ložiskový kroužek (26) druhého ložiska (18) je připevněn k tomuto ložiskovému tělesu (36), vyznačující se tím, že se vyvodí síly v axiálním směru na vnější ložiskový kroužek (20) prvního ložiska (16).

2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1, zahrnující hřídel (12), nesený ve skříni (40) stroje prvním a druhým kuličkovým ložiskem (16, 18), která jsou od sebe v axiálním směru vzdálena, kde každé uvedené ložisko (16, 18) zahrnuje dvojici radiálně od sebe vzdálených ložiskových kroužků (20, 22, 26, 29) a množství kuliček (24, 30) mezi těmito ložiskovými kroužky, vyznačující se tím, že dále zahrnuje ložiskové těleso (36), připevněné ke skříni (40) stroje, kde radiálně vnější ložiskový kroužek (20) prvního ložiska (16) je axiálně pohyblivý vzhledem k ložiskovému tělesu (36), radiálně vnější ložiskový kroužek (26) druhého ložiska (18) je upevněn k tomuto ložiskovému tělesu (36) radiálně a axiálně pevně a radiálně vnitřní ložiskové kroužky (22, 28) obou ložisek (16, 18) jsou připevněné k hřídeli (12), pro uvádění vnějšího kroužku (20) prvního ložiska (16) do kontaktu s jeho kuličkami (24), které jsou naopak v kontaktu s vnitřním ložiskovým kroužkem (22) prvního ložiska (16), pro pohyb hřídele (12) v uvedeném směru současně s vnitřním ložiskovým kroužkem (28) druhého ložiska (18), a pro uvádění tohoto vnitřního ložiskového kroužku (28) do kontaktu s kuličkami (30) tohoto ložiska (18), které jsou v kontaktu s vnějším ložiskovým kroužkem (26) druhého ložiska (18) a přenášejí tak na něj sílu, axiálně vyvozenou na vnější ložiskový kroužek (20) předního ložiska

-5 CZ 286711 B6 (16), a dále zahrnuje prostředky pro vyvození síly, směrované axiálně na vnější ložiskový kroužek (20) prvního ložiska (16).

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že uvedené prostředky pro 5 vyvození síly na vnější ložiskový kroužek (20) prvního ložiska (16) zahrnují prostředky pro dodávku tlakového oleje na pohyblivý píst (62), přilehlý k vnějšímu ložiskovému kroužku (20).

4. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že ložiskové těleso (36) je tvořeno jednodílnou konstrukcí, umístěnou mezi ložisky (16, 18).