CN112240383A - 用于飞行器涡轮机的机械减速装置的集油器 - Google Patents

用于飞行器涡轮机的机械减速装置的集油器 Download PDF

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Abstract

用于飞行器涡轮机的机械减速装置的集油器。本申请涉及一种集油器(20)，用于涡轮机(1)的机械减速装置(6)，涡轮机尤其用于飞行器，机械减速装置包括主体，主体具有两个相对的侧面(20a)，两个相对的侧面配置成部分地围绕减速装置的行星齿轮(8)延伸，集油器进一步包括内部油循环腔室(28)，内部油循环腔室连接到位于所述侧面上的油入口(30)以及连接到至少一个油出口(26)，其特征在于，侧面中的至少一个侧面包括入口(30)的多个行和列，每个入口具有凹部(32)，凹部具有逐渐增大的横截面，每个凹部(32)由壁(32a，32b，32c，32d)限定，所述壁中的至少一些壁(32a，32b)具有NACA式流体动力学剖面。

Description

用于飞行器涡轮机的机械减速装置的集油器
技术领域
本发明涉及用于涡轮机(尤其是用于飞行器的涡轮机)的机械减速装置的集油器。
背景技术
背景技术具体涉及下述文献：WO-A1-2010/092263，FR-A1-2987416，FR-A1-3041054，EP-A1-2719927和EP-A1-255913。
机械减速装置的作用是改变机械系统的输入轴和输出轴之间的速度比和转矩比。
新一代的双流涡轮机，特别是具有高稀释比的双流涡轮机，包括机械减速装置来驱动风扇的轴。通常，减速装置的目的是将动力涡轮的轴的所谓的快速旋转速度转换成用于风扇的驱动轴的较慢的旋转速度。
这种减速装置包括被称为太阳齿轮的中心小齿轮、齿圈和被称为行星齿轮的小齿轮，行星齿轮被啮合在太阳齿轮和齿圈之间。行星齿轮由称为行星架的框架保持。太阳齿轮、齿圈和行星架是行星装置，因为它们的旋转轴线与涡轮机的纵向轴线X重合。每个行星齿轮具有不同的旋转轴线，并且围绕中心齿轮的轴线均匀地分布相同的运行直径上。这些轴线平行于纵向轴线X。
存在多种减速装置架构。在现有技术的双流涡轮机中，减速装置是行星或游星(epicyclic)式的。在其他类似的应用中，存在所谓的差动或“复合”架构。
对于行星减速装置，行星架是固定的，齿圈构成了该装置的输出轴，该输出轴的旋转方向与太阳齿轮的旋转方向相反。
对于游星减速装置，齿圈是固定的，行星架构成了该装置的输出轴，该输出轴的旋转方向与太阳齿轮的旋转方向相同。
对于差动减速装置，没有元件在旋转时是固定的。齿圈沿与太阳齿轮和行星齿轮架相反的方向旋转。
减速装置可以包括一个或多个啮合级。这种啮合通过各种方式实现，例如通过接触、通过摩擦或通过磁场实现。接触啮合具有多种类型，例如直齿式或人字齿式。
减速装置的这些啮合通过油来润滑。润滑油在运行过程中由于吸收了减速装置产生的热能被加热。油的温度会影响其粘度和润滑效率。因此，重要的是，在减速装置被润滑后将热的油排出，以便对其进行回收。
然而，一旦被润滑，减速装置的行星齿轮就通过离心作用将热的油抛射到相邻的行星齿轮上。这种油回收有下述多个缺点：减速装置的通风损失增加、行星齿轮的温度升高、咬死裕度降低、换热器选型的油出口温度升高、较高的风油比、较高的耗油量(降低了油箱中的低油位等)等。
解决该问题的方法是在行星齿轮之间布置导流装置或集油器。导流板的用途是将抛射的油转移到排放和回收装置。集油器的用途是收集抛射的油并将其输送到排放和回收装置。
减速装置集油器通常包括主体，该主体包括配置成部分地围绕减速装置的行星齿轮延伸的两个相对的侧面，该集油器还包括内部油循环腔室，该内部油循环腔室连接到位于侧面上的油入口并且连接到至少一个油出口。
该集油器必须高效地将油排出，否则行星齿轮和集油器之间的空间将被油浸透。这会导致行星齿轮上的溅射，并具有与上文所述相同的负面影响。
通过简单、有效和经济的改进，本发明提出了通过集油器来优化油的回收。
发明内容
