气体涡轮引擎联接装置的制作方法

本公开涉及用于气体涡轮引擎的联接装置。

背景技术：

为了改善燃料燃烧，正在开发齿轮传动风扇驱动飞行器涡轮风扇。设计要求规定，涡轮风扇引擎结构、安装架和相邻的飞行器结构被设计成承受对涡轮机械的快速卡死，通常是从最大速度到被卡死的1秒。如果动力齿轮箱(pgb)在突然卡死故障情况下卡住，则齿轮传动风扇驱动涡轮风扇可能比直接驱动涡轮风扇快得多地卡死，从而导致引擎结构、安装架和塔架组件承受大的负载。为了避免这些结构中的额外重量负担，如果设计用于承受这些大负载（小于1秒的涡轮机械卡死），则在pgb和引擎之间的连接点处需要保险丝或断开装置。

另外，在大直径（低比推力）齿轮传动风扇驱动涡轮风扇的情况下，锁定风扇可引起对飞行器方向控制有害的不对称阻力的水平。因此，在风扇和潜在卡死的pgb之间可能需要保险丝或断开装置以避免这种情况，或者重新设计飞行器的替代燃料燃烧不利影响（重量和阻力）以适应这种高锁定风扇阻力水平。另一方面，在一些情况下，可能有利的是，在保持风扇和齿轮箱之间的连接的同时，诸如在引擎发生故障但齿轮箱未被卡死的情况下，引擎能够作风车旋转。这种操作方法可使得引擎轴驱动的发生器、泵等能够在引擎关闭的情况下继续运转。在不同旋转部件之间或在旋转部件和静止部件之间也可能需要其他保险丝，以防止在突然卡死时传递大的力。

欧洲专利公布ep3121469公开了一种用于在齿轮传动涡轮风扇中将风扇与pgb断开的现有装置。在ep3121469所述的装置中，螺旋螺纹用于使第一轴和第二轴之间的中间轴脱离。这三个轴通过剪切销保持在一起。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种用于气体涡轮引擎的联接装置，该联接装置包括：

第一构件，所述第一构件具有沿第一方向延伸的第一螺纹配对表面和沿大致垂直于第一方向的方向延伸的凸缘，

第二构件，所述第二构件具有沿第一方向延伸的第二螺纹配对表面和沿大致垂直于第一方向的方向延伸的凸缘，第一构件的凸缘和第二构件的凸缘与彼此接合；

第三构件，所述第三构件具有被构造成与第一螺纹配对表面接合的第三螺纹配对表面，以及被构造成与第二螺纹配对表面接合的第四螺纹配对表面，第三螺纹配对表面和第四螺纹配对表面反向，第三构件具有凸缘，所述凸缘沿大致垂直于第一方向的方向延伸并被构造成与第一构件和第二构件中的一者接合；和

推动构件，所述推动构件被构造成推动第三构件与第一构件和第二构件接合，使得第一构件和第二构件之间的沿第一相对方向的扭矩导致凸缘的压缩，并且沿第二相对方向的大于预定量的扭矩导致第三构件从第一构件和第二构件脱离。

有利的是，沿第一方向的旋转使得构件彼此压缩，从而增加了联接的强度并减少了微振磨损。另一方面，沿第二方向的旋转导致断开。因此，这种装置提供了坚固的联接装置，其可适应大的负载，但是在其中一个部件被卡死的情况下快速地断裂。

推动构件可包括紧固件，该紧固件被构造成在第一构件的凸缘、第二构件的凸缘和第三构件的凸缘之间延伸。因此，可通过断裂紧固件来触发第一构件和第二构件的脱离。

另选地，推动构件可包括弹性构件诸如弹簧，该弹性构件可将第三构件的凸缘朝向第一构件的凸缘和第二构件的凸缘偏压。有利的是，当引擎重新启动时扭矩返回到第一相对方向的情况下，弹簧可导致第三构件与第一构件和第二构件重新接合。

气体涡轮引擎可包括减速齿轮箱，该减速齿轮箱可将涡轮轴联接到风扇轴。减速齿轮箱可包括周转齿轮箱，诸如行星式齿轮箱或星形齿轮箱。

第二构件可包括气体涡轮引擎的风扇轴。第三构件可包括气体涡轮引擎的减速齿轮箱的输出轴。

另选地，第一构件可包括气体涡轮引擎的静止结构，并且第二构件可包括减速齿轮箱的齿圈和行星齿轮架中的一者。

在减速齿轮箱包括行星式齿轮箱的情况下，第二构件可包括齿圈安装架。在减速齿轮箱包括星形齿轮箱的情况下，第二构件可包括行星齿轮架安装架。

螺纹配对表面可平行于引擎主轴轴线在大致轴向上延伸。凸缘可在大致垂直于轴向的方向上沿大致径向延伸。

第三构件可设置在第一构件和第二构件的径向向外侧，或设置在第一构件和第二构件的径向向内侧。第一构件的凸缘可在第二构件的凸缘和第三构件的凸缘之间延伸。

根据第二方面，提供了一种气体涡轮引擎，其包括根据第一方面的联接装置。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；

