CN102667107A - 改变涡轮轴和飞行器发动机起动器发电机轴之间传动比的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于改变所述涡轮轴与所述航空发动机的起动器发电机的轴之间的传动比的装置，所述装置包括：由起动器发电机(20)的轴(22)所带动的第一、第二固定齿轮(23，24)；由所述涡轮轴带动的第一、第二空转齿轮(13，14)，其分别与所述第一、第二固定齿轮啮合以定义不同的齿轮齿数比；置于所述空转齿轮之间并且与所述涡轮轴机械连接的转换连轴器(50)，该转换连轴器可在两个连接位置之间的所述涡轮轴上平移移动；以及当所述涡轮轴与所述起动器发电机之间的总扭矩的符号变化时，用于使所述转换连轴器以自动的方式从一个连接位置移动到另一个连接位置的装置。

Description

改变涡轮轴和飞行器发动机起动器发电机轴之间传动比的装置
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机的通用领域，更特别地涉及控制起动器发电机。
本发明的应用领域为用于飞行或直升机发动机的燃气涡轮机领域，也包括用于辅助动力单元(APUs)的燃气涡轮机领域。
背景技术
在燃气涡轮机中，一定数量的设备或附助设备由机械传动器驱动，所述机械传动器受到来自于涡轮轴的机械动力驱动。该机械传动器，被称为附助设备传动箱(AGB)，包括一系列放置于外壳内并且与附助设备机械地连接的齿轮。特别地，这些附助设备包括用于产生液压能量、供给燃料、以及提供润滑作用的各种不同的泵，并且在特定应用中这些附助设备还包括一个或多个电子起动器发电机(S/G)。特别地，通过所述附助设备传动箱，所述起动器发电机的速度与发动机的运转速度成比例，该比例为对应于附助设备传动箱中的传动装置的齿轮齿数比的比例系数。
当燃气涡轮机运转时，起动器发电机作为电力发电机，并且产生电压，所述电压为一个或多个用于飞机和它的发动机的电力分配中心提供电源。
如所述燃气涡轮机静止或低速旋转时，起动器发电机可作为启动器工作，其由外部动力源提供电力，以通过旋转与所述附助设备传动箱连接的轴使得所述燃气涡轮机得以运转。
起动器发电机操作的最佳机械条件取决于其是作为发电机工作还是作为启动器工作，两种情况下其操作的最佳机械条件是相互矛盾的。
对于给定的机械动力，当起动器发电机作为启动器工作时，优先选择高速旋转以减小所述起动器发电机的扭矩，同时也提供足够的扭矩以使得所述发动机得以启动。在所述齿轮齿数比不发生变化的情况下，依赖于在起动器模式下优先选择高速的齿数比导致了发电机模式下大范围的速度变化，从而增加了所述起动发电机的频率范围，在某种意义上，这不利于其在飞机的供电网络中的整合。尤其是，上限值(大于800赫兹(Hz)，其在某些商用飞机中通常可以接受)可能无法被接受。
因此，涡轮轴与起动器发电机之间的齿轮齿数比得以被选择，以在作为发电机与作为启动器之间提供一个可用的折中的齿轮齿数比。在某些商用飞机中，发电机模式决定对启动器模式有影响的齿轮齿数比。
为了解决这一问题，申请人在申请号为FR09/54983的关于起动器发电机控制系统的专利申请的基础上进行了改进，在该专利申请中所述的起动器发电机控制系统中，齿轮箱置于所述涡轮轴与起动器发电机之间，齿轮箱的齿轮齿数比随着起动发电机的工作模式的变化而变化。尽管如此，这样的系统存在需要增加一个用于控制所述齿轮箱的齿轮齿数比的变化的装置的缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于通过提供一种用于改变涡轮轴与起动器发电机的轴之间的传动比的装置来缓解这样的缺点，并且该装置不用依赖于那种类型的控制装置。
该目的能够通过用于改变所述涡轮轴与所述航空发动机的起动器发电机的轴之间传动比的装置得以实现，所述装置包括：
·由起动器发电机的轴所带动的第一、第二固定齿轮；
·由所述涡轮轴带动的第一、第二空转齿轮，其分别与所述第一、第二固定齿轮啮合以定义不同的齿轮齿数比；以及
·置于所述空转齿轮之间并且与所述涡轮轴机械连接的转换连轴器，该转换连轴器可在两个连接位置之间的所述涡轮轴上平移移动，在其中一个连接位置上，该转换连轴器与第一空转齿轮啮合，而在另一个相对的连接位置上，该转换连轴器与第二空转齿轮啮合。
该装置特征在于，其进一步包括：当所述涡轮轴与所述起动器发电机之间的总扭矩的符号变化时，用于使所述转换连轴器以自动的方式从一个连接位置移动到另一个连接位置的装置。
