CN104081025A - 涡轮发动机的齿轮箱 - Google Patents

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Abstract

一种控制燃气涡轮发动机的齿轮箱的性能的实例方法，包括：建立多个人字齿轮的齿轮特性，每一人字齿轮围绕齿轮箱中的相应轴线设置。通过响应于已建立的齿轮特性选择所述多个人字齿轮的每一个上的第一多个齿轮齿与隔开的第二多个齿轮齿之间的周向偏离距离，所述多个人字齿轮的性能受到控制。

Description

涡轮发动机的齿轮箱
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年1月31日提交的美国临时申请No. 61/592,964的优先权。
技术领域
本公开大致涉及涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于燃气涡轮发动机的齿轮箱。
背景技术
涡轮发动机包括由涡轮驱动的风扇。齿轮箱联接在风扇到涡轮之间。齿轮箱在涡轮和风扇之间提供减速。
发明内容
在一个非限制公开的实施方式中，一种控制燃气涡轮发动机的齿轮箱的性能的方法，包括：建立多个人字齿轮（double helical gear）的齿轮特性，每一人字齿轮围绕齿轮箱中的相应轴线设置。通过响应于已建立的齿轮特性选择所述多个人字齿轮的每一个上的第一多个齿轮齿与隔开的第二多个齿轮齿之间的周向偏离距离，所述多个人字齿轮的性能受到控制。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述齿轮特性为谐波水平（harmonic level）。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述谐波水平为第一谐波水平、第二谐波水平和第三谐波水平中的一个。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约25%至75%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离。所述谐波水平为所述第一谐波水平。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约15%至25%或75%至85%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离。所述谐波水平为所述第二谐波水平。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约50%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离。所述谐波水平为所述第一谐波水平或所述第三谐波水平中的至少一个。
在任一上述实例的进一步实施方式中，进一步包括以下步骤：确定相对于每一人字齿轮的轴线的角度，并且以相对于每一人字齿轮的相应轴线的所述角度设置所述多个人字齿轮的每一个的所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿。
在任一上述实例的进一步实施方式中，确定所述角度的步骤至少部分地由重合度（contact ratio）确定。
在一个非限制公开的实施方式中，一种涡轮发动机，包括风扇、压缩机部段、与所述压缩机部段流体连通的燃烧器、与所述燃烧器流体连通的涡轮部段、以及与所述风扇和所述涡轮部段联接的齿轮箱。所述齿轮箱包括处于啮合接合中的多个人字齿轮，每一人字齿轮具有与第二多个齿轮齿隔开的第一多个齿轮齿。所述第一多个齿轮齿响应于谐波水平而以预定量从所述第二多个齿轮齿周向偏离。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述齿轮箱包括周转齿轮系统。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述多个人字齿轮为所述周转齿轮系统的太阳齿轮、多个星形齿轮以及齿圈。
在任一上述实例的进一步实施方式中，围绕每一人字齿轮的所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿以相对于轴线的螺旋角设置。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述螺旋角在大约30-35°之间。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述螺旋角为大约33°。
