带有起动器/发电机的辅助齿轮箱 |
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| 申请号 | CN201110462031.5 | 申请日 | 2011-12-28 | 公开(公告)号 | CN102562316A | 公开(公告)日 | 2012-07-11 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | 黄豪; J·齐沃特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及带有起动器/发 电机 的辅助 齿轮 箱。一种用于燃气 涡轮 发动机 (1)的组件(102)包括：包括驱动齿轮(150)和 小齿轮 (140)的辅助齿轮箱(100)；和机械地安装到辅助齿轮箱(100)的起动器/发电机(101)。起动器/发电机(101)包括壳体(160)和带有保险断开器(192)的可旋 转轴 (170)的部分，其中保险断开器(192)设置在起动器/发电机(101)的壳体(160)内。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于燃气涡轮发动机(1)的组件(102)，包括： |
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| 说明书全文 | 带有起动器/发电机的辅助齿轮箱背景技术[0001] 燃气涡轮发动机，也称作燃烧涡轮发动机是从经过发动机到许多涡轮叶片上的燃烧气体的流动中抽取能量的旋转式发动机。燃气涡轮发动机已经被用于陆地和海上运动和发电，但更通常用于航空应用，诸如用于飞机和直升机，其中它们主要用于推进。 [0002] 燃气涡轮发动机经常为诸如发电机、起动器/发电机、永磁交流电机(PMA)、燃料泵和液压泵的大量不同附件提供动力。所有这些附件提供用于不同于推进航空器的航空器上所需的功能。例如，当燃气涡轮发动机运转时，起动器发电机(S/G)生产电能并且当燃气涡轮需要起动时，S/G当从另一个能量源提供能量时充当起动马达。发明内容 [0003] 本发明的一个实施例涉及用于包括辅助齿轮箱(AGB)和起动器发电机(S/G)的燃气涡轮发动机的组件。AGB具有限定内部的AGB壳体、安装成用于在AGB壳体的内部内旋转的第一轴部分、安装到第一轴部分用于共同旋转的小齿轮和设置在AGB壳体内并且与小齿轮啮合的驱动齿轮。S/G具有限定内部的S/G壳体、安装成用于在S/G壳体的内部内旋转的第二轴部分和为第二轴部分提供的保险断开器(safety disconnect)，其中第一轴部分和第二轴部分可操作地联接用于共同旋转并且保险断开器全部设置在S/G壳体内。附图说明 [0004] 在附图中： [0005] 图1是带有辅助齿轮箱的燃气涡轮发动机的示意图。 [0006] 图2是根据本发明的一个实施例安装到辅助齿轮箱的起动器/发电机的截面视图； [0007] 图3是根据本发明的另一个实施例带有在起动器/发电机周围的保护外壳的安装到辅助齿轮箱的起动器/发电机的截面视图。 [0008] 图4是根据本发明的又一个实施例安装到辅助齿轮箱的负重壁的起动器/发电机的截面视图。 [0009] 部件列表 [0010] 1 燃气涡轮发动机 [0011] 10 燃烧室 [0012] 20 高压涡轮区域 [0013] 30 低压涡轮区域 [0015] 60 高压压缩区域 [0016] 90 机械功率输出(take off) [0017] 100 辅助齿轮箱 [0018] 101 起动器/发电机 [0019] 102 带有安装到辅助齿轮箱上的起动器/发电机的组件 [0020] 106 AGB壳体 [0021] 110 前部AGB壁 [0022] 112 AGB夹紧(clamping)交界面 [0023] 114 后部AGB壁 [0024] 118 嵌入(inset)侧壁 [0025] 120 AGB内部 [0026] 122 嵌入空腔 [0027] 124 小齿轮组件 [0028] 126 小齿轮组件壳体 [0029] 130 可旋转轴 [0030] 132 