Результат интеллектуальной деятельности: ГИБКАЯ ПОДДЕРЖИВАЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ЗУБЧАТОЙ ТРАНСМИССИИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Ссылки на родственные заявки

Настоящее изобретение является частичным продолжением патентной заявки США 13/342508, поданной 3 января 2012 г., которая заявляет приоритет предварительной патентной заявки США 61/494453, поданной 8 июня 2011 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю, а точнее, к гибкой поддерживающей конструкции (опоре) зубчатой трансмиссии двигателя.

Уровень техники

Планетарные редукторы с фиксированным зубчатым венцом или фиксированным водилом могут использоваться в газотурбинных двигателях, благодаря своей компактной конструкции и способности эффективно обеспечивать большие передаточные отношения. Планетарные зубчатые передачи с фиксированным зубчатым венцом и с фиксированным водилом обычно содержат три зубчатых элемента: центральное солнечное зубчатое колесо, внешний зубчатый венец с внутренними зубьями и несколько планетарных шестерен (сателлитов), которые поддерживаются водилом между солнечным колесом и зубчатым венцом в зацеплении с указанными солнечным колесом и зубчатым венцом. Элементы планетарного редуктора имеют общую продольную центральную ось, вокруг которой вращаются по меньшей мере два из указанных элементов. Преимущество планетарных зубчатых передач заключается в том, что входное вращение можно подавать на любой из трех элементов. Тогда один из двух других элементов удерживают неподвижным относительно двух остальных, чтобы третий элемент мог служить выходным звеном, с которого снимают вращательное движение.

В задачах, связанных с применением газотурбинных двигателей, где требуется трансмиссия с понижением оборотов, центральная солнечная шестерня обычно принимает входное вращение от силовой установки, внешний зубчатый венец обычно зафиксирован неподвижно, а водило с сателлитами вращается в том же направлении, что и солнечная шестерня, чтобы обеспечить выходной крутящий момент при пониженных оборотах. В планетарных редукторах с фиксированным водилом водило с сателлитами зафиксировано неподвижно, а выходной вал приводится во вращение зубчатым венцом в направлении, противоположном вращению солнечной шестерни.

Во время полета легкие корпуса конструкций испытывают изгиб под воздействием аэродинамических нагрузок и нагрузок, вызванных маневрированием, что приводит к значительным поперечным изгибам, которые в общем известны как изгиб несущей конструкции двигателя. Такой изгиб может приводить к нарушению параллельности отдельных осей солнечной шестерни и сателлитов и центральной оси. Такой изгиб может вызывать некоторый перекос в подшипниках скольжения зубчатой передачи и перекос зацепления зубчатых шестерен, что может приводить к падению КПД из-за перекоса, и потенциальному снижению срока службы из-за увеличенных сосредоточенных напряжений.

Раскрытие изобретения

Согласно одному примеру изобретения, газотурбинный двигатель содержит вал вентилятора и раму, которая поддерживает вал вентилятора. Для рамы определена собственная боковая жесткость и собственная поперечная жесткость. Зубчатая трансмиссия приводит во вращение вал вентилятора. Гибкая опора по меньшей мере частично поддерживает зубчатую трансмиссию. Для гибкой опоры определена собственная боковая жесткость по отношению к боковой жесткости рамы и собственная поперечная жесткость по отношению к поперечной жесткости рамы. Для входной муфты, ведущей к указанной зубчатой трансмиссии, определена собственная боковая жесткость по отношению к боковой жесткости рамы, и собственная поперечная жесткость по отношению к поперечной жесткости рамы.

Согласно другому отличительному признаку примера изобретения, не носящего ограничительного характера, боковая жесткость гибкой опоры меньше боковой жесткости рамы.

Согласно другому отличительному признаку любого из предшествующих примеров осуществления изобретения, не носящих ограничительного характера, поперечная жесткость гибкой опоры меньше поперечной жесткости рамы.

Согласно другому отличительному признаку любого из предшествующих примеров осуществления изобретения, не носящих ограничительного характера, боковая жесткость гибкой опоры меньше боковой жесткости рамы, и поперечная жесткость гибкой опоры меньше поперечной жесткости рамы.

Согласно другому отличительному признаку любого из предшествующих примеров осуществления изобретения, не носящих ограничительного характера, зубчатая трансмиссия содержит зубчатое зацепление, для которого определена собственная боковая жесткость и собственная поперечная жесткость.