在一个非限制公开的实施方式中，一种用于燃气涡轮发动机的齿轮箱，包括处于啮合接合中的多个人字齿轮。所述多个人字齿轮中的每一个围绕轴线设置。所述多个人字齿轮中的每一个具有与第二多个齿轮齿隔开的第一多个齿轮齿。所述第一多个齿轮齿响应于齿轮特性而以预定量从所述第二多个齿轮齿周向偏离。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述齿轮特性为谐波水平。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述谐波水平为第一谐波水平、第二谐波水平和第三谐波水平中的一个。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约25%至75%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿中的每一个与所述轴线之间的螺旋角在30°和35°之间。
在任一上述实例的进一步实施方式中，所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿中的每一个与所述轴线之间的螺旋角为33°。
附图说明
图1为实例燃气涡轮发动机的横截面图。
图2为实例齿轮箱的立体图。
图3为实例人字齿轮的立体图。
图4为图3中的实例人字齿轮的齿的俯视示意图。
图5A-5C为显示图3中的实例人字齿轮的实例传输误差和齿轮齿偏离的曲线图。
图6为形成图3中的实例人字齿轮的步骤的立体图。
具体实施方式
图1示意性地显示了燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机20在本文公开为两转子涡轮风扇发动机，其大致包含风扇部段22、压缩机部段24、燃烧器部段26和涡轮部段28。除了其他系统或特征，替代发动机例如可以包括3转子、增压器部段或者部段的不同布置。风扇部段22沿着旁通流路径驱动空气，而压缩机部段24沿着核心流路径驱动空气，用于压缩并传递到燃烧器部段26，然后膨胀穿过涡轮部段28。虽然在公开的非限制实施方式中描绘为涡轮风扇燃气涡轮发动机，但是应当理解的是，本文描述的概念并不限于与涡轮风扇发动机一起使用，因为这些教导可以应用于其他类型的涡轮发动机。
发动机20大致包括低速转子30和高速转子32，该低速转子30和高速转子32安装用于经由数个轴承系统38而相对于发动机静止结构36围绕发动机中心纵向轴线A旋转。应当理解的是，处于不同位置处的不同轴承系统38可以替代地或附加地被设置。
低速转子30大致包括与风扇42、低压压缩机44和低压涡轮46相互连接的内轴40。内轴40通过齿轮箱48连接到风扇42，以便以低于低速转子30的速度驱动风扇42。高速转子32包括与高压压缩机52和高压涡轮54相互连接的外轴50。燃烧器56布置在高压压缩机52和高压涡轮54之间。发动机静止结构36的中间涡轮框架57大致布置在高压涡轮54和低压涡轮46之间。中间涡轮框架57进一步支撑涡轮部段28中的轴承系统38。内轴40和外轴50同轴，且经由轴承系统38而围绕与其纵向轴线共线的发动机中心纵向轴线A旋转。
核心空气流由低压压缩机44压缩然后由高压压缩机52压缩，与燃烧器56中的燃料混合并燃烧，然后在高压涡轮54和低压涡轮46上膨胀。中间涡轮框架57包括处于核心空气流路径中的翼面59。涡轮46、54响应于膨胀旋转地驱动相应的低速转子30和高速转子32。
发动机20在一个实例中为高旁通齿轮传动的航空器发动机。在进一步的实例中，发动机20的旁通比大于大约六（6），其中一个实例实施方式大于十（10），齿轮箱48是周转齿轮系（例如行星/星形齿轮系统其他齿轮系统），齿轮减速比大于大约2.3，并且低压涡轮46具有大于大约5的压力比。在一个公开的实施方式中，发动机20的旁通比大于大约十（10:1），风扇直径显著大于低压压缩机44的直径，并且低压涡轮46具有大于大约5:1的压力比。低压涡轮46的压力比为在低压涡轮46的入口之前测得的压力相对于在排气喷嘴之前的低压涡轮46的出口处的压力。齿轮箱48可以是周转齿轮系（例如行星/星形齿轮系统或者其他齿轮系统），齿轮减速比大于大约2.5:1。然而应当理解的是，上述参数仅仅是燃气涡轮发动机中的齿轮箱的一个示例性实施方式，并且本公开可适用于包括直接驱动涡轮风扇发动机的其他燃气涡轮发动机。
由于高旁通比，旁通流B提供了显著量的推力。发动机20的风扇部段22被设计成用于特别飞行条件——典型地以大约0.8马赫和大约35,000英尺巡航。0.8马赫和35,000英尺的飞行条件，其中发动机处于其最佳燃料消耗处——也被称为“稳定巡航推力燃料消耗率（bucket cruise Thrust Specific Fuel Consumption，‘TSFC’）”——是正在燃烧的燃料磅质量（lbm）除以发动机在该最低点处产生的磅推力（lbf）的工业标准参数。“低风扇压力比”是在不具有风扇出口导叶（“FEGV”）系统时单独越过风扇叶片的压力比。如根据一个非限制实施方式在本文所公开的，低风扇压力比小于大约1.45。“低校正风扇叶尖速度”是以英尺/秒计的实际风扇叶尖速度除以[(T环境 deg R) / 518.7)^0.5]的工业标准温度校正。如根据一个非限制实施方式在本文所公开的，“低校正风扇叶尖速度”小于大约1150英尺/秒。
