CN111664226A - 用于涡轮机的换向齿轮组件 - Google Patents

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CN111664226A CN202010146585.3A CN202010146585A CN111664226A CN 111664226 A CN111664226 A CN 111664226A CN 202010146585 A CN202010146585 A CN 202010146585A CN 111664226 A CN111664226 A CN 111664226A
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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的换向齿轮组件。提供了一种用于涡轮机的推力平衡齿轮组件。齿轮组件包括连接至输入驱动轴的输入齿轮、连接至输出驱动轴的输出齿轮以及复合行星齿轮，其包括各自连接至彼此并且定位成轴向相邻布置的第一行星齿轮和第二行星齿轮。第一行星齿轮在第一接口处连接至输入齿轮而第二行星齿轮在第二接口处连接至输出齿轮。

Description

用于涡轮机的换向齿轮组件
技术领域
本主题涉及用于涡轮机的反向旋转齿轮组件。
背景技术
间接驱动涡轮发动机包括在风扇或推进器与涡轮之间的齿轮组件，从而使风扇和涡轮中的各个能够以不同的、更高效率速度相对于彼此旋转。然而，齿轮组件中的低效率会消除风扇和涡轮速度效率改进，诸如经由在齿轮组件的多个齿轮处的机械和热损失。因此，需要一种用于涡轮发动机的效率改善的齿轮组件。
发明内容
本发明的方面和优点将在接下来的说明中部分地来阐述，或者可从说明中显而易见，或者可通过实践本发明来习得。
本公开的一方面涉及一种用于涡轮机的推力平衡齿轮组件。齿轮组件包括连接至输入驱动轴的输入齿轮、连接至输出驱动轴的输出齿轮和复合行星齿轮。复合行星齿轮包括第一行星齿轮和第二行星齿轮，其各自连接至彼此并且定位成轴向相邻布置。第一行星齿轮在第一接口处连接至输入齿轮而第二行星齿轮在第二接口处连接至输出齿轮。
在各种实施例中，输入齿轮、输出齿轮、第一行星齿轮和第二行星齿轮中的各个限定了斜齿轮啮合布置。在一个实施例中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处一起限定以第一螺旋角的斜齿轮啮合。在另一实施例中，输出齿轮和第二行星齿轮在第二接口处一起限定以与第一螺旋角相反的第二螺旋角的斜齿轮啮合。
在一个实施例中，输入齿轮限定太阳齿轮。
在另一实施例中，输出齿轮限定环形齿轮。
在又一实施例中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处直接连接至彼此。
在又一实施例中，输出齿轮和第二行星齿轮在第二接口处直接连接至彼此。
在各种实施例中，输入齿轮同心于齿轮组件的轴向中心线轴线。在一个实施例中，齿轮组件包括多个复合行星齿轮，其相对于轴向中心线轴线成周向布置地连接至输入齿轮。
在另一实施例中，第一行星齿轮和第二行星齿轮通过心轴以轴向相邻布置各自联接在一起。
本公开的另一方面涉及一种涡轮机。涡轮机包括能够以第一速度在第一方向上旋转的第一涡轮组件和能够以不同于第一速度的第二速度在第二方向上旋转的第二涡轮组件，在其中第二方向与第一方向相反。涡轮机还包括驱动地连接至第一涡轮组件的输入驱动轴、驱动地连接至第二涡轮组件的输出驱动轴以及齿轮组件。齿轮组件包括连接至输入驱动轴的输入齿轮、连接至输出驱动轴的输出齿轮和复合行星齿轮。复合齿轮包括第一行星齿轮和第二行星齿轮，其各自连接至彼此并且定位成轴向相邻布置。第一行星齿轮在第一接口处连接至输入齿轮而第二行星齿轮在第二接口处连接至输出齿轮。
在各种实施例中，输入齿轮、输出齿轮、第一行星齿轮和第二行星齿轮中的各个限定斜齿轮啮合布置。在一个实施例中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处一起限定以第一螺旋角的斜齿轮啮合。在另一实施例中，输出齿轮和第二行星齿轮相对于彼此各自限定不同的节圆直径。在又一实施例中，输入齿轮限定太阳齿轮。在还又一实施例中，输出齿轮限定环形齿轮。
在一个实施例中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处直接连接至彼此。
在另一个实施例中，输出齿轮和第二行星齿轮在第二接口处直接连接至彼此。
在又一个实施例中，涡轮机还包括连接至输出驱动轴的风扇组件，在其中风扇组件能够以第二涡轮组件的第二速度在第二方向上旋转。
在技术方案1中：一种用于涡轮机的推力平衡齿轮组件，齿轮组件包括：
连接至输入驱动轴的输入齿轮；
连接至输出驱动轴的输出齿轮；以及
