CN107002773A - 可扭曲断裂的机械保险件和涡轮发动机的安装有这种保险件的冷却单元 - Google Patents

可扭曲断裂的机械保险件和涡轮发动机的安装有这种保险件的冷却单元 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机械保险件，该机械保险件用于被刚性地安装在驱动单元(8，9)与接收单元(10)之间，该驱动单元与接收单元各自围绕同一旋转轴线(7)旋转，所述保险件包括主体(13)，一旦保险件被安装在所述驱动单元(8，9)与所述接收单元(10)之间，则该主体沿平行于所述旋转轴线(7)的纵向方向延伸。本发明的特征在于，所述主体(13)包括多个纵向的杆(14)，每个杆(14)可由于弯曲而变形，使得以构成可扭曲断裂的机械保险件。

Description

可扭曲断裂的机械保险件和涡轮发动机的安装有这种保险件 的冷却单元
技术领域
本发明涉及一种可扭曲断裂的机械保险件。本发明还涉及一种安装有这种机械保险件的涡轮发动机的冷却单元。
背景技术
在尤其是用于航空应用的许多技术领域中，当机械轴的联接部承受由超过预定值的相反力构成的扭矩时，这些联接部常常必须可以断裂。该功能使得能够保护处于这些联接部的下游的部件。为此，已知在轴线路上设置了可扭曲断裂的部段。这种可扭矩断裂的部段具有下述特定特征：当其承受由预定值以上的相反力构成的扭矩作用时能够断裂。
用于在轴线路上形成可扭曲断裂的部段的已知解决方案涉及使用实心的轴，该实心的轴的直径局部减小，使得当扭矩超过预定的值时具有较小的直径的这一部分可断裂。
这种解决方案的缺陷中的一个在于，当可断裂的部段断裂时，必须更换整个轴，这样对于某些应用场合需要拆解被连接到轴的所有部件。这尤其是对于涡轮发动机的冷却单元的情况。冷却单元包括小齿轮和叶轮，该叶轮以悬臂的方式被安装在承载小齿轮的轴上。如果在轴上通过直径局部减小形成的可断裂的部段断裂，必须移除叶轮和被连接到冷却单元的减速器模块，以能够更换驱动轴。这样使得维护和更换这种可断裂的部段较为复杂并且不太能够实际实施。
此外，如果最大扭矩相对较低(这是例如对于冷却单元叶轮的情况)，可断裂的部段可能较小，这样可能施加了很大的安装限制(以不使所述可断裂的部段承受应力)和运行限制(轴线路的动力、在操控负荷下的运动)。
用于在轴线路上设置可扭曲断裂的部段的另一解决方案涉及使用中空的轴，该中空的轴在其内壁或外壁上材料局部减少。这种解决方案仍然具有前述解决方案的缺陷。另外，对这种解决方案的断裂扭矩设置尺寸给出了过小而不能恰当地控制的厚度。
另一解决方案涉及将一个机械部件收缩连接(shrink)到另一个上并且控制滑动力。这种解决方案的缺陷中的一个是难于在有关的部件的运行温度范围内恰当地控制滑动。该缺陷使得这种解决方案尤其不适合于涡轮发动机冷却单元。
因此，需要一种改进的解决方案，用以提供一种在涡轮发动机中的部件的机械联接部中的可扭曲断裂的部段。这种需求尤其但不仅仅表现为在涡轮发动机冷却单元中使用。
尤其需要一种下述的解决方案：该解决方案使得能够更换该可断裂的部段而没有任何特殊的困难，并且尤其不需要对受该联接部影响的机械部件进行完全的拆解。
发明目的
本发明目的在于克服已知的用于提供涡轮发动机中的机械联接部中的可扭曲断裂部段的解决方案的至少某一些缺陷。
本发明目的还在于在本发明的至少一个实施例中提供一种可断裂的部段，该可断裂的部段关于装配和弯曲应力内在更坚固。
本发明目的在于在本发明的至少一个实施例中提供一种可断裂的部段，该可断裂的部段可被操作人员更换而没有任何特殊的困难。
本发明目的还在于提供一种配备有根据本发明的可断裂部段的冷却单元。
发明内容
为此，本发明涉及一种机械保险件，该机械保险件用于在涡轮发动机中被刚性地安装在被称为驱动构件的驱动机械构件与被称为接收构件的被驱动机械构件之间，该驱动构件与接收构件各自围绕同一旋转轴线转动。
根据本发明的保险件包括主体，一旦保险件被安装在所述驱动构件与所述接收构件之间则该主体沿平行于所述旋转轴线的纵向方向延伸。
