CN113374799B - 带阻尼减震的传扭结构和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带阻尼减震的传扭结构，发动机涡轮转子高速旋转产生的转矩依次通过涡轮轴、传扭轴和附件传动轴传递给附件传动结构，在高速旋转传递转矩的过程中，涡轮轴的第一变形间隙使传扭轴的变形段有充足的变形空间在转矩的作用下发生弹性形变以使得涡轮轴和附件传动轴同心转动，进而提高传递效率；同时由于变形段变形时会挤压弹性件，因此，弹性件受挤压变形后会对变形段施加相应的弹性力，以限制变形段变形的幅度，进而降低高速旋转时转动的幅度，从而有效降低传扭结构的振动水平，提高传扭结构的使用寿命和可靠性。本方案结构简单、成本低且实用性强，适于广泛推广和应用。本发明还公开一种包括上述带阻尼减震的传扭结构的航空发动机。

Description

带阻尼减震的传扭结构和航空发动机

技术领域

本发明涉及传扭结构技术领域，特别地，涉及一种带阻尼减震的传扭结构。此外，本发明还涉及一种包括上述带阻尼减震的传扭结构的航空发动机。

背景技术

传扭结构广泛应用于需要传递动力的机械结构之中，现有的应用于航空发动机及辅助动力装置的传扭结构通常为花键传扭结构，这是由于航空发动机具备重量轻、转速高、功率大的工作特点，其传扭结构需要尺寸紧凑、传扭大、转子动力学特性良好、高转速下变形小，并且能够在设计转速范围内稳定工作等特点，因此与花键传扭结构具备的接触面积大、承载能力大、对中性好等特点相适配。

而小型的航空发动机及辅助动力装置具备扭矩大、尺寸紧凑且传扭轴细长的特点，其使用花键传扭时存在以下缺点：1.传扭轴细长，使用花键传扭时需要保证足够的接触面积，为保证选取的花键能够正常传扭，则涡轮轴需要较大的外径尺寸，导致辅助动力装置转子系统及流道件尺寸增大，整机重量升高，给整机减重带来较大的难度；2.涡轮轴、附件传动轴需要加工小尺寸内外花键，结构复杂，成本高；3.花键不具备定心功能，需要加工定心面，才能保证涡轮轴、附件传动轴的同心，结构复杂，成本高。

发明内容

本发明提供了一种带阻尼减震的传扭结构和航空发动机，以解决现有的应用于小型的航空发动机及辅助动力装置中的传扭结构重量大、结构复杂且成本高的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种带阻尼减震的传扭结构，用于将涡轮转子工作时产生的扭矩传递给附件传动结构，包括用于连接涡轮转子的涡轮轴、用于连接附件传动结构的附件传动轴以及设于涡轮轴和附件传动轴之间的用于传递扭矩的传扭轴，传扭轴包括与涡轮轴连接的第一连接段、与附件传动轴连接的第二连接段以及设于第一连接段和第二连接段之间的用于通过弹性变形以使涡轮轴和附件传动轴同心的变形段；涡轮轴的动力输出端沿轴向向内依次开设有用于容纳变形段的第一变形腔以及用于插接装配第一连接段的第一连接腔，第一变形腔内壁面与变形段外壁面之间设有用于满足变形段弹性变形的第一变形间隙； 带阻尼减震的传扭结构还包括位于涡轮轴的动力输出端的端部且与变形段相接触的用于降低变形段变形幅度的弹性件。

进一步地，第二连接段和变形段之间设有用于涡轮转子超转后断裂以保护附件传动结构的保护段，保护段的外径分别小于第二连接段的外径和小于变形段的外径。

进一步地，第一变形腔内壁面设有用于容纳弹性件的容纳槽，所述容纳槽靠近涡轮轴的动力输出端布设，弹性件为套设于变形段上的胶圈，容纳槽为第一变形腔内壁面径向凹陷形成的环形槽，胶圈的环圈外径尺寸为1.0-4.0mm。

进一步地，传扭轴的长径比为15-40。

进一步地，附件传动轴的动力输出端沿轴向向内依次开设有用于容纳变形段的第二变形腔以及用于插接装配第二连接段的第二连接腔，第二变形腔的内壁面和变形段的外壁面之间设有用于满足变形段弹性变形的第二变形间隙。

