根据授权协议no.cs2-eng-gam-2014-2015-01,导致本申请的项目已获得由欧盟的地平线2020研究和创新计划下的清洁天空2联合企业提供的资助。
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机。更具体地,本主题涉及燃气涡轮发动机的风扇或螺旋桨齿轮箱组件。
背景技术:
涡轮发动机不断受到挑战,以提高与性能、燃料消耗和噪声输出相关的效率,同时大体上保持或减少涡轮发动机封装(例如,轴向或径向尺寸)。一种提高涡轮发动机效率的已知解决方案是在发动机核心与风扇或螺旋桨之间引入减速或动力齿轮箱,例如涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和涡轮风扇涡轮发动机配置中的一些减速或动力齿轮箱。
然而,发动机核心与风扇或螺旋桨之间的齿轮箱可增加涡轮发动机封装。发动机核心还可以释放对风扇或螺旋桨的扭矩或动力输出的间歇性变化,这可能引起会导致故障的变形。另外,已知的涡轮发动机配置可以产生扭矩路径,该扭矩路径减少系统和/或操作员对超速状况的响应时间。
因此,需要一种轴组件的系统和方法,其改进了对由于扭矩或功率输出的间歇变化引起的变形的响应,改进了扭矩路径,和/或减少涡轮发动机封装。
技术实现要素:
本发明的方面和优点将在以下描述中被部分地阐述,或者可以从描述中显而易见,或者可以通过实践本发明来学习。
本公开针对一种用于涡轮发动机的轴组件,其中涡轮发动机包括风扇或螺旋桨组件和发动机核心,并且进一步地,其中风扇或螺旋桨组件包括齿轮箱,并且其中发动机核心包括一个或多个转子。轴组件包括柔性轴,该柔性轴沿轴向方向限定第一端和第二端,其中第一端连接到发动机核心以及第二端连接到齿轮箱,并且其中多个花键被限定在第二端处且在齿轮箱处联接到花键接口;以及联接器,该联接器至少部分地在径向方向上延伸并且联接到发动机核心和柔性轴。
在一个实例中,联接器限定一个或多个紧固位置,在该一个或多个紧固位置处,发动机核心的一个或多个转子与联接器以轴向相邻布置附接。
在另一个实例中,联接器进一步限定了多个孔口,一个或多个紧固件可以通过多个孔口延伸到发动机核心的一个或多个转子中。
在又一个实例中,联接器进一步至少部分地在周向方向上延伸。
在又一个实例中,联接器在多个分离的周向位置处径向延伸,并且其中每个分离的周向位置限定紧固位置或孔口。
在各种实例中,联接器进一步限定朝向转子延伸的轴向部分和与转子轴向相邻的径向部分。
在其他各种实例中,轴向部分在轴向方向上朝向柔性轴的第二端延伸。
在一个实例中,多个花键限定多个径向向外延伸的花键,多个径向向外延伸的花键联接到齿轮箱的花键接口。
在一个实例中,柔性轴的联接器以轴向相邻布置被附接到发动机核心的转子,并且其中转子限定在压缩机区段中的转子。
在另一个实例中,柔性轴的联接器以轴向相邻布置被附接到发动机核心的转子,并且其中转子限定在涡轮机区段中的转子。
在各种实例中,柔性轴的多个花键限定星形齿轮,并且其中星形齿轮在齿轮箱处联接到花键接口。
在其他各种实例中,柔性轴限定在第一端处的多个第二花键,并且其中多个第二花键在发动机核心处与第二花键接口联接。
在其他各种实例中,轴组件进一步包括星形齿轮,其中星形齿轮限定在径向方向上向外延伸的多个花键。
在一个实例中,柔性轴进一步限定一个或多个平台,一个或多个平台至少部分地沿轴向方向延伸,其中柔性轴的平台在柔性轴的第一端和第二端之间接触转子的毂。在各种实例中,一个或多个平台限定平台与转子的毂的内径之间的过盈配合。
本公开的另一方面针对一种涡轮发动机,该涡轮发动机限定轴向方向和径向方向。涡轮发动机包括风扇或螺旋桨组件,该风扇或螺旋桨组件包括齿轮箱;发动机核心,该发动机核心包括一个或多个转子;和轴组件。轴组件包括柔性轴,该柔性轴沿轴向方向限定第一端和第二端,其中第一端连接到发动机核心以及第二端连接到齿轮箱,并且其中多个花键被限定在第二端处且在齿轮箱处联接到花键接口;以及联接器,该联接器在径向方向上延伸并且联接到发动机核心和柔性轴。
