CN117469346A - 齿轮箱组件 - Google Patents

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GE Aviation Czech sro
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Abstract

一种齿轮箱组件包括多个行星齿轮。多个行星齿轮中的至少一个行星齿轮包括支撑第一级行星齿轮和第二级行星齿轮的副轴。至少一个行星齿轮的特征在于径向级距离大于或等于30毫米且小于或等于100毫米。径向级距离为Rrm1–Rrt2。Rrm1是第一级行星齿轮的第一级轮辋内半径，并且Rrt2是第二级行星齿轮的第二级根部半径。

Description

齿轮箱组件
政府资助的研究
导致本申请的项目已根据第945541号拨款协议从清洁天空2号联合执行机构(JU)获得资助。JU获得了欧盟地平线2020研究和创新计划以及除欧盟以外的清洁天空2号JU成员的支持。
技术领域
本公开大体上涉及用于涡轮发动机的齿轮箱组件。
背景技术
涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心区段。齿轮箱组件联接在风扇和核心区段之间。
附图说明
从以下更具体的如附图中所示的对各种示例性实施例的描述中，前述和其他特征以及优点将显而易见，其中相似的附图标记通常表示相同、功能类似和/或结构类似的元件。
图1是根据本公开的实施例的沿涡轮发动机的中心线轴线截取的涡轮发动机的示意性横截面视图。
图2是根据本公开的实施例的用于涡轮发动机的齿轮箱组件沿涡轮发动机的中心线轴线截取的示意性横截面侧视图。
图3示出了根据本公开的实施例的图2的齿轮箱组件的行星齿轮和磨削工具。
图4是根据本公开的实施例的图2的齿轮箱组件的行星齿轮的示意性横截面侧视图。
图5是示出根据本公开的实施例的作为第二级根部半径的函数的第一级轮辋内半径的曲线图。
图6是示出根据另一个实施例的作为第二级根部半径的函数的第一级轮辋内半径的曲线图。
图7是示出根据另一个实施例的作为第二级根部半径的函数的第一级轮辋内半径的曲线图。
图8是示出根据本公开的实施例的作为第一级轮辋内半径的函数的径向级距离的曲线图。
图9是示出根据本公开的实施例的作为第一级轮辋内半径的函数的径向级距离的曲线图。
图10是示出根据另一个实施例的作为第一级轮辋内半径的函数的径向级距离的曲线图。
图11是示出根据本公开的实施例的作为第二级根部半径的函数的径向级距离的曲线图。
图12是示出根据另一个实施例的作为第二级根部半径的函数的径向级距离的曲线图。
图13是示出根据另一个实施例的作为第二级根部半径的函数的径向级距离的曲线图。
具体实施方式
本公开的附加特征、优点和实施例通过对以下详细描述、附图和权利要求的考虑而被阐述或显而易见。此外，本公开的上述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释，而不限制所要求的本公开的范围。
下面详细讨论本公开的各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到在不背离本公开的精神和范围的情况下可以使用其他部件和构造。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件与另一个部件，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
术语“联接”、“固定”、“附接”、“连接”等既指直接联接、固定、附接或连接，也指通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定、附接或连接，除非本文另有说明。
单数形式的“一”、“一个”和“所述”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。
如本文所用，术语“轴向”和“轴向地”指的是基本上平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和取向。此外，术语“径向”和“径向地”指的是基本上垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和取向。此外，如本文所用，术语“周向”和“周向地”指的是围绕涡轮发动机的中心线弧形地延伸的方向和取向。
如本文所用，“管状”是指具有中空内部部分的纵向延伸结构。
在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换。除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被识别并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。
涡轮发动机可以被构造为齿轮式发动机。齿轮式发动机包括用于将动力从涡轮轴传递到主风扇的动力齿轮箱。这种齿轮箱可以包括太阳齿轮、多个行星齿轮和齿圈。太阳齿轮与多个行星齿轮啮合并且多个行星齿轮与齿圈啮合。在操作中，齿轮箱将从以第一速度操作的涡轮轴传递的扭矩传递到以较低的第二速度旋转的风扇轴。对于齿轮箱的行星构造，太阳齿轮可以联接到以第一速度旋转的低压涡轮的中轴。与太阳齿轮啮合的多个行星齿轮然后通过行星架将该扭矩传递到风扇轴。在星形构造中，齿圈联接到风扇轴。在任一构造中，多个行星齿轮可包括复合齿轮，使得多个行星齿轮各自包括第一级和第二级。第一级与太阳齿轮啮合，并且第二级与齿圈啮合。
涡轮发动机设计的关键成分是最小化涡轮发动机的总重量，同时提高涡轮发动机的发动机效率。使涡轮发动机的总重量最小化的一种方法是通过使动力齿轮箱更小来最小化动力齿轮箱的重量。在行星齿轮的制造过程中，通常使用砂轮从行星齿轮的齿轮齿去除材料以形成齿轮齿的最终轮廓。例如，砂轮用于形成第一级行星齿轮的齿轮齿和第二级行星齿轮的齿轮齿。然而，当前的行星齿轮设计在设计行星齿轮的尺寸时不需要考虑砂轮的尺寸。发明人寻求改进用于动力齿轮箱的现有行星齿轮的需要，设计了行星齿轮的几种不同构造以努力改进动力齿轮箱的效率、重量和尺寸。