图2是图1的气体涡轮引擎的部分的截面侧视图；

图3是图2的气体涡轮引擎的第一联接装置的特写；

图4是示出在正常工作状态下施加在联接装置上的力的图；

图5是示出在故障状态下施加在联接装置上的力的图；

图6是图2的气体涡轮引擎的第二联接装置的特写；

图7是图2的气体涡轮引擎的另选联接装置的特写；并且

图8是另选气体涡轮引擎的部分的截面侧视图。

具体实施方式

参考图1，气体涡轮引擎通常用10表示，具有主轴线和旋转轴线11。引擎10以轴流式串联方式包括进气口12、推进式风扇13、低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮机17、中压涡轮机18、低压涡轮机19和排气喷嘴20。短舱21通常围绕引擎10并限定进气口12。

气体涡轮引擎10以常规方式工作，使得进入进气口12的空气被风扇13加速以产生两股气流：进入压缩机14的第一气流和通过旁路管道21以提供推进推力的第二气流。压缩机14、15在将空气输送到燃烧设备16之前压缩引导至其中的气流。

在燃烧设备16中，气流与燃料混合并且混合物燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过涡轮机17、18、19膨胀，从而驱动所述涡轮机以提供额外的推进推力。高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19各自通过合适的互连轴22、23、24分别驱动高压压缩机14、中压压缩机14和风扇13。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选构型。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴（例如，三个）和/或另选数量的压缩机和/或涡轮机。

低压轴24经由周转减速齿轮箱25驱动风扇13，该行星减速齿轮箱驱动输出轴26以驱动风扇13。齿轮箱25周围的区域在图2中更详细地示出。

现在参见图2，减速齿轮箱25包括以低压轴24的形式联接到输入轴的太阳齿轮27。太阳齿轮27与行星齿轮28啮合，该行星齿轮布置在太阳齿轮27的径向向外侧，并且该太阳齿轮又与围绕行星齿轮28的环形齿圈29啮合。行星齿轮28可旋转地安装到行星齿轮架30，该行星齿轮架继而安装用于旋转。

在该第一实施方案中，减速齿轮箱为行星式齿轮箱25的形式，其中齿圈29保持静止，而行星28和行星齿轮架30在正常使用中旋转。输出轴26安装到行星齿轮架30，并由轴承31支撑，该轴承继而安装到前向齿轮箱安装架32形式的静止结构。

输出轴26通过第一联接装置34联接到风扇短轴33。相似地，齿圈29通过第二联接装置50联接到前向齿轮箱安装架32。下面参考图3更详细地描述第一联接装置34，而下面参考图6更详细地描述第二联接装置50。

现在参见图3，更详细地示出了联接装置34。联接装置34包括呈输出轴26形式的第一构件和呈风扇短轴33形式的第二构件。第一构件和第二构件26、33围绕平行于引擎轴线11的轴线x旋转。当从风扇13的前部观察时，风扇短轴33和输出轴26均沿顺时针方向旋转。

第一构件26包括大致轴向延伸的主要部分40，该主要部分在其上游端连接到凸缘36。凸缘36在大致径向向外的方向上延伸，并且面向第二构件33的对应的径向向外延伸的凸缘39。凸缘36延伸至第一配对表面37，该第一配对表面在平行于轴线x的方向上再次延伸，并且设置在主要部分40的径向向外侧。配对表面37具有螺纹部分38，该螺纹部分面向径向向外的方向。出于将在下文进一步解释的原因，螺纹部分38包括左旋螺纹。

相似地，第二构件33包括主要部分41，该主要部分在其下游端部处终止于凸缘39中。主要部分41包括径向面向外的第二螺纹配对表面42。第二构件33的第二螺纹配对表面42具有反向的螺纹（在该实施方案中为右旋螺纹）。

