新型gtf航空發動機風扇主減速器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于太陽輪、星輪采用整體人字齒，內齒圈A和內齒圈B為斜齒內齒輪并通過斜齒外花鍵與齒輪聯軸器聯接，齒輪聯軸器再通過直齒內花鍵與輸出軸聯接，減速器中無單獨的行星架，星輪均通過星輪軸固定在左箱體蓋上，星輪只做自轉，運轉時星輪的空間位置不變，星輪軸處襯套采用中心孔漸變直徑的特殊結構自動補償懸臂端的撓性變形，且輸入軸和星輪軸均采用懸臂加空心結構，增加彈性變形能力且能儲存潤滑油，有益效果是結構簡單，工藝可行，均載和浮動效果好，減速器體積小巧，承載能力強，傳遞功率大，振動噪聲小，且能實現星輪及軸承的定點噴油潤滑。
【專利說明】新型GTF航空發動機風扇主減速器

【技術領域】
[0001]本發明涉及齒輪傳動【技術領域】，特別是涉及一種新型GTF航空發動機風扇主減速器。

【背景技術】
[0002]齒輪傳動風扇發動機(Geared Turbofan Engine，GTF)，又被稱為GTF發動機。因為具有低排放、低噪聲、低油耗和低維護費用等眾多優點被市場認可，成為下一代民用航空發動機的主要發展方向之一。降低耗油率和減少污染排放是下一代民用航空發動機的主攻發展方向和“賣點”。降低耗油率的主要方法有:提高整機熱效率(增加壓氣機的出口壓力、增加渦輪前溫度)、提高發動機推進效率(降低排氣速度、增大空氣流量)。增加航空發動機部件(壓氣機、燃燒室、渦輪)的效率需要設計水平、加工水平和材料能力的全面提升。限于當前的材料和冷卻技術的水平，現有航空發動機渦輪前的溫度已接近安全使用的極限值，很難進一步提高。因此，提高發動機推進效率(降低排氣速度、增大空氣流量)成為主要的發展方向，其中新型GTF發動機是主要代表。
[0003]我國對新型GTF航空發動機的研究尚屬預研階段，目前正開展相關的科研探索工作。現役的民用大推力、高涵道比渦扇發動機的風扇均由渦輪直接驅動，由于強度和葉尖切線速度的限制，風扇的轉速一般都在4000?5500r/min，涵道比一般不能大于8，較低的轉速使得渦輪效率較低，必須采用4?5級的低壓渦輪來驅動風扇和增壓級，齒輪驅動渦扇發動機是在風扇后增加一個齒輪驅動系統，風扇不再由低壓渦輪軸直接驅動，這樣風扇和低壓渦輪不需在同一個轉速下工作，風扇轉速在3000?4000r/min，而增壓級壓氣機和低壓渦輪系統可以工作在8000?10000r/min的轉速下，這種設計可以使風扇、增壓級壓氣機和低壓渦輪都具有更高的效率，采用較少級數的增壓級(2?3級)和低壓渦輪(2?3級)就可以滿足功率的要求。同時，新型GTF發動機相對于直接驅動的發動機具有更大的涵道t匕，從而能夠獲得更高的推進效率和更低的耗油率，也會減少噪聲。
[0004]新型GTF發動機將可能成為下一代商用飛機的動力，相對于現役的民用發動機，可降低15%的燃油消耗率。近年來，中航工業動力所-中國航空工業集團公司沈陽發動機設計研究所，北京航空航天大學等科研單位對新型GTF發動機的齒輪驅動系統進行了一系列的研究工作，齒輪驅動系統是新型GTF發動機與直接驅動渦扇發動機在結構上的主要差另O。雖然齒輪驅動系統(減速器)已經被廣泛地應用于渦槳、渦軸和渦扇發動機，但作為下一代單通道民航客機動力的新型GTF航空發動機，其齒輪驅動系統(減速器)傳遞的功率遠高于目前正在使用的減速器，且目前航空發動機上使用的減速器均是作為輔機傳動系統，并未作為主機主傳動系統。
