CN104220699A - 使用可变轮廓花键的轴联结 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于联结轴的装置，包括用于同心地被装配到互补的联结部件中的联结部件，所述联结部件包括两个定中心区域，在两个定中心区域之间延伸有多个花键，其中在该装置中花键具有沿着联结部件的中区域是恒定的轮廓，该轮廓在与所述中区域连续行进的区域中，具有比中区域中相同花键的厚度更小的厚度，并且该装置中所述联结部件的花键继续超过其中它们具有更小厚度的区域，远至定中心区域，该定中心区域与所述第一区域在中区域的相同侧上，所述花键和所述花键底部在联结区域中具有连续地联结所述花键和花键底部到所述定中心区域的表面的轮廓。本发明也涉及轴和包括这种联结装置的涡轮机械。

Description

使用可变轮廓花键的轴联结
技术领域
本发明涉及用于联结轴的装置，诸如用于涡轮机轴和压气机轴之间联结的装置。
它特别地适于联结用于推进航空飞行器的涡轮发动机的涡轮机和压气机的轴的装置。
背景技术
通常地，通过齿轮联结装置联结低压涡轮机和低压压气机的轴。在这种装置中，在图1a和1b中示出了其中的一个例子，终止于压气机轴10的部件和终止于涡轮机轴20的部件相互地同轴地接合，两个轴10、20沿着相同的旋转轴线X-X延伸。
部件中的每个部件包括多个花键12、22，一个部件的花键接合另一个部件的花键。每个部件还有分别地位于花键12、22下游14a、24a和上游14b、24b的所谓的定中心区域，其中互补的表面能够使得两个轴相对彼此轴向定中心。
花键通常沿着其整个长度具有恒定轮廓。
在涡轮发动机领域，期望减小旋转轴的直径和增加联结装置所传输的扭矩。
结果是增加了所传输的扭矩相对于轴花键的几何半径的比率，并且特别地，受到最大应力的花键上游部件上的有效力，在涡轮机-压气机联结的情况下，相对于涡轮发动机中空气流，从下游涡轮机朝向上游压气机进行运动的传输。
在文献FR2918726中，提出了一种联结装置，其中轴之一的花键具有可变的轮廓。
更特别地，在图2中示意性表示的低压涡轮机轴20的联结部件的花键22在其下游端具有一个区域，沿着该区域的花键的厚度e2小于花键其余部分的厚度e1。在花键的侧翼23之间测量花键的厚度，在其顶部26因为花键的侧翼23具有渐开成圆形形式的截面视图轮廓，并且由此花键的厚度随着它所位于的测量的水平而变化。
依此，低压压气机轴10的花键12沿着其整个长度，在其侧翼之间具有恒定厚度。
通过这种方式，当冷却时，只有侧翼之间厚度是最大的花键的区域接触另一个轴的花键。运转时，加热和所传输的扭矩变形花键，闭合初始的间隙。
该变形有助于改善运转期间花键之间的接触压力分布，并且由此改善应力。
然而，这种方案在运转中产生了两个临界区域。第一个位于低压涡轮机轴的花键的下游端，花键的侧翼的自由边缘上以及在花键侧翼和花键底部之间的接合处。该区域是其中累积拉伸应力的区域，具有比轴的其余部分更少的使用期限。因此，该区域的存在涉及轴的使用期限的减少。
而且，为了减轻轴，在花键的下游端和下游定中心区域24a之间提供空腔25(参见图1b)，即，相对于在下游定中心区域的轴的厚度，其中在横向平面中厚度减少的轴的区域。
空腔25形成惰性被减小的第二临界区域，使得在极限载荷情况下，例如在其破裂情况下风扇叶片排气的情况下(称为“风扇叶片关闭”)，所述区域更弱和降低其强度。
发明内容
本发明的目的是通过开发适于令人满意的扭矩传输和确保极限载荷情况下强度的花键轮廓，补救上述问题。
为此目的，本发明涉及用于通过齿轮机构联结轴的装置，包括终止于两个轴之一和用于同心地被装配到终止于另一个轴的互补的联结部件中的联结部件，所述联结部件包括两个定中心区域，在两个定中心区域之间延伸有多个花键，其中所述联结部件的花键具有轮廓，该轮廓
-沿着联结部件的中区域是恒定的；
-在所述中区域连续中行进的第一区域中，在花键侧翼之间，具有比中区域中相同花键的花键侧翼之间的厚度更小的厚度，