进一步地，第一变形间隙的径向宽度尺寸为0.5-4.0mm，第二变形间隙的径向宽度尺寸为0.5-4.0mm。

进一步地，第一连接段设置为用于连接第一连接腔的第一方形头，第二连接段设置为用于连接第二连接腔的第二方形头，第一方形头的方形面与第二方形头的方形面彼此错位布设；带阻尼减震的传扭结构还包括与涡轮轴的动力输入端连接的第一定位轴承以及与附件传动轴的动力输出端连接的第二定位轴承；第一方形头用于限制涡轮轴和传扭轴之间的相对周向转动，第二方形头用于限制附件传动轴和传扭轴之间的相对周向转动，第一定位轴承和第二定位轴承用于限制涡轮轴、附件传动轴和传扭轴之间的轴向移动，第一方形头、第二方形头、第一定位轴承和第二定位轴承的共同作用用于实现涡轮轴、附件传动轴和传扭轴之间的连接稳固。

进一步地，第一方形头为四方头、五方头或者六方头；和/或第二方形头为四方头、五方头或者六方头。

进一步地，第一连接腔设有与第一方形头相适配的第一方形盲孔， 第一方形盲孔的平面度为0.00mm-0.09mm；和/或第二连接腔设有与第二方形头相适配的第二方形盲孔，第二方形盲孔的平面度为0.00mm-0.09mm。

根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机，其包括上述的带阻尼减震的传扭结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明的带阻尼减震的传扭结构，发动机涡轮转子高速旋转产生的转矩依次通过涡轮轴、传扭轴和附件传动轴传递给附件传动结构，在高速旋转传递转矩的过程中，涡轮轴与变形段之间的第一变形间隙使传扭轴的变形段有充足的变形空间，在转矩的作用下变形段发生弹性形变以使得涡轮轴和附件传动轴同心转动，进而提高转矩的传递效率；同时由于变形段变形时会挤压弹性件，因此，弹性件受挤压变形后会对变形段施加相应的弹性力，以限制变形段变形的幅度，进而降低高速旋转时转动的幅度，从而有效降低传扭结构的振动水平，提高传扭结构的使用寿命和可靠性。本方案相对于花键传扭结构无需增大涡轮轴的外径，有效降低航空发动机的重量，同时也无需加工内、外花键和定心面，结构简单、成本低，实用性强，适于广泛推广和应用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构中涡轮轴的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构中附件传动轴的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构中传扭轴的结构示意图。

图例说明：

1、涡轮轴；11、第一变形腔； 12、第一连接腔；13、容纳槽；2、附件传动轴；21、第二变形腔； 22、第二连接腔；3、传扭轴；31、第一连接段；32、第二连接段；33、变形段；34、保护段；4、弹性件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构的结构示意图；图2是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构中涡轮轴的结构示意图；图3是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构中附件传动轴的结构示意图；图4是本发明优选实施例的带阻尼减震的传扭结构中传扭轴的结构示意图。

如图1所示，本实施例的带阻尼减震的传扭结构，用于将涡轮转子工作时产生的扭矩传递给附件传动结构，包括用于连接涡轮转子的涡轮轴1、用于连接附件传动结构的附件传动轴2以及设于涡轮轴1和附件传动轴2之间的用于传递扭矩的传扭轴3，传扭轴3包括与涡轮轴1连接的第一连接段31、与附件传动轴2连接的第二连接段32以及设于第一连接段31和第二连接段32之间的用于通过弹性变形以使涡轮轴1和附件传动轴2同心的变形段33；涡轮轴1的动力输出端沿轴向向内依次开设有用于容纳变形段33的第一变形腔11以及用于插接装配第一连接段31的第一连接腔12，第一变形腔11内壁面与变形段33外壁面之间设有用于满足变形段33弹性变形的第一变形间隙；带阻尼减震的传扭结构还包括位于涡轮轴1的动力输出端的端部且与变形段33相接触的用于降低变形段33变形幅度的弹性件4。具体地，本发明的带阻尼减震的传扭结构，发动机涡轮转子高速旋转产生的转矩依次通过涡轮轴1、传扭轴3和附件传动轴2传递给附件传动结构，在高速旋转传递转矩的过程中，涡轮轴1的第一变形间隙使传扭轴3的变形段33有充足的变形空间以在转矩的作用下发生弹性形变使得涡轮轴1和附件传动轴2同心转动，进而提高转矩的传递效率；同时由于变形段33变形时会挤压弹性件4，因此，弹性件4受挤压变形后会对变形段33施加相应的弹性力，以限制变形段33变形的幅度，进而降低高速旋转时转动的幅度，从而有效降低传扭结构的振动水平，提高传扭结构的使用寿命和可靠性。本方案相对于花键传扭结构无需增大涡轮轴的外径，有效降低航空发动机的重量，同时也无需加工内、外花键和定心面，结构简单、成本低，实用性强，适于广泛推广和应用。