Согласно другому примеру изобретения, газотурбинный двигатель содержит вал вентилятора и раму, которая поддерживает указанный вал вентилятора. Зубчатая трансмиссия приводит во вращение вал вентилятора. Зубчатая трансмиссия содержит зубчатое зацепление, для которого определена собственная боковая жесткость и собственная поперечная жесткость. Гибкая опора по меньшей мере частично поддерживает зубчатую трансмиссию. Для гибкой опоры определена собственная боковая жесткость по отношению к боковой жесткости зубчатого зацепления, и собственная поперечная жесткость по отношению к поперечной жесткости зубчатого зацепления. Для входной муфты, ведущей к зубчатой трансмиссии, определена собственная боковая жесткость по отношению к боковой жесткости зубчатого зацепления, и собственная поперечная жесткость по отношению к поперечной жесткости зубчатого зацепления.

Согласно другому отличительному признаку любого из предшествующих примеров осуществления изобретения, не носящих ограничительного характера, боковая жесткость гибкой опоры меньше боковой жесткости зубчатого зацепления.

Согласно другому отличительному признаку любого из предшествующих примеров осуществления изобретения, не носящих ограничительного характера, поперечная жесткость гибкой опоры меньше поперечной жесткости зубчатого зацепления.

Согласно другому отличительному признаку любого из предшествующих примеров осуществления изобретения, не носящих ограничительного характера, боковая жесткость гибкой опоры меньше боковой жесткости зубчатого зацепления, и поперечная жесткость гибкой опоры меньше поперечной жесткости зубчатого зацепления.

Согласно другому отличительному признаку любого из предшествующих примеров осуществления изобретения, не носящих ограничительного характера, для указанной рамы определена собственная боковая жесткость и собственная поперечная жесткость.

Краткое описание чертежей

Различные отличительные признаки настоящего изобретения будут понятны специалистам в данной области из последующего подробного описания раскрытого варианта осуществления, не носящего ограничительного характера. Подробное описание сопровождается прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг. 1 схематически изображает поперечное сечение газотурбинного двигателя,

фиг. 2 в увеличенном виде изображает поперечное сечение части газотурбинного двигателя, демонстрируя зубчатую систему привода вентилятора (ЗСПВ),

фиг. 3 схематически изображает устройство гибкой опоры для одного варианта осуществления ЗСПВ,

фиг. 4 схематически изображает устройство гибкой опоры для другого варианта осуществления ЗСПВ,

фиг. 5 схематически изображает устройство гибкой опоры для другого варианта осуществления ЗСПВ для системы с фиксированным водилом, и

фиг. 6 схематически изображает устройство гибкой опоры для другого варианта осуществления ЗСПВ для системы с фиксированным зубчатым венцом,

фиг. 7 схематически изображает устройство гибкой опоры для еще одного варианта осуществления ЗСПВ для системы с фиксированным водилом, и

фиг. 8 схематически изображает устройство гибкой опоры для еще одного варианта осуществления ЗСПВ для системы с фиксированным зубчатым венцом.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематически изображен газотурбинный двигатель 20. В настоящем изобретении газотурбинный двигатель рассмотрен в виде двухкаскадного турбовентиляторного двигателя, который в общем состоит из вентиляторной секции 22, компрессорной секции 24, секции 26 камеры сгорания и турбинной секции 28. В ином варианте, среди других систем и функций двигатель мог бы включать в себя форсажную секцию (не показана). Вентиляторная секция 22 приводит воздух в движение вдоль внешнего контура двигателя, в то время как компрессорная секция 24 приводит воздух в движение вдоль внутреннего контура двигателя с целью его сжатия и подачи в секцию 26 камеры сгорания, а затем расширения в турбинной секции 28. Хотя в раскрытом варианте осуществления, который не носит ограничительного характера, изображен турбовентиляторный газотурбинный двигатель, следует понимать, что раскрытые в настоящем изобретении идеи не ограничены применением в турбовентиляторных двигателях, так как идеи изобретения могут быть применены и к другим типам турбинных двигателей, например, трехкаскадному газотурбинному двигателю и незакапотированному лопастному двигателю (всасывающему вентиляторному двигателю).

Двигатель 20, как правило, содержит низкооборотный каскад 30 и высокооборотный каскад 32, установленные для вращения вокруг центральной продольной оси А двигателя относительно неподвижной конструкции 36 двигателя на нескольких системах 38A-38C подшипников. Следует понимать, что в ином варианте или дополнительно могут быть предусмотрены различные системы 38 подшипников в различных местах.