现在参考附图，图1是根据本公开的实施例的沿涡轮发动机10的中心线轴线截取的涡轮发动机10的示意性横截面视图。如图1所示，涡轮发动机10限定轴向方向A(平行于提供参考的纵向中心线轴线12延伸)和垂直于轴向方向A的径向方向R。通常，涡轮发动机10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所示的核心涡轮发动机16通常包括外壳体18，该外壳体18大致为管状并限定环形入口20。如图1示意性地所示的，外壳体18以串联流动关系包围压缩机区段21，其包括增压器或低压(LP)压缩机22，其下游是高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段27，其包括高压(HP)涡轮28，其下游是低压(LP)涡轮30；以及喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴34或线轴将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24以使HP涡轮28和HP压缩机一致地旋转。低压(LP)轴36将LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22以使LP涡轮30和LP压缩机22一致地旋转。压缩机区段21、燃烧区段26、涡轮区段27和喷射排气喷嘴区段32一起限定核心空气流动路径。
对于图1中描绘的实施例，风扇区段14包括风扇38(例如，可变桨距风扇)，风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如图1所示，风扇叶片40通常沿径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地联接到致动构件44，每个风扇叶片40能够相对于盘42绕俯仰轴线P旋转，致动构件44被构造为共同一致地改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和致动构件44经由风扇轴45能够绕中心线轴线12一起旋转，风扇轴45由LP轴36跨动力齿轮箱46(也称为齿轮箱组件46)提供动力。齿轮箱组件46在图1中示意性地示出。齿轮箱组件46包括多个齿轮，用于将风扇轴45的旋转速度以及因此风扇38相对于LP轴36的旋转速度调整到更有效的风扇旋转速度。
仍然参考图1的示例性实施例，盘42被可旋转的风扇轮毂48覆盖，该风扇轮毂48具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇叶片40。此外，风扇区段14包括环形风扇壳体或机舱50，其周向围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。机舱50相对于核心涡轮发动机16通过多个周向间隔开的出口导向轮叶52被支撑。此外，机舱50的下游区段54在核心涡轮发动机16的外部分上方延伸以在其间限定旁通气流通道56。
在涡轮发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的入口60进入涡轮发动机10。随着一定体积的空气58穿过风扇叶片40，空气的第一部分62被引导或导向进入旁通气流通道56，并且空气的第二部分64被引导或导向进入核心空气流动路径的上游区段，或更具体地，被引导或导向进入LP压缩机22的环形入口20。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常称为旁通比。空气的第二部分64的压力随后随着其被导向通过HP压缩机24并进入燃烧区段26而增加，在燃烧区段26中，高压空气与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导向进入HP涡轮28并膨胀通过HP涡轮28，其中来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能经由联接到外壳体18的HP涡轮定子轮叶68和联接到HP轴34的HP涡轮转子叶片70的顺序级被提取，因此致使HP轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后被导向进入LP涡轮30并膨胀通过LP涡轮30。这里，经由联接到外壳体18的LP涡轮定子轮叶72和联接到LP轴36的LP涡轮转子叶片74的顺序级从燃烧气体66提取热能和动能的第二部分，因此致使LP轴36旋转。这由此通过齿轮箱组件46支持LP压缩机22的操作和风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被导向通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，随着空气的第一部分62在从涡轮发动机10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被引导通过旁通气流通道56，空气的第一部分62的压力显著增加，也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定热气路径78，用于引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16。
图1中描绘的涡轮发动机10仅作为示例。在其他示例性实施例中，涡轮发动机10可以具有任何其他合适的构造。例如，在其他示例性实施例中，风扇38可以以任何其他合适的方式构造(例如，作为固定桨距风扇)，并且进一步可以使用任何其他合适的风扇框架构造来支撑。此外，在其他示例性实施例中，可以提供任何其他合适数量或构造的压缩机、涡轮、轴或它们的组合。在其他示例性实施例中，本公开的方面可以结合到任何其他合适的燃气涡轮发动机中，例如涡轮风扇发动机、螺旋桨风扇发动机、涡轮喷气发动机和/或涡轮轴发动机。
图2是根据本公开的实施例的齿轮箱组件46的示意性横截面侧视图。齿轮箱组件46包括复合对称布置的周转齿轮组件247。周转齿轮组件247包括太阳齿轮252、多个行星齿轮254(在图2中仅一个行星齿轮可见)和齿圈256。为了清楚起见，仅示出了齿轮的一部分。齿轮箱组件46是星型或旋转齿圈型齿轮箱组件(例如，齿圈256是旋转的，而行星架280是固定的和静止的)。在这样的布置中，风扇38(图1)由齿圈256驱动。这样，齿圈256是齿轮箱组件46的输出。然而，可以采用其他合适类型的齿轮箱组件。在一个非限制性实施例中，齿轮箱组件46可以是行星装置，其中齿圈256保持固定，行星架280允许旋转。在这样的布置中，风扇38由行星架280驱动。这样，多个行星齿轮254是齿轮箱组件46的输出。在另一个非限制性实施例中，齿轮箱组件46可以是差速齿轮箱，其中齿圈256和行星架280都允许旋转。
