4.4 Валы и их опоры

Валы авиационных редукторов составляют значительную долю массы редукторов. Так, только на валы винтов приходится до 9 ... 16 % массы редукторов. Валы под действием усилий в зацеп­лении закрепленных на них зубчатых колес обычно нагружены крутящим и изгибающим моментами и (в случае конических или косозубых колес) осевой силой. На валы винтов действуют также гироскопический момент винта, инерционная нагрузка от массы винта, вызванная наличием перегрузок, инерционная нагрузка вследствие неуравновешенности и тяга (подъемная сила) винта. Валы обычно полые, ступенчатые, с фланцами для соединения с винтом или зубчатыми колесами. Для уменьшения концентра­ции напряжений в местах изменения диаметра или толщины вала предусматриваются плавные переходы. Посадочные поверхности под подшипники и торцы упорных буртов обычно цементируются или азотируются для сохранения размеров при заменах подшип­ников. Для увеличения выносливости валов при изгибе их на­ружная поверхность подвергается наклепку и тщательно обра­батывается (R_z < 2,5).

Валы двигателя и редуктора соединяются рессорой, обеспечивающей передачу крутящего момента за счет шлиц. Осевое перемещение рессоры ограничивается разрезным стопорным кольцом 3 Рис.4.8. Канавка под кольцо выполняется либо плоской, либо полукруглой.

Рис.4.8. Соединение вала двигателя с валом редуктора рессорой: 1 – вал двигателя; 2- рессора; 3- кольцо стопорное

Опорами валов авиационных редукторов являются шариковые и роликовые подшипники со сплошными сепараторами из бронзы или сплавов алюминия. Опорами цилиндрических передач с пря­мым зубом обычно служат роликовые подшипники, а осевая фик­сация обеспечивается упорными буртами на внешней обойме и упорными шайбами у внутренней обоймы этих подшипников (рис.4.9а).

В конических передачах опорами колес также являются роликовые подшипники, а осевая фиксация вала осу­ществляется упорным шариковым подшипником, посаженным в гнездо с гарантированным зазором и размещенным в едином подшипниковом узле с роликовым подшипником (рис.4.96).

В этом случае шариковый подшипник воспринимает только осевую нагрузку. Такое решение позволяет существенно снизить диаметр применяемых подшипников по сравнению с вариантом использования подшипника.

Внутренние обоймы подшипников устанавливаются на вал с на­тягом, соответствующим посадкам п₅, п₆, т₅ и m₆. Внешние обоймы в корпус устанавливаются по посадкам J_s6 и К₇, обоймы подшип­ников цилиндрических прямозубых передач — с меньшим натя­гом по k₆, m₆ и J_s6, H₇, соответственно.

Внутренние обоймы подшипников закрепляются на валу гай­кой, а внешние обоймы — с помощью упругих разрезных колец, специальных крышек, крепящихся к корпусу подшипника шпиль­ками или винтами (рис. 4.9 ).

Рис. 4.9. Конструкция опор зубчатых колес: а — опоры цилиндрического прямозубого колеса; б — опоры конического колеса; в - фиксация обойм подшипника гайкой и крышкой; 1 — упорный бурт; 2 — упорная шайба; 3 — зазор; 4 — гайка; 5 – кольцо разрезное

Конструктивно разрезное кольцо устанавливается непосредственно во внешней втулке корпуса, либо через регулировочное кольцо Рис.4.10.

Рис.410. Фиксация внешней обоймы подшипника кольцом разрезным: а – без регулировочного кольца; б – с регулировочным кольцом; 1- обойма подшипника внешняя; 2- втулка корпуса; 3 – силовая стойка корпуса; 4- кольцо стопорное; 5 – кольцо регулировочное

С целью обеспечение возможности установки и демонтажа при замене и ремонте стопорные кольца выполняется различного конструктивного исполнения Рис.4.11.

Рис.4.11. Конструктивное исполнение разрезных стопорных колец: а – эксцентричное смещение центров наружного и внутреннего диаметра; б – стопорение деталей во внутренний отверстиях; в - стопорение деталей на внешнем диаметре валов

Особую сложность представляет установка и демонтаж стопорных колец во внутренних полостях. С этой целью используются специальные стопорные кольца (рис.4.11,б), или пазы под установку стопорных колец выполняются с элементами под съемник (рис.4.12,б,в).