复合行星齿轮，其包括各自连接至彼此并且定位成轴向相邻布置的第一行星齿轮和第二行星齿轮，其中，第一行星齿轮在第一接口处连接至输入齿轮并且第二行星齿轮在第二接口处连接至输出齿轮。
在技术方案2中：根据技术方案1的齿轮组件，其中，输入齿轮、输出齿轮、第一行星齿轮和第二行星齿轮中的各个限定斜齿轮啮合布置。
在技术方案3中：根据技术方案2的齿轮组件，其中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处一起限定以第一螺旋角的斜齿轮啮合。
在技术方案4中：根据技术方案3的齿轮组件，其中，输出齿轮和第二行星齿轮在第二接口处一起限定以与第一螺旋角相反的第二螺旋角的斜齿轮啮合。
在技术方案5中：根据技术方案1的齿轮组件，其中，输入齿轮限定太阳齿轮。
在技术方案6中：根据技术方案1的齿轮组件，其中，输出齿轮限定环形齿轮。
在技术方案7中：根据技术方案1的齿轮组件，其中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处直接连接至彼此。
在技术方案8中：根据技术方案1的齿轮组件，其中，输出齿轮和第二行星齿轮在第二接口处直接连接至彼此。
在技术方案9中：根据技术方案1的齿轮组件，其中，输入齿轮同心于齿轮组件的轴向中心线轴线。
在技术方案10中：根据技术方案9的齿轮组件，其中，齿轮组件包括多个复合行星齿轮，其相对于轴向中心线轴线成周向布置地连接至输入齿轮。
在技术方案11中：根据技术方案1的齿轮组件，其中，第一行星齿轮和第二行星齿轮通过心轴成轴向相邻布置地各自联接在一起。
在技术方案12中：一种涡轮机，涡轮机包括：
第一涡轮组件，其能够以第一速度在第一方向上旋转；
第二涡轮组件，其能够以不同于第一速度的第二速度在第二方向上旋转，其中，第二方向与第一方向相反；
输入驱动轴，其驱动地连接至第一涡轮组件；
输出驱动轴，其驱动地连接至第二涡轮组件；以及
齿轮组件，其中，齿轮组件包括：
连接至输入驱动轴的输入齿轮；
连接至输出驱动轴的输出齿轮；和
复合行星齿轮，其包括各自连接至彼此并且定位成轴向相邻布置的第一行星齿轮和第二行星齿轮，其中，第一行星齿轮在第一接口处连接至输入齿轮并且第二行星齿轮在第二接口处连接至输出齿轮。
在技术方案13中：根据技术方案12的涡轮机，其中，输入齿轮、输出齿轮、第一行星齿轮和第二行星齿轮中的各个限定斜齿轮啮合布置。
在技术方案14中：根据技术方案13的涡轮机，其中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处一起限定以第一螺旋角的斜齿轮啮合。
在技术方案15中：根据技术方案14的涡轮机，其中，输出齿轮和第二行星齿轮相对于彼此各自限定不同的节圆直径。
在技术方案16中：根据技术方案12的涡轮机，其中，输入齿轮限定太阳齿轮。
在技术方案17中：根据技术方案12的涡轮机，其中，输出齿轮限定环形齿轮。
在技术方案18中：根据技术方案12的涡轮机，其中，输入齿轮和第一行星齿轮在第一接口处直接连接至彼此。
在技术方案19中：根据技术方案12的涡轮机，其中，输出齿轮和第二行星齿轮在第二接口处直接连接至彼此。
在技术方案20中：根据技术方案12的涡轮机，其还包括:
连接至输出驱动轴的风扇组件，其中，风扇组件能够以第二涡轮组件的第二速度在第二方向上旋转。
参考以下说明和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。被包括到其中且构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
参考附图在说明书中阐述了对于本领域普通技术人员本发明的完整的且能够实现的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的一方面的包括齿轮组件的涡轮机的示例性示意设计实施例；以及
图2是图1的齿轮组件的示例性示意性设计实施例。
在本说明书和附图中重复使用附图标记意图表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其中的一个或多个示例在附图中示出。各个示例通过解释本发明、而非限制本发明来提供。事实上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可对本发明进行各种改型和改变。例如，作为一个实施例的一部分示出或说明的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本发明旨在覆盖处在所附权利要求及其等同物的范围内的这样的改型和改变。
如本文中所使用的那样，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地来使用以将一个部件与另一个部件相区别而不意图表示个别部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”涉及在流体路径中相对于流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体流来的方向，而“下游”是指流体流向的方向。
