PL178214B1 - Sposób osiowego obciążania zespołu łożysk w maszynie wirowej i zespół łożysk w maszynie wirowej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób osiowego obciążania zespołu łożysk w maszynie wirowej i zespół łożysk w maszynie wirowej. W szczególności wynalazek dotyczy zespołów ciśnieniowych łożysk kulkowych dla turbin gazowych.

Maszyny wirowe, takie jak turbiny gazowe, składają się z części śmigłowej, części sprężarkowej, części spalinowej oraz części turbinowej. Wał biegnie osiowo poprzez silnik od części śmigłowej poprzez część turbinową i obraca osiowo rozmieszczone stopnie kręgów; wał jest zwykle wsparty na dwóch osiowo oddzielonych zespołach łożyskowych, które są połączone z obudową poprzez podporową obudowę łożysk. W wielu rozwiązaniach silników stosuje się połączenie łożysk kulkowych i wałkowych, choć znane są przykłady użycia dwóch zespołów łożysk kulkowych. Kluczowym wymaganiem dla każdego zespołu łożysk jest to, by podpierał on wał w taki sposób, by wibracje łożysk, jak również wału w czasie działania silnika były zminimalizowane, nawet przy bardzo dużych prędkościach obrotu wału.

178 214

Typowo, w czasie działania lotniczej turbiny gazowej, obciążenie jest nakładane na jedną lub obydwie promieniowo oddzielone bieżnie łożyskowe, które obejmują sobą łożyska. Nałożenie obciążenia na bieżnie powoduje wejście ich w styczność współbieżną z ich odpowiednimi kulkami, tym samym zmniejszając wibrację, która inaczej pojawiłaby się w układzie łożysk. Znane jest zastosowanie ciśnienia powietrza w celu obciążenia łożysk; jednakże zastosowanie ciśnienia powietrza może być zawodne, ponieważ w czasie działania silnika wielkość przyłożonego ciśnienia może być zbyt mała dla skutecznego obciążenia łożysk, co może spowodować nadmierne wibracje łożysk i wału i wywołać niepożądany poziom hałasu w kabinie samolotu.

Znane sposoby sprężania powietrza w celu obciążenia struktur łożyskowych przedstawiono w amerykańskich opisach patentowych o numerach 3 574 424, 4 159 808, 4 268 223, 4 578 018 i 5 105 295. Pomimo istnienia tych rozwiązań, wymagane są ulepszone projekty w celu zapewnienia optymalnych cech pracy dla zaawansowanych silników. Niniejszy wynalazek zaspakaja potrzebę przemysłu.

Sposób osiowego obciążania zespołu łożysk w maszynie wirowej, zaopatrzonej w ciśnieniowy, olejowy układ smarowniczy, zawierającej wał wsparty na pierwszym i drugim osiowo rozstawionych zespołach łożysk kulkowych wewnątrz obudowy silnika oraz obudowę łożysk przymocowaną do obudowy silnika, przy czym każdy z zespołów łożysk składa się z pary promieniowo rozstawionych bieżni łożyskowych oraz zbioru kulek łożyskowych pomiędzy nimi, a promieniowo wewnętrzna bieżnia łożyskowa każdej pary zespołów łożysk jest przymocowana do wału, natomiast promieniowo zewnętrzna bieżnia łożyskowa drugiego zespołu łożysk jest przymocowana do obudowy, według wynalazku wyróżnia się tym, że za pomocą ciśnienia oleju wywiera się nacisk w kierunku osiowym na zewnętrzną bieżnię pierwszego zespołu łożysk i przenosi się nacisk z zewnętrznej bieżni na wewnętrzną bieżnię pierwszego zespołu łożysk oraz przesuwa się wał w kierunku osiowym za pomocą przeniesionego nacisku z wewnętrznej bieżni pierwszego zespołu łożysk na wał i wywiera się nacisk z wału na wewnętrzną bieżnię łożyskową, a z wewnętrznej bieżni łożyskowej na zewnętrzną bieżnię łożyskową drugiego zespołu łożysk.