输入轴236联接到太阳齿轮252。输入轴236联接到涡轮区段27(图1)。例如，输入轴236可以联接到LP轴36(图1)。在太阳齿轮252的径向外侧并与其相互啮合的是多个行星齿轮254，多个行星齿轮254联接在一起并由行星架280支撑。行星架280支撑并约束多个行星齿轮254，使得多个行星齿轮254不一起围绕太阳齿轮252旋转，同时使多个行星齿轮254中的每个行星齿轮能够绕其自身的轴线13旋转。在多个行星齿轮254的径向外侧并且与其相互啮合的是齿圈256，其是环形齿圈。图2示出了齿圈256由联接在一起的两个独立部件形成。在一些实施例中，齿圈256可以是单个整体部件。齿圈256经由输出轴245联接到风扇38(图1)并且旋转以驱动风扇38(图1)绕中心线轴线12旋转。例如，输出轴245联接到风扇轴45(图1)。
多个行星齿轮254中的每一个行星齿轮是复合齿轮，其包括联接在一起的第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262。如下文进一步详述，第一级行星齿轮260包括比第二级行星齿轮262的直径更大的直径。太阳齿轮252、多个行星齿轮254和齿圈256中的每一个包括绕它们的周边的齿以与其他齿轮啮合。例如，太阳齿轮252、多个行星齿轮254和齿圈256中的每一个都是双螺旋齿轮，其具有相对于彼此以锐角倾斜的第一组螺旋齿和第二组螺旋齿。特别地，太阳齿轮252包括第一组太阳齿轮齿264和第二组太阳齿轮齿266。第一级行星齿轮260中的每一个包括第一组行星齿轮齿268和第二组行星齿轮齿270，并且第二级行星齿轮262中的每一个包括第三组行星齿轮齿272和第四组行星齿轮齿274。齿圈256包括第一组齿圈齿276和第二组齿圈齿278。太阳齿轮252、多个行星齿轮254和齿圈256可包括任何类型的齿轮，例如正齿轮(例如，直切且未相对于彼此成角度设置的齿轮齿)等。
第一级行星齿轮260的第一组行星齿轮齿268和第二组行星齿轮齿270分别与太阳齿轮252的第一组太阳齿轮齿264和第二组太阳齿轮齿266啮合。第二级行星齿轮262的第三组行星齿轮齿272与齿圈256的第一组齿圈齿276啮合。第二级行星齿轮262的第四组行星齿轮齿274与齿圈256的第二组齿圈齿278啮合。
多个行星齿轮254中的每个行星齿轮254包括销282，相应的行星齿轮254绕该销282旋转。销282联接到行星架280并设置在相应的行星齿轮254的孔283内。在销282和相应的行星齿轮254之间提供润滑剂(例如油)，使得行星齿轮254相对于销282旋转。第二级行星齿轮262由设置在孔283内的一个或多个圆柱滚子轴承285支撑。图2示出了两个滚子轴承285，但相应的行星齿轮254可以根据需要包括任意数量的滚子轴承285。滚子轴承285允许行星齿轮254相对于销282旋转。
齿轮箱组件46包括齿轮比，该齿轮比限定通过齿轮箱组件46的输入齿轮(例如，太阳齿轮252)的速度与输出(例如，齿圈256)的速度的比率。本文详述的本公开的实施例为固定的齿轮包络(例如，具有相同尺寸的齿圈)提供增加的齿轮比，或者替代地，较小直径的齿圈可用于实现相同的齿轮比。因此，本文公开的实施例允许适用于大直径涡轮发动机或较小直径涡轮发动机的齿轮比。行星齿轮254的总齿轮比包括第一级行星齿轮260的第一齿轮比和第二级行星齿轮262的第二齿轮比。第一级行星齿轮260的第一齿轮比小于第二级行星齿轮262的第二齿轮比。行星齿轮254的总齿轮比大于或等于七(7:1)且小于或等于十二(12:1)。总齿轮比基于发动机尺寸和功率要求以及用于特定齿轮箱组件46的部件选择进行选择。例如，总齿轮比基于风扇38的速度(例如，图1的风扇38的尖端速度)和LP涡轮30的速度(例如，基于图1的LP涡轮30的级数)。
图3示出了多个行星齿轮254中的行星齿轮254和磨削工具384。磨削工具384被示意性地示出。磨削工具384是用于在制造齿轮期间从齿轮齿去除材料以完成形成齿轮齿的轮廓的磨削处理的工具。在已经形成齿轮齿的大致形状之后，使用磨削工具384来获得所需的齿轮齿质量参数(例如，所需的齿轮齿表面光洁度、所需的齿轮齿表面纹理或齿轮齿的形状和轮廓的精度)。磨削工具384包括主轴386和砂轮388。砂轮388由研磨材料(例如，氧化铝、陶瓷、碳化硅、金刚石等)制成以从齿轮齿上去除材料。图3示出了砂轮388是直轮。砂轮388包括砂轮直径Dgw，其被限定为砂轮388的直径。砂轮388可以包括适合于磨削由例如钢、合金、其他类型的金属等制成的部件的任何类型的砂轮。砂轮388联接到主轴386。磨削工具384包括联接到主轴386的马达(例如，电动机)，以在磨削工具384的操作期间使主轴386旋转。以这种方式，砂轮388旋转并用于从齿轮齿上去除材料。
图4是根据本公开的实施例的齿轮箱组件46的行星齿轮254沿图1的涡轮发动机10的中心线轴线12截取的示意性横截面侧视图。图4示出了孤立于齿轮箱组件46的单个行星齿轮254。图4示出了第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262由具有管状构造的副轴402支撑。副轴402包括在两个外部分405之间支撑第一级行星齿轮260的中间部分404。两个外部分405支撑第二级行星齿轮262。
中间部分404包括腹板，该腹板包括轴向部分406和径向部分408。轴向部分406相对于轴线13以角度δ大致在轴向方向A上延伸。这样，轴向部分406相对于两个外部分405倾斜。角度δ大于零度(0°)且小于或等于六十度(60°)。随着角度δ增加并接近六十度(60°)，中间部分404的刚度增加，并且因此，相对于当角度接近于零度(0°)时，角度δ越接近六十度(60°)，就提供额外的支撑。然而，随着角度δ接近六十度(60°)，在砂轮388的操作期间，轴向部分406可能与砂轮388干涉，使得砂轮388将接触轴向部分406并且可以从轴向部分406去除材料。因此，角度δ基于提供所需的副轴402刚度和避免砂轮388与轴向部分406干涉之间的平衡进行选择。优选地，角度δ在二十度(20°)到三十度(30°)之间。这样的范围相对于不具有成角度的轴向部分的副轴提供了改进的副轴402的刚度，同时还避免了与砂轮388的接触。