为了使所述转换连轴器从它的一个连接位置移动到它的另一个连接位置，本发明规定利用发动机的工作点，在该工作点上，所述涡轮轴与所述起动器发电机之间的总扭矩在该点变换符号。这些工作点与所述起动器发电机的轴由驱动变为被驱动(相对于涡轮轴)的时刻或者反过来的时刻相对应，即，在所述起动器发电机在两种工作模式之间变化的过程中，所述发动机被起动或被停止。进一步地，本发明所述装置的传动比自动地发生变化，也就是说，不需要特别的控制装置(诸如，电力驱动器或液压驱动器)来实施这一工作(在该点所述传动比的改变可能由所述起动器发电机的扭矩级而得以控制)。这使得装置有可靠、重量轻以及成本低的优点。
有益地，所述转换连轴器的每一个侧面带有止挡块，每一个止挡块具有：
第一平面，当所述转换连轴器处于它的一个连接位置时，该第一平面用于与由一个所述空转齿轮所带动的齿状物的扭矩传递平面相啮合；以及
第二平面，其与所述第一平面相对，并且当所述涡轮轴与所述起动器发电机之间的总扭矩的符号变化时，所述第二平面趋于在其中一个所述空转齿轮的齿状物的分离平面上滑动，所述分离平面与所述齿状物的扭矩传递平面相对。
所述转换连轴器的止挡块的第二平面可大体上平行于所述转换连轴器的旋转轴，而所述空转齿轮的齿状物的分离平面则可在所述连轴器的旋转方向上相对于所述旋转轴倾斜。
可选择地，空转齿轮的齿状物的分离平面可大体上平行于所述转换连轴器的旋转轴，而所述转换连轴器的止挡块的第二平面则可在所述连轴器的旋转方向上相对于所述旋转轴倾斜。
进一步地，在一个具体的实施方式中，所述转换连轴器的止挡块的第一平面以及所述空转齿轮的齿状物的扭矩传递平面在所述连轴器的旋转方向上相对于所述旋转轴大体上倾斜。该倾斜角提高了连轴器对空转齿轮的保持力。
有益地，所述装置进一步地包括用于在所述转换连轴器的连接位位置稳定该连轴器的装置。
本发明还提供了一种包括有涡轮轴、起动器发电机以及如上文所述的用于改变所述涡轮轴与所述航空发动机的起动器发电机的轴之间的传动比的装置的航空发动机。
附图说明
参考附图，本发明的其它特征和优点通过下面所给出的说明得以显现，在所述附图中示出了具有非限制性的实施方式。在附图中：
图1为本发明的用于改变所述涡轮轴与所述航空发动机的起动器发电机的轴之间的传动比的装置的功能图；
图2A到2D为本发明所述的传动比改变装置的工作原理图；
图3为图1中的传动比改变装置的局部透视图；
图4为本发明另一个实施方式的传动比改变装置的平面图。
具体实施方式
本发明应用于诸如飞机或直升机之类飞行器的任何类型的燃气涡轮发动机。
在参考图1所描述的实施例中，更特别地，注意力被集中于飞机涡轮发动机，该飞机涡轮发动机包括附助设备传动箱10(AGB)，所述附助设备传动箱10用于驱动涡轮机或附加设备(诸如用于产生液压能量、供给燃料、提供润滑作用等等)的附助设备，尤其用于驱动起动器发电机20(或S/G)。
在已知方式中，附助设备传动箱10包括多个齿轮(未示出)，所述齿轮由动力传动轴11驱动旋转，所述动力传动轴11与涡轮的轴机械地连接，从而使得该涡轮得以启动(典型地为涡轮发动机的高压轴)。
起动器发电机20及其是如何操作和调整的都是已知的，并且没有在此得以说明。举例来说可以参考第FR2897895号专利公开文本中的说明书。
所述涡轮发动机还包括本发明的装置30，该装置能够改变所述涡轮轴和所述起动器发电机20的轴22之间的传动比。
该装置特别地包括齿轮箱40，该齿轮箱40具有带动齿轮的两个轴：起动器发电机20的轴22，其带动第一、第二固定齿轮23、24，所述第一、第二固定齿轮23、24固定于其上；以及附助设备传动箱10的轴12，其带动所述第一、第二空转齿轮13、14，所述空转齿轮13、14空转并且分别地与所述第一、第二固定齿轮相啮合。
所述第一齿轮13、23定义了齿轮齿数比k1，该齿轮齿数比k1与由所述第二齿轮14、24定义的齿轮齿数比k2不同。
转换连轴器50(changeover sleeve)置于所述空转齿轮13、14之间，并且被机械地连接于所述附助设备传动箱的轴12上。该转换连轴器适于在该轴12上的两个连接位置之间平移移动(例如借助于未在图中示出的凹槽)，所述两个位置为转换连轴器与第一空转轴13相啮合的位置(图2A)以及与第二空转轴14相啮合的相对位置(图2D)。
为在此目的，所述转换连轴器50的每一个侧面包括多个止挡块502，所述止挡块502有规律地绕它的旋转轴X-X分布。同样地，在它们各自的内侧面上，每一个空转齿轮13、14都具有多个用于与处于连接位置的所述转换连轴器50的止挡块502相啮合的齿状物132、142。
更特别地，所述转换连轴器50的每一个止挡块502具有彼此相对的第一、第二平面。
