CN104074926A - 新型gtf航空发动机风扇主减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于太阳轮、星轮采用整体人字齿，内齿圈A和内齿圈B为斜齿内齿轮并通过斜齿外花键与齿轮联轴器联接，齿轮联轴器再通过直齿内花键与输出轴联接，减速器中无单独的行星架，星轮均通过星轮轴固定在左箱体盖上，星轮只做自转，运转时星轮的空间位置不变，星轮轴处衬套采用中心孔渐变直径的特殊结构自动补偿悬臂端的挠性变形，且输入轴和星轮轴均采用悬臂加空心结构，增加弹性变形能力且能储存润滑油，有益效果是结构简单，工艺可行，均载和浮动效果好，减速器体积小巧，承载能力强，传递功率大，振动噪声小，且能实现星轮及轴承的定点喷油润滑。

Description

新型GTF航空发动机风扇主减速器

技术领域

本发明涉及齿轮传动技术领域，特别是涉及一种新型GTF航空发动机风扇主减速器。

背景技术

齿轮传动风扇发动机(Geared Turbofan Engine，GTF)，又被称为GTF发动机。因为具有低排放、低噪声、低油耗和低维护费用等众多优点被市场认可，成为下一代民用航空发动机的主要发展方向之一。降低耗油率和减少污染排放是下一代民用航空发动机的主攻发展方向和“卖点”。降低耗油率的主要方法有：提高整机热效率(增加压气机的出口压力、增加涡轮前温度)、提高发动机推进效率(降低排气速度、增大空气流量)。增加航空发动机部件(压气机、燃烧室、涡轮)的效率需要设计水平、加工水平和材料能力的全面提升。限于当前的材料和冷却技术的水平，现有航空发动机涡轮前的温度已接近安全使用的极限值，很难进一步提高。因此，提高发动机推进效率(降低排气速度、增大空气流量)成为主要的发展方向，其中新型GTF发动机是主要代表。

我国对新型GTF航空发动机的研究尚属预研阶段，目前正开展相关的科研探索工作。现役的民用大推力、高涵道比涡扇发动机的风扇均由涡轮直接驱动，由于强度和叶尖切线速度的限制，风扇的转速一般都在4000～5500r/min，涵道比一般不能大于8，较低的转速使得涡轮效率较低，必须采用4～5级的低压涡轮来驱动风扇和增压级，齿轮驱动涡扇发动机是在风扇后增加一个齿轮驱动系统，风扇不再由低压涡轮轴直接驱动，这样风扇和低压涡轮不需在同一个转速下工作，风扇转速在3000～4000r/min，而增压级压气机和低压涡轮系统可以工作在8000～10000r/min的转速下，这种设计可以使风扇、增压级压气机和低压涡轮都具有更高的效率，采用较少级数的增压级(2～3级)和低压涡轮(2～3级)就可以满足功率的要求。同时，新型GTF发动机相对于直接驱动的发动机具有更大的涵道比，从而能够获得更高的推进效率和更低的耗油率，也会减少噪声。

新型GTF发动机将可能成为下一代商用飞机的动力，相对于现役的民用发动机，可降低15％的燃油消耗率。近年来，中航工业动力所-中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所，北京航空航天大学等科研单位对新型GTF发动机的齿轮驱动系统进行了一系列的研究工作，齿轮驱动系统是新型GTF发动机与直接驱动涡扇发动机在结构上的主要差别。虽然齿轮驱动系统(减速器)已经被广泛地应用于涡桨、涡轴和涡扇发动机，但作为下一代单通道民航客机动力的新型GTF航空发动机，其齿轮驱动系统(减速器)传递的功率远高于目前正在使用的减速器，且目前航空发动机上使用的减速器均是作为辅机传动系统，并未作为主机主传动系统。

新型GTF航空发动机与涡扇航空发动机的根本区别是在风扇和低压压气机之间引入了一个风扇主减速器，核心机没有根本变化，因此新型GTF航空发动机风扇主减速器的设计技术是新型GTF发动机中最关键技术之一。

世界范围内新型GTF发动机技术均属于最新技术，正处于研究探索阶段，目前国内尚属预研阶段，加之国外技术的高度保密和封锁，国内外未见公开文献报道新型GTF航空发动机风扇主减速器具体结构和关键设计方案，因此风扇主减速器的具体结构形式和关键设计方案是目前技术发展的瓶颈。

