CN105899794A - 用于减速涡轮机的叶片组的旋转驱动的行星减速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于旋转涡轮机的第一组叶片的行星减速装置(70)，包括：太阳齿轮(74)，所述太阳齿轮对中在涡轮机的纵轴(12)上，并连接至涡轮机的转子(76)，以便被旋转；至少一个行星齿轮(78)，所述行星齿轮与太阳齿轮啮合；行星齿轮架(80)，所述行星齿轮架可旋转地支撑该行星齿轮，并被连接至第一组叶片(82)，以旋转该第一组叶片；以及环形齿轮(72)，所述环形齿轮与行星齿轮啮合；太阳齿轮由第一球型恒定速度接头(84)连接至转子。

Description

用于减速涡轮机的叶片组的旋转驱动的行星减速装置

技术领域

本发明涉及具有利用单一涡轮来驱动旋转的传动装置的涡轮机的一般领域。其因此同样适用于具有包括单一叶片组或两个无导管反向旋转的叶片组的一个或多个螺旋桨的飞机涡轮螺桨发动机，并使用于具有包括一个叶片组或两个导管反向旋转叶片组的一个或两个风扇的飞机涡轮喷气发动机。本发明更具体地涉及一种行星齿轮装置，所述行星齿轮装置使用在涡轮转子的轴与用于驱动由涡轮驱动的叶片组的旋转的驱动轴之间。

背景技术

以已知的方式，具有两个螺旋桨的飞机涡轮螺旋桨发动机具有两个反向旋转的无导管的叶片组。在特定的双螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机的构造中，两个叶片组直接地由具有两个反向旋转的转子的动力涡轮所驱动旋转。在本发明更具体地涉及的其它构造中，叶片组由动力涡轮机的单一转子驱动。在例子中，可以参考文献FR 2 979 121，其描述了此构造的实施例。

此涡轮螺旋桨发动机的反向旋转螺旋桨可以直接地或间接地经由机械传动装置驱动旋转，所述机械传动装置形成减速变速箱并包括行星齿轮系。通常来说，行星齿轮系包括带有包括太阳轮的直齿的一组滚动元件，所述太阳轮居中在涡轮螺旋桨发动机的纵轴上，并向上游连接至动力涡轮的转子，以从而被驱动。向下游，太阳轮经由环和行星架起作用，以便以不同的速度和扭矩将其旋转运动输出至涡轮螺旋桨发动机的两个叶片组。

考虑到涡轮螺旋桨发动机存在于其中的机械环境，在连接至行星齿轮的不同的滚动元件的轴的轴线之间的不对齐对它们的齿具有直接的影响。通过使寻求将不对齐的轴变成对齐的轴承点起作用，齿或者经受整体地对齿轮的使用寿命是极度有害的过早磨损，或者它们要求提高该种材料的厚度，所述种材料导致当开发重量和尺寸均必须最小化的机载装置时高度妨碍对一体化的限制。

为了大量地减小此行星传动装置的直齿的应力集中，已知的是，创建传动装置的入口轴与出口轴的抗弯刚度之间的差别，从而具有减小需要使轴端部对齐的力的效果。在轴之间的任何不对齐均因此由轴的弹性补偿，它们然后通过在其之间的相对滑动来占据在行星齿轮的滚动元件的直齿之间的接触件。

然而，该方案还具有许多缺陷。除了具有较低的功率密度的此直齿的行星传动装置外，其生产了大量的噪音，因为力的传送被从一个齿过渡到另一个齿时发生的颠簸所中断，从而生成了金属碰撞。此外，施加在齿上的重复的机械冲击减少了它们的寿命。

因此存在用于具有传动装置的涡轮引擎的行星齿轮装置的不满意的需要，在所述传动装置中的功率密度被大量地增加。

发明内容

本发明的主要目的因此是当涡轮引擎在操作中经受变形同时维持对此操作是重要的自由度时，通过推荐增加行星传动装置对不对齐的经受度来克服此缺陷。本发明的另一目的是当它们传递力以避免由颠簸造成的传动和关联的冲击现象的同时提供在齿之间的接触的连续过渡。