第一轴部分 [0031] 134 第一间隔轴承 [0032] 136 第二间隔轴承 [0033] 140 小齿轮 [0034] 144 在嵌入壁中的孔口 [0035] 150 驱动齿轮 [0036] 160 S/G壳体 [0037] 161 S/G内部 [0038] 162 第一S/G壳体部分 [0039] 164 第二S/G壳体部分 [0040] 166 S/G夹紧交界面 [0041] 168 夹具 [0042] 170 第二轴部分 [0043] 172 在第一轴部分与第二轴部分之间的轴交界面部分 [0044] 180 油密封 [0045] 184 第三间隔轴承 [0046] 188 第四间隔轴承 [0047] 190 第五间隔轴承 [0048] 192 保险断开器 [0049] 200 PMG [0051] 204 PMG定子 [0052] 210 激励器 [0053] 212 激励器转子 [0054] 214 激励器定子 [0055] 220 主机器 [0056] 222 主机器转子 [0057] 224 主机器定子 [0058] 230 油进口端口 [0059] 232 油出口端口 [0060] 236 油管路 [0061] 238 油管路 [0062] 260 外壳 [0063] 300 AGB [0064] 302 组件 [0065] 306 AGB壳体 [0066] 310 AGB前部壁 [0067] 314 AGB后部壁 [0068] 328 AGB嵌入壁 [0069] 330 AGB嵌入孔口侧壁 [0070] 332 AGB后部孔口侧壁 具体实施方式[0071] 本发明涉及将包含多于一个构件的起动器/发电机(S/G)联接到也称作变速壳体的辅助齿轮箱(AGB)。安装到AGB的S/G具有各种应用，包括起动AGB机械联接到其上的燃气涡轮发动机和当燃气涡轮发动机操作时发电。 [0072] 参考图1，包括AGB100和S/G101的组件102示意性地示出为安装到燃气涡轮发动机1。该组件通常称作集成起动器/发电机齿轮箱(ISGB)。燃气涡轮发动机1包括带有供应空气到高压压缩区域60的风扇50的进气口。带有风扇50的进气口和高压压缩区域共同称作在燃烧上游的燃气涡轮发动机的“冷区段”。高压压缩区域60为燃烧室10提供高压空气。在燃烧室中，高压空气与燃料混合并且燃烧。热并且增压的燃烧气体在从燃气涡轮发动机排出之前经过高压涡轮区域20和低压涡轮区域30。当增压气体经过高压涡轮区域20的高压涡轮(未示出)和低压涡轮区域30的低压涡轮(未示出)时，涡轮从经过燃气涡轮发动机1的气体的流动中抽取旋转能。高压涡轮区域20的高压涡轮可经由轴联接到高压压缩区域60的压缩机构(未示出)，以为压缩机构提供动力。低压涡轮可经由轴联接到进气口的风扇50以为风扇50提供动力。 [0073] 燃气涡轮发动机可以是涡轮风扇发动机，诸如通常用于现代商用和军用飞机中的General Electric GEnx或CF6系列发动机或它可以是诸如涡轮螺桨发动机或涡轮轴发动机的各种其它已知燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机还可具有补燃器，其在低压涡轮区域30的下游燃烧额外数量的燃料以增加排气的速率，并且由此增加推力。 [0074] 辅助齿轮箱(AGB)100经由机械功率输出90联接到燃气涡轮发动机1的涡轮轴，或者联接到低压涡轮或者联接到高压涡轮。机械功率输出包含用于机械联接AGB100到燃气涡轮发动机的多个齿轮和装置。组件102可安装在包含风扇50的进气口区域的外部或者在高压压缩区域60附近的芯部上。 [0075] 现在参考图2，S/G101与AGB100之间的关系更详细地示出。AGB包括壳体106，其带有前部AGB壁110和后部AGB壁114，其中AGB内部120在其间围住。AGB壳体106的后部壁114还可包括带有侧壁118的嵌入空腔122以接纳在其中的小齿轮组件124。小齿轮组件124包括小齿轮组件壳体126、第一轴部分132，其旋转安装到小齿轮组件壳体126并且被第一间隔轴承134和第二间隔轴承136支撑。