CN105518348A - 用于周转变速箱的轻量齿轮组件 - Google Patents

Abstract

一种周转变速箱30包括变速箱壳体，其包括接收来自低压涡轮21的输入轴28和连接至风扇18的输出轴28的内腔。恒星齿轮32设置在壳体内，且至少一个行星齿轮34接合恒星齿轮且绕恒星齿轮运转。至少一个行星齿轮由第一材料形成，且插入件50设置在至少一个行星齿轮的齿轮缘36与轴颈80之间。插入件由不同于第一材料且重量比第一材料更轻的第二材料形成。变速箱可包括但不限于星形变速箱和行星变速箱构造两者。

Description

用于周转变速箱的轻量齿轮组件

相关申请的交叉引用

本PCT实用申请请求享有题为"LightweightPlanetDesignforPlanetGearbox(用于行星变速箱的轻量行星设计)"且具有2013年6月28日为申请日的具有美国专利申请序列号61/840,779的当前未决的临时申请的优先权和权益，该临时申请的所有内容都通过引用并入本文中。

技术领域

本实施例大体上涉及行星变速箱。更具体地，但不通过限制方式，本实施例涉及一种用于例如在飞行器发动机中的行星变速箱中使用的轻量行星构造。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机大体上拥有前端和后端，其中燃气涡轮发动机的若干核心或推进构件沿轴向定位在前端和后端之间。空气入口或进气口位于发动机的前端处。朝后端移动，按顺序，进气口后接压缩机、燃烧室和涡轮。本领域的技术人员将容易清楚的是，附加构件也可包括在发动机中，例如低压压缩机和高压压缩机，以及低压涡轮和高压涡轮。然而，这不是详尽的清单。

压缩机和涡轮大体上包括沿轴向成级堆叠的一排翼型件。各级均包括一排沿周向间隔开的定子导叶，以及围绕涡轮发动机的中心轴或轴线旋转的一排转子叶片。涡轮发动机可包括一定数目的静止翼型件(一般称为导叶)的级，其沿发动机的轴向方向占据在一般称为叶片的旋转翼型件之间。多级低压涡轮在高压涡轮之后。

发动机还典型地具有沿发动机的中心纵轴线沿轴向设置的第一轴。内轴在低压涡轮与高压空气压缩机之间延伸，使得涡轮将旋转输入提供至空气压缩机来驱动压缩机叶片。第一转子盘和第二转子盘由对应的转子轴连结到压缩机上，以用于在操作期间对压缩机供能。第二轴连结低压涡轮和低压压缩机。第二轴也可驱动涡扇来用于对飞行中的飞行器供能。这可为直接的，或例如通过变速箱而间接的。

在操作中，空气在压缩机中加压，且在燃烧器中与燃料相混合，以用于生成向下游流过涡轮级的热燃烧气体。涡轮级从燃烧气体提取能量。高压涡轮首先从燃烧器接收热燃烧气体，且包括定子喷嘴组件，其将燃烧气体向下游引导穿过从支承转子盘沿径向向外延伸的一排高压涡轮转子叶片。定子喷嘴以一种方式使热燃烧气体转向，以使相邻的下游涡轮叶片处的提取最大化。在两级涡轮中，第二级定子喷嘴组件定位在第一级叶片下游，依次后接从第二支承转子盘沿径向向外延伸的一排第二级转子叶片。涡轮将燃烧气体能量转换成机械能。

由于燃烧气体流动通路的极端温度和操作参数，故涡轮和压缩机两者中的定子导叶和旋转叶片可变得通过极端机械和热负载而有较高应力。此外，燃气涡轮发动机常常包括提供推力的涡扇。这些涡扇也使用翼型件来促使空气从前端朝发动机的后端移动，且由于操作温度而可由轻量复合物形成。

燃气涡轮发动机的期望的特征或目的在于改善翼型件结构的性能。用于提高涡轮发动机的性能的一种已知手段在于通过减轻发动机中的构件的重量。减轻发动机构件重量的一种手段在于使用较轻重量的材料。例如关于风扇，风扇可由低压涡轮轴驱动。根据一些发动机设计，驱动通过传动变速箱发生。这些传动机构可涉及各种齿轮系统，诸如周转星形和行星齿轮系统。

