PL227010B1 - Turbina srubowa iukład sterowania turbina srubowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wał do urządzeń szybkoobrotowych lub do zastosowania w konstrukcjach ultralekkich. Obecnie wały szybkoobrotowe produkuje się jako lite lub drążone (High speed shafts, High velocity shafts), gdzie dużym problemem jest zapewnienie smarowania i łożyskowania w ekstremalnych warunkach.

Szczególnie istotne jest to np. w silnikach odrzutowych, których konstrukcja zakłada, że jeden wał jest łożyskowany w drugim współosiowo. Istotne różnice w średnicy wałów na skutek zjawisk termicznych są dużym zagrożeniem stabilności pracy tych silników i wpływają na ich zużycie. Można tu przytoczyć dwie katastrofy lotnicze w historii PLL LOT, gdzie w obu przypadkach katastrofa nastąpiła na skutek zbyt dużych obciążeń termicznych węzła łożyskowego, co spowodowało urwanie się wału silnika i w konsekwencji śmiertelne katastrofy lotnicze. Duża liczba zgłoszeń patentowych dotyczących optymalnego smarowania i łożyskowania wałów szybkoobrotowych, szczególnie w silnikach turbinowych świadczy o złożoności zagadnienia.

Pojawienie się metod generatywnych, przyrostowych do produkcji elementów z metali stworzyło nowe możliwości „generowania” obiektów bezpośrednio na podstawie ich zapisu cyfrowego. Metody te to w szczególności SLM (Selective Laser Melting), SLS (Selevtive Laser Sintering) oraz EBM (Electron Beam Melting) co tłumaczy się jako selektywne stapianie, spiekanie bądź stapianie wiązką elektronów proszków metali oraz ich stopów. Doniesień literaturowych na temat SLM i SLS oraz obszarów ich zastosowania jest dużo. Metoda EBM jest jeszcze w fazie rozwoju, aczkolwiek jest obiecująca. Metody SLM i SLS są opanowane i stosowane w technologiach wytwarzania. Liczne publikacje opisują wytwarzanie cienkościennych, ażurowych i mikrokratownicowych elementów za pomocą SLM czy SLS. Większość z tych publikacji jednak marginalizuje znaczenie generowanych addytywnie struktur jako możliwych do zastosowania. Przeważnie są one jedynie demonstratorem metody jedna z poniższych publikacji i możliwości konkretnego urządzenia. Jedynie jedna z poniższych publikacji opisuje wytwarzanie ażurowych rur, z wykorzystaniem metod generatywnych, lecz ażur dotyczy jedynie cienkościennej powłoki rury. Z publikacji Selective laser melting technology from the single laser melted track stability to 3D parts of complex shape, Physics Procedia 5 (2010) 551-560 znane jest zastosowanie rurek jako wymienników i mieszadeł. W publikacji tej nie wskazano konkretnych zastosowań. Pokazano jedynie możliwość tworzenia rur o złożonej geometrii, z przeznaczeniem na wymienniki ciepła. Nie jest to niczym nowym, ponieważ technologia SLM od momentu wdrożenia w fazę określ a ną jako szybkie wytwarzanie (ang. Rapid Manufacturing) służy wytwarzaniu kanałów konformalnych do chłodzenia matryc i form wtryskowych. W publikacji pokazano również demonstratory części ze stopów żaroodpornych, z elementami ażurowymi, jako pokaz przewagi technik addytywnych (SLM) nad konwencjonalnymi.

Z publikacji Gunther Reinhart, Stefan Teufelhart, Load-Adapted Design of Generative Manufactured Lattice Structures, Physics Procedia 12 (2011) 385-392 znane jest zastosowanie metod addytywnych do produkcji rur w których zewnętrzną powierzchnię tworzy plecionka linek o różnych grubościach. Linki te są wirtualnie „nawinięte” na powierzchnię walca pod katem wzajemnie do siebie 45°. Dwa naprzemienne zwoje mogą mieć różną średnicę. Razem tworzą rurę ażurową, jednomateriałową, którą autorzy poddają obliczeniom numerycznym pod kątem przenoszenia naprężeń skrętnych. Niniejsza publikacja nie wskazuje jednak obszaru zastosowań praktycznych.

Nieoczekiwanie okazało się, że można metody przyrostowe, tak zwane addytywne wykorzystać do wytwarzania wałów wymagających chłodzenia stosowanych w urządzeniach szybkoobrotowych jak silniki odrzutowe, turbinowe, turbo wrzeciona, elektrowrzeciona - również te stosowane w stomatologii i medycynie lub do urządzeń precyzyjnych, gdzie wymagana jest duża dokładność łożyskowania, a co za tym idzie konieczność stabilizacji temperaturowej.