Низкооборотный каскад 30 обычно содержит внутренний вал 40, который соединяет между собой вентилятор 42, компрессор 44 низкого давления и турбину 46 низкого давления. Внутренний вал 40 соединен с вентилятором 42 через зубчатую трансмиссию 48 с целью приведения вентилятора 42 во вращение с более низкой частотой чем частота вращения низкооборотного каскада 30. Высокооборотный каскад 32 содержит наружный вал 50, который соединяет между собой компрессор 52 высокого давления и турбину 54 высокого давления. Камера 56 сгорания расположена между компрессором 52 высокого давления и турбиной 54 высокого давления. Внутренний вал 40 и наружный вал 50 соосны и вращаются вокруг центральной продольной оси А двигателя, которая коллинеарна их продольным осям.

Воздушный поток внутреннего контура подвергается сжатию компрессором 44 низкого давления, затем компрессором 52 высокого давления, смешивается с топливом, которое сгорает в камере 56 сгорания, затем газовый поток расширяется в турбине 54 высокого давления и в турбине 46 низкого давления. В ответ на расширение проходящего через них газового потока турбины 46, 54 приводят во вращение соответственно низкооборотный каскад 30 и высокооборотный каскад 32.

Согласно фиг. 2, зубчатая трансмиссия 48 в целом содержит зубчатую систему 60 привода вентилятора (ЗСПВ), приводимую во вращение низкооборотным каскадом 30 (показан схематически) через входную муфту 62. Входная муфта 62 передает крутящий момент от низкооборотного каскада 30 к зубчатой трансмиссии 48, а также помогает изолировать вибрации и другие переходные состояния, возникающие между указанными системами. В раскрытом варианте осуществления, который не несет ограничительного характера, ЗСПВ 60 может содержать планетарную зубчатую систему, которая может представлять собой, например, систему с фиксированным зубчатым венцом и с фиксированным водилом.

Входная муфта 62 может включать в себя стыковочные шлицы 64, которые через шлицы 66 соединены с солнечной шестерней 68 ЗСПВ 60. Солнечная шестерня 68 сцеплена с несколькими сателлитами 70, из которых один показан на чертеже. Каждый сателлит посредством соответствующего подшипника 75 скольжения установлен на водиле 72 с возможностью вращения. Вращательное движение солнечной шестерни 68 заставляет каждый сателлит 70 вращаться вокруг оси Р.

Каждый сателлит 70 также сцеплен с вращающимся зубчатым венцом 74, который механически соединен с валом 76 вентилятора. Поскольку сателлиты 70 сцеплены как с вращающимся зубчатым венцом 74, так и с вращающейся солнечной шестерней 68, указанные сателлиты вращаются вокруг собственных осей, заставляя зубчатый венец 74 вращаться вокруг оси А двигателя. Вращение зубчатого венца 74 передается на вентилятор 42 (фиг. 1) через вал 76 вентилятора, чтобы тем самым вращать вентилятор 42 со скоростью, более низкой чем скорость низкооборотного каскада 30. Следует понимать, что описанная зубчатая трансмиссия 48 представляет собой лишь один пример осуществления, не носящий ограничительного характера, и что с успехом могут быть использованы различные другие зубчатые трансмиссии.

Согласно фиг. 3, гибкая опора 78 поддерживает водило 72 так, чтобы по меньшей мере частично поддерживать ЗСПВ 60А относительно неподвижной конструкции 36, такой как передняя часть конструкции внутреннего контура двигателя, что облегчает изоляцию вибраций и других переходных состояний, возникающих между указанными системами. Следует понимать, что, в качестве варианта или дополнительно, неподвижную конструкцию и гибкую опору 78 могут обеспечивать различные структуры корпуса газотурбинного двигателя. Следует понимать, что термин «боковой» (lateral) в том смысле, в каком он используется в настоящем описании, относится к перпендикулярному направлению относительно оси А вращения, а термин «поперечный» (transverse) относится к изгибному повороту относительно оси А вращения с целью демпфирования отклонений, которые в противном случае могли бы действовать на ЗСПВ 60. Неподвижная конструкция 36 может дополнительно содержать неподвижный конструктивный элемент 82, несущий на себе подшипники 1 и 1.5, который принято называть К-образной рамой или К-рамой, которая поддерживает системы 38A, 38B подшипников номер 1 и номер 1.5. В частности, для несущей подшипники К-рамы определена боковая жесткость (на фиг. 3 обозначенная Kframe) и поперечная жесткость (на фиг. 3 обозначенная Kframe^BEND) в качестве параметров, относительно которых задается жесткость других элементов в данном варианте осуществления, не носящем ограничительного характера.