根据本发明的保险件的特征在于，所述主体包括多个纵向的杆，每个杆适合于在施加到所有杆的扭转力矩的作用下由于弯曲而变形，以构成可断裂的机械保险件。
因此，本发明提出了一种新颖的解决方案，用以提供一种在涡轮发动机中的机械构件的联接部中的可扭曲断裂的部段。该解决方案涉及使用机械保险件，该机械保险件是一种插入件，该插入件将会将两个机械构件相互连接。因此，在可断裂的部段发生断裂时这种插入件可被更换。该机械保险件具有下述特定特征：其包括多个杆，该多个杆在扭转力矩的作用下可各自弯曲变形。沿被该保险件连接的机械构件的旋转轴线纵向地设置的这组杆构成了可扭曲断裂的保险件。换言之，保险件的抗扭转性取决于杆的抗弯曲性。根据本发明的保险件使得能够增大抗弯刚度，这样降低了对不平衡的敏感度。换言之，根据本发明的保险件使得能够形成可扭曲断裂的部段，该部段比现有技术的可断裂的部段更不可能以不合适的方式断裂。
此外，根据本发明的保险件使得能够通过确定杆的数量、杆的长度、杆的宽度、杆的厚度、杆的横截面以及概括而言杆的所有尺寸特征和几何特征来对可断裂的部段进行改进的尺寸设置。
有利地，根据本发明的机械保险件包括用于将保险件可逆地联接到所述驱动构件的装置，该装置被布置在所述主体的被称为远端端部的纵向端部处。
有利地并且根据本发明，所述主体的所述远端端部具有圆柱形的部分或圆锥形的部分，该部分适配于所述驱动构件的圆柱形的或圆锥形的部分。这些部分构成了可逆联接装置。
机械保险件与驱动构件之间的圆锥形连接部或圆柱形连接部使得能够提供最小的偏心度(eccentricity)，这样使得能够限制接收构件中的不平衡。特别地，当根据该变型的机械保险件被用作为冷却单元的小齿轮与叶轮之间的连接部件时，圆锥形连接部形成了平衡基准物(balancing reference)，该叶轮通过机械保险件以悬臂的方式被安装在小齿轮上。这样使得能够保证在每次装配期间小齿轮与叶轮之间可相同地重复进行连接。
有利地，根据本发明的保险件包括用于将保险件可逆地联接到所述接收构件的装置，该装置被布置在所述主体的被称为近端端部的纵向端部处。
有利地并且根据本发明，所述主体的所述近端端部包括附接板，该附接板适合于被附接到所述接收构件。该附接板构成了可逆联接装置。
因此，对根据该变型的机械保险件进行装配和拆卸是尤其简单的。此外，在使用在涡轮发动机冷却单元上的环境中，保险件可被拆解和更换，而尤其无需拆解单元的减速器。
有利地并且根据本发明，主体是中空的。
中空的主体尤其使得能够免除在主体的中心处的附接元件。使用杆使得能够将材料的厚度保持为能够容易地进行机加工，并且该杆的尺寸使得能够控制可断裂的部段的断裂扭矩范围。这些附接元件例如包括螺母或螺钉，该螺母或螺钉在中空的主体中被接纳到保险件的远端端部。这些附接元件有助于将保险件以与圆锥形部分连接的方式装配在驱动构件上。
有利地并且根据该变型，机械保险件包括支柱，该支柱适合于通过所述近端端部被接纳在所述中空的主体中并且适合于能够将远端端部的所述圆锥形部分定位成靠接在所述驱动构件的所述配合的(conjugate)圆锥形部分上。
使用支柱使得能够限制机械保险件的内径并且有助于使用螺钉/螺母类型的附接元件。此外，将远端端部的圆锥形部分这样靠接在驱动构件的圆锥形部分上使得能够由驱动构件通过机械保险件对接收构件提供旋转驱动。
有利地并且根据该变型，所述支柱具有肩部，该肩部使得能够在保险件发生机械断裂时限制所述接收构件的轴向移动。
在由机械保险件形成的可断裂部段发生断裂时，被设置在支柱上的肩部使得能够阻挡接收构件的轴向移动。
根据另一变型，机械保险件包括被直接接纳在所述中空的主体中的螺钉，以将远端端部的所述圆锥形部分定位成靠接在所述驱动构件的配合的圆锥形部分上。
有利地并且根据本发明，主体为圆柱形的并且保险件包括三个杆，这三个杆围绕所述主体均匀地分布。
自然，根据其它的变型，机械保险件可包括多于三个杆。
本发明还涉及一种涡轮发动机的冷却单元，该冷却单元包括驱动轴和以悬臂的方式被安装在所述轴上的叶轮，其特征在于，该冷却单元包括根据本发明的机械保险件。
