КОМПАКТНАЯ ТРАНСМИССИЯ
COMPACT TRANSMISSION

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей. В частности, оно касается установки вспомогательных агрегатов и механической силовой трансмиссии между валом двигателя в газотурбинном двигателе и этими агрегатами при помощи коробки приводов агрегатов (AGB от “Accessory GearBox”) или коробки передачи мощности (TGB от “Transfert GearBox).
Другими словами, изобретение относится к структурам силовой трансмиссии, позволяющим питать так называемые вспомогательные агрегаты летательного аппарата при помощи мощности, производимой силовой установкой, а также поддерживать эти агрегаты.
Коробка приводов агрегатов поддерживает различные вспомогательные агрегаты, установленные на двигателе и необходимые для его работы и для работы летательного аппарата. Эти различные агрегаты могут, в частности, включать в себя генератор, стартер, генератор переменного тока, топливные или масляные гидравлические насосы, многоступенчатые блоки смазки и т.д., и приводятся во вращение механически валом двигателя через трансмиссионные валы. Мощность, необходимую для приведения во вращение агрегатов, как правило, отбирают механически на уровне компрессора газотурбинного двигателя.
Коробка AGB выполнена с возможностью установки на летательном аппарате, содержащем силовую установку, обеспечивающую приведение в движение указанного летательного аппарата. Как правило, силовая установка представляет собой турбовинтовой или турбореактивный двигатель.
В настоящее время существуют ступенчатые группы прямозубых шестерен Р1, Р2,…, отходящие от передаточного вала TS, отбирающего мощность из силовой установки, при этом каждая шестерня имеет разную выходную скорость (см. фиг. 1).
Такое решение не обеспечивает ни компактности, необходимой для интегрирования коробки AGB, ни необходимых понижающих передаточных отношений для агрегатов (как правило, диапазон скорости составляет от 6000 до 24000 об/мин).
Кроме того, существуют некоторые типы агрегатов, каждый из которых требует нескольких разных входных скоростей. Например, топливный насос имеет две насосные ступени, каждая из которых имеет оптимизированный КПД на разных скоростях вращения. Следовательно, применение одной и той же скорости для обеих ступеней снижает характеристики насоса и приводит к увеличению габарита система. Двухскоростной выход коробки AGB позволяет уменьшить размер агрегатов.
В документе US 2013/0247539 раскрыта коробка AGB 10, имеющая две выходные скорости (см. фиг. 2). Силовая установка 20, содержащая приводной вал низкой скорости BS и приводной вал высокой скорости HS, питает через конические шестерни двойную кинематическую цепь, состоящую из концентричных трансмиссионных валов на всей коробке AGB 10. Действительно, первый наружный вал ES1 приводится во вращение валом высокой скорости HS, и первый внутренний вал IS1 приводится во вращение валом низкой скорости LS. Первый наружный ES1, соответственно внутренний IS1 вал вращает второй наружный ES2, соответственно внутренний IS2 вал таким образом, чтобы переориентировать трансмиссию вдоль входных осей агрегатов.
Как было указано выше, первые наружные ES1 и внутренние IS1 валы, соответственно вторые валы ES2, IS2, являются концентричными и вращаются, каждый, с разными скоростями. Таким образом, коробка AGB передает две скорости вращения, чтобы питать агрегаты.
Такая структура является тяжелой с точки зрения конструкции и срока службы (сохранение совмещений, удвоение кинематической цепи трансмиссии и, следовательно, увеличение количества деталей, механические напряжения и т.д.). Кроме того, она требует адаптации на уровне силовой установки 20, что ограничивает возможность применения на уже существующих силовых установках 20.
Следовательно, в настоящее время не существует решения, полностью удовлетворительного с точки зрения компактности. Кроме того, не существует полностью удовлетворительного решения в случае питания агрегатов разными скоростями при уменьшенном габарите. Кроме того, предпочтительными решениями являются решения, которые можно применить на летательных аппаратах без существенного изменения силовой установки или агрегатов.
Кроме того, проектирование коробок AGB 10 направлено на получение коробок AGB типа “core”, как показано на фиг. 3, обладающих компактностью для размещения коробки AGB 10 и агрегатов 30, 40, 50,….
Согласно изобретению предложен узел, содержащий коробку приводов агрегатов летательного аппарата и агрегат, при этом указанная коробка выполнена с возможностью передачи мощности от силовой установки летательного аппарата на агрегат, при этом коробка содержит:
- соединительный вал, выполненный с возможностью приведения во вращение силовой установкой,
- главный вал, выполненный с возможностью приведения во вращение соединительным валом,
- два конических колеса, неподвижно соединенные с главным валом, при этом указанные колеса имеют разные диаметры,
при этом агрегат содержит:
- вал высокой скорости агрегата, содержащий коническое колесо,
- вал низкой скорости агрегата, содержащий коническое колесо,
отличающийся тем, что каждое колесо валов агрегата зацепляется соответственно с одним из двух конических колес главного вала таким образом, что оба вала агрегата вращаются с разными скоростями относительно друг друга.
