JP4672772B2 - 並進推力システムを有する回転翼航空機用の分割トルクギアボックス - Google Patents

並進推力システムを有する回転翼航空機用の分割トルクギアボックス Download PDF

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Description

本発明は、分割トルクギアボックスに関し、さらに詳細には、尾部搭載推進プロペラシステムに大動力を導く回転翼航空機用の主ギアボックスに関する。
回転翼航空機のギアボックスシステムは、動力をタービンエンジンからロータシステムに伝達する。代表的なギアボックスシステムは、動力をいくつかのタービンエンジンから複数のブレードを備える単一のロータシステムに導く。ロータの回転速度は、タービンエンジンの回転速度よりも著しく低いので、タービンエンジンの回転速度は、ギアボックスシステムによって減速されねばならない。タービンエンジン出力の回転速度を減速する際に、トルクが一連の中間ギア段および中間シャフトを介して増大し、次いで、最終的な出力駆動力がロータに供給される。
従来の回転翼航空機では、前方対気速度が多数の因子によって制限される。とりわけ、前方対気速度が高いと、後退ブレードが失速する傾向にある。具体的には、前方対気速度が増大すると、後退ブレードを横切る気流速度が遅くなり、後退ブレードが失速状態に至ることがある。対照的に、前進ブレードを横切る気流速度は、前方対気速度の増加に伴って増大する。
最新の設計では、高速飛行状態において、二次的な並進推力システムが並進推力をもたらし、主ロータシステムが逆気流状態で操作される高速複合航空機が推し進められている。このような概念が効果的であることは分かっているが、このような航空機用の主遊星ギアボックスは、極めて複雑なので、ギアボックスシステムは比較的重くなり、実装容積が著しく大きくなることがあった。ロータシステムは、ギアボックスを機体の中心部内に配置するので、このような重く、かつ容積の大きいギアボックスシステムは、多くの場合、航空機客室内に延び、航空機の有効搭載量および客室空間が、実用的でない程度にまで低減することがある。
従って、有効搭載量および客室空間を大きくするために、航空機客室の上方において機体に容易に取り付けることができる高速複合回転翼航空機用の軽量かつ低高さのギアボックスを提供することが望ましい。
本発明による高速複合回転翼航空機用のギアボックスは、二重反転同軸ロータシステムおよび並進推力システムを、航空機の長手方向軸と概ね平行な著しく大きい並進推力をもたらすように駆動する。
ギアボックスは、好ましくは、主モジュール、入力モジュールおよび並進推力モジュールを備える。入力モジュールは、1つまたは複数のエンジンから動力を受け、互いに反転するロータシャフトおよび並進推力モジュールを駆動し、この並進推力モジュールは、並進推力システムを駆動する。
入力モジュールは、好ましくは、動力を主モジュールおよび並進推力モジュールに分配する。ギアボックスは、各モジュールが利用可能なエンジン動力の必要な分しか伝達しないように設計されているので、軽量化を達成することができる。
主モジュールは、好ましくは、ロータ回転軸を中心とするロータシステムの同軸反転を達成するために、第1のスパーギアおよび第2のスパーギアによって駆動される第1のロータシャフトおよび第2のロータシャフトを備える。第1のスパーギアおよび第2のスパーギア/主ギアは、内歯/外歯係合によって噛合し、これによって、共通スパーギアシャフトは、対称的に配置された互いに反転する出力ギアを有する複数のギア列路を組み入れながら本質的に拘束され、その振動を最小限に抑えることができる。このような構成によって、ギアおよび関連する軸受の数および大きさが低減され、これによって、システム重量が軽減すると共に、航空機客室の上方において機体に取り付けられる形状の低高さハウジング内への実装が容易になる。
並進推力モジュールは、主並進推力ギアを備え、この主並進推力ギアは、好ましくは、エンジン#1およびエンジン#2によって少なくとも2つの側から負荷される。従って、主並進推力ギアは、振動を最小限に抑え、軸受の大きさを減少させ、システム重量をさらに減少させるように拘束される。主並進推力ギアが取り付けられる並進シャフトは、複数の遊星アイドラギア間にサンギアとして配置されるスパーギアを駆動する。内歯を有するスパーギアが、複数の遊星アイドラギアの周囲を回転し、並進推力システムを駆動する。従って、並進推力モジュールは、断面積が縮小した小形のギアボックスによって並進推力システムを駆動することができる。