在涡轮发动机的一个实例中,联接器进一步限定朝向转子延伸的轴向部分和与转子轴向相邻的径向部分。
在另一个实例中,轴向部分在轴向方向上朝向柔性轴的第二端延伸。
在各种实例中,联接器限定一个或多个紧固位置,在该一个或多个紧固位置处,发动机核心的径向延伸的转子和联接器以轴向相邻布置附接。
在其他各种实例中,涡轮发动机进一步包括星形齿轮,其中星形齿轮限定在径向方向上向外延伸的多个花键,并且其中星形齿轮与齿轮箱啮合或接合。
参考以下描述和所附权利要求书,将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的各方面,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中,参考附图,针对本领域普通技术人员,阐述了本发明的完整且可实现的公开,包括其最佳模式,其中:
图1是根据本公开的一方面的涡轮发动机布置的示例性实施例的示意性截面图;
图2是根据本公开的一方面的涡轮发动机布置的另一示例性实施例的示意性截面图;
图3是连接示例性齿轮箱和发动机核心的柔性轴的示例性实施例的示意性截面图;
图4是连接示例性齿轮箱和发动机核心的柔性轴的另一示例性实施例的示意性截面图;和
图5是概述布置发动机核心和齿轮箱之间的连接的方法的示例性步骤的流程图。
参考字符在本说明书和附图中的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例,本发明的一个或多个实例在附图中示出。提供每个实例是为了解释本发明,而不是限制本发明。实际上,对于本领域技术人员来说显而易见的是,在不脱离本发明的范围的情况下,可以在本发明中进行各种修改和变化。例如,作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用,以产生又一个实施例。因此,本发明旨在覆盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
如本文中所用,术语“第一”,“第二”和“第三”可互换使用,以将一个部件与另一个部件区分开,并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如,“上游”是指流体从其流动的方向,“下游”是指流体流动到其的方向。
大体上提供一种连接涡轮发动机齿轮箱和发动机核心的系统和方法。本文中大体上公开的系统和方法可以改进对由于扭矩或动力输出的间歇变化所引起的变形的响应,改进系统和/或操作员对超速状况的响应,和/或改进发动机封装。该系统包括将风扇或螺旋桨组件的减速或动力齿轮箱连接到发动机核心的柔性轴。柔性轴大体上包括对发动机核心的转子的紧固布置和联接到齿轮箱的花键布置。柔性轴大体上提供轴的轴向和径向变形,同时保持与发动机核心和齿轮箱的连接以及发动机核心和齿轮箱的必要运动。
另外,布置涡轮发动机并连接齿轮箱和发动机核心的方法包括将扭矩路径与发动机核心速度感测路径分离。该方法可以进一步包括将扭矩感测路径与发动机核心速度感测路径分离。连接涡轮发动机的方法包括将柔性轴的第一端连接到齿轮箱,在发动机核心的转子的毂内延伸该轴,以及将该轴的第二端连接到转子。
现在参考附图,图1和图2分别是示例性燃气涡轮发动机10(本文中称为“发动机10”)的示意性截面图。在图1中,发动机10被显示为高旁通涡轮风扇发动机,其结合了根据本公开的一方面的轴组件95的示例性实施例。在图2中,发动机10被显示为涡轮螺旋桨发动机,其结合了根据本公开的一方面的轴组件95的示例性实施例。虽然下面参考涡轮风扇发动机和/或涡轮螺旋桨发动机进行了进一步描述,但是本公开大体上也适用于风力涡轮和涡轮机械,包括桨扇发动机、涡轮喷气发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机,包括船用和工业涡轮发动机和辅助动力装置。如图1和图2所示,发动机10具有轴向中心线轴线12,轴向中心线轴线12延伸通过其中以用于参考目的。发动机10限定轴向方向a,径向方向r,以及沿轴向方向a的前端99和后端98。