本发明涉及一种集油器，其用于涡轮机的机械减速装置，所述涡轮机尤其用于飞行器，所述机械减速装置包括主体，所述主体包括两个相对的侧面，所述两个相对的侧面分别配置成部分地围绕减速装置的行星齿轮延伸，所述集油器进一步包括内部油循环腔室，所述内部油循环腔室连接到位于所述侧面上的油入口以及连接到至少一个油出口，其特征在于，所述侧面中的至少一个侧面包括入口的多个行和列，每个入口具有凹部，所述凹部具有逐渐增大的横截面，每个所述凹部由壁限定，并且其中，所述壁中的至少一些壁具有NACA式流体动力学剖面。
行星齿轮的润滑油通过离心作用喷洒到集油器的包括油入口的侧面上。这些具有渐增的通道截面的入口或凹部使得能够限制压力损失、阻力和油向集油器腔室的流动的干扰。由于这些入口在集油器的面上成多列和多行地布置，因此可以同时将相对大的量的油输送到所述腔室。因此，进油口以矩阵或网的形式布置，以使得捕获的行星齿轮抛射出的油的量最大化。
根据本发明，所述壁中的至少一些壁具有流体动力学剖面；具有流体动力学剖面的壁是设计成用于最小化该壁上的流体流动干扰的壁；具有流体动力学剖面的壁的一个例子是具有NACA剖面的壁；在本申请中，NACA剖面是指构造成通过限制压力损失和阻力来确保油流量的流体动力学表面区域；例如，该剖面或表面区域没有棱边，并且包含圆滑部分，以确保油流不受干扰；例如，剖面可以包括具有小的斜率(优选地小于20％)的斜坡。
根据本发明的集油器可包括一个或多个如下所述特征，这些特征可以相互独立或相互组合：
-所述行的数量大于或等于三；
-所述列的数量大于或等于五，并且优选地大于或等于八；
-一行的入口相对于相邻行中的至少一行的入口沿着所述列的排布的方向被偏置；
-偶数行的入口在所述列的排布的方向上彼此对齐，奇数行的入口在所述列的排布的方向上彼此对齐；
-每个所述凹部由壁限定；
-所述壁中的一个壁包括位于所述腔室内的油通道窗口；
-所述凹部的壁包括相互面对的两个侧壁以及斜坡部，所述斜坡部在所述两个侧壁之间延伸并且配置成将油从所述侧面运送到包括所述窗口的底壁；
-所述侧壁朝向所述窗口逐渐远离，使得所述凹部具有朝向所述窗口逐渐张开的形状；
-所述侧壁分别具有非平面且不具有棱边的渐进形状；
-所述侧面中的每个上的入口所占据的表面面积大于该侧面的总的表面面积的50％；
-两个相对的侧面中的每一个都包括入口的多个行和列，每个入口具有凹部，所述凹部具有逐渐增大的横截面；
本发明还涉及一种用于涡轮机的机械减速装置，所述涡轮机尤其用于飞行器，所述机械减速装置包括太阳齿轮、围绕所述太阳齿轮延伸的齿圈以及与所述太阳齿轮和所述齿圈啮合的行星齿轮、如上文所述的布置在所述行星齿轮之间的集油器。
本发明还涉及一种涡轮机，所述涡轮机尤其用于飞行器，所述涡轮机包括如上文所述的机械减速装置。
附图说明
通过参照附图阅读本发明的非限制性实施例的详细说明，其它特征和优点将变得清楚，其中：
图1为使用本发明的涡轮机的示意性轴向截面视图；
图2为机械减速装置的示意性局部轴向截面视图；
图3为机械减速装置的示意性横截面视图；
图4为根据本发明的实施例的集油器的示意性透视图；
图5为图4中的集油器的油入口的示意性放大透视图；
图6是图4的集油器的示意性截面视图；
图7为集油器的油入口的示意性截面视图；
图8为与图7相似的视图，示出了尺寸示例；以及
图9为与图5相似的视图，示出了另外的尺寸示例。
具体实施方式
图1示出了涡轮机1，其通常包括风扇S、低压压缩机1a、高压压缩机1b、环形燃烧室1c、高压涡轮1d、低压涡轮1e和排气喷嘴1h。高压压缩机1b和高压涡轮1d通过高压轴2连接，并形成高压(HP)主体。低压压缩机1b和低压涡轮1d通过低压轴3连接，并形成低压(LP)主体。
风扇S由风扇轴4驱动，该风扇轴通过减速装置6驱动LP轴3。所述减速装置6通常是行星式(planetary type)或游星式(epicyclic type)的。
尽管以下描述是针对行星或游星齿轮减速装置的，但它也适用于机械差动装置，在该机械差装置中，三个部件(即行星架，齿圈和太阳齿轮)是可旋转的，这三部件中的一个的转速尤其取决于其他两个部件的速度差。
