CN102597559B - 高速齿轮联接器 - Google Patents

Abstract

联接设备包括齿轮轴(30)，齿轮轴(30)在一个轴端(34)处包括用于连接到减速齿轮箱的太阳齿轮(38)。太阳齿轮(38)驱动齿轮箱内的行星齿轮系(20)。联接设备在齿轮轴另一端(36)上具有与齿圈(58)的内花键(64)啮合的外花键(42)，齿圈(58)通过螺栓(60)和螺母(62)连接到联接凸缘构件(54)。凸缘构件(54)经互相啮合的花键将高扭矩从高速涡轮轴(14)传输到齿轮轴(30)。内花键(64)和外花键(42)的齿通过涡轮侧的静止喷射源(74)经由安装在凸缘构件(54)上、与齿圈(58)相面对的集油设备(72)保持被润滑。润滑油在操作期间从集油设备(72)经凸缘构件(54)中的孔(82)流向互相啮合的花键(42，64)。集油设备(72)和齿圈(58)两者均通过位于凸缘构件(54)上的边沿(94)定心。

Description

高速齿轮联接器

相关申请

本申请要求2009年10月2日提交的美国专利申请No.12/588,085的优先权，该申请的内容以参引的方式结合入本申请中。

技术领域

本发明涉及用于将旋转的原动机和减速器互相连接的设备。更具体地，本发明涉及用于将例如燃气轮机的高速驱动装置和用于传输功率的齿轮式减速器互相连接的设备。

背景技术

将例如燃气轮机的高速驱动装置与减速器互相连接的困难包括：驱动装置的轴线与减速器的高速输入部的轴线之间的侧向和/或角向未对准(偏差)的可能性。如果所述未对准/偏差被柔性部件吸收，则所述未对准/偏差可导致互相连接的设备由于疲劳而不适当地磨损并且可能失效。还可能发生原动机和/或减速器的可能的磨损或其它损坏。

用于将高速驱动装置和减速器互相连接的常规设备包括一个或多个在其外周边处结合、而各内周边通常通过一个或多个轴连接到驱动装置和减速器的较薄、柔性的环状盘。由Vioth制造的“Twin Tor”联接器是这种常规联接设备的一个示例。此类常规联接设备的缺点包括由于在高峰值负载下的较低安全裕度和对临界(共振)频率激励的敏感性而引起的柔性盘的灾难性疲劳失效的可能性。

发明内容

本发明的一方面包括一种用于将高速驱动装置与减速器互相连接的设备。该设备包括限定纵向轴线并具有相对的第一端和第二端的长形齿轮轴以及用于将该齿轮轴的第一端操作地连接到减速器的装置。该设备还包括在齿轮轴的第二端处定位在驱动装置上的齿轮联接器，该齿轮联接器轴对称并包括径向朝内和径向朝外的花键组。花键组互相啮合并提供1∶1的传动比。该齿轮联接器还包括用于连接到驱动装置的装置。

本发明的另一方面包括用于发电的设备。该发电设备包括具有驱动轴的燃气涡轮发动机、具有高速输入部的减速齿轮箱和将驱动轴与高速输入部互相连接的联接设备。该联接设备具有限定纵向轴线并具有相对的第一端和第二端的长形齿轮轴、定位在齿轮轴的第一端并操作地连接到减速齿轮箱的高速输入部的太阳齿轮、和与燃气轮机驱动轴相邻地定位在齿轮轴的第二端的齿轮联接器。该齿轮联接器包括径向朝内和径向朝外的互相啮合的花键组并且具有1∶1的传动比。该齿轮联接器还包括与燃气轮机驱动轴互相连接的凸缘组件。径向朝内的花键与凸缘组件相联并且径向朝外的花键与齿轮轴相联。

本发明另外的方面将部分地在下文的描述中陈述，且部分地将从描述变得显而易见，或者可通过实施本发明而获知。本发明的目的和优点将借助于特别是在所附权利要求书中指出的元件和组合而实现和达到。

应理解，前文的总体描述和下文的详细描述只是示例性和说明性的，且并非对要求保护的发明的限制。

结合在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

图1是燃气轮机发电机的一部分的截面关系图，该燃气轮机发电机使用根据本发明的联接设备来使燃气轮机和减速器互相连接；

图2是图1的联接设备的等距视图；

图3是图2所示的联接设备沿AA线的端视图；

图4A是图2所示的联接设备沿AD的局部纵向截面图；

图4B是图4A的细节的截面图；

图4C是图4B的细节的截面图；和

图4D是图4B的细节沿AC的端部截面图。

具体实施方式

图1描绘了一总体通过标号10表示的旋转设备，其用于将高速驱动装置与减速器互相连接。在所描绘的实施例中，该高速驱动装置是具有输出轴或驱动轴14和外壳16的燃气涡轮发动机12。图1中描绘的减速器18包括行星齿轮系20、齿轮式高速输入连接部22和减速器外壳24。在所描绘的设备中，涡轮驱动轴14的所产生的速度可介于约15000RPM与40000RPM之间，并且传输到齿轮联接器10的功率可介于约500KW与3000KW之间。如图所示，驱动装置外壳16和减速器外壳24可在接合部26处连接以组成发电机组28。可分离的接合部26还提供对联接设备10的访问以便进行组装、维修等。

