CN112119230B - 减小摩擦的扭矩传递装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机,该涡轮机包括低压轴(27),该低压轴被设计成借助于联接单元旋转地驱动风扇轴(32),该联接单元包括:第一轴(1),多个第一轴向凹槽(7)形成在该第一轴中;第二轴(2),多个第二轴向凹槽(12)形成在该第二轴中;以及联接装置(4),该联接装置包括多个滚动元件(13)和布置在第一轴(1)与第二轴(2)之间的环形保持架(14),滚动元件(13)被布置在第一轴向凹槽(7)中的一个与第二轴向凹槽(12)中的一个之间,用于旋转联接第一轴和第二轴(1,2),第一凹槽和第二凹槽(7,2)各自具有基本平坦的第一表面(16)和第二表面(17),第一表面和第二表面相对于彼此倾斜且沿着轴线延伸。

Description

减小摩擦的扭矩传递装置
技术领域
本发明属于动力传递元件的技术领域,更具体地属于特别在涡轮机中的两个轴之间传递扭矩和旋转运动的技术领域。
背景技术
在如图1所示的包括沿着纵向轴线X旋转驱动的两个或更多个轴的机械系统中,由于系统的机械强度,有时在发动机轴(在此为可旋转地安装在机架3上的第一轴1)与驱动轴(在此为相对于机架3旋转且平移地安装并相对于第一轴1平移地安装的第二轴2)之间有必要存在纵向平移自由度。
诸如花键联接器的常规解决方案使得能够在第一轴1与第二轴2之间传递大扭矩,同时使轴能够相对轴向地平移。
然而,这种类型的解决方案具有以下缺点:当传递的扭矩较大时,在轴相对于另一轴轴向运动期间大的接触表面面积会产生不可忽略的摩擦。
这种摩擦除了引起能量损失以外,还会导致部件局部发热以及从一个轴到另一轴的动力传递的效率降低,直到这种摩擦阻止了第一轴1与第二轴2的相对运动。
这种阻尼会对系统的振动特性产生不利影响。
实际上,这种对系统的假定自由度的可变抵抗力的现象改变了系统的刚性,从而使系统的固有振动模式相对于无损失地传递能量的模型的固有模式发生变化。
固有模式的变化会使这些固有模式的频率接近系统在运行时产生的振动的谐波频率。
这会改变系统的能量耗散,从而使系统剧烈振动,导致系统的劣化,并可能导致系统的元件发生疲劳破坏。
这些问题在涡轮机中是特别关键的,尤其对于轴的不同部分的联接使得能够在不同元件之间进行动力传递。实际上,在将轴分成不同部分的情况下,必须实现联接以在轴的不同部分之间传递运动。
因此,特别是当动力等级涉及大扭矩时,需要限制将旋转动力从一个轴传递到另一个轴的机械连接的潜在能量损失。
发明内容
本发明的目的是限制特别是在涡轮机的低压轴与涡轮机的风扇轴之间传递旋转动力的机械连接件的能量损失。
本发明的另一目的是使得在确保两个元件之间的相对平移运动的同时能够传递大扭矩。
本发明的另一目的是限制特别是当系统受到大的振动载荷时,传动对系统的振动特性的影响。
为此,本发明提出一种涡轮机,该涡轮机包括壳体、在壳体中旋转安装的低压轴、相对于壳体旋转安装的风扇轴以及联接组件,该低压轴被构造成借助于联接组件旋转地驱动风扇轴,该联接组件包括:
-第一轴,该第一轴沿着轴线延伸并且与低压轴和风扇轴之中的一个形成为一体,第一轴包括至少一个第一部分,该第一部分具有外部面,该外部面中形成有多个第一轴向凹槽,
-第二轴,该第二轴与第一轴同轴并与低压轴和风扇轴之中的一个形成为一体,第二轴包括至少一个第二部分,该第二部分围绕第一部分并且具有内部面,该内部面中形成有多个第二轴向凹槽,
-联接装置,该联接装置包括多个滚动元件和环形保持架,所述保持架被定位在第一轴与第二轴之间,多个凹部形成在保持架中,滚动元件中的每个滚动元件一方面被定位在相应凹部中,另一方面被定位在第一轴向凹槽中的一个第一轴向凹槽与第二轴向凹槽中的一个第二轴向凹槽之间,以旋转联接第一轴和第二轴,
