Результат интеллектуальной деятельности: МУЛЬТИПЛИКАТОР ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве мультипликатора для турбомашины, например, в газоперекачивающих станциях, а также для создания мультипликаторов передачи больших мощностей от 2,5 до 25 МВт.

Известен мультипликатор, содержащий корпус, в нем приводной и выходной валы, зубчатые передачи, выполненные из цилиндрических шевронных колес первой, второй и (или) нескольких ступеней, соединенных между собой торсионными шлицевыми валами [1].

Недостатком известного мультипликатора является разъем корпуса вдоль оси приводного или выходного валов, что не позволяет выполнить передачу многопоточной, т.е. передать большую мощность при меньших габаритах.

Известен также силовой редуктор, содержащий корпус, в котором размещен по меньшей мере один входной вал, первая и вторая переборные ступени, причем ведомые зубчатые колеса первой переборной ступени соединены торсионными валами с ведущими шестернями второй переборной ступени, образуя при этом кинематические цепи разделения мощности на первой переборной ступени на два потока, а на второй переборной ступени - на четыре потока, связанные с главным колесом второй переборной ступени. Вторая переборная ступень состоит из сблокированных зубчато-колесных групп, посредством которых ведомые зубчатые колеса первой ступени связаны с главным зубчатым колесом второй ступени, причем каждая сблокированная зубчато-колесная группа состоит из ведущей шестерни второй переборной ступени и находящихся в зацеплении с ней и с главным колесом двух промежуточных зубчатых колес, расположенных с обеих сторон от ведущей шестерни [2].

Такой редуктор возможно использовать как мультипликатор для повышения угловых скоростей выходного вала, при этом входным колесом 7 момент будет передаваться на два промежуточных колеса 6, через шестерни 5, торсионные валы 4 на зубчатые колеса 3, далее через шестерни 2 на выходной вал 1. Недостатком же такого мультипликатора является высокая частота вращения шестерен 2 и 5, выполняющих роль уравнительных механизмов. Так, например, при использовании мультипликатора для турбомашины число оборотов входного вала 5000...7000 об/мин, передаваемая мощность N=4 МВт, скорость в зацеплении шестерен 2 и 5 составляет 130...160 м/сек, что примерно на 30...60% превышает освоенные уровни окружных скоростей в шевронных многопоточных зубчатых зацеплениях, максимально допустимые нагрузки, а также уровень шума и вибрации.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является редуктор газотурбинного двигателя, содержащий корпус с поперечными разъемами, в нем приводной и выходной валы, зубчатые передачи, выполненные из цилиндрических шевронных колес первой и второй ступеней редуктора, соединенных между собой торсионными шлицевыми валами, при этом зубчатая передача выполнена многопоточной, преимущественно тремя потоками, а зубчатые колеса, приводной и выходной валы установлены на подшипниках качения [3].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, для повышения угловых скоростей выходного вала является высокая частота вращения блока промежуточных шевронных зубчатых колес 7, выполняющих роль уравнительных механизмов, а также высокая скорость в зацеплении второй ступени 5 мультипликатора, которая примерно на 30% превышает освоенные уровни скоростей в шевронных зубчатых зацеплениях. Так, например, для повышения угловых скоростей выходного вала и муфты 10 от n_вх=7000 об/мин до n_вых=14150 об/мин, N=4,0 МВт, вторая ступень ведомых зубчатых колес 5 повышает частоту вращения с n=9480 об/мин до 14390 об/мин, скорость в зацеплении второй ступени 5 составит 139 м/сек, что примерно на 30% превышает освоенные уровни скоростей в шевронных зубчатых зацеплениях, максимально допустимые нагрузки, а также уровень шума и вибрации.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности и ресурса мультипликатора до уровня ресурса турбомашины (100000 часов) путем понижения окружных скоростей в первой ступени зубчатой передачи, выполненной редуцирующей, соответственного понижения окружных скоростей, максимально допустимой нагрузки, уровня шума и вибраций во второй ступени многопоточной зубчатой передачи до уровня известных и освоенных в производстве вышеуказанных параметров в многопоточных шевронных зубчатых передачах. Также техническая задача заключается в появлении у шевронных многопоточных передач на торсионных шлицевых валах способности самоцентрироваться за счет определенного увеличенного бокового зазора в шлицах, а за счет этого - оптимального контакта зубьев, снижения предельной нагрузки по задиранию, уменьшения уровня шума и вибраций.

Сущность технического решения заключается в том, что в мультипликаторе для турбомашины, содержащем корпус с поперечными разъемами, в нем приводной и выходной валы, зубчатые передачи, выполненные из цилиндрических шевронных колес первой и второй ступеней мультипликатора, соединенных между собой торсионными шлицевыми валами, при этом зубчатая передача выполнена многопоточной, преимущественно тремя потоками, а зубчатые колеса, приводной и выходной валы установлены на подшипниках качения, согласно изобретению зубчатая передача первой ступени выполнена редуцирующей, передаточное отношение которой составляет 1,0857...1,6428, передаточное отношение второй ступени зубчатой передачи составляет 0,3067...0,6081, при этом передаточное отношение мультипликатора составляет 0,333...0,999. Боковой зазор в шлицах каждого торсионного шлицевого вала в соединениях с цилиндрическими шевронными колесами редуцирующей и второй ступени мультипликатора составляет 0,055...0,095 от толщины зуба торсионного шлицевого вала.