大体上,发动机10可以包括发动机核心20和风扇或螺旋桨组件14。发动机核心20大体上按连续流动布置,可以包括压缩机区段21、燃烧区段26和涡轮区段31。压缩机区段21可以限定一个或多个压缩机,例如高压压缩机(hpc)24和低压压缩机(lpc)22。涡轮区段31可以限定一个或多个涡轮,例如高压涡轮(hpt)28和低压涡轮(lpt)30。在各种实施例中,压缩机区段21可进一步包括中间压力压缩机(ipc)。在还有的其他实施例中,涡轮区段31还可包括中压涡轮(ipt)。在风力涡轮应用中,发动机核心20大体上可以被定义为一个或多个发电机。
压缩机区段21中的每个压缩机22、24和涡轮区段31中的每个涡轮28、30可以包括一个或多个转子32。在一个实施例中,转子32包括发动机10的一个或多个轴35,一个或多个轴35将压缩机区段21连接到涡轮区段31。在其它实施例中,转子32大体限定盘状部33和多个翼型件36,盘状部33至少部分地在径向方向r上延伸,多个翼型件36以周向相邻布置被连接并且在径向方向r上从盘状部33向外延伸。在一个实施例中,一个或多个转子32可以各自连接在一起。例如,涡轮区段31或压缩机区段21的每个转子32可以通过例如螺栓、螺母、螺钉或铆钉的机械紧固件,或通过例如焊接、摩擦粘结、扩散粘结等的粘结处理来被连接。在各种实施例中,压缩机区段21的一个或多个压缩机可以被驱动连接并且能够经由一个或多个轴35与涡轮区段31中的一个或多个涡轮一起旋转。
风扇或螺旋桨组件14大体上包括风扇转子15。风扇转子15包括多个风扇或螺旋桨叶片42,多个风扇或螺旋桨叶片42在径向方向r上联接到风扇转子15并从风扇转子15向外延伸。在图1和2所示的实施例中,风扇转子15可以在轴向方向a上从减速或动力齿轮箱45朝向前端99延伸。风扇或螺旋桨组件14进一步包括轴组件95,轴组件95联接到齿轮箱45并朝向后端98延伸,并且联接到发动机核心20。
在一个实施例中,齿轮箱45可以包括齿轮系50,齿轮系50包括星形齿轮52和多个行星齿轮54。多个行星齿轮54可以被各自固定,使得每个行星齿轮54相对于星形齿轮52在固定轴线上旋转。环形齿轮56围绕多个行星齿轮54并旋转,并且通过多个行星齿轮54传递来自星形齿轮52的动力和扭矩。在本文中所示的实施例中,环形齿轮56可以联接到风扇转子15,或者与风扇转子15成一体。在一个实施例中,星形齿轮52可以附接到或集成到轴组件95。在各种实施例中,齿轮箱45可以进一步包括在多个行星齿轮54和星形齿轮52之间,或者在多个行星齿轮54和环形齿轮56之间,径向设置的附加行星齿轮。
返回参考图1和图2,轴组件95连接到发动机核心20,以通过星形齿轮52将扭矩和动力传递到齿轮箱45和风扇转子15。风扇转子15可以连接到周围的环形齿轮56或者行星齿轮54,以接收来自星形齿轮52的扭矩并传递扭矩以驱动风扇或螺旋桨组件14。当动力和扭矩从发动机核心20被传输时,齿轮箱45以更适合于风扇或螺旋桨组件14调整的输出速度向风扇转子15提供动力和扭矩。例如,齿轮箱45可以通过大于1的因子来降低风扇转子15相对于发动机核心20的速度。
现在参考图3和图4,提供了一部分涡轮发动机10的示例性实施例,涡轮发动机10包括连接齿轮箱45和发动机核心20的轴组件95。轴组件95包括柔性轴100和联接器120。柔性轴100沿轴向方向a限定第一端101和第二端102,其中第一端101靠近发动机核心20,并且第二端102靠近齿轮箱45。柔性轴100在第一端101处被连接到发动机核心20,并且在第二端102处被连接到齿轮箱45。联接器120在径向方向上延伸并联接到发动机核心20和柔性轴100。