为了解决新型GTF航空发动机风扇主减速器体积小，质量轻，传递功率大，承载能力强，均载效果好，振动噪音小，润滑效果好等关键问题，本发明提出了一种结构简单、加工方便、工艺可行，能够满足大功率，小体积要求的新型GTF航空发动机风扇主减速器，填补国内相关技术空白，推进GTF航空发动机研发进程，又可产生较大的社会效益与经济效益。

发明内容

为了填补国内新型GTF航空发动机相关技术空白，本发明提供了一种新型GTF航空发动机风扇主减速器。采用了多星轮人字齿星形传动技术解决了风扇减速器小体积传递大功率的技术难题。人字齿轮重合度大，承载能力强，无轴向力，振动噪声小，但是人字齿行星传动装配困难，且行星轮随行星架持续转动，受到很大的离心力，特别是在高速条件下这将是一个致命的技术缺陷，此外行星轮随行星架转动，即自转又公转，空间位置时刻变化，无法进行持续定点润滑，也就是说行星轮在周期性的公转过程中有很长一段时间属于无油润滑状态，热量无法及时冷却，这对齿轮系统特别是轴承也是一个致命技术缺陷，增加行星轮的数量能大大减小行星减速器的体积，但是行星轮数量越多，对系统的均载和浮动特性要求越高。

星形传动是一种特殊的行星传动形式，星形传动是各齿轮的几何轴线在空间的位置不变的定轴轮系。它由多个定轴式星轮共同分担载荷，特点是功率分流，具有2K-H行星传动功率分流所显示的结构紧凑，传动功率大，相对体积小，重量轻等特点，由于它的星轮不作公转，克服了行星传动结构的相对复杂性以及由行星架旋转所引起一些零部件的离心力和行星轮轴承间歇性续润滑等问题。由于整个传动系统采用定轴轮系，系统的强度、刚度、工作寿命及可靠性都有所提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：创造性的发明了一种无需单独行星架的特殊行星传动结构，大大减轻航空发动机风扇减速器质量；采用多行星轮同时传递功率，大大缩小减速器的径向尺寸；采用球面滚子轴承和滑动轴承相结合的支撑方式来适应航空大功率、高转速的工况，同时也能缩减减速器径向尺寸；采用整体人字齿轮和分体斜齿内齿圈的组合形式解决了人字齿装配困难问题；采用人字齿轮增加了齿轮啮合的重合度，抵消了轴向力，解决了轴向力的问题，使传动更平稳，达到了减噪降振效果；星轮轴上的衬套采用了自动补偿星轮轴悬臂端挠性变形技术，大大提高了减速机的均载性能，同时也保证星轮的径向浮动；星轮两侧的轴用弹性挡圈既能保证星轮轴向合理的浮动，又能起轴向限位功能；齿轮联轴器两侧的孔用弹性挡圈和弹性定位环既能保证两内齿圈合理的轴向浮动，同时也能起轴向限位作用；输入轴与太阳轮的花键连接保证了太阳轮的径向浮动；两内齿圈通过外花键与齿轮联轴器同时连接，齿轮联轴器再通过花键与输出轴连接，两次花键连接确保了内齿圈的径向浮动效果；输出轴采用球面滚子轴承能够自动调心纠偏，解决输出轴轴线与风扇中心不对中问题，并且能适应输出轴上扭矩较大转速较低的工况特点。