轴向部分406包括轴向部分厚度Tw，其是轴向部分406的厚度。轴向部分厚度Tw大于或等于三毫米(3mm)且小于或等于十毫米(10mm)。轴向部分厚度Tw基于减轻重量(例如，更少的材料)和提供副轴402的结构支撑以响应行星齿轮254在操作期间经历的固有频率(例如，振动频率)之间的平衡进行选择。例如，接近三毫米(3mm)的轴向部分厚度Tw的值提供了更多的重量减轻，但提供了更小的结构支撑。接近十毫米(10mm)的轴向部分厚度Tw的值提供了更少的重量减轻，但提供了更大的结构支撑。
径向部分408大致在径向方向R上延伸。因此，中间部分404的轴向部分406和径向部分408一起限定了大致拉姆达(Lambda)形状。如下文进一步详述，中间部分404的大致拉姆达形状允许副轴402具有更短的轴向长度，并且因此提供了相对于没有本公开的益处的行星齿轮更轻的行星齿轮254。以这种方式，副轴402允许更紧凑的齿轮箱组件46(图1)，以及因此，允许相对于没有本公开的益处的齿轮箱组件和涡轮发动机更有效的涡轮发动机10(图1)。大致拉姆达形状提供了中间部分404的改进设计以适应滚子轴承285的偏转。径向部分408包括径向部分厚度Twv，其是径向部分408的厚度。径向部分厚度Twv大于或等于两毫米(2mm)且小于或等于十毫米(10mm)。径向部分厚度Twv基于减轻重量(例如，更少的材料)和提供副轴402的结构支撑以响应行星齿轮254在操作期间经历的固有频率(例如，振动频率)之间的平衡进行选择。例如，接近两毫米(2mm)的径向部分厚度Twv的值提供了更多的重量减轻，但提供了更小的结构支撑。接近十毫米(10mm)的径向部分厚度Twv的值提供了更少的重量减轻，但提供了更大的结构支撑。
图4示出了第一级行星齿轮260包括第一部分260a和第二部分260b，并且第二级行星齿轮262包括第一部分262a和第二部分262b。这样，第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262中的每一个都是对称的，以在齿轮箱组件46(图2)的操作期间提供轴向平衡。第二级行星齿轮262的第一部分262a包括轴向外表面410和轴向内表面412。第二级行星齿轮262的第二部分262b包括轴向外表面414和轴向内表面416。第一级行星齿轮260的第一部分260a包括轴向外表面418和轴向内表面420。第一级行星齿轮260的第二部分260b包括轴向外表面422和轴向内表面424。
行星齿轮254包括第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间的第一轴向距离Lc1和第二轴向距离Lc2。第一轴向距离Lc1是从第二级行星齿轮262的第二部分262b的轴向内表面416到第一级行星齿轮260的第二部分260b的轴向外表面422的轴向距离。第二轴向距离Lc2是从第二级行星齿轮262的第一部分262a的轴向内表面412到第一级行星齿轮260的第一部分260a的轴向外表面418的轴向距离。第一轴向距离Lc1和第二轴向距离Lc2优选地相等以提供对称性，使得行星齿轮254在操作期间保持平衡。在一些实施例中，第一轴向距离Lc1和第二轴向距离Lc2不相等(例如，Lc1大于Lc2或Lc1小于Lc2)。第一轴向距离Lc1和第二轴向距离Lc2均大于或等于一毫米(1mm)且小于或等于六毫米(6mm)。第一轴向距离Lc1和第二轴向距离Lc2基于最小化行星齿轮254的总轴向长度与在第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间提供足够的间隙以使得当齿圈256与第二级行星齿轮262相互啮合时，齿圈256(图2)不接触第一级行星齿轮260之间的平衡进行选择。
行星齿轮254的副轴402从第二级行星齿轮262的第二部分262b的轴向外表面414轴向延伸到第二级行星齿轮262的第一部分262a的轴向外表面410。副轴402包括从轴向外表面414到轴向外表面410限定的轴向长度Lt。轴向长度Lt是第二级行星齿轮262的(例如，第一部分262a和第二部分262b的)轴向长度、第一级行星齿轮260的(例如，第一部分260a和第二部分260b的)轴向长度、第一轴向距离Lc1和第二轴向距离Lc2的总和。副轴402的轴向长度Lt大于或等于一百五十毫米(150mm)且小于或等于三百毫米(300mm)。如上所述，轴向长度Lt基于具有较短轴向长度同时保持第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间的间隙之间的平衡进行选择。相对于没有本公开的益处的行星齿轮和齿轮箱组件，更短的轴向长度Lt允许行星齿轮254更短，这允许齿轮箱组件46更短。齿轮箱组件46的总重量减小，因此减小了涡轮发动机10的总重量，这导致相对于没有本公开的益处的涡轮发动机提高的发动机效率。
滚子轴承285包括限定为滚子轴承285的半径的滚子轴承半径Rbrg。为了清楚起见，图4仅示出了单个滚子轴承285。滚子轴承半径Rbrg大于或等于五十毫米(50mm)且小于或等于一百四十毫米(140mm)。滚子轴承半径Rbrg基于通过用于特定涡轮发动机10(图1)的齿轮箱组件46(图1)传递的扭矩或功率的量进行选择。例如，对于较大且具有较大功率输出(例如，通过齿轮箱组件46传递较大量的扭矩)的涡轮发动机，滚子轴承半径Rbrg接近一百四十毫米(140mm)。对于较小且具有较低功率输出(例如，通过齿轮箱组件46传递较小量的扭矩)的涡轮发动机，滚子轴承半径Rbrg接近五十毫米(50mm)。