这些目的由用于驱动涡轮引擎的至少第一叶片组旋转的行星齿轮装置获得，该装置包括：太阳轮，所述太阳轮对中在涡轮引擎的纵轴线上并适于连接至引擎的转子，以驱动旋转；至少一个行星轮，所述行星轮与所述太阳轮啮合；行星架，所述行星架可旋转地支撑所述至少一个行星轮并适合于连接至所述至少一个第一叶片组，以将其驱动旋转；以及环，所述环与所述至少一个行星轮啮合，该装置特征在于所述太阳轮适合于经由第一恒定速度的球传动接头连接至引擎的所述转子。

在恒定速度接头的太阳轮轴的一个端部的存在使得可向轴提供大量的径向的和成角度的机械弹性，以使其吸收涡轮引擎在操作中所经受的变形。这增加了行星齿轮的元件承受不对齐和磨损风险的能力。

当涡轮引擎(涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发送机)具有反向旋转的螺旋桨或风扇时，所述环适合于经由第二恒定速度的球传动接头连接至所述第二叶片组。

有利地，所述第一恒定速度的球传动接头和第二恒定速度的球传动接头选自以下：球笼式接头，球叉式接头，滑动接头和双偏移滑动接头。

优选地，所述第一恒定速度的球传动接头具有设置有沿着径向向外延伸的法兰的第一端部和相对于第一端部的并设置有通过沟槽系统安装在所述太阳轮周围的环形部分的第二端部。所述第一恒定速度的球传动接头的所述法兰适合于经由多个用螺栓栓的连接件固定至涡轮螺旋桨发动机的涡轮的所述转子的弹性驱动轴。

有利地，所述第二恒定速度的球传动接头具有设置有沿着径向向外延伸的法兰的第一端部和与第一端部相对并设置有法兰的第二端部，所述法兰沿着径向向内延伸并适合于经由多个用螺栓栓住的连接件紧固至所述第二叶片组的弹性驱动轴。

这导致针对引擎的涡轮转子的轴进一步提高获得大量径向弹性的能力的构造。

在“倒转”的构造中，所述第二叶片组的所述弹性驱动轴安装在适合于紧固至所述行星架的所述第一叶片组的刚性的驱动轴内侧。

为了消除在行星齿轮装置的旋转元件之间所生成的轴向推力，所述太阳轮、所述至少一个行星轮和所述环沿着轴向弯曲，每个均包括相对安装(在双螺旋中)的螺旋状轮。

附图说明

从参考附图所获得的以下说明更好地显示了本发明的其它特点和优点，其显示了具有非限制性特征的实施方式，其中：

-图1是根据本发明的具有行星齿轮装置的两个螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机的图解的纵向半截面图；

-图2是本发明的行星齿轮装置的详细视图；以及

-图3是显示应用至具有变速箱和单一螺旋桨的涡轮喷气发动机的本发明的行星齿轮装置的第二实施例的视图。

具体实施方式

图1是具有本发明的行星齿轮装置可以合并在其中的两个螺旋桨(张开的转子推动件)的类型的飞机涡轮螺旋桨发动机的实施例的高度图解视图。此涡轮螺旋桨发动机是众所周知的，并因此不详细地描述。

涡轮螺旋桨发动机10具体包括纵轴12和围绕该纵轴同轴地设置的环形舱14。从上游至下游，涡轮螺旋桨发动机10还包括低压压气机16、高压压气机18、燃烧室20、低压涡轮机22和中压涡轮机24。

从中压涡轮机24向下游，存在反向旋转的螺旋桨的系统，即利用设置在中压涡轮机24下游的低压涡轮机26来驱动旋转的可调节螺距叶片的(上游或前)第一组25a和(下游或后)第二组25b。低压涡轮机具体包括转子28，所述转子经由行星齿轮装置30驱动两个叶片组25a和25b旋转。

在本发明中，行星齿轮装置30包括太阳轮32，所述太阳轮为具有外齿的轮的形式，对中在涡轮螺旋桨发动机的纵轴12上，并向上游紧固至地低压涡轮机26的转子28上。其还具有至少一个行星轮34，优选多个(在三个至六个的范围内)，每个行星轮均为具有外齿的轮的形式，并与太阳轮32相啮合。