新型GTF航空发动机风扇主减速器，包括输入轴、太阳轮、星轮、内齿圈，输出轴等，其特征在于太阳轮、星轮采用整体人字齿，内齿圈A和内齿圈B为斜齿内齿轮并通过斜齿外花键与齿轮联轴器联接，齿轮联轴器再通过直齿内花键与输出轴联接，多次采用花键联接，保证两内齿圈的径向浮动均载效果；同时齿轮联轴器的两侧安装有限位用孔用弹性挡圈和弹性定位环，同时预留轴向浮动间隙，保证内齿圈轴向浮动效果；减速器中无单独的行星架，最大限度减重，星轮均通过星轮轴固定在左箱体盖上，星轮只做自转，运转时星轮的空间位置不变，左箱体盖与箱体通过螺栓固定联接；整机输出轴处采用球面滚子轴承，能承受大扭矩且自动调心，其余处均采用滑动轴承适应高转速；星轮轴处衬套采用中心孔渐变直径的特殊结构自动补偿悬臂端的挠性变形，且输入轴和星轮轴均采用悬臂加空心结构，增加弹性变形能力且能储存润滑油，最大限度保证多星轮承载的均载性能；星轮轴上安装有限位用轴用弹性挡圈A和轴用弹性挡圈B，并预留有间隙保证星轮的轴向浮动；星轮的最优个数为5(但不局限于5个星轮)，输入轴通过花键与太阳轮联接，保证太阳轮的浮动效果。太阳轮中心孔中间部分加工有花键，中心孔两端部分分别加工为对称形式的变直径孔，便于输入轴的安装且增加太阳轮的柔性，增强均载效果。星轮中心孔为非等直径通孔，中心孔内部加工有大直径孔径，以便于星轮轴的安装，且同时减小星轮相应部分的壁厚，能增加星轮的柔性，增强均载效果，星轮两端面均加工有圆形槽，以减少端面精加工的面积。星轮轴中心孔左端直径很小，右端直径较大，并配备有星轮轴堵头，星轮轴外径上加工有两处定位槽。输入轴右端外表面加工有花键，右端加工有储油中心孔，在其相应位置加工有径向的小孔径喷油孔，在输入轴的右端并配有输入轴堵头。输入轴外表面加工有挡油轴肩和甩油槽，以保证密封效果，外表面安装滑动轴承处中部加工有略小于轴径的槽，以利于安装和散热，输入轴左端面加工有起吊孔兼定位孔。左箱体盖表面加工有密封槽，与输入端盖配合使用，左箱体盖中心加工有通孔，并以中心孔圆心为圆心在一定直径的圆上加工有与星轮数量相等的孔。右箱体盖左端面与箱体配合部分加工有定位止口，与球面滚子轴承油道对应处加工有进油孔。输出轴外径上加工有外花键与齿轮联轴器上面的内花键相配合，且左右端面均加工有工艺孔，用于起吊和翻边。星轮的最优个数是5，但是不局限于5，星轮数量大于等于2均可。内齿圈A和内齿圈B，两内齿轮旋向相反，外表面花键采用斜齿外花键，且二者旋向亦相反。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，可以减少一个单独的行星架，大大减轻减速器整机质量和体积，由于减少了一个零件也提高了因行星架故障的系统可靠性；由于星轮均安装在固定的左箱体盖上，星轮及轴承均不受离心力，星轮只作自转，能实现星轮及轴承的定点喷油润滑，大大提高齿轮及轴承系统的可靠性和寿命，润滑效果好；系统结构简单，加工和装配工艺均成熟可行；结构中创造性的采用多种均载和浮动方案，均载和浮动效果好；采用含滑动轴承的多星轮人字齿传动，大大缩小减速器体积，承载能力强，传递功率大，振动噪声小。

附图说明

图1是新型GTF航空发动机风扇主减速器装配图；

图2是衬套局部放大图；

图3是内齿圈局部放大图；

图4是太阳轮结构图；

图5是太阳轮内部剖视图；

图6是星轮结构图；

图7是星轮内部剖视图；

图8是输入轴结构图；

图9是输出轴结构图。

图1中：

1、星轮轴；              2、星轮轴堵头；       3、输入轴；

4、输入端盖；            5、左箱体盖；         6、箱体；

7、齿轮联轴器；          8、孔用弹性挡圈；     9、弹性定位环；

10、右箱体盖；           11、球面滚子轴承      12、输出轴；

13、输入轴堵头；         14、输出端盖；        15、太阳轮；

16、星轮；               17、衬套；            18、轴用弹性挡圈A；

19、轴用弹性挡圈B；     20、内齿圈A；         21、内齿圈B。

具体实施方式

参考附图描述本发明的实施方式，本实施以5个星轮的新型GTF航空发动机风扇主减速器为例进行说明，但不局限于5个星轮。在图1中，输入轴(3)左端与低压涡轮相连，低压涡轮将旋转动力传递给输入轴(3)，输入轴(3)通过滑动轴承安装在左箱体盖(5)上，输入端盖(4)穿过输入轴(3)，将其定位并密封，输入端盖(4)通过螺栓固定在左箱体盖(5)外表面，左箱体盖(5)通过螺栓固定在箱体(6)上，箱体(6)右端与右箱体盖(10)通过螺栓固定，输出端盖(14)对球面滚子轴承(11)起定位作用，输出端盖(14)通过螺栓固定在右箱体盖(10)的右端面上。输入轴(3)右端通过外花键与太阳轮(15)的内花键相连，输入轴(3)右端的油孔安装有输入轴堵头(13)，用于储存润滑油，太阳轮(15)与5个星轮(16)同时啮合，星轮(16)通过星轮轴(1)安装在左箱体盖(5)上，星轮轴(1)右端安装有星轮轴堵头(2)，轴径外表面安装有自动补偿悬臂端挠性变形，保证柔性均载效果的衬套(17)，星轮轴(1)上分别安装有轴用弹性挡圈A(18)，轴用弹性挡圈B(19)，用来保持星轮(16)预留的轴向浮动量，首先太阳轮(15)将动力分流到5个星轮(16)上，随后5个星轮(16)再将动力汇流到内齿圈A(20)和内齿圈B(21)上，然后内齿圈A(20)和内齿圈B(21)通过外花键与齿轮联轴器(7)相连，将动力全部汇集到齿轮联轴器(7)上，最后齿轮联轴器(7)再通过内花键将动力传动到输出轴(12)上，齿轮联轴器(7)的左右两端分别安装有孔用弹性挡圈(8)和弹性定位环(9)，保证星轮(16)必要的轴向浮动量，同时进行轴向定位，防止星轮(16)大范围轴向窜动，输出轴(12)通过球面滚子轴承(11)安装在右箱体盖(10)上，输出轴(12)右端与航空发动机风扇相连，驱动风扇运转，至此动力已由航空发动机的低压涡轮通过减速器传递到航空发动机的风扇上，完成减速增扭的全过程。