并且，其中所述联结部件的花键继续超过其中它们具有更小厚度的第一区域，远至定中心区域，该定中心区域相对于中区域与所述第一区域在相同侧上，所述花键和所述花键底部在所述定中心区域和它们具有更小厚度的所述第一区域之间的联结区域中具有连续地联结所述花键和花键底部到所述定中心区域的表面的轮廓。
有利地，但是可选地，本发明可以进一步包括至少一个下列特征：
-花键在联结区域中具有从它们具有更小厚度的区域朝向定中心区域，厚度增加的轮廓。
-在联结区域中，花键底部的深度逐渐地减小，直到定中心区域的表面。
-花键的底部在联结区域中具有弯曲的轮廓。
-所述联结部件的花键在相对于第一区域的侧面上也继续有它们具有更小厚度的轮廓的第二区域。
-中区域的长度在花键总长度的0和80％之间。
-中间区域沿着花键总长度的0和25％之间的长度行进，以及沿着该区域的花键的厚度减小了花键最大厚度的0到25％。
-联结区域沿着花键总长度的10和40％之间的长度行进。
-花键的末端区域沿着花键总长度的0和25％之间的长度行进，并且花键的厚度减小了花键最大厚度的0到15％。
-其它花键的联结部件的花键具有恒定的轮廓。
本发明也涉及旋转轴，其包括用于联结另一个轴的部件，旨在于被同心地装配到终止于另一个轴的互补的联结部件中，所述联结部件包括两个定中心区域，在所述两个定中心区域之间延伸多个花键，其中所述联结部件的花键具有轮廓：
-该轮廓沿着联结部件的中区域是恒定的，和
-在所述中区域连续中行进的第一区域中，在花键侧翼之间，该轮廓具有比中区域中相同花键的花键侧翼之间的厚度更小的厚度。
并且，其中所述联结部件的花键继续超过其中它们具有更小厚度的第一区域，远至定中心区域，该定中区域相对于中心平面与所述第一区域在相同侧上，所述花键和所述花键底部在所述定中心区域和它们具有更小厚度的所述第一区域之间的联结区域中具有连续地联结所述花键和花键底部到所述定中心区域的表面的轮廓。
本发明进一步涉及涡轮发动机，其包括压气机，其中由涡轮机轴旋转压气机轴，其中压气机轴和涡轮机轴通过根据本发明的装置联结，联结部件具有更小厚度的第一区域和以及联结区域涡轮机轴的联结区域，所述第一区域和联结区域相对于涡轮发动机中空气流的方向，位于中区域的下游。
附图说明
从仅仅示例性和非限制性的，以及应该参考附图所读的此后描述中将呈现本发明的进一步特征、目的和优点。
-如上所述的图1a和1b，是根据现有技术用于联结轴的装置的示意图，分别地是分解的立体图和纵向截面图。
-上述的图2表示根据现有技术的低压涡轮机轴的花键。
-图3示意性地表示在纵向截面中，其中装配有联结装置的涡轮发动机。
-图4示意性地表示在纵向截面中用于联结根据本发明的轴的装置。
-图5a和5b分别地表示联结装置的轴的花键的立体图和俯视图。
具体实施方式
图3表示涡轮发动机100，包括根据本发明的联结装置1。涡轮发动机100常规地包括相对于涡轮发动机中空气流动，上游的低压压气机110和高压压气机130和下游的低压涡轮机120和高压涡轮机140。
在高压压气机130出口的排出气体转动涡轮机120、140。联结装置1使得低压涡轮机120能够旋转压气机110，通过齿轮机构传输扭矩。
图4表示用于联结两个轴10、20的装置1，例如，分别地由涡轮机100的低压涡轮机120的轴20所旋转的低压压气机110的轴10。
轴10、20每个都有旨在于被同心地装配到终止于另一个轴的互补联结部件中的联结部件。轴，包括其联接部件，围绕着旋转轴线XX同心地布置。
第一轴，在这种情况下，压气机轴10在其内表面上具有多个花键12。第二轴，在这种情况下，涡轮机轴20在其外表面上具有多个花键22，适于接合第一轴10的花键12。
在每个轴10、20上，花键12、22在两个定中心区域之间延伸，一个下游定中心区域14a、24a，以及一个上游定中心区域14b、24b。
轴的上游和下游定中心区域是互补的，并且使得可以正确地相对于涡轮机轴20定位压气机轴10。
例如，上游定中心区域采用圆周凸起的形式和相应的圆周沟槽。
每个轴的下游定中心区域中每个中心区域具有圆柱形表面，后者具有与旋转轴线X-X平行的轴线，其相对于轴的其余部分，特别地相对于花键的底部被升高。