每个行星轮34均具有相对于纵轴12偏心的轴线，并由对中在该纵轴12上的行星架36可旋转地支撑，该行星架向下游固定至上游叶片组25a，以能够围绕纵轴12直接地驱动其旋转。行星齿轮装置30还具有环38，所述环对中在纵轴12上，并经由内齿与每个行星轮34啮合，该环向下游固定至下游叶片组25b，以能够围绕纵轴12直接驱动其旋转。

该行星齿轮被称为“倒置的”，因为从该环的出口处的下游螺旋桨的驱动轴40在从行星架的出口处的上游螺旋桨的驱动轴42的内侧。本发明的优点是在下游螺旋桨上具有扭矩，所述扭矩小于在上游螺旋桨上的扭矩，以减小下游螺旋桨的轮毅的尺寸并因此减小其重量。通过该构造，上游螺旋桨沿着相反的方向旋转至涡轮机，下游螺旋桨沿着与风扇相同的方向旋转。自然地可以的是具有直接的齿轮系，该构造，即直接的或倒转的，是扭矩的作用，所述作用即其希望获得每个元件，并在本领域的技术人员的了解的范围内，其反过来对在弹性的或刚性的轴之间的选择具有影响。

因此，低压涡轮机的转子28驱动行星齿轮装置的太阳轮32旋转，太阳轮32又经由行星架36(经由行星轮34)和经由环38将该旋转运动再次传递至上游叶片组25a和下游叶片组25b，以驱动它们以反向旋转的方式旋转。

如在图2中更详细地显示的那样，太阳轮32经由第一球传动接头44以弹性的方式(可弹性弯曲)连接至转子，环38经由第二球传动接头46同样以弹性的方式连接至第二螺旋桨(下游或第二叶片组25b)，行星架26以刚性的方式连接至第一螺旋桨(上游第一叶片组25a)。

更准确说，第一球传动接头44具有第一端部，所述第一端部远离由环形部分44a构成的第二端部，所述环形部分44a由沟槽系统48安装在太阳轮32上，一法兰50沿着径向向内延伸，并紧固至弹性驱动轴28a的径向法兰，所述弹性驱动轴经由多个用螺栓固定的连接件52固定至低压涡轮机的转子28。第二传动球接头46具有其第一端部，所述第一端部经由多个用螺栓固定的连接件紧固至环38，其第二端部类似地经由多个螺栓连接件56紧固至弹性驱动轴40，弹性驱动轴40固定到第二叶片组25b上。同样地，多个用螺栓固定的连接件58提供在行星架36与固定至第一叶片组25a的刚性驱动轴42之间的紧固。

因此，通过经由在成角度的或径向不对齐的情况下用来限制在滚动元件的齿中的应力集中的恒定速度的球传送接头将太阳轮和环与它们各自的轴连接，取消了在齿处轴向自由度的要求(沿着轴向偏移的自由)，即使其在现有技术的直齿的行星齿轮系中是重要的。还应观察到，弹性轴和两个球传送接头提供适应性的程度。

通过使用这些恒定速度的接头，可以取消平移自由度，从而依赖于螺旋状的齿而不是直的齿，由于力传送的连续性，因此该行星齿轮装置的功率密度增加。在实践中，行星齿轮系是具有相对安装的螺旋状轮(双螺旋)的双行星齿轮系。以此方式，消除在该齿轮装置的滚动元件之间的轴向移动。

恒定速度的球传动接头优选是球笼式接头，所述球笼式接头作为适合于将它们合并至涡轮引擎中的选项的函数而被组装至滚动元件(太阳轮或环)。该球传动接头的元件(中心44a，46a；碗44b，46b；笼44c，46c；和球44d，46d)可以与滚动元件和与轴直接地连接为一体，或者它们可以在用于太阳轮32的沟槽48或用于环38的用螺栓固定的法兰54的帮助下单独地安装，如图2中所示的那样。

对于低功率应用(未示出)，也可以设想经由弹簧夹锁定传动接头的元件，并仅仅经由凹槽传递驱动，在座圈与滚动元件之间的接触也可仅仅通过弹簧来维持。

应观察到，此恒定速度的球传动接头对于在这些不同部件之间的相对的轴向运动是敏感的。具体来说，相对于碗的中心的轴向移动可以具有在接头的球与它们的支撑表面之间失去接触的效果。因此有必要了解可能在操作中在轴之间发生的可能的轴向偏移，并对该接头施加预应力，以在遇到的所有加载情况下在座圈与球之间保持接触。应观察到，由笼固定在一共有平面中的球无法压进座圈，因此在传动接头上的挤压力不导致任何特殊的问题，其中所述笼对于在由接头连接在一起的两个元件之间的相对轴向分隔过程中阻止球脱离是必要的。