以上所述，仅是发明的较佳实施方式，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明实质对以上实施方式所作的任何修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种新型GTF航空发动机风扇主减速器，包括输入轴、太阳轮、星轮、内齿圈，输出轴等，其特征在于太阳轮、星轮采用整体人字齿，内齿圈A和内齿圈B为斜齿内齿轮并通过斜齿外花键与齿轮联轴器联接，齿轮联轴器再通过直齿内花键与输出轴联接，多次采用花键联接，保证两内齿圈的径向浮动均载效果；同时齿轮联轴器的两侧安装有限位用孔用弹性挡圈和弹性定位环，同时预留轴向浮动间隙，保证内齿圈轴向浮动效果；减速器中无单独的行星架，最大限度减重，星轮均通过星轮轴固定在左箱体盖上，星轮只做自转，运转时星轮的空间位置不变，左箱体盖与箱体通过螺栓固定联接；整机输出轴处采用球面滚子轴承，能承受大扭矩且自动调心，其余处均采用滑动轴承适应高转速；星轮轴处衬套采用中心孔渐变直径的特殊结构自动补偿悬臂端的挠性变形，且输入轴和星轮轴均采用悬臂加空心结构，增加弹性变形能力且能储存润滑油，最大限度保证多星轮承载的均载性能；星轮轴上安装有限位用轴用弹性挡圈A和轴用弹性挡圈B，并预留有间隙保证星轮的轴向浮动；星轮的最优个数为5(但不局限于5个星轮)，输入轴通过花键与太阳轮联接，保证太阳轮的浮动效果。

2.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于太阳轮中心孔中间部分加工有花键，中心孔两端部分分别加工为对称形式的变直径孔，便于输入轴的安装且增加太阳轮的柔性，增强均载效果。

3.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于星轮中心孔为非等直径通孔，中心孔内部加工有大直径孔径，以便于星轮轴的安装，且同时减小星轮相应部分的壁厚，能增加星轮的柔性，增强均载效果，星轮两端面均加工有圆形槽，以减少端面精加工的面积。

4.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于星轮轴中心孔左端直径很小，右端直径较大，并配备有星轮轴堵头，星轮轴外径上加工有两处定位槽。

5.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于输入轴右端外表面加工有花键，右端加工有储油中心孔，在其相应位置加工有径向的小孔径喷油孔，在输入轴的右端并配有输入轴堵头。

6.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于输入轴外表面加工有挡油轴肩和甩油槽，以保证密封效果，外表面安装滑动轴承处中部加工有略小于轴径的槽，以利于安装和散热，输入轴左端面加工有起吊孔兼定位孔。

7.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于左箱体盖表面加工有密封槽，与输入端盖配合使用，左箱体盖中心加工有通孔，并以中心孔圆心为圆心在一定直径的圆上加工有与星轮数量相等的孔。

8.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于右箱体盖左端面与箱体配合部分加工有定位止口，与球面滚子轴承油道对应处加工有进油孔。

9.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于输出轴外径上加工有外花键与齿轮联轴器上面的内花键相配合，且左右端面均加工有工艺孔，用于起吊和翻边。

10.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于星轮的最优个数是5，但是不局限于5，星轮数量大于等于2均可。

11.根据权利要求1所述的新型GTF航空发动机风扇主减速器，其特征在于内齿圈A和内齿圈B，两内齿轮旋向相反，外表面花键采用斜齿外花键，且二者旋向亦相反。