当所述转换连轴器处于其连接位置时，所述止挡块的第一平面504旨在啮合抵靠于空转齿轮13、14相应的齿状物132、142的扭矩传递平面134、144。
止挡块的第一表面504与齿状物的扭矩传递平面134、144可平行于转换连轴器50的旋转轴线X-X(如图1-3所示)，或者可以相对于所述轴线大体上有所倾斜(如图4所示)。在上述第二种结构中，在图4中由α示意性地示出的所述平面504、134、144的倾角在所述转换连轴器50的旋转方向S的方向上得以定向，并且可约等于5°。这样的倾角用以促使抵靠于所述空转齿轮的连轴器紧密接触。
至于所述止挡块的第二平面506，当所啮合的空转齿轮13、14减速，并且所述转换连轴器50先于述空转齿轮13、14时，所述第二平面在相对应的空转齿轮的齿状物132、142的分离平面136、146上滑动，这些分离平面与所述齿状物的扭矩传递平面134、144相对。
为了获得如此的滑动，所述转换连轴器的止挡块的第二表面506可平行于所述转换连轴器的旋转轴线X-X，而所述空转齿轮的齿状物的分离平面136、146相对于该轴线有所倾斜。而在图2C中通过β示意性地示出的倾角在所述连轴器的旋转方向S上得以定向，优选地，大约落在45°到60°之前的范围内。
自然地，想反的配置可导致相同的结果：在一个没示出的实施方式中，所述空转齿轮的齿状物的分离平面大体上与所述转换连轴器的旋转轴平行，而所述转换连轴器的止挡块的第二表面侧相对于与所述连轴器的旋转方向相反的旋转方向有所倾斜。
参考图2A到2D，其示出了所述齿轮的平面图，下面是对本发明所述装置的动转过程的说明。
在开始用于启动所述涡轮发动机的命令之前，所述转换连轴器50位于它的第一连接位置，如图2A所示，(与所述第一空转齿轮13啮合)。
当该命令开始时，所述发动机控制单元(ECU)改变所述起动器发电机的激励器，以使得其启动模式得以改变。随后，所述起动器发电机的轴22驱动附助设备传动箱的轴12旋转(通过与所述第一齿轮13啮合的转换连轴器50)，并且因此为了启动涡轮发动机的目的而驱动涡轮轴，该啮合发生于齿轮齿数比为k1时。
一旦所述涡轮发动机启动，所述涡轮轴(以及附助设备传动箱的轴)加速。在一个确定的阶段，所述附助设备传动箱的轴12与所述起动器发电机的轴22之间的总扭矩将会改变符号(所述附助设备传动箱的轴相对于所述起动器发电机的轴开始驱动)。作为这一变化的结果，所述转换连轴器50(与所述附助设备传动箱的轴12相连接)将趋于与所述第一空转齿轮13(与所述起动器发电机的轴22相连接)相比更快速的转动，第一空转齿轮13的转动减慢。这引起了所述转换连轴器50的止挡块502相对于所述第一空转齿轮13齿状物132的相对角运动，该运动发生于所述第一空转齿轮的旋转方向S上。随后，所述转换连轴器50的止挡块502的第二表面506抵靠于所述第一空转齿轮13的齿状物132的分离平面136，并且所述第二表面506在分离平面136上滑动，由此，轴向地朝向所述第二空转齿轮14移动所述连轴器(如图2B、2C所示)。
在其轴向行程的末端，所述转换连轴器将位于它的第二连接位置，如图2D所示(所述第二齿轮14与所述转换连轴器50相啮合)。更准确地，所述转换连轴器另一个侧面上的止挡块502的第一表面504与所述第二空转齿轮14的相对应的齿状物142的扭矩传递平面144相抵靠。因此，所述涡轮轴(以及附助设备传动箱的轴12)以齿轮齿数比k2驱动所述起动器发电机的轴22旋转。
自然地，在相同的过程的末尾，所述转换连轴器能够返回到它的如图2A所示的第一连接位置，一旦所述涡轮轴与所述起动器发电机的轴的总扭矩再次发生符号变化。特别地，这一可能将发生在所述涡轮发动机被停止的情况下，在这一过程中，所述起动器发电机的轴相对于所述附助设备传动箱的轴开始驱动。
从上文中可以容易地理解：所述连轴器的从它的其中一个连接位置到其它的连接位置的转换是以自动方式发生的。所述空转齿轮的齿状物表面的特殊几何形状以及所述转换连轴器的止挡块的特殊几何形状使得所述连轴器朝着一个或另外一个空转齿轮被推开，无论所述涡轮轴与所述起动器发电机的轴之间的总扭矩的符号何时发生变化。
根据本发明有益的技术特征，所述传动比变化装置进一步地包括用于在所述转换连轴器的每一个连接位置稳定该连轴器的装置60。
如图1所示，这些装置60可以如下形式得以呈现：球轴套61滑动安装于静态结构62内部，所述球轴套61具有头部63，该头部63抵靠于形成在所述转换连轴器50外周缘上的凸起物64。所述球轴套61固定于复位弹簧65的一端，而该复位弹簧65的另外一端侧固定于所述静态结构62。所述复位弹簧被以这样的方式预压缩，以迫使所述球轴套61的头部63可持续地抵靠于所述凸起物64。
