CN219932907U - 风扇驱动齿轮箱、航空发动机 - Google Patents

Abstract

提供一种风扇驱动齿轮箱，包括太阳轮、内齿圈和双联斜齿行星轮，太阳轮与低压轴连接，内齿圈与风扇轴连接，低压轴和风扇轴旋向相反；双联斜齿行星轮包括同轴直连的第一级行星轮和第二级行星轮，第一级行星轮用于与太阳轮啮合，第二级行星轮用于与内齿圈啮合；第一级行星轮和太阳轮的斜齿旋向相反，第二级行星轮和第一级行星轮的斜齿旋向相同，第二级行星轮和内齿圈的斜齿旋向相同，其中，第一级行星轮和第二级行星轮具有不同螺旋角和不同分度圆。还提供一种航空发动机。上述风扇驱动齿轮箱借助风扇驱动齿轮箱本身抵消了双联齿轮的两侧轴向分力，还能够抵消齿轮箱外部部分轴向力。

Description

风扇驱动齿轮箱、航空发动机

技术领域

本实用新型涉及航空发动机领域，具体涉及风扇驱动齿轮箱领域。

背景技术

GTF发动机(Geared Turbofan Engine)为新一代发动机，风扇转子与低压转子之间安装一个行星齿轮箱，使得风扇转子工作在低转速，低压压气机工作在高转速，提高压气机效率的同时提高风扇直径。传统GTF构型发动机采用的行星或星型齿轮箱结构传动比一般在3～4左右，涵道比在12～14左右。大涵道比的发动机要求更大的风扇直径，在风扇叶尖切线速度无法提高的情况下，意味着风扇转速需要降的更低，而低压压气机的转速要维持高速，对风扇驱动齿轮行星的传动比有了更高的要求。

传统构型的单排星型或行星齿轮箱，传动比一般在3～4左右，为进一步提高传动比到7以上需要采用双排行星轮结构或者单排双联行星型轮系结构。双联行星轮是指在同一根行星轮轴上设置有两排齿数不一样的行星齿轮。双排行星轮系意味着齿轮箱的结构变宽且重量增加，而且啮合副的增多也意味着功率损失的增加。在航空发动机中采用具有双联斜齿行星轮的单排行星轮系，能在紧凑空间中实现大传动比。

对双联行星轮这种单排行星构型，常用采用齿轮的齿形有直齿、斜齿或人字齿形式。直齿轮形式较为简单，但齿轮重合度小，啮合刚度波动大，容易引起共振风险；斜齿轮重合度大，传动平稳，但由于螺旋角的存在，会带来很大的轴向力，对轴承和支撑结构带来很大的附加弯矩；人字齿轮重合度大，传动平稳，且由两对称斜齿轮组成，轴向力抵消，但为实现同样的传动比，齿轮个数需增加一倍，带来安装空间、重量和成本的增加。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种风扇驱动齿轮箱，具备较佳的传动性能。

为实现上述目的的风扇驱动齿轮箱用于连接风扇轴和低压轴，包括太阳轮、内齿圈和双联斜齿行星轮，所述太阳轮与低压轴连接，所述内齿圈与风扇轴连接，所述低压轴和所述风扇轴旋向相反；所述双联斜齿行星轮包括同轴直连的第一级行星轮和第二级行星轮，所述第一级行星轮用于与所述太阳轮啮合，所述第二级行星轮用于与所述内齿圈啮合；所述第一级行星轮和所述太阳轮的斜齿旋向相反，所述第二级行星轮和所述第一级行星轮的斜齿旋向相同，所述第二级行星轮和所述内齿圈的斜齿旋向相同，其中，所述第一级行星轮和第二级行星轮具有不同螺旋角和不同分度圆。

在一个或多个实施例中，所述第一级行星轮和所述第二级行星轮的斜齿螺旋角满足如下关系：其中，Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，β₁为所述第一级行星轮的螺旋角，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，β₂为所述第二级行星轮的螺旋角，且所述第一级行星轮和所述第二级行星轮的模数和压力角相同。

在一个或多个实施例中，所述太阳轮、所述第一级行星轮、所述第二级行星轮和所述内齿圈满足如下齿数关系：其中，Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，β₁为所述第一级行星轮的螺旋角，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，β₂为所述第二级行星轮的螺旋角，Z_s是所述太阳轮的齿数，Z_r是所述内齿圈的齿数，m_n1是第一级行星轮的斜齿轮法向模数，m_n2是第二级行星轮的斜齿轮法向模数。