[0005]新型GTF航空發動機與渦扇航空發動機的根本區別是在風扇和低壓壓氣機之間引入了一個風扇主減速器，核心機沒有根本變化，因此新型GTF航空發動機風扇主減速器的設計技術是新型GTF發動機中最關鍵技術之一。
[0006]世界范圍內新型GTF發動機技術均屬于最新技術，正處于研究探索階段，目前國內尚屬預研階段，加之國外技術的高度保密和封鎖，國內外未見公開文獻報道新型GTF航空發動機風扇主減速器具體結構和關鍵設計方案，因此風扇主減速器的具體結構形式和關鍵設計方案是目前技術發展的瓶頸。
[0007]為了解決新型GTF航空發動機風扇主減速器體積小，質量輕，傳遞功率大，承載能力強，均載效果好，振動噪音小，潤滑效果好等關鍵問題，本發明提出了一種結構簡單、加工方便、工藝可行，能夠滿足大功率，小體積要求的新型GTF航空發動機風扇主減速器，填補國內相關技術空白，推進GTF航空發動機研發進程，又可產生較大的社會效益與經濟效益。


【發明內容】

[0008]為了填補國內新型GTF航空發動機相關技術空白，本發明提供了一種新型GTF航空發動機風扇主減速器。采用了多星輪人字齒星形傳動技術解決了風扇減速器小體積傳遞大功率的技術難題。人字齒輪重合度大，承載能力強，無軸向力，振動噪聲小，但是人字齒行星傳動裝配困難，且行星輪隨行星架持續轉動，受到很大的離心力，特別是在高速條件下這將是一個致命的技術缺陷，此外行星輪隨行星架轉動，即自轉又公轉，空間位置時刻變化，無法進行持續定點潤滑，也就是說行星輪在周期性的公轉過程中有很長一段時間屬于無油潤滑狀態，熱量無法及時冷卻，這對齒輪系統特別是軸承也是一個致命技術缺陷，增加行星輪的數量能大大減小行星減速器的體積，但是行星輪數量越多，對系統的均載和浮動特性要求越高。
[0009]星形傳動是一種特殊的行星傳動形式，星形傳動是各齒輪的幾何軸線在空間的位置不變的定軸輪系。它由多個定軸式星輪共同分擔載荷，特點是功率分流，具有2K-H行星傳動功率分流所顯示的結構緊湊，傳動功率大，相對體積小，重量輕等特點，由于它的星輪不作公轉，克服了行星傳動結構的相對復雜性以及由行星架旋轉所引起一些零部件的離心力和行星輪軸承間歇性續潤滑等問題。由于整個傳動系統采用定軸輪系，系統的強度、剛度、工作壽命及可靠性都有所提高。
[0010]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:創造性的發明了一種無需單獨行星架的特殊行星傳動結構，大大減輕航空發動機風扇減速器質量；采用多行星輪同時傳遞功率，大大縮小減速器的徑向尺寸；采用球面滾子軸承和滑動軸承相結合的支撐方式來適應航空大功率、高轉速的工況，同時也能縮減減速器徑向尺寸；采用整體人字齒輪和分體斜齒內齒圈的組合形式解決了人字齒裝配困難問題；采用人字齒輪增加了齒輪嚙合的重合度，抵消了軸向力，解決了軸向力的問題，使傳動更平穩，達到了減噪降振效果；星輪軸上的襯套采用了自動補償星輪軸懸臂端撓性變形技術，大大提高了減速機的均載性能，同時也保證星輪的徑向浮動；星輪兩側的軸用彈性擋圈既能保證星輪軸向合理的浮動，又能起軸向限位功能；齒輪聯軸器兩側的孔用彈性擋圈和彈性定位環既能保證兩內齒圈合理的軸向浮動，同時也能起軸向限位作用；輸入軸與太陽輪的花鍵連接保證了太陽輪的徑向浮動；兩內齒圈通過外花鍵與齒輪聯軸器同時連接，齒輪聯軸器再通過花鍵與輸出軸連接，兩次花鍵連接確保了內齒圈的徑向浮動效果；輸出軸采用球面滾子軸承能夠自動調心糾偏，解決輸出軸軸線與風扇中心不對中問題，并且能適應輸出軸上扭矩較大轉速較低的工況特點。
