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CN105765166B - 诸如喷气发动机的具有齿轮减速器的模块化发动机 - Google Patents

诸如喷气发动机的具有齿轮减速器的模块化发动机 Download PDF

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CN105765166B CN201480063462.6A CN201480063462A CN105765166B CN 105765166 B CN105765166 B CN 105765166B CN 201480063462 A CN201480063462 A CN 201480063462A CN 105765166 B CN105765166 B CN 105765166B
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Abstract

本发明涉及具有模块化结构的发动机(1)，发动机包括多个同轴的模块(A，B，C)，所述多个同轴的模块在一个端部处具有第一模块(A)，所述第一模块包括传动轴(3)和齿轮减速器(7)，所述传动轴经由齿轮减速器(7)被涡轮轴(2)驱动，涡轮轴被固定到所述多个同轴的模块中与第一模块是分离的的一个(C)上，所述齿轮减速器包括固定到涡轮轴(2)和低压压缩机转子轴(1a)的轴颈(13)的驱动装置(8和9)，其特征在于，所述发动机包括用于将驱动装置紧固到所述轴颈的第一螺母(16)和用于将驱动装置紧固到涡轮轴的第二螺母(14)。

Description

诸如喷气发动机的具有齿轮减速器的模块化发动机
技术领域
本发明涉及飞机推进发动机，例如涡轮喷气发动机、尤其具有高稀释比的多流式涡轮风扇发动机、或者具有利用齿轮减速器通过涡轮转子驱动的前传动轴的涡轮螺旋桨发动机。在涡轮风扇发动机的情况下，风扇具体地安装在所述传动轴上。
背景技术
涡轮风扇发动机具有属于所述发动机的主体的多个压缩机级，具体地说，还被称为供给或增压压缩机的低压(LP)压缩机以及高压(HP)压缩机。在低压压缩机的上游设置大的可动叶轮或风扇，所述叶轮或风扇供给经过LP和HP压缩机的主要流以及冷流或二次流两者，其中冷流或二次流与前者同轴，且直接朝着被称为二次喷嘴的冷流喷嘴引导，或者朝着用于主要流和二次流的混合器引导。
风扇由LP主体的旋转轴驱动，且通常以与后者相同的速度转动。然而，以下是有利的：尤其是当风扇具有非常大的尺寸时，为了在空气动力学方面更好地适配所述风扇，使风扇以比LP轴的转速更低的转速转动。为此，齿轮减速器设置在LP轴和风扇所附接到的传动轴之间。风扇、轴以及齿轮减速器通常形成同一模块的部件，该模块位于上游且被称为风扇模块。
现代航空发动机通常以模块的组件的形式生产，所述模块可包括固定部件和可动部件。模块限定为发动机的子组件，所述子组件在它与相邻模块交界的区域中具有精确至足以能够使之单独地被传送(delivered)的几何特征，并且所述子组件在它具有可旋转部件时经历单独的平衡。模块的组装使得能够通过尽可能地减少对接口部件的平衡操作和配对操作来构造完整的发动机。
发动机的模块化对于维修来说是关键因素。实际上，在操作期间，需要在无需移除相当数量的发动机部件的情况下，容易触及到部件。在实践中，尝试将发动机分解成数个主要模块。例如，对于前置风扇涡轮喷气发动机，目标是将所述发动机分解成三个模块：用于包括风扇和LP压缩机的前部部件的第一主要模块；用于包括HP主体的部件的第二主要模块；以及用于发动机的包括LP涡轮和涡轮轴的后部部件的第三主要模块。