従って、本発明は、有効搭載量および客室空間を大きくするために、航空機客室の上方において機体に容易に取り付けることができる高速複合回転翼航空機用の軽量で低高さのギアボックスシステムを提供することができる。
好ましい実施形態の以下の詳細な説明および添付の図面から、本発明の種々の特徴および種々の利点が当業者に明らかになるだろう。
図1Aおよび図1Bは、二重反転同軸ロータシステム12を有する垂直離着陸(VTOL)式高速複合回転翼航空機10を示している。航空機10は、二重反転同軸ロータシステム12と、航空機の長手方向軸Lと概ね平行な並進推力をもたらす並進推力システム30と、を支持する機体14を備える。しかし、他の航空機構成であっても、本発明から利得が得られることを理解されたい。
ロータシステム12は、第1のロータシステム16および第2のロータシステム18を備える。これらのロータシステム16,18の各々は、ロータハブ22,24に取り付けられた複数のロータブレード20を備える。ロータシステム12には、主ギアボックス26から動力が供給される。主ギアボックス26は、好ましくは、航空機客室28の上方に配置される。
並進推力システム30は、好ましくは、高速飛行時に推力をもたらすために、実質的に水平で航空機の長手方向軸Lと平行に配向されたプロペラ回転軸Pを有する推進プロペラ32を備える。好ましくは、推進プロペラ32は、機体14の後方に取り付けられた空気力学的カウリング内に取り付けられる。並進推力システム30は、ロータシステム12を駆動するのと同一の主ギアボックス26によって駆動される。
主ギアボックス26は、1つまたは複数(図では、2つ)のエンジンEによって駆動される。回転翼航空機の場合、ギアボックス26は、好ましくは、1つまたは複数のガスタービンエンジン(概略的にEとして示す)、ロータシステム12および並進推力システム30の間に介在する。主ギアボックス26は、好ましくは、1つまたは複数のエンジンEからのトルクを複数の駆動列路を介して伝達する分割トルクギアボックスである。これらの複数の駆動列路によって、従来の遊星ギアボックスよりも著しく重量を軽減すると共に、もし1つの駆動列路が使用されない場合には余剰の伝動路をもたらすギアボックスが得られる。さらに、ギアボックス26は、航空機客室28の上方への実装が容易になる比較的低高さの構造を有する。図示されるように、エンジンEは、好ましくは、代表的な遊星ギア配置の場合と同じように、航空機客室28内へのギアボックス26の侵入を最小限に抑えることによって、乗組員収容能力および/または貨物積載能力を増大させる効率的な実装配置を得るために、ギアボックス26の後方に配置される。
図2を参照すると、ギアボックス26は、一般的に、主モジュール36、入力モジュール38および並進推力モジュール40を備える。入力モジュール38は、好ましくは、主モジュール36の主ハウジング44に直接取り付けられた入力ハウジング42内に収容される。並進推力モジュール40は、入力ハウジング42から離間されるが、トランスミッションシャフト46を介して入力モジュール42に接続される。
ロータシステム12の第1のロータシャフト48および第2のロータシャフト50が、主モジュール36から延びている。ロータ回転軸Rを中心とする同軸反転を達成するために、第1のロータシャフト48に第1のロータハブ22が取り付けられ、第2のロータシャフト50に第2のロータハブ24が取り付けられる。使用時において、入力モジュール38は、エンジンEから動力を受け、主モジュール36および並進推力モジュール40を駆動する。並進推力モジュール40は、並進推力システム30を駆動する。
図3を参照すると、ギアボックス26は、エンジンEによって駆動される高速入力シャフト52を介してエンジン動力を受ける。ここではエンジン#1と関連する歯車列しか詳細に説明しないが、エンジン#2と関連する歯車列も同様であり、任意の数のエンジンEが本発明と共に用いられてもよいことを理解されたい。好ましくは、各エンジンEが入力モジュール38を駆動し、この入力モジュール38から、動力がロータおよび並進推力システムに分配される。この設計によれば、各モジュールが利用可能なエンジン動力の必要な分しか伝達しないので、軽量化の課題を解決することができる。