参考图5a和5b，表示联结装置1的轴，优选地低压涡轮机轴20的花键。
每个花键12、22具有两个侧翼13、23，和连接侧翼的一个顶部16、26。在相同轴的两个连续的花键之间，通过另一个轴的花键占据花键底部17、27以能够啮合。
优选地，第一轴的花键12在侧翼之间具有厚度e，其沿着花键的整个长度基本上是恒定的。如上所述，在花键的顶部16、26测量花键12、22的厚度。
而且，第二轴20的每个花键22具有可变的轮廓。
参考图5b，每个花键具有：
-中区域ZM，沿着它花键在其侧翼之间具有恒定厚度em。
-第一区域，或中间区域ZI，在中区域ZM的连续中行进，并且在涡轮发动机的情况下位于其下游，沿着第一区域，花键的厚度ei小于中区域中花键的厚度em。优选地，该厚度ei从中区域ZM朝向下游定中心区域减小。
-所谓的联结区域ZR，在中间区域ZI的连续中行进，相对于中区域与中间区域ZI在相同侧上(在这种情况下，在涡轮发动机情况下，中间区域ZI的下游)，和形成花键22的下游端。
联结区域ZR连接中间区域ZI到轴20的下游定中心区域24a。为此目的，花键在该区域上具有在其侧翼23之间的厚度er，该厚度er从中间区域ZI到定中心区域24a增加，直到轴的两个连续的花键的顶部26和定中心区域24a的表面连接和形成连续的表面。
因而，花键在联结区域具有连续地联结所述花键和花键的底部27到所述定中心区域24a的表面的轮廓。
因此，花键22的下游端与下游定中心区域24a合并在一起。通过这种方式，花键22的侧翼23没有将累积应力的下游的自由边缘。因此，所提出的花键具有比根据现有技术的联结装置的花键增加的使用期限。
而且，根据现有技术邻接花键下游端的腔室25被从花键22延伸远至定中心区域24a的联结区域ZR代替。因此，在涡轮机轴20上没有更低的惯量的区域，由此其被增强，以及增加了使用期限。
而且，更特别地如图5a中所看到的，花键底部27在联结区域ZR具有减小的厚度，从在中间区域的最大深度到在定中心区域24a的零深度。
优选地，花键底部27在纵向截面中具有弯曲轮廓，有利地其中弯曲的半径是连续的。
通过这种方式，由花键底部27和由邻接的侧翼形成的表面没有易于诱导应力累积的不连续性。
再次参考图5b，花键22也可以具有上游端区域ZE，其邻接中区域ZM和从它在上游方向上延伸。在该区域中，每个花键具有比中区域中厚度em更小的厚度ee。
花键22的各个区域的相对比例如下：
-上游端区域ZE具有花键总长度的0和25％之间的长度。在其上游端的花键的厚度ee，和因此在区域的端部减小了花键的最大厚度的0到15％，该最大厚度是在中区域ZM的厚度em。
-中区域ZM具有花键总长度的0和80％之间的长度。花键的厚度em是恒定的，并且等于其最大值，其在ANSI标准B92-1-1996中被定义和取决于涡轮发动机。
-中间区域ZI具有花键总长度的0和80％之间的长度。沿着该区域，花键的厚度ei比其最大厚度ei减少了0到25％。优选地，花键的厚度ei在与联结区域ZR接合处，在该区域的下游端是最小的。
-最后，联结区域ZR具有花键总长度的10和40％之间的长度。花键的厚度er增加直到两个连续花键的侧翼接合。
根据联结装置的一个特定的实施方式，中区域可以具有60mm的长度，25mm长度的中间区域和30mm长度的联结区域。在该实施方式中，花键22没有上游端区域ZE，即，花键的上游端对应于中区域ZM的上游端。
因此，提出了用于联结轴的装置，其中相对于现有技术，几何学适于传输更大的扭矩和提供增加的使用寿命。
该装置适于，但是不限于，在涡轮发动机中安装。

Claims (12)

1.用于通过齿轮机构联结两个轴的装置(1)，包括终止于两个轴之一(20)和用于同心地被装配到终止于另一个轴(10)的互补的联结部件中的联结部件，所述联结部件包括两个定中心区域(24a、24b)，在两个定中心区域(24a、24b)之间延伸有多个花键(22)，其中所述联结部件的花键(22)具有轮廓，该轮廓
