渦輪發動機的齒輪箱的製作方法
2023-04-26 17:33:56
渦輪發動機的齒輪箱的製作方法
【專利摘要】一種控制燃氣渦輪發動機的齒輪箱的性能的實例方法，包括：建立多個人字齒輪的齒輪特性，每一人字齒輪圍繞齒輪箱中的相應軸線設置。通過響應於已建立的齒輪特性選擇所述多個人字齒輪的每一個上的第一多個齒輪齒與隔開的第二多個齒輪齒之間的周向偏離距離，所述多個人字齒輪的性能受到控制。
【專利說明】渦輪發動機的齒輪箱
[0001]相關申請的交叉引用本申請要求2012年I月31日提交的美國臨時申請N0.61/592,964的優先權。
【技術領域】
[0002]本公開大致涉及渦輪發動機，並且更具體地，涉及用於燃氣渦輪發動機的齒輪箱。
【背景技術】
[0003]渦輪發動機包括由渦輪驅動的風扇。齒輪箱聯接在風扇到渦輪之間。齒輪箱在渦輪和風扇之間提供減速。
【發明內容】
[0004]在一個非限制公開的實施方式中，一種控制燃氣渦輪發動機的齒輪箱的性能的方法，包括:建立多個人字齒輪(double helical gear)的齒輪特性，每一人字齒輪圍繞齒輪箱中的相應軸線設置。通過響應於已建立的齒輪特性選擇所述多個人字齒輪的每一個上的第一多個齒輪齒與隔開的第二多個齒輪齒之間的周向偏離距離，所述多個人字齒輪的性能受到控制。
[0005]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述齒輪特性為諧波水平(harmoniclevel)。
[0006]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述諧波水平為第一諧波水平、第二諧波水平和第三諧波水平中的一個。
[0007]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約25%至75%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離。所述諧波水平為所述第一諧波水平。
[0008]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約15%至25%或75%至85%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離。所述諧波水平為所述第二諧波水平。
[0009]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約50%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離。所述諧波水平為所述第一諧波水平或所述第三諧波水平中的至少一個。
[0010]在任一上述實例的進一步實施方式中，進一步包括以下步驟:確定相對於每一人字齒輪的軸線的角度，並且以相對於每一人字齒輪的相應軸線的所述角度設置所述多個人字齒輪的每一個的所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒。
[0011]在任一上述實例的進一步實施方式中，確定所述角度的步驟至少部分地由重合度(contact rat1)石角定。
[0012]在一個非限制公開的實施方式中，一種渦輪發動機，包括風扇、壓縮機部段、與所述壓縮機部段流體連通的燃燒器、與所述燃燒器流體連通的渦輪部段、以及與所述風扇和所述渦輪部段聯接的齒輪箱。所述齒輪箱包括處於嚙合接合中的多個人字齒輪，每一人字齒輪具有與第二多個齒輪齒隔開的第一多個齒輪齒。所述第一多個齒輪齒響應於諧波水平而以預定量從所述第二多個齒輪齒周向偏離。
[0013]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述齒輪箱包括周轉齒輪系統。
[0014]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述多個人字齒輪為所述周轉齒輪系統的太陽齒輪、多個星形齒輪以及齒圈。
[0015]在任一上述實例的進一步實施方式中，圍繞每一人字齒輪的所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒以相對於軸線的螺旋角設置。
[0016]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述螺旋角在大約30-35°之間。
[0017]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述螺旋角為大約33°。
[0018]在一個非限制公開的實施方式中，一種用於燃氣渦輪發動機的齒輪箱，包括處於嚙合接合中的多個人字齒輪。所述多個人字齒輪中的每一個圍繞軸線設置。所述多個人字齒輪中的每一個具有與第二多個齒輪齒隔開的第一多個齒輪齒。所述第一多個齒輪齒響應於齒輪特性而以預定量從所述第二多個齒輪齒周向偏離。