Таким образом, предложенная архитектура является компактной, благодаря разделению на выходе кинематической цепи трансмиссии на два вращения с разными скоростями. Кроме того, она позволяет питать агрегат, требующий двух входных скоростей.
Изобретение имеет также следующие отличительные признаки, рассматриваемые отдельно или в комбинации:
- конические колеса расположены друг против друга таким образом, чтобы вращение двух валов агрегата происходило в противоположном направлении,
- соединительный вал расположен под углом к главному валу,
- агрегат является многоступенчатым топливным насосом,
- агрегат является многоступенчатым смазочным блоком.
Изобретением предложена также система, содержащая описанный выше узел, а также содержащая силовую установку, при этом указанная силовая установка вращает соединительный вал.
Кроме того, описанные выше узлы или системы могут содержать по меньшей мере два агрегата, при этом оба агрегата приводятся во вращение одними и теми же коническими колесами коробки.
Кроме того, описанные выше узлы или системы имеют по меньшей мере одно коническое колесо, которое является спирально-коническим колесом.
Согласно изобретению предложен также летательный аппарат, содержащий вышеупомянутую систему, в котором силовая установка является турбовинтовым двигателем.
В качестве отдельного объекта изобретением предложен также узел, содержащий коробку приводов агрегатов летательного аппарата и агрегат, при этом указанная коробка выполнена с возможностью передачи мощности от силовой установки летательного аппарата на агрегат, при этом коробка содержит:
- соединительный вал, выполненный с возможностью приведения во вращение силовой установкой,
- главный вал, выполненный с возможностью приведения во вращение соединительным валом,
- два конических колеса, неподвижно соединенные с главным валом, при этом указанные колеса имеют разные диаметры,
при этом агрегат содержит:
- вал высокой скорости агрегата,
- вал низкой скорости агрегата,
отличающийся тем, что между главным валом и агрегатом расположена эпициклоидная передача, содержащая входную ось и выходную ось, при этом входная ось содержит коническое колесо, соединенное с коническим колесом главного вала, и неподвижно соединена во вращении с одним из двух валов агрегата, и выходная ось неподвижно соединена во вращении с другим валом агрегата, таким образом, что два вала агрегата имеют разные скорости вращения.
Объектом изобретения является также коробка приводов агрегатов летательного аппарата, выполненная с возможностью передачи мощности от силовой установки по меньшей мере на один агрегат, при этом трансмиссионная коробка содержит:
- соединительный вал, выполненный с возможностью приведения во вращение силовой установкой, содержащий коническое колесо,
- главный вал, содержащий:
- ведомый орган в виде первого конического колеса, выполненного с возможностью приведения во вращение коническим колесом соединительного вала, и
- второе коническое колесо, выполненное с возможностью приведения во вращение агрегата,
- вторичный вал, установленный коаксиально с главным валом и независимый от него во вращении, содержащий:
- первое коническое колесо, выполненное с возможностью приведения во вращение коническим колесом соединительного вала, и
- второе коническое колесо, выполненное с возможностью приведения во вращение другого агрегата,
в котором ось соединительного вала и ось главного вала пересекаются и образуют не прямой угол, и коническое колесо главного вала и коническое колесо вторичного вала, выполненные, оба, с возможностью приведения во вращение коническим колесом соединительного вала, имеют разную геометрию таким образом, что скорости вращения главного вала и вторичного вала являются разными.
Согласно изобретению предложен также узел, включающий в себя описанную выше коробку, а также агрегат, содержащий вал высокой скорости агрегата и вал низкой скорости агрегата, отличающийся тем, что оба вала являются коаксиальными и тем, что оба вала содержат, каждый, коническое колесо, в котором:
- одно из двух колес приводится во вращение вторым коническим колесом вторичного вала, и
- другое колесо приводится во вращение вторым коническим колесом главного вала,
таким образом, что оба вала агрегата вращаются с разными скоростями.
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 и 2 - известные коробки AGB.
Фиг. 3 - вид в трех измерениях коробки AGB в соответствии с изобретением.
Фиг. 4 - схема архитектуры коробки AGB согласно первому варианту выполнения.
Фиг. 5 - геометрическая схема возможности выполнения.
Фиг. 6 и 7 - второй вариант выполнения.
Фиг. 8 и 9 - третий вариант выполнения.
Фиг. 10 - различные агрегаты, приводимые во вращением одним коническим колесом.
Фиг. 11 - первый и третий варианты выполнения на одной коробке AGB.
