ВСТРАИВАНИЕ СИСТЕМЫ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС В СТЕНКУ ШЕСТЕРНИ КОРОБКИ ПРИВОДОВ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
INCORPORATION OF GEAR TRAINS IN PINION WALL IN GEARBOX FOR TURBOMACHINE

Область техники и предшествующий уровень техники
Изобретение относится к зубчатым передачам (или приводным передачам), присутствующим в летательных аппаратах.
Эти зубчатые передачи позволяют передавать механическую энергию между ведущими элементами, например, стартером или компрессором газотурбинного двигателя, и ведомыми элементами, например, агрегатами типа электрического генератора или гидравлического насоса, или самим газотурбинным двигателем в фазе запуска, когда он приводится во вращение стартером. Коробка приводов агрегатов или AGB (английское сокращение от «Accessory Gearbox») является частным примером зубчатой передачи для привода агрегатов. Конструкция коробки приводов агрегатов этого типа описана в патентном документе US 20120006137.
Обычно функция повышения передаточного отношения или понижения передаточного отношения позволяет адаптировать скорость вращения входного движения к параметрам, конкретным для каждого ведущего элемента или ведомого элемента.
Например, стартер содержит две части: подвижный элемент, называемый рабочим колесом, и редуктор.
Задачей изобретения является создание конструкции зубчатой передачи, которая включает в себя такую функцию повышения или понижения передаточного отношения и которая является компактной для ограничения габарита приводной передачи и/или агрегатов.
Раскрытие изобретения
Изобретение, таким образом, относится к приводной передаче для привода агрегатов газотурбинного двигателя летательного аппарата, содержащей множество входящих в зацепление друг с другом главных шестерен, при этом первая главная шестерня включает в себя стенку, ограничивающую внутренний объем, на наружной поверхности стенки выполнен наружный зубчатый венец, входящий в зацепление, по меньшей мере, со второй главной шестерней, во внутренний объем встроена система зубчатых колес, причем первая главная шестерня и система зубчатых колес выполнены таким образом, что образуют вместе мультипликатор или редуктор и обеспечивают передачу механической энергии между ведущим элементом и ведомым элементом.
Таким образом, изобретение позволяет встраивать конструкцию мультипликатора (и/или редуктора) ведущего или ведомого элемента летательного аппарата в шестерню зубчатой передачи, а не в сам элемент. Это позволяет уменьшить объем и массу этого элемента, который установлен консольно. В результате, с одной стороны, получают уменьшение напряжений на крепежных фланцах этого элемента и, с другой стороны, достигают оптимизации внутреннего объема модуля, в котором установлена зубчатая передача.
Уменьшение объема агрегатов облегчает встраивание коробки приводов агрегатов в газотурбинный двигатель.
Согласно предпочтительному варианту осуществления система зубчатых колес содержит элемент, образующий коронную шестерню, по меньшей мере две сателлитных шестерни, элемент, образующий водило, и солнечный зубчатый венец, выполненный на валу, соединенном с ведущим элементом или с ведомым элементом, при этом на внутренней поверхности элемента, образующего коронную шестерню, выполнен внутренний зубчатый венец, сателлитные шестерни входят в зацепление с внутренним зубчатым венцом и с солнечным зубчатым венцом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления элемент, образующий коронную шестерню, является стенкой первой главной шестерни, при этом элемент, образующий водило, является неподвижным относительно корпуса летательного аппарата.
Согласно предпочтительному варианту осуществления элемент, образующий коронную шестерню, содержит кольцевую стенку, неподвижную относительно корпуса летательного аппарата, при этом элемент, образующий водило, закреплен на шестерне и является относительно нее неподвижным.
Согласно предпочтительному варианту осуществления все зубчатые колеса системы зубчатых колес расположены таким образом, чтобы их пересекала одна центральная плоскость P, секущая наружный зубчатый венец.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления система зубчатых колес содержит по меньшей мере одну сателлитную шестерню, имеющую первый и второй зубчатые венцы с разными диаметрами.
Такой двойной зубчатый венец предпочтительно обеспечивает широкий диапазон передаточных отношений при минимальных габаритах.
Согласно предпочтительному варианту передача входного движения к первой главной шестерне может происходить через наружный зубчатый венец.
Альтернативно или одновременно передача входного движения к первой главной шестерне происходит через вал, соединенный с ведущим элементом, или через другой вал, соединенный с шестерней и коаксиальный с указанным валом.