应该给予更特别的关注的是相对于轴承60和62的两个传送接头44和46的径向定位，所述轴承承载两个螺旋桨的驱动轴。具体来说，当对在刚性驱动轴42(连接至行星架)与弹性驱动轴28a，40(连接至太阳轮和环)中的一个之间的仅仅成角度的不对齐究其原因时，发现如果传动接头的支撑中心与该不对齐的轴的旋转中心重合，则旋转是自由的，并在轴中或在滚动元件的齿中不引起弯曲应力。因为这些中心的位置是未知的，并作为施加至引擎的荷载的函数而变化，因此可以设想近似一“平均”位置，以最大化所述传送接头的作用，并减少在驱动轴和在齿中的应力，同时利用环和太阳轮的弹性驱动轴的弯曲弹性。这些适应性使得可具体导致在两个驱动轴之间的潜在的径向不对齐，所述不对齐必须有必要导致与在齿中弯曲的这些轴有关的一部分应力。具体来说，发现在涡轮轴相对于第一螺旋桨的刚性的驱动轴的成角度的或径向的不对齐过程中，固定至太阳轮的传动接头的几何构造将对应力的分布产生影响。

有利地观察到，在第一螺旋桨的刚性的驱动轴与所述弹性轴中的一个之间的径向不对齐的情况下，该装置将趋向于返回至两个轴仅仅成角度地不对齐的结构，只有在齿中不可避免的应力是需要用于弯曲弹性轴，以返回至该结构的那些应力。因此确保弹性轴尽可能地有弹性是非常有利的。

尽管对于球笼式接头给出了以上描述，但自然可使用其他类型的恒定速度的球传送接头，例如，球叉式接头，滑动接头(plunging joint)或实际上双偏移滑动接头。

滑动接头和双偏移滑动接头是特别有利的，因为它们具有直的座圈，给以了附加的自由度(沿着轴向)从而消除了增加预应力的要求，以使推力的一部分穿过行星齿轮系而不是如上所述的那样经由驱动轴的轴承传递至结构。相比之下，可接受的成角度的偏移比球笼式节的更小，但可以达到大约20度，这通常整体上是足够的。

更具体地，对于“VL”滑动接头，由交叉的曲线生成的座圈是被设置为类似于单一片双曲面的边缘的直线，交替地向右和向左倾斜，存在六个连接件。它们采取在中心的外凹槽和在碗中的内凹槽的形式，所述凹槽与球相互对应。由于座圈的交叉的构造，因此对于笼重要的是，其将球固定在一起，以沿着圆周方向提供自由，从而在两个连接在一起的元件之间发生相对轴向移动的情况下使球能够沿座圈活动。

因此，本发明使得可通过提供一结构来降低在齿中的应力水平，所述结构完全地吸收在驱动轴之间的并因此在行星齿轮装置的部件元件之间的轴向不对齐，而不使现有技术的系统产生应力。

自然地，虽然本发明的行星齿轮装置参考图1的涡轮螺旋桨发动机来描述，但应观察到，相同的结构完全适用于两个风扇类型(下游叶片现在设置在上游)的飞机的涡轮螺旋桨发动机。在此应用中，在涡轮喷气发动机的纵轴12上对中的太阳轮32向下游固定至低压涡轮机26的转子28。与太阳轮32啮合的每个行星轮34均具有相对于纵轴12偏心的轴线，它们由对中在该纵轴上的行星架36可旋转地支撑，该行星架向上游固定至风扇的第一叶片组25a，以能够围绕纵轴12直接地驱动其旋转。最后，在纵轴12上对中的且与每个行星轮34啮合的环38向上游固定至第二叶片组25b，以能够围绕纵轴12直接地驱动风扇旋转。