1-й вариант выполнения
Как показано на фиг. 3 и 4, коробка AGB 10 прежде всего содержит:
- соединительный вал 110, выполненный с возможностью зацепления с силовой установкой, при этом указанный соединительный вал 110 содержит ведущий орган 111 зацепления,
- главный вал 120, содержащий ведомый орган 121 зацепления.
Ведущий 111 и ведомый 121 органы зацепления образуют первую угловую передачу R1.
122
123
122
123
Главный вал 120 при своем вращении передает механическую мощность на агрегаты 30, 40, …, 60. Для этого главный вал 120 содержит первое коническое колесо 122 и второе коническое колесо 123, неподвижно соединенные с главным валом 120. Выражение «неподвижно соединенный» обозначает неподвижное соединение во вращении при помощи винтов, сварки или запрессовки. Два конических колеса 122, 123 имеют соответствующие разные диаметры d, d и разные делительные углы δ, δ. Делительный угол определен относительно вала, на котором установлено коническое колесо (см. фиг. 5).
122
123
122
123
Делительные углы δ, δ определяют оси Δ, Δ, которые сходятся в точке Р.
122
123
Первое коническое колесо 122 содержит Z зубьев, и второе коническое колесо 123 содержит Z зубьев. Понятно, что число зубьев строго связано с диаметром колеса.
122
123
Согласно первому варианту, конические колеса 122, 123 находятся друг против друга, то есть точка Р находится между двумя колесами 122, 123 (см. фиг. 4), или определенные по ориентации делительные углы δ, δ имеют противоположный знак.
122
123
Согласно второму варианту, конические колеса 122, 123 расположены последовательно, то есть точка Р находится снаружи двух колес 122, 123 (на фигурах не показано), или определенные по ориентации делительные углы δ, δ имеют одинаковый знак.
310
Таким образом, конические колеса 122, 123 предусмотрены для соединения с агрегатом 30, требующим двух входных скоростей. Для этого агрегат 30 содержит первый вал 31 агрегата и второй вал 32 агрегата, при этом оба вала являются концентричными. Когда агрегат 30 установлен на коробке AGB 10, ось, образованная двумя валами агрегата, проходит через вышеупомянутую точку Р. Первый вал 31 агрегата содержит коническое колесо 310 с Z зубьями, которое зацепляется с первым коническим колесом 122 главного вала 120. Таким образом, указанные два конических колеса 122, 310 образуют вторую угловую передачу R2.
320
Второй вал 32 агрегата содержит коническое колесо 320 с Z зубьями, которое зацепляется с вторым коническим колесом 123 главного вала 120. Указанные два конических колеса 123, 320 образуют третью угловую передачу R3.
122
123
Чтобы агрегат 30 можно было соединить, оси, определенные делительными углами δ, δ конических колес 310, 320 валов 31, 32 агрегата, должны, естественно, сходиться в указанной точке Р.
Предпочтительно валы 31, 32 агрегата является ортогональными к главному валу 120, хотя это условие и не является обязательным.
На фиг. 5 представлены геометрическая выполнимость архитектуры, а также скорости вращения различных валов.
i
122
123
122
123
122
123
122
310
123
320а
Скорость вращения детали i обозначена ω. Устанавливают δ > δ (и, следовательно, Z > Z) и произвольно δ < δ, при δ + δ = δ + δ = 90° (ортогональность валов).
Таким образом, справедливо:
31
310
122
120
122
ω = Z/Z⋅ ω = tan (δ);
32
320
123
120
123
ω = Z/Z⋅ ω = tan (δ);
122
123
31
32
но, поскольку δ > δ, следовательно, ω > ω.
Таким образом, получаем два коаксиальных вала 31, 32 агрегата, которые вращаются с разными скоростями. Скорости двух валов 31, 32 являются независимыми, то есть при выборе соответствующих параметров скорости можно регулировать независимо друг от друга, даже если оба вала 31, 32 агрегата приводятся во вращение одним главным валом 120.
Действительно, понижающие передаточные отношения напрямую зависят от числа зубьев конических колес 122, 123 главного вала 120 и конических колес 310, 320 агрегата 30.
2-й вариант выполнения
Конструкция коробки AGB аналогична конструкции коробки согласно первому варианту выполнения и включает в себя соединительный вал 110 и главный вал 120 с первой угловой передачей R1.
Главный вал 120 содержит коническое колесо 124.
С коническим колесом 124 зацепляется эпициклоидная передача 13. Эпициклоидная передача 13 содержит входную планетарную шестерню 131, выходную планетарную шестерню 132, по меньшей мере один сателлит 133 и водило 134. Выходная планетарная шестерня содержит также выходную ось 132а.
