Технология сборки усовершенствованного устройства, применяемого для осевой фиксации вала в труднодоступном месте

Развитие авиации требует интенсивных научных исследований и разработок по усовершенствованию конструкций двигателей, отдельных узлов, а также технологий по их изготовлению и сборке. Современное двигателестроение направлено по пути повышения параметров двигателей и уменьшения их габаритов. В процессе усовершенствования двигателей для малой авиации осуществляется разработка методов крепления различных тел вращения в труднодоступных местах, в частности в редукторах.

Тенденции развития проектирования и производства малоразмерных газотурбинных двигателей обусловлены такими требованиями заказчика, как уменьшение габаритно-массовых характеристик двигателя и обеспечение надежности его работы. Одним из решений данных проблем является уменьшение осевого размера, что приводит к необходимости разработки способа фиксации тел вращения в труднодоступных местах (как правило, два вала устанавливаются концентрично друг другу).

2.    Анализ существующих конструкций фиксации концентрично установленных валов

В настоящее время в основном используются конструкции (рис. 1-3) для осевой фиксации вала, находящегося в наружном полом валу, которые выполнены в виде гаек, установленных на внутренний вал с упором в торец наружного вала и зафиксированных с помощью стопорного элемента ( Скубачевский , 1974; Сычев и др. , 2012; Лягина и др. , 2005; Полетучий, Рыдченко , 1994).

Недостатком данных конструкций для осевой фиксации внутреннего вала относительно наружного вала является то, что они могут быть использованы только тогда, когда часть внутреннего вала, на которой располагается гайка, выступает из полости наружного вала и появляется опасность упора гайки в торец наружного вала.

Более оптимальная конструкция для осевой фиксации вала (рис. 4) ( Скубачевский , 1974; Авиадвигатели "Сатурна" , 2003), расположенного в наружном полом валу, содержит подпружиненную относительно внутреннего вала стопорную втулку с наружными шлицами и крепежный резьбовой элемент с внутренней полостью, на стенках которой выполнены шлицы, взаимодействующие с наружными шлицами стопорной втулки.

Рис. 1. Узел редуктора ТВД АИ-20

Крепежный элемент имеет резьбовое соединение с внутренним валом и установлен с упором в выступ на стенке в полости наружного вала. Стопорная втулка содержит дополнительные наружные шлицы, которыми соединена с внутренним валом.

Недостатком такого устройства осевой фиксации внутреннего вала относительно полого является то, что его осевые размеры диктуются расстоянием от места соединения резьбового элемента с внутренним валом до выступа, выполненного в полости наружного вала на его стенке, в который упирается головка резьбового элемента, что требует высокой точности изготовления элементов устройства. Следует отметить, что сборка данного устройства является нетехнологичной.

Рис. 2. Опора газотурбинного двигателя

Рис. 3. Редуктор турбореактивного двигателя

3.    Разработка усовершенствованного устройства для осевой фиксации вала

В процессе усовершенствования конструкции узла фиксации концентричных валов решаются задачи уменьшения осевого размера конструкции узла и упрощения конфигурации входящих деталей.

Для устранения вышеперечисленных недостатков существующих конструкций и для уменьшения осевых габаритов двигателя был разработан способ крепления и стопорения концентрично установленных валов (рис. 5) ( Никифоров, Шеховцева , 2012).

Сравнив конструкции узлов двигателя, представленных на рис. 4 и 5 ( Скубачевский , 1974; Авиадвигатели "Сатурна" , 2003; Никифоров, Шеховцева , 2012), можно отметить, что общим для обеих конструкций является то, что устройство для осевой фиксации вала, расположенного внутри полого вала, содержит подпружиненную стопорную втулку с наружными шлицами и крепежный резьбовой элемент с внутренней полостью, на стенках которой выполнены шлицы, взаимодействующие с наружными шлицами стопорной втулки. На внутренней поверхности стенки наружного вала выполнен выступ, и крепежный резьбовой элемент установлен с упором в него. Стопорная втулка имеет шлицевое соединение с внутренним валом. Отличительными чертами конструкций устройств для осевой фиксации вала внутри полого вала, показанных на рис. 4 и 5, является то, что стопорная втулка и крепежный резьбовой элемент расположены на внутреннем валу, стопорная втулка снабжена внутренними шлицами, а внутренний вал – наружными, которыми взаимодействует с внутренними шлицами втулки, при этом стопорная втулка подпружинена относительно крепежного резьбового элемента. Для удобства монтажа наружная поверхность данного элемента и внутренняя поверхность стопорной втулки снабжены установочными элементами, например шлицами или многоугольниками; резьбой (или рукояткой) типа "грибок" или отверстием, ось которого перпендикулярна оси крепежного резьбового элемента.