[0019]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述齒輪特性為諧波水平。
[0020]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述諧波水平為第一諧波水平、第二諧波水平和第三諧波水平中的一個。
[0021]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約25%至75%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離。
[0022]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒中的每一個與所述軸線之間的螺旋角在30°和35°之間。
[0023]在任一上述實例的進一步實施方式中，所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒中的每一個與所述軸線之間的螺旋角為33°。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為實例燃氣渦輪發動機的橫截面圖。
[0025]圖2為實例齒輪箱的立體圖。
[0026]圖3為實例人字齒輪的立體圖。
[0027]圖4為圖3中的實例人字齒輪的齒的俯視示意圖。
[0028]圖5A-5C為顯示圖3中的實例人字齒輪的實例傳輸誤差和齒輪齒偏離的曲線圖。
[0029]圖6為形成圖3中的實例人字齒輪的步驟的立體圖。
【具體實施方式】
[0030]圖1示意性地顯示了燃氣渦輪發動機20。燃氣渦輪發動機20在本文公開為兩轉子渦輪風扇發動機，其大致包含風扇部段22、壓縮機部段24、燃燒器部段26和渦輪部段28。除了其他系統或特徵，替代發動機例如可以包括3轉子、增壓器部段或者部段的不同布置。風扇部段22沿著旁通流路徑驅動空氣，而壓縮機部段24沿著核心流路徑驅動空氣，用於壓縮並傳遞到燃燒器部段26，然後膨脹穿過渦輪部段28。雖然在公開的非限制實施方式中描繪為渦輪風扇燃氣渦輪發動機，但是應當理解的是，本文描述的概念並不限於與渦輪風扇發動機一起使用，因為這些教導可以應用於其他類型的渦輪發動機。
[0031]發動機20大致包括低速轉子30和高速轉子32，該低速轉子30和高速轉子32安裝用於經由數個軸承系統38而相對於發動機靜止結構36圍繞發動機中心縱向軸線A旋轉。應當理解的是，處於不同位置處的不同軸承系統38可以替代地或附加地被設置。
[0032]低速轉子30大致包括與風扇42、低壓壓縮機44和低壓渦輪46相互連接的內軸40。內軸40通過齒輪箱48連接到風扇42，以便以低於低速轉子30的速度驅動風扇42。高速轉子32包括與高壓壓縮機52和高壓渦輪54相互連接的外軸50。燃燒器56布置在高壓壓縮機52和高壓渦輪54之間。發動機靜止結構36的中間渦輪框架57大致布置在高壓渦輪54和低壓渦輪46之間。中間渦輪框架57進一步支撐渦輪部段28中的軸承系統38。內軸40和外軸50同軸，且經由軸承系統38而圍繞與其縱向軸線共線的發動機中心縱向軸線A旋轉。
[0033]核心空氣流由低壓壓縮機44壓縮然後由高壓壓縮機52壓縮，與燃燒器56中的燃料混合併燃燒，然後在高壓渦輪54和低壓渦輪46上膨脹。中間渦輪框架57包括處於核心空氣流路徑中的翼面59。渦輪46、54響應於膨脹旋轉地驅動相應的低速轉子30和高速轉子32。
[0034]發動機20在一個實例中為高旁通齒輪傳動的航空器發動機。在進一步的實例中，發動機20的旁通比大於大約六(6)，其中一個實例實施方式大於十(10)，齒輪箱48是周轉齒輪系(例如行星/星形齒輪系統其他齒輪系統)，齒輪減速比大於大約2.3，並且低壓渦輪46具有大於大約5的壓力比。在一個公開的實施方式中，發動機20的旁通比大於大約十(10:1 )，風扇直徑顯著大於低壓壓縮機44的直徑，並且低壓渦輪46具有大於大約5:1的壓力比。低壓渦輪46的壓力比為在低壓渦輪46的入口之前測得的壓力相對於在排氣噴嘴之前的低壓渦輪46的出口處的壓力。齒輪箱48可以是周轉齒輪系(例如行星/星形齒輪系統或者其他齒輪系統)，齒輪減速比大於大約2.5:1。然而應當理解的是，上述參數僅僅是燃氣渦輪發動機中的齒輪箱的一個示例性實施方式，並且本公開可適用於包括直接驅動渦輪風扇發動機的其他燃氣渦輪發動機。