减速装置6位于涡轮机的上游部分。在此处，示意性地，包括上游部分5a和下游部分5b(构成发动机壳体或定子5)的固定结构被布置成形成围绕减速装置6的外壳E。在此处，该外壳E在上游在轴承级(bearing level)处通过密封件封闭，所述轴承级允许风扇轴4穿过，该外壳在下游在LP轴3级(level ofthe LP shaft)处通过密封件封闭。
图2示出了减速装置6，根据一些部件是固定的还是可旋转的，其可以而采用不同结构形式。作为输入，减速装置6例如经由内部花键7a连接至LP轴3。因此，LP轴3驱动称为太阳齿轮7的中心小齿轮。常规地，太阳齿轮7的旋转轴线与涡轮机的轴线X相同，太阳齿轮驱动一系列称为行星齿轮8的小齿轮，这些小齿轮围绕旋转轴线X均匀地分布在相同的直径上。该直径等于太阳齿轮7和行星轮8之间的运转中心距离的两倍。对于这种类型的应用，行星齿轮8的数量通常限定为介于三个到七个之间。
所有的行星齿轮8由称为行星架10的框架保持。每个行星齿轮8绕其自身的轴线Y旋转并且与齿圈9啮合。
对于输出，为下述情况：
■对于游星构型，所有行星齿轮8使行星架10绕涡轮机的轴线X
旋转。齿圈经由齿圈架12固定至发动机壳体或定子5，并且行星架10固定至风扇轴4。
■对于行星构型，所有行星齿轮8都由固定在发动机壳体或定子5上的行星架10保持。每个行星齿轮驱动通过齿圈架12连接到风扇轴4的齿圈。
每个行星齿轮8借助于轴承11(例如，滚动轴承或静液压轴承)被可自由旋转地安装。每个轴承11安装在行星架10的轴线10b中的一条上，并且所有的轴线通过行星架10的一个或多个结构框架10a来相对于彼此定位。轴线10b的数量和轴承11的数量等于行星齿轮的数量。出于操作，安装，制造，测试，维修或备件的原因，可以将轴线10b和框架10a分成多个部分。
出于与上述相同的原因，减速装置的齿接8d可以分为多个螺旋，每个螺旋都具有一个中间平面P。在本文的示例中，详细显示了具有分为两个齿圈半部的齿圈的多螺旋减速装置的操作：
■上游齿圈半部9a由轮缘9aa和紧固法兰半部9ab组成。减速装置的齿接的上游螺旋位于轮缘9aa上。所述上游螺旋与行星齿轮8的螺旋啮合，该行星齿轮8与太阳齿轮7的螺旋啮合。
■下游齿圈半部9b由轮缘9ba和紧固法兰半部9bb组成。减速装置的齿接的下游螺旋位于轮缘9ba上。所述下游螺旋与行星齿轮8的螺旋啮合，该行星齿轮8与太阳齿轮7的螺旋啮合。
如果由于齿接的重叠，太阳齿轮7、行星齿轮8和齿圈9之间的螺旋宽度发生变化，则这些螺旋宽度以针对上游螺旋的中间平面P为中心，并且以针对下游螺旋的另一中间平面P为中心。在其它附图中，在双列滚子轴承的情况下，每排滚动元件也以两个中间平面为中心。
上游齿圈9a的紧固法兰半部9ab和下游齿圈9b的紧固法兰半部9bb形成齿圈的紧固法兰9c。举例而言，通过使用螺栓组件将齿圈的紧固法兰9c和齿圈架的紧固法兰12a组装在一起，齿圈9被固定到齿圈架。
图2中的箭头示出了减速装置6中的油的流动。油通过多种方式从定子部分5进入分配器13并进入减速装置6，在此视图中对此将不予赘述，因为它们针对于一种或多种类型的架构。分配器被分为两部分，每部分通常以相同数量的行星齿轮复现(repeated)。喷射器13a具有润滑齿接的功能，而臂13b具有润滑轴承的功能。油进入喷射器13a并通过端部13c流出，以便通过所谓的冷油(HF)润滑行星齿轮8、太阳齿轮7以及齿圈9的齿接(图3)。油也被带到臂13b并通过轴承的馈送口13d流通。然后，油在一个或多个缓冲区域10c中通过轴来流通，然后通过孔口10d流出以润滑行星齿轮的轴承。
由于离心力，用于润滑齿接的所谓的热油HC相对于行星齿轮的轴线Y被径向向外喷洒，如图3所示。为了防止该油对相邻的行星齿轮8的润滑造成干扰，在行星齿轮8之间布置有集油器20。尽管在图3中仅示出了一个集油器20，但是减速装置在两个相邻的行星齿轮之间均包括一个集油器，因此减速装置包括与行星齿轮的数量一样多的集油器，即，在所示示例中包括四个集油器。
图4示出了根据本发明的集油器20的实施例的示例。
集油器20包括主体(在本示例中是一体式的)，该主体包括两个相对的侧面20a，该两个相对的侧面旨在部分地围绕两个相邻的行星齿轮8延伸。有利地，这些侧面具有凹的弯曲形状，该凹的弯曲形状的曲率半径可以以该面20a面向的行星齿轮8的旋转轴线Y为中心。
