CN102817717A - 用于齿轮传动构造的燃气涡轮发动机的柔性支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于齿轮传动构造的燃气涡轮发动机的柔性支撑结构。一种带有由横向刚度关系限定的用于风扇驱动齿轮系统的柔性安装的齿轮传动构造。

Description

用于齿轮传动构造的燃气涡轮发动机的柔性支撑结构
本公开要求了2011年6月8日申请的序列号为No.61/494453的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
 本公开涉及燃气涡轮发动机，并且尤其涉及用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造的柔性支撑结构。
背景技术
为了设计的紧凑与高效的高齿轮减速能力，具有行星或星形齿轮系的周转齿轮箱可以用于燃气涡轮发动机。行星与星形齿轮系通常包括三个齿轮系元件：中心太阳轮、具有内齿轮齿的外齿圈、以及由行星架支撑的、介于太阳轮与齿圈之间并且同时与太阳轮和齿圈相啮合接合的多个行星齿轮。齿轮系元件共用公共纵向中心轴线，至少两个围绕该中心轴线旋转。周转齿轮系的优势在于，旋转输入可以连接至三个元件中的任意一个。其他两个元件中的一个随后相对于其他两个保持静止，以允许第三个用作输出。
在燃气涡轮发动机应用中，其中需要减速传递，中心太阳轮通常接收来自动力装置的旋转输入，外齿圈通常保持静止，并且行星齿轮架沿与太阳轮相同的方向旋转，以提供降低转速的转矩输出。在星形齿轮系中，行星架保持静止，并且通过齿圈沿与太阳轮相反的方向驱动输出轴。
在飞行过程中，轻重量的结构壳体因航空机动载荷而偏转，这造成了已知为发动机的龙骨弯曲的显著量的横向偏转。该偏转可以使得单个的太阳轮或行星轮的旋转轴线失去与中心轴线的平行。该偏转可以导致齿轮系轴颈轴承处与齿轮齿啮合处的某些不对准，其可能导致由不对准产生的效率损失以及由集中应力增长产生的潜在寿命降低。
发明内容
根据本发明的示例性方面的用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造可以包括风扇轴、支撑风扇轴的框架，框架限定出框架横向刚度（KframeBEND）；驱动风扇轴的齿轮系统，至少部分地支撑齿轮系统的柔性支撑，柔性支撑限定出相对于框架横向刚度（KframeBEND）的柔性支撑横向刚度（KFSBEND），到齿轮系统的输入联接件，输入联接件限定出相对于框架横向刚度（KframeBEND）的输入联接件横向刚度（KICBEND）。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，框架与柔性支撑可以安装至静止的结构。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，框架与柔性支撑可以安装至燃气涡轮发动机的静止的结构。附加地或可替换地，柔性支撑可以安装至燃气涡轮发动机的前部中心体。附加地或可替换地，柔性支撑可以安装至齿轮系统的行星架。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，输入联接件可以安装至齿轮系统的太阳轮。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，风扇轴可以安装至齿轮系统的齿圈。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，齿轮系统可以是星形系统。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，柔性支撑可以安装至齿轮系统的齿圈。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，输入联接件可以安装至齿轮系统的太阳轮。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，风扇轴可以安装至齿轮系统的行星架。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，齿轮系统可以是行星系统。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，低速卷轴可以驱动输入联接件。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与输入联接件横向刚度（KICBEND）中的至少一个可以小于框架横向刚度（KframeBEND）的大约20%。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与输入联接件横向刚度（KICBEND）的每个均可以小于框架横向刚度（KframeBEND）的大约20%。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与输入联接件横向刚度（KICBEND）中的至少一个可以小于框架横向刚度（KframeBEND）的大约11%。
在任意前述用于燃气涡轮发动机实施例的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与输入联接件横向刚度（KICBEND）的每个均可以小于框架横向刚度（KframeBEND）的大约11%。
