JP6526019B2 - 減速ターボ機械の羽根組の回転装置のための遊星歯車減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一タービンによって回転駆動される歯車を有するタービンエンジンの全体分野に関する。こうして、タービンエンジンは、単一の羽根組又は二つのダクト無し反転羽根組を具備する一つ又は二つのプロペラを有する航空機用ターボプロップと、一つの羽根組又は二つのダクト付き反転羽根組を具備する一つ又は二つのプロペラを有する航空機用ターボジェットと、に同様に適用可能である。本発明は、特に、タービン回転子の軸と、タービンによって駆動される単数又は複数の羽根組の回転駆動のための単数又は複数の駆動軸との間に使用される遊星歯車装置に関する。

知られているように、二重プロペラを備える航空機用ターボプロップは、二つの反転するダクト無し羽根組を有する。ある二重プロペラのターボプロップ構造において、二つの羽根組は、二つの反転する回転子を有する駆動タービンによって直接的に回転駆動される。本発明が特に関する他の構造において、複数の羽根組は、駆動タービンの単一の回転子によって駆動される。例として、このような構造の実施形態を記載したある特許文献が参照される（例えば、特許文献１参照。）。

このようなターボプロップの反転するプロペラは、減速歯車装置を形成して遊星歯車列を含有する機械的伝動装置を介して直接的又は間接的に回転駆動されても良い。概して、遊星歯車列は、ターボプロップの長手軸線を中心として駆動タービンによって駆動されるために駆動タービンの回転子へ上流側において接続される太陽歯車を含有する真っ直ぐな歯部を備える一組の回転要素を具備する。下流側において、太陽歯車は、ターボプロップの二つの羽根組へ異なる回転数及びトルクでの回転動作を出力するために、リング及び遊星枠を介して作用する。

ターボプロップが存在する既知の機械的環境において、遊星歯車装置の様々な回転要素へ接続された軸の軸線の間の不整列は、それらの歯部上の直接的な衝撃を伴う。不整列の軸を整列へ導くための支持位置の探査時の作動によって、歯部は、全体として歯車の寿命に極めて有害な早期摩耗をこうむるか、又は、歯部は、必然的に最小化されなければならない重量及び大きさの搭載装置を開発するときに、完成時の制約を大いに不利にすることをもたらす種類の材料の厚さを増加させることを必要とする。

このような遊星歯車装置の真っ直ぐな歯部における応力集中をかなり低減するために、歯車装置の入側軸及び出側軸の曲げ剛性の間に差を設けることが知られており、それにより、軸の端部を整列に導くのに必要とされる力を低減する効果を有する。軸の間の任意の不整列は、こうして、軸の柔軟性によって相殺され、これらの不整列は、遊星歯車装置の回転要素の真っ直ぐな歯部の間の相対滑りによってこれらの歯部の間の接触において吸収される。

それでも、この解決方法は、依然として、多数の欠点を提供する。このような真っ直ぐの歯部の遊星歯車装置は、むしろ低い出力密度を有することに加えて、力伝動が一つの歯部からもう一つの歯部への変化において起こる衝撃によって遮断され、それにより、金属クリック音を発生するために、多くの騒音を発生する。さらに、歯部に負わされる繰り返しの機械的衝突は、歯部の寿命を低下させる。

それにより、出力密度がかなり増大される歯車装置を備えるタービンエンジンのための遊星歯車装置にとって満足されていない要求が存在する。

仏国特許第２９７９１２１号

こうして、本発明の主目的は、タービンエンジンが作動中に変形を受けるときの不整列への遊星歯車装置の許容度を増大し、一方、このような作動にとって本質的である自由度を維持することを提案することにより、このような欠点を軽減することである。本発明のもう一つの目的は、歯部が衝撃及び関連する衝突現象による伝動を回避するように力を伝動する一方で、歯部の間の接触の連続変化を提供することである。