齿轮需要传送大的力和转矩负载，且因此常常由钢材形成。在周转齿轮系统中，存在称为行星齿轮的一定数目的齿轮。这些行星齿轮围绕中心轴线旋转，且可在此旋转期间围绕恒星齿轮运转。在行星布置中，行星齿轮可连接至相对于围绕行星的固定环形齿轮旋转的承载器。备选地，在星形布置中，行星可通过连接到固定承载器而非运转，使得环形齿轮转动。在这些实施例中，在使用钢齿轮的情况下，期望减少使用的钢量来减轻重量且提高发动机性能。在行星布置中，减轻行星齿轮的重量还用于通过减小运转行星齿轮的离心负载来改善行星轴承负载。

如可由前文看到那样，将期望利用燃气涡轮发动机构件来克服这些及其它不足。更具体地，将期望减轻变速箱构件的重量，而不会不利地影响结构的操作、强度或疲劳强度。

包括在说明书的背景技术段中的信息(包括本文引用的任何参考文献的任何描述或论述)仅出于技术参考的目的而被包括，且并未认作是界定本发明的范围的主题。

发明内容

根据本实施例的各方面，提供了一种用于周转变速箱的轻量齿轮组件。例如行星齿轮组件的齿轮组件包括具有扩张的直径的第一材料的相对较重的齿轮，以及由重量较轻的第二材料形成的插入件，以便减少相对较重的第一材料的量。较轻重量的第二材料通过具有相对于第一材料减小的密度来提供。这减轻了行星齿轮组件的总重量，同时维持了行星齿轮和轴承的承载能力。

根据一些实施例，一种周转变速箱包括变速器壳体，其包括接收来自低压涡轮的输入轴和至风扇的输出轴的内腔，设置在壳体内的恒星齿轮，以及接合恒星齿轮且绕恒星齿轮运转的至少一个行星齿轮。至少一个行星齿轮可由第一材料形成。插入件设置在至少一个行星齿轮的齿轮缘与轴颈轴承之间。插入件可由不同于第一材料的第二材料形成，其具有小于第一材料的密度。

该概述提供为介绍在下文中的详细描述中进一步描述的简化形式的构想的选择。该概述并非旨在识别提出的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制提出的主题的范围。所有上文提到的特征将理解为仅示例性的，且轻量行星设计的许多特征和目标可从本文的公开内容发现。因此，在未进一步阅读整个说明书、权利要求书和随此包括的附图的情况下，将不能理解到该概述的限制性解释。本发明的特征、细节、效用和优点的更深入介绍在本发明的各种实施例的以下书面描述中提供，在附图中示出且在所附权利要求书中限定。

附图说明

通过连同附图参照实施例的以下描述，这些示例性实施例的上文提到的和其它特征和优点以及获得它们的方式将变得更加显而易见，且用于周转变速箱的轻量齿轮组件将被更好地理解，在附图中：

图1为包括设置在低压涡轮轴与风扇之间的行星变速箱的示例性燃气涡轮发动机的截面视图；

图2为示例性行星变速箱的向前看的后视图；

图3为行星变速箱的一部分的等距视图，其中为了清楚而移除了承载器；

图4为示例性行星变速箱的截面视图，以及

图5为包括设置在低压涡轮轴与风扇之间的星形变速箱的第二示例性燃气涡轮发动机的截面视图。

具体实施方式

现在将详细地参照提供的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例通过阐释的方式提供，而未限制公开的实施例。实际上，对本领域的技术人员将显而易见的是，可在本实施例中进行各种修改和变型，而不会脱离本公开内容的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用来产生又一个实施例。因此，意图本公开内容覆盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

参看图1-5，绘出了用于周转变速箱的轻量齿轮组件的各种实施例。行星齿轮开孔或形成为具有大于普通的轴向轴承孔口。较大孔口减轻了用于形成齿轮的相对较重的金属(例如，钢)的重量。由第二不同的材料形成的插入件定位在开孔内和齿轮与轴承之间。第二材料可包括但不限于铝、复合物、钛、镁、它们的合金或变型或组合。第二材料的插入件具有低于第一材料的密度，且因此可比第一材料更轻。