根据本发明的另一示例性方面的用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造可以包括风扇轴、支撑风扇轴的框架，驱动风扇轴的齿轮系统，齿轮系统包括限定出齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的齿轮啮合，可以至少部分地支撑齿轮系统的柔性支撑，柔性支撑限定出相对于齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的柔性支撑横向刚度（KFSBEND），以及到齿轮系统的输入联接件，输入联接件限定出相对于齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的输入联接件横向刚度（KICBEND）。
在任意前述用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，柔性支撑横向刚度（KFSBEND）可以小于齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约8%。
在任意前述用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，输入联接件横向刚度（KICBEND）可以小于齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约5%。
在任意前述用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，齿轮系统的齿圈横向刚度（KRGBEND）可以小于齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约20%。
在任意前述用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，齿轮系统的齿圈横向刚度（KRGBEND）可以小于齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约12%。
在任意前述用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，支撑齿轮系统的行星轮的行星轴颈轴承横向刚度（KJBBEND）可以小于或等于齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）。
在任意前述用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造的进一步非限制性实施例中，齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）可以被定义在齿轮系统的太阳轮与多个行星轮之间。
附图说明
从公开的非限制性实施例的以下详细说明中，各种特征对于本领域技术人员而言将变得易于理解。伴随详细说明的附图可以简要说明如下：
图1为燃气涡轮发动机的示意性横截面；
图2为燃气涡轮发动机一部分的放大的横截面，其示例了风扇驱动齿轮系统（FDGS）；
图3为用于FDGS的非限制性实施例的柔性安装布置的示意图；
图4为用于FDGS的另一非限制性实施例的柔性安装布置的示意图；
图5为用于星形系统FDGS的另一非限制性实施例的柔性安装布置的示意图；以及
图6为用于行星系统FDGS的另一非限制性实施例的柔性安装布置的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示例了燃气涡轮发动机20。此处公开的燃气涡轮发动机20为双卷轴涡轮风扇，其通常包含风扇部分22、压缩机部分24、燃烧室部分26以及涡轮机部分28。除其他系统或特征外，可替换的发动机可以包括推力增强器部分（未示出）。风扇部分22沿旁通流路驱动空气，同时，压缩机部分24沿中心流路驱动空气，用于压缩并连通入燃烧室部分26，随后穿过涡轮机部分28膨胀。虽然在公开的非限制性实施例中描述为涡轮风扇燃气涡轮发动机，但应该理解的是，此处描述的概念并不限于用于涡轮风扇，因为该教导可以应用于其他类型的涡轮发动机，例如三卷轴构造燃气涡轮发动机与开式转子（无导管容纳的风扇）发动机。
发动机20通常包括低速卷轴30与高速卷轴32，其安装成围绕发动机中心纵轴线A，相对于发动机静止的结构36，经由几个轴承系统38A-38C旋转。应该理解的是，可替换地或另外地提供不同位置处的各种轴承系统38。
低速卷轴30通常包括与风扇42、低压压缩机44以及低压涡轮机46相互连接的内轴40。内轴40通过齿轮传动构造48连接至风扇42，以低于低速卷轴30的速度驱动风扇42。高速卷轴32包括外轴50，其与高压压缩机52以及高压涡轮机54互相连接。燃烧室56布置于高压压缩机52与高压涡轮机54之间。内轴40与外轴50同心，并且围绕发动机中心纵轴线A旋转，该中心纵轴线A与它们的纵轴线共线。
中心气流由低压压缩机44压缩，并且随后由高压压缩机52压缩，在燃烧室56中与燃料混合并且燃烧，随后在高压涡轮机54与低压涡轮机46上膨胀。涡轮机46、54响应于穿过其的气流的膨胀旋转地驱动各自的低速卷轴30与高速卷轴32。
参照图2，齿轮传动构造48通常包括通过输入联接件62由低速卷轴30（示意性示例的）驱动的风扇驱动齿轮系统（FDGS）60。输入联接件62既将转矩从低速卷轴30传递至齿轮传动构造48，又方便它们之间的振动以及其他瞬变的隔离。在公开的非限制性实施例中，FDGS 60可以包括周转齿轮系统，其可以例如是星形系统或行星系统。
