ES2880419T3 - Arrancador de turbina de aire que comprende un sistema de engranajes planetarios - Google Patents

Abstract

Un arrancador de turbina de aire (10) para un motor (14), que comprende: una carcasa (30) que define una entrada (32), una salida (34) y un camino de flujo que se extiende entre la entrada (32) y la salida (34) para comunicar un flujo de gas a través de ellas; un miembro de turbina (38) sobre cojinetes dentro del carcasa (30) y dispuesto dentro del camino de flujo (36) para extraer de manera rotatoria energía mecánica del flujo de gas y que tiene un árbol de salida de turbina (50); un sistema de engranajes planetarios (44) acoplado de manera accionante con el árbol de salida de turbina (50) y que incluye un engranaje solar (70, 170, 270), una corona dentada (46, 82, 182, 282) montada en la carcasa (30), y un conjunto de engranajes planetarios (48) que acoplan operativamente el engranaje solar (70, 170, 270) y la corona dentada (46, 82, 182, 282) donde el engranaje solar (70, 170, 270) se acopla al árbol de salida de turbina (50); y un árbol de transmisión (64) configurado para acoplarse operativamente y rotar con el motor (14); en donde el sistema de engranajes planetarios (44) transfiere par desde el árbol de salida de turbina (50) al árbol de accionamiento (64) y donde la corona dentada (46, 82, 182, 282) comprende una corona dentada flexible (46, 82, 182, 282) configurada para distribuir la carga entre las interfaces (80, 180, 280) entre la corona dentada (46, 82, 182, 282) y el conjunto de engranajes planetarios (48); y en donde la corona dentada flexible (46, 82, 182, 282) comprende además un conjunto de ranuras (84) ubicadas entre una parte radialmente interior (76, 176, 276) y una parte radialmente exterior (74, 174, 274) de la corona dentada flexible (46, 82, 182, 282).

Description

DESCRIPCIÓN

Arrancador de turbina de aire que comprende un sistema de engranajes planetarios

Antecedentes

Un mecanismo de accionamiento, como un motor o un motor térmico, puede generar movimientos de accionamiento en una salida de mecanismo, como en un árbol de salida rotatorio. El árbol de salida puede, por ejemplo, proporcionar un movimiento cinético rotacional a otro equipo a través de un árbol de accionamiento rotatorio conectado al árbol de salida. El equipo que recibe el movimiento cinético rotacional puede utilizar el movimiento rotacional de accionamiento como fuente de energía para operar. En una configuración de ejemplo, un motor de turbina de gas, también conocido como motor de turbina de combustión, es un motor rotativo que extrae energía de un flujo de gases combustionados que pasan a través del motor hacia una multitud de álabes de turbina. El motor de turbina de gas puede proporcionar al menos una parte del movimiento cinético rotacional al equipo rotatorio, tal como una caja de engranajes de accesorios, donde el movimiento rotacional se utiliza para dar energía a varios accesorios diferentes. Los accesorios pueden incluir generadores, arrancadores / generadores, alternadores de imán permanente (PMA) o generadores de imán permanente (PMG), bombas de combustible y bombas hidráulicas.

Se puede utilizar un sistema de engranajes planetarios para accionar uno o más de los accesorios, incluido el arrancador, al colocar un tren de engranajes del arrancador dentro de una envolvente de perfil compacto. Los sistemas de engranajes planetarios incluyen uno o más engranajes planetarios engranados entre engranajes de entrada y salida, donde los engranajes planetarios se diseñan para rotar alrededor de sus propios ejes y orbitar alrededor de otro eje en el tren de engranajes.

El documento US 2012/0017723 A1 se relaciona con la retención de árbol planetario en un sistema de engranajes planetarios en un conjunto de arrancador de turbina de aire. El documento DE 102011 075916 A1 describe un conjunto de engranajes planetarios para una turbina eólica, donde una corona dentada tiene un equilibrador de carga provisto de un elemento elástico. El documento GB 1.557.973 A describe un engranaje epicicloidal. El documento US 3.757.608 A describe un sistema de engranajes planetarios en donde una rueda solar exterior se conecta elásticamente con una carcasa de engranajes.