小齿轮140由第一轴部分132携带用于共同旋转并且设置在第一间隔轴承134与第二间隔轴承136之间。在嵌入侧壁118中存在孔口144，小齿轮140通过其中延伸并且与驱动齿轮150(为清楚起见作为虚线矩形示意性示出)啮合，驱动齿轮通过联接到燃气涡轮发动机1的功率输出90的齿轮系(未示出)驱动。相比前部AGB壁110，小齿轮140可更接近后部AGB壁114。 [0076] AGB内部120还可包含油以提供润滑和冷却到包含在其中的机械部件，诸如小齿轮140、驱动齿轮150及第一间隔轴承134和第二间隔轴承136。 [0077] AGB壳体的前部壁110还具有开口，其中在开口的外围处的AGB夹紧交界面112与在S/G壳体160上的S/G夹紧交界面166对齐，它们可利用夹具168夹紧在一起以将S/G101安装到AGB100。当带有限定S/G内部161的S/G壳体160的S/G101安装到AGB100时，第一S/G壳体部分162布置在AGB内部120内并且第二S/G壳体部分164布置在AGB内部120的外部。 [0078] S/G101包括第二轴部分170，其从S/G内部161延伸由第三间隔轴承184、第四间隔轴承188和第五间隔轴承190支撑。第二轴部分170和第一轴部分利用轴交界面部分172联接在一起以形成单一可旋转轴130。轴交界面部分172可通过任何已知的联接方法，包括但不限于齿轮、花键、离合器机构或它们的联合。轴交界面部分172的实例在授予General Electric的美国专利No.4,281,942中公开并且在本文中通过引用整体并入。 [0079] 第二轴部分170携带在S/G内部161内的多个机器，诸如主机器220、激励器210和PMG200，和相应旋转构件，各自包括主机器转子222、激励器转子212和PMG转子202，及相应固定构件，包括主机器定子224、激励器定子214和PMG定子204。激励器210提供直流到主机器220的场绕组。当可旋转轴130旋转时，主机器220和PMG [0080] 200供应AC电功率。机器200、210和220可在第四间隔轴承188与第五间隔轴承190之间在第二轴部分170上携带。固定构件204、214和224可安装到第一S/G壳体部分 162和第二S/G壳体部分164中的任一个或两者的任何适当部分。 [0081] 如所示，S/G101是油冷的，并且油进口端口230和油出口端口232提供用于控制到S/G101和来自S/G101的油的供应。冷却油可用于通过使油流过油管路236和238来耗散由S/G101的电气和机械功能产生的热量，使得机器200、210和220没有涂覆油并且尤其地固定构件204、214和224与旋转构件202、212和222之间的间隔没有填充油。因此，用于冷却在S/G内部161内的机器的油不自由地在指定管路236和238外部流动。 [0082] S/G101还包括油密封180，其围绕第二轴部分170并且被第一壳体部分162围绕。油密封防止来自AGB内部120的冷却和润滑油进入S/G内部161并且还防止来自S/G内部 161的任何微粒和碎片污染在AGB内部120中的油。油密封180可比保险断开器192更接近小齿轮140。 [0083] AGB壳体106和S/G壳体160可由任何已知材料和方法形成，该材料和方法包括但不限于诸如铝、不锈钢、铁或钛的高强度和轻质金属的压铸。壳体106和160可形成为带有厚度，其足够提供足够的机械刚度而不增加不必要的重量到组件100及由此不增加不必要的重量到航空器。 [0084] 包括第一轴部分132和第二轴部分170的可旋转轴130可由任何已知材料和方法建造，该材料和方法包括但不限于诸如包含铝、铁、镍、铬、钛、钨、钒或钼的合金的高强度金属合金的挤压或加工。第二轴部分170的直径可以是固定的或沿可旋转轴170的长度变化。直径可变化以适应不同尺寸以及各种机器200、210和220的转子到定子的间隔。 [0085] 所有机器200、210和220放置在小齿轮140的相同侧并且激励器210和PMG200比主机器220更接近小齿轮140放置。机器200、210和220可以是已知马达和发电机的任何联合。例如，主机器220可以是同步发电机或异步发电机。