根据本发明，该联接设备包括一限定纵向轴线并具有相对的轴向端部的长形齿轮轴。如文中体现的，且首先参考图1和2，联接设备10包括具有纵向轴线32和相对的轴向端34、36的长形齿轮轴30。齿轮轴30可以是中空(如所描绘的)或实心的。齿轮轴30的长度可取决于具体应用。适合齿轮轴30的材料包括高强度钢，比如表面硬化或渗氮钢。

此外，根据本发明，该联接设备包括用于将齿轮轴的第一端可操作地连接到减速器的装置。如文中体现的，轴向相对端34配置有太阳齿轮38以在高速输入部22处与行星齿轮系20啮合。优选地，太阳齿轮的齿38a、并且还优选地太阳齿轮38的齿侧面可呈冠形，以补偿/适应(accommodate)齿轮轴轴线32与轴线高速输入连接部22之间可能的角向未对准/偏差。行星齿轮系20中的齿轮齿20a由此也可以适当地呈冠形。

本领域的技术人员将认识到并了解，取决于高速输入部的构型，齿轮轴端部34可具有除太阳齿轮38以外的、用于连接到减速器的“装置”。例如且非限制性的，如果要用于发电机组28中的减速器具有作为高速输入部的花键轴，则轴向齿轮轴端部34可构造为带有内花键的匹配套环。

此外，根据本发明，联接设备包括定位在另一齿轮轴轴向端部处的齿轮联接器。该齿轮联接器是轴对称的、并且包括提供1∶1的传动比的互相啮合的径向朝外和径向朝内的花键组。该齿轮联接器还包括用于连接到驱动装置的装置。如文中体现的且参考图4A-4D，总体通过标号40表示的齿轮联接器包括定位在齿轮轴端部36的径向延伸部44上的一组朝外的花键42。联接齿轮40还包括凸缘组件50，该凸缘组件50包括一凸缘构件52，该凸缘构件52具有与齿轮轴端部36的径向延伸部44轴向相邻地定位的径向延伸部54。凸缘构件52还包括一套环部100，该套环部100与齿轮轴端部36隔开并具有用于连接到燃气轮机12的花键驱动轴14的内花键102(参看图1和2)。其它凸缘组件-驱动装置连接“装置”当然也是可能的，取决于涡轮驱动轴的构型，如本领域的技术人员所了解的。例如，如果涡轮驱动轴14包括带有朝内的花键的套环，则齿轮联接器可包括装备有花键外伸轴的凸缘组件50。

凸缘组件50还包括齿圈构件58，该齿圈构件58上设置有一组径向朝内的花键64。齿圈58通过多个沿角度方向隔开的螺栓60和螺母紧固件62附接到凸缘构件52上。如图4A-4D中最佳所示，花键组42和64互相啮合并构造成将所需的扭矩/功率从燃气轮机驱动轴15传输到齿轮轴端部36。互相啮合的花键组42和64提供1∶1的传动比。此外，如从图4A-4C显而易见，包括凸缘组件50的齿轮联接器40关于轴线32呈轴对称，从而有利于高速旋转。

优选地，相对于朝内的花键64组，该组径向朝外的花键42的表面可例如通过硬涂层表面硬化，以便提供在花键64上的优先磨损。如果磨损的话，花键64可易于通过在定期维修(包括现场维修)期间拧松并更换齿圈58而被更换。相比之下，更换一组磨损的花键42将要求更换齿轮轴30——其为更昂贵的构件。用于花键42的合适的硬化涂层是DLC(类金刚石涂层)，例如Balzers Balinit C₁。此外，齿圈58的相对“开放”的几何结构允许花键组64的精确加工，可能加工到DIN标准的“等级5”。

具体而言，与其中齿仅可借助于切削形成的构型相比，齿圈58的开放几何结构允许对花键组64的内齿进行磨削。磨削对齿尺寸和跳动(run-out)提供了高得多的精度。磨损和不平衡将减少并且寿命将提高。

在所描绘的实施例中，朝外的花键组42与齿轮轴30“相联”，而朝内的花键组64与附接到凸缘构件52上的凸缘组件50“相联”。此“相联”指的是在操作期间功率从朝内的花键组64向花键组42传递。在其它构型(未示出)中，可优选逆转相应的“相联”，例如其中带有朝内的花键的齿圈直接附接到齿轮轴上，而朝外的花键直接附接到凸缘组件的另一个构件上。也认为此类结构在其最宽泛的背景下处于本发明的范围内。