对于在前部部件中包括齿轮减速器的发动机，维修尤其困难。在这种情况下，问题是涡轮的将两个主要模块彼此连接的内部螺母的可及性。应所述注意的是，在双体式(double-body)涡轮喷气发动机中，例如在前部，内部螺母将LP涡轮轴连接到风扇轴。对于根据现有技术的具有齿轮减速器结构的发动机，与第一主要模块的干涉使得必须要将齿轮减速器的第一部件移除以触及涡轮螺母，其原因是所述涡轮螺母被齿轮减速器所掩盖。在这种情况下，丧失了第一主要模块的模块化。另外，需要使第二主要模块和第三主要模块分离，使得它们独立。
发明内容
本申请已经将本发明的目标限定为产生解决所述模块化问题的、具有齿轮减速器的发动机。
根据本发明，通过具有模块化结构的发动机实现所述目标，所述发动机包括多个同轴的模块，所述多个同轴的模块在一端具有第一模块，所述第一模块包括传动轴和齿轮减速器，所述传动轴经由齿轮减速器被涡轮轴驱动，涡轮轴固定到所述多个同轴的模块中的与第一模块分离的一个上，所述齿轮减速器包括紧固到涡轮轴和低压压缩机转子轴的轴颈的驱动装置，其特征在于，所述发动机包括用于将驱动装置紧固到所述轴颈的第一螺母和用于将驱动装置紧固到涡轮轴的第二螺母。
优选地，齿轮减速器布置成具有中央开口，所述中央开口构造成使安装/移除工具能够从发动机的所述端部通过所述开口触及到第二螺母。第二螺母在下文中称为涡轮螺母。
在本申请中，具有模块化结构的发动机理解为通过模块的组装形成的发动机。这种类型的发动机在航空领域是公知的，例如在维修操作期间尤其便于组装和拆解发动机的操作。
本发明尤其提出：使用于将驱动装置紧固到涡轮轴的装置与用于将驱动装置紧固到轴颈的装置拆离。由于这些特征，使得发动机的模块化问题得以解决，其原因是第一模块可与位于后部的模块分开，但不必预先移除齿轮减速器。实际上，第二螺母(或涡轮螺母)的拧松使得能够：使驱动装置从涡轮轴拆离，但不使驱动装置从轴颈拆离，由于第一螺母使得驱动装置仍然彼此固定。因此，可想到的是：通过拧松单个螺母移除和取下第一模块，且不存在由于第二螺母的拧松导致所述模块进一步拆离的风险。
优选地，齿轮减速器的驱动装置在形状上呈环形，并具有用于安装/移除涡轮螺母的工具的通道的所述中央开口。驱动装置本身连接到齿轮减速器的输入齿轮，例齿轮减速器如具有行星齿轮系，所述行星齿轮系具有固定到行星齿轮的输入轮以及被卫星轮驱动的传动轴。
根据一个实施例，涡轮轴的前端由固定到第一模块的轴承支撑。
更具体地，齿轮减速器的驱动装置形成用于润滑和冷却所述轴承的防漏封壳的至少一个壁。所述方案具有以下优点：能够移除第一模块，同时使润滑油留在其中。无需预先排空润滑油。
为了确保第一模块的完全安装/移除，所述模块同样由用于紧固到发动机的壳体元件的可移除的装置保持。
有利地，第一螺母具有比第一螺母的直径更大的直径。
本发明应用于包括如上所述的发动机的涡轮喷气发动机，所述发动机的第一模块包括安装在所述动力轴上的风扇。更具体地，本发明应用于在第一模块的下游具有第二模块的涡轮喷气发动机，第二模块包括由高压压缩机、高压涡轮形成的转子以及燃烧室。本发明尤其应用于如下所述的涡轮喷气发动机，所述涡轮喷气发动机的第一模块的外壳通过可移除的紧固装置固定到第二模块的外壳。
优选地，涡轮喷气发动机包括具有低压涡轮的第三模块，所述涡轮轴固定到第三模块的低压涡轮的转子。
最后，本发明同样涉及如上所述的涡轮喷气发动机，所述发动机包括三个相继的模块，即，具有风扇转子和低压(LP)压缩机或增压压缩机的所述第一模块，具有由高压压缩机、高压涡轮形成的转子以及燃烧室的第二模块，以及具有低压涡轮转子和同轴的涡轮轴的第三模块，所述同轴的涡轮轴具有高压转子，并且所述涡轮轴在使用时利用齿轮减速器连接到风扇转子，所述涡轮喷气发动机是多流式的。
优选地，第一模块包括低压压缩机转子，低压压缩机转子具有低压压缩机轴，低压压缩机轴包括轴颈，所述轴颈由固定到第一模块的轴承支撑且通过低压压缩机的转子的锁定螺母轴向地锁定。