输入联接件62可以包括交界面花键64，其通过齿轮花键66连接至FDGS 60的太阳轮68。太阳轮68与多个行星轮70相啮合接合，其中示例的行星轮70为代表性的。每个行星轮70通过各自的行星轴颈轴承75可旋转地安装在行星架72中。太阳轮68的旋转运动促使每个行星轮70均围绕各自的纵轴线P旋转。
每个行星轮70还与旋转齿圈74相啮合接合，该旋转齿圈74机械地连接至风扇轴76。因为行星轮70还同时与旋转齿圈74以及旋转太阳轮68相啮合，所以行星轮70围绕其自己的轴线旋转，以驱动齿圈74围绕发动机轴线A旋转。将齿圈74的旋转通过风扇轴76传送至风扇42（图1），从而以低于低速卷轴30的速度驱动风扇42。应该理解的是，所述齿轮传动构造48仅仅是一个非限制性实施例，各种其他齿轮传动构造将从中可替换地受益。
参照图3，柔性支撑78支撑行星架72，以至少部分地相对于例如前部中心体的静止的结构36支撑FDGS 60A，其方便它们之间的振动以及其他瞬变的隔离。应该理解的是，各种燃气涡轮发动机壳体结构可替换地或另外地提供静止的结构与柔性支撑78。应该理解的是，本文限定的侧向为大体垂直运动，并且本文限定的横向为相对于旋转轴线A的枢转弯曲运动，以便吸收否则会被应用于FDGS 60的偏转。
静止的结构36可以进一步包括1号与1.5号轴承支撑静止的结构82，其通常称之为“K-框架（K-frame）”，其支撑1号与1.5号轴承系统38A、38B。显而易见的，K-框架轴承支撑限定出如该非限制性实施例中的参考因素的横向刚度KframeBEND。
在该公开的非限制性实施例中，柔性支撑78与输入联接件62的横向刚度（KFSBEND；KICBEND）每个均小于横向刚度（KframeBEND）的大约11%。也就是说，整个FDGS 60的横向刚度由该关系控制。
参照图4，FDGS 60B的另一非限制性实施例包括柔性支撑78’，其支撑旋转固定的齿圈74’。风扇轴76’由示意性地示例的行星系统中的行星架72’驱动，该行星系统zaii其它方面基本与图3的星形系统构造相同。
参照图5，示意性地表示FDGS 60C中的横向刚度关系本身（用于星形系统结构）。相对于FDGS 60中的齿轮啮合的横向刚度（KGMBEND）控制输入联接件62的横向刚度（KICBEND）、柔性支撑78的横向刚度（KFSBEND）、齿圈74的横向刚度（KRGBEND）以及行星轴颈轴承75的横向刚度（KJBBEND）。
在公开的非限制性实施例中，刚度（KGMBEND）可以由太阳轮68与多个行星轮70之间的齿轮啮合限定。FDGS 60中的横向刚度（KGMBEND）为参考因素，并且静止的结构82’刚性支撑风扇轴76。也就是说，风扇轴76被支撑于轴承系统38A、38B之上，该轴承系统基本上由静止的结构82’刚性支撑。横向刚度（KJBBEND）可以机械地由例如行星轴颈轴承75中的刚度限定，并且齿圈74的横向刚度（KRGBEND）可以机械地由例如齿圈翼74L、74R（图2）的几何形状限定。
在公开的非限制性实施例中，齿圈74的横向刚度（KRGBEND）小于齿轮啮合的横向刚度（KGMBEND）的大约12%；柔性支撑78的横向刚度（KFSBEND）小于齿轮啮合的横向刚度（KGMBEND）的大约8%；行星轴颈轴承75的横向刚度（KJBBEND）小于或等于齿轮啮合的横向刚度（KGMBEND）；并且输入联接件62的横向刚度（KICBEND）小于齿轮啮合的横向刚度（KGMBEND）的大约5%。
参照图6，针对行星齿轮系统结构示意性地示例了FDGS 60D中的横向刚度关系本身的另一非限制性实施例，其在其它方面与图5的星形系统结构相同。
应该理解的是，还可以利用以上横向刚度关系的组合。每个结构部件的横向刚度与可能是相当难于确定的膜刚度和花键刚度相比是容易地测量的。
通过柔性安装以适应在设计载荷之下的轴的不对准，FDGS设计载荷已经减少了超过17%，其减少了整个发动机的总重量。柔性安装有利于对准，以增加系统寿命与可靠性。柔性支撑与输入联接件中的横向柔性允许在机动过程中FDGS实质上“浮动”于风扇轴。这允许：(a) 风扇轴、输入联接件以及柔性支撑中的转矩传递在机动过程中保持恒定；(b)机动引起的风扇轴中的横向载荷（其否则可能潜在地使齿轮不对齐并且损坏齿）主要通过1号和1.5号轴承支撑K-框架来进行反作用；以及c)柔性支撑与输入联接件都将少量横向载荷传递入FDGS中。花键、齿轮齿刚度、轴颈轴承、以及齿圈系带被特别设计以在机动过程中最小化齿轮齿应力变化。到FDGS的其他连接为柔性安装（涡轮机联接、壳体柔性安装）。这些安装的弹簧刚度已经从分析中确定，并且在装配与飞行测试中证明将齿轮与发动机机动载荷隔离。此外，还可以控制行星轴颈轴承弹簧刚度，以支持系统柔性。
应该理解的是，例如“前”、“后”、“高”、“低”、“上”、“下”等相对位置术语涉及交通工具的正常操作姿态，并且不应当被认为是有其它意义的限制性。
应该理解的是，贯穿几幅附图，相同的数字表示相应或者相似的元件。还应该理解的是，尽管在示例的实施例中公开了特定的部件布置，但其他布置也将从中受益。
尽管示出、描述、并且要求保护了特定的步骤顺序，但应该理解的是，步骤能够以任意顺序分开地或组合地被完成，除非另外表示，并且仍将从本公开中受益。
前述说明为典型的，而不是由其中的限制所限定的。各种非限制性实施例在此公开，然而，本领域技术人员应该认识到的是，根据以上教导的各种修改与变化将落入所附权利要求的保护范围中。因此应该理解的是，在所附权利要求的范围中，可以以具体描述的方式之外的其它方式实现本公开。为了这个原因，要研读所附权利要求以确定正确的范围与内容。 

Claims (24)

1.一种用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造，包括：