Рис 4.12. Исполнение кольцевых пазов под установку стопорных колец; а – паз кольцевой; б- паз кольцевой с осевой прорезью под съемник; в -паз кольцевой с радиальными отверстиями под съемник

В редукторах газотурбинных двигателей применяются сложные масляные системы. Маслосистемы редукторов предназначены для передачи управляющих импульсов к винтам изменяемого шага (ВИШ), смазки и охлаждении опор, смазки и охлаждении контактирующих поверхностей в зубчатых передачах.

Управление работой исполнительных механизмов ВИШ осуществляется маслом. Маслосистема управления работой ВИШ состоит из масляного насоса, системы управления (регулирования), каналов в корпусе редуктора и вращающегося вала винта и исполнительных механизмов.

Сложность обеспечения подачи масла в требуемый узел обусловлена относительным перемещением сопрягаемых деталей, что требует организации уплотнений места контакта (рис.4.13).

Рис.4.13. Узлы подвода масла к механизму управления винтами изменяемого шага: а- уплотнение упругими кольцами; б- уплотнение кольцевого зазора плавающей втулкой с баббитом на поверхности контакта; в – комбинированное уплотнение поверхностей; 1-вал; 2-корпус; 3- втулка вала; 4- кольца упругие; 5- каналы подвода масла в корпусе; 6,7- каналы подвода масла в деталях вала; 8- стопор; 9 – кольца уплотнительные

Уплотнение кольцевого зазора осуществляется кольцевыми разрезными упругими кольцами (рис.4.13,а.), плавающей втулкой с заливкой баббитом на контактирующей с валом внутренней поверхности втулки (Рис.4.13,б) и комбинацией упругих колец и нанесением баббита (Рис.4.13,в).

Контактное металлическое кольцевое уплотнение состоит из кольцедержателя 1, в кольцевых канавках которого размещаются неподвижные упругие разрезные кольца 2, плотно прижимаемые силой упругости к внутренней диаметральной поверхности неподвижной втулке корпуса 3, а силой давления масла к торцевой поверхности канавки кольцедежателя К (рис.4.14).Число колец для уплотнения одной полости не превышает трех. Места разрезов упругих, последовательно размещенных колец, сдвигают по окружности на 180⁰. Для уменьшения трения и износа контактирующих торцевых поверхностей кольца и кольцедержателя в них выполняются равномерно по окружности отверстия диаметром до 1мм для подвода масла.(рис.14.4,в). Потребное удельное давление на поверхность втулки определяется из условия неподвижности кольца при вращении втулки.

Кольцевые уплотнения требуют высокой точности изготовления, обеспечения расчетных перепадов давления и окружных скоростей вращения не более 80 м/с.

Рис.14.14. Уплотнение вращающегося вала упругими кольцами: а- элементы конструктивного исполнения; б - проверка упругости кольца; в- подвод масла в зону контакта; 1- кольцедержатель; 2- разрезные упругие кольца; 3- втулка корпуса

Смазка и охлаждение подшипников валов и осей шестерен редуктора может осуществляться подводом масла непосредственно на беговые дорожки внутренней или внешней обоймы подшипников. Подача масла на беговую поверхность внутренней обоймы предпочтительней но конструктивно сложней, поэтому обычно выполняется подача масла через каналы в корпусе на внешнюю обойму (Рис.4.15). Масло по трубопроводу 7 подводится к каналу в корпусе 6 и через отверстия во втулках 2 и внешних обоймах подшипников 1 на беговые дорожки.

Рис. 14.15. Подвод масла на беговые дорожки подшипников: 1- шарикоподшипники; 2- втулки корпуса внешних обойм подшипников; 3- втулка вала; 4 –вал; 5 – втулки распорные; 6 – корпус; 7 – канал подвода масла

Для лучшего охлаждения подшипника подаваемое масло должно омывать возможно большую поверхность его элементов. Из опыта эксплуатации получено, что масло лучше всего подавать через калиброванные отверстия в виде струек в зазор между сепаратором и внутренней обоймой подшипника под углом 15…20⁰ к оси (рис.14.16,а).

Масло смазывает беговую дорожку внутренней обоймы, поверхности шариков или роликов и, увлекаемое ими, а также за счет действия центробежных сил, поднимается к беговой дорожке внешней обоймы, смазывает её и сливается через зазор между сепаратором и внешним кольцом в маслосборник, откуда забирается откачивающим насосом. На практике из-за простоты конструкции применяется также схема с подачей масла параллельно оси (рис.1416,б) .

