CN114198208A - 空气涡轮起动器 - Google Patents

Abstract

用于起动发动机的空气涡轮起动器包括限定入口、出口和在入口和出口之间延伸的流动路径的起动器壳体。涡轮区段位于起动器壳体内，并且包括涡轮构件，该涡轮构件具有中心盘和围绕中心盘周向间隔开的翼型件组，以及位于起动器壳体内的密封结构。

Description

空气涡轮起动器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年9月2日提交的号为202011037891的印度临时专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开大体涉及一种用于内燃机的起动器，并且更具体地涉及一种具有可旋转涡轮元件的空气涡轮起动器。

背景技术

内燃机可以与空气涡轮起动器(ATS)以常规操作接合。ATS可用于起动内燃机的旋转。ATS通常安装在发动机附近，并且可以联接到高压流体源，例如压缩空气，该流体源撞击ATS中的涡轮转子，使其以相对高的速率旋转。ATS包括联接到涡轮转子的输出轴，通常通过减速变速箱联接到发动机。因此，输出轴与涡轮叶轮一起旋转。这种旋转又导致内燃机的可旋转元件(例如曲轴)开始旋转。ATS的旋转一直持续到内燃机达到自持操作转速。

发明内容

本公开的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本公开的实践获知。

在一个方面，本公开涉及一种用于起动发动机的空气涡轮起动器。该空气涡轮起动器包括起动器壳体，该起动器壳体限定入口、出口和在所述入口和所述出口之间延伸的流动路径；和涡轮区段，该涡轮区段位于所述起动器壳体内，用于从通过流动路径的气流中可旋转地提取机械功率，涡轮区段包括涡轮构件，该涡轮构件包括中心盘和围绕中心盘周向间隔开的翼型件组、位于起动器壳体内的密封结构、以及封闭密封结构的紧固件，该紧固件包括第一端，该第一端具有面对涡轮构件的中心盘的切割面。

在另一方面，本公开涉及用于起动发动机的空气涡轮起动器。该空气涡轮起动器包括起动器壳体，该起动器壳体限定入口、出口和在入口和出口之间延伸的流动路径；和涡轮区段，涡轮区段位于所述起动器壳体内，用于从沿着所述流动路径的气流中可旋转地提取机械功率，涡轮区段包括涡轮构件，该涡轮构件包括中心盘和围绕所述中心盘周向间隔开的翼型件组，密封壳体，该密封壳体与所述涡轮构件轴向间隔开并且至少部分地包含密封件，以及可移除盘切割器，该可移除盘切割器具有面对所述中心盘的切割端和封闭所述密封壳体的紧固端。

参考以下描述和所附权利要求，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好地理解。并入本说明书并构成本说明书一部分的附图示出了本公开的各个方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

附图说明

本公开的针对本领域普通技术人员的完整且使能的公开，包括其最佳模式，在参考附图的说明书中阐述，其中：

图1是根据本文描述的各个方面的具有附件变速箱和空气涡轮起动器的涡轮发动机的立体图。

图2是图1的空气涡轮起动器的横截面图。

图3是图2的空气涡轮起动器的一部分的局部分解图，示出了根据本文描述的各个方面的涡轮构件和紧固件组。

图4是图3的涡轮构件和紧固件组在操作示例期间的立体图。

图5是图3的空气涡轮起动器的一部分的横截面图。

具体实施方式

本公开的方面广泛涉及用于起动发动机的空气涡轮起动器。为了说明的目的，将以涡轮发动机的形式描述其中可以利用空气涡轮起动器的一种示例性环境。在非限制性示例中，这种涡轮发动机可以是燃气涡轮发动机、涡轮轴或涡轮风扇发动机的形式。然而，将理解的是，本公开不限于此并且可以具有对于在驱动输出处产生旋转运动并且将旋转运动提供给另一件旋转设备的驱动机构的任何实施方式的普遍适用性。例如，本公开可适用于其他发动机或运输工具的起动器，并可用于在工业、商业和住宅应用中提供益处。

如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相反的方向，而术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“前”或“向前”是指在某物前面，“后”或“向后”是指在某物后面。例如，当用于流体流动时，前/向前可表示上游，后/向后可表示下游。

此外，如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指远离公共中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体上下文中，径向是指沿着在发动机的中心纵向轴线和外发动机圆周之间延伸的射线的方向。此外，如本文所用，术语“组”或一“组”元件可以是任何数量的元件，包括仅一个。