图2显示了作为由低速转子30驱动的周转齿轮系统68的齿轮箱48的实例。周转齿轮系统68包括太阳齿轮70、星形齿轮72、齿圈74和齿轮架77。太阳齿轮70啮合星形齿轮72，并且每一星形齿轮72啮合齿圈74。在该实例中，太阳齿轮70、星形齿轮72和齿圈74中的每一个都为人字齿轮，如下面将要进一步详细描述的。
太阳齿轮70的旋转运动推动围绕太阳齿轮70布置的每一星形齿轮72围绕其自身相应轴线M旋转。星形齿轮72与旋转的齿圈74和旋转的太阳齿轮70两者啮合。星形齿轮72围绕其相应轴线M旋转，以驱动齿圈74围绕发动机轴线A旋转。齿圈74的旋转以低于低转子30的速度驱动风扇42（图1）。齿圈74为拆分组件并且包括由星形齿轮72一起推动的第一部段73和第二部段75。
在一个实例中，太阳齿轮70、星形齿轮72和齿圈74具有大于二（2）的横向重合度，使得每一齿轮70、72、74中的至少两个齿轮齿在运行期间啮合另一齿轮70、72、74中的至少两个齿轮齿。
齿轮箱48经受由于几何结构和制造公差引起的扭矩传递的变化。这些变化在齿轮箱48中引起振动，这些振动施加在其他相关联的涡轮发动机部件上。造成的振动影响齿轮箱48的部件以及相关联的涡轮发动机部件的耐久性，因而影响齿轮箱48和燃气涡轮发动机20的部件的寿命。
图3和4显示了作为人字齿轮的行星齿轮72中的一个的实例。要理解的是，本文所述实例还适用于太阳齿轮70和齿圈74以及燃气涡轮发动机20的其他齿轮或齿轮系统。
星形齿轮72沿着轴线B包括设置在第一基圆83上的第一多个齿轮齿82和设置在第二基圆85上的相对的第二多个齿轮齿84。第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84由围绕轴线B设置的无齿环86分离，使得第一多个齿轮齿82的第一端部90a和第二多个齿轮齿84的第一端部90b隔开等于环86宽度的轴向距离D。第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84可围绕轴线B旋转。
在一个实例中，无齿环86的宽度的轴向距离D在齿轮总轴向长度的16%和24%之间。在进一步的实例中，第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84每一个均具有相同的螺旋角Z。在进一步的实例中，第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84中的每一个均具有相同的螺旋角Z，使得沿着轴线B不生成轴向推力载荷。
在另一实例中，第一多个齿轮齿82的螺旋角Z不同于第二多个齿轮齿84的螺旋角Z，以在燃气涡轮发动机20中沿着轴线B生成预定推力载荷。
第二多个齿轮齿84中的每一个包括第一端部90b和第二端部92b。相似地，第一多个齿轮齿中的每一个包括第一端部90a和第二端部92a。在一个实例中，当在箭头90的周向方向上移动时，第二多个齿轮齿84相对于第一多个齿轮齿82的下一齿轮齿82偏离周向偏离距离A。当在箭头90的方向上移动时，第一多个齿轮齿82中的每一个的第一端部90a相似地与第二多个齿轮齿84的下一对应齿轮齿84的第一端部90b隔开周向偏离距离B。周向偏离距离G是第二多个齿轮齿84或第一多个齿轮齿82中的毗邻齿之间的周向偏离距离A和周向偏离距离B的总和。
第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84中的每一个以螺旋角Z布置在轴线B和第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84中的每一个的周向表面87之间。在该实例中，第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84中的每一个相对于轴线B以相等螺旋角Z布置。
在一个实例中，螺旋角Z在30和35度之间。在进一步的实例中，螺旋角Z为33度。给定螺旋角Z或范围一起推动齿圈74的第一部段73和第二部段75。
选定螺旋角Z还影响齿轮箱48的动态。随着螺旋角Z从0增大，更大数量的齿轮齿82、84啮合配对太阳齿轮70和齿圈74的齿82、84（参见图2）。选择具有所公开螺旋角Z的第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84提供了附加的接触和更高的扭矩传递，同时维持了星形齿轮72的尺寸。