本文中所述的近似可包括基于如在本领域中使用的一个或多个测量装置的余量(margin)，诸如但不限于测量装置或传感器的全刻度测量范围的百分数。备选地，本文中所述的近似可包括大于上极限值的上极限值的10%或小于下极限值的下极限值的10%的余量。
现在参考附图，图1是包括根据本公开的方面的推力平衡齿轮组件100的实施例的涡轮机10(以下称“发动机10”)的示意图。这里，齿轮组件100的实施例提供用于反向旋转涡轮发动机的改进的齿轮组件，如在图1中示意性所示。此外，本文中所提供的齿轮组件100的实施例改善反向旋转发动机中的推力平衡，在反向旋转发动机中一个或多个涡轮不直接联接至对应的压缩机。
发动机10沿着轴向A成连续流动顺序地包括风扇组件14、低压(LP)压缩机22、高压(HP)24压缩机、燃烧部段26、HP涡轮28、第一涡轮30和第二涡轮32。外壳18可基本上覆盖压缩机22、24、燃烧部段26和涡轮28、30、32，从而在其内限定核心流动路径。HP涡轮28经由轴向延伸的HP轴34驱动地联接至HP压缩机24。参考轴向中心线轴线12沿着轴向A设置穿过发动机10，压缩机22、24、轴110、120和涡轮28、30、32围绕该轴线旋转。参考径向R从轴向中心线轴线12延伸。
发动机10包括齿轮组件100，其在涡轮28、30、32径向向内，或者通常在燃烧部段26后部或下游。齿轮组件100从驱动地连接至第一涡轮30的输入轴110接收输入功率和扭矩。齿轮组件100还连接至驱动地连接至第二涡轮32的输出轴120。功率和扭矩从第一涡轮30通过齿轮组件100传输至输出轴120。此外，功率和扭矩被从第二涡轮32提取并且通过输出轴120与来自输入轴110的功率和扭矩一起经由齿轮组件100来传输。
输出轴120从齿轮组件100沿着轴向A延伸以驱动风扇组件14。在各种实施例中，输出轴120还驱动LP压缩机22。应理解的是，第一涡轮30不直接联接至压缩机组件。换言之，就第一涡轮30被联接至压缩机而言，其是经由第一涡轮30、输入轴110、齿轮组件100和输出轴120的串联动力布置。
第一涡轮30和第二涡轮32各自成反向旋转布置，使得第一涡轮30和联接至其的输入轴110在与以第二方向92旋转的第二涡轮32和联接至其的输出轴120相反的第一方向91上旋转。第一涡轮30能够以高于能够以第二速度旋转的第二涡轮32的第一速度旋转。风扇组件14还能够以第二涡轮32的第二速度沿着第二方向92旋转。以较低的第二速度旋转的风扇组件14使能够更高效地运行，而第一涡轮30以对于第一涡轮30更高效的较高的第一速度旋转。
应理解的是，涡轮30、32的反向旋转布置经由流过各个相应涡轮30、32的空气的期望速度关系提供发动机10的改善的效率。
在各种实施例中，第一涡轮30和第二涡轮32中的各个可限定低压涡轮组件。备选地，第一涡轮30可指中压涡轮组件。另外，HP涡轮28可指高速涡轮组件，第一涡轮30可指中速涡轮组件，而第二涡轮32可指低速涡轮组件。
现在参考图2，提供了推力平衡齿轮组件100的一部分的局部分解图。齿轮组件100包括连接至输入驱动轴110的输入齿轮101。输出齿轮102连接至输出驱动轴120。包括第一行星齿轮104和第二行星齿轮105的复合行星齿轮103经由轴向延伸的心轴106各自连接至彼此，从而使第一行星齿轮104和第二行星齿轮105相对于彼此定位成轴向相邻布置。第一行星齿轮104在第一接口111处连接至输入齿轮101(为了清楚，部分分解)。第二行星齿轮105在第二接口112处连接至输出齿轮102(为了清楚，部分分解)。应理解的是，尽管图2中提供的视图部分分解，在各种实施例中，输入齿轮101在第一接口111处直接连接至第一行星齿轮104。类似地，输出齿轮102在第二接口112处直接连接至第二行星齿轮105。
在各种实施例中，输入齿轮101、输出齿轮102、第一行星齿轮104和第二行星齿轮105中的各个限定斜齿轮啮合布置。输入齿轮101和第一行星齿轮104在第一接口111处一起限定以第一螺旋角121的斜齿轮啮合，诸如相对于轴向中心线轴线12示意性所描绘的那样。输出齿轮102和第二行星齿轮105在第二接口112处一起限定以不同于第一螺旋角121的第二螺旋角122的斜齿轮啮合。在各种实施例中，第二螺旋角122与第一螺旋角121相反。在又各种实施例中，第二螺旋角122被调整成使在第一行星齿轮104与第二行星齿轮105之间大致负荷匹配或者以其他方式推力平衡。在又一个实施例中，第一行星齿轮104和第二行星齿轮105相对于彼此各自限定不同的节圆直径。行星齿轮104、105之间的不同节圆直径还可实现齿轮组件100的组装。在另一实施例中，第二螺旋角122相对于轴向中心线轴线12从第一螺旋角121在90度和270度之间偏移。在又一实施例中，第二螺旋角122相对于轴向中心线轴线12从第一螺旋角121偏移了近似180度。
