CN113357196A - 双圆锥齿轮静子叶片调节机构及其构成的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

公开了一种双圆锥齿轮静子叶片调节机构及其构成的涡轮发动机，该静子叶片调节机构包括：内涵道；外涵道，围绕内涵道并设置在内涵道外；至少一个静子叶片，设置在内涵道和外涵道之间；至少一个齿轮驱动装置，包括驱动轴、以及设置在所述驱动轴上的驱动齿轮；至少一个齿轮传动装置，由所述齿轮驱动装置驱动，并且包括换向齿轮、相对于彼此并排设置在外涵道的圆周上的第一传动齿轮和第二传动齿轮、以及设置在第一传动齿轮和第二传动齿轮之间的多个叶片齿轮，每个叶片齿轮都与第一传动齿轮和第二传动齿轮啮合，其中，驱动轴横跨第一传动齿轮和第二传动齿轮；至少一个位置调节机构，设置在外涵道上，用于调节所述齿轮传动装置沿着外涵道的轴线的位置。

Description

双圆锥齿轮静子叶片调节机构及其构成的涡轮发动机

技术领域

本公开涉及涡轮发动机的叶片调节技术领域，更具体地说，涉及一种双圆锥齿轮静子叶片调节机构及其构成的涡轮发动机。

背景技术

在此提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的背景。在本背景技术部分描述的程度上，当前署名的发明人的工作以及在提交时可能不构成现有技术的描述的各方面，既不明示地也不暗示地被认为是针对本公开的现有技术。

为了提高航空发动机压气机稳定的工作状态，一般的静子叶片都可以实现角度调节，同时每一级的调节的角度不同。航空发动机可调静子叶片调节机构一般通过驱动装置带动连杆机构实现叶片的角度调节。在传统结构中采用作动筒、四连杆机构和联动环等组成，由于传动环节复杂、零件数量多会导致误差的累积，因此在叶片角度调节过程中会出现卡死问题，这一问题直接影响到航空发动机的工作性能和寿命。

发明内容

因此，亟待一种高性能和高准确性的静子叶片调节机构，以解决上述现有技术中的不足。

本申请提供了一种静子叶片调节机构，其包括：内涵道；外涵道，围绕内涵道并设置在内涵道外；至少一个静子叶片，设置在内涵道和外涵道之间；齿轮驱动装置，包括驱动轴、以及设置在所述驱动轴上的驱动齿轮；至少一个齿轮传动装置，由所述齿轮驱动装置驱动，并且包括换向齿轮、相对于彼此并排设置在外涵道的圆周上的第一传动齿轮和第二传动齿轮、以及设置在第一传动齿轮和第二传动齿轮之间的多个叶片齿轮，其中，驱动轴横跨第一传动齿轮和第二传动齿轮，所述叶片齿轮经由第一传动齿轮和第二传动齿轮被驱动齿轮驱动；至少一个位置调节机构，设置在外涵道上，用于调节所述齿轮传动装置沿着外涵道的轴线的位置。

在本申请的一个示例性实施例中，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮悬浮于外涵道的外表面上。

在本申请的一个示例性实施例中，第一传动齿轮包括第一连接齿轮，第二传动齿轮包括第二连接齿轮，第一连接齿轮和第二连接齿轮相对地设置，使得第一传动齿轮和第二传动齿轮的运动方向相反。

在本申请的一个示例性实施例中，所述驱动齿轮为一个圆锥齿轮。

在本申请的一个示例性实施例中，所述多个叶片齿轮均连接到静子叶片，以通过所述叶片齿轮的旋转角度调节静子叶片的转动角度。

在本申请的一个示例性实施例中，通过改变多组静子叶片调节机构中不同组中的驱动齿轮和传动齿轮之间的齿轮传动比或者不同组中的第一传动齿轮和第一传动齿轮与叶片齿轮之间的齿轮传动比，来改变不同组的静子叶片的叶片调节角度。