Wał do szybkoobrotowych urządzeń lub do ultralekkich konstrukcji, według wynalazku zawierający powierzchnię zewnętrzną i wewnętrzną, charakteryzuje się tym, że stanowi monolit, który pomiędzy powierzchnią zewnętrzną a powierzchnią wewnętrzną ma żebra rozmieszczone promieniście pod kątem 45° do płaszczyzny normalnej do osi wału, naprzemiennie na całej długości wału. Wał jest wykonany metodą przyrostową. Pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną powierzchnią wału, pomiędzy żebrami można wprowadzić medium chłodzące. Korzystny wymiar wał osiąga wtedy, gdy średnica wewnętrzna wału jest większa lub równa wysokości sekcji, przy czym sekcja oznacza dwa na przemian leżące wieńce żeber. Wartość średnicy zewnętrznej może przyjmować dowolne wartości, i może ulegać zmianie płynnie lub skokowo na całej długości wału. Może to być więc typowy wał stopniowany,

PL 227 010 B1 z odsadzeniami na posadowienie łożysk czy innych elementów obrotowych. Jeżeli zachodzi potrzeba wał wyposażony jest we wpusty lub wypusty na odcinku, na którym przenoszony jest moment obrotowy. W zależności od urządzenia, w którym chcemy wał zastosować w wale zmieniać można grubość żeber i ich ilość w sekcji, grubość powłoki zewnętrznej, grubość powłoki wewnętrznej, ilość wpustów lub wypustów zewnętrznych odbierających moment.

Wytwarzanie wału odbywa się na urządzeniach do selektywnego stapiania lub spiekania metali, w układzie pionowym. Średnica zewnętrzna wału, jaki jego długość ograniczone są jedynie parametrami urządzenia.

Wał według wynalazku pełni na raz funkcję optymalnej odporności na skręcanie przy minimalnej masie oraz-jeżeli potrzeba-funkcję radiatora. Wał może zostać zaprojektowany, a następnie wykonany tak, aby spełniał jednocześnie dwa kryteria optymalizacji. Jedno dotyczy przenoszonego momentu skręcającego przy utrzymaniu określonej minimalnej sztywności skrętnej, drugie - maksymalizacji powierzchni wymiany ciepła (chłodzenia bądź grzania w zależności od zastosowania). Wzajemna zależność wymienionych kryteriów może być regulowana współczynnikami masy. Dodatkową korzyścią uzyskiwaną na skutek minimalizacji masy jest minimalizacja tzw. „efektu żyroskopowego”, który w przypadku szybkoobrotowych wrzecion, szczególnie obrabiarek, powoduje błędy i niedokładności obróbki przy zastosowaniu tzw. „obróbki szybkościowej” (ang. High Speed Machining) czyli obróbki z dużymi prędkościami wrzeciona - tym większymi im mniejsza średnica narzędzi. Wał może być wykonany z dowolnego metalu lub stopu dostępnego na urządzenia do generatywnego wytwarzania części z metali. Przez strukturę wału może być w sposób wymuszony przepuszczane medium umożliwiające regulację temperatury i wymianę ciepła, co odróżnia proponowaną w zgłoszeniu konstrukcję od znanych rozwiązań.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wał w widoku od czoła, fig. 2 przedstawia wał w przekroju wzdłużnym/równoległym do osi wału, fig. 3 przedstawia wał w rzucie aksonometrycznym z widocznymi ukrytymi krawędziami, fig. 4 przedstawia widok elektrowrzeciona, w którym wał może być zastosowany, fig. 5 przedstawia elektrowrzeciono w widoku od czoła, fig. 6 przedstawia elektrowrzeciono w przekroju osiowym z widocznym wałem według wynalazku.

Wał według wynalazku zastosowany w elektrowrzecionie został przedstawiony na fig. 6. Wał stanowi monolit, który pomiędzy powierzchnią zewnętrzną 2, a powierzchnią wewnętrzną 3 ma żebra 1 rozmieszczone promieniście pod kątem 45°do płaszczyzny normalnej do osi wału, naprzemiennie na całej długości wału. Wał ma charakter periodyczny, to znaczy, że jest na długości wielokrotnie powielany, przy czym ma średnicę wewnętrzną d stałą na całej długości, a średnicę zewnętrzną D zmienną. Wał ograniczony jest na całej swojej długości zależnością d>= h. Sztywnością wału sterować można zmieniając:

1. liczbę i grubość żeber 1,

2. grubość ścianek zewnętrznych 2 (dla różnych średnic D),

3. grubość ścianek wewnętrznych 3 (dla różnych d, gdzie zawsze d>=h), jeżeli zajdzie potrzeba ulepszenia / optymalizacji elektrowrzeciona.

W przykładzie wał ma skokowo zmienną średnicę D i stałą średnicę d. Zmienna średnica zewnętrzna pozwala na wykorzystanie uskoków wału do osadzenia bieżni łożysk, dostarczenia medium chłodzącego oraz osadzenia uzwojenia wirnika.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wał do urządzeń szybkoobrotowych lub do ultralekkich konstrukcji zawierający powierzchnię zewnętrzną i wewnętrzną oraz wypełnienie, znamienny tym, że stanowi monolit, który pomiędzy powierzchnią zewnętrzną (2) a powierzchnią wewnętrzną (3) ma żebra (1) rozmieszczone promieniście pod kątem 45° do płaszczyzny normalnej do osi wału, naprzemiennie na całej długości wału, przy czym wał jest wykonany metodą przyrostową.
2. 2. Wał według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy żebrami 1 ma medium chłodzące.
3. 3. Wał według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica wewnętrzna d wału jest większa lub równa wysokości sekcji h.