在又各种实施例中，输入齿轮101限定太阳齿轮。在一个实施例中，限定太阳齿轮的输入齿轮101同心于轴向中心线轴线12，使得输入齿轮101的中心线轴线与轴向中心线轴线12同轴。输入齿轮101相对于轴向中心线轴线12旋转。
在另一实施例中，齿轮组件100包括多个复合行星齿轮103，其相对于轴向中心线轴线12成周向布置地连接至输入齿轮101。这多个复合行星齿轮103可相对于轴向中心线轴线12成固定周向布置。
在又一实施例中，输出齿轮102限定了直接连接至复合行星齿轮103的第二行星齿轮105的环形齿轮。
本文中提供的齿轮组件100的实施例可经由在本领域中已知的一个或多个过程来制造，诸如但不限于锻造、铸造和机械加工过程、增材式制造或3D打印过程或者其他材料添加或材料去除过程。齿轮组件100还经由适合用于通常齿轮组件或者更具体地用于涡轮机(包括涡轮风扇、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气机、涡轮轴发动机、螺旋桨风扇或者本文中示意性提供的发动机10的其他涡轮机构造)的齿轮组件的一个或多个材料来制造。
本文中所提供的齿轮组件100通过减小推力轴承尺寸和负荷提供改进的效率、减小的功率和扭矩传输损失以及改进的耐用性。附加地或备选地，齿轮组件100通过减轻由第一涡轮(例如，图1中的第一涡轮组件30)与对应的压缩机分开而导致的推力平衡问题来提供反向旋转涡轮发动机的改善的性能。本文中所提供的齿轮组件100利用齿轮啮合(即，第一接口111、第二接口112)来抵消涡轮推力负荷不平衡。
例如，参考图2，在发动机10的运行期间，第一涡轮30可沿第一轴向93产生负荷。在第一接口111处连接至第一行星齿轮104的输入齿轮101沿着与第一轴向93相反的第二轴向94产生平衡反应负荷(balancing reactive load)。作为另一个示例，第二涡轮32可沿着第二方向94产生负荷。在第二接口112处连接至第二行星齿轮105的输出齿轮102沿着与第二轴向94相反的第一轴向93产生平衡反应负荷。
此外，抵消涡轮推力负荷对于包括一个或多个未直接联接至对应压缩机的涡轮的发动机实现更小的推力轴承尺寸。附加地或备选地，本文中所提供的齿轮组件100的实施例可消除对平衡活塞的需要、或者显著减少至其的流体流，由此减轻导致发动机性能损失的泄漏。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，这样的其他示例意图处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机的推力平衡齿轮组件，所述齿轮组件包括：
连接至输入驱动轴的输入齿轮；
连接至输出驱动轴的输出齿轮；以及
复合行星齿轮，其包括各自连接至彼此并且定位成轴向相邻布置的第一行星齿轮和第二行星齿轮，其中，所述第一行星齿轮在第一接口处连接至所述输入齿轮并且所述第二行星齿轮在第二接口处连接至所述输出齿轮。
2.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述输入齿轮、所述输出齿轮、所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮中的各个限定斜齿轮啮合布置。
3.根据权利要求2所述的齿轮组件，其中，所述输入齿轮和所述第一行星齿轮在所述第一接口处一起限定以第一螺旋角的所述斜齿轮啮合。
4.根据权利要求3所述的齿轮组件，其中，所述输出齿轮和所述第二行星齿轮在所述第二接口处一起限定以与所述第一螺旋角相反的第二螺旋角的所述斜齿轮啮合。
5.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述输入齿轮限定太阳齿轮。
6.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述输出齿轮限定环形齿轮。
7.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述输入齿轮和所述第一行星齿轮在所述第一接口处直接连接至彼此。
8.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述输出齿轮和所述第二行星齿轮在所述第二接口处直接连接至彼此。
9.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述输入齿轮同心于所述齿轮组件的轴向中心线轴线。
10.根据权利要求9所述的齿轮组件，其中，所述齿轮组件包括多个复合行星齿轮，其相对于所述轴向中心线轴线成周向布置地连接至所述输入齿轮。
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