在本申请的一个示例性实施例中，所述换向齿轮为两个相对设置的同轴齿轮。

在本申请的一个示例性实施例中，所述驱动齿轮和所述换向齿轮均为圆锥齿轮。

在本申请的一个示例性实施例中，第一传动齿轮和第二传动齿轮均为圆锥齿轮，所述叶片齿轮为圆锥齿轮。

在本申请的一个示例性实施例中，所述多个叶片齿轮沿着外涵道的圆周方向设置在第一传动齿轮和第二传动齿轮之间。

在本申请的一个示例性实施例中，所述齿轮驱动装置和所述齿轮传动装置沿着外涵道的轴线设置为多组，其中，所述齿轮驱动装置的驱动轴为同轴设置，每组中的多个叶片齿轮的旋转角度均相同。

在本申请的一个示例性实施例中，位置调节机构包括轴承座、设置在轴承座上且与所述齿轮传动装置接触的轴承、以及将轴承座相对于所述支座固定的紧定构件。

在本申请的一个示例性实施例中，所述位置调节机构还包括设置在外涵道上的支座以及能够调节轴承座相对于所述支座的位置的弹簧，所述轴承座能够在所述支座内平移。

在本申请的一个示例性实施例中，所述静子叶片调节机构还包括与驱动轴连接的编码器以及液压马达，所述编码器和液压马达形成闭环控制并为液压马达提供信号反馈。

在本申请的一个示例性实施例中，多个叶片齿轮均连接到静子叶片，以通过所述叶片齿轮的旋转角度调节对应的静子叶片的转动角度。

本申请的另一方面提供了一种涡轮发动机，包括上述任一个静子叶片调节机构。

通过以下结合附图及其说明对优选实施例的描述，本公开的这些和其它方面将变得显而易见，但是在不脱离本公开的新颖概念的精神和范围的情况下可以对其进行变化和修改。

附图说明

从详细描述和附图中将更充分地理解本公开。这些附图示出了本公开的一个或多个实施例，并且与书面描述一起用于解释本公开的原理。在可能的情况下，在所有附图中使用相同的附图标记来表示实施例的相同或相似的元件，并且其中：

图1是根据本公开的一示例性实施例的多级静子叶片调节机构的整体示意图。

图2是根据本公开的一示例性实施例的静子叶片调节机构的局部放大示意图。

图3是根据本公开的一示例性实施例的静子叶片调节机构的局部放大示意图。

图4是根据本公开的一示例性实施例的多级静子叶片调节机构的侧视图。

图5是根据本公开的一示例性实施例的多级静子叶片调节机构的剖视图。

图6是换向齿轮的局部放大示图。

图7是根据本公开的一示例性实施例的静子叶片的示意图。

图8是根据本公开的一示例性实施例的位置调节机构的剖视图。

具体实施方式

以下，将参考附图对本公开进行更加充分的描述，其中示出了本公开的示例性实施方式。然而，本公开可以以不同的实施方式来实施，而不应被解释为限于这里所描述的实施方式。本公开提供的这些实施方式是为了使得本公开更彻底、完整，并且向本领域的技术人员充分传达本公开的范围。在附图中，为清楚起见，可以将层的厚度和区域放大。在整个说明书中，相同的参考标号用来表示相同的元件。对于不同的实施方式，元件可以具有不同的相互关系和不同的位置。

本申请中的静子叶片调节机构采用了双圆锥齿轮传送，每级叶片都有一组齿轮正反向驱动，大大提高了每个静子叶片的侧向刚度，不会出现侧移，减少了传动环节，降低了误差的累积，并且可以有效解决目前航空发动机的静子叶片调节过程中的卡死问题。此外，本申请中的位置调节装置可以实现发动机在高温状态下热变形的误差补偿，大大提高了系统的稳定性，并提高航空发动机的使用寿命，降低航空发动机的维护成本。

图1是根据本公开的一示例性实施例的多级静子叶片调节机构的整体示意图。图2是根据本公开的一示例性实施例的静子叶片调节机构的局部放大示意图。图3是根据本公开的一示例性实施例的静子叶片调节机构的放大示意图。图4是根据本公开的一示例性实施例的多级静子叶片调节机构的侧视图。图5是根据本公开的一示例性实施例的多级静子叶片调节机构的剖视图。