Zespół łożysk w maszynie wirowej, zaopatrzonej w obudowę silnika, wał wsparty na pierwszym i drugim osiowo rozstawionych zespołach łożysk kulkowych oraz obudowę łożysk, przymocowaną do obudowy silnika, przy czym każdy zespół łożysk składa się z pary promieniowo rozstawionych bieżni łożyskowych i zbioru kulek łożyskowych pomiędzy nimi, przy czym promieniowo zewnętrzna bieżnia łożyskowa drugiego zespołu łożysk jest osiowo i obrotowo przymocowana do obudowy łożysk, a promieniowo wewnętrzna bieżnia łożyskowa każdego zespołu łożysk jest przymocowana do wału, według wynalazku wyróżnia się tym, że promieniowo zewnętrzna bieżnia pierwszego zespołu łożysk jest osadzona ruchomo osiowo względem obudowy łożysk i jest zaopatrzona w zespół przykładania siły w kierunku osiowym do zewnętrznej bieżni pierwszego zespołu łożysk, zawierający zespół dostarczania oleju pod ciśnieniem na ruchomy tłok w sąsiedztwie zewnętrznej bieżni, natomiast wał jest osadzony ruchomo osiowo wraz z wewnętrzną bieżnią łożyskową drugiego zespołu łożysk.

Obudowa łożysk korzystnie ma konstrukcję jednoczęściową i jest rozmieszczona pomiędzy zespołami łożysk.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, został bliżej objaśniony na rysunku, który przedstawia przekrój poprzeczny, obrazujący obszar łożyskowy turbiny gazowej rozwiązany według niniejszego wynalazku.

Jak wskazano powyżej, nowoczesne turbiny gazowe zawierają część śmigłową w górnym końcu silnika oraz część turbinową w osiowo dolnym końcu silnika. Pomiędzy częścią śmigłową a turbinową znajduje się część sprężarkowa oraz część spalinowa. Wał przebiega osiowo przez silnik. Znane są projekty silników, które wykorzystują tylko jeden wał; znane są inne projekty, które wykorzystują dwa i więcej wałów. Niniejszy wynalazek ma zastosowanie tak w silnikach jednowałowych, jak i wielowałowych. Na rysunku wał oznaczono numerem odnośnym 12; jego kierunek obrotu w czasie pracy silnika przedstawiono strzałką oznaczoną

178 214 numerem odnośnym 13. Wał 12 wsparty jest na dwóch zespołach łożysk 16 i 18; jak przedstawiono na rysunku, pierwszy zespół łożysk 16 (który stanowi górny zespół łożysk) jest oddzielony osiowo ponad drugim zespołem łożysk 18 (który stanowi dolny zespół łożysk). Zespoły łożysk 16 i 18 są konwencjonalnego typu kulkowego i zawierają dwie osiowo oddzielone bieżnie łożyskowe oraz wiele obwodowo oddzielonych kulek pomiędzy nimi. W szczególności, pierwszy zespół łożysk 16 zawiera zewnętrzną bieżnię 20 oraz wewnętrzną bieżnię 22, które współdziałają otaczając kulki 24 i utrzymują je w położeniu roboczym. Podobnie, drugi zespół łożysk 18 zawiera zewnętrzną bieżnię łożyskową 26, wewnętrzną bieżnię łożyskową 28 oraz kulki 30.

W stosunku do pierwszego zespołu łożysk 16, wewnętrzna bieżnia 22 jest obrotowo zamocowana na wale 12, dogodnie przy wewnętrznej powierzchni 32 wewnętrznej bieżni 22. Zewnętrzna bieżnia 20 jest osiowo ruchoma względem podporowej obudowy łożysk 36 i dlatego jest ruchoma względem wału 12. W stosunku do drugiego zespołu łożysk 18, wewnętrzna bieżnia łożyskowa 28 jest obrotowo umocowana na wale 12, dogodnie przy wewnętrznej powierzchni 38 bieżni łożyskowej 28. Promieniowo zewnętrzna powierzchnia 72 zewnętrznej bieżni łożyskowej 26 jest zamocowana na podporowej obudowie łożysk 36. Podporowa obudowa łożysk 36 jest przymocowana do obudowy silnika poprzez obudowę pośrednią 40. Jednakże dla celów wynalazku, podporowa obudowa łożysk 36 może być bezpośrednio połączona z obudową silnika, albo do dowolnej innej podpory, która jest sztywno przymocowana do obudowy. Obudowa silnika oraz wał 12 są współosiowe, a oś silnika jest oznaczona numerem odnośnym 42.