[0035]由於高旁通比，旁通流B提供了顯著量的推力。發動機20的風扇部段22被設計成用於特別飛行條件——典型地以大約0.8馬赫和大約35，000英尺巡航。0.8馬赫和35，000英尺的飛行條件，其中發動機處於其最佳燃料消耗處——也被稱為「穩定巡航推力燃料消耗率(bucket cruise Thrust Specific Fuel Consumpt1n, 『TSFC，)，，-是正在燃燒的燃料磅質量(Ibm)除以發動機在該最低點處產生的磅推力(Ibf)的工業標準參數。「低風扇壓力比」是在不具有風扇出口導葉(「FEGV」)系統時單獨越過風扇葉片的壓力比。如根據一個非限制實施方式在本文所公開的，低風扇壓力比小於大約1.45。「低校正風扇葉尖速度」是以英尺/秒計的實際風扇葉尖速度除以[(Tiw deg R) / 518.7) 0.5]的工業標準溫度校正。如根據一個非限制實施方式在本文所公開的，「低校正風扇葉尖速度」小於大約1150英尺/秒。
[0036]圖2顯示了作為由低速轉子30驅動的周轉齒輪系統68的齒輪箱48的實例。周轉齒輪系統68包括太陽齒輪70、星形齒輪72、齒圈74和齒輪架77。太陽齒輪70嚙合星形齒輪72，並且每一星形齒輪72嚙合齒圈74。在該實例中，太陽齒輪70、星形齒輪72和齒圈74中的每一個都為人字齒輪，如下面將要進一步詳細描述的。
[0037]太陽齒輪70的旋轉運動推動圍繞太陽齒輪70布置的每一星形齒輪72圍繞其自身相應軸線M旋轉。星形齒輪72與旋轉的齒圈74和旋轉的太陽齒輪70兩者嚙合。星形齒輪72圍繞其相應軸線M旋轉，以驅動齒圈74圍繞發動機軸線A旋轉。齒圈74的旋轉以低於低轉子30的速度驅動風扇42 (圖1)。齒圈74為拆分組件並且包括由星形齒輪72 —起推動的第一部段73和第二部段75。
[0038]在一個實例中，太陽齒輪70、星形齒輪72和齒圈74具有大於二(2)的橫向重合度，使得每一齒輪70、72、74中的至少兩個齒輪齒在運行期間嚙合另一齒輪70、72、74中的至少兩個齒輪齒。
[0039]齒輪箱48經受由於幾何結構和製造公差引起的扭矩傳遞的變化。這些變化在齒輪箱48中引起振動，這些振動施加在其他相關聯的渦輪發動機部件上。造成的振動影響齒輪箱48的部件以及相關聯的渦輪發動機部件的耐久性，因而影響齒輪箱48和燃氣渦輪發動機20的部件的壽命。
[0040]圖3和4顯示了作為人字齒輪的行星齒輪72中的一個的實例。要理解的是，本文所述實例還適用於太陽齒輪70和齒圈74以及燃氣渦輪發動機20的其他齒輪或齒輪系統。
[0041]星形齒輪72沿著軸線B包括設置在第一基圓83上的第一多個齒輪齒82和設置在第二基圓85上的相對的第二多個齒輪齒84。第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84由圍繞軸線B設置的無齒環86分離，使得第一多個齒輪齒82的第一端部90a和第二多個齒輪齒84的第一端部90b隔開等於環86寬度的軸向距離D。第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84可圍繞軸線B旋轉。
[0042]在一個實例中，無齒環86的寬度的軸向距離D在齒輪總軸向長度的16%和24%之間。在進一步的實例中，第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84每一個均具有相同的螺旋角Z。在進一步的實例中，第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84中的每一個均具有相同的螺旋角Z，使得沿著軸線B不生成軸向推力載荷。
[0043]在另一實例中，第一多個齒輪齒82的螺旋角Z不同於第二多個齒輪齒84的螺旋角Z，以在燃氣渦輪發動機20中沿著軸線B生成預定推力載荷。
[0044]第二多個齒輪齒84中的每一個包括第一端部90b和第二端部92b。相似地，第一多個齒輪齒中的每一個包括第一端部90a和第二端部92a。在一個實例中，當在箭頭90的周向方向上移動時，第二多個齒輪齒84相對於第一多個齒輪齒82的下一齒輪齒82偏離周向偏離距離A。當在箭頭90的方向上移動時，第一多個齒輪齒82中的每一個的第一端部90a相似地與第二多個齒輪齒84的下一對應齒輪齒84的第一端部90b隔開周向偏離距離B。周向偏離距離G是第二多個齒輪齒84或第一多個齒輪齒82中的毗鄰齒之間的周向偏離距離A和周向偏離距離B的總和。
[0045]第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84中的每一個以螺旋角Z布置在軸線B和第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84中的每一個的周向表面87之間。在該實例中，第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84中的每一個相對於軸線B以相等螺旋角Z布置。
[0046]在一個實例中，螺旋角Z在30和35度之間。在進一步的實例中，螺旋角Z為33度。給定螺旋角Z或範圍一起推動齒圈74的第一部段73和第二部段75。
