氣輪機齒輪系的製作方法
2023-06-11 07:11:41 1
專利名稱：氣輪機齒輪系的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於氣輪機的周轉輪系中的環形齒輪。
背景技術：
氣輪機通常採用周轉輪系，該周轉輪系連接到發動機的渦輪機部，所述渦輪機部用於驅動渦輪風扇。在典型周轉輪系中，中心齒輪通過壓縮機軸接收來自渦輪機軸的旋轉輸入。齒輪架支承中間齒輪，所述中間齒輪圍繞中心齒輪並且與中心齒輪嚙合。環形齒輪圍繞中間齒輪並且與中間齒輪嚙合。在齒輪架被固定而不旋轉的布置中，中間齒輪被稱為「星形」齒輪，並且環形齒輪被聯接到輸出軸，該輸出軸支承渦輪風扇。通常，環形齒輪使用花鍵環被連接到渦輪風扇軸。該花鍵環使用周向布置的螺栓被緊固到渦輪風扇軸的凸緣。花鍵環包括與凸緣相對的花鍵，所述凸緣支承環形齒輪的帶花鍵外周面。環形齒輪通常包括第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分設置有朝向相反方向的齒，這些齒與星形齒輪的互補相對面向的齒哨合。周轉輪系必須承受該系統內的齒輪之間的負載。結果是，環形齒輪和花鍵環之間的花鍵連接在高負載和偏轉下經受磨損。由於該花鍵連接需要徑向間隙，因此難以達到渦輪風扇組件的可重複平衡。由於花鍵磨損，平衡也會隨時間而惡化。
發明內容
根據非限制性示例性實施方式的公開示例齒輪設備包括周轉輪系，所述周轉輪系包括支承星形齒輪的齒輪架以及圍繞所述星形齒輪並且與所述星形齒輪嚙合的環形齒輪，所述星形齒輪與中心齒輪嚙合，所述星形齒輪被支承在對應軸頸軸承上。每個軸頸軸承包括外周軸頸表面，並且每個星形齒輪包括與對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面接觸的徑向內軸頸表面。所述周轉輪系包括大於或等於大約2.3的齒輪減速比。在前述齒輪設備的又一實施方式中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。在前述齒輪設備的又一實施方式中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿所述對應星形齒輪的大致整個軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。在前述齒輪設備的又一實施方式中，所述周轉輪系具有大於或等於2.3的齒輪減速比。在前述齒輪設備的又一實施方式中，所述周轉輪系具有大於或等於大約2.5的齒輪減速比。在前述齒輪設備的又一實施方式中，所述周轉輪系具有大於或等於2.5的齒輪減速比。根據另一非限制性示例性實施方式的公開的渦輪機包括渦輪機軸、風扇以及周轉輪系，所述周轉輪系被聯接在所述渦輪機軸和所述風扇之間，所述周轉輪系包括支承星形齒輪的齒輪架以及圍繞所述星形齒輪並且與所述星形齒輪嚙合的環形齒輪，所述星形齒輪與中心齒輪嚙合。所述星形齒輪中的每個被支承在對應軸頸軸承上，並且每個軸頸軸承包括外周軸頸表面，並且每個星形齒輪包括與對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面接觸的徑向內軸頸表面。所述周轉輪系包括大於或等於大約2.3的齒輪減速比。在前述渦輪機的又一實施方式中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。在前述渦輪機的又一實施方式中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿所述對應星形齒輪的大致整個軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述周轉輪系具有大於或等於2.3的齒輪減速比。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述周轉輪系具有大於或等於大約2.5的齒輪減速比。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述周轉輪系具有大於或等於2.5的齒輪減速比。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述風扇限定關於旁通氣流和核心氣流大於大約十(10)的涵道比。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述風扇限定關於旁通氣流和核心氣流大於大約10.5:1的涵道比。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述風扇限定關於旁通氣流和核心氣流大於十
(10)的涵道比。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述風扇限定小於大約1.45的壓力比。在前述渦輪機的又一實施方式中，所述風扇限定小於1.45的壓力比。雖然不同的示例在圖中示出為具有特定部件，但是本發明的實施方式不局限於這些具體組合。使用來自這些示例中的一個示例的一些部件或特徵結合另一示例的特徵或部件是有可能的。本文所公開的這些以及其他特徵通過下述說明書和附圖能夠被最佳地理解，下述是圖的簡要說明。