これらの目的は、タービンエンジンの少なくとも第一羽根組の回転駆動のための遊星歯車装置によって達成され、この遊星歯車装置は、タービンエンジンの長手軸線を中心として、回転駆動されるためにエンジンの回転子へ接続されるのに適した太陽歯車と、前記太陽歯車に噛合する少なくとも一つの遊星歯車と、前記少なくとも一つの遊星歯車を回転可能に担持して、前記少なくとも一つの第一羽根組を回転駆動するために前記少なくとも一つの第一羽根組に接続されるのに適した遊星枠と、前記少なくとも一つの遊星歯車に噛合するリングと、を具備し、前記遊星歯車装置は、前記太陽歯車が第一等速ボール伝動継手を介してエンジンの前記回転子へ接続されるのに適することを特徴とする。

等速継手の太陽歯車軸の一端部の存在は、タービンエンジンが作動において受ける変形を吸収することを可能とするように、この軸へ半径方向及び角度方向の両方の大きな機械的な順応性を与えることを可能とする。これは、不整列及び摩耗の危険に耐えるように遊星歯車装置の要素の能力を強化する。

タービンエンジン（ターボプロップ又はターボジェット）が二重の反転するプロペラ又はファンを有するときに、前記リングは、第二等速ボール伝動継手を介して、前記第二羽根組へ接続されるのに適する。

前記第一及び第二等速ボール伝動継手は、都合よく、次のルゼッパ（Rzeppa）継手、ワイス（Weiss）継手、プランジング（plunging）継手、及び、ダブルオフセット型プランジング（double-offset plunging）継手から選択される。

好ましくは、前記第一等速ボール伝動継手は、半径外方向に延在するフランジが設けられた第一端部と、溝機構によって前記太陽歯車周りに取り付けられた環状部が設けられて前記第一端部から反対側の第二端部と、を有する。前記第一等速ボール伝動継手の前記フランジは、複数のボルト接続部を介してターボプロップのタービンの前記回転子の柔軟な駆動軸へ固定されるのに適する。

前記第二等速ボール伝動継手は、半径外方向に延在するフランジが設けられた第一端部と、半径内方向に延在するフランジが設けられて複数のボルト接続部を介して前記第二羽根組の柔軟な駆動軸へ固定されるのに適する前記第一端部から反対側の第二端部と、を有する。

これは、エンジンのタービン回転子の軸のためのかなりの半径方向の順応性を得るための能力をさらに改善する構造をもたらす。

「反転」構造において、前記第二羽根組の前記柔軟な駆動軸は、前記遊星枠へ固定されるのに適する前記第一羽根組の強固な駆動軸の内側に取り付けられる。

遊星歯車装置の回転要素の間で発生する軸線方向のスラスト力を無くすために、前記太陽歯車、前記少なくとも一つの遊星歯車、及び、前記リングは、軸線方向に二重化され、それぞれが、反対に（二重螺旋状に）取り付けられた螺旋ホイールを具備する。

本発明の他の特徴及び利点は、非限定の特徴を有する実施形態を示す添付図面を参照して以下の記述からより明らかになる。

本発明による遊星歯車装置を有する二重プロペラのターボプロップの概略長手方向半断面図である。 本発明の遊星歯車装置を示す詳細図である。 歯車装置及び単一プロペラを備えるターボジェットへ適用される本発明の遊星歯車装置の第二実施形態を示す図である。

図１は、本発明の遊星歯車装置が組み込まれることができる二重プロペラを有する種類の航空機用ターボプロップ（オープンロータプッシャ）の実施形態の非常に概略的な図である。このようなターボプロップは、良く知られており、それにより、詳細には述べられない。

ターボプロップ１０は、特に、長手軸線１２と、この長手軸線周りに同心配置された環状ナセル１４とを具備する。上流側から下流側へ、ターボプロップ１０は、さらに、低圧コンプレッサ１６と、高圧コンプレッサ１８と、燃焼室２０と、低圧タービン２２と、中圧タービン２４と、を具備する。

中圧タービン２４から下流側には、反転プロペラ機構、すなわち、中圧タービン２４から下流側に配置された低圧タービン２６によって回転駆動される角度調整可能な羽根の（上流側又は前側の）第一組２５ａ及び（下流側又は後側の）第二組２５ｂが存在する。低圧タービンは、特に、遊星歯車装置３０を介して二つの羽根組２５ａ及び２５ｂを回転駆動する回転子２８を具備する。