Согласно частному альтернативному варианту осуществления первая главная шестерня является частью конической зубчатой передачи.
Например, первая главная шестерня коробки приводов агрегатов (AGB) может быть шестерней, ближайшей к валу компрессора.
Вышеуказанная приводная передача является передачей, предназначенной, например, для приводного устройства типа коробки приводов агрегатов (AGB).
Изобретение также относится к коробке приводов агрегатов, содержащей вышеуказанную приводную передачу.
Далее следует описание изобретения на неограничивающем примере вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1А и 1В на видах в разрезе и в перспективе, показана, с одной стороны, шестерня, имеющая внутреннее гнездо, а, с другой стороны, – механическое устройство, объединяющее эту шестерню и мультипликатор, встроенный во внутреннее гнездо (схематично показанный в виде блока);
на фиг. 2А и 2В – кинематические схемы, поясняющие возможности встраивания шестерни, показанной на фиг. 1А и 1В, в разные зубчатые передачи, например, двух коробок AGB, при этом мультипликатор не показан;
на фиг. 3 – устройство согласно первому варианту осуществления на фиг. 1В, с аналогичной точки зрения, с подробно показанным мультипликатором, встроенным во внутреннее гнездо шестерни, вид в разрезе и в перспективе;
на фиг. 4 – кинематическая схема, поясняющая взаимодействия между элементами варианта устройства, показанного на фиг. 3;
на фиг. 5 – схема двойной сателлитной шестерни, используемой в другом варианте устройства, показанного на фиг. 3;
на фиг. 6 – кинематическая схема, поясняющая взаимодействия между элементами второго варианта выполнения устройства, показанного на фиг. 1В.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 показана шестерня 10, имеющая общую форму воронки и продольное направление Х.
В частном варианте выполнения шестерня 10 содержит обод 21, стенку 22, втулку 23, наружный зубчатый венец 24 и внутренний зубчатый венец 25.
Обод 21 и втулка 23 являются цилиндрическими и коаксиальными, при этом диаметр втулки 23 меньше диаметра обода 21. В данном случае втулка 23 является полым валом. В альтернативном варианте втулка 23 является цельным валом. Стенка 22 имеет в данном случае форму усеченного конуса. Стенка 22 соединена через первый кольцевой край 22а с концевым краем обода 21 и через второй кольцевой край 22b, имеющий диаметр, который меньше диаметра первого края 22а, с концевым краем втулки 23. В не показанном варианте стенка 22 является плоской. Стенка 22 может также содержать отверстия на части своей поверхности.
Обод 21 и стенка 22 вместе ограничивают внутреннее гнездо 12.
Наружный зубчатый венец 24 выполнен отходящим радиально наружу от наружной поверхности 21а обода 21. В данном случае зубчатый венец 24 содержит прямые зубья. В другом, не показанном, варианте этот зубчатый венец является геликоидальным или венцом другого типа.
Внутренний зубчатый венец 25 выполнен отходящим радиально внутрь от внутренней поверхности 21b обода, то есть во внутреннее гнездо 12, в данном случае противоположно зубчатому венцу 24. В примере, представленном на фиг. 1А, 1В и 3, зубчатый венец 25 содержит прямые зубья. В не показанном варианте этот зубчатый венец является геликоидальным или венцом другого типа.
На фиг. 1В показано механическое устройство 9, в котором мультипликатор 11 установлен во внутреннем гнезде 12 описанной выше шестерни 10. На фиг. 1В мультипликатор 11 показан упрощенно в виде полуцилиндра.
В устройстве 9, подробно показанном на фиг. 3, мультипликатор 11 содержит сателлиты 40 (или сателлитные шестерни), водило 41 и вал 42.
В данном случае сателлиты 40 являются зубчатыми колесами, имеющими зубчатые венцы 49 с прямыми зубьями. В не показанном варианте эти зубчатые венцы являются геликоидальными или другими. Зубчатые венцы 49 входят в зацепление, каждый, с внутренним зубчатым венцом 25. В данном случае обеспечено три сателлита 40 (из которых на фиг. 3 видны только два). В не показанном варианте число сателлитов может отличаться от трех, например, составлять два или четыре.
В данном случае водило 41 содержит две стенки 43, цилиндрический участок 45, участок 47 в форме усеченного конуса и фланец 48.