-沿着联结部件的中区域(ZM)是恒定的；和
-在与所述中区域(ZM)连续中行进的第一区域(ZI)中，在花键(22)的侧翼(23)之间，具有比中区域(ZM)中相同花键(22)的花键侧翼之间的厚度(em)更小的厚度(ei)，
其特征在于：所述联结部件的花键(22)继续超过其中它们具有更小厚度(ei)的第一区域(ZI)，远至定中心区域(24a)，该定中心区域(24a)相对于中区域(ZM)与所述第一区域(ZI)在相同侧上，所述花键(22)和所述花键底部(27)在所述定中心区域(24a)和它们具有更小厚度(ei)的所述第一区域(ZI)之间的联结区域(ZR)中具有连续地联结所述花键(22)和花键底部(27)到所述定中心区域(24a)的表面的轮廓。
2.根据权利要求1的装置(1)，其中花键(22)在联结区域(ZR)中具有从它们具有更小厚度(ei)的区域(ZI)朝向定中心区域(24a)厚度增加的轮廓。
3.根据权利要求1或权利要求2的装置(1)，其中在联结区域(ZR)中，花键底部(27)的深度逐渐地减小，远至定中心区域(24a)的表面。
4.根据上述权利要求的装置(1)，其中花键的底部(27)在联结区域(ZR)具有弯曲的轮廓。
5.根据上述权利要求中任一权利要求的装置(1)，其中所述联结部件的花键(22)在相对于第一区域(ZI)的侧面上也继续有其中它们具有更小厚度(ee)的轮廓的第二区域(ZE)。
6.根据上述权利要求中任一权利要求的装置(1)，其中中区域(ZM)的长度在花键(22)总长度的0和80％之间。
7.根据上述权利要求中任一权利要求的装置(1)，其中第一区域(ZI)沿着花键(22)总长度的0和25％之间的长度行进，并且沿着该区域(ZI)的花键(22)的厚度减小了花键(22)的最大厚度(em)的0到25％。
8.根据上述权利要求中任一权利要求的装置(1)，其中联结区域(ZR)沿着花键(22)总长度的10和40％之间的长度行进。
9.根据上述权利要求中任一权利要求的装置(1)，其中花键(22)具有更小厚度(ee)的第二区域(ZE)沿着花键(22)总长度的0和25％之间的长度行进，并且花键的厚度(ee)减小了花键的最大厚度(em)的0到15％。
10.根据上述权利要求中任一权利要求的装置(1)，其中其它花键(10)的联结部件的花键(12)具有恒定轮廓。
11.旋转轴(12)，其包括用于联结另一个轴(10)的部件，旨在于同心地被装配到终止于另一个轴(10)的互补的联结部件中，所述联结部件包括两个定中心区域(24a、24b)，在两个定中心区域(24a、24b)之间延伸有多个花键(22)，其中所述联结部件的花键(22)具有轮廓，该轮廓
-沿着联结部件的中区域(ZM)是恒定的；和
-在所述中区域(ZM)连续中行进的第一区域(ZI)中，在花键(22)的侧翼(23)之间，具有比中区域(ZM)中相同花键(22)的花键侧翼之间的厚度更小的厚度(ei)，
其特征在于：所述联结部件的花键(22)继续超过其中它们具有更小厚度(ei)的第一区域(ZI)，远至定中心区域(24a)，该定中心区域(24a)相对于中区域(ZM)与所述第一区域(ZI)在相同侧上，所述花键(22)和所述花键底部(27)在所述定中心区域(24a)和它们具有更小厚度(ei)的所述第一区域(ZI)之间的联结区域(ZR)中具有连续地联结所述花键(22)和花键底部(27)到所述定中心区域(24a)的表面的轮廓。
12.涡轮发动机(100)，其包括压气机(110)，其中由涡轮机(120)的轴(20)旋转压气机的轴(10)，其特征在于：压气机(110)的轴(10)和涡轮机(120)的轴(20)通过根据权利要求10的装置联结，联结部件具有其中它们具有更小厚度(ei)的第一厚度区域(ZI)以及连接区域(ZR)是涡轮机的轴的联结区域，所述第一区域(ZI)和联结区域(ZR)相对于涡轮发动机(100)中空气流的方向，位于中区域(ZM)的下游。
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