如本文中所使用的，用语"轴向"或"轴向地"是指沿发动机的纵轴线的维度。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"前"是指沿朝发动机入口的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近发动机入口。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"后"是指沿朝发动机喷嘴的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近发动机喷嘴。

如本文中所使用的，用语"径向"或"径向地"是指在发动机的中心纵轴线与发动机外周延伸的维度。单独或连同"径向"或"径向地"使用的用语"远侧"或"向远侧"是指沿发动机外周的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近外发动机。

首先参看图1，示出了燃气涡轮发动机10的示意性侧截面视图。涡轮的功能在于从高压和高温燃烧气体提取能量，且将能量转换成机械能来做功。燃气涡轮发动机10具有发动机入口端12，其中空气进入内核或推进器13，其大体上由压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20限定。共同地，推进器13在操作期间提供功率。燃气涡轮发动机10可用于航空、发电、工业、船舶等。

在操作中，空气穿过燃气涡轮发动机10的发动机入口端12进入，且移动穿过至少一个压缩级，在该处，空气压力增大且引导至燃烧器16。压缩空气与燃料混合，且焚烧，以提供热燃烧气体，其朝高压涡轮20流出燃烧器16。在高压涡轮20处，能量从热燃烧气体提取，引起涡轮叶片旋转，这继而又引起轴24围绕发动机轴线26旋转。例如，轴24可为高压轴。取决于涡轮发动机设计，轴24朝发动机的前部穿过，以继续压缩机14的一个或更多个级、风扇18或入口风扇叶片的旋转。低压涡轮21也可用于进一步提取能量且对附加的压缩机级供能。

仍参看图1，发动机入口12包括具有多个叶片的风扇18。风扇18由轴28连接到低压涡轮21上，且产生用于涡轮发动机10的推力。尽管关于风扇18的各种叶片进行论述，但多材料翼型件也可结合燃气涡轮发动机10内的各种翼型件使用。此外，多材料叶片可结合与除涡轮发动机之外的结构相关联的各种翼型件使用。

图1还绘出了周转变速箱30，例如行星变速箱。示例性实施例的周转变速箱30为行星变速箱，然而其它类型的变速箱也可结合本文所述的实施例使用，例如，其中实施例可结合星形齿轮构造使用。本周转变速箱30接收自低压涡轮轴28的输入。在输出侧处，周转变速箱30经由轴31(例如，输出轴)连接到风扇18上。在发动机操作期间，低压涡轮轴28旋转，且转动周转变速箱30内侧上的齿轮系，以提供旋转风扇18的输出。

现在参看图1和2，与截面视图和向前看的后视图组合描述了周转变速箱30。周转变速箱30包括恒星齿轮32、多个行星齿轮34、环形齿轮60和承载器40。在该实施例中，包绕行星齿轮34的环形齿轮60固定，且该布置因此认作是行星变速箱构造。

示例性周转变速箱30包括恒星齿轮32，其设置在齿轮系内的中心，且多个行星齿轮34围绕恒星齿轮32设置。恒星齿轮32从轴28(图1)(例如，低压涡轮轴)接收输入驱动转矩。恒星齿轮32具有用于从驱动轴输入转矩的中心孔口33，以及围绕恒星齿轮32设置的多个齿37。齿37接合围绕恒星齿轮32设置的多个行星齿轮34。当恒星齿轮32与输入轴(例如，轴28)一起旋转时，行星齿轮34也旋转。

