CN104220729A - 齿轮箱和具有齿轮传动风扇的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种齿轮箱(10)，其包括：具有中心轴以及前壁和后壁的载体(16)，前壁和后壁具有共轴的相应前孔和后孔；接纳在孔中并且固定以防止轴向运动的销；内座圈，其安装在销上位于前端与后端之间处，并且固定以防止相对于载体(16)轴向运动；行星齿轮，其安装成围绕销旋转，行星齿轮的圆柱形内表面限定围绕滚子的外座圈，内座圈或行星齿轮的内表面限定至少两个轴向隔开的环形滚道；多个大体呈圆柱形的、由陶瓷材料制成的滚子，其设置在位于内座圈与外座圈之间的每个滚道中；太阳齿轮，其安装成围绕中心轴旋转并且与行星齿轮接合；以及环形齿轮，其与行星齿轮接合。

Description

齿轮箱和具有齿轮传动风扇的涡轮发动机

背景技术

本发明总体上涉及一种行星齿轮箱，具体来说，涉及一种行星齿轮箱的载体(carrier)支撑设备和轴承。

行星齿轮箱常在飞机发动机中用于传输动力，例如，以驱动动力涡轮机的推进器或风扇。飞机应用的齿轮箱必须轻质量、能够传输高扭矩载荷并且高度可靠。从技术角度来看，齿轮箱的系统级可靠性是最大的挑战。

在运行中，齿轮箱中的行星齿轮会将高载荷传输到载体中，导致齿轮箱的轴承和齿轮偏移和错位。为了延长商业寿命，必须最大限度地减小这些偏转和错位。

众所周知，使用球面轴承将齿轮箱载体支撑在中心，以在载体中的轴向中点转移载荷。这能够使将齿轮箱载体连接到相邻结构的扭矩指(torque finger)与弯曲力矩隔开。但是，具有运动零件的工作球形接头需要承受磨损和松弛，并且它们的存在将导致齿轮箱复杂性提高。

此外，由于齿轮箱中的轴承数，使用传统钢轴承(例如，M50钢合金或类似材料)将缩短系统级寿命。

众所周知，陶瓷滚动元件能够提供比钢滚子更长的寿命，但是，它们以球形或球形滚子的形式使用，这样不具有轴向柔性(compliant)，因此不适用于一些螺旋形齿轮构造。

因此，需要一种具有耐久、轴向柔性的轴承构造的齿轮箱。

发明内容

本发明解决了这一需要，其提供了一种行星齿轮箱，所述行星齿轮箱具有行星齿轮，所述行星齿轮被安装成通过由陶瓷材料制成的串联圆柱滚子轴承而旋转。

根据本发明的一方面，一种齿轮箱包括：载体，所述载体具有中心轴并且包括隔开的前壁和后壁，所述前壁和后壁具有共轴的相应前孔和后孔；销，所述销具有前端和后端，所述前端和后端分别接纳在所述前孔和后孔中，所述销固定以防止相对于所述载体轴向运动；内座圈，所述内座圈安装在所述销上位于所述前端与所述后端之间处，所述内座圈固定以防止相对于所述载体轴向运动；行星齿轮，所述行星齿轮安装成围绕所述销旋转，以使所述行星齿轮的圆柱形内表面限定围绕所述滚子的外座圈，其中所述内座圈或所述行星齿轮的所述内表面限定至少两个轴向隔开的环形滚道；多个大体呈圆柱形的滚子，所述滚子由陶瓷材料制成，设置在位于所述内座圈与所述外座圈之间的每个所述滚道中；太阳齿轮，所述太阳齿轮安装成围绕所述中心轴旋转并且与所述行星齿轮接合；以及环形齿轮，所述环形齿轮安装成围绕所述中心轴旋转并且与所述行星齿轮接合。

附图说明

结合附图阅读以下说明可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明一个方面构造的燃气涡轮发动机的截面示意图；

图2是适用于图1中的发动机的行星齿轮箱的第一构造的截面示意图；

图3是适用于图1中的发动机的行星齿轮箱的第二构造的截面示意图；

图4是适用于图1中的发动机的行星齿轮箱的第三构造的截面示意图；

图5是根据本发明一个方面构造的行星齿轮箱的截面图；

图6是图5中所示的齿轮箱的轴承滚子的侧视图；

图7是图5中的齿轮箱的载体的一部分的局部截面图；

图8是沿图7中的线8-8截取的视图；以及

图9是图5中的齿轮箱的一部分的局部截面透视图。

具体实施方式

参考附图，其中相同附图标记表示贯穿各个附图的相同元件，图1示出了根据本发明一个方面构造的示例性燃气涡轮发动机100。发动机100具有纵轴102并且包括风扇104、低压压缩机或“增压器”106以及低压涡轮(“LPT”)108，统称为“低压系统”。LPT 108通过内部轴110，也称为“LP轴”驱动增压器106。