第二级行星齿轮262包括轮辋426。第二级行星齿轮262的齿轮齿在齿轮齿的根部428处从轮辋426延伸。这样，轮辋426被限定为从径向内表面430到根部428。在齿轮箱组件46的操作期间，由于齿圈256(图2)和第二级行星齿轮262之间的啮合，径向力Fr作用在轮辋426上。径向力Fr挤压轮辋426并使轮辋426变形。轮辋426包括轮辋厚度Tr，该轮辋厚度Tr被限定为从径向内表面430到根部428的轮辋426的厚度。轮辋厚度Tr大于或等于十毫米(10mm)且小于或等于四十毫米(40mm)。选择轮辋厚度Tr以提供滚子轴承285的适当功能，同时最小化行星齿轮254的重量。例如，如果轮辋厚度Tr太薄，则径向力Fr将使轮辋426变形，使得滚子轴承285可能会被阻碍发挥功能并且行星齿轮254可能会被阻碍围绕销282(图2)正确旋转。如果轮辋厚度Tr太大，则行星齿轮254的重量增加，从而增加齿轮箱组件46的重量并降低涡轮发动机10的发动机效率。径向力Fr与轮辋厚度Tr的比率大于或等于三千牛顿每毫米(3kN/mm)且小于或等于九千牛顿每毫米(9kN/mm)。径向力Fr与轮辋厚度Tr的比率基于提供滚子轴承285的适当功能同时最小化行星齿轮254的重量进行选择，如上文详述。
副轴402包括限定为副轴402的材料的体积的体积。副轴402的体积大于或等于三立方分米(3dm3)(例如，升)且小于或等于二十立方分米(20dm3)(例如升)。副轴402的体积基于用于特定的涡轮发动机10应用的行星齿轮254的尺寸进行选择。例如，对于在较大且功率较大的涡轮发动机中使用的齿轮箱组件，副轴402的体积将较大(例如，接近二十立方分米(20dm3))，并且对于较小且功率较小的涡轮发动机，副轴402的体积将较小(例如，接近三立方分米(3dm3))。副轴402的体积将随着副轴402的尺寸增加而增加。
图4示意性地示出了砂轮388。砂轮388包括砂轮直径Dgw，其是砂轮388的直径。第一级行星齿轮260包括具有内表面434的轮辋432。第一级行星齿轮260包括第一级轮辋内半径Rrm1，该第一级轮辋内半径Rrm1限定为第一级行星齿轮260的半径(从轴线13到径向内表面434测量)。第二级行星齿轮262包括第二级根部半径Rrt2，该第二级根部半径Rrt2限定为第二级行星齿轮262的半径(从轴线13到根部428测量)。
如前所述，发明人试图改进动力齿轮箱的尺寸和重量。关于尺寸和重量要求，不仅要考虑影响惯性和热负载环境的因素，例如承载负载的齿轮尺寸、耐用性、散热、润滑要求，还要考虑零件的可制造性。与需要动力齿轮箱(该动力齿轮箱使用相对低的齿轮比或对齿轮箱的额定功率要求较低)(例如，将低功率轴联接到风扇的齿轮箱)的现有飞行器发动机相比，考虑的实施例(高额定功率和齿轮比))在确定如何减小齿轮箱的尺寸和重量同时仍然能够高效地传递扭矩以及以可靠、可重复的方式考虑可制造性方面提出了挑战。
在评估为了改进齿轮箱的重量和轴向长度的本文所述的不同实施例的过程中，发明人出乎意料地发现，在第一级轮辋内半径Rrm1、第二级根部半径Rrt2和砂轮直径Dgw之间存在关系，其唯一地标识了适用于特定架构的有限且容易确定的(鉴于本公开)实施例数量，该架构考虑到了第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间所需的间隙。这一发现使人们能够减少第一级和第二级之间的轴向长度，同时考虑到行星齿轮的可制造性。发现副轴402的可允许轴向长度Lt考虑了在行星齿轮254的制造期间用于磨削操作的第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间所需的径向间隙。这种关系被称为径向级距离，在(1)中：
径向级距离(Rrm1-Rrt2)≥Dgw(1)
其中径向级距离(RSD)是第一级轮辋内半径Rrm1和第二级根部半径Rrt2之间的差，并且其中径向级距离大于或等于砂轮直径Dgw。如下文进一步讨论的，我们已经确定了使行星齿轮254能够被设计用于大范围的涡轮发动机设计的径向级距离的范围。
使用这种独特的关系，行星齿轮轴向长度Lt可以仅由形成零件所需的通路来限制或约束，无论是通过砂轮还是其他工具。此外，使用RSD作为指导，可以在设计过程的早期开发多个行星齿轮254，同时允许砂轮388用于形成第二级行星齿轮262的齿轮齿而不接触第一级行星齿轮260。
我们还希望在设计的早期阶段获得设计可能性，以便在考虑权衡的情况下候选改进设计的下游选择变得更加可预测。迄今为止，该过程有时更加临时，选择一种设计或另一种设计而不知道第一次考虑概念时的影响。例如，并参考图1，风扇区段14设计(例如，风扇38设计、风扇叶片40设计等)、燃烧区段26设计、压缩机区段21设计、涡轮区段27设计等的各个方面可能不是已知的，但这些部件会影响行星齿轮254上的径向力Fr和齿轮箱组件46(图2)的齿轮比，并且因此可能影响行星齿轮254的设计。
RSD关系优选地用于飞行器的多级齿轮箱以及具有相对高的额定功率(例如，大于7兆瓦、大于15兆瓦或大于22兆瓦)和在7(7:1)和十二(12:1)之间的齿轮比的那些。齿轮箱组件的各种实施例允许在七(7:1)和十一(11:1)之间以及在八(8:1)和十(10:1)之间的齿轮比。
表1
表1描述了识别各种涡轮发动机的径向级距离的示例性实施例1至14。实施例1至14可以代表关于图1描述的涡轮发动机10，并且可以应用于图2所示的齿轮箱组件46。在表1中，径向级距离是基于上述关系(1)确定的。
图5以图表的形式表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的第一级轮辋内半径Rr1。表1和图5示出了可以基于第二级根部半径Rrt2改变第一级轮辋内半径Rr1。区域500表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的第一级轮辋内半径Rrm1的边界。第一级轮辋内半径Rrm1大于或等于九十毫米(90mm)且小于或等于两百七十毫米(270mm)。第二级根部半径Rrt2大于或等于六十毫米(60mm)且小于或等于一百七十毫米(170mm)。图5示出了随着第二级根部半径Rrt2增加，第一级轮辋内半径Rrm1增加。例如，随着第二级根部半径Rrt2增加，第一级轮辋内半径Rrm1增加，使得径向级距离大于或等于砂轮直径Dgw。第一级轮辋内半径Rrm1和第二级根部半径Rrt2范围的下端被选择用于较小的涡轮发动机，并且范围的上端被选择用于较大的涡轮发动机。因此，第一级轮辋内半径Rrm1和第二级根部半径Rrt2随着涡轮发动机尺寸的增加而增加。例如，范围的下端被选择用于用于窄体飞行器(例如，机舱宽度小于约四米(4m)的单通道飞行器)或支线涡轮螺旋桨飞行器的较小涡轮发动机，并且范围的上端被选择用于在宽体飞行器(例如，机舱宽度大于约四米(4m)的双通道飞行器)中使用的较大涡轮发动机。