圖1是描述渦輪風扇、周轉輪系以及壓縮機部的氣輪機的前部的局部截面圖。圖2是如圖1所示的周轉輪系的放大截面圖。圖3是與如圖2所示的布置類似的示例性環形齒輪的放大截面圖。圖4是沿面向圖3的環形齒輪的齒的方向觀看的如圖3所示的環形齒輪的視圖。
具體實施例方式氣輪機10的一部分在圖1中被示意性地示出。渦輪機10包括固定殼體12，該固定殼體由固定到彼此的眾多部件構造成。壓縮機部14由渦輪機軸25繞軸線A驅動，所述壓縮機部具有帶有葉片的壓縮機輪轂16。渦輪風扇18被支承在渦輪風扇軸20上，該渦輪風扇軸由壓縮機軸24驅動，該壓縮機軸通過周轉輪系22來支承壓縮機輪轂16。在所示的示例布置中，周轉輪系22是星形齒輪系。參考圖2，周轉輪系22包括中心齒輪30，該中心齒輪被連接到壓縮機軸24，所述壓縮機軸通過花鍵連接來提供旋轉輸入。齒輪架26由扭矩框架28使用本領域已知的指形物(未示出)固定到殼體12。齒輪架26使用軸頸軸承34來支承星形齒輪32，所述星形齒輪藉助中心齒輪30和星形齒輪32的齒之間的嚙合界面而聯接到中心齒輪30。多個星形齒輪32繞中心齒輪30周向設置。保持件36將軸頸軸承34保持到齒輪架26上。環形齒輪38圍繞齒輪架26並且通過嚙合界面而聯接到星形齒輪32。提供旋轉輸出的環形齒輪38藉助周向設置的緊固元件被固定到渦輪風扇軸20，如將在下文更詳細地描述的。星形齒輪32被支承在 軸頸軸承34的對應一個上。軸頸軸承34中的每個都包括外周軸頸表面34a，並且每個星形齒輪32都包括徑向內軸頸表面32a，該徑向內軸頸表面32a與對應軸頸軸承34的外周軸頸表面34a接觸。每個星形齒輪32的徑向內軸頸表面32a相對於對應星形齒輪32的旋轉軸線(該旋轉軸線大致平行於軸線A)沿軸向長度L接觸對應軸頸軸承34的外周軸頸表面34a。在該示例中，每個星形齒輪32的徑向內軸頸表面32a沿對應星形齒輪32的大致整個軸向長度L接觸對應軸頸軸承34的外周軸頸表面34a。因此，軸頸軸承34提供「線」接觸。比較而言，滾柱軸承會提供「點」接觸。軸頸軸承34和星形齒輪32之間的「線」接觸將負載分布在軸頸軸承34上，而不是將負載集中在單個點處，由此增強了周轉輪系22的耐用性。在一個公開的非限制性實施方式中，發動機10具有大於大約六(6)至十(10)的涵道比，周轉輪系22是具有大於大約2.3或大於大約2.5的齒輪減速比的行星齒輪系統或其他齒輪系統，並且發動機10的低壓渦輪具有大於大約5的壓力比。在一個公開的實施方式中，發動機10的涵道比大於大約十(10:1)或大於大約10.5:1,渦輪風扇18的直徑顯著大於壓縮機部14的低壓壓縮機的直徑，並且低壓渦輪具有大於大約5:1的壓力比。在一個示例中，周轉輪系22具有大於大約2.3:1或大於大約2.5:1的齒輪減速比。然而，應當理解的是，上述參數僅是帶齒輪架構的發動機的一個實施方式的示例，並且本發明能夠應用於包括直驅式渦輪風扇的其他氣輪機。由於高涵道比，由旁通流B提供顯著量的推力。發動機10的風扇18被設計用於具體飛行條件，即通常在大約0.SM和大約35000英尺下的巡航。0.SM和35000英尺的飛行條件，發動機處於其最佳燃料消耗(也被稱為「巡航最低點(bucket cruise TSFC"),是被燃燒燃料的磅質量(Ibm)除以發動機在該最小點處產生的推力的磅力(Ibf)的工業標準參數。「低風扇壓力比」是僅在風扇葉片上的壓力比。根據一個非限制性實施方式在本文公開的低風扇壓力比小於大約1.45。「低校正風扇末端速度(fan tip speed)」是實際風扇末端速度(單位:英尺/秒)除以[((T環境(ambient)deg R) / 518.7) ~0.5]的工業標準溫度校正值。根據一個非限制性實施方式在本文公開的「低校正風扇末端速度」小於大約1150英尺/秒。現參考圖3和圖4，環形齒輪38是具有第一部分40和第二部分42的兩件式結構。第一部分40和第二部分42在徑向界面45處彼此抵接。槽41將位於第一部分40和第二部分42中的每個上的相對帶角度齒43 (在圖4中最佳地示出)分開。齒43的布置迫使第一部分40和第二部分42在徑向界面45處朝向彼此。第一部分40和第二部分42的背側包括大致S形外周面47，所述外周面連同厚度的變化一起提供了結構剛度以及抵抗翻轉力矩的能力。第一部分40和第二部分42具有第一厚度Tl，該第一厚度Tl小於從第一厚度Tl軸向向內設置的第二厚度T2。第一部分40和第二部分42包括形成內部環形腔46的面對凹槽44。第一部分40和第二部分42包括徑向向外遠離齒43延伸的凸緣51。渦輪風扇軸20包括徑向向外延伸的凸緣70，該凸緣70由周向設置的螺栓52和螺母54固定到凸緣51，所述螺栓和螺母將渦輪風扇軸20和環形齒輪38相對於彼此軸向約束並且附接。因此免除了花鍵環，這還減少了從源自花鍵的尖銳邊緣和表面區域的風阻和攪動產生的熱量。渦輪風扇軸20和環形齒輪38能夠彼此旋轉地平衡，因為免除了由使用花鍵導致的徑向運動。擋油板68也被固定到凸緣51、70並且與該組件平衡。具有刀刃58的密封件56被固定到凸緣51、70上。第一部分40和第二部分42在徑向界面45處具有槽道48，形成孔50，所述孔50將油通過環形齒輪38驅動到溝槽60，該溝槽藉助緊固件61 (圖2)被固定到齒輪架26。通過避免由於存在花鍵而產生的軸向流路變化，由槽道48提供的直接徑向流路減少了風阻和攪動。也就是說，油必須徑向流動並且然後軸向流動，以通過花鍵界面離開。溝槽60由軟質材料(例如，鋁)構造成，使得由鋼構造成的刀刃58在它們幹涉時能夠切入到鋁中。參考圖3，密封件56還包括返油通道62，該返油通道由密封件56中的第一和第二槽64提供，其允許在環形齒輪38的任一側上的油排入到溝槽60中。在如圖2所示的示例中，相反，第一和第二槽64、66分別被設置在凸緣70和擋油板68中。雖然已經公開了本發明的實施方式，但是本領域普通技術人員將認識到的是，一些修改會落入本發明的範圍內。鑑於此，應當研究下述權利要求書以確定本發明的真實範圍和內容。