内部轴110也连接到减速齿轮箱，通常用“G”表示，所述减速齿轮箱又连接到风扇104。在图示的实施例中，风扇104位于LPT 108的前方并且齿轮箱G位于风扇104的后方。但是，齿轮箱G可以位于LPT 108的前方或后方，并且风扇104可以位于LPT 108的前方或后方。风扇104可以被管道(如图所示)围绕，或者可以为开式转子类型(open rotor type)。在图示的实例中，风扇104具有约1.25或以上的设计风扇压力比，其定义为风扇入口压力除以风扇出口压力。根据传统惯例，所指定的“风扇压力比”是在指定运行条件，例如，巡航条件下的目标压力比。

发动机100还包括高压压缩机(“HPC”)112、燃烧器114和高压涡轮(“HPT”)116，统称为“气体发生器”或“核心”。HPT 116通过外部轴116(也称为“HP轴”)驱动HPC 110。高压系统和低压系统合起来能够以已知方式运行，从而产生初级或核心流以及风扇流或旁通流。尽管图示的发动机100是高旁通涡轮风扇发动机，本说明书中所述的原理同样适用于需要在低压系统与机械载荷之间减速的涡轮螺桨发动机以及其他类型的涡轮发动机。

齿轮箱G从LPT 108向风扇104减小旋转速度。齿轮箱G可以在三种主要构造中连接到风扇104。所述构造全部处于行星类型或系列中。这些构造如图2到图4中相对于示意性齿轮箱G所示的示意图所示。

第一也是最简单的构造是行星构造，如图2中所示，其中通过太阳齿轮“S”输入，所述太阳齿轮通常沿着发动机中心线。多个行星齿轮“P”径向向外延伸并且与太阳齿轮S啮合，所述行星齿轮围绕各自的轴自旋，但不围绕太阳齿轮S旋转。行星齿轮P由载体“C”支撑，所述载体连接到诸如发动机机架等固定结构，如“F”所示。行星齿轮P驱动环形齿轮“R”，所述环形齿轮又将驱动风扇104(图1)。此构造的示例性减速比为约3:1-4:1。环形齿轮R沿与太阳齿轮S相反的方向自旋。

第二构造是行星设计，如图3中所示。动力通过太阳齿轮S引入，所述太阳齿轮通常沿着发动机中心线。多个行星齿轮P径向向外延伸并且与太阳齿轮S啮合，所述行星齿轮围绕它们各自的轴自旋，同时围绕太阳齿轮轴旋转。行星齿轮P由载体C支撑，所述载体连接到驱动风扇104的轴。因此，即可卸去载体C上的动力。行星齿轮P与环形齿轮R啮合，但是环形齿轮R固定地安装并且通常连接到固定结构，例如发动机机架F。此构造的示例性减速比为约4:1-5:1。载体C沿与太阳齿轮相同的方向旋转。

第三构造是差动(differential)设计，如图4所示。该构造类似于上述星形和行星构造，但是载体C和环形齿轮R均旋转。载体C和环形齿轮R由轴承(未图示)支撑，所述轴承安装到机架或固定结构。环形齿轮R沿与太阳齿轮S相反的方向旋转，载体C沿与太阳齿轮S相同的方向旋转。此构造的示例性减速比为约7:1-10:1。此构造可以在环形齿轮R与载体C上的速度相同的情况下实施，或者可以改变速度比，固定环形齿轮R或载体C位于末端，从而形成上述的星形或行星构造。