Podporowa obudowa łożysk 36 jest strukturą jednoczęściową, która przebiega pomiędzy zespołami łożysk 16 i 18. Obudowa łożysk 36 składa się z trzech części; pierwszej części obudowy, oznaczonej numerem odnośnym 44, w obszarze pierwszego zespołu łożysk 16, drugiej części obudowy, oznaczonej numerem odnośnym 46, w obszarze drugiego zespołu łożysk 18 oraz trzeciej części obudowy, oznaczonej numerem odnośnym 48, w obszarze zamocowania obudowy pośredniej 40.

Pierwsza część obudowy 44 jest wyznaczona przez cienką metalową ścianę 50, która tworzy parę blisko oddzielonych równoległych nóg 52, 54, które są również równoległe do wału 12. Długość równoległych nóg 52, 54 jest w przybliżeniu równa. Promieniowo wewnętrzna noga 54 zawiera segment 56, który przebiega w dół od pierwszego zespołu łożysk 16 oraz segment 58, który przebiega w górę od pierwszego zespołu łożysk 16. Wewnętrzna noga 54 obejmuje również, przy dolnym końcu segmentu 56, wygięcie w kształcie litery L 60, które spoczywa na osiowo ruchomym tłoku 62 w celu zapewnienia rezerwuaru oleju 64 do podawania do kulek 24. Jak widać na rysunku, tłok 63 sąsiaduje z zewnętrzną bieżnią 20. Rezerwuar 64 łączy się z kulkami 24 poprzez kanał (nie przedstawiony), który przebiega od rezerwuaru 64 do wewnętrznej bieżni 22. Rezerwuar 64 zasila również szczelinę pomiędzy zewnętrzną powierzchnią bieżni łożyskowej 63, a wewnętrzną powierzchnią obudowy 65. Pierścienie uszczelniające oleju przedstawiono w 67. Olej jest podawany do rezerwuaru 64 poprzez przewód oleju 66, który przebiega przez rurę 61 i przez przedłużenie 71 w obudowie łożysk 36. Przewód oleju 66 przebiega również przez rurę 69 (częściowo przedstawioną) w celu zapewnienia nawilżenia kulek 30. Przed pierwszym zespołem łożysk 16 wewnętrzna noga 54 przechodzi w zewnętrzną nogę 52 przy pomocy wygięcia typu spinki do włosów 68. Zewnętrzna noga 52 jest równoległa do wewnętrznej nogi 54; w punkcie poniżej pierwszego zespołu łożysk 16 i poniżej równoległych nóg 52, 54, pierwsza część 44 obudowy 44 przebiega promieniowo na zewnątrz w kierunku pośredniej obudowy 44 oraz obudowy silnika.

Druga część 46 obudowy łożysk 36 zajmuje obszar w pobliżu drugiego zespołu łożysk 18. Druga część obudowy 46 jest wyznaczona przez ściankę 70 i jest przymocowana do zespołu 18. Ściana 70 przebiega osiowo ku górze i promieniowo na zewnątrz od drugiego zespołu łożysk 18 w kierunku obudowy silnika oraz obudowy pośredniej 40. W szczególności, ścianka 70 jest przymocowana do zewnętrznej bieżni łożyskowej 26 przez sworzeń 74, który przechodzi przez otwory sworznia (nie przedstawione) w ściance 70 i zewnętrznej bieżni 26.