柔性轴100在第二端102处限定多个花键110,其中柔性轴100的多个花键110在齿轮箱45处联接、配合或啮合到花键接口46。在各种实施例中,多个花键110联接到齿轮箱45。在一个实施例中,多个花键110限定齿轮箱45的星形齿轮52。多个花键110可以限定多个径向向外延伸的花键,多个径向向外延伸的花键被构造成与多个行星齿轮54的花键接口46啮合或接合。在另一个实施例中,柔性轴100的多个花键110可以与齿轮箱45的花键接口46啮合或接合,其中花键接口46作为齿轮箱45的星形齿轮52限定多个径向向内延伸的花键。
现在参考图4,在轴组件95和发动机10的一个实施例中,柔性轴100限定在第一端101处的多个第二花键112。在柔性轴100的第一端101处的多个第二花键112可以与发动机核心20处的第二花键接口38联接、啮合或接合。在一个实施例中,第二花键接口38被限定在发动机核心20的转子32处。在另一个实施例中,第二花键接口38被限定在发动机10的轴35处。在各种实施例中,柔性轴100的多个第二花键112限定多个径向向外延伸的花键,多个径向向外延伸的花键被构造成与第二花键接口38的多个径向向内延伸的花键啮合或接合。
返回参考图3和图4,轴组件95进一步包括联接器120,联接器120在径向方向r上延伸,联接到发动机核心20和柔性轴100。在一个实施例中,联接器120限定一个或多个紧固位置124,在一个或多个紧固位置124处,发动机核心20的一个或多个转子32和联接器120以轴向相邻布置附接。在另一个实施例中,联接器120限定多个孔口122,一个或多个紧固件123可以通过孔口122延伸到发动机核心20的转子32中。多个孔口122可以大体上在轴向方向a上延伸通过联接器120和转子32。在各种实施例中,一个或多个紧固件123或紧固位置124可以包括机械紧固件和/或紧固或结合处理,机械紧固件例如但不限于螺栓、螺母、螺钉和/或铆钉,紧固或结合处理例如是焊接或粘结处理,包括但不限于摩擦焊接或扩散粘结,或其组合。
径向延伸的联接器120可以进一步至少部分地在周向方向上延伸。在一个实施例中,联接器120是环形的并且在环形件周围以周向布置限定多个紧固位置124或孔口122。在另一个实施例中,联接器120在多个分离的周向位置处径向延伸,其中每个分离的周向位置可以限定紧固位置124或孔口122。
径向延伸的联接器120可以进一步限定朝向转子32延伸的轴向部分125和与转子32轴向相邻的径向部分126。在一个实施例中,轴向部分125在轴向方向a上朝向柔性轴100的第二端102延伸。包括轴向部分125和/或径向部分126的联接器120可以一起限定弹性特性,该弹性特性允许从发动机核心20到齿轮箱45的适当的柔度量,使得多个花键110或星形齿轮52可以在径向方向r和/或轴向方向a上移动。多个花键110或星形齿轮52由于来自发动机核心20的载荷变化而引起的移动可以提供齿轮箱45中的行星齿轮54之间的载荷均衡。另外地或替代地,发动机核心20中的间歇变化、波动或变形,或由发动机核心20引起的间歇变化、波动或变形,可以由柔性轴100补偿并且抵抗传递到齿轮箱45或风扇或螺旋桨组件14。
仍然参考图3和图4,与轴组件95连接的转子32可以包括涡轮区段31或压缩机区段21的一个或多个转子32。参考图3和图4以及如图1所示的涡轮风扇构造中的发动机10,轴组件95可以连接到压缩机区段21中的转子32。例如,在图1所示的实施例中,柔性轴100从齿轮箱45延伸到lpc22,或者在其他实施例中,延伸到ipc。在如图3和图4所示的轴组件95的另一个实施例中,或者在如图2所示的作为涡轮螺旋桨发动机构造的发动机10中,轴组件95可以连接到涡轮机区段31中的转子32。例如,在图2所示的实施例中,轴组件95从齿轮箱45延伸到lpt30。
