CN116384014B - 单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法及机构 - Google Patents

单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法及机构 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空发动机技术领域，公开了一种单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法及机构。设计方法包括设计总体技术方案；设计第一级行星轮系；设计带内齿的旋转架；设计第二级行星轮系；设计承力框架。传动机构第一级行星轮系通过一系列的行星齿轮副将上游的高转速降为低转速，同时实现换向，并将低转速传递给第二级行星轮系，第二级行星轮系再经过一系列的行星齿轮副将低转速转换成中等转速，并同轴线反向等速度传出；两级行星轮系通过中间的带内齿的旋转架连通传扭，外部套装承力框架，承力框架承担全部传动系统的轴向力和径向力。设计方法清晰易实现，传动机构结构简单紧凑、强度刚性高、传扭稳定可靠、拆装维修方便。

Description

单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法及机构
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法及机构。
背景技术
轴向超声速风扇是先进航空发动机的核心技术之一，但是，轴向超声速风扇叶片的叶尖马赫数对叶顶泄漏流影响过大，严重影响轴向超声速风扇的压缩效率。因此，如何降低轴向超声速风扇叶片的叶尖泄漏流，成为制约轴向超声速风扇设计的技术瓶颈。
要彻底解决轴向超声速风扇的技术瓶颈问题，目前最先进最有效的解决措施，就是实现轴向超声速风扇相邻叶片的等转速反向旋转。当前，亟需发展一种单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法及机构。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构。
本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法，包括以下步骤：
步骤1：设计总体技术方案；
单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构由第一级行星轮系、第二级行星轮系和承力框架组成；右侧的第一级行星轮系通过一系列的行星齿轮副将上游的高转速降为低转速，同时实现换向，并将低转速传递给左侧的第二级行星轮系，第二级行星轮系再经过一系列的行星齿轮副将低转速转换成中等转速，并同轴线反向等速度传出；第一级行星轮系与第二级行星轮系通过中间的带内齿的旋转架连通传扭，第一级行星轮系与第二级行星轮系外部套装承力框架，承力框架承担全部传动系统的轴向力和径向力；同时，总体技术方案限定单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构不存在临界转速，单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构的外径大于轴长；
步骤2：设计第一级行星轮系；
右侧的第一级行星轮系由3个齿速比1：5的同向自传的低速齿轮副、带内齿的旋转架和带轮轴的支架组成；
3个低速齿轮副的外环为齿速比1：2的带内齿的旋转架；3个低速齿轮副通过低速齿轮副滚棒轴承独立安装于带轮轴的支架上，固定端与承力框架的内壁面连接，悬空端的悬臂上设置低速齿轮副轴承安装座接口；3个低速齿轮副的几何中心与高速空心轴的斜齿轮啮合配合，实现转速降低至1/5的平稳传扭和转速换向；
步骤3：设计带内齿的旋转架；
中间的带内齿的旋转架为整体转动式星行架结构，带内齿的旋转架的右端面设计内齿环，带内齿的旋转架的左端面设计3根轮轴；带内齿的旋转架的右侧与3个低速齿轮副在内齿环内齿面啮合；带内齿的旋转架的左侧，带内齿的旋转架通过双排滚子轴承、滚棒轴承和滚子轴承三支点支承，将第一级行星轮系全部的轴向和径向载荷传递至承力框架，并将扭矩传给第二级行星轮系；
步骤4：设计第二级行星轮系；
第二级行星轮系由3个同向同转的中速齿轮副、内啮合静子齿环组成，中速齿轮副的外环设计内啮合静子齿环，内啮合静子齿环与中速齿轮副通过内啮合实现径向约束；
内啮合静子齿环与支承体的内机匣进行一体化设计，固定在承力框架上；
3个中速齿轮副通过各自的中速齿轮副滚棒轴承固定于对应的带内齿的旋转架的轮轴上，3个中速齿轮副的几何中心与高速直齿轮啮合连接；当带内齿的旋转架将扭矩传给3个中速齿轮副后，3个中速齿轮副增速7倍后再输出给高速直齿轮，实现等转速反向输出；