如图4所示，本实施例中，第二连接段32和变形段33之间设有用于涡轮转子超转后断裂以保护附件传动结构的保护段34，保护段34的外径分别小于第二连接段32的外径和小于变形段33的外径。具体地，由于转矩在传扭轴2上是从第一连接段31传递至第二连接段32上的，在变形段33上沿轴向距离第一连接段31越远的部分受到转矩越大，因此，通过在第二连接段32和变形段33之间设置保护段34，以在涡轮转子超转后断裂，进而保护附件传动结构不受损坏，同时，由于保护段34的外径分别小于第二连接段32的外径和小于变形段33的外径，而外径越小越容易断裂，从而增强保护段34的保护作用。

如图1和图2所示，本实施例中，第一变形腔11内壁面设有用于容纳弹性件4的容纳槽13，容纳槽13靠近涡轮轴1的动力输出端布设，弹性件4为套设于变形段33上的胶圈，容纳槽13为第一变形腔11内壁面径向凹陷形成的环形槽，胶圈的环圈外径尺寸为1.0-4.0mm。具体地，弹性件4套设于变形段33上，使得变形段33无论发生什么方向上的弹性变形都会挤压弹性件4，以使弹性件4产生相应的弹性力限制变形段33的变形幅度，进而降低传扭结构的振动水平，从而改善传扭结构的动力学性能。应当理解的是，当胶圈的外径范围过小时，胶圈受挤压时提供的弹性力过小，导致胶圈无法限制变形段33的变形幅度，降低传扭结构的振动水平；当胶圈的外径范围过大时，胶圈受挤压时提供的弹性力相应变大，导致变形段33的变形幅度过小而使得涡轮轴1和附件传动轴2不能同心转动，降低了传递效率，同时，由于胶圈安装于涡轮轴1的动力输出端的端内，胶圈的外径范围增大，涡轮轴1的外径也需要增大，导致传扭结构尺寸增大，重量升高，给传扭结构的减重带来较大的难度。

如图4所示，本实施例中，传扭轴3的长径比为15-40。具体地，传扭轴3的长径比在15-40之间，可保证传扭轴的刚度合适，同时较大的长径比使得传扭轴的变形量增大，通过传扭轴的大变形量减轻冲击载荷，有效降低转矩传递时传扭结构的振动水平。应当理解的是，当传扭轴3的长径比过小时，由于无法提高足够的变形量减轻冲击载荷，而无法降低转矩传递时传扭结构的振动水平；当传扭轴3的长径比过大时，传扭轴的刚度过小，工作时容易断裂，导致传扭结构的可靠性下降。

如图1和图3所示，本实施例中，附件传动轴2的动力输出端沿轴向向内依次开设有用于容纳变形段33的第二变形腔21以及用于插接装配第二连接段32的第二连接腔22，第二变形腔21的内壁面和变形段33的外壁面之间设有用于满足变形段33弹性变形的第二变形间隙。具体地，通过第二变形腔21增加传扭轴3上变形段33的长度占比，以在传扭轴3长度一定时，提高变形段33的可变形量，进而通过传扭轴的大变形量减轻冲击载荷，有效降低转矩传递时传扭结构的振动水平；且当变形段33位于第二变形腔21内时，第二变形间隙满足变形段33弹性变形的同时，第二变形腔21的内壁也会相应地限制变形段33的变形幅度，有效降低转矩传递时传扭结构的振动水平。