Breve descripción

En un aspecto, la presente divulgación se refiere a un arrancador de turbina de aire para un motor, que comprende una carcasa que define una entrada, una salida y un camino de flujo que se extiende entre la entrada y la salida para comunicar un flujo de gas a través de la misma. Un miembro de turbina está sobre cojinetes dentro de la carcasa y dispuesto dentro del camino de flujo para extraer de manera rotatoria energía mecánica del flujo de gas y tiene un árbol de salida de turbina. Un sistema de engranajes planetarios se acopla de manera accionante con el árbol de salida de turbina e incluye un engranaje solar, una corona dentada montado en la carcasa y un conjunto de engranajes planetarios que acoplan operativamente el engranaje solar y el corona dentada donde el engranaje solar se acopla al árbol de salida de turbina, y un árbol de accionamiento configurado para acoplarse operativamente y rotar con el motor, en donde el sistema de engranajes planetarios transfiere el par desde el árbol de salida de turbina al árbol de accionamiento y donde la corona dentada comprende una corona dentada flexible como se define con más detalle en la reivindicación 1, estando configurada la corona dentada flexible para distribuir la carga entre las interfaces entre la corona dentada y el conjunto de engranajes planetarios.

Una realización preferida se refiere a un arrancador de turbina de aire que comprende un sistema de engranajes planetarios, que comprende un engranaje solar, un conjunto de engranajes planetarios configurados para engranar con el engranaje solar y una corona dentada flexible que incluye una parte radialmente interior que define una cara de engranaje configurada para engranar con el conjunto de engranajes planetarios y una parte radialmente exterior, donde la corona flexible incluye un conjunto de puentes ubicados entre el conjunto de ranuras y que acoplan la parte radialmente interior y la parte radialmente exterior, en donde al menos un puente del conjunto de puentes se configura para desviarse bajo carga de al menos uno del conjunto de engranajes planetarios.

Una realización ilustrativa no reivindicada se refiere a un sistema de engranajes planetarios, que comprende un engranaje solar acoplado operativamente a una entrada, un conjunto de engranajes planetarios configurados para engranar con el engranaje solar, una corona dentada flexible acoplada operativamente a una salida y que incluye una parte radialmente interior que define una cara de engranaje configurada para engranar con el conjunto de engranajes planetarios y una parte radialmente exterior y donde la parte radialmente interior comprende un voladizo que sobresale desde la parte radialmente exterior y al menos una parte de la parte radialmente interior que forma el voladizo se configura para flexionar y absorber la excentricidad del movimiento de al menos uno de los engranajes planetarios del conjunto de engranajes planetarios.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos:

La Figura 1 es una ilustración esquemática de un motor de turbina con una caja de engranajes de accesorios y un arrancador de acuerdo con diversos aspectos descritos en este documento.

La Figura 2 es una vista en sección transversal esquemática ampliada del arrancador de acuerdo con diversos aspectos descritos en este documento.

La Figura 3 es una vista en sección transversal de un sistema de engranajes planetarios para el arrancador de la Figura 2 en un primer aspecto descrito en este documento.

La Figura 4A es una vista en sección transversal ampliada del sistema de engranajes planetarios de la Figura 3 en circunstancias normales de funcionamiento.

La Figura 4B es una vista en sección transversal ampliada del sistema de engranajes planetarios de la Figura 3 en una circunstancia operativa sobrecargada.

La Figura 5 es una vista en perspectiva de un sistema de engranajes planetarios para el arrancador de la Figura 2 en una realización no reivindicada descrita en el presente documento.

La Figura 6A es una vista en sección transversal ampliada del sistema de engranajes planetarios de la Figura 5 en una circunstancia operativa sin carga.

La Figura 6B es una vista en sección transversal ampliada del sistema de engranajes planetarios de la Figura 5 en una circunstancia operativa con carga.

La Figura 7 es una vista en perspectiva de un sistema de engranajes planetarios para el arrancador de la Figura 2 en una segunda realización no reivindicada descrita en el presente documento.

La Figura 8 es una vista en sección transversal ampliada del sistema de engranajes planetarios de la Figura 7 en una circunstancia operativa sin carga con una circunstancia operativa con carga mostrada en línea imaginaria.

Descripción detallada

La presente divulgación está relacionada con un mecanismo de accionamiento que genera movimiento cinético en forma de un árbol rotatorio acoplado con un equipo rotatorio, específicamente un sistema de engranajes planetarios acoplado al árbol rotatorio para un arrancador en un motor de turbina. Es deseable asegurar una carga de engranajes simétrica en las interfaces entre los engranajes de entrada y salida del sistema de engranajes planetarios. Si bien los ejemplos descritos en este documento se dirigen a la aplicación de un motor de turbina y un arrancador con un sistema de engranajes planetarios, la divulgación se puede aplicar a cualquier implementación que incluya un sistema de engranajes planetarios.