此外，优选地可设置润滑系统，以在旋转操作期间润滑朝内和朝外的花键组。如文中体现且如图4A-4D所示，齿轮联接器40包括油润滑系统70。油润滑系统70包括一环形集油设备72，其通过用于附接齿圈58的相同的贯通螺栓60和螺母紧固件62附接到凸缘构件52上。集油设备72构造成截获由与凸缘构件52相邻地定位的静止油供应源74供应的润滑油。集油设备72具有一径向向内弯曲的唇缘76，其定位成截获从静止源74的喷嘴78喷射或滴落到旋转的凸缘构件52上的油。由旋转凸缘构件52导致的离心力将油驱向集油设备72，形成如图4B中通过箭头F描绘的从喷嘴78至凸缘52然后至集油设备72的油润滑流动路径。凸缘构件52可设置有环形隆起部，例如80，以接触和定位喷射或滴落的油。

此外，油分配系统70包括多个位于凸缘构件部54中的轴向通孔82。通孔54用于在旋转操作期间将油从集油设备72的储槽83供给至邻近花键组42和64并部分地由齿圈58限定的环形聚油空间84。也就是说，油储槽83和聚油设备84依靠离心力来将油保持在适当位置并使油流向花键组，如本领域的技术人员所了解的。在操作期间，聚油设备84中由被“保持”的油形成的环可为例如2至3毫米厚。

再者，油润滑系统70包括保持环86，其相对于流经互相啮合的花键组42和64的润滑油的方向位于互相啮合的花键组42和64的下游侧。保持环86可为具有径向向外的弹力偏压的可径向张开、螺旋型的环，该环例如可从Smalley Steel Ring Company，Lake Zurich，IL获得。保持环86安置在形成于花键组64中的环形凹槽88内，其中该凹槽的深度直径决定了保持环86的实际外径87，这是因为环86通过弹簧加载在凹槽88中就位。如图4D中最佳所示，可相对于花键64的齿根圆直径90设定凹槽88的深度和因此保持环86的外径87，以提供用于调节通过互相啮合的花键组42和64的润滑油的流量的根部开口92。流经根部开口92的润滑油此后通过离心力排放到由外壳16和24(参看图1)形成的腔室内、被收集、并被排回到油供应源(未示出)。保持环86还用于防止齿轮轴30的轴向跳动。

虽然油供应系统70的其它构型和位置是可能的，但将集油设备72定位在凸缘构件部54的与齿圈58相对的一侧上允许使凸缘组件50平衡，以防止在高速操作期间扭曲。也就是说，集油设备72的尺寸和构造可设计成防止凸缘构件部54朝轴线32“开花”或倾斜，以便在高速操作期间维持花键组64相对于花键组42的平行度。另外，环58和集油设备72在操作期间可通过凸缘构件部54的边沿94定心。再者，在所公开的油润滑系统70的构型中，凸缘构件部54中的通孔82的位置和数量在很大程度上与花键64的式样无关，从而容许更大的设计灵活性。

对本领域的技术人员来说，通过对说明书的阅读和对在此公开的本发明的实践，本发明的其它实施方式将是显而易见的。应认为说明书和示例只是示例性的，本发明的真实范围和精神通过所附的权利要求指出。

Claims (17)

1.一种用于将高速驱动装置与减速器互相连接的设备，所述设备包括：

长形的齿轮轴，其限定纵向轴线并且具有相对的第一端和第二端；

用于将所述齿轮轴的所述第一端操作地连接到所述减速器的装置；

齿轮联接器，其在所述齿轮轴的所述第二端定位至所述驱动装置，所述齿轮联接器呈轴对称并包括径向朝内的花键组和径向朝外的花键组，所述组互相啮合并且提供1：1的传动比，所述齿轮联接器还包括用于防止所述齿轮轴轴向跳动的保持环和用于连接到所述驱动装置的装置；

用于在旋转运动期间用油来润滑互相啮合的朝内的花键组和朝外的花键组的润滑系统，所述润滑系统使得油轴向地流动通过互相啮合的花键；

其中，所述保持环定位在朝内的花键和朝外的花键附近，

其中，所述保持环的尺寸和构造设计成：与所述朝内的花键的齿根一起限定用于调节轴向地通过互相啮合的朝内的花键和朝外的花键的润滑油流量的开口。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述减速器具有带高速输入部的行星齿轮系，并且其中用于连接所述第一端的所述装置包括定位在所述齿轮轴第一端上的太阳齿轮，所述太阳齿轮构造成与所述行星齿轮系互相啮合。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述太阳齿轮和所述行星齿轮系中互相啮合的花键两者均呈冠形，以补偿可能的角向偏差。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，径向朝外的花键具有涂层以用于相对于所述朝内的花键硬化所述朝外的花键，并且其中所述齿轮联接器包括可更换的构件，径向朝内的花键位于所述可更换的构件上。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述润滑系统包括静止的润滑油源，其中所述润滑系统还包括位于所述齿轮联接器上、并构造成截获从静止的所述润滑油源供应的油的集油设备，并且所述开口与所述集油设备流体连通。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，