并且其中,第一凹槽和第二凹槽各自具有沿着轴线延伸的基本平坦的第一表面和第二表面,该第一表面和第二表面相对于彼此倾斜。
以这种方式,滚动元件能够通过与凹槽配合而形成障碍物,以将扭矩从一个轴传递到另一个轴,同时仍能够在凹槽中滚动,从而确保轴之间的平移运动,在平移运动期间,摩擦受到极大限制。
因此,由此形成的机械连接的能量损失受到极大限制。
系统的振动特性被保持。
可选地但有利地,本发明可以通过单独采用或组合采用的以下特征实现:
-每个滚动元件被自由旋转地安装在其相应的凹部中;
-保持架的凹部轴向地对齐以形成一系列轴向排,该轴向排以规则的方式围绕轴线成角度地分布,使得每个排沿着第一轴向凹槽和第二轴向凹槽延伸;
-滚动元件包括球体;
-联接装置能够沿着轴线平移移动;
-组件还包括第一返回元件,该第一返回元件在第一轴和第二轴之中的一个轴与保持架之间延伸,第一返回元件被构造成限定保持架相对于第一部分和第二部分之中的一个部分的轴向位置;
-所述第一部分和第二部分之中的一个部分具有第一轴向抵接部,保持架具有第二轴向抵接部,第一返回元件被支撑在这些轴向抵接部中的每个轴向抵接部上;
-组件还包括第二返回元件,该第二返回元件在第一部分和第二部分之中的具有第一抵接部的部分与保持架之间延伸,第二返回元件被构造成限定保持架相对于第一部分和第二部分之中的具有第一抵接部的所述部分的轴向位置;
-第一部分和第二部分之中的具有第一抵接部的部分还具有第三抵接部,并且保持架还具有第四抵接部,第二返回元件被支撑在第三抵接部和第四抵接部上;
-第一返回元件和第二返回元件在保持架的两侧上延伸;
-低压轴包括涡轮部分和后抵接部分,该涡轮部分附接到低压涡轮,该后抵接部分轴向地附接到涡轮机的壳体并相对于壳体被旋转引导,涡轮部分和后抵接部分借助于花键式联接器联接。
附图说明
本发明的其它特征和优点仍将通过以下描述来揭示,该描述仅是说明性的和非限制性的,并且必须参照附图阅读该描述,在附图中:
-图1是根据现有技术的系统的运动学示意图;
-图2是根据本发明的机械组件的部分透视截面图;
-图3是根据本发明的组件的截面轮廓图;
-图4是根据本发明的组件的截面正视图;
-图5是在根据本发明的组件的实施例中的障碍元件的组件的细节图;
-图6是根据本发明的组件的正面截面的展开图,该展开图突出了在一个轴被另一个轴驱动期间第一凹槽、第二凹槽和障碍元件之间的相对位置;更具体地,图6a示出了包括在展开的内部部分与展开的外部部分之间的多个障碍元件;图6b详细示出了驱动期间障碍元件相对于第一凹槽和第二凹槽的布置;
-图7是示出了根据本发明的组件的实施例的示意性轮廓图;
-图8是根据本发明的涡轮机的组装图;
-图9是根据本发明的涡轮机的低压轴与风扇轴之间的联接的细节图;
-图10是根据本发明的涡轮机的低压轴的后抵接部分与涡轮部分之间的联接的细节图。
具体实施方式
本发明可以应用于例如在涡轮机中的任何机械系统,该机械系统包括第一旋转轴和第二旋转轴,在该涡轮机中,传动轴被分成借助于联接组件彼此联接的多个部分。
联接组件在图1中示意性地示出并且包括:
-第一旋转轴1,该第一旋转轴包括具有回转轴线X的至少一个第一部分5,所述第一部分5具有外部面6,在该外部面中形成有多个第一轴向凹槽7,
-第二轴2,该第二轴至少包括具有内部面11的第二部分8,在该内部面中形成有多个第二凹槽12,所述第二轴2与第一轴1同轴,以及
-联接装置4,该联接装置被构造成允许在第一轴1与第二轴2之间进行动力传递。
在本申请中,第一轴1的回转轴线被称为第一旋转轴1的旋转轴线X。轴向方向对应于第一轴1的轴线X的方向,径向方向是垂直于该轴线并穿过该轴线的方向。同样地,轴向平面是包含轴线X的平面,径向平面是垂直于该轴线X并穿过该轴线的平面。切向方向是垂直于轴线X但不穿过该轴线X的方向。周向方向是围绕轴线X延伸的方向。除非另作说明,否则内部和外部将分别参照径向方向进行使用,使得元件的内部(即径向内部)部分或内部面比同一元件的外部(即径向外部)部分或外部面更靠近轴线X。