类似地，虽然本发明在两个上述实施例中被应用至对两个反向旋转的叶片组起不同作用的传动装置，但是清楚的是，其可以同样很好地被应用，如图3中所显示的那样，本发明应用至对单一螺旋桨或风扇起作用的传动装置，在所述螺旋桨或风扇中的齿轮装置的元件中的一个被阻滞(在齿中的应力问题是相同的)。

具体来说，在此齿轮涡轮引擎(具有一个螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机或具有一个风扇的涡轮喷气发动机)中，齿轮70被插入在可以高速驱动的低压压气机与相反地可以低速驱动的风扇之间。齿轮70通常具有静止环72、由低压压气机的转子的低压轴76驱动的太阳轮74，以及经由它们的行星架80起作用以驱动风扇的风扇轴82的行星轮78。

不像上述实施例中那样，所使用的行星齿轮系是常规的齿轮系，不是不同的齿轮系，其具有一个入口：低压轴76，以及一个出口：风扇轴82。在本发明中，因为风扇轴是刚性的，因此获得对低压轴的适应性，所述低压轴经由恒定速度球传送接头84被连接至太阳轮。

更准确地说，该恒定速度球传送接头84具有：上游端部，所述上游端部远离由环形部分84a构成的下游端部，所述环形部分由沟槽86的系统安装在太阳轮74上；以及法兰88，所述法兰沿着径向向外延伸，并经由多个用螺栓固定的连接件紧固至低压轴76的径向板。

当齿轮具有光滑的轴承时，恒定速度的球传送接头有利地是球笼式接头或球叉式接头，以避免生成任何轴向的自由度。所获得的组件因此是均衡的。

相比之下，如果齿轮具有圆筒轴承，则恒定速度的球传送接头有利地是滑动接头或双偏移滑动接头，在这种情况下，有必要在环与罩(未显示)之间提供滑动的沟槽连接件，以消除由接头造成的附加自由度。

Claims (10)

1.一种用于驱动涡轮引擎的至少一第一叶片组旋转的行星齿轮装置(30，70)，该装置包括：

太阳轮(32，74)，所述太阳轮对中在所述涡轮引擎的纵轴(12)上，并适于被连接至所述引擎的转子(28，76)，以被驱动旋转；

至少一个行星轮(34，78)，所述行星轮与所述太阳轮啮合；

行星架(36，80)，所述行星架可旋转地支撑所述至少一个行星轮，并适于被连接至所述至少一个第一叶片组(25a，82)，以驱动其旋转；以及

环(38，72)，所述环与所述至少一个行星轮啮合；

其特征在于，所述太阳轮适于经由第一恒定速度球传动接头(44，84)被连接至所述引擎的所述转子。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一恒定速度球传动接头是选自以下的接头：球笼式接头、球叉式接头、滑动接头、双偏移滑动接头。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一恒定速度球传动接头具有第一端部和第二端部，所述第一端部设置有沿着径向向外延伸的法兰(50，88)，所述第二端部与所述第一端部相对，并设置有通过一沟槽系统(48，86)围绕所述太阳轮安装的环形部分(44a，84a)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一恒定速度球传动接头的所述法兰适于经由多个螺栓连接件(52，90)被紧固至该引擎的所述转子的一弹性驱动轴(28a，76)。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述环适于经由一第二恒定速度球传动接头(46)被连接至第二叶片组(25b)。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述第一叶片组或所述第二叶片组属于涡轮螺旋桨发动机的一个或两个螺旋桨或属于涡轮喷气发动机的一个或两个风扇。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述第二恒定速度球传动接头是选自以下的接头：球笼式接头、球叉式接头、滑动接头、双偏移滑动接头。

8.根据权利要求5或6所述的装置，其中所述第二恒定速度球传动接头具有第一端部和第二端部，所述第一端部具有沿着径向向外延伸的法兰，所述第二端部与所述第一端部相对，并设置有一法兰，所述法兰沿着径向向内延伸，并适于经由多个用螺栓固定的连接件(56)紧固至所述第二叶片组的一弹性驱动轴(40)。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第二叶片组的所述弹性驱动轴安装在适于紧固至所述行星架的所述第一叶片组的一刚性驱动轴(42)内侧。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其中所述太阳轮、所述至少一个行星轮和所述环各自沿轴向弯曲，并包括(以双螺旋结构)相对安装的螺旋轮，以消除所引起的轴向推力。