除在该实施例中示出的机器之外，可存在可需要操作用于特别应用的其它构件。例如，除了示出的机电机器200、210、220之外，可存在从相同可旋转轴130驱动的其它机器，诸如油泵、流体压缩器或液压泵。 [0086] 如所示，带有PMG转子202和PMG定子204的PMG200最靠近小齿轮140，并且带有激励器转子212和激励器定子214的激励器210在PMG200与主机器220之间。可选地，带有激励器转子212和激励器定子214的激励器210可最靠近小齿轮140，并且带有PMG转子202和PMG定子204的PMG200在激励器210与主机器220之间。 [0087] 保险断开器192可布置在第三间隔轴承184与第四间隔轴承188之间在第二轴部分170上，保险断开器192提供以在机器200、210、220中的任何的机械或热失效的情形下将机器200、210和220从小齿轮140机械分离，并且由此从驱动齿轮150和AGB100机械分离。保险断开器192可比机器200、210和220中的任何更接近小齿轮140。 [0088] 保险断开器192可以是任何已知保险断开器机构，包括但不限于可重置机械断开器、剪切轴断开器、热断开器或它们的联合。如果在操作期间在S/G的内部中的机器200、210和220或轴承184、188、190中的任何存在机械或热失效，则保险断开器192充当在第二轴部分170上的削弱点并且提供用于第二轴部分170的失效的控制区域。 [0089] 作为实例，保险断开器192可为热断开器，其中，低熔化温度材料可用于建造第二轴部分170的保险断开器192部分。低熔化温度材料可为包含锡、铅、铟、铜、银或它们的联合的类似焊料材料。在操作期间，如果机器200、210和220中的一个或者多个过热，从而传递热能到轴130，则在一些点在轴130上的保险断开器192的低熔点材料熔化或者部分熔化，并且由此机械地将机器200、210和220从第一轴部分132、小齿轮140和驱动齿轮150切断。结果，保险断开器192充当用于在失效时机械分离机器200、210和220的机构，以便失效将损害局限在S/G 101并且不在AGB 100或燃气涡轮发动机1上。用于保险断开器192的确切机构不从本文中公开的实施例中去掉(detract)。授予Hamilton Sunstrand Corporation的美国专利No.6,364,772和授予General Electric Company的美国专利No.3,675,444公开了保险断开器机构，并且它们在本文中通过引用整体并入。 [0090] 总体上，在导致在保险断开器192处的轴130的断开的机械或热失效期间，存在由保险断开器192的破坏产生的微粒和碎片。期望防止这些微粒和碎片污染在AGB内部120中的冷却和润滑油。 [0091] 组件102的益处是它提供轴130的低力矩，同时它提供由在保险断开器192处的轴130的断开产生的任何碎片的收容。该力矩，通常称作悬臂力矩，大约等于小齿轮140到组件102的质心之间的距离乘以组件的重量。将激励器200和PMG210设置成比主机器220更接近小齿轮150具有如下效果：将组件的质心移动到更靠近小齿轮140并且由此降低力矩，该力矩来自由轴130携带的各种附件并且该力矩作用在小齿轮140和小齿轮140与驱动齿轮150的配合上。机器200、210和220的相对设置可使S/G101在AGB100内的部分嵌套能够实现，以降低小齿轮140与组件102的质心之间的距离。机器200、210和220的相对设置还可降低组件102的总体重量，这也具有降低力矩的效果。 [0092] 当本领域技术人员明白和理解在燃气涡轮发动机1环境中的S/G101的空间限制时，这些益处的价值变得更加清晰，在燃气涡轮发动机1环境中物理空间非常珍贵，并且降低的物理尺寸最终意味着推力必须克服的更少的气动阻力和飞机必须携带的更少的重量。空间约束和功率要求倾向于将主机器的设计推向更低的极数，因为它降低S/G101及总体组件102的总体重量和尺寸。然而，更低的极数要求轴130的更快的旋转速度以获得期望的功率输出。此外，由于诸如硅钢合金的软材料通常应用在机器中，故低极数帮助降低由高频率磁场切换产生的过度磁心损耗。