风扇轴；
框架，其支撑所述风扇轴，所述框架限定出框架横向刚度（KframeBEND）；
齿轮系统，其驱动所述风扇轴；
柔性支撑，其至少部分地支撑所述齿轮系统，所述柔性支撑限定出相对于所述框架横向刚度（KframeBEND）的柔性支撑横向刚度（KFSBEND）；以及
到所述齿轮系统的输入联接件，所述输入联接件限定出相对于所述框架横向刚度（KframeBEND）的输入联接件横向刚度（KICBEND）。
2.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述框架与所述柔性支撑安装至静止的结构。
3.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述框架与所述柔性支撑安装至燃气涡轮发动机的静止的结构。
4.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述框架与所述柔性支撑安装至燃气涡轮发动机的前部中心体。
5.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述柔性支撑安装至所述齿轮系统的行星架。
6.根据权利要求5所述的齿轮传动构造，其中，所述输入联接件安装至所述齿轮系统的太阳轮。
7.根据权利要求6所述的齿轮传动构造，其中，所述风扇轴安装至所述齿轮系统的齿圈。
8.根据权利要求7所述的齿轮传动构造，其中，所述齿轮系统为星形系统。
9.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述柔性支撑安装至所述齿轮系统的齿圈。
10.根据权利要求9所述的齿轮传动构造，其中，所述输入联接件安装至所述齿轮系统的太阳轮。
11.根据权利要求10所述的齿轮传动构造，其中，所述风扇轴安装至所述齿轮系统的行星架。
12.根据权利要求11所述的齿轮传动构造，其中，所述齿轮系统为行星系统。
13.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，进一步包括驱动所述输入联接件的低速卷轴。
14.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与所述输入联接件横向刚度（KICBEND）中的至少一个小于所述框架横向刚度（KframeBEND）的大约20%。
15.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与所述输入联接件横向刚度（KICBEND）均小于所述框架横向刚度（KframeBEND）的大约20%。
16.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与所述输入联接件横向刚度（KICBEND）中的至少一个小于所述框架横向刚度（KframeBEND）的大约11%。
17.根据权利要求1所述的齿轮传动构造，其中，所述柔性支撑横向刚度（KFSBEND）与所述输入联接件横向刚度（KICBEND）每个均小于所述框架横向刚度（KframeBEND）的大约11%。
18.一种用于燃气涡轮发动机的齿轮传动构造，包括：
风扇轴；
框架，其支撑所述风扇轴；
齿轮系统，其驱动所述风扇轴，所述齿轮系统包括限定出齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的齿轮啮合；
柔性支撑，其至少部分地支撑所述齿轮系统，所述柔性支撑限定出相对于所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的柔性支撑横向刚度（KFSBEND）；以及
到所述齿轮系统的输入联接件，所述输入联接件限定出相对于所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的输入联接件横向刚度（KICBEND）。
19.根据权利要求18所述的齿轮传动构造，其中，所述柔性支撑横向刚度（KFSBEND）小于所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约8%。
20.根据权利要求18所述的齿轮传动构造，其中，所述输入联接件横向刚度（KICBEND）小于所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约5%。
21.根据权利要求18所述的齿轮传动构造，其中，所述齿轮系统的齿圈的横向刚度（KRGBEND）小于所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约20%。
22.根据权利要求18所述的齿轮传动构造，其中，所述齿轮系统的齿圈的横向刚度（KRGBEND）小于所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）的大约12%。
23.根据权利要求18所述的齿轮传动构造，其中，支撑所述齿轮系统的行星轮的行星轴颈轴承的横向刚度（KJBBEND）小于或等于所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）。
24.根据权利要求18所述的齿轮传动构造，其中，所述齿轮啮合横向刚度（KGMBEND）被定义于所述齿轮系统的太阳轮与多个行星轮之间。
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