第一联接装置34还包括第三构件43。第三构件43设置在第一构件和第二构件26、33附近，并且分别与每一构件接触。另选地，可在第三构件43与第一构件和第二构件26、33中的每一者之间设置间隔件。第三构件43设置在第一构件和第二构件26、33的径向向外侧，并且包括大致轴向延伸的第三配对表面和第四配对表面44、45，它们通过主要部分46形式的大致径向延伸的凸缘连接。第三配对表面和第四配对表面44、45分别包括第三螺纹部分47和第四螺纹部分48，所述第三螺纹部分和第四螺纹部分被构造成分别与第一构件和第二构件26、33的第一螺纹部分和第二螺纹部分38、42接合。因此，第三构件43的第三螺纹部分47包括左旋螺纹，而第三构件43的第四螺纹部分48包括右旋螺纹。换句话讲，第三构件43的两个螺纹是反向的。

第一构件、第二构件和第三构件26、33、43通过推动构件联接在一起。在第一实施方案中，推动构件包括呈螺栓49形式的紧固件。如将理解的，紧固件可采用不同的形式，诸如螺钉、铆钉、焊接或用于将第一构件、第二构件和第三构件26、33、43紧固在一起的其他合适的装置。螺栓49延伸穿过径向延伸的主要部分36、39、43中的孔口，使得当固定螺栓时，第一构件、第二构件和第三构件26、33、43的主要部分36、39、43在压缩下保持在一起。一般来讲，将提供围绕第一构件、第二构件和第三构件26、33、43周向分布的多个螺栓49。

在正常使用中，联接装置的作用如下。在引擎10运转并且联接装置34完好无损的情况下，扭矩经由联接装置34在输入轴26和风扇短轴33之间传递。在加速和稳态运行期间，扭矩通常会从输入轴26传递到风扇轴33，而在突然减速和引擎停机期间，扭矩通常会反向传递。

图4示出了在稳态和加速条件期间作用于联接装置34上的力，其中扭矩从输出轴26传递到风扇短轴33。扭矩最初经由相应的第一螺纹部分38、47从第一构件26传递至第三构件43。然后，扭矩经由相应的第二螺纹部分42、48从第三构件43传递至第二构件33。因此，每个螺纹对（即，表示第一对的第一螺纹38、47和表示第二对的第二螺纹42、48）包括驱动螺纹和从动螺纹。就第一对而言，驱动螺纹是第一构件26的螺纹38，因为这是扭矩从其传递的构件。就第二对而言，驱动螺纹是第三构件43的螺纹48，而从动螺纹是第二构件33的螺纹42。

图4中的虚线箭头表示施加在驱动螺纹和从动螺纹之间的螺纹上的力。可以看出，鉴于第一螺纹部分38、47具有与第二螺纹部分42、48反向的螺纹，第三构件43被向右驱动，如图4所示（即，沿下游方向），朝向第二构件26的相对主要部分9。这是因为来自第三构件43的从动左旋第一螺纹38的反作用力驱动第三构件43向右，而来自从动右旋第二螺纹42的反作用力作用于第三构件43的驱动螺纹48，也将第三构件43向右驱动，即与第二构件压缩。因此，在将第二构件和第三构件33、43一起驱动时，两个螺纹对38、47、42、48共用负载。由于第一构件（即，输出轴）是刚性定位的，因此第一构件、第二构件和第三构件26、33、43均压缩在一起。扭矩也经由螺栓49和相对的主要部分36、39直接从第一构件26传递至第三构件43。通过螺纹花键38、47、42、48将第一构件、第二构件和第三构件26、33、43压缩在一起，确保当传递扭矩时基本上不发生滑动，从而减少了微振磨损和磨损。实际上，螺栓49本身传递的扭矩相对较小，因为大的接触表面（即，配对表面和主要部分）基本上传递了所有载荷。

图5示出了在减速条件期间作用于联接装置34上的力，其中扭矩从输出轴26传递到风扇短轴33。在齿轮箱输出轴26卡死的情况下也会发生这种状况。如前所述，在这种情况下，考虑到风扇13的转动惯量，在风扇短轴33和输出轴26之间将传递大的扭矩，并且如果在飞行中发生卡死，则风扇将作风车旋转。

输出轴26和风扇短轴33均继续沿相同方向旋转，即当从前部观察时顺时针旋转。扭矩最初经由相应的第二螺纹部分42、48从第二构件33传递至第三构件43。然后，扭矩经由相应的第一螺纹部分38、47从第三构件43传递至第一构件26。因此，每个螺纹对（即，表示第一对的第一螺纹38、47和表示第二对的第二螺纹42、48）再次包括驱动螺纹和从动螺纹。在卡死或减速操作的情况下，第一对的驱动螺纹现在是第一构件26的螺纹38，因为这是扭矩从其传递的构件。就第二对而言，驱动螺纹是第三构件43的螺纹48，而从动螺纹是第二构件33的螺纹42。因此，由螺纹提供的力沿相反方向，即上游方向（如图5的图中所示的左侧），在轴向上远离第一构件和第二构件26、33对第三构件43产生整体力。同样，扭矩由两个螺纹对共享。该载荷通过第二构件33与第一构件26反作用，使得凸缘36、39继续彼此压靠，从而可通过这些表面承载旋转载荷。