Рис.4.16. Схема размещения отверстий струйных форсунок перед подшипником: а – подшипник шариковый; б - подшипник роликовый

Калиброванные отверстия для подачи масла на беговые дорожки подшипников выполняют в специальных форсуночных кольцах устанавливаемых непосредственно у обойм подшипника с одной (рис.4.17.) или двух сторон (рис.4.18.).

Рис. 4.17. Подвод масла на беговую дорожку подшипника: 1- вал; 2- подшипник; 3 – корпус; 4 – форсуночное кольцо; 5 – канал форсунки; 6- трубопровод

Количество отверстий в форсунках и их размеры зависят от расхода масла прокачиваемого через подшипник. При этом для исключения перегрева и вспенивания масла при ударе об омываемые поверхности скорость истечения масла на выходе из отверстия не должна превышать 25…30 м/с. На практике число отверстий в одном форсуночном кольце выполняют от одного до шести.

При охлаждении высоконагруженных подшипников форсуночные кольца размещают с двух сторон подшипников (рис.4.18.).

Рис. 4.18. конструкция двухстороннего подвода масла на подшипник: 1 – вал; 2 – кольца лабиринтов; 3 – подшипник роликовый; 4 – кольца форсунок; 5 – отверстия форсунок; 6 – трубопровод подвода масла; 7 – трубопровод системы суфлирования

В некоторых двигателях для снижения массы и упрощения конструкции опор масло на беговые дорожки подшипников подводится непосредственно через индивидуальные форсунки (рис.4.19.).

Масло к форсункам подводится под давлением 0,3 …0,5 МПа на рабочих режимах двигателя 0,1…0,2 МПа на режимах малого газа.

Рис.4.19. Двухсторонний подвод масла на смазку и охлаждения подшипника: 1-вал; 2 – подшипник; 3 ,4 – масляные форсунки; 5 – втулка; 6 – трубопровод системы суфлирования

Задача смазки и охлаждения подшипников и зубчатого зацепления в месте контакта зубьев усложняется, если зубчатые колеса являются сателлитами или шестернями переборов. Необходимо обеспечить подачу масла к вращающимся узлам.

Конструктивное исполнение подачи смазки в опоры шестерни переборов приведено на рис.4.20.

Шестерня переборов 1 установлена через ролики 3 на оси 2. Для снижения массы редуктора роликовые подшипники не имеют ни внутренней ни внешней обоймы. Внешняя обойма совмещена с шестерней, в которой беговая дорожка выполнена на внутренней поверхности шестерни 1, а внутренняя обойма совмещена с осью 2, в которой беговая дорожка выполнена на внешнем диаметре.. Ось 2 установлена в корпусе переборов 4. Масло через радиальные отверстия 5 в корпусе переборов поступает через отверстия 6 в оси 2 в коллектор 8 маслораспределительной втулки 7. Через радиальные отверстия 9 масло поступает в кольцевые коллектора, в маслораспределительной втулке 7, а через отверстия в оси 10, на внутреннюю беговую дорожку роликов 3.

Из коллектора 8 через отверстия в оси 2 и каналы в шестернях перебора масло также подводится в зону высоконагруженного зубчатого зацепления с двух сторон шестерен переборов.

Рис. 4.20. Конструкция и подвод масла на охлаждения и смазку опор и зубчатого зацепления шестерен перебора: 1- шестерня перебора; 2- ось шестерни переборов; 3 - ролики подшипников; 4- корпус переборов; 5- радиальный отверстие в корпусе переборов; 6- радиальный канал в оси; 7 – втулка распределительная оси; 8- коллектор втулки распределительной; 9- отверстия подачи масла на беговые дорожки роликов; 10 – отверстия подачи масла на зубчатые зацепления; 11- ведущая шестерня переборов; 12- водило планетарной передачи; 13- венец ИКМ; 14- датчик ИКМ; 15- ведомая шестерня внутреннего зацепления простой передачи; 16- ступица

В нагруженных зубчатых зацеплениях в зоне контакта зубьев выделяется большое количество тепла из-за трения скольжения. Для отвода этого тепла и снижения коэффициента трения за счет образования масляной пленки непосредственно в зону контактов зубьев распыливается масло. Масло подается в виде струек по направлению вращения колес через отверстия (жиклеры) выполненные в маслопроводной трубке или специальной форсунке (рис.4.21.).