此外，行星齿轮34绕恒星齿轮32运转。在示例性实施例中，行星齿轮34固持在承载器40中，这允许了恒星齿轮32随行星齿轮34的旋转的运转。插入件50可定位在行星齿轮34的齿轮缘36与轴颈80之间。插入件50由不同于形成齿轮缘36的第一钢材的第二材料形成。而且，限定插入件50的第二材料由比第一材料(钢)重量轻的材料形成，诸如铝、包括但不限于复合金属基质的复合材料、或适于经得起操作环境的温度和强度要求的任何其它材料。此外，可使用钛或钛合金。这些材料所有都可具有特征，其中材料或组合具有小于钢或小于大约0.2磅每立方英寸的低密度。通过提供较低密度的第二材料，第二材料的重量相比于齿轮缘36第一材料的重量减小。轴颈轴承上的平均负载为大约1000到大约1500磅每平方英寸(psi)，且第二材料应当能够支承此，但不必具有限定齿轮缘36的第一材料的强度。

环形齿轮60设置在行星齿轮34的径向外侧。环形齿轮60可为固定的，或可由于行星齿轮34的旋转而旋转。环形齿轮60包括多个齿轮齿62，其约束和接合行星齿轮34和承载器40。环形齿轮60可由一个零件或以多种方式组装的多个零件形成。根据本实施例，环形齿轮60固定成使得承载器40和行星齿轮34在操作期间绕恒星齿轮32运转。根据备选方案，行星齿轮34可关于围绕恒星齿轮32的运转运动固定，其中环形齿轮60可围绕行星齿轮34和恒星齿轮32自由旋转。在现有实施例中，承载器40连接到风扇18上，以在转矩输入恒星齿轮32时引起风扇18旋转。

行星齿轮34中的每一个包括围绕齿轮缘36设置的多个齿37。齿轮缘36在齿轮与行星齿轮34的中心开口之间延伸。如前文所提到的，行星齿轮34由钢制成，钢相对较重，且提供了减重来改善发动机性能的机会。各种类型的钢或钢合金可使用，且因此描述不限于单种钢类型。本实施例减小了所述齿轮缘36的尺寸，使得各个行星齿轮34的中心孔口大于现有技术的结构。在齿轮缘36尺寸沿径向减小的情况下，行星齿轮34中的钢量减少。这减轻了零件中的重量。为了适当确定零件的大小来配合在轴颈80以用于旋转，插入件50定位在齿轮缘36内。

在操作中，周转变速箱30提供了减速功能。低压轴在对于风扇18操作太大的速度下旋转。周转变速箱30减小了对风扇18的输入速度，使得速度在用于操作的适合范围中。更具体地，从低压涡轮轴28到恒星齿轮32的转矩输入具有比通过经由周转变速箱30的减速至风扇18的输出更高的速度。

现在参看图3，绘出了周转变速箱30的等距视图，其中移除了承载器40(图2)。恒星齿轮32设置在环形齿轮60内中心，且行星齿轮34位于恒星齿轮32的径向外侧，且与恒星齿轮32和环形齿轮60两者齿轮齿接合。如前文所述，行星齿轮34在旋转期间绕恒星齿轮32运转，且环形齿轮60固定来提供行星齿轮34的运转移动。

在齿轮组件的操作期间，齿轮反应负载可引起齿轮的圆形形状偏转，这可妨碍行星流体膜轴颈80(图2)的适当功能。该偏转通过增大齿轮缘36的大小来限制或阻止。由于二次惯性矩，故这甚至可在以重量轻的材料(诸如铝)替换制作行星齿轮34的钢的一部分的同时实现。行星齿轮的直径的较小增大产生了截面刚度的较大增大。根据实施例，齿轮缘36的大小减小以便减轻重量。然而，插入件50用于提供限制齿轮反应负载偏转所需的刚性。插入件50设置在齿轮缘36与轴颈80之间的行星齿轮34的轴承开孔内(图4)。此外，利用系统内的较低重量的行星齿轮，轴承大小可减小。

现在参看图4，绘出了示例性周转变速箱30的局部截面视图。具体地，周转变速箱30包括中心轴颈结构70，其包括支承销72，行星齿轮34围绕该支承销72旋转。支承销72可包括用于油进入圆柱体来分散到行星齿轮34轴颈80以用于润滑目的的入口。