本発明において、遊星歯車装置３０は、ターボプロップの長手軸線１２を中心として低圧タービン２６の回転子２８へ上流側において固定される外歯を備えるホイールの形状の太陽歯車３２を具備する。遊星歯車装置は、さらに、少なくとも一つの遊星歯車３４、好ましくは、複数（三つから六つの範囲）のそれぞれが外歯を備えるホイールの形状を有して太陽歯車３２に噛合する遊星歯車を有する。

各遊星歯車３４は、長手軸線１２に関して偏心する軸線を提供し、長手軸線１２を中心とする遊星枠３６によって回転可能に担持され、遊星枠は、長手軸線１２回りに上流側の羽根組２５ａを直接的に回転駆動可能なように、上流側の羽根組へ下流側において固定される。遊星歯車装置３０は、さらに、長手軸線１２を中心として内歯を介して遊星歯車３４のそれぞれに噛合するリング３８を有し、このリングは、長手軸線１２周りに下流側の羽根組２５ｂを直接的に回転駆動可能なように、下流側の羽根組へ下流側において固定される。

この遊星歯車装置は、リングからの出側における下流側プロペラの駆動軸４０が遊星枠からの出側における上流側プロペラの駆動軸４２の内側にあるために、「反転式」と呼ばれる。本発明の利点は、下流側プロペラのハブの大きさ、こうして、その重量を低減させるように、上流側プロペラ上のトルクより小さな下流側プロペラ上のトルクを有することである。この構造により、上流側プロペラは、タービンと反対方向に回転し、下流側プロペラは、ファンとして同じ方向に回転する。直接歯車列を有することは、当然に可能であり、構造、すなわち、直接式又は反転式は、各要素のために利用可能であることが望まれるトルクと相関関係があり、当業者の権限内であり、次いで、柔軟又は強固である軸の間の選択に影響する。

こうして、低圧タービンの回転子２８は、遊星歯車装置の太陽歯車３２を回転駆動し、次いで、太陽歯車は、この回転動作を、遊星枠３６を介して（遊星歯車３４を介して）及びリング３８を介して、上流側の羽根組２５ａ及び下流側の羽根組２５ｂの両方へそれらを反転式に回転駆動するために伝える。

図２により大きく詳細に示すように、太陽歯車３２は、第一ボール伝動継手４４を介して曲り自在式に（曲りにおいて順応的に）回転子へ接続され、リング３８は、第二ボール伝動継手４６を介して同様に曲り自在式に第二プロペラ（下流側又は第二羽根組２５ｂ）へ接続され、遊星枠２６は、第一プロペラ（上流側の第一羽根組２５ａ）に固定式に接続される。

より正確には、第一ボール伝動継手４４は、太陽歯車３２に溝（フルーティング）機構４８によって取り付けられた環状部４４ａにより構成される第二端部から離間する第一端部と、半径内方向に延在して複数のボルト接続部５２を介して低圧タービンの回転子２８へ固定された柔軟な駆動軸２８ａの半径方向フランジへ固定されるフランジ５０と、を有する。第二ボール伝動継手４６は、複数のボルト接続部５４を介してリング３８へ固定されるその第一端部を有し、その第二端部は、同様に、複数のボルト接続部５６を介して、第二羽根組２５ｂへ固定された柔軟な駆動軸４０へ固定される。同様に、複数のボルト接続部５８は、遊星枠３６と第一羽根組２５ａへ固定された強固な駆動軸４２との間の固定を提供する。

こうして、角度的な又は半径方向の不整列の場合において、回転要素の歯部における応力集中を制限するように働く等速ボール伝動継手によって太陽歯車及びリングをそれらの各軸へ連結することにより、先行技術の真っ直ぐな歯部の遊星歯車列において本質であるにもかかわらず、歯部における軸線方向の自由度（軸の軸線方向への自由度）の必要性は排除される。さらに、柔軟な軸及び二つのボール伝動継手は、ある程度の順応性を提供することが認められるべきである。