Выполнение зубчатой многоступенчатой передачи первой ступени редуцирующей позволяет в заданных габаритах корпуса повысить надежность и ресурс мультипликатора путем понижения окружных скоростей, максимально допустимой нагрузки, уровня шума и вибраций предельной нагрузки по задиранию во второй ступени зубчатой многопоточной передачи при оптимальном контакте зубьев до уровня известных и освоенных в производстве вышеуказанных параметов в шевронных зубчатых передачах. Известный уровень окружных скоростей по делительной окружности в многопоточных зубчатых шевронных передачах составляет ~110 м/сек.

Выполнение передаточного отношения первой ступени зубчатой передачи, выполненной редуцирующей, составляющим 1,0857...1,6428, передаточного отношения второй ступени зубчатой передачи составляющим 0,3067...0,6081, а передаточного отношения мультипликатора составляющим 0,333...0,999 обеспечивает использование освоенных уровней скоростей по делительной окружности, не превышающих 90 м/сек, также обеспечивает оптимальные допустимые нагрузки, уровни шума, вибрации и нагрузки по задиранию в шевронных зубчатых колесах.

Выполнение увеличенного бокового зазора в шлицах каждого торсионного вала в соединениях с цилиндрическими шевронными колесами в редуцирующей и второй ступени мультипликатора, составляющего 0,055...0,095 от толщины зуба торсионного шлицевого вала, обеспечивает появление у шевронных колес, размещенных на торсионных шлицевых валах, способности самоцентрироваться, что приводит к дополнительному улучшению характеристик в рабочем режиме: оптимального пятна контакта, снижения предельной нагрузки по задиранию, уровня шума и вибраций.

На фиг.1 изображен продольный разрез мультипликатора;

на фиг.2 - кинематическая схема мультипликатора;

на фиг.3 - элемент соединения шлиц шевронных колес с торсионным шлицевым валом.

Мультипликатор для турбомашины содержит корпус 1 с поперечными разъемами 2, 3. В корпусе 1 размещено ведущее шевронное зубчатое колесо 4 первой ступени мультипликатора, выполненное за одно целое с приводным валом 5, соединенное с тремя ведомыми шевронными зубчатыми колесами 6, расположенными равномерно по окружности. Ведомые колеса 6 через шлицы (зубья) 7 и шлицы (зубья) 8 торсионных шлицевых валов 9 соединены с тремя ведущими шевронными колесами 10 второй ступени мультипликатора, которые в свою очередь соединены с ведомым шевронным зубчатым колесом 11, выполненным за одно целое с выходным валом 12 (см. фиг.1, 2, 3). Приводной вал 5 через упругую муфту 13 соединен с ротором турбомашины, а выходной вал 12 через упругую муфту 14 соединен с ротором компрессора для нагнетания газа в подземное хранилище (см. фиг.1). Ведущее шевронное зубчатое колесо 4 и ведомое шевронное зубчатое колесо 11 зафиксированы от осевых перемещений в радиально-упорных шариковых подшипниках 15, осевая загрузка которых осуществляется с помощью пружинных механизмов 16. Три ведомых шевронных зубчатых колеса 6 редуцирующей ступени мультипликатора и три ведущих шевронных зубчатых колеса 10 второй ступени мультипликатора установлены в радиальных роликовых подшипниках 17 и от осевого перемещения не зафиксированы. Смазка зубчатых зацеплений и подшипников осуществляется через форсунки 18. Масло в форсунки подается через трубки 19, отработанное масло сливается в отстойник 20. Кроме того, на фиг.3 изображено: 21 - диаметр делительной окружности; 22 - толщина зуба торсионного шлицевого вала 9; 23 - боковой зазор в шлицах (эвольвентных) каждого торсионного шлицевого вала 9 в соединениях с цилиндрическими шевронными колесами 6, 10.

Мультипликатор для турбомашины работает следующим образом. Крутящий момент от ротора турбомашины передается через упругую муфту 13 на приводной вал 5 ведущего шевронного зубчатого колеса 4 первой ступени зубчатой передачи, выполненной редуцирующей. Ведущее шевронное зубчатое колесо 4 распределяет крутящий момент на три ведомых шевронных зубчатых колеса 6, которые через шлицы - эвольвентные зубья 7 передают крутящий момент на шлицы - эвольвентные зубья 8 торсионного шлицевого вала 9, далее на ведущие шевронные зубчатые колеса 10 второй ступени, с которых крутящий момент передается на ведомое шевронное зубчатое колесо 11 выходного вала 12, а с него через упругую муфту 14 на ротор компрессора для нагнетания газа в подземное хранилище.

Мультипликатор может быть использован со следующими параметрами: обороты турбомашины n_вх=7000 об/мин, число зубьев: поз. 4 = 28, поз. 6 = 45, поз. 10 = 91, поз. 11 = 28, обороты выходной упругой муфты 14 равны 14155 об/мин. При этом частота вращения блока промежуточных шевронных зубчатых колес 6, 10 составляет 4355 об/мин, а окружная скорость ведущих шевронных колес 10 в зацеплении второй ступени с ведомым шевронным зубчатым колесом 11 составляет 81,5 м/сек, т.е. не превышает уровень безопасных и освоенных окружных скоростей в шевронных многопоточных зубчатых зацеплениях.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения повышает ресурс мультипликатора до уровня ресурса турбомашины не менее 100000 часов с одновременным повышением его надежности.

Источники информации

1. Проспект RENK.

2. SU, а.с. № 986054, В 63 Н 23/10, 1978 г.

3. RU, патент № 2106508, F 02 C 7/36, 11.01.95 г. - прототип.