好ましくは、高速入力シャフト52は、ヘリカルギア(N1)54を備え、このヘリカルギア(N1)54は、対応するヘリカルギア(N2)56を駆動する。例示的な実施形態では、特定のギア形式を説明し、かつ好ましいギア形態を規定しているが、これらの特定のギア形態以外のギア形態が本発明と共に用いられてもよいことを理解されたい。ヘリカルギア(N2)56は、入力モジュール38内に配置され、ロータ回転軸R(図4にも示す)と概ね直交して位置する入力シャフト回転軸59を中心として回転する入力シャフト58を駆動する。
好ましくは、ヘリカルギア(N1)54およびヘリカルギア(N2)56は、RR1=2.43のギア減速比のヘリカルギア組をなす。このギア減速比は、エンジン動力、ロータ速度および他の変数と関連するもので、他の運転要求の場合に他のギア減速比が望ましい場合もあることを理解されたい。例示的な実施形態では、エンジン動力は、各エンジンにつき約1,000馬力である。
ヘリカルギア(N2)56は、入力モジュール38、主モジュール36および並進推力モジュール40の間の接続部(interface)をなす。すなわち、動力は、単一源(入力モジュール)から得られ、次いで、他の全てのモジュールに分配される。具体的には、主モジュールおよび並進推力モジュールは、以下に詳細に説明するように、運転要求に基づく必要な量の動力のみを受ける。
入力シャフト58は、主モジュール36内において入力シャフト58に取り付けられたスパイラルベベルギア(N3)60をヘリカルギア(N2)56から駆動する。スパイラルベベルギア(N3)60は、ロータ回転軸R(図4,5にも示す)と概ね平行な回転軸64を中心として、スパイラルベベルギア(N4)62を駆動する。スパイラルベベルギア(N3)60は、好ましくは、RR2=3の減速比を生じるようにスパイラルベベルギア(N4)62と係合する。スパイラルベベルギア(N3)60は、スパイラルベベルギア(N4)62と面噛合し、トルクを入力シャフト回転軸59からその回転軸59と概ね直交する回転軸64に伝達する。スパイラルベベルギア(N4)62は、回転軸64を中心として、スパーギア(N5)66およびスパーギア(N6)68を駆動する。スパーギア(N5)66およびスパーギア(N6)68は、好ましくは、共通のスパーギアシャフト70に取り付けられ、これによって、スパイラルベベルギア(N4)62、スパーギア(N5)66およびスパーギア(N6)68は、ロータ回転軸Rと平行な回転軸64を中心として単一ユニットとして回転する。
スパーギア(N5)66は、主スパーギア(N7)72と噛合し、この主スパーギア(N7)72は、第2のロータシャフト50をロータ回転軸Rを中心として駆動する。スパーギア(N6)68は、主スパーギア(N8)74と噛合し、この主スパーギア(N8)74は、第1のロータシャフト48を回転軸Rを中心として駆動する。すなわち、第1のロータシャフト48は、主スパーギア(N8)74に取り付けられ、第2のロータシャフト50は、主スパーギア(N7)72に取り付けられる。好ましくは、主スパーギア(N7)72および主スパーギア(N8)74を反転させるために、スパーギア(N5)66は、主スパーギア(N7)72の外周に沿って主スパーギア(N7)72と噛合し、スパーギア(N6)68は、主スパーギア(N8)74の内周に沿って主スパーギア(N8)74と噛合する。すなわち、主スパーギア(N7)のギア歯は、ロータ回転軸Rに対して外側方向に延び、主スパーギア(N8)74のギア歯は、ロータ回転軸Rに向かって内側方向に延びている。
スパーギア(N5)66/主スパーギア(N7)72およびスパーギア(N6)68/主スパーギア(N8)74は、内歯/外歯係合の形態で噛み合い、これによって、共通のスパーギアシャフト70が、本質的に拘束され、この結果、振動を最小限に抑えることができる。従って、軸受の数および軸受の大きさの要件が低減し、システムの重量をさらに軽減させることができる。スパーギア(N5)66/主スパーギア(N7)72およびスパーギア(N6)68/主スパーギア(N8)74の噛合によって、好ましくは、RR3=9のギア減速比が得られる。スパーギア(N5)66と主スパーギア(N7)72との間のピッチ径および/または減速比ならびにスパーギア(N6)68と主スパーギア(N8)74との間のピッチ径および/または減速比は、ロータシャフト48,50が一定速度で回転することを保証するために、異なる主スパーギア直径を補償するように決定される。