所有方向参考(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、向前、向后等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，不应被解释为对实施例的限制，特别是对本文描述的公开的位置、取向或使用方面的限制。除非另有说明，连接参考(例如，附接、联接、连接和接合)应被广义地解释并且可以包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对运动。因此，连接参考不必推断两个元件是直接连接的并且彼此具有固定关系。示例性附图仅用于说明的目的，并且所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对尺寸可以变化。

参照图1，空气涡轮起动器(ATS)10联接到附件变速箱(AGB)12，该附件变速箱12都示意性地示出为安装到涡轮发动机14(例如燃气涡轮发动机)。该组件通常称为集成起动器/发电机变速箱(ISGB)。如图所示，涡轮发动机14限定了轴向方向15。涡轮发动机14包括带有风扇16的进气口，其将空气供应到高压压缩区域18。带有风扇16的进气口和高压压缩区域18统称为燃烧上游的涡轮发动机14的“冷却区段”。高压压缩区域18为燃烧室20提供高压空气。在燃烧室20中，高压空气与燃料混合并燃烧。热量和加压燃烧气体在从涡轮发动机14排出之前通过高压涡轮区域22和低压涡轮区域24。当燃烧气体通过高压涡轮区域22和低压涡轮区域24时，从通过涡轮发动机14的气体流中提取旋转能量。轴可以将高压涡轮区域22连接到高压压缩区域18以向压缩机构提供动力。低压涡轮可以通过轴联接到进气口的风扇16以驱动风扇16。

AGB 12通过机械动力输出装置26在高压涡轮区域22或低压涡轮区域24处联接到涡轮发动机14。机械动力输出装置26包含多个齿轮和用于将AGB 12机械联接到涡轮发动机14的部件。在正常操作条件下，动力输出装置26将来自涡轮发动机14的动力转换到AGB 12以驱动飞行器的附件，例如但不限于燃油泵、电气系统和机舱环境控制。ATS10可以安装在包含风扇16的进气口区域的外侧或靠近高压压缩区域18的核心上。

现在参考图2，示出了空气涡轮起动器10的横截面。为了清楚起见，通过ATS10的中心示出了轴向方向15。ATS10包括起动器壳体30，该起动器壳体30限定入口32、出口34和在入口32和出口34之间延伸的流动路径36，该流动路径36用于传送通过其中的气流。在一个非限制性示例中，气体是空气，并且由地面操作的空气推车(ground-operating aircart)、辅助动力单元或从已经运行的发动机的交叉引气起动装置(cross-bleed start)供应气体。

涡轮构件38位于起动器壳体30内。涡轮构件38包括中心盘39和围绕中心盘39周向间隔开的翼型件组40。翼型件组40可以设置在流动路径36内，用于从沿着流动路径36的气流中可旋转地提取机械功率。此外，虽然示出了单个涡轮构件38，但可以设想可提供多个涡轮构件38以在ATS10内形成多个级。

容纳系统41可设置在围绕涡轮构件38的起动器壳体30中。此外，密封结构70可位于起动器壳体30内。更具体地，密封结构70可以通过紧固件组80封闭。在所示的示例中，紧固件组80将密封结构70固定到起动器壳体30上，尽管情况不必如此。密封结构70可以从空气涡轮起动器10的其他部分至少部分地密封流动路径36。

变速箱42被示出为安装在起动器壳体30内。齿轮系44可设置在变速箱42内并与涡轮构件38驱动地联接。在所示示例中，齿轮系44包括环形齿轮46。应当理解，齿轮系44可以包括任何合适的齿轮组件，包括但不限于行星齿轮组件、小齿轮组件等。涡轮轴50将齿轮系44联接到涡轮构件38，从而允许将机械动力传递到齿轮系44。涡轮轴50联接到齿轮系44并由一对涡轮轴承52可旋转地支撑。齿轮系44由一对托架轴承53支撑。

变速箱内部54可以设置成包含润滑剂，包括但不限于润滑脂或油。变速箱内部54可为包含在其中的机械部件(例如齿轮系44、环形齿轮46、涡轮轴承52、托架轴承53等)提供润滑和冷却。

在变速箱42中设置有孔56。涡轮轴50可延伸穿过孔56并与托架轴58啮合，离合器60安装到托架轴58上并由一对间隔开的轴承62支撑。驱动轴64从变速箱42延伸，联接到离合器60，并且另外由一对间隔轴承62支撑。驱动轴64由齿轮系44驱动并且联接到AGB12，使得在起动操作期间，驱动轴64向AGB12提供驱动运动。