Стенки 43 параллельны друг другу. Эти стенки 43 поддерживают между собой оси 44, на которых установлены сателлиты 40, каждый из которых установлен с возможностью вращения посредством не показанной системы типа подшипника качения, подшипника скольжения и т.д.
Цилиндрический участок 45 водила 41 отходит от стенки 43, наиболее удаленной от втулки 23. Подшипник 46, в данном случае подшипник качения, обеспечивает механическую связь во вращении между ободом 21 шестерни 10 и участком 45. В не показанной на фигурах версии это направление во вращении обеспечивает другой технологический элемент, такой как подшипник скольжения.
Участок 47 в форме усеченного конуса продолжает, сужаясь, цилиндрический участок 45.
Наконец, фланец 48 водила 41 расположен на дальнем конце участка в форме усеченного конуса поперечно к продольному направлению Х. Фланец 48 обеспечивает удерживание в положении мультипликатора 11 относительно неподвижной рамы (не показана).
Вал 42 содержит зубчатый венец 50 с прямыми зубьями на конце, установленном в водиле 41. В не показанной версии этот зубчатый венец является геликоидальным или другого типа. Этот зубчатый венец 50 входит в зацепление с зубчатым венцом 49 каждого из сателлитов 40. В данном случае вал 42 является коаксиальным со втулкой 23 и с ободом 21. Зубчатый венец 50 выполнен непосредственно на конце вала 42. В альтернативном варианте он может принадлежать к шестерне (не показана), установленной на соответствующем конце вала 42.
Фланец 30, независимый от мультипликатора 11 и от шестерни 10, установлен на втулке 23 через подшипник 31, в данном случае подшипник качения, но этот подшипник может быть другого типа, например, подшипником скольжения. Этот фланец 30 удерживает в положении шестерню 10 относительно неподвижной рамы (не показана).
Устройство 9, показанное на фиг. 3 и 4, выполнено в виде простой планетарной передачи, в которой шестерня 10 выполняет роль подвижной коронной шестерни через внутренний зубчатый венец 25 и в которой зубчатый венец 50, расположенный на валу 42, выполняет функцию подвижной внутренней планетарной (или солнечной) шестерни, при этом водило 41 закреплено на неподвижной раме. Термин «коронная» обозначает кольцевой элемент, содержащий внутренний зубчатый венец, с которым зацепляются сателлитные шестерни.
Далее со ссылкой на фиг. 6 следует описание варианта выполнения устройства 209, альтернативного устройству 9.
Как показано на фиг. 2А и 2В, шестерня 10 устройства 9 может быть по-разному встроена в зубчатую передачу или приводную передачу (или кинематическую цепь) внутри коробки приводов агрегатов, такой как описанные далее коробки 4а и 4b.
Как показано на фиг. 2А, шестерня 10 установлена в первой кинематической цепи 5 коробки 4а приводов (AGB). В частности, шестерня 10 входит в зацепление своим зубчатым венцом 24 одновременно на входе в 24а с зубчатым колесом 13 и на выходе в 24b с зубчатым колесом 14. Под термином «вход» следует понимать, что внутри кинематической цепи 5 зубчатое колесо 13 находится ближе всего к валу компрессора газотурбинного двигателя, на котором можно отбирать механическое движение. Приведение во вращение зубчатого колеса 13 приводит также к вращению шестерни 10 и зубчатого колеса 14, установленных на выходе. Таким образом, передача движения или мощности в направлении шестерни 10 происходит через наружный зубчатый венец 24.
Как показано на фиг. 2В, шестерня 10 установлена во второй кинематической цепи 6 коробки 4b приводов. В данном случае шестерня 10 входит в зацепление в 24с с зубчатым колесом 15 в конце кинематической цепи 6.
В альтернативном варианте передача движения входа в коробке 4а приводов от вала компрессора происходит через наружный зубчатый венец 24 шестерни 10, то есть шестерня 10 передает мощность на зубчатые передачи 5 или 6, содержащие соответственно зубчатые колеса 13 и 14 (фиг. 2А) или 15 (фиг. 2В).
Примеры, представленные на фиг. 2А и 2В, не являются ограничительными, и шестерню 10 можно установить в разных местах в кинематической цепи. Кроме того, число зубчатых колес в кинематической цепи может отличаться от двух или трех, например, но не ограничительно, может быть равно одному, четырем или пяти.