在具体的实施例中，第一模块或风扇模块包括至少一个用于通过两个轴承支撑风扇轴的部件，所述支撑部件包括模块的第一紧固法兰，所述法兰成形为附接到由涡轮喷气发动机的结构部件承载的第二法兰，并且齿轮减速器以下述方式由支撑外壳承载：在将风扇模块组装在涡轮喷气发动机的至少一个其他模块上之前能够将齿轮减速器安装在所述风扇模块上；其中，所述支撑外壳包括成形为能够紧固到涡轮喷气发动机的所述第二结构法兰的法兰。
附图说明
通过仅仅是说明性的和非限制性的示例，参照示意性附图给出的本发明的实施例的以下详细解释性描述，将更好地理解本发明，而且本发明的其他目的、细节、特点和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1是具有高稀释比的双路式涡轮喷气发动机的概略轴向剖视图，图中包含齿轮减速器，
图2是图1的局部视图，示出了具有齿轮减速器的前部部件，
图3是图1的发动机的视图，发动机的第一模块被分开了，
图4是图1的发动机的视图，发动机的三个模块彼此分离，
图5示出了就位在发动机上的涡轮螺母的细节，
图6示出了将第一模块的接口紧固在第二模块的法兰上的细节。
具体实施方式
参照图1，示出了具有轴线XX的涡轮喷气发动机1，所述涡轮喷气发动机包括风扇S、低压或增压压缩机1a、高压压缩机1b、燃烧室1c、高压涡轮1d以及低压涡轮1e。高压压缩机1b通过高压轴4和高压涡轮1d连接，并与之形成高压HP主体。高压压缩机1a通过高压轴2和高压涡轮1e连接，并与之形成高压HP主体。
在传统的构造中，其上安装有风扇S的叶片的盘通过传动轴或风扇轴3来旋转。所述轴本身直接由LP轴2驱动。在根据本发明的发动机中，传动轴3经由齿轮减速器7被LP轴2驱动，所述齿轮减速器优选地具有行星齿轮系。
在这种情况下，发动机细分为三个主要模块：被称为风扇模块的第一模块A，所述第一模块包括固定部件，所述固定部件包括形成风扇的壳体的风扇外壳、尤其形成用于不同轴承10，11，12的支撑件的中间外壳、以及用于紧固到相邻模块B的接口。第一模块A的可动部件包括风扇S，所述风扇的风扇轴3由风扇轴承11和12支撑，风扇轴承11和12中的一个是推力球轴承，另一个是滚柱轴承。所述可动部件还包括由低压轴轴承10支撑的LP压缩机1a，所述低压轴轴承为球轴承。如已知的，滚动轴承设置在固定环和可动环之间。低压轴的轴承的固定环10安装在轴承支撑件23上，风扇的轴承11和12的固定环安装在轴承支撑件22上(见图2)。齿轮减速器7容纳在风扇和LP轴2之间，位于限定在固定到中间外壳的支撑件22和23之间的空间中。
第二主要模块B同样包括可动部件以及固定部件，所述可动部件例如为具有压缩机1b和涡轮1d的HP主体，所述固定部件例如为燃烧室1c和与之相关的包括壳体5在内的所有外壳元件。
第三主要模块C包括例如为LP涡轮1e和LP涡轮轴2的可动部件，以及固定部件，例如排气外壳和排气管，所述排气外壳形成用于在后部的轴承的支撑件。
模块化结构的目的在于，在无需使用复杂的操作的情况下，允许不同模块的元件以准备好被组装的方式彼此独立地预先组装。因此，第一模块A可通过利用涡轮螺母简单地连接可动部件来固定到紧随的模块，涡轮螺母14将齿轮减速器的驱动装置连接到LP涡轮轴2。还通过将模块A的接口螺栓连接到模块B的外壳的径向法兰来连接固定部件来实现所述固定。后一种连接模式的示例在图6中示出。
图3示出了发动机，其第一模块已经被与发动机的其余部分分离。如上文指示的，通过拧松涡轮螺母14以及通过拧松将第一模块A的固定接口保持在第二模块的外壳5的径向法兰5R上的螺栓24(见图6)，来释放第一模块。
图4示出了模块B和C的彼此分离。通过使相应的外壳元件彼此脱开，能够使两个模块彼此轴向地分离；涡轮轴2不再由涡轮螺母保持，并且可与第二模块脱开。