图5示出了根据本发明一个方面构造的齿轮箱10。齿轮箱10是行星式齿轮箱并且表示可用于上述任何齿轮箱“G”构造的内部结构布置。齿轮箱10具有中心轴“A”并且包括位于中心的太阳齿轮12。太阳齿轮12具有双螺旋或“人字形”图案的齿轮齿14。载体16围绕太阳齿轮12，承载环形阵列的行星齿轮18。图示的实例中有四个行星齿轮18，但是也可以使用不同数量的行星齿轮18。每个行星齿轮18具有人字形图案的齿轮齿20。环形齿轮22围绕行星齿轮18，并且还拥有人字形图案的齿轮齿24。太阳齿轮12、行星齿轮18和环形齿轮22一起构成齿轮系。每个行星齿轮18均同时与太阳齿轮12和环形齿轮22啮合。太阳齿轮12、行星齿轮18和环形齿轮22可以由钢合金制成。当如上所述通过输入端(例如，LPT 108)转动时，齿轮箱10有效地将太阳齿轮12的旋转速度降低到适用于与环形齿轮20相连的载荷(例如，风扇104)的旋转速度。

由于每个齿轮啮合(太阳与行星以及行星与环形)拥有双螺旋或“人字形”齿轮齿轮廓，因此太阳齿轮12与行星齿轮18之间，或者行星齿轮18与环形齿轮22之间没有可能平行于轴A的相对运动，换言之，这些元件之间没有轴向应变(compliance)性能。

因此，行星齿轮18经过选择并且安装成提供载体16与行星齿轮18之间的轴向应变性能。

基于所有行星齿轮18均以相同方式安装的理解，下文将描述一个行星齿轮18的安装。载体16包括前壁26和后壁28，所述前壁和后壁分别具有共轴的孔30和32。销34接纳在孔30和32中。销34中空、大致呈圆柱形并且具有前端和后端。前端包括带螺纹的直径缩小表面36，而后端包括径向向外延伸的环形法兰38。护圈40(在本实例中为螺纹防松螺母)与直径缩小的前端表面36接合，以将销34固定在防止向后轴向运动的适当位置中。销34拥有形成于其中的多个传动导孔(feed hole)42。在运行中，将油输送到中空销34的内部，穿过传动导孔进入内座圈44中，从而提供冷却和润滑。滚子轴承52设置在内座圈44与行星齿轮18的内表面之间。

在图示的实例中，内座圈44是单个一体式部件，其中包含多对凸起导向装置46，所述凸起导向装置限定环形前滚道48和后滚道50。销34的法兰38抵靠着内座圈44，所述内座圈抵靠着载体16的前壁26的内表面。这能够固定销24以防止向前轴向运动。使用单个内座圈能够实现滚子组之间的良好同心度，但是也可以使用两个单独的内座圈。内座圈44经过大小设置，以便其无法相对于载体16轴向移动。

通道48、50在两个串联环中接纳滚子52。滚子52包括又公知成分形成的陶瓷材料，例如氮化硅(Si₃Ni₄)。可任选地，可以提供两个以上的滚道，每个滚道包括多个滚子52。滚子52被配置成圆柱形滚子。如图6中所示，在侧视图中，滚子52呈桶状并且具有最大直径的中央齿冠53，端部55沿凸曲线向较小直径逐渐变细(为清楚图示，图6中对形状进行了放大)。根据公知惯例仔细地选择齿冠53和端部55的形状可最大限度地延长滚子52的寿命。

圆柱形滚动元件的长径比(length of diameter ratio，L/D，如图6中所示)通常为1。该比率特定于高速轴承(约一百万DN，其中D＝孔的直径(毫米)，N＝转数/分运行速度)。在陀螺效应的作用下，以高速自旋的滚动元件将具有特定的稳定性。这种稳定性必须抵消滚动元件的任何偏航趋势，这种趋势可能由滚动元件上的不对称拖力(drag force)引起。不对称拖力可能由于套筒接触或者以轻微错位接触座圈的滚子引起，例如，将错位置于传动齿轮箱中的飞行操作载荷期间。

提高L/D比率可以提高承载能力(随着长度增加，分散载荷的面积也增大)。但是，随着滚动元件的长度增大，这些拖力的效果也将增大，直到滚动元件不再稳定。可以结合使用分析和测试来确定稳定点。

与钢相比，陶瓷材料需要额外的设计考虑。首先，与传统的钢相比，陶瓷材料的密度较低，因此相同大小的陀螺稳定性较低。第二，陶瓷材料的表面光洁度较高并且摩擦系数较低，因此能够减小拖力。第三，陶瓷材料的断裂韧度较低。因此，对于相同直径的滚动元件，随着长度增大，将弯曲力矩引入滚动元件中的可能性增大。这种力矩使陶瓷材料中产生拉伸应力，如果应力足够大，陶瓷材料将断裂。