离合器60可以是形成包括涡轮轴50、托架轴58和驱动轴64的单个可旋转轴66的任何类型的轴接口部分。轴接口部分可以通过任何已知的联接方法，包括但不限于齿轮、花键、离合器机构等，或其组合。

ATS10可以通过任何材料和方法形成，包括但不限于高强度和轻质金属(例如铝、不锈钢、铁、钛等)的压铸。起动器壳体30和变速箱42可以形成有足够的厚度以提供足够的机械刚度，而不会给ATS10增加不必要的重量。此外，可旋转轴66可通过任何材料和方法构成，包括但不限于挤压或加工高强度金属合金，例如含有铝、铁、镍、铬、钛、钨、钒或钼的合金。涡轮轴50、托架轴58和驱动轴64的直径可以不变或沿可旋转轴66的长度变化。在非限制性示例中，涡轮轴50的直径可以变化以适应联接到其上的不同尺寸的部件，或适应可变的转子到定子间距。

在起动操作期间，沿流动路径36供应的空气使涡轮构件38旋转，用于驱动可旋转轴66的旋转。以这种方式，ATS10可以通过可旋转轴66的旋转成为涡轮发动机14的驱动机构。

此外，在ATS10的操作期间，涡轮构件38内可能存在旋转不平衡。在这种情况下，涡轮构件38可能会接触ATS 10的部分，例如起动器壳体30或密封结构70。

图3示出了空气涡轮起动器10的一部分的局部分解图。涡轮构件38被示出为具有围绕中心盘39间隔开的翼型件组40。密封结构70位于涡轮构件38附近。在所示的示例中，密封结构70包括密封壳体72和位于密封壳体72附近的密封件74。在所示示例中，密封件74呈轴承套筒的形式，尽管这不是必须的。密封件74可由任何合适的材料形成，包括但不限于钢、铝、镍或镍合金、碳、石墨、聚合材料、复合材料等，或它们的组合。

紧固件组80可以包括任何合适的紧固件，包括螺栓或螺钉，并且还可以由任何合适的材料形成，包括钢、铝、镍或镍合金等，或它们的组合。此外，紧固件组80可包括任何数量的紧固件，包括仅一个紧固件。

在所示示例中，紧固件组80包括周向地布置在密封结构70上的多个紧固件。为了清楚起见，一个示例性紧固件90示出为与密封壳体72部分组装，而其他紧固件示出为从密封壳体72和起动器壳体30部分分解。

紧固件组80中的示例性紧固件90包括第一端91，该第一端91具有形式为面向中心盘39的切割面95的尖锐部分。在所示示例中，切割面95示意性地示出为具有大体圆形的几何轮廓。切割面95可具有任何合适的形式或几何轮廓，包括但不限于尖头/锥形尖端、环形尖锐的切割表面、粗车削刀具、切断刀具等。

紧固件90还包括与第一端91相对的第二端92。可选地，第二端92可以如所示的示例中那样带有螺纹。此外，密封壳体72包括与起动器壳体30中的壳体孔98对准的密封孔96。第二端92可以被容纳在密封孔96和壳体孔98内。以这种方式，紧固件90可构造成将密封壳体72固定到起动器壳体30。密封件74可以位于密封壳体72和起动器壳体30之间，并且至少通过紧固件90固定到位。以这种方式，紧固件90可以封闭密封结构70。附加地或替代地，紧固件90可以将密封壳体72固定到起动器壳体30，密封件74位于两者之间。可以设想，密封孔96或壳体孔98中的任一个或两者可包括螺纹以容纳第二端92，使得螺纹第二端92可拧入密封壳体72中。附加地或替代地，可以在密封孔96或壳体孔98中的任一个或两个内使用螺纹插入件以容纳第二端92。在又一个示例中，第二端可以完全延伸穿过密封孔96和壳体孔98，并且使用螺母、锁定销等固定。

以此方式，紧固件90可以限定可移除盘切割器100，其中第一端91限定面对中心盘39的切割端102，并且第二端92限定容纳在密封壳体72内的紧固端104。因此，紧固端104可以将密封壳体72固定到起动器壳体30上。