在一个或多个实施例中，所述太阳轮、所述第一级行星轮和所述第二级行星轮齿数还满足如下条件：其中，N为所述双联斜齿行星轮的支路个数，Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，Z_s是所述太阳轮的齿数，Z_r是所述内齿圈的齿数。

在一个或多个实施例中，各所述双联斜齿行星轮的第一级行星轮相对于所述太阳轮周向均匀设置，第二级行星轮相对于所述内齿圈周向均匀设置。

在一个或多个实施例中，所述太阳轮为左旋斜齿轮，所述第一级行星轮和所述第二级行星轮为右旋斜齿轮，所述内齿圈为右旋斜齿。

在一个或多个实施例中，所述第一级行星轮的分度圆直径大于第二级行星轮。

在一个或多个实施例中，所述第一级行星轮的分度圆直径相对于所述第二级行星轮的分度圆直径比例范围为1.8～2.2。

在一个或多个实施例中，所述双联斜齿行星轮的传动比计算公式为：其中Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，Z_s是所述太阳轮的齿数，Z_r是所述齿圈的齿数。

在一个或多个实施例中，所述风扇轴由圆锥滚子轴承支撑，所述低压轴由所述球轴承支撑。

本实用新型的另一个目的是提供一种航空发动机，包括风扇轴、低压轴，使用上述风扇驱动齿轮箱连接所述风扇轴和所述低压轴。

上述风扇驱动齿轮箱通过将双联斜齿行星轮的第一级行星轮和第二级行星轮设计为不同的螺旋角和分度圆，螺旋角的设置原则需根据第一级行星轮和第二级行星轮的分度圆直径关系确定，借助风扇驱动齿轮箱本身实现了抵消双联齿轮的两侧轴向分力，由于设置和合适的螺旋角旋向，还能够降低支撑风扇轴的圆锥滚子轴承以及支撑低压轴的球轴承所受轴向力，提高轴承的使用寿命。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是风扇驱动齿轮箱的齿轮总体布局简图；

图2是双联斜齿行星轮的一个实施例的示意图；

图3是双联斜齿行星轮与太阳轮及齿圈配合状态示意图；

图4是风扇驱动齿轮箱及低压轴的示意图；

图5是齿轮箱各轴系旋转方向的示意图；

图6是齿轮箱各齿轮受力方向的分布图。

附图符号说明

1 风扇

2 风扇驱动齿轮箱

3 低压轴

11 风扇轴

12、13圆锥滚子轴承

20 双联斜齿行星轮

21 太阳轮

22 第一级行星轮

23 第二级行星轮

24 内齿圈

25 支撑轴承

26 行星架

31 球轴承

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。

GTF发动机是在风扇转子与低压转子之间安装一个行星或星型齿轮箱，使得风扇转子工作在低转速，低压压气机工作在高转速，提高压气机效率的同时提高风扇直径，增大涵道比。

风扇驱动齿轮箱连接低压轴和风扇轴，通常是行星或星型结构。行星轮系一般包括居中的太阳轮、围绕太阳轮的行星轮以及包裹行星轮的齿圈，行星轮安装在行星架上。一般而言，行星轮系根据固定元件和运动元件的不同，分为周转轮系结构或定轴轮系。

本公开的齿轮箱参照图1至图5所示，风扇驱动齿轮箱2为带双联斜齿行星轮的单排星型轮系结构，布置在风扇1与低压轴3之间，包括太阳轮21、内齿圈24和周向设置的双联斜齿行星轮20，双联斜齿行星轮20的行星架26固定设置，支撑轴通过支承轴承25设置在行星架26上。各双联斜齿行星轮20包括同轴直连的第一级行星轮22和第二级行星轮23，第一级行星轮22用于与太阳轮21啮合，第二级行星轮23用于与内齿圈24啮合。太阳轮21与低压轴3连接，内齿圈24与风扇轴11连接。

各双联斜齿行星轮的第一级行星轮22相对于太阳轮21周向均匀设置，第二级行星轮23相对于内齿圈24周向均匀设置。如在图2至图4所示的实施例中，行星轮采用三路均布的形式，即第一级行星轮22要在太阳轮21上均布，第二级行星轮23在内齿圈24均布，双联斜齿行星轮的支路个数N根据设计需求也可以选择其他支路个数。