[0011]新型GTF航空發動機風扇主減速器，包括輸入軸、太陽輪、星輪、內齒圈，輸出軸等，其特征在于太陽輪、星輪采用整體人字齒，內齒圈A和內齒圈B為斜齒內齒輪并通過斜齒外花鍵與齒輪聯軸器聯接，齒輪聯軸器再通過直齒內花鍵與輸出軸聯接，多次采用花鍵聯接，保證兩內齒圈的徑向浮動均載效果；同時齒輪聯軸器的兩側安裝有限位用孔用彈性擋圈和彈性定位環，同時預留軸向浮動間隙，保證內齒圈軸向浮動效果；減速器中無單獨的行星架，最大限度減重，星輪均通過星輪軸固定在左箱體蓋上，星輪只做自轉，運轉時星輪的空間位置不變，左箱體蓋與箱體通過螺栓固定聯接；整機輸出軸處采用球面滾子軸承，能承受大扭矩且自動調心，其余處均采用滑動軸承適應高轉速；星輪軸處襯套采用中心孔漸變直徑的特殊結構自動補償懸臂端的撓性變形，且輸入軸和星輪軸均采用懸臂加空心結構，增加彈性變形能力且能儲存潤滑油，最大限度保證多星輪承載的均載性能；星輪軸上安裝有限位用軸用彈性擋圈A和軸用彈性擋圈B，并預留有間隙保證星輪的軸向浮動；星輪的最優個數為5 (但不局限于5個星輪)，輸入軸通過花鍵與太陽輪聯接，保證太陽輪的浮動效果。太陽輪中心孔中間部分加工有花鍵，中心孔兩端部分分別加工為對稱形式的變直徑孔，便于輸入軸的安裝且增加太陽輪的柔性，增強均載效果。星輪中心孔為非等直徑通孔，中心孔內部加工有大直徑孔徑，以便于星輪軸的安裝，且同時減小星輪相應部分的壁厚，能增加星輪的柔性，增強均載效果，星輪兩端面均加工有圓形槽，以減少端面精加工的面積。星輪軸中心孔左端直徑很小，右端直徑較大，并配備有星輪軸堵頭，星輪軸外徑上加工有兩處定位槽。輸入軸右端外表面加工有花鍵，右端加工有儲油中心孔，在其相應位置加工有徑向的小孔徑噴油孔，在輸入軸的右端并配有輸入軸堵頭。輸入軸外表面加工有擋油軸肩和甩油槽，以保證密封效果，外表面安裝滑動軸承處中部加工有略小于軸徑的槽，以利于安裝和散熱，輸入軸左端面加工有起吊孔兼定位孔。左箱體蓋表面加工有密封槽，與輸入端蓋配合使用，左箱體蓋中心加工有通孔，并以中心孔圓心為圓心在一定直徑的圓上加工有與星輪數量相等的孔。右箱體蓋左端面與箱體配合部分加工有定位止口，與球面滾子軸承油道對應處加工有進油孔。輸出軸外徑上加工有外花鍵與齒輪聯軸器上面的內花鍵相配合，且左右端面均加工有工藝孔，用于起吊和翻邊。星輪的最優個數是5，但是不局限于5，星輪數量大于等于2均可。內齒圈A和內齒圈B，兩內齒輪旋向相反，外表面花鍵采用斜齒外花鍵，且二者旋向亦相反。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是，可以減少一個單獨的行星架，大大減輕減速器整機質量和體積，由于減少了一個零件也提高了因行星架故障的系統可靠性；由于星輪均安裝在固定的左箱體蓋上，星輪及軸承均不受離心力，星輪只作自轉，能實現星輪及軸承的定點噴油潤滑，大大提高齒輪及軸承系統的可靠性和壽命，潤滑效果好；系統結構簡單，加工和裝配工藝均成熟可行；結構中創造性的采用多種均載和浮動方案，均載和浮動效果好；采用含滑動軸承的多星輪人字齒傳動，大大縮小減速器體積，承載能力強，傳遞功率大，振動噪聲小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是新型GTF航空發動機風扇主減速器裝配圖；
[0014]圖2是襯套局部放大圖；
[0015]圖3是內齒圈局部放大圖；
[0016]圖4是太陽輪結構圖；