Вал 42 функционально соединен с не показанным ведущим или ведомым устройством, расположенным за пределами коробки приводов.
Когда передача входного движения к шестерне 10 происходит через наружный зубчатый венец 24, например, когда движение поступает от компрессора газотурбинного двигателя, как было описано выше, мультипликатор 11 позволяет сообщать агрегату необходимую скорость вращения.
В альтернативном варианте агрегат заменен ведущим устройством (например, стартером), который сам приводит во вращение кинематическую цепь коробки AGB. При этом передача движения или мощности на шестерню 10 происходит через вал 42, соединенный с ведущим устройством, или через вал 23, неподвижно соединенный с ободом 21 шестерни 10 и коаксиальный с валом 42.
В не показанном альтернативном варианте шестерня является частью конической зубчатой передачи, и наружный зубчатый венец выполнен, например, на конусном ободе или ободе, выполненном в форме усеченного конуса. Втулка 23 может быть связана с другим, не показанным, агрегатом, находящимся за пределами коробки приводов 4а или 4b противоположно агрегату, связанному с валом 42.
Описанное выше устройство 9 может быть использовано как мультипликатор, так и как редуктор в зависимости от того, приводится оно во вращение через втулку 23, зубчатый венец 24 или вал 42.
Описанный выше вариант устройства 9 схематично представлен на фиг. 4. Согласно этому варианту обеспечено четыре сателлита 40 (из которых в плоскости разреза видны только два).
В устройствах 9, показанных на фиг. 3 и 4, все зубчатые венцы мультипликатора 11 и шестерни 10 расположены в одной центральной плоскости Р обода 21, при этом центральная плоскость Р является поперечной к продольному направлению Х.
В альтернативном варианте зубчатые венцы 24 и 25 выполнены со смещением относительно друг друга, то есть иначе, чем друг против друга, с двух сторон обода 21.
В другом альтернативном варианте может быть использована двойная эпициклоидная передача, то есть передача, содержащая двойные сателлиты 140 (см. фиг. 5), для обеспечения другого, например, большего передаточного отношения. В этом случае каждый двойной сателлит 140 содержит два наружных зубчатых венца 149а и 149b: первый зубчатый венец 149а, который имеет, например, диаметр D1 меньше, чем диаметр D2 второго зубчатого венца 149b, при этом первый зубчатый венец 149а входит в зацепление с зубчатым венцом 50, а второй зубчатый венец входит в зацепление с зубчатым венцом 25.
Устройство 209, схематично представленное на фиг. 6, является альтернативой устройству 9, описанному со ссылками на фиг. 3 и 4. Общие части устройств 9 и 209 имеют одинаковые обозначения, и их повторное описание опущено.
Устройство 209 содержит шестерню 210 и коронную шестерню 241.
Шестерня 210 отличается от шестерни 10 тем, что не имеет на ободе 21 внутреннего зубчатого венца, противоположного наружному зубчатому венцу 24. При этом стенка 243 соединена с внутренней стороной обода 21. Оси 44 установлены на стенке 243, и на них установлены шестерни 40.
Коронная шестерня 241 содержит кольцевой участок 221, коаксиальный с ободом 21 шестерни 210. Этот кольцевой участок 221 содержит внутренний зубчатый венец 225, который входит в зацепление с зубчатыми венцами 49. В данном случае коронная шестерня 241 закреплена на раме неподвижной коробки приводов через фланец 48.
Устройство 209, показанное на фиг. 6, выполнено в виде простой эпициклоидной передачи, в которой шестерня 210 выполняет функцию подвижного водила.
Не выходя за рамки изобретения, можно также обеспечить другие варианты выполнения. Например, в варианте выполнения, описанном со ссылками на фиг. 3 и 4, можно вставить систему холостого колеса (например, типа храпового колеса) между ободом 21 и сателлитами 40, при этом зубчатый венец 25 выполнен на внутреннем кольце системы холостого колеса. Точно так же, в варианте выполнения, описанном со ссылками на фиг. 5, можно вставить систему холостого колеса между ободом 221 и сателлитами 40.
Представленные на фиг. 2А и 2В зубчатые передачи 5 и 6 установлены в коробке 4а или 4b приводов агрегатов (или AGB).
Понятно, что изобретение не ограничивается описанными примерами устройств. Изобретение может быть применено для любого агрегата, приводимого во вращение от коробки приводов и требующего наличия специальной функции повышения или понижения передаточного отношения.