风扇轴11由圆锥滚子轴承12、13支撑，承担风扇1和风扇驱动齿轮箱2带来的轴向力；低压轴3靠近风扇驱动齿轮箱2部分由球轴承21支撑。低压轴3和风扇轴11同轴且旋向相反，在附图所示的实施例中，低压轴3为顺航向逆时针旋转，风扇轴11为顺航向顺时针旋转。

第一级行星轮22和太阳轮21的旋向相反，第二级行星轮23和第一级行星轮22的斜齿旋向相同，第二级行星轮23和内齿圈24的斜齿旋向相同。在附图1-5所示的实施例中，太阳轮21为左旋斜齿轮，第一级行星轮22和第二级行星轮23为右旋斜齿轮，内齿圈24为右旋斜齿。

其中，第一级行星轮22和第二级行星轮23具有不同螺旋角和不同分度圆。螺旋角和分度圆的设计原则为：螺旋角的设置需根据第一级行星轮22和第二级行星轮23的分度圆直径关系确定，太阳轮21的螺旋角数值与第一级行星轮22螺旋角一致，螺旋角的旋向设置为传扭时轴向力为顺航向向前。第一级行星轮22相对于太阳轮21为从动轮，第二级行星轮23相对于齿圈24为主动轮，因此在同为右旋螺旋角时，第一级行星轮22传扭受到的轴向力顺航向向后，第二级行星轮23传扭受到的轴向力顺航向向前。相应的，内齿圈24螺旋角数值与第二级行星轮23一致，螺旋角旋向被确定为使得轴向力顺航向方向向后，则第一级行星轮22与第二级行星轮23受到的轴向力抵消，太阳轮21轴向受力与低压轴3的轴向力反向，内齿圈24与风扇轴11的轴向力反向，实现抵消效果。

由于行星轮采用双列斜齿轮结构，为提高传动比，第一级行星轮设计的分度圆直径大于第二级行星轮直径。虽然两行星轮传递的扭矩一致，由于第一级行星轮22分度圆直径大于第二级行星轮23，因此同一扭矩对两个行星轮带来的轴向分力是不一致的。在一些实施例中，两行星轮的直径比例大约是2，如比例范围为1.8～2.2，但不限于该数值，本领域技术人员可以理解的是，该比例根据传动比和齿轮承载能力的要求来设计。

具有不同螺旋角的双联斜齿行星轮的单排星型轮系齿轮箱传动比计算公式为：其中Z_p1为第一级行星轮的齿数，Z_p2为第二级行星轮的齿数，Z_s是太阳轮的齿数，Z_r是齿圈的齿数。

为满足第一级行星轮22与第二级行星轮23轴向力平衡条件，当模数和压力角相同时，两行星轮的螺旋角需满足如下关系：其中，β₁为第一级行星轮的螺旋角，β₂为第二级行星轮的螺旋角。

由于第一级行星轮22与第二级行星轮23的螺旋角不一致，传统的配齿规则不再适用，太阳轮21齿数Zs、第一级行星轮22齿数Zp1、第二级行星轮齿数Zp2以及齿圈24齿数Zr，满足正确啮合的齿数关系如下：其中，m_n1是第一级行星轮的斜齿轮法向模数，m_n2是第二级行星轮的斜齿轮法向模数，两模数取值一致时可以等式左右约掉。

为保证行星轮能均布，太阳轮、第一级行星轮和第二级行星轮齿数还满足如下条件：其中，N为双联斜齿行星轮的支路个数，在附图所示的实施例中，N为3，/>是3的整数倍。

通过设置第一级行星轮和第二级行星轮螺旋角数值和方向，使得两行星轮轴向力抵消，太阳轮螺旋角设计使得太阳轮与低压轴的轴向力相反，抵消一步分低压轴轴向力，输出内齿圈的轴向力与风扇轴的轴向力相反，抵消一部分风扇轴轴向力。

具体而言，结合图4和5理解，Fa为齿轮啮合轴向力，Fr为齿轮啮合径向力，Ft为齿轮啮合切向力。位于风扇驱动齿轮箱一侧的低压轴3具备向右的轴向力F_lpx和逆时针转矩C，风扇轴11具备向左的轴向力F_fan和顺时针转矩A，通过设计第一级行星轮和第二级行星轮的螺旋角和不同分度圆，使得太阳轮产生由于斜齿轮传扭带来的轴向力Fa_sun顺航向向前，与低压轴3由于低压涡轮和低压压气机带来的轴向力F_lpx产生部分抵消，进而减轻球轴承的轴向载荷，内齿圈24在受载时斜齿轮产生的轴向力Fa_ring顺航向向后，抵消一部分风扇轴11的轴向力F_fan，减轻圆锥滚子轴承的轴向载荷。由此可见上述轮系在未采用人字齿轮构型的情况下做到了轮系内部轴向力抵消，如双联斜齿行星轮所在的转轴具备两方向相反的扭矩B和B’；此外还使得轮系外部部分轴向力抵消。