これらの等速継手を使用することによって、伝動動作への自由度を排除して、こうして、真っ直ぐな歯部に代えて螺旋状の歯部を用いることを可能とし、力伝動の連続性のために、遊星歯車装置の出力密度は増加させられる。実際的に、遊星歯車列は、反対に取り付けられた螺旋ホイール（二重螺旋）を備える二重遊星歯車列である。このように、歯車装置の回転要素の間の軸線方向動作は、排除される。

等速ボール伝動継手は、好ましくは、タービンエンジンにそれらを組み込むために利用可能な選択肢の相関関係として回転要素（太陽歯車又はリング）へ組み付けられるルゼッパ継手である。ボール伝動継手の要素（中央部４４ａ，４６ａ、窪み部４４ｂ，４６ｂ、保持部４４ｃ，４６ｃ、及び、ボール４４ｄ，４６ｄ）は、回転要素及び軸に直接的に一体化させることができ、又は、それらは、図２に示されるように、太陽歯車３２のための溝部４８又はリング３８のためのボルトフランジ５４の助けによって別々に設置されても良い。

低動力使用（図示せず）のために、軌道と回転要素との間の接触も多分スプリングによって単に維持されると共に、スプリング式留め具を介して伝動継手の要素を固定して、溝を介して単に動作を伝動することをもくろむことも可能である。

このような等速ボール伝動継手は、これらの様々な構成要素の間の相対的な軸線方向動作に敏感に反応することが認められるべきである。特に、窪み部に関する中央部の軸線方向動作は、継手のボールとそれらの支持表面との間において接触の影響を無くさせることができる。それにより、作動中に軸の間で生じるかもしれない起こりうる軸線方向の移動を知って、遭遇する全ての負荷状況の下で軌道とボールとの間の接触を維持するように継手に予応力を与えることが必要である。継手によって共に連結される二つの要素の間で相対的に軸線方向に離間する間においてボールが逃げることを防止するために必要である保持部によって共通平面に保持されるボールは、伝動継手上の押圧力が特にいずれの問題も引き起こさないように、軌道内へ押圧されることができないことが認められるべきである。

さらに特別な注意が、二重プロペラの駆動軸を担持するベアリング６０及び６２に関する二つの伝動継手４４及び４６の半径方向の設置に与えられるべきである。特に、強固な駆動軸４２（遊星枠に接続される）と柔軟な駆動軸２８ａ，４０（太陽歯車及びリングに接続される）の一方との間の単なる角度的な不整列に関して説明すると、もし、伝動継手の支持中央部が不整列の軸の回転中心と同心であるならば、その時には、回転は制限されず、曲げ応力は、軸又は回転要素の歯部に生じないことが見出される。これらの中央部の位置は、不明であり、エンジンへ与えられる負荷の関数として変化するために、リング及び太陽歯車の柔軟な駆動軸の曲げ順応性を使用する一方で、伝動継手の動作を最大化して、駆動軸及び歯部における応力を低減するように、「平均」位置に接近することをもくろむことが可能である。これらの適応性は、特に、歯部において曲がる駆動軸に関連する応力の一部を必然的に吸収しなければならない二つの駆動軸の間の起こりうる半径方向の不整列を吸収することを可能とする。特に、第一プロペラの強固な駆動軸に関するタービン軸の角度的な又は半径方向の不整列の間において、太陽歯車に固定された伝動継手の幾何学的な形状は、応力の分散に作用するであろうことが見出される。

第一プロペラの強固な駆動軸と柔軟な軸の一つとの間の半径方向の不整列の場合において、本装置は、両方の軸が角度的にだけ不整列である形状へ戻る傾向があり、歯部において不可避な応力だけがこの形状へ戻るために柔軟な軸を曲げるのに必要とされることが認められて有利である。こうして、特に、柔軟な軸は可能な限り柔軟であることを保証することは都合が良い。