如图1至图5所示，本公开的静子叶片调节机构1包括：内涵道5；外涵道6(包括中间涵道)，围绕内涵道5并设置在内涵道5外；至少一个静子叶片7，设置在内涵道5和外涵道6之间；至少一个齿轮驱动装置2，包括驱动轴21、以及设置在所述驱动轴21上的驱动齿轮22；至少一个齿轮传动装置3，由所述齿轮驱动装置2例如驱动齿轮22驱动，并且包括换向齿轮324、相对于彼此并排设置在外涵道6的圆周上的第一传动齿轮31和第二传动齿轮32、以及设置在第一传动齿轮31和第二传动齿轮32之间的多个叶片齿轮33，其中，驱动轴21横跨第一传动齿轮31和第二传动齿轮32，叶片齿轮33经由第一传动齿轮31和第二传动齿轮32被驱动齿轮22驱动；至少一个位置调节机构4，设置在外涵道6上，用于调节所述齿轮传动装置3沿着外涵道6的轴线的位置。

本实施例中驱动装置可以仅有一个驱动齿轮22，而且第一传动齿轮31、第二传动齿轮32和叶片齿轮33的齿均采用圆锥齿轮，并且第一传动齿轮31和第二传动齿轮32为与叶片齿轮33旋转方向相反的锥形齿。在外涵道6相对的圆周侧可以设置两个多级静子叶片调节机构1。圆锥齿轮的啮合性好，传动平稳。同时斜齿传动可以将旋转齿轮的驱动力矩分解到轴向方向，降低旋转齿轮的驱动力矩，因此可以选择更小转矩的驱动马达。

图6是换向齿轮的局部放大示图。如图1至图6所示，所述换向齿轮324的旋转轴3241固定到压气机外涵道6，换向齿轮324通过衬套3242围绕旋转轴3241旋转，紧固件3243例如螺母可以将衬套3242固定在旋转轴3241上，并且与第一连接齿轮311和第二连接齿轮322啮合，这样实现第一传动齿轮31和第二传动齿轮32悬浮在外涵道6上。所述驱动齿轮22和换向齿轮324均为圆锥齿轮。所述换向齿轮324为两个，换向齿轮324-1和换向齿轮324-2是相对设置的同轴齿轮。第一传动齿轮31和第二传动齿轮32的齿可以为直齿或斜齿，相应的，叶片齿轮33的齿也可以为直齿或斜齿。

驱动齿轮22的转动带动换向齿轮324-1的转动，从而实现换向，与换向齿轮324-1同轴的换向齿轮324-2的转动可以带动第一传动齿轮31和第二传动齿轮32以相对相反的方向转动，从而实现叶片齿轮33的转动。采用锥齿轮传动可以直接实现第一传动齿轮31和第二传动齿轮32的相反转动，从而带动叶片齿轮33的转动。

在本申请的一实施例中，第一传动齿轮31和第二传动齿轮32结构可以相同，也可以不同。在本实施例中，第一传动齿轮31和第二传动齿轮32大致呈圆环状，第一传动齿轮31的环形部分312的内径和第二传动齿轮32的环形部分325的内径均稍大于外涵道6的外径，从而可以围绕内涵道5或者外涵道6的轴线转动，并且悬浮于外涵道6的外表面之上，环形部分312和325的内径与外涵道6的外径可以相差几毫米，例如3-6毫米。在其他实施例中，第一传动齿轮31和第二传动齿轮32(或者说静子叶片调节机构)还可以设置在中间涵道上或者除内涵道以外的涵道上；换言之，外涵道6包括了中间涵道和设置在最外面的外涵道。换言之，第一传动齿轮31的环形部分312和第二传动齿轮32的环形部分325在它们的径向方向上并没有限位，仅在外涵道6的轴向上通过位置调节机构4对第一传动齿轮31和第二传动齿轮32进行限制。