分析显示，对于滚子52而言，约1.3到约1.8的L/D比能够提供承载能力、稳定性和寿命之间的平衡。在另一个示例性实施例中，使用的L/D比为1.5。

再次参见图5，行星齿轮18的圆柱形内表面限定滚子52的外座圈57。通常，任何滚动元件轴承均由内座圈、滚动元件、套筒和外座圈组成。外座圈厚度、滚动元件直径和内座圈厚度之和设定将轴承装配在指定空间(在本情况下为行星齿轮18)内所需的径向空间或“不动产(real estate)”。为了最大限度地提高承载能力，需要最大限度地增大滚动元件的节圆直径。这能够允许较大的滚子以及更多的滚子包含在轴承中。较大的滚子以及更多的滚子又能够减小接触应力，从而延长轴承的寿命。应清楚，将外座圈作为单独的部件移除对于设计而言拥有很大益处，无论是在最终设计寿命还是重量方面。可选地，上述的滚道48和50可能并入行星齿轮18的内表面中，而不是内座圈44中。

在运行中，滚子52可能相对于外座圈57轴向滑动，因而允许载体16相对于行星齿轮18进行有限的轴向运动。这提供了载体16中的耐受性和热层叠(thermal stackup)。

载体16也以特定方式支撑，以免齿轮箱10中的齿轮和轴承在运行期间发生错位，如图7到图9中所示。

载体16的前壁26和后壁28通过轴向延伸的侧壁54互连(见图7)。多对侧壁54设置在每个行星齿轮18的相对横向侧上。前壁26、后壁28和侧壁54一起限定载体16的多个凸角或臂56，它们之间留有空间。每个行星齿轮18包封在一个凸角56中。载体16还包括中心板结构，所述中心板结构作为其结构的一体部分。如图7和图8所示，中心板结构分割为多个独立的中心板58。每个中心板58采取圆盘的弧形部分的形式，并且基本上位于径向平面(即，与前壁26和后壁28平行)中。每个中心板58横跨一对凸角56之间的空间，连接到相邻的侧壁54。在图示的实例中，中心板58位于前壁26与后壁28之间的中点附近。中心板58的轴向位置可以调整，以适用于特定应用。具体来说，通过仔细地设置中心板58的轴向位置，可以控制载体16中的错位。

环形支撑环60(见图5)轴向设置在后壁28附近。支撑环60设有诸如螺栓孔(未图示)等装置，用于将其固定到扭矩环结构(未图示)。多个扭矩指68轴向延伸在支撑环60与中心板结构之间。为每个中心板58提供了一个扭矩指68。扭矩指68在功能上与中心板58和支撑环60一体成形。它可以视作中心板58和支撑环60的一体部件的(即，单片)部分，或者它可以是组装到中心板58和支撑环60的单独部件。可以使用诸如铁基合金、镍基合金或钛基合金等适当的金属合金来构造中心板结构以及周围结构。扭矩指68具有位于其后端70(图5)的第一截面区域，并且向位于其前端72(图8)的较小截面区域逐渐变细。其在切向中的截面宽度通常大于其在径向中的截面厚度。前端72和后端70通过凹曲线的圆角并平缓地向中心板58和支撑环60中逐渐变细。

在运行中，行星齿轮18将较大切向力转移到载体16中，导致载体16趋于相对于支撑环60旋转(参见图9中用箭头“R”标出的相对方向)。这将导致扭矩指68在切向中弹性弯曲(如箭头“B”所示)。中心板58将偏转(箭头“D”)，以适应扭矩指68的弯曲。它们的效果是将扭矩作为应变能量吸收，同时将扭矩指68的运动与载体16分离。这能够避免载体16扭曲，进而避免致轴承错位并且轴承运行间隙改变。中心板58的大小和形状经过设置，以使它们中的应力将维持在预期运行载荷的弹性范围内。

本说明书中所述的齿轮箱拥有相对于现有技术的多个优点。与现有技术齿轮箱相比，它消除了多个单独的零件。不需要对接头进行润滑。通过这种设备提供的低错位，能够使用嵌入燃气涡轮发动机中的齿轮箱。具体来说，低错位使齿轮和轴承寿命满足系统级别要求。

此外，使用陶瓷圆柱形滚动元件使行星齿轮18在轴向中拥有一定自由度，从而简化了设计。与钢滚子相比，陶瓷滚动元件预期能够提供至少两倍的寿命，以便齿轮箱10满足可靠性目标。作为额外的优点，陶瓷滚动元件还提供了卓越的排油性能、低油流要求、低生热以及轻质量设计。在商业上，该设计将拥有较长寿命，从而最大限度地降低产品寿命中的更换成本。