従って、主モジュール36によって、最小の数の対称的に負荷され、互いに反転する出力ギアを利用する複数のギア列路を有し、飛行負荷を機体に伝達するために航空機客室の上方に容易に取り付けられる形状の低高さハウジングに密閉され得る低高さギアボックスが得られる。
並進推力モジュール40に関して、ヘリカルギア(N2)56は、このヘリカルギア(N2)56と主並進ヘリカルギア(N10)80との間に位置する本質的にアイドラギアであるヘリカルギア(N9)76を駆動する。ヘリカルギア(N9)76は、トランスミッションシャフト回転軸78を中心として主並進ヘリカルギア(N10)80を駆動する。並進ヘリカルギア(N10)80は、弾性継手82a(概略的に示す)を介してトランスミッションシャフト46に取り付けられる。回転軸78は、入力シャフト回転軸59およびトランスミッションシャフト回転軸Dと概ね平行である。ヘリカルギア(N9)76は、その噛合面によって、並進ヘリカルギア(N10)80を駆動し、好ましくは、RR4=1.6のギア減速比が得られる。主並進ヘリカルギア(N10)80は、エンジン#1およびエンジン#2による少なくとも2つの側から負荷されるので、振動を最小限に抑えるように拘束され、これによって、軸受の大きさを減らし、システム重量をさらに軽減させることができる。
トランスミッションシャフト46は、弾性継手82b(概略的に示す)を介してスパーギア(N11)84を駆動する。弾性継手82a,82bは、航空機の機体の曲げおよび並進推力システム30とギアボックス26との間の撓みを吸収する。スパーギア(N11)84は、好ましくは、ギアボックス(図2にも示す)の断面を減らすために、空き空間に固定された複数(図では3つ)の遊星アイドラギア(N12)86間に位置するサンギアである。これらの複数の遊星アイドラギア(N12)86の周囲を、内歯を有するスパーギア(N13)88が回転し、並進推力システム30を並進推力回転軸P(図2にも示す)を中心として駆動する。スパーギア(N13)88および複数の遊星アイドラギア(N12)86の噛合によって、好ましくは、RR5=2.5のギア減速比が得られる。回転軸78および軸Pは、概ね一直線に並び、かつ航空機の長手方向軸Lと平行に並んでいるが、一直線に並んでいない軸に他の装置および他の弾性継手が配置されてもよく、このような構成であっても、推進プロペラ32(図1)に直接的な伝動がもたらされることを理解されたい。
「前方」、「後方」、「上側」、「下側」、「上方」、「下方」などの相対的な位置を表す用語は、乗物の通常の運転姿勢に基づくもので、それ以外に制限すると見なされてはならないことを理解されたい。
例示的な実施形態において、特定の部品配列について開示したが、他の部品配列であっても、本発明から利得が得られることを理解されたい。
特定のステップ順序を図面に基づいて説明し、特許請求項にも記載しているが、これらのステップは、別段の指示がない限り別々にされたまたは組み合わされた任意の順序でなされてもよく、にもかかわらず、本発明から利得が得られることを理解されたい。
以上の説明は、ここでの制限事項によって限定されるものではなく、単なる例示にすぎない。本発明の多くの修正および変更が、上記の示唆に照らして可能である。本発明の好ましい実施形態について開示したが、当業者であれば、いくつかの修正が本発明の範囲内においてなされ得ることを認めるだろう。従って、特許請求項の範囲内において、本発明が具体的に述べたのと別の態様で実施されてもよいことを理解されたい。この理由から、本発明の真の範囲および内容を決定するには、特許請求項の範囲を検討されたい。
本発明による分割トルクギアボックスシステムと共に用いられる回転翼航空機の例示的な実施形態の一般的概略図である。 本発明による分割トルクギアボックスシステムと共に用いられる回転翼航空機の例示的な実施形態の一般的概略図である。 本発明による分割トルクギアボックスの斜示図である。 本発明による分割トルクギアボックスの概略的な上面図である。 本発明による分割トルクギアボックスの背面斜視図である。 本発明による分割トルクギアボックスの概略的な背面図である。 本発明による分割トルクギアボックスのギア列の正面斜視図である。 本発明による分割トルクギアボックスのギア列の側面図である。