当组装空气涡轮起动器10时，可在紧固件90和涡轮构件38之间限定操作间隔距离110。为清楚起见，紧固件90显示为与密封孔96部分组装，以在图3的其他部分分解图中示出操作间隔距离110。更具体地，示出了切割面95和中心盘39之间的操作间隔距离110。在一个非限制性示例中，操作间隔距离110可以在0cm和30cm之间。更具体地，在非限制性示例中，在空气涡轮起动器10的正常或标准操作期间，或者在涡轮构件38的正常或标准旋转期间，切割面95和中心盘39之间的操作间隔距离可以是20-30cm。在又一示例中，操作间隔距离110可以是大于0cm的任何值并且还被控制为在空气涡轮起动器10的正常或标准操作期间，或者在涡轮构件38的正常或标准旋转期间避免转子撞击。

在紧固件组80中示出了第二紧固件90B，具有带有切割面95B的对应第一端91B以及螺纹第二端92B。切割面95B包括位于基层97之上的外层93。与中心盘39或基层97中的任一个或两者相比，外层93可包括硬化材料。如本文所使用的，“硬化材料”将指与第二种材料相比具有更大的材料硬度、屈服强度、真实拉伸强度、弹性模量、体积强度、剪切强度、莫氏硬度等的材料。例如，外层93的材料硬度可以大于中心盘39的材料硬度。在另一个示例中，基层97可以包括钢材料，并且外层93可以是金刚石尖端的形式。可以设想，紧固件组80中的任何数量的紧固件都可以包括这种硬化材料外层93。

更进一步地，紧固件组80可以包括具有高温性能的材料。如本文所用，“温度性能”将指预期用于给定材料的最高操作温度，其中使材料经受高于其温度性能的温度会导致诸如材料的氧化、疲劳、塑性变形或熔化的后果。例如，紧固件组80中的紧固件可包括涂有陶瓷外层或尖端，或硬质材料冷喷涂涂层，或电沉积外层等的钢。

图4示出了在空气涡轮起动器10的操作期间发生不平衡状况的情况下的涡轮构件38和紧固件组80。为了清楚起见，单独示出了涡轮构件38和紧固件组80，其中ATS 10的其他部分未示出。涡轮构件38被示出为沿箭头115所示的方向旋转。

可以理解的是，涡轮构件38的旋转不平衡会引起中心盘39的轴向运动，使得在ATS10的正常操作期间操作，间隔距离110(图3)从其“正常”或标准值减小。在操作间隔距离110(图3)减小到0cm的情况下，中心盘39接触至少一个紧固件90的切割面95。每个切割面95构造成在接触时从旋转中心盘39移除材料。作为与紧固件组80接触的结果，示出了沿着中心盘39的凹槽120。可以设想，凹槽120可以完全延伸穿过中心盘39，从而将涡轮构件38分成至少第一分段121和第二分段122。第一分段121包括中心盘39的第一部分和翼型件组40。第二分段122包括联接到涡轮轴50的中心盘39的第二部分。以这种方式，切割面95构造成在不平衡状态期间解放或释放涡轮构件的至少一部分，例如第一分段121。进一步设想，容纳系统41(图1)可以容纳释放的第一分段121并防止其部件移动到空气涡轮起动器10的其他部分。

图5是在不平衡状态期间组装的ATS10的一部分的横截面图，例如图4中所示。在所示的示例中，中心盘39包括减小的横截面厚度112，尽管情况并非必须如此。紧固件组80与减小的横截面厚度112轴向对齐地布置在密封壳体72上。紧固件90与中心盘39接触，并且产生的操作间隔距离110(图3)为0cm。壳体孔98和密封孔96与将密封壳体72固定到起动器壳体30的紧固件90的第二端92对齐。密封件74至少部分地包含在密封壳体72内，密封件74位于密封壳体72和起动器壳体30之间。可以理解，紧固件90也可以将密封件74固定在空气涡轮起动器10内的适当位置。

本公开的方面提供了紧固件形式的可移除盘切割器，该紧固件可用于在空气涡轮起动器的操作期间释放不平衡的涡轮构件的一部分。与必须安装到排气管或起动器壳体的一部分的传统专用盘切割器相比，所描述的紧固件或紧固件组的优点包括简化的设计，该设计不会增加重量或复杂性。通过利用已经存在于密封结构中的紧固件，所描述的方面提供了减轻的重量和改进的安装中过程效率。此外，所描述的方面提供了更容易修理或可更换的盘切割器，这提高了空气涡轮起动器的可维护性。

该书面描述使用示例来公开本发明的方面，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明的方面，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：