图6以图表的形式表示根据另一个实施例的作为第二级根部半径Rrt2的函数的第一级轮辋内半径Rrm1。区域600表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的第一级轮辋内半径Rrm1的边界。图6示出了第一级轮辋内半径Rrm1大于或等于九十毫米(90mm)且小于或等于两百毫米(200mm)。第二级根部半径Rrt2大于或等于六十毫米(60mm)且小于或等于一百二十毫米(120mm)。图6中的第一级轮辋内半径Rrm1和第二级根部半径Rrt2的范围被选择用于在窄体飞行器中使用的涡轮发动机和/或支线涡轮螺旋桨发动机。
图7以图表的形式表示根据另一个实施例的作为第二级根部半径Rrt2的函数的第一级轮辋内半径Rrm1。区域700表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的第一级轮辋内半径Rrm1的边界。图7示出了第一级轮辋内半径Rrm1大于或等于一百二十毫米(120mm)且小于或等于两百毫米(200mm)。第二级根部半径Rrt2大于或等于八十毫米(80mm)且小于或等于一百二十毫米(120mm)。图6中的第一级轮辋内半径Rrm1和第二级根部半径Rrt2的范围被选择用于在窄体飞行器中使用的涡轮发动机。
图8以图表的形式表示作为第一级轮辋内半径Rrm1的函数的径向级距离。表1和图8示出了可以基于第一级轮辋内半径Rrm1改变径向级距离。区域800表示作为第一级轮辋内半径Rrm1的函数的径向级距离的边界。对于在九十毫米(90mm)和两百毫米七十毫米(270mm)之间的第一级轮辋内半径Rrm1的值，径向级距离大于或等于三十毫米(30mm)且小于或等于一百毫米(100mm)。图8示出了随着第一级轮辋内半径Rrm1增加，径向级距离增加。例如，随着第一级轮辋内半径Rrm1增加，径向级距离增加，使得径向级距离大于或等于砂轮直径Dgw。因此，径向级距离基于减小副轴402的轴向长度Lt与允许砂轮388装配在第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间而在砂轮388用于形成第二级行星齿轮262的齿轮齿时不接触第一级行星齿轮260之间的平衡进行选择，如上文详述。图8中提供的径向级距离的范围适用于大范围涡轮发动机尺寸，例如用于窄体飞行器、支线涡轮螺旋桨飞行器或宽体飞行器的涡轮发动机。
图9以图表的形式表示根据另一个实施例的作为第一级轮辋内半径Rrm1的函数的径向级距离。图9示出了可以基于第一级轮辋内半径Rrm1改变径向级距离。区域900可以表示作为第一级轮辋内半径Rrm1的函数的径向级距离的边界。对于在九十毫米(90mm)和两百毫米(200mm)之间的第一级轮辋内半径Rrm1的值，图9中的径向级距离大于或等于三十毫米(30mm)且小于或等于八十毫米(80mm)。图9示出了随着第一级轮辋内半径Rrm1增加，径向级距离增加，如上文详述。图9中的径向级距离的范围被选择用于在窄体飞行器中使用的涡轮发动机和/或支线涡轮螺旋桨发动机。
图10以图表的形式表示根据另一个实施例的作为第一级轮辋内半径Rrm1的函数的径向级距离。图10示出了可以基于第一级轮辋内半径Rrm1改变径向级距离。区域1000表示作为第一级轮辋内半径Rrm1的函数的径向级距离的边界。对于在一百二十毫米(120mm)和两百毫米(200mm)之间的第一级轮辋内半径Rrm1的值，图10中的径向级距离大于或等于四十毫米(40mm)且小于或等于八十毫米(80mm)。图10示出了随着第一级轮辋内半径Rrm1增加，径向级距离增加，如上文详述。图10中的径向级距离的范围被选择用于在窄体飞行器中使用的涡轮发动机。
图11以图表的形式表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的径向级距离。表1和图11示出了可以基于第二级根部半径Rrt2改变径向级距离。区域1100表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的径向级距离的边界。对于在六十毫米(60mm)和一百七十毫米(170mm)之间的第二级根部半径Rrt2的值，径向级距离大于或等于三十毫米(30mm)且小于或等于一百毫米(100mm)。一般来说，随着第二级根部半径Rrt2增加，径向级距离增加。例如，随着第二级根部半径Rrt2增加，径向级距离增加，使得径向级距离大于或等于砂轮直径Dgw。因此，径向级距离是基于减小副轴402的轴向长度Lt与允许砂轮388装配在第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间而在砂轮388用于形成第二级行星齿轮262的齿轮齿时不接触第一级行星齿轮260之间的平衡进行选择，如上文详述的。图11中提供的径向级距离的范围适用于大范围涡轮发动机尺寸，例如用于在窄体飞行器、支线涡轮螺旋桨飞行器或宽体飞行器中使用的涡轮发动机。
图12以图表的形式表示根据另一个实施例的作为第二级根部半径Rrt2的函数的径向级距离。表1和图12示出了可以基于第二级根部半径Rrt2改变径向级距离。区域1200表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的径向级距离的边界。对于在六十毫米(60mm)和一百二十毫米(120mm)之间的第二级根部半径Rrt2的值，图12中的径向级距离大于或等于三十毫米(30mm)且小于或等于八十毫米(80mm)。随着第二级根部半径Rrt2增加，径向级距离增加，如上文详述。图12中径向级距离的范围被选择用于在窄体飞行器中使用的涡轮发动机和/或支线涡轮螺旋桨发动机。
图13以图表的形式表示根据另一个实施例的作为第二级根部半径Rrt2的函数的径向级距离。图13示出了可以基于第二级根半径Rrt2改变径向级距离。区域1300表示作为第二级根部半径Rrt2的函数的径向级距离的边界。对于在八十毫米(80mm)和一百二十毫米(120mm)之间的第二级根部半径Rrt2的值，图13中的径向级距离大于或等于四十毫米(40mm)且小于或等于八十毫米(80mm)。随着第二级根部半径Rrt2增加，径向级距离增加，如上详述。图13中的径向级距离的范围被选择用于在窄体飞行器中使用的涡轮发动机。