Claims (20)

  1. 入力モジュールと、
    前記入力モジュールと噛合する主モジュールと
    前記入力モジュールと噛合する並進推力モジュールと
    を備え
    主モジュールは、ロータ回転軸を中心として同軸反転する第1の主ギアおよび第2の主ギアを備え、
    並進推力モジュールは、前記ロータ回転軸と概ね直交するトランスミッションシャフト回転軸を中心として回転する主並進ギアを備えることを特徴とする分割トルクギアボックスシステム。
  2. 前記第1の主ギアは、第1のロータシステムの第1のロータシャフトに取り付けられ、前記第2の主ギアは、前記第2のロータシステムの第2のロータシャフトを回転させることを特徴とする請求項1に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  3. 前記第1のロータシャフトは、少なくとも部分的に前記第2のロータシャフト内に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  4. 共通のスパーギアシャフトに取り付けられた第1のスパーギアおよび第2のスパーギアをさらに備え、
    前記第1の主ギアおよび前記第2の主ギアを反転させるために、前記第1のスパーギアが、前記ロータ回転軸に対する前記第1の主ギアの外周に沿って前記第1の主ギアと噛合し、前記第2のスパーギアは、前記ロータ回転軸に対する前記第の主ギアの内周に沿って前記第2の主ギアと噛合することを特徴とする請求項1に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  5. 前記共通のスパーギアシャフトは、前記ロータ回転軸と概ね平行な成分を有する回転軸を中心として回転することを特徴とする請求項4に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  6. 前記共通のスパーギアシャフトに取り付けられたスパイラルベベルギアをさらに備え、前記スパイラルベベルギアが、前記入力モジュールから長手方向に延びる入力シャフトによって駆動されることを特徴とする請求項5に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  7. 前記入力シャフトは、前記ロータ回転軸と概ね直交する入力回転軸を中心として回転することを特徴とする請求項6に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  8. 前記入力シャフトを駆動するギアをさらに備え、該ギアが、中間ギアを介して前記主並進ギアと噛合することを特徴とする請求項6に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  9. 前記主並進ギアが、複数の遊星アイドラギアと噛合するサンギアを駆動するトランスミッションシャフトを駆動することを特徴とする請求項1に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  10. 前記複数の遊星アイドラギアの周囲を回転する内歯を有するスパーギアをさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  11. 内歯を有する前記スパーギアが、並進推力システム軸を中心として並進推力システムを駆動することを特徴とする請求項10に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  12. 前記並進推力システムが、推進プロペラを備えることを特徴とする請求項11に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  13. 前記推進推力システムが、ダクト内ファンを備えることを特徴とする請求項11に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  14. 高速複合回転翼航空機用の分割トルクギアボックスシステムであって、
    第1のスパーギアを有する入力モジュール
    前記入力モジュールと噛合する主モジュールと
    前記入力モジュールと噛合する並進推力モジュールと