周向偏离距离A和周向偏离距离B被确定并利用以使第一多个齿轮齿82中的每一个偏离第二多个齿轮齿84中的下一对应齿84，偏离量在相应的第一多个齿轮齿82或第二多个齿轮齿84中的每一个之间的周向偏离距离G的0%和100%之间。在另一实例中，第一多个齿轮齿82在大约25%至75%偏离量之间从第二多个齿轮齿84偏离，使得周向偏离距离A与周向偏离距离G的比值在大约0.25和0.75之间。在进一步的实例中，第一多个齿轮齿82从第二多个齿轮齿84偏离50%偏离量，使得周向偏离距离A和周向偏离距离B相等。
在另一实例中，周向偏离距离A响应于星形齿轮72的齿轮特性选定。齿轮特性为通过星形齿轮72的谐波水平、传输误差和振动水平中的至少一个。
图5A-5C显示了周向偏离距离A被预定，以在将星形齿轮72啮合在齿轮箱48中期间响应于星形齿轮72的频率提供百分比偏离量（轴线X）。该百分比偏离量使得传输误差变化以影响选择频率。星形齿轮72的性能响应于基于选定百分比偏离量的频率而受到控制，以便降低或最小化传输误差和振动的量。
频率代表谐波水平。在该实例中，第一谐波的频率等于太阳齿轮上的齿数乘以太阳齿轮相对于齿轮架77的每秒转数，第二谐波的频率为第一谐波的2倍，且第三谐波的频率为第一谐波的3倍。对于第一谐波、第二谐波和第三谐波中的每一个，传输误差通过选择第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84之间的预定百分比偏离量而受到控制，该预定百分比偏离量等同于周向偏离距离A和周向偏离距离B。传输误差在本文中限定为星形齿轮72应当具有的周向位置和啮合期间的实际位置之间的偏差。
在一个实例中，如图5A所示，第一多个齿轮齿82在大约25%至75%偏离量之间从第二多个齿轮齿84偏离，使得周向偏离距离A与周向偏离距离G的比值在大约0.25和0.75之间，以降低第一谐波中的传输误差。
在进一步的实例中，如图5B所示，第一多个齿轮齿82在大约15%至25%或75%至85%偏离量之间从第二多个齿轮齿84偏离，使得周向偏离距离A与周向偏离距离G的比值在大约0.15和0.25之间或者在大约0.75和0.85之间，以降低第二谐波中的传输误差。
在进一步的实例中，如图5C所示，第一多个齿轮齿82在大约15%至85%偏离量之间从第二多个齿轮齿84偏离，使得周向偏离距离A与周向偏离距离G的比值在大约0.15和0.85之间，以降低第三谐波中的传输误差。
在进一步的实例中，第一多个齿轮齿82从第二多个齿轮齿84偏离大约50%，使得周向偏离距离A与周向偏离距离G的比值为大约0.5，以降低第一谐波和第三谐波中的传输误差。
使第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84偏离周向偏离距离A或周向偏离距离B降低了齿轮箱48的总体传输误差。周向偏离距离A和周向偏离距离B取决于星形齿轮72在啮合期间的谐波水平来确定。通过降低传输误差而减小齿轮箱48和燃气涡轮发动机20在运行期间的振动，齿轮箱48的性能受到控制。因而，扭矩传输更平稳，且由于振动而对发动机部件寿命和效率的总体影响更小。
参考图6，显示了形成星形齿轮72的实例方法。第一圆柱110和第二圆柱120沿着轴线B布置在环86的每一轴向侧上。工具112（示意性地示出）被提供，并且在第一圆柱110和第二圆柱120加工凹槽，以形成第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84。第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84以螺旋角Z布置，并且偏离周向偏离距离A和周向偏离距离B，如上所述。在第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84中的一个形成之后，工具112用于形成剩余的多个齿轮齿82、84，而不影响已经形成的第一多个齿轮齿82或第二多个齿轮齿84的尺寸。由环86提供的第一圆柱110和第二圆柱120之间的空间允许工具112形成多个齿轮齿82、84，而不影响已经形成的多个齿轮齿82、84。通过偏离第一多个齿轮齿82和第二多个齿轮齿84，工具112能够移动到已经形成的多个齿轮齿82、84之间的空间114内，因而减小形成未形成的多个齿轮齿82、84所需的环86的宽度D。宽度D的减小降低了星形齿轮72的重量。
虽然显示了实例第一圆柱110和第二圆柱120，但是基于燃气涡轮发动机20的规格使用其他几何部段来形成星形齿轮72落在本公开的设想之内。在一个实例中，工具112为砂轮。