Todas las referencias direccionales (por ejemplo, radial, superior, inferior, ascendente, descendente, izquierda, derecha, lateral, frontal, posterior, arriba, abajo, por encima, por debajo, vertical, horizontal, en el sentido de las agujas del reloj, en el sentido contrario a las agujas del reloj) solo se utilizan con fines de identificación para ayudar al lector a comprender la divulgación, y no crean limitaciones, particularmente en cuanto a la posición, orientación o uso de la misma. Las referencias de conexión (por ejemplo, adjunto, acoplado, conectado y unido) deben interpretarse de manera amplia y pueden incluir miembros intermedios entre una colección de elementos y un movimiento relativo entre elementos a menos que se indique lo contrario. Como tal, las referencias de conexión no necesariamente infieren que dos elementos se conectan directamente y en relación fija entre sí. Los dibujos ejemplares tienen únicamente fines ilustrativos y las dimensiones, posiciones, orden y tamaños relativos reflejados en los dibujos adjuntos pueden variar.

Como se usa en este documento, el término "adelante" o "aguas arriba" se refiere a moverse en una dirección hacia la entrada de motor, o un componente que está relativamente más cerca de la entrada de motor en comparación con otro componente. El término "popa" o "aguas abajo" se refiere a una dirección hacia la parte trasera o la salida del motor con respecto a la línea central del motor. Además, como se usa en este documento, los términos "radial" o "radialmente" se refieren a una dimensión que se extiende entre un eje longitudinal central del motor y una circunferencia exterior del motor. Debe entenderse además que "un conjunto" puede incluir cualquier número de los elementos descritos respectivamente, incluyendo solo un elemento.

Haciendo referencia a la Figura 1, un arrancador o un arrancador de turbina de aire 10 se acopla a una caja de engranajes de accesorios (AGB) 12, también conocida como carcasa de transmisión, y juntos se ilustran esquemáticamente montados en un motor de turbina 14 tal como un motor de turbina de gas. Este conjunto se conoce comúnmente como caja de engranajes de generador / arrancador integrados (ISGB). El motor de turbina 14 comprende una admisión de aire con un ventilador 16 que suministra aire a una región de compresión de alta presión 18. La admisión de aire con un ventilador 16 y la región de compresión de alta presión se conocen colectivamente como la 'sección fría' del motor de turbina 14 aguas arriba de la combustión. La región de compresión de alta presión 18 proporciona una cámara de combustión 20 con aire a alta presión. En la cámara de combustión, el aire a alta presión se mezcla con combustible y se combustiona. El gas combustionado caliente y presurizado pasa a través de una región de turbina de alta presión 22 y una región de turbina de baja presión 24 antes de salir del motor de turbina 14. A medida que los gases presurizados pasan a través de la turbina de alta presión (no mostrada) de la región de turbina de alta presión 22 y la turbina de baja presión (no mostrada) de la región de turbina de baja presión 24, las turbinas extraen energía rotacional del flujo de los gases que pasan a través del motor de turbina 14. La turbina de alta presión de la región de turbina de alta presión 22 se puede acoplar al mecanismo de compresión (no mostrado) de la región de compresión de alta presión 18 por medio de un árbol para impulsar el mecanismo de compresión. La turbina de baja presión se puede acoplar al ventilador 16 de la admisión de aire mediante un árbol para accionar el ventilador 16.

El motor de turbina puede ser un motor turbofán, como un motor de la serie General Electric GEnx o CF6, comúnmente utilizado en la aviación moderna comercial y militar o podría ser una variedad de otros motores de turbina conocidos, como un turbohélice o un turboeje. El motor de turbina también puede tener un postquemador que quema una cantidad adicional de combustible aguas abajo de la región de turbina de baja presión 24 para aumentar la velocidad de los gases de escape y, por lo tanto, aumentar el empuje.

El AGB 12 se acopla al motor de turbina 14 en la región de turbina de alta presión o de baja presión 22, 24 por medio de una toma de fuerza mecánica 26. La toma de fuerza mecánica 26 contiene múltiples engranajes y medios para el acoplamiento mecánico del AGB 12 al motor de turbina 14. En condiciones normales de funcionamiento, la toma de fuerza 26 traduce la potencia del motor de turbina 14 al AGB 12 para impulsar los accesorios de la aeronave, por ejemplo, pero sin limitarse a esto, bombas de combustible, sistemas eléctricos y controles ambientales de la cabina. El arrancador de turbina de aire 10 puede montarse en el exterior de la región de admisión de aire que contiene el ventilador 16 o en el núcleo cerca de la región de compresión de alta presión 18.