    を備え
    入力モジュールの第1のスパーギアが第2のスパーギアと噛合し、第2のスパーギアが第3のスパーギアと噛合し、前記第1のスパーギアが第1の回転軸を中心として回転可能に取り付けられ、前記第2のスパーギアが第2の回転軸を中心として取り付けられ、前記第3のスパーギアが第3の回転軸を中心として取り付けられ、前記第1の回転軸、前記第2の回転軸および前記第3の回転軸がロータ回転軸と概ね直交し、
    前記主モジュールが、前記ロータ回転軸を中心として同軸反転する第1の主ギアおよび第2の主ギアを備え、前記第1の主ギアおよび前記第2の主ギアが、前記第2のスパーギアによって駆動され、
    並進推力モジュールは、前記ロータ回転軸と概ね直交するトランスミッションシャフト回転軸を中心として回転する主並進ギアを備え、前記主並進ギアが前記第3のスパーギアと噛合することを特徴とする分割トルクギアボックスシステム。
  15. 前記第1の主ギアが、第1ロータシステムの第1のロータシャフトに取り付けられ、前記第2の主ギアが、第2のロータシステムの第2のロータシャフトを回転させることを特徴とする請求項14に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  16. 前記第1のスパーギアを駆動するエンジンをさらに備えることを特徴とする請求項14に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  17. 共通のスパーギアシャフトに取り付けられた第1の主モジュールスパーギアおよび第2の主モジュールスパーギアをさらに備え、
    前記第1の主ギアおよび前記第2の主ギアを反転させるために、前記第1の主モジュールスパーギアが、前記ロータ回転軸に対する前記第1の主ギアの外周に沿って前記第1の主ギアと噛合し、前記第2の主モジュールスパーギアが、前記ロータ回転軸に対する前記第2の主ギアの内周に沿って前記第の主ギアと噛合することを特徴とする請求項14に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  18. 前記共通スパーギアシャフトが、前記ロータ回転軸と概ね平行な成分を有する回転軸を中心として回転することを特徴とする請求項17に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  19. 前記共通スパーギアシャフトに取り付けられたスパイラルベベルギアをさらに備え、前記スパイラルベベルギアが、前記入力モジュールから長手方向に延びる入力シャフトによって駆動され、前記入力シャフトが、前記第2のスパーギアによって駆動されることを特徴とする請求項18に記載の分割トルクギアボックスシステム。
  20. 入力モジュールと、
    前記入力モジュールを介して入力シャフトと噛合する主モジュールと
    共通スパーギアシャフトに取り付けられた第1の主モジュールスパーギアおよび第2の主モジュールスパーギアと
    前記入力モジュールと噛合する並進推力モジュールと
    を備え、
    主モジュールは、ロータ回転軸を中心として同軸反転する第1の主ギアおよび第2の主ギアを備え、前記ロータ回転軸と概ね直交する入力シャフト回転軸を中心として前記入力シャフトが回転可能であり、
    前記共通スパーギアシャフトは、前記ロータ回転軸と概ね平行なシャフト回転軸を中心として回転し、前記第1の主ギアと前記第2の主ギアを反転させるために、前記第1の主モジュールスパーギアが、前記ロータ回転軸に対する前記第1の主ギアの外周に沿って前記第1の主ギアと噛合し、前記第2の主モジュールスパーギアが、前記ロータ回転軸に対する前記第2の主ギアの内周に沿って前記第2の主ギアと噛合し、
    並進推力モジュールは、前記ロータ回転軸と概ね直交するトランスミッション回転軸を中心としてトランスミッションシャフトを回転させることを特徴とする分割トルクギアボックスシステム。
JP2008514655A 2005-05-31 2006-04-28 並進推力システムを有する回転翼航空機用の分割トルクギアボックス Expired - Fee Related JP4672772B2 (ja)

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