图2示出了一实施例,在该实施例中,第一轴1与第一部分5的回转轴线X同轴。
第二轴2包括第二部分8,该第二部分沿着第一部分5的轴线延伸并且具有大致圆筒形腔9,该大致圆筒形腔被构造成接纳第一轴1的第一部分5。
在示出的实施例中,第二轴2和第二部分8沿着轴线X延伸。然而,作为变型,第二部分8可以沿着与第二轴2的轴线相平行的轴线延伸。
联接装置4包括多个滚动元件13和大致圆筒形保持架14。
保持架14在第一轴1的第一部分5与第二轴2的第二部分8之间延伸,使得保持架被径向地包括在外部面6与内部面11之间。
此外,多个凹部15形成在保持架14中。滚动元件13各自一方面被定位在相应凹部15中,另一方面被定位在第一轴向凹槽7中的一个与第二轴向凹槽12中的一个之间,以将切向力从所述第一凹槽7和所述第二凹槽12之中的一个传递到所述第一凹槽7和所述第二凹槽12之中的另一个。
滚动元件13可以包括滚子和/或球体。滚动元件确保通过第一轴1与第二轴2之间的障碍物来传递扭矩并且能够消除第一轴1与第二轴2之间的直接接触。
以这种方式,在第一轴1和第二轴2的相对轴向运动期间,显著减小摩擦,使得即使在将较大的扭矩从一个轴传递到另一个轴时也能够实现第一轴1和第二轴2的相对轴向运动。
这还使得能够降低由摩擦引起的能量耗散,从而改善动力传递效率,并限制机械连接的以及组件的刚性变化。
因此,这使得能够限制组件的固有模式的变化并限制出现共振现象的风险。因此,组件的使用寿命和可靠性会大大增加。
在一个实施例中,每个滚动元件13在其保持架14的相应凹部15中是自由的,以能够在第一轴向凹槽7和对应的第二轴向凹槽12中自由地平移移动。该实施例使得能够在轴向运动的情况下进一步减小摩擦,从而进一步增加组件的使用寿命和可靠性。
凹部15被构造成使滚动元件13相对于彼此定位,这特别地能够避免滚动元件13彼此接触。
因此,保持架14的凹部15能够避免滚动元件13之间的摩擦,该摩擦导致能量损失,并且会导致某些滚动元件13的阻塞,该阻塞导致联接组件的劣化。
在图3所示的实施例中,滚动元件13以规则间距轴向地分布。
因此,这使得滚动元件13能够沿着第一凹槽7和第二凹槽12轴向分布,以将接触点分布在宽广的区域上并限制第一部分5和第二部分8中的局部载荷的水平。
特别地,这能够使滚动元件13、第一凹槽7和第二凹槽12的疲劳最小化,从而增加联接组件的使用寿命。
图4示出了第一凹槽7、第二凹槽12、滚动元件13以及凹部15围绕轴线X的角分布。
两个相邻第二凹槽12之间的角节距P是恒定的,并且与两个相邻第一凹槽7之间的角节距相同,两个相邻滚动元件13之间的角节距和凹部15的两个相邻排之间的角节距也是如此。
以这种方式,第一部分5和第二部分8中的载荷分布得到优化并且能够限制载荷峰值。
在图5示出的详细视图中,球体由保持架14的凹部15设置就位,保持架14被构造成使滚动元件13相对于彼此保持就位,并且被构造成使滚动元件在保持架14内抵靠第一部分5而保持就位。
在未示出的变型中,保持架14被构造成使滚动元件13在保持架14外部抵靠第二部分8而保持就位。
因此,保持架14能够特别有助于将滚动元件13组装在轴中的一个轴上,然后将第一轴1和第二轴2置于其相对位置。
图6a示出了当扭矩通过第一轴1传递到第二轴2时,滚动元件13、第一凹槽7和第二凹槽12的相对切向位置。在图6a中,组件的笔直部段的角部分被示出为沿着直线展开。
这种类型的构型的细节在图6b中示出。以与第二凹槽12相同的方式,第一凹槽7包括纵向延伸的第一平坦表面16和第二平坦表面17。