Haciendo referencia ahora a la Figura 2, se muestra con mayor detalle el arrancador de turbina de aire 10, que puede montarse en el AGB 12. Generalmente, el arrancador de turbina de aire 10 incluye un carcasa 30 que define una entrada 32, una salida 34 y un camino de flujo 36 que se extiende entre la entrada 32 y la salida 34 para comunicar un flujo de gas a través del mismo. En un ejemplo no limitativo, el gas es aire y se suministra desde un carro de aire que funciona desde el suelo, una unidad de potencia auxiliar o un arranque de purga cruzada desde un motor que ya está en funcionamiento. El arrancador de turbina de aire 10 incluye un miembro de turbina 38 sobre cojinetes dentro de la carcasa 30 y dispuesto dentro del camino de flujo 36 para extraer de manera rotatoria energía mecánica del flujo de gas a lo largo del camino de flujo 36. Una caja de engranajes 42 se monta dentro de la carcasa 30. Además, se puede hacer que rote un tren de engranajes 40, dispuesto dentro de la caja de engranajes 42 y acoplado de manera accionante con el miembro de turbina 38.

El tren de engranajes 40 incluye un sistema de engranajes planetarios 44 que tiene una corona dentada 46 y un conjunto de engranajes planetarios 48 que pueden rotar alrededor de un engranaje solar 70. Un árbol de turbina 50 se acopla al engranaje solar 70 del tren de engranajes 40 al miembro de turbina 38, lo que permite la transferencia de potencia mecánica al tren de engranajes 40. El árbol de turbina 50 se acopla al tren de engranajes 40 y es soportado de manera rotatoria por un par de cojinetes de turbina 52. El tren de engranajes 40 es soportado por un par de cojinetes de soporte 53. El interior 54 de la caja de engranajes puede contener un lubricante, que incluye, pero no se limita a esto, una grasa o aceite para proporcionar lubricación y refrigeración a las partes mecánicas contenidas en la misma, tales como el tren de engranajes 40, la corona dentada 46 y los cojinetes 52, 53.

En la caja de engranajes 42 hay una abertura 56 a través de la que el árbol de la turbina 50 se conecta al engranaje solar 70, que a su vez hace rotar los engranajes planetarios 48, que empujan contra la corona dentada 46 para rotar un brazo planetario 57. El brazo planetario 57 acopla el sistema de engranajes planetarios 44 a un árbol de accionamiento 64 a través de un árbol portador 58. El árbol portador 58 pasa a través de un embrague 60 que se monta y es soportado por un par de cojinetes espaciados 62. El árbol de accionamiento 64 se extiende desde la caja de engranajes 42 y se acopla al embrague 60 y es soportado adicionalmente por la pareja de cojinetes espaciados 62. El árbol de accionamiento 64 es accionado por el tren de engranajes 40 y se acopla al AGB 12 a modo de ejemplo no limitativo a través de un árbol de salida 65, de modo que durante una operación de arranque, el árbol de accionamiento 64 proporciona un movimiento de accionamiento al AGB 12.

El embrague 60 puede ser cualquier tipo de parte de interfaz de árbol que forme un solo árbol rotatorio 66 que comprende el árbol de turbina 50, el árbol portador 58 y el árbol de accionamiento 64. La parte de interfaz de árbol puede ser mediante cualquier método conocido de acoplamiento que incluye, pero sin limitarse a estos, engranajes, estrías, un mecanismo de embrague o combinaciones de los mismos. Un ejemplo de una parte de interfaz de árbol se describe en la patente de Estados Unidos N.° 4.281.942 para General Electric.

El arrancador 10 puede formarse mediante cualquier material y método conocidos, incluidos, pero no se limita a esto, fundición a presión de metales ligeros y de alta resistencia tales como aluminio, acero inoxidable, hierro o titanio. La carcasa 30 y la caja de engranajes 42 pueden formarse con un grosor suficiente para proporcionar una rigidez mecánica adecuada sin añadir peso innecesario al arrancador de turbina de aire 10 y, por lo tanto, a la aeronave.

El árbol rotatorio 66 puede construirse mediante cualquier material y método conocidos, incluidos, entre otros, la extrusión o el mecanizado de aleaciones metálicas de alta resistencia como las que contienen aluminio, hierro, níquel, cromo, titanio, tungsteno, vanadio o molibdeno. El diámetro del árbol de turbina 50, el árbol portador 58 y el árbol de accionamiento 64 pueden ser fijos o variar a lo largo de la longitud del árbol rotatorio 66. El diámetro puede variar para adaptarse a diferentes tamaños, así como a las distancias de rotor a estator.