集油器20还包括顶面20b或径向外部面(在本示例中是平坦的)，该顶面或径向外部面与齿圈9相对地延伸，或在减速装置6的太阳齿轮7和行星齿轮8布置在箱部(cage)中的情况下，该顶面或径向外部面与箱部的壁相对地延伸。
集油器20还包括下部面20c或径向内部面(在本示例中是平坦的)，该下部面或径向内部面与太阳齿轮7相对地延伸。
最后，集油器20包括分别位于上游和下游的两个面20d。如在所示的示例中所描述的，这些面20d中的一者可以包括用于紧固至减速装置的构件22。在上述具有箱部的减速装置的情况下，构件22可以由圆形的盖部形成，该圆形的盖部将覆盖箱部的开口，所述箱部的开口用于使集油器进入并安装在箱部中。所述构件22或所述盖部可以在其外周上具有孔口24，所述构件用于使螺钉穿过以紧固到箱部。
集油器20的相对的面20d可包括公共的油出口26，该公共出油口例如呈管状流体连接喷嘴的形式。例如，该喷嘴可以构造成穿过减速装置箱部中的内腔。
集油器20还包括内部油循环腔室28，该内部油循环腔连接到油出口26和位于面20a上的油入口30。
图6示出了集油器的内部腔室28的非限制性实施例的示例。所述腔室28可包括一个或多个彼此连接的空间。
根据本发明，每个入口30具有逐渐增大的横截面，并且优选地，入口具有至少一个具有流体动力学剖面的壁(并且尤其是NACA剖面)，这些入口以多列和多行的方式布置。
在所示的示例中，集油器20在这些面20a中的每一个上包括三行十个入口30或十列三个入口。因此，在该示例中，集油器20的每个所述面上具有三十个入口30。
当然，举例而言，行和列的数量可以根据入口30和面20a的尺寸而变化。所述行的数量大于或等于三。所述列的数量大于或等于五，并且优选地大于或等于八。
一行的入口30能够相对于相邻行中的至少一行的入口错开。
在所示的示例中，一行中的入口相对于相邻行中的至少一行的入口沿着所述列的排布的方向错开。具体地，偶数行中的入口在所述列的排布的方向上彼此对齐，奇数行中的入口在所述列的排布的方向上彼此对齐。
因此，于两个相邻的入口之间在面20a上流动的油可以被捕获，并流动穿过另一排的入口中的设置在这两个相邻的入口之间的入口。
图5和7以放大视图示出了入口30。
每个入口30包括形成在面20a中的凹部32。所述凹部32由壁32a、32b、32c、32d限定，其中一个壁32c包括位于所述腔室28内的油通道窗口34。所述窗口34例如具有大体上矩形或梯形的形状。
所述凹部32包括相互面对的两个侧壁32a、32b以及形成斜坡部的倾斜壁32d，所述斜坡部在所述两个侧壁32a、32b之间延伸并且配置成将油从所述面20a运送到壁32，所述壁32为底壁并且包括所述窗口34。
优选地，壁32d具有小的斜率(优选地介于5°到30°之间，见图8)，以限制对进入凹部32的油的干扰。图8提供了凹部32的尺寸的示例。凹部32在窗口34的水平面处的高度介于25％x到75％x之间，其中，X为沿相同方向在集油器的面20a(该凹部位于该面20a上)与集油器的内部隔板28a之间测得的高度。该隔板28a尤其可见于图6，并且在集油器的中间平面中延伸，该中间平面在面20a、20b之间延伸。
如图5所示，所述侧壁32a、32b朝向所述窗口34逐渐远离，使得所述凹部32具有朝向所述窗口逐渐张开的大致形状。图9给出了凹部32的壁32a、32b之间的横向尺寸的示例。部分32a2、32b2之间的横向尺寸在150％y和300％y之间，其中，y是部分32a1、32b1之间的横向尺寸。
在所示的示例中，其是具有NACA剖面的侧壁32a、32b。所述侧壁分别具有非平面且不具有棱边(edge)的渐进形状。例如，每个壁32a、32b包括第一凸弯曲部分32a1、32b1，紧随该第一凸弯曲部分的是第二凹弯曲部分32a2、32b2。
如图4所示，入口30可占据相应的面20a的总表面积的50％以上的表面积。还可以看出，包括窗口的壁32c位于集油器的上部面20b一侧。