178 214

Trzecia część obudowy 48 składa się z grubej ścianki metalowej 80, która przebiega osiowo ku górze i promieniowo do wewnątrz od obudowy 40. Trzecia część obudowy łożysk 48 jest przymocowana do pośredniej obudowy 40 przez sworznie 75, które przechodzą przez otwory sworzni (nie przedstawione) w promieniowo przebiegającej powierzchni styku 76 trzeciej części obudowy 48. Powierzchnia styku 76 przylega do promieniowo przebiegającej powierzchni 82 obudowy pośredniej 40. Trzecia część 48 zawiera również osiowo przebiegający trzpień 83, mający powierzchnię 84, która przylega do osiowo przebiegającej powierzchni 86 na obudowie pośredniej 40.

Pierwsza, druga i trzecia część obudowy 44, 46, 48 spotykają się w, i rozciągają się od punktu położonego osiowo pośrodku i promieniowo na zewnątrz od pierwszego i drugiego zespołu łożysk odpowiednio 16, 18. Obudowa łożysk 36 jest wykonana przy zastosowaniu znanych technik obróbki metalu; zaleca się, by pierwsza część obudowy 44 była połączeniem blachy metalowej i części przerobionych plastycznie, zespawanych razem. Zaleca się, by druga i trzecia część obudowy 46, 48 były jednoczęściowymi elementami odlewanymi bądź przerabianymi plastycznie. Pierwsza część obudowy 44 jest połączona z drugą i trzecią częścią 46, 48 poprzez zespawanie lub inne konwencjonalne techniki łączenia metali. Tytan jest zalecanym materiałem, z którego wytwarza się obudowę łożysk 36.

Wewnętrzna bieżnia 22 jest osiowo zamocowana na wale 12 za pomocą promieniowo przebiegającego ramienia 88 na wale 12 oraz poprzez układ uszczelnienia węglowego 90 na górnej stronie wewnętrznej bieżni łożyskowej 22. Układ uszczelnienia węglowego 30 jest osiowo przymocowany do wału 12 przy pomocy dysku śmigłowego (nie przedstawiony); jest on również przymocowany do obudowy łożysk 36 za pomocą promieniowo przebiegającego zaczepu 91, który przechodzi przez szczelinę 93 w obudowie łożysk 36. Jak wskazano powyżej, zewnętrzna bieżnia 20 ślizga się osiowo względem obudowy łożysk 36, a olej jest podawany do szczeliny pomiędzy zewnętrzną bieżnią 20, a wewnętrzną nogą 54 obudowy łożysk 36 w celu zapewnienia nawilżania olejem. Względny ruch osiowy pomiędzy zewnętrzną bieżnią 20, a obudową łożysk 36 jest umożliwiony dzięki układowi zaczepu i szczeliny; w szczególności, zaczep 94 w zewnętrznej bieżni 20 przechodzi przez szczelinę 96 w zewnętrznej bieżni uszczelnienia węglowego 98. Drugi zespół łożysk 18 jest osiowo przymocowany do wału 12 poprzez promieniowo przebiegające ramię 92 na wale 12 przy dolnej stronie wewnętrznej bieżni łożyskowej 28 oraz poprzez układ przeciwnakrętki 99 przymocowany do wału 12 przy górnej stronie wewnętrznej bieżni łożyskowej 28.

Jak wskazano powyżej, kluczową funkcją, jaką grają zespoły łożyskowe jest umożliwienie obrotu wału, nawet przy bardzo dużych prędkościach obrotu, przy minimalnej ilości wibracji. Niniejszy wynalazek minimalizuje takie wibracje dzięki wymuszeniu ścisłej styczności bieżni łożyskowych z ich odpowiednimi łożyskami kulkowymi w czasie pracy silnika. Osiąga się to dzięki wyżej wspomnianej konfiguracji zespołów łożysk 16 i 18, wału 12 oraz obudowy łożysk 36. Jak wyłożono powyżej, każda z promieniowo wewnętrznych bieżni 22 i 28 dwóch zespołów łożysk 16 i 18, odpowiednio, jest przymocowana do wału 12; promieniowo zewnętrzna bieżnia 20 pierwszego zespołu łożysk 16 jest ruchoma w kierunku osiowym względem obudowy łożysk 36 i wału 12, zaś promieniowo zewnętrzna bieżnia 26 drugiego zespołu łożysk 18 jest przymocowana do obudowy łożysk 36. Osiowa siła, przykładana na zewnętrzną bieżnię 20 powoduje osiowe obciążenie każdej z kulek 24, 30 w zespołach łożysk 16, 18.