1.一种用于起动发动机的空气涡轮起动器，包括：起动器壳体，起动器壳体限定入口、出口和在所述入口和出口之间延伸的流动路径；和涡轮区段，涡轮区段位于起动器壳体内，用于从通过流动路径的气流中可旋转地提取机械功率，涡轮区段包括：涡轮构件，涡轮构件包括中心盘和围绕中心盘周向间隔开的翼型件组；密封结构，该密封结构位于起动器壳体内；和紧固件，该紧固件封闭密封结构，紧固件包括第一端，第一端具有面对涡轮构件的中心盘的切割面。

2.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，密封结构包括密封壳体和邻近密封壳体定位的密封件。

3.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，紧固件构造成将密封壳体固定到起动器壳体，其中密封件定位在密封壳体和起动器壳体之间。

4.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，紧固件包括与第一端相对的螺纹第二端，并且其中，螺纹第二端被拧入密封壳体。

5.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，切割面定位成与涡轮构件的中心盘轴向对齐。

6.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，切割面构造成在不平衡状态期间释放涡轮构件的至少一部分。

7.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，涡轮构件的释放部分包括翼型件组和中心盘的一部分。

8.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，进一步包括在切割面和中心盘之间限定的操作间隔距离。

9.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，操作间隔距离在0cm和30cm之间。

10.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，进一步包括紧固件组，紧固件组封闭密封结构并包括紧固件。

11.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，紧固件组周向地布置在密封结构上。

12.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，紧固件组包括螺纹螺栓组。

13.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，中心盘包括减小的横截面厚度，并且其中紧固件组布置在密封结构上与减小的横截面厚度轴向对齐。

14.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，切割面包括位于基层之上的外层，其中外层包括硬度大于中心盘的材料。

15.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，外材料层包括金刚石尖端。

16.一种用于起动发动机的空气涡轮起动器，其中，包括：起动器壳体，该起动器壳体限定入口、出口和在入口和出口之间延伸的流动路径；和涡轮区段，涡轮区段位于起动器壳体内，用于从沿流动路径的气流中可旋转地提取机械功率，涡轮区段包括：涡轮构件，涡轮构件包括中心盘和围绕中心盘周向间隔开的翼型件组；密封壳体，密封壳体与涡轮构件轴向间隔开并且至少部分地包含密封件；以及可移除盘切割器，可移除盘切割器具有面对中心盘的切割端和封闭密封壳体的紧固端。

17.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，可移除盘切割器包括螺纹螺栓，螺纹螺栓拧入密封壳体，其中螺纹螺栓的头部包括切割端。

18.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，切割端被构造成在不平衡状态期间释放涡轮构件的至少一部分。

19.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，涡轮构件的释放部分包括翼型件组和中心盘的一部分。

20.根据任何在前条项的空气涡轮起动器，进一步包括在切割端和中心盘之间限定的操作间隔距离，其中操作间隔距离在0cm和30cm之间。

Claims (10)

1.一种用于起动发动机的空气涡轮起动器，其特征在于，包括：

起动器壳体，所述起动器壳体限定入口、出口和在所述入口和所述出口之间延伸的流动路径；和

涡轮区段，所述涡轮区段位于所述起动器壳体内，用于从通过所述流动路径的气体流中可旋转地提取机械功率，所述涡轮区段包括：

涡轮构件，所述涡轮构件包括中心盘和围绕所述中心盘周向间隔开的翼型件组；

密封结构，所述密封结构位于所述起动器壳体内；和

紧固件，所述紧固件封闭所述密封结构，所述紧固件包括第一端，所述第一端具有面对所述涡轮构件的所述中心盘的切割面。

2.根据权利要求1所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述密封结构包括密封壳体和邻近所述密封壳体定位的密封件。

3.根据权利要求2所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述紧固件构造成将所述密封壳体固定到所述起动器壳体，其中所述密封件定位在所述密封壳体和所述起动器壳体之间。

4.根据权利要求3所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述紧固件包括与所述第一端相对的螺纹第二端，并且其中，所述螺纹第二端被拧入所述密封壳体。

5.根据权利要求1所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述切割面定位成与所述涡轮构件的所述中心盘轴向对齐。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述切割面构造成在不平衡状态期间释放所述涡轮构件的至少一部分。

7.根据权利要求6所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述涡轮构件的被释放的部分包括所述翼型件组和所述中心盘的一部分。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的空气涡轮起动器，其特征在于，进一步包括在所述切割面和所述中心盘之间限定的操作间隔距离。

9.根据权利要求8所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述操作间隔距离在0cm和30cm之间。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的空气涡轮起动器，其特征在于，进一步包括紧固件组，所述紧固件组封闭所述密封结构并包括所述紧固件。

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