第一表面16和第二表面17相对于彼此倾斜并且在形成凹槽底部18的同时连结在一起。因此在该优选实施例中,凹槽7、12形成二面角,该二面角的顶角使得能够将切向力传递到对应的滚动元件13,而不管第一轴1和第二轴2的旋转方向如何。
在未示出的其他实施例中,形成凹槽7、12的表面的数量可以更多(例如为3个或4个),以形成容置滚动元件13的沟槽。
由于第一表面16和第二表面17相对于彼此倾斜,因此切向力可以沿两个方向在第一轴1与第二轴2之间传递,从而使得不管轴的旋转方向如何都能够传递扭矩(或动力)。
第二凹槽12相对于第一凹槽7的定位和滚动元件13的尺寸被构造成为滚动元件13提供径向和切向间隙。以这种方式,避免了特别在第一轴1和第二轴2的相对轴向运动期间,滚动元件阻塞在第二凹槽12与第一凹槽7之间。
另外,这使得能够减少在传递扭矩时滚动元件13与凹槽之间的接触点的数量,从而减小滚动元件13与凹槽7、12之间的摩擦。实际上,滚动元件13被定位在两个凹槽7、12之间,没有滚动元件13的径向和切向间隙将意味着滚动元件与第一凹槽7有两个接触点,并且与第二凹槽12有两个接触点。
在如图所示的情况下,滚动元件13与第一凹槽7只有一个接触点,而与第二凹槽12有两个接触点。实际上,在操作期间,施加到滚动元件13上的离心力推动滚动元件与径向外凹槽(在此为第二凹槽12)发生接触。因此,这三个接触点防止滚动元件13与凹槽7、12之间沿切向方向的任何相对运动。
因此,力从第一凹槽7的一个表面传递到第二凹槽12的表面,从而实现将扭矩从一个轴传递到另一个轴。
在未示出的变型中,滚动元件13与第一凹槽7仅具有单个接触点,与第二凹槽12具有一个接触点,特别是当所传递的扭矩足够大时,尽管对滚动元件13施加了离心力,使得滚动元件13在第一凹槽7和第二凹槽12之中的一个凹槽的第一表面16与第一凹槽7和第二凹槽12之中的另一个凹槽的第二表面17之间沿着切向方向在偏心位置处切向地移动。
以这种方式,摩擦被进一步减小,并且在传递较大扭矩时还能有助于第一轴1和第二轴2的相对运动。
在一个未示出的变型中,第一部分5的外部面6的直径和第二部分8的内部面11的直径被构造成与最小正间隙配合,以允许两个轴之间的对中。
滚动元件13的凹槽还被构造成防止滚动元件13离开第一凹槽7或第二凹槽12。为此,内部面11与外部面6之间的径向方向上的距离小于滚动元件13的直径。
根据联接装置4所传递的扭矩,滚动元件13的数量和特征可以变化,以特别地限制赫兹压力并避免滚动元件13发生塑性变形。
在一个轴被另一个轴驱动期间,轴的平移运动可引起保持架14的连续平移。
当这些连续的平移将保持架14带到凹槽7、12的端部中的一个端部时,滚动元件13会被阻塞在第一轴1与第二轴2之间,或者离开滚动元件各自的凹部15和凹槽7、12,这会导致联接装置4的劣化。
在一个实施例中,第一返回元件19在第一部分5和第二部分8之中的一个与保持架14之间延伸,所述第一返回元件19被构造成使保持架14相对于在其上支撑返回元件的部分轴向地移动。
为此,第一部分5和第二部分8之中的一个部分具有第一轴向抵接部20,保持架14具有第二轴向抵接部22,第一返回元件19被支撑第一抵接部20和第二抵接部22上。
因此,当返回元件19被压缩时,返回元件可以在保持架14上产生推力并使所述保持架14移动。
这能够避免滚动元件13轴向移动直到凹槽7、12的端部中的一个端部,从而导致联接装置4的劣化。
在一个变型中,返回元件19被附接到第一抵接部20和第二抵接部21。以这种方式,返回元件19可以在受压和受张力的状态下操作,并使保持架14沿两个相反的方向移动。这能够使保持架14有规律地返回到预定的轴向位置,从而能够优化联接装置4的操作。