Малонагруженные подшипники и зубчатые зацепления смазываются брызгами масла, сбрасываемого с вращающихся деталей (масляный туман).

Рис. 4.21. Подвод масла на смазку и охлаждения зубчатого зацепления: 1 – форсунка; 2 - шестерни

Для исключения утечек масла в месте выхода вала редуктора устанавливаются уплотнения контактного рис.4.13 или бесконтактного типа рис.4.17 …рис.4.19.

В качестве контактных уплотнений применяются уплотнения с разрезными упругими кольцами, рассмотренные выше рис.4.14., кольцевые уплотнения с разрезные чугунными кольцами рис. 4.22. манжетные уплотнения рис. 4.23., торцевые уплотнения рис.4.24.

Уплотнения с разрезными кольцами Рис.4.22 состоит из трех сегментов 1, состыкованных по торцевым поверхностям с образованием кольца. Сегментные кольца установлены в корпусе 5 с возможностью радиальных перемещений и исключением окружных перемещений стопорными штифтами 3. По наружной поверхности сегменты стягиваются браслетной пружиной 2, что обеспечивает прилегания сегментов к валу 4. Уплотнение обеспечивается по торцевым поверхностям кольца и корпуса и цилиндрическими поверхностями сегментов и вала. Уплотнительные поверхности притираются по месту контакта.

Сегменты 1 имеют зазоры в местах стыка, что позволяет обеспечивать прилегание сегментов внутренней цилиндрической поверхностью к наружной цилиндрической поверхности вала при износе в месте контакта. Сегменты уплотнения изготавливаются из чугуна, бронзы, латуни.

В современных ГТД сегменты уплотнений изготавливают из различных графитов. Такие уплотнения отличаются большей надежностью и меньшими износами при более высоких нагрузках.

Рис.4.22. Кольцевое уплотнение разрезными кольцами: 1 – сегменты колец; 2- пружина браслетная; 3- штифт стопорный ; 4 вал; 5 - корпус

Радиальное секционное графитовое уплотнение Рис.4.23 состоит из графитовых сегментов 3, охватывающих поверхность вала 1, посредством браслетной пружины 4, а пружинами 7 прижимается к торцу неподвижного корпуса 2.

Стопоры 8 удерживают сегменты от окружного перемещения. Геометрические размеры, форма и число сегментов широко варьируется. Графитовые радиальные уплотнения выполняются однорядными, двухрядными со смещением стыков по окружности. Рекомендуется выполнять число сегментов в одном ряду от трех до шести.

Рис. 4.23. Уплотнение с графитовыми сегментами: 1- вал; 2-корпус; 3 – сегменты графитовые; 4 – пружина браслетная; 5 – шайба стальная; 6 – кольцо разжимное; 7 – пружина осевая; 8 – стопор

Усилие растяжения браслетной пружины назначают пропорционально диаметру вала , где диаметр вала в мм, усилие в Н.

В качестве материала сегментных колец применяются углеграфит, Нигран В ( температура до 300⁰ С), АГ-1500 и пирографит (для температур 350…400⁰ С; детали по которым осуществляет контакт изготавливаются из 38ХМЮА, 13Х11Н2В2МФ с азотированием на глубину 0,1 …0,35, пружины - из проволоки 40КХНМ диаметром 0.5 мм. Такие уплотнения могут работать при скоростях скольжения в зоне контакта 120 м/с.

Манжетные уплотнения рис. 4.24 состоят из резиновой манжеты 1, устанавливаемой с натягом в корпусе 2 браслетной пружины 3 обеспечивающей прижим уплотняющего усика манжеты к валу 2.

Уплотнение осуществляется по контактирующей поверхности манжеты и вала. При работе за счет разности давлений в разделяемых полостях происходит дополнительное поджатие уплотнительного усика манжеты к валу. Для повышения диапазона применения манжетных уплотнений по перепаду давления резиновые манжеты армируются металлическими кольцами 4, либо со стороны уплотняющей полости устанавливаются металлические поддерживающие кольца 6. Манжетные резиновые уплотнения имеют существенные ограничения на применения по температуре рабочей среды, перепада уплотняемого давления и скорости скольжения усика манжеты в зоне контакта с валом.