如图1所示，本实施例中，第一变形间隙的径向宽度尺寸为0.5-4.0mm，第二变形间隙的径向宽度尺寸为0.5-4.0mm。应当理解的是，当第一变形间隙的径向宽度过小时，变形段33没有足够的变形空间发生弹性形变，变形段33的变形量过小，不具备补足涡轮轴1和附件传动轴2不同心的功能；当第一变形间隙的径向宽度过大时，变形段33的变形空间过大，导致变形段33的变形幅度过大，进而使得转矩传递时传扭结构的振动过大，且变形段33受到的冲击载荷增加而容易断裂，使得传扭结构的可靠性下降。

如图1和图4所示，本实施例中，第一连接段31设置为用于连接第一连接腔12的第一方形头，第二连接段32设置为用于连接第二连接腔22的第二方形头，第一方形头的方形面与第二方形头的方形面彼此错位布设；带阻尼减震的传扭结构还包括与涡轮轴1的动力输入端连接的第一定位轴承以及与附件传动轴2的动力输出端连接的第二定位轴承；第一方形头用于限制涡轮轴1和传扭轴3之间的相对周向转动，第二方形头用于限制附件传动轴2和传扭轴3之间的相对周向转动，第一定位轴承和第二定位轴承用于限制涡轮轴1、附件传动轴2和传扭轴3之间的轴向移动，第一方形头、第二方形头、第一定位轴承和第二定位轴承的共同作用用于实现涡轮轴1、附件传动轴2和传扭轴3之间的连接稳固。具体地，第一方形头限制涡轮轴1和传扭轴3之间的周向转动，在涡轮转子转动时，以将转矩从涡轮轴1传递至传扭轴3上；第二方形头限制附件传动轴2和传扭轴3之间的周向转动，以将转矩从传扭轴3传递至附件传动轴2上；同时由于第一方形头的方形面与第二方形头的方形面彼此错位布设，而在方形面上不同轴线到传扭轴的距离不同，进而使得不同轴线上的转矩也不同，因此通过错位布设的方形面以改变从第二方形头传递至第一方形头上的不同轴线上的转矩大小，进而使转矩传递均匀，有效改善转矩传递时的稳定性和传扭结构的力学性能。

如图4所示，本实施例中，第一方形头为四方头、五方头或者六方头；和/或第二方形头为四方头、五方头或者六方头。具体地，由于方形面上不同轴线到传扭轴的距离不同，进而使得不同轴线上的转矩也不同，而方形头的方形面数越多，同一方形面上不同轴线到传扭轴的距离之间的偏差越小，因此多方头的第一方形头和第二方形头能使转矩传递均匀，有效改善转矩传递时的稳定性和传扭结构的力学性能。

如图1和图4所示，本实施例中，第一连接腔12设有与第一方形头相适配的第一方形盲孔， 第一方形盲孔的平面度为0.00mm-0.09mm；和/或第二连接腔22设有与第二方形头相适配的第二方形盲孔，第二方形盲孔的平面度为0.00mm-0.09mm。具体地，第一方形头和第一方形盲孔通过相互贴合的方形面传递转矩，而第一方形盲孔可采用电火花精密加工，平面度高且工艺简单；第二方形头和第二方形盲孔通过相互贴合的方形面传递转矩，而第二方形盲孔可采用电火花精密加工，平面度高且工艺简单。应当理解的是，当第一方形盲孔的平面度过大时，使得第一方形盲孔的方形面和第一方形头的方形面接触面面积减少，转矩的传递效率下降，涡轮轴1和传扭轴3之间的装配精度下降，传扭结构的可靠性降低；当第二方形盲孔的平面度过大时，使得第二方形盲孔的方形面和第二方形头的方形面接触面面积减少，转矩的传递效率下降，传扭轴3和附件传动轴之间的装配精度下降，传扭结构的可靠性降低。