W szczególności, według niniejszego wynalazku, bieżnie 20, 22 pierwszego zespołu łożysk 16 poruszają się aż do wejścia w styczność współbieżną z ich odpowiednimi kulkami 24, podobnie, bieżnie łożyskowe 26, 28 drugiego zespołu łożysk 18 poruszają się aż do wejścia w styczność współbieżną z ich odpowiednimi kulkami 30. Taka bliska styczność osiągana jest dzięki zastosowaniu oleju pod ciśnieniem podawanego do rezerwuaru oleju 64. Olej pod ciśnieniem w rezerwuarze 64 nakłada siłę w kierunku górnym na powierzchnię 100 tłoka 62, a taka siła przenosi się następnie na zewnętrzną bieżnię 20, tym samym powodując ruch zewnętrznej bieżni 20 w kierunku górnym. W trakcie ruchu zewnętrznej bieżni 20 ku górze, styka się ona z kulkami 24 i porusza kulki 24 aż do styczności z ich wewnętrzną bieżnią 22.

178 214

Dlatego w wyniku zastosowania siły przez tłok 62 na zewnętrzną bieżnię 20, zewnętrzna bieżnia 20 styka się z kulkami 24, a kulki 24 stykają się z wewnętrzną bieżnią 22. Przeniesienie siły z zewnętrznej bieżni 20 na wewnętrzną bieżnię 22 następuje w przybliżeniu wzdłuż linii oznaczonej numerem odnośnym 102.

Ponieważ wewnętrzna bieżnia 22 jest przymocowana do wału 12, siła, która działa wzdłuż linii 102 przenosi się również na wał 12, powodując ruch wału 12 ku górze. Dodatkowo, ponieważ wewnętrzna bieżnia łożyskowa 28 drugiego zespołu łożysk 18 jest przymocowana do wału 12, w trakcie ruchu wału 12 w kierunku górnym, tak samo porusza się wewnętrzna bieżnia łożyskowa 28. W trakcie ruchu wewnętrznej bieżni łożyskowej 28 ku górze, styka się ona z kulkami 30 i porusza kulki 30 aż do styczności z ich zewnętrzną bieżnią 26. Dlatego też w wyniku zastosowania siły przez tłok 62 na zewnętrzną bieżnię 20, wał 12 porusza się w kierunku górnym, wewnętrzna bieżnia łożyskowa 28 styka się z kulkami 30, a kulki 30 stykają się z zewnętrzną bieżnią 26. Przeniesienie siły z wewnętrznej bieżni łożyskowej 28 na zewnętrzną bieżnię 26 następuje w przybliżeniu wzdłuż linii oznaczonej numerem odnośnym 104.

Ruch bieżni 20,22 i 26,28, jak opisano powyżej, doprowadza je do współbieżnej styczności z ich odpowiednimi kulkami 24, 30 i minimalizuje wibracje w zespołach łożysk 16, 18. Zastosowanie takiego sposobu i urządzenia daje wydajniejsze działanie silnika, ponieważ mniej energii traci się z powodu wibracji. Wielkość siły przykładanej przez tłok 62 jest uzależniona od rozmiaru tłoka 62 w połączeniu z wielkością ciśnienia, wytwarzanego w układzie kontroli smarowania silnika.

W zalecanym przykładowym wykonaniu niniejszego wynalazku, drugi zespół łożysk 18 jest przymocowany do obudowy łożysk 36, zaś pierwszy zespół łożysk 16 może się swobodnie poruszać osiowo względem obudowy łożysk 36. Inne projekty obudowy łożysk znane są osobom biegłym w stanie techniki i mogą zostać dostosowane do użytku w niniejszym wynalazku ciśnieniowych zespołów łożysk. Co więcej, choć zaleca się układ ślizgowy zewnętrznej bieżni 20 pierwszego zespołu łożysk 16, można zastosować inne projekty dla ułatwienia osiowego ruchu zewnętrznej bieżni 20.