本发明还涉及一种机械保险件和一种涡轮发动机的冷却单元，其特征在于，上文或下文所提及的全部或某些特征的组合。
附图说明
通过阅读仅以非限制性的方式给出并且参照附图的以下说明，本发明的其它目的、特征和优点将显现，在附图中：
图1为根据现有技术的涡轮发动机的冷却单元的横截面的示意图，该冷却单元包括驱动轴、以悬臂的方式被安装在该轴上的叶轮和由驱动轴直径减小形成的可扭曲断裂的部段；
图2为根据本发明的实施例的涡轮发动机的冷却单元的横截面的示意图，该冷却单元包括驱动轴、以悬臂的方式被安装在该轴上的叶轮和由根据本发明的实施例的机械保险件形成的可扭曲断裂的部段；
图3为根据本发明的实施例的机械保险件的透视图；
图4a和图4b分别为根据本发明的实施例的机械保险件的杆的横截面示意图和平面图示意图。
具体实施方式
在附图中，出于说明和清楚的目的，不严格遵照比例和比率。下文参照附图的详细说明从始至终地，除非进行相反的指示，否则机械保险件的每个元件被描述为当保险件被安装在涡轮发动机的冷却单元中、处于单元的驱动小齿轮与冷却单元的叶轮之间时进行布置，该叶轮以悬臂的方式被安装在小齿轮上。在图2中示出了这种布置。
在图1中局部地示出了现有技术的冷却单元。该冷却单元包括被安装在轴9上的小齿轮8和以悬臂的方式被安装在轴9上的叶轮10。小齿轮8和轴9形成为单个部件，使得在下文的说明书从始至终无区别地，使用小齿轮8或轴9来指代由小齿轮8和轴9形成的组件。轴9与叶轮10之间的这种机械联接包括可扭曲断裂的部段11，该可扭曲断裂的部段通过减小轴9的直径形成。典型地，该可断裂的部段通过将轴9的直径局部地减小至大约5mm来实现。
根据图1，清楚的是如果可断裂的部段11断裂，必须更换轴9。此外，为了接近轴9，必须移除被连接在该小齿轮的上游的诸如减速器之类的机械构件和叶轮10，出于清楚的目的，该机械构件在附图中未示出。
图2是同一冷却单元的示意图，在该冷却单元中，可断裂的部段11被根据本发明的实施例的机械保险件12替换。叶轮10的形状和轴9的形状被略微修改，以使得能够对根据本发明的机械保险件进行安装。
特别地，该机械保险件包括中空的主体13、远端端部20和近端端部21，该远端端部被构造为定位成抵靠轴9的一个端部，该近端端部被构造为被连接到叶轮10。
为此，远端端部20包括内圆锥形部分(在图2中可见该圆锥形部分)，该内圆锥形部分适配于设置在轴9的端部处的圆锥形部分22。此外，螺钉23可通过近端端部21被接纳在中空的主体13中，以能够使机械保险件12和轴9刚性地附接。为此，轴9的圆锥形部分22具有带有螺纹的膛孔，该带有螺纹的膛部适合于接纳螺钉23。
螺钉23和圆锥形部分20、22形成了用于将保险件13装配在轴9上的装置。
保险件的近端端部21包括附接板25。该板包括四个膛孔26，每个膛孔能够接纳被热套连接(shrunk-on)的销27，该销用于将叶轮10附接到附接板。为此，叶轮10也包括膛孔，该膛孔被布置成与附接板中的膛孔26相对。
为了有助于圆锥形部分进行靠接，保险件进一步包括支柱29，该支柱被接纳在主体13中。该支柱29通过机械保险件的近端端部被接纳。该支柱使得能够通过保险件的圆锥形形状的远端端部20来保持轴9的圆锥形部分22靠接。在机械保险件12的支柱29与主体13之间设置径向间隙，以避免摩擦并且确保保险件在所要求的扭矩下断裂。
该支柱29还具有肩部30，该肩部用于在保险件发生机械断裂时限制叶轮10的轴向移动。在支柱29的肩部30与机械保险件的板25之间还设置轴向间隙，以防止摩擦并且确保保险件在所要求的扭矩下断裂。
如在图3中更详细地示出的，根据附图中的实施例的机械保险件进一步包括三个纵向的杆14，这三个纵向的杆围绕中空的主体13均匀地分布，每个杆14适合于由于弯曲而变形。杆14吸收与叶轮10通过小齿轮8进行驱动有关的扭矩并且由于弯曲而发挥作用。