上記はルゼッパ継手に関して与えられるが、当然に、ワイス継手、プランジング継手、又は、それどころか、ダブルオフセット型プランジング継手のような他の種類の等速ボール伝動継手を用いることが可能である。

プランジング継手及びダブルオフセット型プランジング継手は、それらが真っ直ぐな軌道を有するために、前述したように、さらなる自由度（軸線方向）を与えて、こうして、駆動軸のベアリングを介して構造体へ伝動される代わりに、スラスト力の一部が遊星歯車列を通過することを可能とするために予応力を加える必要性を排除する。並べて見ると、許容可能な角度的なずれは、ルゼッパ継手より小さいが、約２０°程度であっても良く、これは一般的に全く十分である。

特に、「ＶＬ」プランジング継手にとって、湾曲部を交差することによってもたらされる軌道は、単一シートの双曲面の縁のように配置された真っ直ぐな線であり、選択的に右及び左へ傾斜し、六つの対が存在する。それらは、ボールによって対応関係とされる中央部の外側溝及び窪み部の内側溝の形状に形成される。軌道の交差形状のために、ボールを共に保持する保持部にとって、二つの共に連結される要素の間の相対的な軸線方向の動作の場合において、ボールが軌道に追従することを可能とするために、周方向における自由度を提供することが本質的である。

こうして、本発明は、先行技術装置の応力を発生することなく、駆動軸の間、このように、遊星歯車装置の構成要素の間の軸線方向の不整列を完全に吸収する構造を提供することによって歯部における応力の大きさを減少させることを可能とする。

当然に、本発明の遊星歯車装置は図１のターボプロップを参照して述べられたけれども、同じ構造が二重ファン式（下流側羽根が今は上流側に配置される）の航空機ターボジェットへ完全に適用可能であることは認められるべきである。この適用において、ターボジェットの長手軸線１２を中心とする太陽歯車３２は、この時には低圧タービン２６の回転子２８へ下流側において固定される。太陽歯車３２に噛合する遊星歯車３４のそれぞれは、長手軸線１２に関して偏心する軸線を提供し、長手軸線を中心とする遊星枠３６によって回転可能に担持され、遊星枠は、長手軸線１２周りに直接的にファンの第一羽組２５ａを回転駆動可能とするように第一羽根組へ上流側において固定される。最後に、長手軸線１２を中心として各遊星歯車３４に噛合するリング３８は、長手軸線１２周りに直接的にファンを回転駆動可能とするように第二羽根組２５ｂへ上流側において固定される。

同様に、本発明は、二つの反転羽根組において異なる歯車動作を二つの上記実施形態に適用したけれども、本発明は、図３に示されるように、歯車装置の要素の一つが封じられる（歯における応力の問題が同様に残存する）単一のプロペラ又はファンにおいて歯車動作を同じく良好に適用することができることは明らかである。

特に、このように伝動されるタービンエンジン（単一のプロペラを備えるターボプロップ又は単一のファンを備えるターボジェット）において、歯車装置７０は、高速で駆動されるかもしれない低圧コンプレッサと、反対に低速で駆動されるかもしれないファンとの間に挿入される。歯車装置７０は、一般的に、不動リング７２と、低圧コンプレッサの回転子の低圧軸７６によって駆動される太陽歯車７４と、ファンのファン軸８２を駆動するためにそれらの遊星枠８０を介して作動する遊星歯車７８と、を有する。

上述の実施形態とは異なり、使用される遊星歯車列は、一般的な歯車列であり、特異な歯車列ではなく、低圧軸７６の一つの入側と、ファン軸８２の一つの出側とを有する。本発明において、ファン軸は強固であるので、等速ボール伝動継手８４を介して太陽歯車に接続される低圧軸のための適応性が得られる。

より正確には、この等速ボール伝動継手８４は、太陽歯車７４の溝機構８６によって取り付けられた環状部８４ａにより構成される下流側端部から離間する上流側端部と、半径方向外側へ延在して複数のボルト接続部９０を介して低圧軸７６の半径方向板へ固定されるフランジ８８と、を有する。