图2更详细地示出了发动机的前部部件，齿轮减速器7布置在附接到风扇的传动轴3和LP轴2之间。假定为行星式的所述齿轮减速器被示意性地描绘为仅示出了其总体尺寸的矩形。它以未示出的方式由附接到中间外壳的轴承支撑件22和23承载，并且由齿轮减速器的在LP轴2的上游延伸的输入环形齿轮8驱动，输入环形齿轮通过驱动装置与LP轴2配合。在行星齿轮减速器的这种情况下，所述齿轮减速器7的输出扭矩通过本领域技术人员已知的传统连接(例如将所述风扇轴紧固到行星架)传递到风扇轴3。
在附图中，发动机的固定部件包括主流管道的内壁21、用于轴承的上游支撑件22以及用于轴承的下游支撑件23。这两个支撑件朝着涡轮发动机的内部延伸，围绕支撑LP轴2的推力轴承10的轴承，以及围绕风扇轴3的推力球轴承11和滚柱轴承12的那些轴承。除了风扇S的转子之外，可动部件从上游到下游包括风扇轴3、环形齿轮8以及中间轴9，其中，风扇轴的轴承11和12的可动环附接在风扇轴3上，环形齿轮8用于驱动齿轮减速器，中间轴9用于延伸驱动环形齿轮，中间轴固定在LP轴2的推力轴承10的可动环上。这些固定部件和可动部件形成封壳E1并且以如下方式被常规地附接在布置于其前端和后端的迷宫区域中：形成容纳上文提到的三个轴承10，11和12且确保所述轴承始终被润滑和冷却的防漏空间。上文提到的密封接合未示出，但是本身为本领域技术人员所知。
所述封壳E1完全由第一模块A承载，这使其能够从其他模块以及LP轴2拆离，但不会使装在其中的油泄漏。此外，齿轮减速器的输入环形齿轮8和LP轴的中间轴9的直径被限定为大于LP轴2的直径，这意味着能够将圆柱形工具引入其中，以便到达用于将LP轴2紧固在其推力轴承10的可动环上的螺母，并且能够在这两个部件不发生干涉的情况下拧松所述螺母。
图5更详细地示出了当就位于涡轮轴上时的涡轮螺母。
从下游开始，LP轴2通过花键系统132接合在轴颈(journal)13上，轴颈13被连接到推力轴承10的可动环10M并且在下游由低压压缩机1a的轴延伸并驱动低压压缩机1a的转子。LP轴2利用涡轮螺母14轴向地固定就位在所述轴颈上，涡轮螺母被旋拧在设置于LP轴2的内面上的螺纹142上并且被支撑抵靠在从轴颈13朝着内部径向地延伸的轴向台肩15上。将LP轴2附接到轴颈13的所述螺母14从发动机的前部可及，虽然之前从发动机的前端移除了盖，但是不需要移除其他部件，尤其不需要移除形成封壳E1的壁的元件。因此，实现了本发明的目的，即能够在不拆除壳E1的情况下使第一模块A与LP轴2分离。
如还可在图5中看见的，轴颈13在上游承载中间轴9，所述轴形成用于驱动齿轮减速器的输入环形齿轮8的装置，并且径向地位于轴颈13和LP轴的推力轴承10的可动环10M之间，所述轴刚性地连接到可动环10M。所述中间轴9的用途是延伸环形齿轮8并且使环形齿轮能够从轴颈13移除，但不会使环形齿轮分离成两个不同的元件(实际的环形齿轮8和中间轴9)，这是实现本发明所必需的。所述中间轴9的下游端围绕LP轴2布置，并且由于轴的直径较大，所以用于紧固LP轴的螺母14从发动机的前部可及。因此，它与输入环形齿轮8一起形成前部封壳E1的壁元件，所述前部封壳E1可从LP轴2拆离，但是当取下LP轴2时，前部封壳E1可保持就位并保持前部封壳E1的体积完整性。
最后，用于驱动齿轮减速器的环形齿轮8利用花键安装在中间轴9上，所述花键使得两个轴配合并且能够通过LP轴2驱动环形齿轮8并进而驱动齿轮减速器7。出于与之前相同的理由，所述环形齿轮也具有比LP轴2的直径更大的直径。
如可在图5中看见的，螺母16旋拧到轴颈13的上游端部上，并且与中间轴9的肩部9e轴向抵接。中间轴9本身轴向地压靠在支撑LP涡轮轴2的上游端的轴承10的可动环10M上。因此，所述螺母16轴向地锁定低压压缩机1a的驱动轴。通过所述螺母，也被称为增压压缩机的低压压缩机的转子固定就位在第一模块A中，其中，所述第一模块A可在不存在损坏所述可动部件的风险的情况下被操纵。