Como se describe en este documento, el aire suministrado a lo largo del camino de flujo 36 hace rotar el miembro de turbina 38 para accionar la rotación de los árboles rotatorios 50, 58, 64. Por lo tanto, durante las operaciones de arranque, el arrancador 10 puede ser el mecanismo de accionamiento para el motor de turbina 14 mediante rotación de los árboles rotatorios 50, 58, 64. Después de este punto, el motor 10 en su lugar acciona el arrancador 10, accionando solo el árbol de accionamiento 64 ya que el embrague 60 puede evitar el roto del resto de los árboles rotatorios 50, 58, 64.

La presente divulgación contempla muchos otros ejemplos y configuraciones posibles además de los mostrados en las figuras anteriores. Además, el diseño y la colocación de los diversos componentes tales como el AGB 12, la toma de fuerza 26 o el arrancador 10 o componentes de los mismos se pueden reorganizar de manera que se puedan realizar varias configuraciones en línea diferentes.

Volviendo a la Figura 3, el sistema de engranajes planetarios 44 se ilustra con más detalle y se puede ver más claramente que el engranaje solar 70 se acopla al árbol de turbina 50. El conjunto de engranajes planetarios 48 se ilustra como, pero no se limita a esto, tres engranajes planetarios que rodean el engranaje solar 70. Se crea una interfaz interior 72 donde el engranaje solar 70 se encuentra con el conjunto de engranajes planetarios 48. Se contempla que el engranaje solar 70, el conjunto de engranajes planetarios 48, o tanto el engranaje solar 70 como conjunto de engranajes planetarios 48 sean, a modo de ejemplo no limitativo, engranajes de piñón. Los engranajes de piñón son engranajes redondos y generalmente se refieren al más pequeño de los engranajes del sistema de engranajes planetarios 44 o también pueden ser el engranaje de accionamiento del sistema de engranajes planetarios 44. A modo de ejemplo no limitativo, el engranaje solar 70 se ilustra como el engranaje de piñón.

La corona dentada 46 circunscribe los engranajes planetarios 48. La corona dentada 46 incluye una parte radialmente interior 76 que define una cara de engranaje 78. Se crea una interfaz exterior 80 donde el conjunto de engranajes planetarios 48 engrana con la cara de engranaje 78 de la corona dentada 46 La corona dentada 46 se monta dentro de la caja de engranajes 42 en una parte radialmente exterior 74 de manera que la corona dentada 46 es un componente estacionario del arrancador 10.

De acuerdo con la invención, la corona dentada 46 puede considerarse una corona dentada flexible 82. Más específicamente, se proporciona un conjunto de ranuras 84 entre las partes radialmente exterior e interior 74, 76 de la corona dentada 46. El conjunto de ranuras 84 pueden incluir, cada una, una parte sustancialmente circunferencial 86 que termina en una parte de punta 88 provista en la parte radialmente exterior 74 de la corona dentada 46. Aunque se ilustra con ocho ranuras, el conjunto de ranuras 84 puede incluir cualquier número de ranuras, incluso una sola ranura; el conjunto de ranuras 84 mostrado en la Figura 3 tiene fines ilustrativos y no pretende ser limitativo.

Un puente 90 está situado entre dos del conjunto de ranuras 84 y se extiende desde la parte radialmente interior 76 hasta la parte radialmente exterior 74 de la corona dentada 46. El puente 90 no necesita ser un puente lineal. Por ejemplo, en el puente 90 se puede incluir un codo 91. El codo 91 define dónde el puente 90 pasa de estar orientado en una dirección sustancialmente circunferencial a lo largo de la parte radialmente exterior 74 a estar orientado en una dirección sustancialmente radial donde el puente 90 se conecta a la parte radialmente interior 76. El puente 90 puede incluirse en un conjunto de puentes dependiendo del número de ranuras 84. Aunque se ilustra con ocho puentes, el conjunto de puentes 90 puede incluir más o menos puentes. El conjunto de puentes 90 mostrado en la Figura 3 tiene fines ilustrativos y no pretende ser limitativo.

Un conjunto de paragolpes 92 se extiende desde cada una de las partes radialmente exterior e interior 74, 76 de la corona dentada flexible 82. El conjunto de paragolpes se extiende dentro del conjunto de ranuras 84. Un primer paragolpes 92a se extiende desde la parte radialmente exterior 74 de la corona dentada flexible 82 en una primera ranura 84 donde el puente 90 se encuentra con la parte radialmente exterior 74 de la corona dentada flexible 82. Un segundo paragolpes 92b se extiende desde la parte radialmente interior 76 de la corona dentada flexible 82 en una segunda ranura 84 donde el puente 90 se encuentra con la parte radialmente interior 76 de la corona dentada flexible 82. Se contempla que se pueda incluir únicamente un paragolpes del conjunto de paragolpes 92 y que pueda extenderse desde una de las partes exterior o interior 74, 76. Se contempla además que el conjunto de paragolpes 92 sea una pluralidad de paragolpes 92 que se extienden desde una o ambas partes radialmente exterior e interior 74, 76 de la corona dentada flexible 82. El conjunto de paragolpes 92 mostrado en la Figura 3 tiene fines ilustrativos y no pretende ser limitativo.