在驱动期间,所传递的扭矩在滚动元件13上产生来自第一部分5和第二部分8的较大的夹紧力。在由第一部分5和第二部分8夹紧滚动元件13期间,如果所述部分5、8相对于彼此移动,则所述滚动元件13(因此附带地保持架14)可仅相对于部分5、8移动。
例如在扭矩过渡或减速期间,当所传递的扭矩减小时,附带地施加到滚动元件13上的夹紧力减小时,在滚动元件13与凹槽7、12之间出现切向间隙,该切向间隙使得返回元件19能够将保持架14替换到相对于第一部分5和第二部分8之中的具有第一抵接部20的部分的预定位置。
在图7所示的实施例中,联接装置4还包括第二返回元件19’。
第一部分5和第二部分8之中的具有第一抵接部20的部分也具有第二抵接部21。
保持架还具有第四抵接部23。
第一返回元件19一方面被支撑在第一抵接部20上,另一方面被支撑在第二抵接部22上,第二返回元件19’一方面被支撑在第三抵接部21上,另一方面被支撑在第四抵接部23上。
以这种方式,保持架14相对于第一轴1的轴向位置被限制在最佳位置。不必将返回元件附接到抵接部上,每个返回元件19、19’能够在受压缩的状态下工作,这有利于组装和制造。
由两个返回元件19、19’产生的力也大于由单个返回元件产生的力,并能够使保持架14更快且更准确地返回就位。
图8所示的涡轮机24包括低压主体和高压主体。
低压主体包括低压压缩机25、低压涡轮26和低压轴27,该低压轴被构造成将动力从低压涡轮26传递到低压压缩机25,高压主体包括高压压缩机28、高压涡轮29和高压轴30,该高压轴被构造成传递来自高压涡轮29和高压压缩机28动力。
在所示的实施例中,低压主体旋转地驱动风扇主体,该风扇主体包括固定安装在风扇轴32上的风扇31。
空气流在涡轮机中循环,并从上游到下游穿过风扇31、低压压缩机25、高压压缩机28、燃烧室33、高压涡轮29,然后穿过低压涡轮26。
低压轴27借助于如前所述的联接组件旋转地驱动风扇轴32。因此,联接装置4被设置在低压轴27与风扇轴32之间。
在图9所示的实施例中,风扇轴32可以比作第二轴2并且具有形成在其内部面11上的多个第二凹槽12,风扇轴27比作第一轴1并且具有形成在其外部面6上的多个第一凹槽7。
在一个变型中,风扇轴32可以比作第一轴1,并且低压轴27可以比作第二轴2。
在图10所示的实施例中,低压轴27被分成多个部分,并且特别地包括涡轮部分34和后抵接部分35,该涡轮部分附接到低压涡轮26,该后抵接部分轴向地附接到涡轮机的壳体36并且相对于涡轮机的壳体36被旋转地引导。
在涡轮部分34与后抵接部分35之间实现花键式联接器37。这种类型的联接器具有耐高温性,使得即使温度升高,该联接器也能够保持其机械特性和可靠性。
因此,在涡轮部分34与后抵接部分35之间使用花键式联接器,使得尽管花键式联接器被定位在热部件附近并与热部件接触,但仍能够保持联接器的机械特性,该热部件特别为低压涡轮26,高温度的热气体通过该热部件。

Claims (11)

1.涡轮机,所述涡轮机包括壳体(36)、在所述壳体(36)中旋转安装的低压轴(27)、相对于所述壳体(36)旋转安装的风扇轴(32)以及联接组件,所述低压轴(27)被构造成借助于所述联接组件旋转地驱动所述风扇轴(32),所述联接组件包括:
-第一轴(1),所述第一轴沿着轴线(X)延伸并且与所述低压轴(27)和所述风扇轴(32)之中的一个形成为一体,所述第一轴(1)至少包括第一部分(5),所述第一部分具有外部面(6),所述外部面中形成有多个第一轴向凹槽(7),
-第二轴(2),所述第二轴与所述第一轴(1)同轴并与所述低压轴(27)和所述风扇轴(32)之中的一个形成为一体,所述第二轴(2)包括至少一个第二部分(8),所述第二部分围绕所述第一部分(5)并且具有内部面(11),所述内部面中形成有多个第二轴向凹槽(12),