螺母16具有比螺母14的直径更大的直径，因此不会妨碍用于安装/移除螺母14的工具的通道。

Claims (11)

1.具有模块化结构的发动机(1)，包括多个同轴的模块(A，B，C)，所述多个同轴的模块在所述发动机的一个端部处具有第一模块(A)，所述第一模块包括传动轴(3)和齿轮减速器(7)，所述传动轴经由所述齿轮减速器(7)被涡轮轴(2)驱动，所述涡轮轴固定到所述多个同轴的模块中与所述发动机的第一模块分离的一个(C)上，所述齿轮减速器(7)包括固定到涡轮轴(2)和低压压缩机转子轴(1a)的轴颈(13)的驱动装置(8和9)，其特征在于，所述发动机包括用于将所述驱动装置(8和9)紧固到所述轴颈(13)的第一螺母(16)和用于将所述驱动装置紧固到所述涡轮轴的第二螺母(14)，所述第一螺母(16)旋拧到所述轴颈(13)的上游端部上，所述第一螺母(16)与所述驱动装置(8和9)的肩部(9e)轴向抵接，所述轴颈(13)在上游承载所述驱动装置(8和9)，所述驱动装置(8和9)径向地位于所述轴颈(13)和所述涡轮轴(2)的推力轴承(10)的可动环(10M)之间，所述驱动装置(8和9)刚性地连接到所述可动环(10M)。
2.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机的齿轮减速器(7)被布置成具有中央开口，所述中央开口构造成使安装/移除工具能够从发动机的所述端部通过所述中央开口触及到第二螺母(14)。
3.根据权利要求2所述的发动机，所述发动机的齿轮减速器的驱动装置(9)在形状上呈环形，并且具有用于安装/移除涡轮螺母的工具通过的所述中央开口。
4.根据权利要求2所述的发动机，所述发动机的涡轮轴(2)的前端由固定到所述第一模块(A)的轴承(10)支撑。
5.根据权利要求4所述的发动机，所述发动机的齿轮减速器的驱动装置(9)形成用于润滑和冷却所述轴承(10)的防漏封壳(E1)的可动壁中的至少一个，
所述发动机的齿轮减速器的驱动装置(9)在形状上呈环形，并且具有用于安装/移除涡轮螺母的工具通过的所述中央开口。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机，所述发动机的第一模块(A)由用于紧固到发动机的壳体元件的可移除的装置(24)保持。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机，所述发动机的第一螺母(16)具有比第二螺母(14)的直径更大的直径。
8.涡轮喷气发动机，包括根据权利要求1至7中任一项所述的发动机，所述发动机的第一模块(A)包括安装在所述传动轴(3)上的风扇(S)。
9.根据权利要求8所述的涡轮喷气发动机，在所述第一模块的下游包括第二模块(B)，所述第二模块包括由高压压缩机(1b)和高压涡轮(1d)形成的转子以及燃烧室(1d)。
10.根据权利要求9所述的涡轮喷气发动机，包括具有低压涡轮(1e)的第三模块(C)，所述涡轮轴(2)被固定到所述第三模块的低压涡轮的转子。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的涡轮喷气发动机，包括三个相继的模块，即，具有风扇转子和低压压缩机的所述第一模块，具有燃烧室以及由高压压缩机和高压涡轮形成的转子的第二模块，以及具有低压涡轮转子和同轴的涡轮轴的第三模块，所述同轴的涡轮轴具有高压转子并且所述涡轮轴在使用时利用齿轮减速器连接到风扇转子，所述涡轮喷气发动机是多流式的。
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