Los engranajes planetarios 48, el engranaje solar 70 y el corona dentada 46 pueden construirse mediante cualquier material y método, incluidos, entre otros, la extrusión o mecanizado de aleaciones metálicas de alta resistencia, como las que contienen aluminio, hierro, níquel, cromo, titanio, tungsteno, vanadio o molibdeno.

La Figura 4A es una vista ampliada de una parte del sistema de engranajes planetarios 44 que incluye un puente 90 y paragolpes 92a, 92b. Se forma una holgura 94 entre cada uno de los paragolpes 92a, 92b y las partes radialmente exterior e interior 74, 76 de la corona dentada flexible 82. La corona dentada flexible 82 se configura para distribuir la carga a través de la interfaz exterior 80 entre la corona dentada flexible 82 y el conjunto de engranajes planetarios 48. En condiciones normales de funcionamiento, el conjunto de puentes, incluido el puente ilustrado 90, se configura para desviarse según sea necesario. El conjunto de puentes 90 permite absorber distorsiones en la concentricidad de los engranajes planetarios 48 de manera que la carga se distribuya uniformemente en la interfaz exterior 80. La holgura 94 permanece abierta mientras que el conjunto de puentes 90 se desvía proporcionando flexibilidad y una distribución uniforme de carga en todas las interfaces exteriores 80. La parte radialmente interior 76 se configura para flexionarse y absorber la excentricidad del movimiento de al menos uno de los engranajes planetarios 48 del sistema de engranajes planetarios 44.

Volviendo a la Figura 4B, en una condición de funcionamiento anormal o sobrecargada, al menos uno del conjunto de puentes 90 se desvía hasta un punto donde un extremo 93 de al menos uno de los paragolpes 92a, 92b entra en contacto con las partes radialmente exterior o interior 74, 76 de la corona dentada flexible 82. En el ejemplo ilustrado tras la desviación del puente 90, ambos paragolpes 92a, 92b se mueven para cerrar las holguras 94 de modo que al menos una parte del conjunto de ranuras 84 se cierra separando la parte circunferencial 86 de la parte de punta 88. Los paragolpes 92a, 92b limitan y controlan la extensión en la que el puente 90 se puede desviar. Los paragolpes 92a, 92b y las holguras correspondientes 94 se dimensionan de acuerdo con los límites de funcionamiento normales. Las condiciones de funcionamiento normales incluyen los pares y las velocidades experimentados durante el arranque del motor 10. Las especificaciones del arrancador de turbina de aire 10 revelan las velocidades máximas y los pares máximos, o el par de bloqueo. El sistema de engranajes planetarios 44 puede tener una relación de caja de engranajes y condiciones de entrada específicas para el arrancador de turbina de aire 10 en el que se está instalando. Los paragolpes 92a, 92b sirven para evitar el fallo del puente 90 y para transferir la carga desde los engranajes planetarios 48 a través de la corona dentada flexible 82 a la caja de engranajes 42 para evitar daños en la corona dentada flexible 82. En una condición de funcionamiento sobrecargado, la corona dentada flexible 82 funciona como una corona dentada maciza convencional, de modo que las cargas continúan transfiriéndose sin el aspecto flexible de la corona dentada 46.

Las Figuras 5 - 8 ilustran engranajes anulares flexibles 182, 282 de acuerdo con otros aspectos de la presente divulgación descrita en el presente documento. Los engranajes anulares flexibles 182, 282 son similares a la corona dentada flexible 82, por lo tanto, las partes iguales se identificarán con números iguales aumentados en 100 y 200 respetuosamente. Debe entenderse que la descripción de partes similares de la corona dentada flexible 82 se aplica a las coronas dentadas flexibles 182, 282 a menos que se indique lo contrario.

Como se ilustra en la Figura 5, la corona dentada flexible 182 tiene un cuerpo 196 que define una parte radialmente exterior 174 donde la corona dentada flexible 182 se monta en la caja de engranajes 42. Un voladizo 198 sobresale axialmente desde el cuerpo 196 para definir al menos una parte de una parte radialmente interior 176. Un conjunto de engranajes planetarios 148 se acopla operativamente a la corona dentada flexible 182 en una interfaz exterior 180. Una cara de engranaje 178 configurada para engranar con el conjunto de engranajes planetarios 148 se extiende axialmente a lo largo de la parte radialmente interior 176 del anillo flexible marcha 182.