[0017]圖5是太陽輪內部剖視圖；
[0018]圖6是星輪結構圖；
[0019]圖7是星輪內部剖視圖；
[0020]圖8是輸入軸結構圖；
[0021]圖9是輸出軸結構圖。
[0022]圖1 中:
[0023]1、星輪軸；2、星輪軸堵頭；3、輸入軸；
[0024]4、輸入端蓋；5、左箱體蓋；6、箱體；
[0025]7、齒輪聯軸器；8、孔用彈性擋圈；9、彈性定位環；
[0026]10、右箱體蓋；11、球面滾子軸承12、輸出軸；
[0027]13、輸入軸堵頭；14、輸出端蓋；15、太陽輪；
[0028]16、星輪；17、襯套；18、軸用彈性擋圈A;
[0029]19、軸用彈性擋圈B;20、內齒圈A ;21、內齒圈B。

【具體實施方式】
[0030]參考附圖描述本發明的實施方式，本實施以5個星輪的新型GTF航空發動機風扇主減速器為例進行說明，但不局限于5個星輪。在圖1中，輸入軸(3)左端與低壓渦輪相連，低壓渦輪將旋轉動力傳遞給輸入軸(3)，輸入軸(3)通過滑動軸承安裝在左箱體蓋(5)上，輸入端蓋(4)穿過輸入軸(3)，將其定位并密封，輸入端蓋(4)通過螺栓固定在左箱體蓋(5)外表面，左箱體蓋(5)通過螺栓固定在箱體(6)上，箱體(6)右端與右箱體蓋(10)通過螺栓固定，輸出端蓋(14)對球面滾子軸承(11)起定位作用，輸出端蓋(14)通過螺栓固定在右箱體蓋(10)的右端面上。輸入軸(3)右端通過外花鍵與太陽輪(15)的內花鍵相連，輸入軸(3)右端的油孔安裝有輸入軸堵頭(13)，用于儲存潤滑油，太陽輪(15)與5個星輪(16)同時嚙合，星輪(16)通過星輪軸(I)安裝在左箱體蓋(5)上，星輪軸(I)右端安裝有星輪軸堵頭(2)，軸徑外表面安裝有自動補償懸臂端撓性變形，保證柔性均載效果的襯套(17)，星輪軸(I)上分別安裝有軸用彈性擋圈A(IS)，軸用彈性擋圈B(19)，用來保持星輪(16)預留的軸向浮動量，首先太陽輪(15)將動力分流到5個星輪(16)上，隨后5個星輪
(16)再將動力匯流到內齒圈A(20)和內齒圈B(21)上，然后內齒圈A(20)和內齒圈B(21)通過外花鍵與齒輪聯軸器(7)相連，將動力全部匯集到齒輪聯軸器(7)上，最后齒輪聯軸器
(7)再通過內花鍵將動力傳動到輸出軸(12)上，齒輪聯軸器(7)的左右兩端分別安裝有孔用彈性擋圈(8)和彈性定位環(9)，保證星輪(16)必要的軸向浮動量，同時進行軸向定位，防止星輪(16)大范圍軸向竄動，輸出軸(12)通過球面滾子軸承(11)安裝在右箱體蓋(10)上，輸出軸(12)右端與航空發動機風扇相連，驅動風扇運轉，至此動力已由航空發動機的低壓渦輪通過減速器傳遞到航空發動機的風扇上，完成減速增扭的全過程。
[0031]以上所述，僅是發明的較佳實施方式，并非對本發明做任何限制，凡是根據本發明實質對以上實施方式所作的任何修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種新型GTF航空發動機風扇主減速器，包括輸入軸、太陽輪、星輪、內齒圈，輸出軸等，其特征在于太陽輪、星輪采用整體人字齒，內齒圈A和內齒圈B為斜齒內齒輪并通過斜齒外花鍵與齒輪聯軸器聯接，齒輪聯軸器再通過直齒內花鍵與輸出軸聯接，多次采用花鍵聯接，保證兩內齒圈的徑向浮動均載效果；同時齒輪聯軸器的兩側安裝有限位用孔用彈性擋圈和彈性定位環，同時預留軸向浮動間隙，保證內齒圈軸向浮動效果；減速器中無單獨的行星架，最大限度減重，星輪均通過星輪軸固定在左箱體蓋上，星輪只做自轉，運轉時星輪的空間位置不變，左箱體蓋與箱體通過螺栓固定聯接；整機輸出軸處采用球面滾子軸承，能承受大扭矩且自動調心，其余處均采用滑動軸承適應高轉速；星輪軸處襯套采用中心孔漸變直徑的特殊結構自動補償懸臂端的撓性變形，且輸入軸和星輪軸均采用懸臂加空心結構，增加彈性變形能力且能儲存潤滑油，最大限度保證多星輪承載的均載性能；星輪軸上安裝有限位用軸用彈性擋圈A和軸用彈性擋圈B，并預留有間隙保證星輪的軸向浮動；星輪的最優個數為5 (但不局限于5個星輪)，輸入軸通過花鍵與太陽輪聯接，保證太陽輪的浮動效果O
2.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于太陽輪中心孔中間部分加工有花鍵，中心孔兩端部分分別加工為對稱形式的變直徑孔，便于輸入軸的安裝且增加太陽輪的柔性，增強均載效果。
3.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于星輪中心孔為非等直徑通孔，中心孔內部加工有大直徑孔徑，以便于星輪軸的安裝，且同時減小星輪相應部分的壁厚，能增加星輪的柔性，增強均載效果，星輪兩端面均加工有圓形槽，以減少端面精加工的面積。
4.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于星輪軸中心孔左端直徑很小， 右端直徑較大，并配備有星輪軸堵頭，星輪軸外徑上加工有兩處定位槽。
5.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于輸入軸右端外表面加工有花鍵，右端加工有儲油中心孔，在其相應位置加工有徑向的小孔徑噴油孔，在輸入軸的右端并配有輸入軸堵頭。
6.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于輸入軸外表面加工有擋油軸肩和甩油槽，以保證密封效果，外表面安裝滑動軸承處中部加工有略小于軸徑的槽，以利于安裝和散熱，輸入軸左端面加工有起吊孔兼定位孔。
7.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于左箱體蓋表面加工有密封槽，與輸入端蓋配合使用，左箱體蓋中心加工有通孔，并以中心孔圓心為圓心在一定直徑的圓上加工有與星輪數量相等的孔。
8.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于右箱體蓋左端面與箱體配合部分加工有定位止口，與球面滾子軸承油道對應處加工有進油孔。
9.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于輸出軸外徑上加工有外花鍵與齒輪聯軸器上面的內花鍵相配合，且左右端面均加工有工藝孔，用于起吊和翻邊。
10.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于星輪的最優個數是5，但是不局限于5，星輪數量大于等于2均可。
11.根據權利要求1所述的新型GTF航空發動機風扇主減速器，其特征在于內齒圈A和內齒圈B，兩內齒輪旋 向相反，外表面花鍵采用斜齒外花鍵，且二者旋向亦相反。
【文檔編號】F16H1/28GK104074926SQ201410309501
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】莫帥, 張以都, 吳瓊 申請人:北京航空航天大學