-联接装置(4),所述联接装置包括多个滚动元件(13)和环形保持架(14),所述保持架(14)被定位在所述第一轴(1)与所述第二轴(2)之间,多个凹部(15)形成在所述保持架(14)中,所述滚动元件(13)中的每个滚动元件一方面被定位在相应凹部(15)中,另一方面被定位在所述第一轴向凹槽(7)中的一个与所述第二轴向凹槽(12)中的一个之间,以旋转联接所述第一轴(1)和所述第二轴(2),所述第二轴向凹槽(12)之一相对于所述第一轴向凹槽(7)之一的定位和所述滚动元件(13)之一的尺寸被构造成为所述滚动元件(13)之一提供径向和切向间隙,并且其中,所述第一轴向凹槽(7)和所述第二轴向凹槽(12)各自具有沿着所述轴线延伸的平坦的第一表面(16)和第二表面(17),所述第一表面(16)和所述第二表面(17)相对于彼此倾斜。
2.根据权利要求1所述的涡轮机,其中,每个滚动元件(13)被自由安装在所述每个滚动元件的相应凹部(15)中。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机,其中,所述保持架(14)的凹部(15)轴向地对齐以形成一系列轴向排,所述轴向排以规则的方式围绕所述轴线(X)成角度地分布,使得每个排沿着第一轴向凹槽(7)和第二轴向凹槽(12)延伸。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮机,其中,所述滚动元件(13)包括球体。
5.根据权利要求1或2所述的涡轮机,其中,所述联接装置(4)能够沿着所述轴线(X)平移移动。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮机,其中,所述联接组件包括第一返回元件(19),所述第一返回元件在所述第一轴(1)和所述第二轴(2)之中的一个轴与所述保持架(14)之间延伸,所述第一返回元件(19)被构造成限定所述保持架(14)相对于所述第一部分(5)和所述第二部分(8)之中的一个部分的轴向位置。
7.根据权利要求6所述的涡轮机,其中,所述第一部分(5)和所述第二部分(8)之中的一个部分具有第一轴向抵接部(20),所述保持架(14)具有第二轴向抵接部(22),所述第一返回元件(19)被支撑在所述第一轴向抵接部(20)和所述第二轴向抵接部(22)中的每个轴向抵接部上。
8.根据权利要求7所述的涡轮机,其中,所述涡轮机包括第二返回元件(19’),所述第二返回元件在所述第一部分(5)和所述第二部分(8)之中的具有所述第一轴向抵接部(20)的部分与所述保持架(14)之间延伸,所述第二返回元件(19’)被构造成限定所述保持架(14)相对于所述第一部分(5)和所述第二部分(8)之中的具有所述第一轴向抵接部(20)的所述部分的轴向位置。
9.根据权利要求8所述的涡轮机,其中,所述第一部分(5)和所述第二部分(8)之中的具有所述第一轴向抵接部(20)的所述部分还具有第三抵接部(21),并且所述保持架(14)还具有第四抵接部(23),所述第二返回元件(19’)被支撑在所述第三抵接部(21)和所述第四抵接部(23)上。
10.根据权利要求8或9所述的涡轮机,其中,所述第一返回元件(19)和所述第二返回元件(19’)在所述保持架(14)的两侧上延伸。
11.根据权利要求1或2所述的涡轮机,其中,所述低压轴(27)包括涡轮部分(34)和后抵接部分(35),所述涡轮部分附接到低压涡轮(26),所述后抵接部分轴向地附接到所述涡轮机的壳体(36)并相对于所述壳体(36)被旋转引导,所述涡轮部分(34)和所述后抵接部分(35)借助于花键式联接器联接。
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