朝外的花键定位在齿轮轴第二端上，并且其中所述齿轮联接器包括具有齿圈的凸缘组件，所述齿圈具有所述朝内的花键组，所述凸缘组件还包括用于将所述齿圈连接到所述驱动装置的凸缘构件，

所述齿圈构造成具有一聚油设备，该聚油设备用于在操作期间收集润滑油并用于将所述润滑油供应至所述朝内的花键和朝外的花键，并且其中聚油设备和集油设备储槽经由多个位于所述凸缘构件中的通孔流体连通；

其中所述开口经由所述聚油设备、通孔、集油设备储槽与所述集油设备流体连通。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，径向朝外的花键定位在齿轮轴第二端上，并且其中所述齿轮联接器包括具有可更换的构件的凸缘组件，径向朝内的花键定位在所述可更换的构件上。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，朝外的花键定位在齿轮轴第二端上，并且其中所述齿轮联接器包括具有齿圈的凸缘组件，所述齿圈具有所述朝内的花键组，所述凸缘组件还包括用于将所述齿圈连接到所述驱动装置的凸缘构件。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述凸缘构件包括与所述齿轮轴第二端隔开、并构造成能够与所述驱动装置的带花键的驱动轴连接的带花键的套环。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述凸缘组件还包括集油设备，其中所述凸缘构件具有构造成径向约束所述齿圈和所述集油设备的径向外边沿，并且其中所述凸缘构件、所述齿圈和所述集油设备构造成在高速操作期间提供自定心。

11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述凸缘组件还包括用于在操作期间截获从静止的润滑油源供应的润滑油的集油设备，其中所述齿圈和所述集油设备被固定在所述凸缘构件的轴向相对侧上，并且其中所述齿圈、所述凸缘构件和所述集油设备构造成在高速操作期间维持朝内的花键与朝外的花键彼此之间的平行度。

12.根据权利要求8所述的设备，其中所述齿圈构造成具有一聚油设备，该聚油设备用于在操作期间收集润滑油并用于将所述润滑油供应至所述朝内的花键和朝外的花键，并且其中聚油设备和集油设备储槽经由多个位于所述凸缘构件中的通孔流体连通。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，朝内的花键位于齿圈上，所述齿圈包括环形凹槽，所述环形凹槽形成在所述朝内的花键中并构造成使得所述保持环的外径与所述朝内的花键的齿根圆直径相距预定的径向距离。

14.一种用于发电的设备，包括：

具有驱动轴的燃气涡轮发动机；

具有高速输入部的减速齿轮箱；

将所述驱动轴与所述高速输入部互相连接的联接设备，其中所述联接设备包括：

（a）长形的齿轮轴，其限定纵向轴线并且具有相对的第一端和第二端；

（b）太阳齿轮，其定位在所述齿轮轴的第一端处并操作地连接到所述减速齿轮箱的高速输入部；和

（c）齿轮联接器，其在所述燃气涡轮发动机驱动轴附近定位在所述齿轮轴的第二端处，所述齿轮联接器包括径向朝内和径向朝外的互相啮合的花键组并具有1：1的传动比，所述齿轮联接器还包括与所述燃气涡轮发动机驱动轴互相连接的、具有凸缘构件的凸缘组件，其中径向朝外的花键位于所述齿轮轴上，其中所述齿轮联接器包括一齿圈，朝内的花键位于该齿圈上，其中，所述齿轮联接器还包括构造和定位成防止所述齿轮轴轴向跳动的保持环；以及

用于在旋转运动期间用油来润滑互相啮合的朝内的花键组和朝外的花键组的润滑系统；

其中，所述保持环定位在朝内的花键和朝外的花键附近，

其中，所述保持环与所述朝内的花键的齿根一起限定用于调节通过互相啮合的朝内的花键和朝外的花键的润滑油流量的开口。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述驱动轴的操作速度介于15000RPM与40000RPM之间。

16.根据权利要求14所述的设备，其中，经所述驱动轴传输的功率介于500KW与3000KW之间。

17.根据权利要求14所述的设备，其中，所述齿圈包括环形凹槽，所述环形凹槽形成在所述朝内的花键中并构造成使得所述保持环的外径与所述朝内的花键的齿根圆直径相距预定的径向距离。