[0047]選定螺旋角Z還影響齒輪箱48的動態。隨著螺旋角Z從O增大，更大數量的齒輪齒82、84嚙合配對太陽齒輪70和齒圈74的齒82、84 (參見圖2)。選擇具有所公開螺旋角Z的第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84提供了附加的接觸和更高的扭矩傳遞，同時維持了星形齒輪72的尺寸。
[0048]周向偏離距離A和周向偏離距離B被確定並利用以使第一多個齒輪齒82中的每一個偏離第二多個齒輪齒84中的下一對應齒84，偏離量在相應的第一多個齒輪齒82或第二多個齒輪齒84中的每一個之間的周向偏離距離G的0%和100%之間。在另一實例中，第一多個齒輪齒82在大約25%至75%偏離量之間從第二多個齒輪齒84偏離，使得周向偏離距離A與周向偏離距離G的比值在大約0.25和0.75之間。在進一步的實例中，第一多個齒輪齒82從第二多個齒輪齒84偏離50%偏離量，使得周向偏離距離A和周向偏離距離B相等。
[0049]在另一實例中，周向偏離距離A響應於星形齒輪72的齒輪特性選定。齒輪特性為通過星形齒輪72的諧波水平、傳輸誤差和振動水平中的至少一個。
[0050]圖5A-5C顯示了周向偏離距離A被預定，以在將星形齒輪72嚙合在齒輪箱48中期間響應於星形齒輪72的頻率提供百分比偏離量(軸線X)。該百分比偏離量使得傳輸誤差變化以影響選擇頻率。星形齒輪72的性能響應於基於選定百分比偏離量的頻率而受到控制，以便降低或最小化傳輸誤差和振動的量。
[0051]頻率代表諧波水平。在該實例中，第一諧波的頻率等於太陽齒輪上的齒數乘以太陽齒輪相對於齒輪架77的每秒轉數，第二諧波的頻率為第一諧波的2倍，且第三諧波的頻率為第一諧波的3倍。對於第一諧波、第二諧波和第三諧波中的每一個，傳輸誤差通過選擇第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84之間的預定百分比偏離量而受到控制，該預定百分比偏離量等同於周向偏離距離A和周向偏離距離B。傳輸誤差在本文中限定為星形齒輪72應當具有的周向位置和嚙合期間的實際位置之間的偏差。
[0052]在一個實例中，如圖5A所不,第一多個齒輪齒82在大約25%至75%偏離量之間從第二多個齒輪齒84偏離，使得周向偏離距離A與周向偏離距離G的比值在大約0.25和
0.75之間，以降低第一諧波中的傳輸誤差。
[0053]在進一步的實例中，如圖5B所示，第一多個齒輪齒82在大約15%至25%或75%至85%偏離量之間從第二多個齒輪齒84偏離，使得周向偏離距離A與周向偏離距離G的比值在大約0.15和0.25之間或者在大約0.75和0.85之間，以降低第二諧波中的傳輸誤差。
[0054]在進一步的實例中，如圖5C所示，第一多個齒輪齒82在大約15%至85%偏離量之間從第二多個齒輪齒84偏離，使得周向偏離距離A與周向偏離距離G的比值在大約0.15和0.85之間，以降低第三諧波中的傳輸誤差。
[0055]在進一步的實例中，第一多個齒輪齒82從第二多個齒輪齒84偏離大約50%，使得周向偏離距離A與周向偏離距離G的比值為大約0.5，以降低第一諧波和第三諧波中的傳輸誤差。
[0056]使第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84偏離周向偏離距離A或周向偏離距離B降低了齒輪箱48的總體傳輸誤差。周向偏離距離A和周向偏離距離B取決於星形齒輪72在嚙合期間的諧波水平來確定。通過降低傳輸誤差而減小齒輪箱48和燃氣渦輪發動機20在運行期間的振動，齒輪箱48的性能受到控制。因而，扭矩傳輸更平穩，且由于振動而對發動機部件壽命和效率的總體影響更小。
[0057]參考圖6，顯示了形成星形齒輪72的實例方法。第一圓柱110和第二圓柱120沿著軸線B布置在環86的每一軸向側上。工具112 (示意性地示出)被提供，並且在第一圓柱110和第二圓柱120加工凹槽，以形成第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84。第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84以螺旋角Z布置，並且偏離周向偏離距離A和周向偏離距離B,如上所述。在第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84中的一個形成之後,工具112用於形成剩餘的多個齒輪齒82、84，而不影響已經形成的第一多個齒輪齒82或第二多個齒輪齒84的尺寸。由環86提供的第一圓柱110和第二圓柱120之間的空間允許工具112形成多個齒輪齒82、84，而不影響已經形成的多個齒輪齒82、84。通過偏離第一多個齒輪齒82和第二多個齒輪齒84，工具112能夠移動到已經形成的多個齒輪齒82、84之間的空間114內，因而減小形成未形成的多個齒輪齒82、84所需的環86的寬度D。寬度D的減小降低了星形齒輪72的重量。
[0058]雖然顯示了實例第一圓柱110和第二圓柱120，但是基於燃氣渦輪發動機20的規格使用其他幾何部段來形成星形齒輪72落在本公開的設想之內。在一個實例中，工具112為砂輪。