Chociaż wynalazek przedstawiono i opisano w odniesieniu do jego zalecanego przykładowego wykonania, osoby biegłe w tej dziedzinie techniki powinny rozumieć, iż można wykonać różne zmiany w jego kształcie i szczegółach bez opuszczenia idei i zakresu zastrzeganego wynalazku. Na przykład podporowa obudowa łożysk według niniejszego wynalazku nadaje się do zastosowania w jednowałowych maszynach wirowych, jak również w maszynach wielowałowych. Wynalazek jest użyteczny w silnikach, które stosuje się w lotnictwie, jak na przykład w samolotach i helikopterach, jak również w zastosowaniach poza dziedziną lotnictwa. Chociaż zaleca się wykonanie obudowy z tytanu, można zastosować inne stopy metali, jak również materiały niemetalowe, takie jak kompozyty.

178 214

178 214

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób osiowego obciążania zespołu łożysk w maszynie wirowej, zaopatrzonej w ciśnieniowy, olejowy układ smarowniczy, zawierającej wał wsparty na pierwszym i drugim osiowo rozstawionych zespołach łożysk kulkowych wewnątrz obudowy silnika oraz obudowę łożysk przymocowaną do obudowy silnika, przy czym każdy z zespołów łożysk składa się z pary promieniowo rozstawionych bieżni łożyskowych oraz zbioru kulek łożyskowych pomiędzy nimi, a promieniowo wewnętrzna bieżnia łożyskowa każdej pary zespołów łożysk jest przymocowana do wału, natomiast promieniowo zewnętrzna bieżnia łożyskowa drugiego zespołu łożysk jest przymocowana do obudowy, znamienny tym, że za pomocą ciśnienia oleju wywiera się nacisk w kierunku osiowym na zewnętrzną bieżnię (20) pierwszego zespołu łożysk (16) i przenosi się nacisk z zewnętrznej bieżni (20) na wewnętrzną bieżnię (22) pierwszego zespołu łożysk (16) oraz przesuwa się wał (12) w kierunku osiowym za pomocą przeniesionego nacisku z wewnętrznej bieżni (22) pierwszego zespołu łożysk (16) na wał (12) i wywiera się nacisk z wału (12) na wewnętrzną. bieżnię łożyskową (28), a z wewnętrznej bieżni łożyskowej (28) na zewnętrzną bieżnię łożyskową (26) drugiego zespołu łożysk (18).
2. 2. Zespół łożysk w maszynie wirowej, zaopatrzonej w obudowę silnika, wał wsparty na pierwszym i drugim osiowo rozstawionych zespołach łożysk kulkowych oraz obudowę łożysk, przymocowaną do obudowy silnika, przy czym każdy zespół łożysk składa się z pary promieniowo rozstawionych bieżni łożyskowych i zbioru kulek łożyskowych pomiędzy nimi, przy czym promieniowo zewnętrzna bieżnia łożyskowa drugiego zespołu łożysk jest osiowo i obrotowo przymocowana do obudowy łożysk, a promieniowo wewnętrzna bieżnia łożyskowa każdego zespołu łożysk jest przymocowana do wału, znamienny tym, że promieniowo zewnętrzna bieżnia (20) pierwszego zespołu łożysk (16) jest osadzona ruchomo osiowo względem obudowy łożysk (36) i jest zaopatrzona w zespół przykładania siły w kierunku osiowym do zewnętrznej bieżni (20) pierwszego zespołu łożysk (16), zawierający zespół dostarczania oleju pod ciśnieniem na ruchomy tłok (62) w sąsiedztwie zewnętrznej bieżni (20), natomiast wał (12) jest osadzony ruchomo osiowo wraz z wewnętrzną bieżnią łożyskową (28) drugiego zespołu łożysk (18).
3. 3. Zespół łożysk według zastrz. 2, znamienny tym, że obudowa łożysk (36) ma konstrukcję jednoczęściową i jest rozmieszczona pomiędzy zespołami łożysk (16,18).