Como se ilustra en la Figura 6A, el voladizo 198 se extiende desde el cuerpo 196 de manera que el voladizo 198 y el cuerpo 196 forman un ángulo 0 de 90 grados en una posición de arranque 200.

Volviendo a la Figura 6B, el voladizo 198 proporciona flexibilidad de modo que el ángulo 0 puede cambiar a una posición secundaria 202. Un engranaje planetario 148 (Figura 5) puede empujar el voladizo 198 de manera que el ángulo 0 disminuye hasta la posición secundaria 202. El ángulo 0 puede ir de 80 a 90 grados en un ejemplo no limitativo. Se entiende que el ángulo puede ser más o menos de 80 a 90 grados, suficiente para absorber una carga no uniforme al permitir la deformación angular. El voladizo 198 permite absorber distorsiones en la concentricidad de los engranajes planetarios 148 de manera que la carga se distribuya uniformemente en la interfaz exterior 180. Debe entenderse que la posición secundaria 202 es un ejemplo no limitativo y puede ubicarse en una variedad de posiciones.

En la Figura 7, una tercera corona dentada flexible 282 ejemplar incluye un cuerpo 296 desde el que se extiende un conjunto de partes radialmente exteriores 274a, 274b. La corona dentada flexible 282 se monta en la caja de engranajes 42 en ambas partes radialmente exteriores 274a, 274b. Un conjunto de voladizos 298 (Figura 8) se extiende axialmente entre el conjunto de partes radialmente exteriores 274a, 274b para definir una cavidad 304. El conjunto de voladizos 298 define al menos una parte de una parte radialmente interior 276. Un conjunto de engranajes planetarios 248 se acopla operativamente a la corona dentada flexible 282 en una interfaz exterior 280. Una cara de engranaje 278 configurada para engranar con el conjunto de engranajes planetarios 248 se extiende axialmente a lo largo de la parte radialmente interior 276 de la corona dentada flexible 282.

Como se ilustra en la Figura 8, el conjunto de voladizos 298 se extiende entre las partes radialmente exteriores 274a, 274b, cada una formando ángulos a, p de 90 grados con el cuerpo 296 en una posición de arranque 300. El conjunto de voladizos 298 proporciona flexibilidad tal que los ángulos a, p pueden cambiar a una posición secundaria 302. En el ejemplo ilustrado, un engranaje planetario 148 (Figura 5) puede empujar el voladizo 198 de manera que los ángulos p disminuyan a la posición secundaria 302. Los ángulos a, p pueden variar de 80 a 90 grados en un ejemplo no limitativo. Se entiende que el ángulo puede ser más o menos de 80 a 90 grados, suficiente para absorber una carga no uniforme al permitir la deformación angular. El conjunto de voladizos 298 permite absorber distorsiones en la concentricidad de los engranajes planetarios 248 de manera que la carga se distribuya uniformemente en la interfaz exterior 280. Debe entenderse que la posición secundaria 302 ilustrada es un ejemplo no limitativo y puede ocurren en uno o ambos voladizos 298. Además, la posición secundaria 302 puede estar en una variedad de ubicaciones y no está limitada a la posición secundaria 302 ilustrada. Con un conjunto de voladizos 298, la corona dentada flexible 282 proporciona variabilidad axial en la distribución de carga para el conjunto de engranajes planetarios 248.

En un análisis de elementos finitos, la corona dentada flexible se clasificó para flexionarse de 40 a 50 veces más en una dirección radial que una corona dentada sólida. En experimentos que miden las temperaturas de una corona dentada sólida en comparación con una corona dentada flexible, las temperaturas de funcionamiento de la corona flexible permanecieron de 5,5 a 8,3 K (10 a 15 °F) por debajo de la de una corona sólida. Este aumento de la flexibilidad y la disminución de la temperatura de funcionamiento pueden traducirse en una vida útil más prolongada y un arrancador de funcionamiento más eficiente.

La flexibilidad en los engranes de engranajes reduce las cargas máximas en los dientes de engranaje que resultan de la distribución desigual de carga, lo que a su vez aumenta la vida útil del sistema de engranajes. La reducción particular de la carga desigual aumenta la vida útil de los sistemas de cojinetes y los componentes de caja de engranajes de soporte, incluidos los cojinetes de engranaje planetario y los cojinetes de soporte. Con una reducción en el desgaste de los componentes de caja de engranajes, también se reduce la acumulación de virutas de metal en el aceite del arrancador que pueden afectar a otros componentes del arrancador. Además, el sistema de engranajes planetarios como se describe en este documento tiene la capacidad de reducir los márgenes en la caja de engranajes ya que el comportamiento de carga en componentes sensibles es más predecible, lo que puede resultar en ahorros de peso y costos.