[0059]雖然已經公開了優選實施方式，但是本領域普通技術人員將會意識到，某些修改將會落在本公開的範圍之內。出於該原因，所附權利要求應當被研究以確定本公開的真實範圍和內容。
【權利要求】
1.一種控制燃氣渦輪發動機的齒輪箱的性能的方法，包括: 建立多個人字齒輪的齒輪特性，每一人字齒輪圍繞齒輪箱中的相應軸線設置；以及 通過響應於已建立的齒輪特性選擇所述多個人字齒輪的每一個上的第一多個齒輪齒與隔開的第二多個齒輪齒之間的周向偏離距離，控制所述多個人字齒輪的性能。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述齒輪特性為諧波水平。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述諧波水平為第一諧波水平、第二諧波水平和第三諧波水平中的一個。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約25%至75%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離，其中，所述諧波水平為所述第一諧波水平。
5.根據權利要求3所述的方法，其中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約15%至25%或75%至85%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離，其中，所述諧波水平為所述第二諧波水平。
6.根據權利要求3所述的方法，其中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約50%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離，其中，所述諧波水平為所述第一諧波水平或所述第三諧波水平中的至少一個。
7.根據權利要 求1所述的方法，包括如下步驟: 確定相對於每一人字齒輪的軸線的角度；以及 以相對於每一人字齒輪的相應軸線的所述角度設置所述多個人字齒輪中的每一個的所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，確定所述角度的步驟至少部分地由重合度確定。
9.一種渦輪發動機,包括: 風扇； 壓縮機部段； 與所述壓縮機部段流體連通的燃燒器； 與所述燃燒器流體連通的渦輪部段；以及 與所述風扇和所述渦輪部段聯接的齒輪箱，其中，所述齒輪箱包括處於嚙合接合中的多個人字齒輪，每一人字齒輪具有與第二多個齒輪齒隔開的第一多個齒輪齒，其中，所述第一多個齒輪齒響應於諧波水平而以預定量從所述第二多個齒輪齒周向偏離。
10.根據權利要求9所述的渦輪發動機，其中，所述齒輪箱包括周轉齒輪系統。
11.根據權利要求10所述的渦輪發動機，其中，所述多個人字齒輪為所述周轉齒輪系統的太陽齒輪、多個星形齒輪以及齒圈。
12.根據權利要求9所述的渦輪發動機，其中，圍繞每一人字齒輪的所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒以相對於軸線的螺旋角設置。
13.根據權利要求12所述的渦輪發動機，其中，所述螺旋角在大約30-35°之間。
14.根據權利要求12所述的渦輪發動機，其中，所述螺旋角為大約33°。
15.—種用於燃氣潤輪發動機的齒輪箱,包括: 處於嚙合接合中的多個人字齒輪，所述多個人字齒輪中的每一個圍繞軸線設置，所述多個人字齒輪中的每一個具有與第二多個齒輪齒隔開的第一多個齒輪齒，其中，所述第一多個齒輪齒響應於齒輪特性而以預定量從所述第二多個齒輪齒周向偏離。
16.根據權利要求15所述的齒輪箱，其中，所述齒輪特性為諧波水平。
17.根據權利要求16所述的齒輪箱，其中，所述諧波水平為第一諧波水平、第二諧波水平和第三諧波水平中的一個。
18.根據權利要求16所述的齒輪箱，其中，所述第一多個齒輪齒以所述第二多個齒中的每一個之間的周向偏離距離的大約25%至75%的周向偏離距離從所述第二多個齒輪齒偏離。
19.根據權利要求15所述的齒輪箱，其中，所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒中的每一個與所述軸線之間的螺旋角在30°和35°之間。
20.根據權利要求15所述的齒輪箱，其中，所述第一多個齒輪齒和所述第二多個齒輪齒中的每一個與所述軸 線之間的螺旋角為33°。
【文檔編號】F02C7/36GK104081025SQ201380007464
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年1月28日 優先權日:2012年1月31日
【發明者】M.E.麥庫內, K.阿赫梅特 申請人:聯合工藝公司