В данном раскрытом варианте осуществления, не носящем ограничительного характера, боковая жесткость (K_FS; K_IC) как гибкой опоры 78, так и входной муфты 62 каждая составляет менее чем приблизительно 11% боковой жесткости (Kframe). То есть боковая жесткость ЗСПВ 60 в целом контролируется указанным соотношением боковых жесткостей. В ином варианте или дополнительно к указанному соотношению, поперечная жесткость как гибкой опоры 78, так и входной муфты 62 5 каждая составляет менее чем приблизительно 11% поперечной жесткости (Kframe^BEND). То есть поперечная жесткость ЗСПВ 60 в целом контролируется указанным соотношением поперечных жесткостей.

Согласно фиг. 4, другой вариант осуществления (не носящий ограничительного характера) ЗСПВ 60 В содержит гибкую опору 78′, которая 10 поддерживает зафиксированный от поворота зубчатый венец 74′. Вал 76′ вентилятора приводится во вращение посредством водила 72′ в данной, схематически представленной планетарной передаче, которая в остальном в общем соответствует архитектуре системы с фиксированным водилом фиг. 3.

На фиг. 5 схематически представлено соотношение боковых жесткостей в 15 самой ЗСПВ 60С (для системы с фиксированным водилом). Боковая жесткость (K_IC) входной муфты 62, боковая жесткость (K_FS) гибкой опоры 78, боковая жесткость (K_RG) зубчатого венца 74, и боковая жесткость (K_JB) подшипника 75 скольжения сателлита контролируются относительно боковой жесткости (K_GM) зубчатого зацепления внутри ЗСПВ 60.

В данном раскрытом варианте осуществления, не носящем ограничительного характера, жесткость (K_GM) может определяться зубчатым зацеплением между солнечной шестерней 68 и несколькими сателлитами 70. Боковая жесткость (K_GM) внутри ЗСПВ 60 является параметром, относительно которого задается жесткость других элементов, при этом неподвижная конструкция 82′ жестко поддерживает вал 76 вентилятора. То есть вал 76 вентилятора поддерживается системами 38A, 38B подшипников, которые по существу жестко опираются на неподвижную конструкцию 82′. Боковая жесткость (K_JB) может механически определяться, к примеру, жесткостью внутри подшипника 75 скольжения сателлита, а боковая жесткость (K_RG) зубчатого венца 74 может механически определяться, например, геометрией секций 74L, 74R зубчатого венца (фиг. 2).

В данном раскрытом варианте осуществления, не носящем ограничительного характера, боковая жесткость (K_RG) зубчатого венца 74 составляет менее чем приблизительно 12% боковой жесткости (K_GM) зубчатого зацепления; боковая жесткость (K_FS) гибкой опоры 78 составляет менее чем 8% боковой жесткости (K_GM) 35 зубчатого зацепления; боковая жесткость (K_JB) подшипника 75 скольжения сателлита меньше или равна боковой жесткости (K_GM) зубчатого зацепления; боковая жесткость (K_IC)входной муфты 62 составляет менее чем приблизительно 5% боковой жесткости (K_GM) зубчатого зацепления.

На фиг. 6 схематически изображен еще один вариант реализации (не носящий ограничительного характера) соотношения боковых жесткостей внутри ЗСПВ 60D для системы с фиксированным зубчатым венцом, которая в остальном в общем соответствует системе с фиксированным водилом фиг. 5.

Следует понимать, что могут быть также использованы и комбинации вышеприведенных соотношений боковых жесткостей. Боковая жесткость каждого из компонентов конструкции может быть легко измерена в отличие от жесткости масляной пленки и жесткости шлицевых соединений, определение которых может быть сравнительно трудным.