轴颈80位于支承销72的外表面上。轴颈80固定到支承销72，且行星齿轮34和插入件50围绕轴颈支承销72旋转。隔离物72设置在支承销72的周向表面上。隔离物76提供成阻止支承销72和轴颈80在承载器40的壁之间沿轴向方向的移动。支承销72可在隔离物76附近的一端处有螺纹，使得扳手螺母77可用于在一个方向上轴向地锁定支承销，且隔离物76可阻止沿相反轴向方向的轴向移动。

插入件50设置在轴颈80的径向外侧，在轴颈80与行星齿轮34之间。插入件50由不同于行星齿轮34的第一钢材的重量轻的第二材料形成。第二材料与第一材料相异或不同，且因此具有不同的重量和强度特征，其必须与燃气涡轮发动机10的高温和高压操作条件内的使用相称。插入件50定位在被移除来减轻重量的齿轮缘的区域中。在钢齿轮34的一部分移除的情况下，插入件50放置于齿轮的该区域中，以在比齿轮的重量更轻的重量下补偿移除的材料。减少的重量通过使用具有低于第一材料的密度的第二材料来提供。

插入件50可以以多种方式定位在齿轮缘36内。非限制性实例包括使用插入件50粘合、焊接或压配合到齿轮缘36中或轴颈80上。此外，机械连接可用于插入件50与齿轮缘36之间。例如，花键配合或其它机械界面可用于连接零件，且传输转矩，同时还将负载传递至轴颈80。

承载器40可为提供结构刚性的一件或多件的构造。承载器40包括沿轴向方向间隔的间隔开的壁41,42。支承销72在壁41,42之间沿轴向方向延伸。行星齿轮34和插入件50设置在壁之间，使得这些结构固持在其中。

在本实施例中，轴28(图1)示为延伸至周转变速箱30。轴延伸至恒星齿轮32以引起其旋转。恒星齿轮引起行星齿轮34和承载器40的旋转和运转移动。环形齿轮60在所示实施例中是固定的，引起行星齿轮34和承载器40绕恒星齿轮32运转。由于承载器40在操作期间旋转，故风扇18可由轴连接到承载器40上来操作。在备选实施例中，承载器40可为固定的，且风扇轴可连接到环形齿轮60上来旋转。这大体上称为星形齿轮构造。

根据本实施例，插入件50的直径和厚度可取决于行星齿轮34和轴颈80在操作期间将遇到的负载而变化。在齿轮系统中，各种负载设计到齿轮和轴承结构中。例如，周转变速箱30的轴颈80遇到在承载器40中运转的行星齿轮34质量的转矩负载和离心负载。根据一些实施例，插入件50可由铝或本公开内容中之前描述的其它材料形成，包括但不限于其它轻量材料，诸如可使用钛、镁或其合金。行星齿轮34质量可减少大约超过30%，且更具体地是大约30%到大约60%，且在至少一个实施例中为大约41%。而且，整个变速箱30质量可减少大约8%到大约25%之间，且根据一个示例性实施例，减少大约13%。而且，行星轴承的负载可减小大约15%到大约50%之间，减少大约29%。使用的各种材料必须能够适合地处理轴颈80上的平均压力负载和达到大约400华氏度的温度。

尽管描述和示出了某些实施例，但应当从本公开内容理解的是，轻量齿轮组件可结合星形变速箱构造、行星变速箱构造、周转差动或复合多级构造使用，以用于燃气涡轮发动机的减速或加速变速箱。例如，如图5中所示，示出了示意性的变速箱130。该实施例差别在于驱动风扇18的轴31连接到环形齿轮或中间零件(诸如框架部件)上，使得风扇18由旋转的环形齿轮或连接到旋转的环形齿轮上的中间零件驱动。变速箱30,130与风扇18之间的连接可为直接或例如通过绘出的轴31而为间接的。

此外，尽管本文中已经描述和示出了若干发明实施例，但本领域的普通技术人员将容易构想出用于执行功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点的多种其它手段和/或结构，且此变型和/或修改中的每一个认作是在本文所述的实施例的发明范围内。一般地说，本领域的技术人员将容易认识到本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都意在为示例性的，且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于创造性教导内容使用的特定的应用或多个应用。本领域的技术人员将认识到或能够使用仅常规实验就确定本文所述的特定创造性实施例的许多等同方案。因此将理解的是，前述实施例仅通过实例的方式提出，且在所附权利要求及其等同物的范围内，创造性实施例可除明确描述和要求之外那样实践。本公开内容的创造性实施例针对本文所述的各个独立特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多个此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合在此特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互矛盾的情况下包括在本公开内容的创造性范围内。