Поставленная цель разработки достигается за счет того, что устройство (рис. 5) для осевой фиксации вала 1, расположенного внутри наружного полого вала 2, содержит подпружиненную стопорную втулку 3 с наружными шлицами 4 и крепежный резьбовой элемент 5, выполненный в виде гайки или резьбовой втулки с внутренней полостью 6, на стенках которой установлены шлицы 7, взаимодействующие с наружными шлицами 4 стопорной втулки 3. На внутренней поверхности стенки наружного вала 2 выполнен выступ 8. Крепежный резьбовой элемент 5 установлен на внутреннем валу 1 с упором в выступ 8 и имеет с валом 1 резьбовое соединение 9. Стопорная втулка 3 также расположена на внутреннем валу 1 в полости 6 крепежного резьбового элемента 5 и снабжена внутренними шлицами 10, а внутренний вал – наружными шлицами 11, которыми взаимодействует с внутренними шлицами 10 втулки 3. Стопорная втулка 3 подпружинена пружиной сжатия 12 относительно крепежного резьбового элемента 5, пружина 12 зафиксирована в полости 6 с помощью стопорного кольца 13.

Для удобства монтажа наружная поверхность крепежного элемента 5 может быть снабжена шлицами 14 или выполнена в виде четырехгранника или шестигранника (на рис. 5 не показаны).

Внутренняя поверхность стопорной втулки 3 для удобства ее установки может быть снабжена резьбой 15 или выполнена в виде рукоятки типа "грибок", а также в виде отверстия, ось которого перпендикулярна оси крепежного резьбового элемента 5 (на рис. 5 не показаны).

Рис. 4. Конструкция разъемного ротора турбины низкого давления турбовинтового двигателя

4.    Технология сборки спроектированного устройства для осевой фиксации вала

Предварительная сборка устройства осуществляется следующим образом (рис. 5).

В полость 6 крепежного резьбового элемента 5 устанавливается подпружиненная пружиной 12 стопорная втулка 3, при этом ее наружные шлицы 4 входят в зацепление со шлицами 7 резьбового крепежного элемента 5. Втулка 3 базируется по шлицам 7 в крепежном элементе 5 и пружина 12 фиксируется стопорным кольцом 13.

Монтаж разработанной конструкции на ротор двигателя осуществляется в приспособлении с базированием крепежного элемента 5 по шлицам 14. Затем стопорная втулка 3 смещается влево, пружина 12 сжимается, и крепежный резьбовой элемент устанавливается на вал 1 по резьбовому соединению 9 до упора в выступ 8 на внутренней поверхности стенки полого вала 2. Затем стопорная втулка 3 смещается вправо, ее шлицы 10 входят в зацепление со шлицами 11 вала 1, в результате чего осуществляется стопорение крепежного элемента 5, и приспособление снимается.

Рис. 5. Устройство для осевой фиксации вала в труднодоступных местах

5.    Заключение

Спроектированная конструкция устройства для осевой фиксации вала в труднодоступном месте позволяет повысить технологичность изготовления ее деталей. Осевой размер устройства не зависит от взаимного расположения наружного и внутреннего валов, т.к. их взаимное крепление и стопорение осуществляется внутри полого вала, следовательно, появляется возможность производства деталей конструкции с меньшей степенью точности.

Данная конструкция нашла применение в одном из двигателей, выпускаемых ОАО «НПО "Сатурн"» (г. Рыбинск); устройство успешно прошло испытания и сертификацию в качестве составной части газотурбинного двигателя.