在各种实施例中,转子32可以限定在轴向方向a上从转子32的盘状部33延伸的环形毂34。转子32的毂34可以大体上在轴向方向a上朝向齿轮箱45延伸。在一个实施例中,发动机10进一步包括联接到转子32的毂34的一个或多个轴承60。在一个实施例中,如图3和4所示,一个或多个轴承60联接到转子32的毂34,柔性轴100从转子32的毂34朝向齿轮箱45延伸。一个或多个轴承60可以设置在柔性轴100的第一端101和第二端102之间。轴承60可以进一步联接到一个或多个静态框架62,静态框架62被构造成将一个或多个转子32设置成与轴向中心线12同轴。
仍然参考图3和图4,轴组件95可以在轴向方向a上从转子32延伸到齿轮箱45并且在径向方向r上延伸到毂34内侧。发动机10可以进一步包括设置在柔性轴100的第一端101和第二端102之间的速度传感器130。速度传感器130可以在径向方向r上朝向转子32的毂34设置。在各种实施例中,速度传感器130在径向方向r上朝向转子32的毂34延伸通过静态框架62。在一个实施例中,一个或多个速度传感器130设置在一个或多个轴承60与柔性轴100的第一端101之间。
发动机10可以进一步包括设置在柔性轴100的第二端102处的扭矩传感器140。扭矩传感器140在径向方向r上朝向柔性轴100设置。在转子32处联接在第一端101处、在齿轮箱45处联接在第二端102处、以及将速度传感器130设置在其之间的柔性轴100的组合,可以从发动机核心20到齿轮箱45的关键扭矩路径中去除发动机核心20的超速检测。例如,从转子32安装柔性轴100并使毂34朝向发动机10的前端99延伸,可以启用速度传感器130处的超速检测,同时使对靠近齿轮箱45的第二端处的扭矩传感器140处的扭矩读数的影响最小化。另外,通过使柔性轴100在转子32的毂34内径向延伸并且大体上与转子32的毂34同轴延伸,上述组合可以通过使齿轮箱45能够更靠近地设置到转子32上的一个或多个轴承60,来减少发动机10的封装。
在各种实施例中,如图3和图4所示,柔性轴100可以限定一个或多个平台105,一个或多个平台105至少部分地在径向方向r上延伸并且邻近限定盘状部33的转子32的毂34的内径。一个或多个平台105可以进一步在轴向方向a上至少部分地延伸。一个或多个平台105可以限定在平台105和毂34之间的过盈配合,以便相对于转子32至少部分地保持柔性轴100。
关于图1-4显示和描述的轴组件95和发动机10的其他零件、部件或组件可以由适用于涡轮发动机的金属形成,包括但不限于铁基、钛基、镍基或钴基合金,每种合金可以包括铬、钴、钨、钽、钼和/或铼。柔性轴100可以使用铸造、锻造、机械加工或其组合来形成。另外地或替代地,柔性轴100可以形成为单个整体结构,或者形成为通过一个或多个机械紧固件或结合处理或其组合结合而成的若干部件的组件。
在发动机10的操作期间,如关于图1-4共同显示和描述的,由箭头90示意性地示出的空气量进入发动机10。当空气90穿过风扇或螺旋桨叶片42时,如箭头91示意性所示的一部分空气被引导或按规定路线送到发动机核心20外部,以提供推进力。另外,如箭头92示意性指示的另一部分空气通过相关的入口80被引导或按规定路线送到压缩机区段21中。当空气92朝向燃烧区段26流过压缩机区段21时,例如流过lpc22和hpc24时,空气92逐渐被压缩。