因此，将螺栓49置于拉力下。由联接装置34提供的拉力取决于螺纹38、47，42、48的螺距（即，螺旋角）和传递的扭矩。通常，螺纹具有介于10度角和35度角之间的螺距，其中当螺距角增大时，给定扭矩的拉伸载荷增大。应当理解，螺栓49由两个螺纹对38、47，42、48拉紧。因此，对于给定的螺纹距，将相对大的拉伸载荷置于螺栓49上。然而，在作风车旋转操作期间，螺栓49保持完整，因此风扇短轴33保持附接到输出轴26，提供扭矩，因此螺栓49上的拉力和剪切力保持低于预定量。

在超过预定扭矩的情况下，螺栓49失效，即被螺纹38、47，42、48拉开。这种事件可例如在齿轮箱25在引擎10工作期间卡死的情况下发生。在这种情况下，风扇13的进入气流和惯性将继续旋转短轴33，而输出轴25保持静止。然后，风扇短轴33的顺时针旋转将使右旋螺纹42、48在第三构件43上施加轴向向前（附图上的左侧）的载荷，并且在第二构件33上施加轴向向后的载荷，然后将其传递到第一构件26。因此，将第一构件和第三构件26、43沿相反的方向牵拉，从而再次将拉力置于螺栓49上。然而在这种情况下，拉力超过预定量，螺栓49失效。

一旦螺栓49失效，第三构件43就自由地轴向向前移动，远离第一构件和第二构件26、33。在第三构件43不再与第二构件33接触的情况下，第二构件33的凸缘39不再被迫抵靠第一构件26的凸缘36。尽管没有螺栓49也没有凸缘36、39之间的接触来确保第一构件和第二构件26、33的共同旋转，第二构件（即风扇轴33）独立于第一构件26自由旋转，从而允许风扇13在齿轮箱25卡死的情况下也能自由旋转。

这种装置允许在齿轮箱卡死的情况下快速、可靠地分离输出轴26和风扇短轴33。另一方面，在作风车旋转期间，通过拉紧而不是剪切断裂螺栓来保持风扇13和齿轮箱25的共同旋转。应当理解，断裂螺栓所需的拉力一般可通过将螺栓材料的极限拉伸强度乘以螺栓在其最薄部分处的横截面积来计算。通过确保螺栓在拉紧而非剪切下失效，这导致在相对精确的预定扭矩下更可靠的失效，因为部件的极限拉伸强度可比剪切强度更可重复地确定。该装置也是高度紧凑的，具有短的轴向长度。另一方面，在正常操作期间，该联接装置通过在输出轴26的凸缘36、39和风扇短轴33之间提供额外的压缩，有助于装置的结构完整性。

任选地，引擎包括图2和图6所示的第二联接装置50。另外的联接装置50被构造成将齿轮箱25的静止部件（即，该实施方案中的齿圈29）联接到引擎10的另一静止部件（该实施方案中的引擎齿轮箱外壳32）。同样，该联接装置被构造成在齿轮箱卡死的情况下使静止齿轮箱部件与静止引擎部件脱离。

参见图5，第二联接装置50包括第一构件51，其经由齿圈安装架52（图2中示出）联接到齿圈29。第一构件51类似于第一联接装置34的第一构件26，其包括凸缘52和包括螺纹部分58的螺纹配对表面53。

第二联接装置50还包括第二构件54，其联接到引擎齿轮箱外壳32。同样，第二构件54类似于第一联接装置34的第二构件33，其包括凸缘55和包括螺纹部分57的螺纹配对表面56。

螺纹部分57、58与第三构件61的相应螺纹部分59、60接合。第三构件61设置在第一构件和第二构件51、54的径向向内侧并与其重叠。第三构件包括第一配对表面62和第二配对表面63，该第一配对表面包括第一螺纹部分59，该第二配对表面包括第二螺纹部分60。凸缘64在第一配对表面和第二配对表面62、63之间延伸并连接。凸缘64径向延伸，并且与第二构件54的凸缘55接合。同样，螺纹57、59与螺纹58、60反向。