Согласно первой альтернативе (см. фиг. 6), водило 134 содержит вал 134а и коническое колесо 134b, которое зацепляется с коническим колесом 124 главного вала 120. Валы 31, 32 агрегата неподвижно соединены во вращении соответственно с водилом 134 и с выходной планетарной шестерней 132 (или наоборот), которые, в свою очередь, вращаются вокруг одной оси с разными скоростями.
Согласно второй альтернативе (см. фиг. 7), входная планетарная шестерня 131 содержит вал 131а и коническое колесо 131b, которое зацепляется с коническим колесом 124 главного вала 120. Валы 31, 32 агрегата неподвижно соединены во вращении соответственно с входной планетарной шестерней 131 и с выходной планетарной шестерней 132 (или наоборот), которые, в свою очередь, вращаются вокруг одной оси с разными скоростями.
Эти альтернативные варианты не являются ограничительными, и специалист в данной области может без труда адаптировать их к разным типам эпициклоидных передач. Действительно, эпициклоидная передача определяется тремя угловыми значениями вращения (входной планетарной шестерни 131, выходной планетарной шестерни 132 и водила 1330). Следовательно, существует множество альтернатив.
В целом, определяют входной вал 131а, 134а и выходной вал 132а, неподвижно соединенный во вращении соответственно с одним из двух валов 31, 32 агрегата. Кроме того, входной вал 131а содержит коническое колесо 131b, 134b, вращаемое коническим колесом 124 главного вала.
3-й вариант выполнения
111
121
121
Как показано на фиг. 8, угловая передача R1 находится строго между 0 и 90°, то есть оси передаточного вала 110 и главного вала 120 не образуют прямой угол. Для этого ведущий орган 111 зацепления соединительного вала 110 является коническим колесом с делительным углом δ, и ведомый орган 121 зацепления главного вала является коническим колесом с делительным углом δ и диаметром d. Можно напомнить, что делительный угол определен относительно вала, на котором установлено коническое колесо.
111
121
111
121
Делительные углы δ, δ определяют оси Δ, Δ, которые пересекаются в точке Q.
111
121
Соединительный вал 110 расположен под углом к главному валу 120, то есть сумма делительных углов δ + δ не равна 90°.
151
151
151
В этом варианте выполнения установлен вторичный вал 150, концентричный с главным валом 120. Этот вторичный вал 150 содержит первое коническое колесо 151 диаметром d, которое тоже зацепляется с коническим колесом 111 соединительного вала 110. В соответствии с геометрией ось Δ, определенная делительным углом δ, тоже проходит через точку Q.
121
151
С учетом отсутствия ортогональности между соединительным валом 111 и главным валом 120 диаметр d меньше диаметра d. Следовательно, учитывая, что конические колеса 121, 151 зацепляются с общей деталью зацепления - коническим колесом 111, скорости вращения главного вала 120 и вторичного вала 150 являются разными. Следует также отметить, что направления вращения являются разными.
Вторичный вал 150 содержит по меньшей мере одно второе коническое колесо 152, которое питает агрегат 40 через вал 41 агрегата и коническое колесо 42 на указанном валу 41. В данном случае агрегат 40 требует только одной скорости питания.
Соответственно, главный вал 120 содержит по меньшей мере одно другое коническое колесо 125, которое зацепляется с другим агрегатом 50.
Таким образом, представленная архитектура позволяет получать разные скорости для питания разных агрегатов.
Согласно версии третьего варианта выполнения, агрегат 30, как он был определен в первом варианте выполнения, может получать питание согласно третьему варианту выполнения. Как показано на фиг. 9, в этой версии коническое колесо 152 вторичного вала 150 зацепляется с коническим колесом 310 вала 31 агрегата, и коническое колесо 125 главного вала зацепляется с коническим колесом 320 вала 32 агрегата.
Таким образом, третий вариант выполнения тоже позволяет питать агрегат, требующий двух входных скоростей.
В представленном выше описании каждое коническое колесо главного вала 120 вращает только один агрегат 30, 40, 50. С учетом оптимизации места и габарита каждое коническое колесо главного вала может приводить во вращение несколько агрегатов при их расположении вокруг вала, то есть через равномерные угловые интервалы (например, от 30° до 180°, см. фиг. 3 и 10), через множественное зацепление.
Наконец, три варианта выполнения не являются исключительными и могут применяться попарно, то есть все три на одной коробке AGB 10. На фиг. 11 представлены, например, первый и третий варианты выполнения (с двумя версиями) на одной коробке AGB 10.
Предпочтительно конические колеса, используемые для приведения во вращение различных элементов, являются спирально-коническими колесами или колесами типа Zérol, или гипоидными колесами, или, в целом, геликоидальными зубчатыми колесами.
Можно предусмотреть комбинации различных типов зубчатых передач в зависимости от типа передачи мощности, от скоростей вращения и от механических напряжений.