图4a和图4b为杆14的和该杆弯曲变形的示意图。如可见的，如果扭矩C被施加到保险件，则每个杆承受与中空的主体13正切的力F。该力F使得C＝n.r.F，其中r为中性轴线(neutral fibre)相对于旋转轴线7的半径，n为杆的数量(在示出的情况下，n＝3)。根据双嵌入梁(bi-embedded beams)的理论，最大弯曲力矩M由等式M＝F.L/2定义，其中L为杆的长度。图4b为承受力F的杆14的平面图。杆由于弯曲而变形。接下来当梁的横截面中的应力的值等于最大应力时(而不论是梁的什么区域)能够确定杆的断裂标准。该值取决于杆的塑化度和材料的密集度。
根据附图中的实施例，每个杆14具有矩形的横截面，该矩形的长为2.95mm并且该矩形的宽为2.9mm。中性轴线位于相对于轴的轴线7半径为6.475mm处。此外，每个杆具有11.85mm的长度。自然，这些尺寸仅通过示例的方式给出并且本发明不仅限于该实施例。在杆由不锈钢制成的情况下，计算显示断裂扭矩范围为18.3Nm到40.5Nm。此外，实验显示，在100N的径向力下，得到了15,453N/mm的抗弯刚度，远优于现有技术的7545N/mm的刚度。
本发明不仅限于所描述的实施例。特别地，机械保险件可包括多于三个杆并且装备非涡轮发动机冷却单元的联接部的联接部。

Claims (10)

1.机械保险件，所述机械保险件用于在涡轮发动机中被牢固地安装在被称为驱动构件(8，9)的驱动机械构件与被称为接收构件(10)的被驱动机械构件之间，所述驱动构件与接收构件各自围绕同一旋转轴线(7)旋转，所述保险件包括主体(13)，一旦所述保险件被安装在所述驱动构件(8，9)与所述接收构件(10)之间，则所述主体沿平行于所述旋转轴线(7)的纵向方向延伸，
其特征在于，所述主体(13)包括多个纵向的杆(14)，每个杆(14)适合于在施加到所有杆的扭转力矩的作用下由于弯曲而变形，以构成可断裂的机械保险件。
2.根据权利要求1所述的保险件，其特征在于，所述保险件包括用于将所述保险件可逆地联接到所述驱动构件(8，9)的装置，该装置被布置在所述主体(13)的被称为远端端部(20)的纵向端部处。
3.根据权利要求2所述的机械保险件，其特征在于，所述主体(13)的所述远端端部具有圆锥形的部分或圆柱形的部分，所述部分适配于所述驱动构件的圆锥形的部分(22)或圆柱形的部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的保险件，其特征在于，所述保险件包括用于将所述保险件可逆地联接到所述接收构件(10)的装置，该装置被布置在所述主体(13)的被称为近端端部(21)的纵向端部处。
5.根据权利要求4所述的机械保险件，其特征在于，所述主体(13)的所述近端端部包括附接板(25)，所述附接板适合于被附接到所述接收构件(10)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的机械保险件，其特征在于，所述主体(13)是中空的。
7.根据权利要求3、4和6相结合所述的机械保险件，其特征在于，所述机械保险件包括支柱(29)，所述支柱适合于通过所述近端端部(21)接纳在所述中空的主体(13)中，并且适合于能够将所述远端端部(20)的所述圆锥形的部分定位成靠接在所述驱动构件(8，9)的配合的圆锥形的部分(22)上。
8.根据权利要求7所述的保险件，其特征在于，所述支柱(29)具有肩部(30)，所述肩部使得能够在所述保险件发生机械断裂时限制所述接收构件(10)的轴向移动。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的保险件，其特征在于，所述主体(13)为圆柱形的，以及，所述主体包括三个杆(14)，所述三个杆围绕所述主体(13)均匀地分布。
10.涡轮发动机的冷却单元，所述冷却单元包括驱动轴(9)和叶轮(10)，所述叶轮以悬臂的方式安装在所述轴(9)上，其特征在于，所述冷却单元包括根据权利要求1至9中任一项所述的机械保险件(12)，所述机械保险件被布置在所述驱动轴(9)与所述叶轮(10)之间。
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