在运行期间，由于该面的离心力和凹形弯曲的形状，喷洒在每个面20a上的油在该面上径向向外流动，即，沿着从面20c向面20d的方向流动。然后，油可以通过位于面20a上的入口30流入集油器20的腔室28。油首先在倾斜壁32d上流动以及沿壁32a、32b的部分32a1、32b1在该壁32a、32b的部分32a1、32b1上流动，然后它仍然在倾斜壁上流动并且沿壁32a、32b的部分32a2、32b2在该壁32a、32b的部分32a2、32b2上流动，最后到达并流动穿过窗口34。
优选地，两个相对的侧面中的每一个都包括的入口30的多个行和列，每个入口具有凹部32，所述凹部具有逐渐增大的横截面。
本发明具有多个优点，尤其在于：减少了减速装置的通风损失，降低了行星齿轮的温度，针对换热器尺寸设计降低了的油出口温度，降低了风油比等。

Claims (13)

1.一种集油器(20)，用于涡轮机(1)的机械减速装置(6)，所述涡轮机尤其用于飞行器，所述机械减速装置包括主体，所述主体包括两个相对的侧面(20a)，所述两个相对的侧面分别配置成部分地围绕减速装置的行星齿轮(8)延伸，所述集油器进一步包括内部油循环腔室(28)，所述内部油循环腔室连接到位于所述侧面上的油入口(30)以及连接到至少一个油出口(26)，其特征在于，所述侧面中的至少一个侧面包括入口(30)的多个行和列，每个入口具有凹部(32)，所述凹部具有逐渐增大的横截面，每个所述凹部(32)由壁(32a，32b，32c，32d)限定，并且其中，所述壁中的至少一些壁(32a，32b)具有NACA式流体动力学剖面。
2.根据权利要求1所述的集油器(20)，其中，所述行的数量大于或等于三。
3.根据权利要求1或2所述的集油器(20)，其中，所述列的数量大于或等于五，并且优选地大于或等于八。
4.根据前述权利要求中任一项所述的集油器(20)，其中，一行的入口(30)相对于相邻行中的至少一行的入口沿着所述列的排布的方向被偏置。
5.根据权利要求4所述的集油器(20)，其中，偶数行的入口(30)在所述列的排布的方向上彼此对齐，奇数行的入口(30)在所述列的排布的方向上彼此对齐。
6.根据前述权利要求中任一项所述的集油器(20)，其中，所述壁中的一个壁(32c)包括位于所述腔室(28)内的油通道窗口(34)。
7.根据权利要求6所述的集油器(20)，其中，所述凹部(32)的壁(32a，32b，32c，32d)包括相互面对的两个侧壁(32a，32b)以及斜坡部，所述斜坡部在所述两个侧壁之间延伸并且配置成将油从所述侧面(20a)运送到包括所述窗口(34)的底壁(32c)。
8.根据权利要求6和7中任一项所述的减速装置(20)，其中，所述侧壁(32a，32b)朝向所述窗口(34)逐渐远离，使得所述凹部(32)具有朝向所述窗口大致逐渐张开的形状。
9.根据前述权利要求中任一项所述的集油器(20)，其中，所述侧壁(32a，32b，32c，32d)分别具有非平面且不具有棱边的渐进形状。
10.根据前述权利要求中任一项所述的集油器(20)，其中，所述侧面(20a)中的每个上的入口(30)所占据的表面面积大于该侧面的总的表面面积的50％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的集油器(20)，其中，两个相对的侧面(20a)中的每一个都包括入口(30)的多个行和列，每个入口具有凹部(32)，所述凹部具有逐渐增大的横截面，每个所述凹部(32)由壁(32a，32b，32c，32d)限定，所述壁中的至少一些壁(32a，32b)具有NACA式流体动力学剖面。
12.一种用于涡轮机的机械减速装置(6)，所述涡轮机尤其用于飞行器，所述机械减速装置包括太阳齿轮(7)、围绕所述太阳齿轮延伸的齿圈(9)、与所述太阳齿轮和所述齿圈啮合的行星齿轮(8)以及布置在所述行星齿轮之间的根据前述权利要求中任一项所述的集油器(20)。
13.一种涡轮机(1)，尤其用于飞行器，所述涡轮机包括根据权利要求12所述的机械减速装置(6)。
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