步骤5：设计承力框架；
承力框架由支承体、滑油进油管路和滑油回油管路组成；支承体的内机匣为圆筒形，中心轴线为水平线；内机匣外套装环形的外机匣，内机匣的左端面布置主承力左支柱Ⅰ，内机匣的右端面布置主承力右支柱Ⅱ；外机匣内腔布置上下对称的两个支板组件，每个支板组件包括绕各自的转轴旋转的两个支板，支板为叶型支板；
上方的外机匣设置穿过上方的转轴的滑油进油管路, 滑油进油管路采用螺纹接头外接润滑油供应系统，滑油进油管路的出口设置滑油喷头；内机匣的下壁板布置用于滑油回油的盛油池；下方的外机匣设置穿过下方的转轴的滑油回油管路，滑油回油管路与盛油池连通。
通过本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法获得的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构。
本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法突破了传统的双转子结构形式，创造性地采用了单转子结构形式，基于高速行星齿轮系传动原理，以单转子高转速输入和同轴线反向等速输出为目的，设计的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构，能够实现相邻叶片的等转速反向高速旋转。
本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构结构简单紧凑、强度刚性高、传扭稳定可靠、拆装维修方便，满足小容腔尺寸的空间设计要求；能够满轴向超声速风扇单转子高转速输入和同轴线反向等速输出的功能需求，具有工程应用价值。
简而言之，本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法及机构兼顾小容腔尺寸空间的限制和高转速低振动的技术要求，突破了传统的高速行星齿轮系复杂传动设计方案，获得的等转速反向旋转传动机构结构简单紧凑、强度刚性高、传扭稳定可靠、拆装维修方便。
附图说明
图1为本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法流程图；
图2为本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构总体结构示意图；
图3为本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构的中的传动机构示意图；
图4为本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构的中的齿轮传动轮系结构示意图；
图5为本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构的中的承力框架结构示意图。
图中，1.第一级行星轮系；2.第二级行星轮系，3.承力框架；
1（a）.低速齿轮副；1（b）.带内齿的旋转架；1（c）.带轮轴的支架；1（d）.高速空心轴；
1（a）-1.低速齿轮副滚棒轴承；1（a）-2.低速齿轮副轴承安装座；
1（b）-1.内齿环；1（b）-2.轮轴；1（b）-3.双排滚子轴承；1（b）-4.滚棒轴承；1（b）-5.滚子轴承；
2（a）.中速齿轮副；2（b）.内啮合静子齿环；
2（a）-1.中速齿轮副滚棒轴承；2（a）-2.高速直齿轮；
3（a）.支承体；3（b）.滑油进油管路；3（c）.滑油回油管路；
3（a）-1.外机匣；3（a）-2.内机匣；3（a）-3.支板；3（a）-4.主承力左支柱Ⅰ；3（a）-5.主承力右支柱Ⅱ；
3（b）-1.滑油喷头；
3（c）-1.盛油池。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法，包括以下步骤：
步骤1：设计总体技术方案；
如图2所示，单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构由第一级行星轮系1、第二级行星轮系2和承力框架3组成；右侧的第一级行星轮系1通过一系列的行星齿轮副将上游的高转速降为低转速，同时实现换向，并将低转速传递给左侧的第二级行星轮系2，第二级行星轮系2再经过一系列的行星齿轮副将低转速转换成中等转速，并同轴线反向等速度传出；第一级行星轮系1与第二级行星轮系2通过中间的带内齿的旋转架1（b）连通传扭，第一级行星轮系1与第二级行星轮系2外部套装承力框架3，承力框架3承担全部传动系统的轴向力和径向力；同时，总体技术方案限定单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构不存在临界转速，单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构的外径大于轴长；