最后，呈螺栓65形式的紧固件延伸穿过第一构件51、第二构件54和第三构件61的凸缘52、55、64。

第二联接装置50以与第一联接装置类似的方式操作。在正常操作中，在第一构件51和第二构件54之间传递相对小的扭矩，因为大部分扭矩经由行星齿轮架30从输入轴24传递到输出轴26。然而，如果行星齿轮架或行星齿轮28卡死，则风扇13、齿轮箱25和引擎核心（即，压缩机、轴和涡轮）的惯性将经由齿圈29传递到引擎外壳32。因此，希望在卡死的情况下将齿圈29与外壳32分离。考虑到否则将传递到引擎外壳32的非常突然和大的负载，这种分离必须是自动且非常快速的。第二联接装置50以重量有效、紧凑、可靠的方式实现这种快速分离。

在齿轮箱卡死的情况下，第二联接装置50以与第一联接装置类似的方式操作。突然卡死导致可将大的扭矩传递到齿圈29。这种大扭矩使得齿圈安装架52沿逆时针方向旋转。该逆时针方向扭矩使第一构件51沿逆时针方向旋转，这使得第一构件和第三构件51、61的右旋螺纹58、60沿向前方向推动第三构件61，远离第一构件和第二构件51、54。相似地，第二构件和第三构件54、61的左旋螺纹57、59也沿向前方向推动第三构件61，远离第一构件和第二构件51、54。因此，将超过预定量的拉力置于螺栓65上，使得螺栓65失效。因此，第一构件和第二构件51、54断开，允许齿圈29自由旋转，同时引擎减速。因此，仅联接装置50的螺栓65被损坏，允许直接修理该引擎，并防止进一步的结构损坏。

图7示出了适用于气体涡轮引擎10的另选联接装置234。对等效部件给出与前一实施方案相同的编号，但编号增加200。

联接装置234与装置34基本上相同。然而，推动构件以弹性构件的形式提供，该弹性构件包括弹簧249代替螺栓49。弹簧249在安装位置266和第三构件243的端表面之间延伸，该安装位置联接到第二构件（即，风扇轴233）。因此，弹簧249推动第三构件与第二构件233接合。因此，在从第二构件233沿顺时针方向施加扭矩的情况下，将轴向力施加到弹簧249。这种轴向力将再次取决于螺纹238、242、247、248的螺旋角和扭矩。因此，当扭矩超过预定量时，弹簧将允许第二构件的凸缘和第三构件的凸缘脱离接合，并且螺纹脱离，从而允许第一构件和第二构件的相对旋转。应当理解，可基于弹簧249的弹簧常数计算此预定扭矩。另一方面，在扭矩低于该预定量的情况下，弹簧249将推动第二构件和第三构件重新接合，从而允许在引擎再点火的情况下再次将扭矩传递到风扇。

图8示出了具有呈“星形”齿轮箱形式的周转齿轮箱125的另选气体涡轮引擎110的一部分。

星形齿轮箱125类似于前述实施方案的行星式齿轮箱25，并且具有联接到低压涡轮轴124的太阳齿轮127，联接到行星齿轮架130的行星齿轮128，以及齿圈129。齿轮箱125的星形构型不同于行星式构型，因为行星齿轮架130由包括行星齿轮架安装架152和第二联接装置150的静止结构旋转地固定，而齿圈129是旋转安装的，并且包括输出轴126，该输出轴经由第一联接装置134安装到风扇轴133。气体涡轮引擎110的其余部分与气体涡轮引擎10基本上相同。

第一联接装置134类似于先前实施方案的第一联接装置34。然而，第一构件包括输出轴126，该输出轴联接到齿圈129，而第二构件包括风扇轴133。

相似地，第二联接装置150类似于先前实施方案的第二联接装置50，不同的是第一构件151联接到行星齿轮架130，并且第二构件154联接到行星齿轮架安装架152。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可以进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

例如，在风扇通常沿逆时针方向旋转的情况下，螺纹方向将反向，其中第一构件包括左旋螺纹配对表面，并且第二构件包括右旋螺纹配对表面。

相似地，预定的力可根据操作要求而变化。例如，预定的力可以是低的，使得在扭矩流被反向的情况下，即在引擎停机时引擎作风车旋转的情况下螺栓断裂。在这种情况下，在飞行中引擎故障的情况下齿轮箱将断开，允许引擎作风车旋转，同时不需要齿轮箱的旋转。这种装置将允许省去用于润滑齿轮箱轴承的辅助油系统，这原本在引擎停机时可为必要的。

这种装置可用于直接驱动引擎，其中涡轮即直接联接到风扇。在这种情况下，联接装置可包括涡轮轴和风扇轴之间的花键，并且可在发生严重风扇故障的轴承故障时使风扇和涡轮轴分离。该装置可相似地应用于非飞行器气体涡轮引擎，诸如船用或岸用气体涡轮引擎。