權利要求
1.一種齒輪設備，所述齒輪設備包括: 周轉輪系，所述周轉輪系包括支承星形齒輪的齒輪架以及圍繞所述星形齒輪並且與所述星形齒輪嚙合的環形齒輪，所述星形齒輪與中心齒輪嚙合，所述星形齒輪被支承在對應軸頸軸承上，每個軸頸軸承包括外周軸頸表面，並且每個星形齒輪包括與對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面接觸的徑向內軸頸表面，其中，所述周轉輪系具有大於或等於大約2.3的齒輪減速比。
2.根據權利要求1所述的齒輪設備，其中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。
3.根據權利要求1所述的齒輪設備，其中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿所述對應星形齒輪的大致整個軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。
4.根據權利要求1所述的齒輪設備，其中，所述周轉輪系具有大於或等於2.3的齒輪減速比。
5.根據權利要求1所述的齒輪設備，其中，所述周轉輪系具有大於或等於大約2.5的齒輪減速比。
6.根據權利要求1所述的齒輪設備，其中，所述周轉輪系具有大於或等於2.5的齒輪減速比。
7.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 渦輪機軸； 風扇；以及 周轉輪系，所述周轉輪系被聯接在所述渦輪機軸和所述風扇之間，所述周轉輪系包括支承星形齒輪的齒輪架以及圍繞所述星形齒輪並且與所述星形齒輪嚙合的環形齒輪，所述星形齒輪與中心齒輪嚙合，所述星形齒輪中的每個被支承在對應軸頸軸承上，每個軸頸軸承包括外周軸頸表面，並且每個星形齒輪包括與對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面接觸的徑向內軸頸表面，其中，所述周轉輪系具有大於或等於大約2.3的齒輪減速比。
8.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。
9.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，每個星形齒輪的所述徑向內軸頸表面相對於對應星形齒輪的旋轉軸線沿所述對應星形齒輪的大致整個軸向長度接觸所述對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面。
10.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，所述周轉輪系具有大於或等於2.3的齒輪減速比。
11.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，所述周轉輪系具有大於或等於大約2.5的齒輪減速比。
12.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，所述周轉輪系具有大於或等於2.5的齒輪減速比。
13.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，所述風扇限定關於旁通氣流和核心氣流大於大約十(10)的涵道比。
14.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，所述風扇限定關於旁通氣流和核心氣流大於大約10.5:1的涵道比。
15.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，所述風扇限定關於旁通氣流和核心氣流大於十(10)的涵道比。
16.根據權利要求7所述的渦輪機，其中，所述風扇限定小於大約1.45的壓力比。
17.根據權利要 求7所述的渦輪機，其中，所述風扇限定小於1.45的壓力比。
全文摘要
本發明涉及氣輪機齒輪系。周轉輪系包括支承星形齒輪的齒輪架，所述星形齒輪與中心齒輪嚙合。環形齒輪圍繞所述星形齒輪並且與所述星形齒輪嚙合。所述星形齒輪被支承在對應軸頸軸承上。每個軸頸軸承包括外周軸頸表面，並且每個星形齒輪包括與對應軸頸軸承的所述外周軸頸表面接觸的徑向內軸頸表面。所述周轉輪系具有大於或等於大約2.3的齒輪減速比。
文檔編號F02C6/00GK103185106SQ201210582679
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2011年12月30日
發明者M.E.麥克庫恩, L.E.波特洛克, F.M.施瓦斯 申請人:聯合工藝公司