步骤2：设计第一级行星轮系1；
如图3、图4所示，右侧的第一级行星轮系1由3个齿速比1：5的同向自传的低速齿轮副1（a）、带内齿的旋转架1（b）和带轮轴的支架1（c）组成；
3个低速齿轮副1（a）的外环为齿速比1：2的带内齿的旋转架1（b）；3个低速齿轮副1（a）通过低速齿轮副滚棒轴承1（a）-1独立安装于带轮轴的支架1（c）上，固定端与承力框架3的内壁面连接，悬空端的悬臂上设置低速齿轮副轴承安装座1（a）-2接口；3个低速齿轮副1（a）的几何中心与高速空心轴1（d）的斜齿轮啮合配合，实现转速降低至1/5的平稳传扭和转速换向；
步骤3：设计带内齿的旋转架1（b）；
中间的带内齿的旋转架1（b）为整体转动式星行架结构，带内齿的旋转架1（b）的右端面设计内齿环1（b）-1，带内齿的旋转架1（b）的左端面设计3根轮轴1（b）-2；带内齿的旋转架1（b）的右侧与3个低速齿轮副1（a）在内齿环1（b）-1内齿面啮合；带内齿的旋转架1（b）的左侧，带内齿的旋转架1（b）通过双排滚子轴承1（b）-3、滚棒轴承1（b）-4和滚子轴承1（b）-5三支点支承，将第一级行星轮系1全部的轴向和径向载荷传递至承力框架3，并将扭矩传给第二级行星轮系2；
步骤4：设计第二级行星轮系2；
第二级行星轮系2由3个同向同转的中速齿轮副2（a）、内啮合静子齿环2（b）组成，中速齿轮副2（a）的外环设计内啮合静子齿环2（b），内啮合静子齿环2（b）与中速齿轮副2（a）通过内啮合实现径向约束；
内啮合静子齿环2（b）与支承体3（a）的内机匣3（a）-2进行一体化设计，固定在承力框架3上；
3个中速齿轮副2（a）通过各自的中速齿轮副滚棒轴承2（a）-1固定于对应的带内齿的旋转架1（b）的轮轴1（b）-2上，3个中速齿轮副2（a）的几何中心与高速直齿轮2（a）-2啮合连接；当带内齿的旋转架1（b）将扭矩传给3个中速齿轮副2（a）后，3个中速齿轮副2（a）增速7倍后再输出给高速直齿轮2（a）-2，实现等转速反向输出；
步骤5：设计承力框架3；
如图5所示，承力框架3由支承体3（a）、滑油进油管路3（b）和滑油回油管路3（c）组成；支承体3（a）的内机匣3（a）-2为圆筒形，中心轴线为水平线；内机匣3（a）-2外套装环形的外机匣3（a）-1，内机匣3（a）-2的左端面布置主承力左支柱Ⅰ3（a）-4，内机匣3（a）-2的右端面布置主承力右支柱Ⅱ3（a）-5；外机匣3（a）-1内腔布置上下对称的两个支板组件，每个支板组件包括绕各自的转轴旋转的两个支板3（a）-3，支板3（a）-3为叶型支板；
上方的外机匣3（a）-1设置穿过上方的转轴的滑油进油管路3（b）, 滑油进油管路3（b）采用螺纹接头外接润滑油供应系统，滑油进油管路3（b）的出口设置滑油喷头3（b）-1；内机匣3（a）-2的下壁板布置用于滑油回油的盛油池3（c）-1；下方的外机匣3（a）-1设置穿过下方的转轴的滑油回油管路3（c），滑油回油管路3（c）与盛油池3（c）-1连通。
通过本发明的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法获得的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构。
实施例1：
本实施例的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构的内机匣3（a）-2的外径不大于200mm、轴向长度不大于150mm、高速空心轴1（d）的内径不小于φ35mm；带内齿的旋转架1（b）的设计转速不大于5000r（a）（d）/min。应用在轴向超声速航空发动机风扇部件上，有效提高了轴向超声速风扇的压缩效率。
通过数值模拟仿真可知，本实施例的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构兼顾小容腔尺寸空间的限制和高转速低振动的技术要求，能够满足轴向超声速风扇单转子高转速输入和同轴线反向等速输出的功能需求，可实现轴向超声速风扇相邻叶片的等转速反向旋转，具有重要的工程应用价值。

Claims (2)

1.单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计总体技术方案；