现在,如箭头93示意性所示的压缩空气流入燃烧区段26,在燃烧区段26中,燃料被引入、与至少一部分压缩空气93混合、并且被点燃,以形成燃烧气体94。燃烧气体94流入涡轮区段31,使涡轮区段31的旋转构件旋转并支持压缩机区段21和/或风扇或螺旋桨组件14中的各自联接的旋转构件的操作。例如,hpc24和hpt28可以被联接并且可旋转以驱动发动机10,并在燃烧区段26处产生燃烧气体94以驱动lpt30。lpt30可以连接到lpc22。参考图1,轴组件95可以在第一端101处被附接到lpc22,以及在第二端102处被附接到齿轮箱45。在其它实施例中,轴组件95可以在第一端101处被附接到hpc24。参考图2,柔性轴100可以在第一端101处被附接到lpt30,以及在第二端102处被附接到齿轮箱45。在其它实施例中,轴组件95可在第一端101处被附接到hpt28。齿轮箱45降低了来自发动机核心20(例如压缩机区段21或涡轮区段31)的旋转速度,并且向风扇或螺旋桨组件14提供所需量的扭矩和旋转速度。
现在参考图5,大体上提供了连接涡轮发动机齿轮箱和发动机核心的示例性方法(本文中称为“方法500”)的概述步骤的流程图。方法500可以从发动机核心和动力或减速齿轮箱之间的关键扭矩路径中去除超速检测。图5描绘了出于说明和讨论的目的而以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容,本领域普通技术人员将理解,在不脱离本公开的范围的情况下,可以以各种方式调整、修改、重新布置、省略或扩展本文公开的任何方法的各种步骤。
方法500可以包括涡轮发动机,例如图1-4中所示以及本文中所描述的发动机10。方法500可以包括:在(510)处,将轴组件的第一端连接到发动机的转子,在(520)处,在轴向方向上在转子的毂内延伸轴组件,以及在(530)处,将轴组件的第二端连接到发动机的齿轮箱。
在(510)处,方法500可以包括将柔性轴的第一端的径向延伸部分以相邻轴向布置连接到转子的径向延伸部分。在一个实施例中,例如关于图1-4所示和描述的,径向延伸的联接器120可以以相邻轴向布置被连接到转子32的径向延伸的盘状部33。
方法500可以进一步包括,在(540)处,将一个或多个速度传感器定位成靠近转子的毂。在一个实施例中,如图3和图4所示,速度传感器130可以被定位在柔性轴100的第一端101和第二端102之间。
方法500可以进一步包括,在(550)处,将一个或多个扭矩传感器定位成靠近柔性轴。在一个实施例中,如图3和图4所示,扭矩传感器140可以被定位成靠近柔性轴100的第二端102。
在各种实施例中,方法500可以进一步包括,在(560)处,将一个或多个轴承定位到转子的毂,柔性轴从转子的毂朝向齿轮箱延伸。在一个实施例中,如图3和图4所示,一个或多个轴承60联接到转子32的毂34,轴组件95从转子32的毂34朝向齿轮箱45延伸。
方法(500)可以进一步包括,在(570)处,通过旋转联接到柔性联接轴的一个或多个转子来操作发动机。在一个实施例中,如图1-4所示,柔性联接轴100联接到发动机核心20的一个或多个转子32,使得发动机核心20的旋转或操作将扭矩和动力传递到柔性联接轴100,并通过柔性联接轴100传递到齿轮箱45和风扇或螺旋桨组件14。
图1-5中所示以及本文中描述的系统和方法可以从发动机核心20到风扇或螺旋桨组件14的关键扭矩路径中去除超速检测。另外,本文所述的系统和方法可以通过减小发动机10的轴向长度,以及将风扇或螺旋桨组件14的齿轮箱45定位成更接近发动机核心20,来减少涡轮发动机的封装。此外,本文所述的系统和方法可以改进发动机10对发动机核心20到风扇或螺旋桨组件14的动力输出或扭矩的间歇性变化的响应。
本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的实施例,并且还使任何本领域技术人员能够实践这些实施例,包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定,并且可以包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件,或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件,则这些其他实例意指在权利要求书的范围内。