磁场的高频率切换还可产生难以从组件102移除的高水平的热量。在一个实施例中，主机器可具有低到二的极数。由于利用低极数马达和发电机，故最小化组件102的悬臂力矩并且最大化可旋转轴130的旋转速度的组件构型102被期望最大化功率输出。PMG 210、激励器200和主机器220的相对设置具有对可旋转轴170的最大临界旋转速度和安装在AGB100上的S/G101的组件102的悬臂力矩的影响。 [0093] 为最大化可旋转轴130的旋转速度，在第一间隔轴承134与第五间隔轴承190之间的长度的跨度应当被最小化。利用其中PMG210和激励器200都比主机器220更接近小齿轮140的如所示的机器200、210和220的相对设置，并且通过将所有机器放置在小齿轮140的相同侧而不是将附件分成在小齿轮140的每一侧的两部分，在第一间隔轴承134与第五间隔轴承190之间的距离可降低并且由此轴130的旋转速率可改进。轴130的更大旋转速率又从低极数发电机中生产更大的功率输出。通过利用低极数发电机，组件100的总体重量降低。 [0094] 此外，通过将所有机器200、210和220放置在小齿轮140的相同侧，仅仅单一保险断开器192被要求并且可放置在S/G 161的内部之内，而不是S/G壳体160的外部。因此，如果可旋转轴130在保险断开器处断开，那么引起的微粒和碎片可包含在S/G壳体160内并且不污染在AGB内部120中的冷却和润滑油。由此，利用所公开的组件100构型，获得导致更大的轴130旋转速度和降低的组件100重量的降低的悬臂力矩，同时防止由机器200、210、220中的任何的失效及随后的在保险断开器192处的轴130的切断产生的微粒和碎片。 [0095] 现在参考图3，示出先前组件102的另一实施例，其与图2中所示组件基本一样，除了围绕S/G101与AGB100之间的交界面的外壳。特别地，在S/G壳体160与嵌入侧壁118之间的区域被外壳260围绕。外壳不负重并且由此既不能提供S/G101到AGB安装的机械刚度也不能支撑可旋转轴130。外壳260的目的是捕获从S/G内部161逃逸的任何细粒或碎片，并且防止在AGB100内的油的污染。外壳260在轴130在保险断开器192处切断的情形中可特别有用，在该情形中将产生大量的微粒和碎片并且存在引起的来自S/G内部161的微粒穿过油密封180的可能性。 [0096] AGB和S/G组件302的另一实施例在图4中示出并且与图2中所示组件基本一样，除了对AGB300的变型。由此，不同于第一实施例的AGB300的部件将以具有300序列的附图标记描述。AGB300与100之间的主要不同是围绕S/G 101与AGB 300之间的交界面的AGB300的负重嵌入壁328。嵌入壁328从AGB壳体306的AGB前部壁310朝内突出并且具有由孔口侧壁330限定的孔口，在其内固定第二间隔轴承136用于可旋转地支撑第一轴部分132。在该组件302中，存在由AGB后部孔口侧壁332限定的在其内固定小齿轮组件124的AGB后部孔口，而不是如图2中从AGB后部壁314朝内突出进AGB内部120的嵌入侧壁118。小齿轮组件124由此不具有围绕它的嵌入侧壁，而是在小齿轮140的一侧提供第一轴部分132的可旋转支撑，并且嵌入壁328在小齿轮140的另一侧提供支撑。该组件302配置可比图2的组件102提供对污染AGB内部120和其中的冷却和润滑油的来自S/G内部161的碎片和微粒的额外保护。换句话说，嵌入壁充当外壳，其也是负重的并且提供支撑小齿轮 140和第一轴部分132的机械功能。 [0097] 该书面描述利用实例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和利用任何器件或系统并且实施任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言的无实质不同的等效结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。 |
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