单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构由第一级行星轮系（1）、第二级行星轮系（2）和承力框架（3）组成；右侧的第一级行星轮系（1）通过一系列的行星齿轮副将上游的高转速降为低转速，同时实现换向，并将低转速传递给左侧的第二级行星轮系（2），第二级行星轮系（2）再经过一系列的行星齿轮副将低转速转换成中等转速，并同轴线反向等速度传出；第一级行星轮系（1）与第二级行星轮系（2）通过中间的带内齿的旋转架（1（b））连通传扭，第一级行星轮系（1）与第二级行星轮系（2）外部套装承力框架（3），承力框架（3）承担全部传动系统的轴向力和径向力；同时，总体技术方案限定单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构不存在临界转速，单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构的外径大于轴长；
步骤2：设计第一级行星轮系（1）；
右侧的第一级行星轮系（1）由3个齿速比1：5的同向自传的低速齿轮副（1（a））、带内齿的旋转架（1（b））和带轮轴的支架（1（c））组成；
3个低速齿轮副（1（a））的外环为齿速比1：2的带内齿的旋转架（1（b））；3个低速齿轮副（1（a））通过低速齿轮副滚棒轴承（1（a）-1）独立安装于带轮轴的支架（1（c））上，固定端与承力框架（3）的内壁面连接，悬空端的悬臂上设置低速齿轮副轴承安装座（1（a）-2）接口；3个低速齿轮副（1（a））的几何中心与高速空心轴（1（d））的斜齿轮啮合配合，实现转速降低至1/5的平稳传扭和转速换向；
步骤3：设计带内齿的旋转架（1（b））；
中间的带内齿的旋转架（1（b））为整体转动式星行架结构，带内齿的旋转架（1（b））的右端面设计内齿环（1（b）-1），带内齿的旋转架（1（b））的左端面设计3根轮轴（1（b）-2）；带内齿的旋转架（1（b））的右侧与3个低速齿轮副（1（a））在内齿环（1（b）-1）内齿面啮合；带内齿的旋转架（1（b））的左侧，带内齿的旋转架（1（b））通过双排滚子轴承（1（b）-3）、滚棒轴承（1（b）-4）和滚子轴承（1（b）-5）三支点支承，将第一级行星轮系（1）全部的轴向和径向载荷传递至承力框架（3），并将扭矩传给第二级行星轮系（2）；
步骤4：设计第二级行星轮系（2）；
第二级行星轮系（2）由3个同向同转的中速齿轮副（2（a））、内啮合静子齿环（2（b））组成，中速齿轮副（2（a））的外环设计内啮合静子齿环（2（b）），内啮合静子齿环（2（b））与中速齿轮副（2（a））通过内啮合实现径向约束；
内啮合静子齿环（2（b））与支承体（3（a））的内机匣（3（a）-2）进行一体化设计，固定在承力框架（3）上；
3个中速齿轮副（2（a））通过各自的中速齿轮副滚棒轴承（2（a）-1）固定于对应的带内齿的旋转架（1（b））的轮轴（1（b）-2）上，3个中速齿轮副（2（a））的几何中心与高速直齿轮（2（a）-2）啮合连接；当带内齿的旋转架（1（b））将扭矩传给3个中速齿轮副（2（a））后，3个中速齿轮副（2（a））增速7倍后再输出给高速直齿轮（2（a）-2），实现等转速反向输出；
步骤5：设计承力框架（3）；
承力框架（3）由支承体（3（a））、滑油进油管路（3（b））和滑油回油管路（3（c））组成；支承体（3（a））的内机匣（3（a）-2）为圆筒形，中心轴线为水平线；内机匣（3（a）-2）外套装环形的外机匣（3（a）-1），内机匣（3（a）-2）的左端面布置主承力左支柱Ⅰ（3（a）-4），内机匣（3（a）-2）的右端面布置主承力右支柱Ⅱ（3（a）-5）；外机匣（3（a）-1）内腔布置上下对称的两个支板组件，每个支板组件包括绕各自的转轴旋转的两个支板（3（a）-3），支板（3（a）-3）为叶型支板；
上方的外机匣（3（a）-1）设置穿过上方的转轴的滑油进油管路（3（b））, 滑油进油管路（3（b））采用螺纹接头外接润滑油供应系统，滑油进油管路（3（b））的出口设置滑油喷头（3（b）-1）；内机匣（3（a）-2）的下壁板布置用于滑油回油的盛油池（3（c）-1）；下方的外机匣（3（a）-1）设置穿过下方的转轴的滑油回油管路（3（c）），滑油回油管路（3（c））与盛油池（3（c）-1）连通。
2.单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构，其特征在于，采用权利要求1的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构设计方法获得的单转子相邻叶片反向等速旋转传动机构。
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开式转子发动机齿轮传动系统设计技术研究;侯明曦 等;航空科学技术(第04期);第34-37页 *

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