由此，本被认为不利因素的齿轮啮合轴向力被用于与发动机自身轴向力抵消，降低了主轴轴承的轴向载荷，同时齿轮箱内部轴向力完全抵消，用两个斜齿轮实现了人字齿轮需要4个配对斜齿轮的功能，降低了齿轮箱的重量和轴向空间需求，使齿轮箱具有斜齿轮传动平稳的优势。

根据配齿规则，下述表一提供一组传动比为11的带双联行星轮的单排星型轮系结构设计参数示例。

表一传动比为11的双联斜齿行星轮设计参数

结合上述对风扇驱动齿轮箱的介绍，还可以理解一种航空发动机，该航空发动机包括风扇轴、低压轴，使用上述风扇驱动齿轮箱连接风扇轴和低压轴，能够部分抵消双联齿轮的两侧轴向分力，进而使齿轮传动更为平稳，同时降低圆锥滚子轴承和球轴承的轴向载荷，提高了轴承寿命。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (11)

1.风扇驱动齿轮箱，用于连接风扇轴和低压轴，包括太阳轮、内齿圈和双联斜齿行星轮，其特征在于，

所述太阳轮与低压轴连接，所述内齿圈与风扇轴连接，所述低压轴和所述风扇轴旋向相反；

所述双联斜齿行星轮包括同轴直连的第一级行星轮和第二级行星轮，所述第一级行星轮用于与所述太阳轮啮合，所述第二级行星轮用于与所述内齿圈啮合；

所述第一级行星轮和所述太阳轮的斜齿旋向相反，所述第二级行星轮和所述第一级行星轮的斜齿旋向相同，所述第二级行星轮和所述内齿圈的斜齿旋向相同，其中，所述第一级行星轮和第二级行星轮具有不同螺旋角和不同分度圆。

2.如权利要求1所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述第一级行星轮和所述第二级行星轮的斜齿螺旋角满足如下关系：

其中，Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，β₁为所述第一级行星轮的螺旋角，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，β₂为所述第二级行星轮的螺旋角，且所述第一级行星轮和所述第二级行星轮的模数和压力角相同。

3.如权利要求2所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述太阳轮、所述第一级行星轮、所述第二级行星轮和所述内齿圈满足如下齿数关系：

其中，Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，β₁为所述第一级行星轮的螺旋角，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，β₂为所述第二级行星轮的螺旋角，Z_s是所述太阳轮的齿数，Z_r是所述内齿圈的齿数，m_n1是第一级行星轮的斜齿轮法向模数，m_n2是第二级行星轮的斜齿轮法向模数。

4.如权利要求1或3所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述太阳轮、所述第一级行星轮和所述第二级行星轮齿数还满足如下条件：

其中，N为所述双联斜齿行星轮的支路个数，Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，Z_s是所述太阳轮的齿数，Z_r是所述内齿圈的齿数。

5.如权利要求1所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，各所述双联斜齿行星轮的第一级行星轮相对于所述太阳轮周向均匀设置，第二级行星轮相对于所述内齿圈周向均匀设置。

6.如权利要求1所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述太阳轮为左旋斜齿轮，所述第一级行星轮和所述第二级行星轮为右旋斜齿轮，所述内齿圈为右旋斜齿。

7.如权利要求1所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述第一级行星轮的分度圆直径大于第二级行星轮。

8.如权利要求7所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述第一级行星轮的分度圆直径相对于所述第二级行星轮的分度圆直径比例范围为1.8～2.2。

9.如权利要求1所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述双联斜齿行星轮的传动比计算公式为：

其中Z_p1为所述第一级行星轮的齿数，Z_p2为所述第二级行星轮的齿数，Z_s是所述太阳轮的齿数，Z_r是所述齿圈的齿数。

10.如权利要求1所述的风扇驱动齿轮箱，其特征在于，所述风扇轴由圆锥滚子轴承支撑，所述低压轴由球轴承支撑。

11.航空发动机，包括风扇轴、低压轴，其特征在于，使用如权利要求1-10任一项所述的风扇驱动齿轮箱连接所述风扇轴和所述低压轴。