图7是根据本公开的一示例性实施例的静子叶片的示意图。在本申请的一实施例中，静子叶片7的轴可以固定到外涵道6和内涵道5，在外涵道6的圆周方向上设置多个叶片齿轮33，每个叶片齿轮33均连接到静子叶片7，以通过所述叶片齿轮33的旋转调节静子叶片7的转动角度。每个叶片齿轮33都与第一传动齿轮31和第二传动齿轮32啮合，由于第一传动齿轮31和第二传动齿轮32的旋转方向相反，从而使得每个叶片齿轮33的旋转方向都相同。因此，本公开通过双向齿轮传动准确地调节了每个静子叶片的角度，并且有效地解决目前航空发动机静子叶片调节过程中的卡死问题。

在本申请的一实施例中，静子叶片调节机构1可以沿着外涵道6设置为多组以调节不同级的静子叶片。驱动齿轮装置可以通过键可以连接固定在同一根驱动轴21上。每组中的多个叶片齿轮33的旋转角度相同。通过改变不同组的齿轮驱动装置2与齿轮传动装置3之间的齿轮传动比或者齿轮传动装置3与叶片齿轮33之间的齿轮传动比，来改变不同级数的或不同组的静子叶片的叶片调节角度。

在本申请的一实施例中，齿轮驱动装置2包括液压马达9，该液压马达9可以通过支撑座91固定在外涵道6上，该支撑座91还可以形成对整个齿轮驱动装置2的支撑，液压马达9的输出轴可以通过联轴器92与驱动轴21连接，液压马达9可以由发动机的液压泵提供动力。本公开的液压马达直驱装置减少了驱动的环节，大大减少了误差的累积。

图8是根据本公开的一示例性实施例的位置调节机构的剖视图。如图1至图8所示，位置调节机构4包括：设置在外涵道6上的支座41、能够在支座41内平移的轴承座42、设置在轴承座42上且与第一和/或第二齿轮传动装置2、3接触的轴承43、将轴承座42固定的紧定构件例如紧定螺钉44以及调整轴承座42在支座41内的位置的弹簧45。本实施例中的轴承43可以是滚针轴承，弹簧45可以设置在支座41内并与轴承座42相接触，并位于紧定螺钉44附近。本公开中的位置调节装置可以实现发动机在高温状态下热变形的误差补偿，大大提高了系统的稳定性。

在本申请的一实施例中，静子叶片调节机构1还包括与驱动轴21连接的编码器(未示出，例如，编码器可以位于驱动轴的与液压马达相反的一端)，编码器通过联轴器92与驱动轴21固定连接，编码器通过支撑座91与外涵道6固定连接。编码器的实时角度值作为液压马达9的驱动的反馈，形成闭环控制，提高系统的精度。

还应当理解的是，当将一个层称为位于另一层“上”时，其可以直接位于另一层上，或也可以有介入层；还应当理解的是，当将一个元件(如层、区域)称作在另一元件“上”、“连接至”、“电连接至”、“耦接至”或“电耦接至”另一个元件时，其可以直接在其他元件上，直接连接或耦接至其他元件，或者也可有一个或多个介入元件。相对地，当将一个元件称作“直接位于”另一元件或层上、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层，则不存在介入元件或层。

这里使用的术语仅用于本公开的示例性目的，不应被解释为限制本公开的含义或范围。如在本说明书中所使用的，除非在上下文中明确表示具体示例，否则单数形式可以包括复数形式。而且，本说明书中使用的表述“包括”和/或“包括”既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、元件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、操作、构件、元件和/或它们的组，或加入这些。为便于描述，这里使用诸如“在…之上”、“在…上方”、“上部”、“在…之下”、“在…之下”、“在…下面”、“下部”等的空间相关术语，以描述如图中所示的一个元件或特征与另一元件(元件)或一个特征(特征)之间的关系。应当理解的是，除了图中说明的定向外，空间相关术语旨在包括使用或运行中的装置(如封装)的不同的定向。例如，如果图中的装置翻转，被描述为在其他元件或特征下面、之下或之下的元件被定向在为另一元件或特征之上或上方。因此，示例性术语“在…之上”可以包括“在…上方”和“在…下面”的定向。