上文描述了具有齿轮传动风扇及其齿轮箱的燃气涡轮发动机。虽然已描述了本发明的特定实施例，但所属领域技术人员应清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出对本发明的各种修改。因此，以上对本发明优选实施例和用于实施本发明最佳模式的说明仅用于说明而非限制。

Claims (13)

1.一种齿轮箱(10)，所述齿轮箱包括：

载体(16)，所述载体具有中心轴并且包括隔开的前壁和后壁(26、28)，所述前壁和后壁具有共轴的相应前孔和后孔(30、32)；

销(34)，所述销具有前端和后端，所述前端和后端分别接纳在所述前孔和后孔(30、32)中，所述销(34)固定以免相对于所述载体(16)轴向运动；

内座圈(44)，所述内座圈安装在所述销(34)上并位于所述前端与所述后端之间处，所述内座圈(44)固定以免相对于所述载体(16)轴向运动；

行星齿轮(18)，所述行星齿轮安装成围绕所述销(34)旋转，以使所述行星齿轮的圆柱形内表面限定外座圈(57)，其中所述内座圈(44)或所述行星齿轮的所述内表面限定至少两个轴向隔开的环形滚道(48、50)；

多个大体呈圆柱形的滚子(52)，所述滚子由陶瓷材料制成，设置在每个所述滚道(48、50)中，位于所述内座圈与所述外座圈之间；

太阳齿轮(12)，所述太阳齿轮安装成围绕所述中心轴旋转并且与所述行星齿轮(18)接合；以及

环形齿轮(22)，所述环形齿轮与所述行星齿轮(18)接合。

2.根据权利要求1所述的齿轮箱(10)，其中每个所述滚子(52)具有约1.3到约1.8的长径比。

3.根据权利要求1所述的齿轮箱(10)，其中每个所述滚子(52)具有约1.5的长径比。

4.根据权利要求1所述的齿轮箱(10)，其中：

所述销(34)的所述后端包括径向向外延伸的环形法兰(38)，所述环形法兰抵靠着所述内座圈(44)，从而防止所述销(34)相对于所述载体(16)轴向向前运动；并且

所述销(34)的所述前端连接到护圈(40)，所述护圈抵靠着所述载体(16)的所述前壁(26)，从而防止所述销(34)相对于所述载体(16)轴向向后运动。

5.根据权利要求1所述的齿轮箱(10)，其中所述陶瓷材料是氮化硅。

6.根据权利要求1所述的齿轮箱(10)，其中所述滚子(52)呈桶状，具有最大直径的中央齿冠(53)，以及从所述中央齿冠(53)向较小直径逐渐变细的端部(55)。

7.根据权利要求1所述的齿轮箱(10)，其中柔性中心板结构(58)设置在所述前壁与后壁(26、28)之间。

8.根据权利要求7所述的齿轮箱(10)，其中所述中心板结构(58)沿轴向设置在所述前壁与后壁(26、28)之间的中点附近。

9.根据权利要求1所述的齿轮箱(10)，其中所述载体(16)包括至少一个侧壁(54)，所述侧壁将所述前壁与后壁(26、28)互连。

10.根据权利要求9所述的齿轮箱(10)，其中多个侧壁(54)布置成围绕所述中心轴隔开的多对侧壁的阵列，从而限定所述载体(16)的多个凸角。

11.根据权利要求10所述的齿轮箱(10)，其中多个空间限定在所述载体(16)的所述凸角之间，并且所述中心板结构包括多个中心板(58)，每个独立的中心板设置在一个所述空间中并且在相邻的所述侧壁(54)之间延伸。

12.一种燃气涡轮发动机(100)，所述燃气涡轮发动机包括：

涡轮机核心(112、114、116)，所述涡轮机核心可操作以产生燃烧气体流；

低压涡轮(108)，所述低压涡轮以与所述涡轮机核心(112、114、116)流体连通的方式设置在下游；

可旋转的涡轮机风扇(104)；以及

根据权利要求1所述的行星齿轮箱(10)，所述行星齿轮箱(10)连接在所述风扇(104)与所述低压涡轮(108)之间。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机(100)，其中所述风扇(104)具有约1.25或以上的压力比。