进一步地，所述形成于转换连轴器50外周缘上的凸起物64具有两个斜面66，所述每一个斜面66朝向所述空转齿轮13、14中的各自一个空转齿轮倾斜。从而，仅有两个所述球轴套头部平衡状态位置通过所述转换连轴器的两个连接状态得以限定。因此，所述球轴套的出现用以在所述转换连轴器的连接位置稳定该连轴器。所述球轴套也使得所述连轴器的平移移去变得容易，以促进其从它的一个连接位置变换到另一连接位置。

Claims (9)

1.一种用于改变所述涡轮轴与所述航空发动机的起动器发电机的轴之间的传动比的装置，所述装置包括：
·由起动器发电机(20)的轴(22)所带动的第一、第二固定齿轮(23，24)；
·由所述涡轮轴带动的第一、第二空转齿轮(13，14)，所述第一、第二空转齿轮(13，14)分别与所述第一、第二固定齿轮啮合以定义不同的齿轮齿数比；以及
·置于所述空转齿轮之间并且与所述涡轮轴机械连接的转换连轴器(50)，该转换连轴器可在两个连接位置之间的所述涡轮轴上平移移动，在其中一个连接位置上，该转换连轴器与第一空转齿轮(13)啮合，而在相对的另一位置上，该转换连轴器与第二空转齿轮(14)啮合；
该装置特征在于，其进一步包括：当所述涡轮轴与所述起动器发电机之间的总扭矩的符号变化时，用于使所述转换连轴器以自动的方式从一个连接位置移动到另一个连接位置的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转换连轴器(50)的每一个侧面带有止挡块(502)，每一个止挡块具有：
·第一平面(504)，当所述转换连轴器处于它的一个连接位置时，该第一平面用于与由一个所述空转齿轮(13，14)所带动的齿状物(132，142)的扭矩传递平面(134，144)相啮合抵靠；以及
·与所述第一平面相对的第二平面(506)，并且当所述涡轮轴与所述起动器发电机之间的总扭矩的符号变化时，所述第二平面趋于在其中一个所述空转齿轮的齿状物的分离平面(136，146)上滑动，所述分离平面与所述齿状物的扭矩传递平面相对。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述转换连轴器的止挡块(502)的第二平面(506)大体上平行于所述转换连轴器的旋转轴(X-X)，而所述空转齿轮的齿状物(132，142)的分离平面(136，146)则在所述连轴器的旋转方向(S)上相对于所述旋转轴倾斜。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述空转齿轮(13，14)的齿状物(132，142)的分离平面(136，146)与所述转换连轴器的旋转轴(X-X)形成夹角(β)，该夹角(β)的范围为45°到60°
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述空转齿轮(13，14)的齿状物(132，142)的分离平面(136，146)大体上平行于所述转换连轴器的旋转轴(X-X)，而所述转换连轴器的止挡块(502)的第二平面(506)则在所述连轴器的旋转方向(S)上相对于所述旋转轴倾斜。
6.如权利要求2-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述转换连轴器的止挡块(502)的第一平面(504)以及所述空转齿轮的齿状物(132，142)的扭矩传递平面(134，144)在所述连轴器的旋转方向(S)上相对于所述旋转轴(X-X)大致上为倾斜的。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述转换连轴器的止挡块(502)的第一平面(504)以及所述空转齿轮的齿状物(132，142)的扭矩传递平面(134，144)与所述转换连轴器的旋转轴(X-X)形成夹角(α)，该夹角(α)约为5°。
8.如权利要求2-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括用于在所述转换连轴器(50)的连接位置稳定该连轴器的装置(60)。
9.一种航空发动机，其特征在于，包括有涡轮轴、起动器发电机(20)以及如权利要求1-8中任一项所述的用于改变所述涡轮轴与所述航空发动机的起动器发电机的轴(22)之间的传动比的装置。
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