Esta descripción escrita utiliza ejemplos para revelar aspectos de la invención, incluido el mejor modo, y también para permitir que cualquier persona experta en la técnica practique aspectos de la invención. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un arrancador de turbina de aire (10) para un motor (14), que comprende:

una carcasa (30) que define una entrada (32), una salida (34) y un camino de flujo que se extiende entre la entrada (32) y la salida (34) para comunicar un flujo de gas a través de ellas;

un miembro de turbina (38) sobre cojinetes dentro del carcasa (30) y dispuesto dentro del camino de flujo (36) para extraer de manera rotatoria energía mecánica del flujo de gas y que tiene un árbol de salida de turbina (50);

un sistema de engranajes planetarios (44) acoplado de manera accionante con el árbol de salida de turbina (50) y que incluye un engranaje solar (70, 170, 270), una corona dentada (46, 82, 182, 282) montada en la carcasa (30), y un conjunto de engranajes planetarios (48) que acoplan operativamente el engranaje solar (70, 170, 270) y la corona dentada (46, 82, 182, 282) donde el engranaje solar (70, 170, 270) se acopla al árbol de salida de turbina (50); y un árbol de transmisión (64) configurado para acoplarse operativamente y rotar con el motor (14);

en donde el sistema de engranajes planetarios (44) transfiere par desde el árbol de salida de turbina (50) al árbol de accionamiento (64) y donde la corona dentada (46, 82, 182, 282) comprende una corona dentada flexible (46, 82, 182, 282) configurada para distribuir la carga entre las interfaces (80, 180, 280) entre la corona dentada (46, 82, 182, 282) y el conjunto de engranajes planetarios (48); y

en donde la corona dentada flexible (46, 82, 182, 282) comprende además un conjunto de ranuras (84) ubicadas entre una parte radialmente interior (76, 176, 276) y una parte radialmente exterior (74, 174, 274) de la corona dentada flexible (46, 82, 182, 282).

2. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 1, en donde la parte radialmente interior (76, 176, 276) define una cara de engranaje (178, 278) configurada para engranar con el conjunto de engranajes planetarios (48) y la parte radialmente exterior (74, 174, 274) se monta en la carcasa (30).

3. El arrancador de turbina de aire (10) de cualquier reivindicación anterior, en donde la corona dentada flexible (46, 82, 182, 282) comprende además un conjunto de puentes (90) ubicados entre el conjunto de ranuras (84) y que acoplan la parte radialmente interior (76, 176, 276) y la parte radialmente exterior (74, 174, 274) y en donde al menos un puente (90) del conjunto de puentes (90) se configura para desviarse bajo carga.

4. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 3, en donde el al menos un puente (90) se configura para desviarse sin cerrar una ranura del conjunto de ranuras (84) durante la carga normal del sistema de engranajes planetarios (44).

5. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 4, en donde el al menos un puente (90) se configura para desviarse para cerrar al menos una parte de la ranura (84) durante la carga anormal del sistema de engranajes planetarios (44).

6. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 5, que comprende además al menos un paragolpes (92, 92a, 92b) que se extiende desde una de la parte radialmente interior (76, 176, 276) o la parte radialmente exterior (74, 174, 274) adentro de una ranura del conjunto de ranuras (84) y en donde el paragolpes (92, 92a, 92b) engancha el otro de la parte radialmente interior (76, 176, 276) o la parte radialmente exterior (74, 174, 274) durante la carga anormal para cerrar al menos una parte de la ranura (84).

7. El arrancador de turbina de aire (10) de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, que comprende además al menos un paragolpes (92, 92a, 92b) que se extiende desde una parte radialmente interior (76, 176, 276) o la parte radialmente exterior (74, 174, 274) en una ranura del conjunto de ranuras (84) y en donde el paragolpes (92, 92a, 92b) engancha la otra de la parte radialmente interior (76, 176, 276) o la parte radialmente exterior (74, 174, 274) durante una carga anormal.

8. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 7, en donde el al menos un paragolpes (92, 92a, 92b) es adyacente al por lo menos un puente (90).

9. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 8, en donde el al menos un paragolpes (92, 92a, 92b) comprende al menos dos paragolpes (92, 92a, 92b) adyacentes al por lo menos un puente (90).

10. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 9, en donde un primer paragolpes en un primer lado del al menos un puente se extiende desde la parte radialmente interior y un segundo paragolpes en un segundo lado del al menos un puente se extiende desde la parte radialmente exterior.