Рис. 4.24 Манжетные уплотнения вала: а, в – с браслетной пружиной; б – уплотнения деталей с поступательным перемещением; 1 – манжета резиновая; 2 – вал; 3 – пружина браслетная; 4 – кольцо армирующее; 5 – корпус; 6 - кольца усилительные

Применение по температуре рабочей среды ограничено Перепад давления между разделяемыми полостями не должен превышать 0,5 МПа., а скорости скольжения 30 м/с.

В торцевых уплотнениях Рис 4.25 герметизация соседних полостей с вращающимся валом осуществляется по торцевой

Рис. 4.25. Торцевые уплотнения: а – уплотнение с корпусом сильфоном; б - уплотнение с корпусом мембраной; в - уплотнение с корпусом резиновыми кольцами; 1- вал; 2 – корпус; 3- втулка подвижная; 4 – кольцо уплотнительное; 5 – пружина; 6 сильфон; 7 – мембрана; 8 – стопор; 9 – кольцо резиновое круглого сечения; 10 - втулка вала

поверхности выступа вала или специального кольца вала и торцевой поверхности кольца уплотнительного.

Кольцо уплотнительное 4 установлено во втулке 3, которая размещается в корпусе 2 с возможностью осевых перемещений. Уплотнения поверхностей подвижной втулки и корпуса с возможностью осевых перемещений обеспечивается сильфоном 6 (рис.4.25,а), мембраной (рис.4.25,б) или резиновыми кольцами круглого сечения (рис.4.25, в).

Предварительный контакт торцевых поверхностей подвижного кольца и вала обеспечивается осевой пружиной 5. На всех режимах эксплуатации удельное давление в зоне контакта должно обеспечивать нераскрытие стыка от перепада давления.

В зависимости от условий работы уплотнительные кольцо изготавливаются из твердых сплавов, графитов, минералокерамики, наполненные фторопласты, ситаллы.

Бесконтактные уплотнения не обеспечивают герметичности полостей и конструктивно состоят из роторных вращающихся деталей и корпусных неподвижных деталей, разделенных радиальным кольцевым зазором (рис.4.26,а) или осевым торцевым зазором (рис.4.26,б). Бесконтактные уплотнения предназначены снизить давления на последующем контактном уплотнении за счет гидравлического сопротивления в уплотнительном зазоре, либо ограничить расход воздуха в систему суфлирования.

Рис.4.26. Бесконтактные уплотнения: а – уплотнительный зазор кольцевой; б –уплотнительный зазор торцевой

В общем случае расход через кольцевой зазор определяется по известной зависимости

,

где - объемный расход перетечек через кольцевой зазор; - коэффициент расхода; - площадь кольцевой щели; и давление соответственно перед и за уплотнением; - плотность уплотняемой среды.

Для снижения перетечек при фиксированном перепаде давления необходимо снижать коэффициент расхода , площадь кольцевой щели за счет уменьшение радиального зазора или диаметра уплотнения .

Размеры уплотнения задаются из условия обеспечения бесконтактной работы уплотнения на всех эксплуатационных режимах ГТД.

Поэтому наиболее эффективное решение по ограничению перетечек это снижение коэффициента расхода . С этой целью уплотнения выполняются не с гладкой кольцевой щелью, а с различными выступами на валу и корпусе (рис.4.27).

Рис. 4.26. Уплотнения лабиринтные: а – лабиринты в корпусе прямые; б – лабиринты в корпусе косые, в – лабиринты в корпусе и на валу прямые; г – лабиринты корпуса и вала ступенчатые

Такие уплотнения называются лабиринтными.

Эффект повышения гидравлического сопротивления достигается за счет движения уплотняемой среды с вихреобразованием и поворотами.

Для снижения утечек масла в воздушную уплотняемую полость перед контактным уплотнением или лабиринтным уплотнением устанавливаются маслоотражательные кольца рис.4.17.

Маслоотражательные кольца устанавливаются на валу и за счет конструктивного исполнения и центробежного эффекта вращающегося кольца отбрасывают частицы масла от входа в кольцевой зазор рис.4.27. Для повышения эффективности на корпусе выполняется кольцевой выступ рис. 4.27,б.

Рис.4.27. Маслоотражательные кольца: а – без кольцевого выступа; б- с кольцевым выступом; в -с подачей воздуха в зону уплотнения