本文详述的实施例提供了最小化副轴402的轴向长度Lt，并且因此最小化涡轮发动机轴向长度的副轴402设计。选择副轴402设计使得轴向长度Lt减小，而径向级距离大于或等于砂轮直径Dgw以确保在制造行星齿轮254期间砂轮388能够装配在第一级行星齿轮260和第二级行星齿轮262之间。本文详述的实施例提供了具有大致拉姆达形状的副轴402。上面详述的副轴402的参数被选择为在操作期间提供对行星齿轮254的齿轮偏转的改进响应，同时最小化滚子轴承285上的接触压力并且最小化副轴402的总重量。因此，本文详述的实施例提供了行星齿轮254，其允许齿轮箱组件46的轴向长度减小，并且因此允许涡轮发动机10的轴向长度减小。与没有本公开的益处的涡轮发动机相比，涡轮发动机10的总重量减小并且发动机效率增加。
进一步的方面由以下条项的主题提供。
一种包括多个行星齿轮的齿轮箱组件。多个行星齿轮中的至少一个行星齿轮包括支撑第一级行星齿轮和第二级行星齿轮的副轴。至少一个行星齿轮的特征在于径向级距离大于或等于30毫米且小于或等于100毫米，径向级距离为Rrm1–Rrt2。Rrm1是第一级行星齿轮的第一级轮辋内半径，并且Rrt2是第二级行星齿轮的第二级根部半径。
根据前述条项所述的齿轮箱组件，径向级距离大于或等于30毫米且小于或等于80毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，径向级距离大于或等于40毫米且小于或等于80毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，Rrml大于或等于90毫米且小于或等于270毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，Rrml大于或等于90毫米且小于或等于200毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，Rrml大于或等于120毫米且小于或等于200毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，Rrt2大于或等于60毫米且小于或等于170毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，Rrt2大于或等于60毫米且小于或等于120毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，Rrt2大于或等于80毫米且小于或等于120毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述至少一个行星齿轮包括限定轮辋厚度的轮辋，所述轮辋厚度大于或等于10毫米且小于或等于40毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，进一步包括设置在所述至少一个行星齿轮内的滚子轴承，所述滚子轴承具有大于或等于50毫米且小于或等于140毫米的滚子轴承半径。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述齿轮箱组件包括大于或等于7:1且小于或等于12:1的齿轮比。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述副轴的轴向长度大于或等于150毫米且小于或等于300毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述第一级行星齿轮和所述第二级行星齿轮之间的轴向距离大于或等于1毫米且小于或等于6毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述副轴包括限定大致拉姆达形状的中间部分。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述中间部分包括相对于所述至少一个行星齿轮的轴线以角度δ大致在轴向方向上延伸的轴向部分和大致在径向方向上延伸的径向部分，所述角度δ大于0度且小于或等于60度。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述轴向部分具有大于或等于3毫米且小于或等于10毫米的轴向部分厚度。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述径向部分具有大于或等于2毫米且小于或等于10毫米的径向部分厚度。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述第二级行星齿轮上的径向力与所述轮辋厚度的比率大于或等于3千牛顿每毫米且小于或等于9千牛顿每毫米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述副轴的体积大于或等于3立方分米且小于或等于20立方分米。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，进一步包括齿轮组件，所述齿轮组件联接到涡轮发动机的输入轴和所述涡轮发动机的输出轴。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述输入轴联接到所述涡轮发动机的核心涡轮发动机，并且所述输出轴联接到所述涡轮发动机的风扇。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，扭矩能够通过所述齿轮组件从所述输入轴传递到所述输出轴。
根据任一前述条项所述的齿轮箱组件，所述涡轮发动机的额定功率大于7兆瓦。
一种涡轮发动机，包括联接到输入轴的核心涡轮发动机、联接到输出轴的风扇和齿轮箱组件。扭矩能够通过齿轮箱组件从输入轴传递到输出轴。齿轮箱组件包括多个行星齿轮。多个行星齿轮中的至少一个行星齿轮包括支撑第一级行星齿轮和第二级行星齿轮的副轴。至少一个行星齿轮的特征在于径向级距离大于或等于30毫米且小于或等于100毫米，径向级距离为Rrm1–Rrt2。Rrm1是第一级行星齿轮的第一级轮辋内半径，并且Rrt2是第二级行星齿轮的第二级根部半径。