За счет установки на гибкой опоре для адаптации к перекосу валов при расчетных нагрузках, расчетные нагрузки ЗСПВ уменьшаются более чем на 17%, что приводит к сокращению общего веса двигателя. Установка на гибкой опоре способствует сохранению центровки, и преследует цели увеличения срока эксплуатации системы и надежности. Боковая гибкость гибкой опоры и входная муфта дают возможность ЗСПВ по существу «плавать» вместе с валом вентилятора во время выполнения маневров. Все это позволяет: (а) передаче крутящего момента на вал вентилятора, входной муфте и гибкой опоре во время маневрирования оставаться неизменными; (b) боковые нагрузки на валу вентилятора, вызванные маневрированием (которые в противном случае могут потенциально вызывать перекос шестерен и повреждение зубьев) в основном компенсировать за счет К-рамы, несущей подшипники номер 1 и 1.5; и (с) как гибкой опоре, так и входной муфте передавать в ЗСПВ небольшие по величине боковые нагрузки. Конструкция шлицевых соединений, жесткость зубьев шестерен, подшипников скольжения и связей зубчатого венца рассчитана особым образом, чтобы минимизировать вариации напряжений в зубьях шестерен во время маневрирования. Другие соединения с ЗСПВ представляют собой упругие подвески (муфта турбины, гибкая подвеска корпуса). Номинальные параметры пружин таких подвесок определены на основе анализа и проверены при стендовых и летных испытаниях на предмет изоляции зубчатых колес от нагрузок со стороны двигателя, вызванных маневрированием.

Фиг. 7 аналогична фиг. 5, но изображает соотношения поперечных жесткостей внутри ЗСПВ 60С (для системы с фиксированным водилом). Поперечная жесткость ( ) входной муфты 62, поперечная жесткость ( ) гибкой опоры 78, поперечная жесткость ( ) зубчатого венца 74 и поперечная жесткость ) подшипника 75 скольжения сателлита контролируются по отношению к поперечной жесткости ( ) зубчатого зацепления внутри ЗСПВ 60.

В данном раскрытом варианте осуществления, не носящем ограничительного характера, жесткость ( ) может определятся зубчатым зацеплением между солнечной шестерней 68 и несколькими сателлитами 70. Поперечная жесткость ( ) внутри ЗСПВ 60 является параметром, относительно которого задается жесткость других элементов, при этом неподвижная конструкция 82′ жестко поддерживает вал 76 вентилятора. То есть вал 76 вентилятора поддерживается системами 38A, 38B подшипников, которые по существу жестко опираются на неподвижную конструкцию 82′. Поперечная жесткость ( ) может механически определяться, к примеру, жесткостью внутри подшипника 75 скольжения сателлита, а поперечная жесткость ( ) зубчатого венца 74 может механически определяться, например, геометрией секций 74L, 74R зубчатого венца (фиг. 2).

В данном раскрытом варианте осуществления, не носящем ограничительного характера, поперечная жесткость ( ) зубчатого венца 74 составляет менее чем приблизительно 12% поперечной жесткости ( ) зубчатого зацепления; поперечная жесткость ( ) гибкой опоры 78 составляет менее чем 8% боковой жесткости ( ) зубчатого зацепления; поперечная жесткость ( ) подшипника 75 скольжения сателлита меньше или равна поперечной жесткости ( ) зубчатого зацепления; а поперечная жесткость ( ) входной муфты 62 составляет менее чем приблизительно 5% поперечной жесткости ( ) зубчатого зацепления.

Фиг. 8 аналогична фиг. 6, но изображает соотношение поперечных жесткостей внутри ЗСПВ 60D для системы с фиксированным зубчатым венцом.

Следует понимать, что термины, описывающие относительное расположение, такие как «передний», «задний», «верхний», «нижний», «выше», «ниже» и им подобные, использованы в отношении нормального рабочего положения транспортного средства, и их не следует считать ограничительными.

Следует понимать, что везде в чертежах одинаковые позиционные номера обозначают соответственные или подобные друг другу элементы. Также следует понимать, что хотя в рассматриваемом варианте осуществления раскрыто конкретное расположение компонентов, отсюда вытекает возможность и других полезных вариантов расположения.

Хотя показана, раскрыта и заявлена в формуле изобретения определенная последовательность действий, следует понимать, что, если не оговорено иное, то действия можно выполнять в любом порядке, по-отдельности или в комбинации - все равно настоящее изобретение даст полезный результат.

Вышеприведенное описание приведено в качестве примера, а не совокупности установленных ограничений. В нем раскрыты различные варианты осуществления, не носящие ограничительного характера, однако, для специалистов в данной области должна быть понятна возможность построения различных модификаций и вариантов выполнения изобретения, которые попадут в рамки объема охраны, определяемого прилагаемой формулой изобретения. Поэтому следует понимать, что в рамках идеи и объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой, данное изобретение может быть осуществлено иначе, нежели это раскрыто в описании. По этой причине, для определения истинных границ объема и содержания изобретения следует обращаться к прилагаемой формуле изобретения.