实例用于公开实施例，包括最佳模式，且还允许本领域的任何技术人员能够实践设备和/或方法，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。这些实例不旨在为详尽的或将本公开内容限于公开的精确的步骤和/或形式，且许多修改和变型鉴于以上教导内容是可能的。本文所述的特征可以以任何组合来组合。本文所述的方法的步骤可以以物理上可能的任何顺序来执行。

如本文限定和使用的所有定义都应当理解为支配词典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或限定用语的普通意义。如本文中在说明书和权利要求书中使用的词语"一"和"一个"除非明确另外指出，则应当理解为意思是"至少一个"。如本文中在说明书和权利要求书中使用的短语"和/或"应当理解为这样结合的元件中的"任一者或两者"，即，在一些情况中结合地存在而在其它情况中分离地存在的元件。

还应当理解的是，除非清楚地另外指出，否则在包括一个以上的步骤或动作的本文中提出的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定限于阐述方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求书以及在以上说明书中，诸如"包括"、"包含"、"承载"、"具有"、"含有"、"涉及"、"保持"、"构成"等所有过渡短语将理解为开放的，即，意思是包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册中所述，仅过渡短语"由……构成(consistingof)"和"基本上由……构成(consistingessentiallyof)"应当分别是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (15)

1.一种周转变速箱30，包括：

变速箱壳体，其包括接收来自低压涡轮21的输入轴24和至风扇18的输出轴31的内腔；

恒星齿轮32，其设置在所述壳体内；

至少一个行星齿轮34，其接合所述恒星齿轮且绕所述恒星齿轮运转；

所述至少一个行星齿轮由第一材料形成；

插入件50，其设置在所述至少一个行星齿轮的齿轮缘36与轴颈80之间；

所述插入件由不同于所述第一材料且具有小于所述第一材料的密度的第二材料形成。

2.根据权利要求1所述的周转变速箱，其特征在于，所述插入件通常为圆柱形。

3.根据权利要求1所述的周转变速箱，其特征在于，所述周转变速箱为星形齿轮构造。

4.根据权利要求3所述的周转变速箱，其特征在于，还包括固定的承载器40和旋转的环形齿轮60。

5.根据权利要求4所述的周转变速箱，其特征在于，所述环形齿轮的旋转驱动所述风扇。

6.根据权利要求1所述的周转变速箱，其特征在于，所述变速箱为行星变速箱构造。

7.根据权利要求6所述的周转变速箱，其特征在于，还包括承载器40，所述承载器设立所述至少一个行星齿轮围绕所述恒星齿轮运转。

8.根据权利要求7所述的周转变速箱，其特征在于，所述承载器驱动所述风扇的旋转。

9.根据权利要求6所述的周转变速箱，其特征在于，还包括设置在所述至少一个行星齿轮的外侧的环形齿轮60。

10.根据权利要求9所述的周转变速箱，其特征在于，所述环形齿轮是固定的，且引起所述至少一个行星齿轮的运转。

11.根据权利要求10所述的周转变速箱，其特征在于，还包括所述至少一个行星齿轮位于其中的承载器40。

12.根据权利要求11所述的周转变速箱，其特征在于，所述承载器旋转且可驱动地连接至所述风扇以引起所述风扇的旋转。

13.根据权利要求1所述的周转变速箱，其特征在于，所述第二材料具有比所述第一材料更轻的重量。

14.根据权利要求13所述的周转变速箱，其特征在于，所述插入件由铝、复合材料、复合金属基质、钛、钛合金、镁或镁合金中的一种形成。

15.根据权利要求1所述的周转变速箱，其特征在于，所述插入件通过粘合剂、焊接、压配合或机械对接中的一种连接至所述齿轮缘。