根据前述条项所述的涡轮发动机，所述径向级距离大于或等于30毫米且小于或等于80毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述径向级距离大于或等于40毫米且小于或等于80毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，Rrml大于或等于90毫米且小于或等于270毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，Rrm1大于或等于90毫米且小于或等于200毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，Rrm1大于或等于120毫米且小于或等于200毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，Rrt2大于或等于60毫米且小于或等于170毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，Rrt2大于或等于60毫米且小于或等于120毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，Rrt2大于或等于80毫米且小于或等于120毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述至少一个行星齿轮包括限定轮辋厚度的轮辋，所述轮辋厚度大于或等于10毫米且小于或等于40毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述第二级行星齿轮上的径向力与所述轮辋厚度的比率大于或等于3千牛顿每毫米且小于或等于9千牛顿每毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括设置在所述至少一个行星齿轮内的滚子轴承，所述滚子轴承具有大于或等于50毫米且小于或等于140毫米的滚子轴承半径。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述齿轮箱组件包括大于或等于7:1且小于或等于12:1的齿轮比。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述副轴的轴向长度大于或等于150毫米且小于或等于300毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述第一级行星齿轮和所述第二级行星齿轮之间的轴向距离大于或等于1毫米且小于或等于6毫米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述副轴包括限定大致拉姆达形状的中间部分。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述中间部分包括相对于所述至少一个行星齿轮的轴线以角度δ大致在轴向方向上延伸的轴向部分和大致在径向方向上延伸的径向部分，所述角度δ大于0度且小于或等于60度。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述轴向部分包括大于或等于3毫米且小于或等于10毫米的轴向部分厚度。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述径向部分包括大于或等于2毫米且小于或等于10毫米的径向部分厚度。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述副轴的体积大于或等于3立方分米且小于或等于20立方分米。
根据任一前述条项所述的涡轮发动机，所述涡轮发动机的额定功率大于7兆瓦。
尽管前面的描述针对本公开的优选实施例，但是在不脱离本公开的精神或范围的情况下，其他变化和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的并且可以进行。此外，结合本公开的一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。

Claims (10)

1.一种齿轮箱组件，包括：
多个行星齿轮，所述多个行星齿轮中的至少一个行星齿轮包括支撑第一级行星齿轮和第二级行星齿轮的副轴，所述至少一个行星齿轮的特征在于径向级距离大于或等于30毫米且小于或等于100毫米，所述径向级距离为Rrm1–Rrt2，其中，Rrm1为所述第一级行星齿轮的第一级轮辋内半径，并且Rrt2为所述第二级行星齿轮的第二级根部半径。
2.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，所述径向级距离大于或等于30毫米且小于或等于80毫米。
3.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，所述径向级距离大于或等于40毫米且小于或等于80毫米。
4.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，Rrm1大于或等于90毫米且小于或等于270毫米。
5.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，Rrm1大于或等于90毫米且小于或等于200毫米。
6.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，Rrm1大于或等于120毫米且小于或等于200毫米。
7.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，Rrm2大于或等于60毫米且小于或等于170毫米。
8.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，Rrt2大于或等于60毫米且小于或等于120毫米。
9.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，Rrt2大于或等于80毫米且小于或等于120毫米。
10.根据权利要求1所述的齿轮箱组件，其特征在于，其中，所述至少一个行星齿轮包括限定轮辋厚度的轮辋，所述轮辋厚度大于或等于10毫米且小于或等于40毫米。
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