如这里所使用的，诸如“第一”、“第二”等的术语用于描述各种构件、组件、区域、层和/或部分。然而，很明显，构件、组件、区域、层和/或部分不应该由这些术语限定。这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另外的构件、组件、区域、层或部分进行区分。因此，将要描述第一构件、组件、区域、层或部分也可以指第二构件、组件、区域、层或部分，而不脱离本公开的范围。

本公开的示例性实施例的以上描述仅出于说明和描述的目的而呈现，并且不旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了解释本公开的原理及其实际应用，以便使本领域的其他技术人员能够利用本公开和各种实施例，并且具有适合于所构想的特定用途的各种修改。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，替换实施例对于本公开所属领域的技术人员将变得显而易见。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是由前述描述和其中描述的示例性实施例来限定。

Claims (16)

1.一种静子叶片调节机构，包括：

内涵道；

外涵道，围绕内涵道并设置在内涵道外；

至少一个静子叶片，设置在内涵道和外涵道之间；

至少一个齿轮驱动装置，包括驱动轴和设置在所述驱动轴上的驱动齿轮；

至少一个齿轮传动装置，由所述齿轮驱动装置驱动，并且包括换向齿轮、相对于彼此并排设置在外涵道的圆周上的第一传动齿轮和第二传动齿轮、以及设置在第一传动齿轮和第二传动齿轮之间的多个叶片齿轮，其中，驱动轴横跨第一传动齿轮和第二传动齿轮，所述叶片齿轮经由第一传动齿轮和第二传动齿轮被驱动齿轮驱动；

至少一个位置调节机构，设置在外涵道上，用于调节所述齿轮传动装置沿着外涵道的轴线的位置。

2.如权利要求1所述的静子叶片调节机构，其中，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮悬浮于外涵道的外表面上。

3.如权利要求2所述的静子叶片调节机构，其中，第一传动齿轮包括第一连接齿轮，第二传动齿轮包括第二连接齿轮，第一连接齿轮和第二连接齿轮相对地设置，使得第一传动齿轮和第二传动齿轮的运动方向相反。

4.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，所述驱动齿轮为一个圆锥齿轮。

5.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，所述多个叶片齿轮均连接到静子叶片，以通过所述叶片齿轮的旋转角度调节静子叶片的转动角度。

6.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，通过改变多组静子叶片调节机构中不同组中的驱动齿轮和传动齿轮之间的齿轮传动比或者不同组中的第一传动齿轮和第一传动齿轮与叶片齿轮之间的齿轮传动比，来改变不同组的静子叶片的叶片调节角度。

7.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，所述换向齿轮为两个相对设置的同轴齿轮。

8.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，所述驱动齿轮和所述换向齿轮均为圆锥齿轮。

9.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，第一传动齿轮和第二传动齿轮均为圆锥齿轮，所述叶片齿轮为圆锥齿轮。

10.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，所述多个叶片齿轮沿着外涵道的圆周方向设置在第一传动齿轮和第二传动齿轮之间。

11.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，所述齿轮驱动装置和所述齿轮传动装置沿着外涵道的轴线设置为多组，其中，所述齿轮驱动装置的驱动齿轮为同轴设置，每组中的多个叶片齿轮的旋转角度均相同。

12.如权利要求1-3-中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，位置调节机构包括轴承座、设置在轴承座上且与所述齿轮传动装置接触的轴承、以及将轴承座相对于所述支座固定的紧定构件。

13.如权利要求12所述的静子叶片调节机构，其中，所述位置调节机构还包括设置在外涵道上的支座以及能够调节轴承座相对于所述支座的位置的弹簧，所述轴承座能够在所述支座内平移。

14.如权利要求1-3所述的静子叶片调节机构，其中，所述静子叶片调节机构还包括与驱动轴连接的编码器以及液压马达，所述编码器和液压马达形成闭环控制并为液压马达提供信号反馈。

15.如权利要求1-3中任一项所述的静子叶片调节机构，其中，多个叶片齿轮均连接到静子叶片，以通过所述叶片齿轮的旋转角度调节对应的静子叶片的转动角度。

16.一种涡轮发动机，包括上述任一项所述的静子叶片调节机构。

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