虽然已经公开了优选实施方式，但是本领域普通技术人员将会意识到，某些修改将会落在本公开的范围之内。出于该原因，所附权利要求应当被研究以确定本公开的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种控制燃气涡轮发动机的齿轮箱的性能的方法，包括：
建立多个人字齿轮的齿轮特性，每一人字齿轮围绕齿轮箱中的相应轴线设置；以及
通过响应于已建立的齿轮特性选择所述多个人字齿轮的每一个上的第一多个齿轮齿与隔开的第二多个齿轮齿之间的周向偏离距离，控制所述多个人字齿轮的性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述齿轮特性为谐波水平。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述谐波水平为第一谐波水平、第二谐波水平和第三谐波水平中的一个。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约25%至75%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离，其中，所述谐波水平为所述第一谐波水平。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约15%至25%或75%至85%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离，其中，所述谐波水平为所述第二谐波水平。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约50%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离，其中，所述谐波水平为所述第一谐波水平或所述第三谐波水平中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的方法，包括如下步骤：
确定相对于每一人字齿轮的轴线的角度；以及
以相对于每一人字齿轮的相应轴线的所述角度设置所述多个人字齿轮中的每一个的所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述角度的步骤至少部分地由重合度确定。
9.一种涡轮发动机，包括：
风扇；
压缩机部段；
与所述压缩机部段流体连通的燃烧器；
与所述燃烧器流体连通的涡轮部段；以及
与所述风扇和所述涡轮部段联接的齿轮箱，其中，所述齿轮箱包括处于啮合接合中的多个人字齿轮，每一人字齿轮具有与第二多个齿轮齿隔开的第一多个齿轮齿，其中，所述第一多个齿轮齿响应于谐波水平而以预定量从所述第二多个齿轮齿周向偏离。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱包括周转齿轮系统。
11.根据权利要求10所述的涡轮发动机，其中，所述多个人字齿轮为所述周转齿轮系统的太阳齿轮、多个星形齿轮以及齿圈。
12.根据权利要求9所述的涡轮发动机，其中，围绕每一人字齿轮的所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿以相对于轴线的螺旋角设置。
13.根据权利要求12所述的涡轮发动机，其中，所述螺旋角在大约30-35°之间。
14.根据权利要求12所述的涡轮发动机，其中，所述螺旋角为大约33°。
15.一种用于燃气涡轮发动机的齿轮箱，包括：
处于啮合接合中的多个人字齿轮，所述多个人字齿轮中的每一个围绕轴线设置，所述多个人字齿轮中的每一个具有与第二多个齿轮齿隔开的第一多个齿轮齿，其中，所述第一多个齿轮齿响应于齿轮特性而以预定量从所述第二多个齿轮齿周向偏离。
16.根据权利要求15所述的齿轮箱，其中，所述齿轮特性为谐波水平。
17.根据权利要求16所述的齿轮箱，其中，所述谐波水平为第一谐波水平、第二谐波水平和第三谐波水平中的一个。
18.根据权利要求16所述的齿轮箱，其中，所述第一多个齿轮齿以所述第二多个齿中的每一个之间的周向偏离距离的大约25%至75%的周向偏离距离从所述第二多个齿轮齿偏离。
19.根据权利要求15所述的齿轮箱，其中，所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿中的每一个与所述轴线之间的螺旋角在30°和35°之间。
20.根据权利要求15所述的齿轮箱，其中，所述第一多个齿轮齿和所述第二多个齿轮齿中的每一个与所述轴线之间的螺旋角为33°。
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