本实施例的航空发动机，包括上述的带阻尼减震的传扭结构。应当理解的是，当带阻尼减震的传扭结构应用于航空发动机时，可降低航空发动机的振动水平和重量，增加航空发动机的动力传递效率和动力学性能，提高航空发动机的使用寿命和可靠性，适于广泛推广和应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带阻尼减震的传扭结构，用于将涡轮转子工作时产生的扭矩传递给附件传动结构，包括用于连接涡轮转子的涡轮轴（1）、用于连接附件传动结构的附件传动轴（2）以及设于涡轮轴（1）和附件传动轴（2）之间的用于传递扭矩的传扭轴（3），其特征在于，

传扭轴（3）包括与涡轮轴（1）连接的第一连接段（31）、与附件传动轴（2）连接的第二连接段（32）以及设于第一连接段（31）和第二连接段（32）之间的用于通过弹性变形以使涡轮轴（1）和附件传动轴（2）同心的变形段（33）；

涡轮轴（1）的动力输出端沿轴向向内依次开设有用于容纳变形段（33）的第一变形腔（11）以及用于插接装配第一连接段（31）的第一连接腔（12），第一变形腔（11）内壁面与变形段（33）外壁面之间设有用于满足变形段（33）弹性变形的第一变形间隙；

带阻尼减震的传扭结构还包括位于涡轮轴（1）的动力输出端的端部且与变形段（33）相接触的用于降低变形段（33）变形幅度的弹性件（4）；

第一变形腔（11）内壁面设有用于容纳弹性件（4）的容纳槽（13），所述容纳槽（13）靠近涡轮轴（1）的动力输出端布设，弹性件（4）为套设于变形段（33）上的胶圈，容纳槽（13）为第一变形腔（11）内壁面径向凹陷形成的环形槽，胶圈的环圈外径尺寸为1.0-4.0mm；

传扭轴（3）的长径比为15-40；

附件传动轴（2）的动力输出端沿轴向向内依次开设有用于容纳变形段（33）的第二变形腔（21）以及用于插接装配第二连接段（32）的第二连接腔（22），第二变形腔（21）的内壁面和变形段（33）的外壁面之间设有用于满足变形段（33）弹性变形的第二变形间隙；

第一变形间隙的径向宽度尺寸为0.5-4.0mm，第二变形间隙的径向宽度尺寸为0.5-4.0mm。

2.根据权利要求1所述的带阻尼减震的传扭结构，其特征在于，第二连接段（32）和变形段（33）之间设有用于涡轮转子超转后断裂以保护附件传动结构的保护段（34），保护段（34）的外径分别小于第二连接段（32）的外径和小于变形段（33）的外径。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的带阻尼减震的传扭结构，其特征在于，第一连接段（31）设置为用于连接第一连接腔（12）的第一方形头，第二连接段（32）设置为用于连接第二连接腔（22）的第二方形头，第一方形头的方形面与第二方形头的方形面彼此错位布设；

带阻尼减震的传扭结构还包括与涡轮轴（1）的动力输入端连接的第一定位轴承以及与附件传动轴（2）的动力输出端连接的第二定位轴承；

第一方形头用于限制涡轮轴（1）和传扭轴（3）之间的相对周向转动，第二方形头用于限制附件传动轴（2）和传扭轴（3）之间的相对周向转动，第一定位轴承和第二定位轴承用于限制涡轮轴（1）、附件传动轴（2）和传扭轴（3）之间的轴向移动，第一方形头、第二方形头、第一定位轴承和第二定位轴承的共同作用用于实现涡轮轴（1）、附件传动轴（2）和传扭轴（3）之间的连接稳固。

4.根据权利要求3所述的带阻尼减震的传扭结构，其特征在于，第一方形头为四方头、五方头或者六方头；和/或

第二方形头为四方头、五方头或者六方头。

5.根据权利要求3所述的带阻尼减震的传扭结构，其特征在于，第一连接腔（12）设有与第一方形头相适配的第一方形盲孔， 第一方形盲孔的平面度为0.00mm-0.09mm；和/或

第二连接腔（22）设有与第二方形头相适配的第二方形盲孔，第二方形盲孔的平面度为0.00mm-0.09mm。

6.一种航空发动机，其特征在于，包括上述权利要求1-5中任意一项所述的带阻尼减震的传扭结构。

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