この歯車装置が滑らかなベアリングを有するときに、等速ボール伝動継手は、都合よく、任意の軸線方向の自由度を与えることを回避するために、ルゼッパ又はワイス継手である。この結果して生じる組立体は、こうして、同じ静的である。

反対に、もし、歯車装置が球面ころ軸受を有するならば、等速ボール伝動継手は、都合よく、プランジング継手又はダブルオフセット型プランジング継手であり、この場合においては、継手によって与えられるさらなる自由度を排除するために、リングとケース（図示せず）との間の滑り溝接続を提供することが必要とされる。

Claims (10)

1. タービンエンジンの少なくとも第一羽根組の回転駆動のための遊星歯車装置（３０，７０）であって、
   前記タービンエンジンの長手軸線を中心として、回転駆動されるために前記エンジンの回転子（２８，７６）へ接続されるのに適する太陽歯車（３２，７４）と、
   前記太陽歯車に噛合する少なくとも一つの遊星歯車（３４，７８）と、
   前記少なくとも一つの遊星歯車を回転可能に担持して、前記少なくとも一つの第一羽根組を回転駆動するために、前記少なくとも一つの第一羽根組（２５ａ，８２）へ接続されるのに適する遊星枠（３６，８０）と、
   前記少なくとも一つの遊星歯車に噛合するリング（３８，７２）とを具備する、タービンエンジンの少なくとも第一羽根組の回転駆動のための遊星歯車装置（３０，７０）において、
   前記遊星歯車装置（３０，７０）は、第一等速ボール伝動継手（４４，８４）をさらに備え、
   前記第一等速ボール伝動継手は、半径外方向に延在しかつ前記タービンエンジンの前記回転子へ接続されるのに適するフランジ（５０，８８）が設けられた第一端部と、溝機構（４８，８６）によって前記太陽歯車周りに取り付けられた環状部（４４ａ，８４ａ）が設けられて前記第一端部から反対側の第二端部と、を有することを特徴とする遊星歯車装置。
2. 前記第一等速ボール伝動継手は、次のルゼッパ継手、ワイス継手、プランジング継手、及び、ダブルオフセット型プランジング継手から選択される継手である請求項１に記載の装置。
3. 前記第一等速ボール伝動継手の前記フランジは、複数のボルト接続部（５２，９０）を介して前記エンジンの前記回転子の柔軟な駆動軸（２８ａ，７６）へ固定されるのに適する請求項１に記載の装置。
4. 前記リングは、第二等速ボール伝動継手（４６）を介して第二羽根組（２５ｂ）へ接続されるのに適する請求項１に記載の装置。
5. 前記第一羽根組又は前記第二羽根組は、ターボプロップの単一又は二重のプロペラ、又は、ターボジェットの単一又は二重のファンに属している請求項４に記載の装置。
6. 前記第二等速ボール伝動継手は、次のルゼッパ継手、ワイス継手、プランジング継手、及び、ダブルオフセット型プランジング継手から選択される請求項４に記載の装置。
7. 前記第二等速ボール伝動継手は、半径外方向に延在しかつ複数のボルト接続部（５４）を介して前記リングへ接続されるのに適した第一フランジが設けられた第一端部と、半径内方向に延在する第二フランジが設けられて前記第二羽根組へ固定されるのに適する、前記第一端部から反対側の第二端部と、を有する請求項４又は５に記載の装置。
8. 前記第二等速ボール伝動継手の前記第二フランジは、複数のボルト接続部（５６）を介して前記第二羽根組の柔軟な駆動軸（４０）へ固定されるのに適している請求項７に記載の装置。
9. 前記第二羽根組の前記柔軟な駆動軸は、前記遊星枠へ固定されるのに適する前記第一羽根組の強固な駆動軸（４２）の内側に取り付けられる請求項７に記載の装置。
10. 前記太陽歯車、前記少なくとも一つの遊星歯車、及び、前記リングは、生じる軸線方向のスラスト力を無くすように、軸線方向に二重化され、反対に（二重螺旋状に）取り付けられた螺旋ホイールを具備する請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。

Images