用于飞机涡轮机械的弧齿端面联轴器的制作方法

1.本发明大体上涉及用于飞机燃气涡轮发动机的联接机构，且更确切地说，涉及用于组装包括例如叶轮、涡轮叶轮的旋转元件(或转子元件)的组件的联轴器，以及在具有高应力组件的此类涡轮机的区域上的联轴器。
2.这特别涉及用于组装飞机燃气涡轮发动机的旋转元件的齿形联接机构。
3.在此上下文中，已知一种类型的机构，包括：一对半联轴器，其间具有轴承接口；所述半联轴器中的每一个因此具有围绕轴线相互接合的多个同心花键齿，用于在它们之间传输扭矩，如在弧齿端面联轴器中。
4.出于本技术的目的，术语“轴承接口”是指轴向齿形联轴器。
5.在飞机燃气涡轮发动机中，这种类型的弧齿端面联轴器预期用于组装旋转组件，并已开发用于满足要求极高精度、最大负载能力和相对经济生产率的永久性联接机构的需要。
6.弧齿端面联轴器(curvic coupling)提供精确、紧凑且独立的组合件，其中花键齿充当定心和驱动装置。燃气涡轮发动机中使用最广泛的弧齿端面联轴器类型是固定式弧齿端面联轴器。固定式弧齿端面联轴器可以被描述为具有高度齿距精度、精细的表面光洁度和精确的轴向定位的带齿的精密面花键。
7.带肩轴杆然后仅用作连接杆且不干扰弯曲齿的定心功能。
8.弧齿端面联轴器本身的设计取决于几个变量，其中一些变量包含需要通过联轴器传输的扭矩量、联轴器中使用的材料的剪切载荷和载荷限值，以及在所有操作条件下，保持相互组装的组件之间的紧密轴向接合所需的连接杆拉力的量。
9.在连接杆发生故障的情况下，内部力将导致花键齿分离的风险很高。
10.在如上所述的涡轮机上，配有此类齿的联接机构的旋转元件(通常经由弧齿端面联轴器)可以由高压涡轮(hpt)(的转子)以及如此相互组装的(一个)压缩机组成。
11.然而，如果半联轴器的所述花键齿之间发生分离(原因可能是连接杆断裂)，则高压涡轮不再经受压缩机的阻力扭矩。只要hpt继续由进入涡轮机的空气动力流供给，这可能导致难以量化的潜在超速情况并可能产生非常严重的后果。
12.当然，涡轮机运行时连接杆断裂似乎会事先导致上述旋转元件阻塞。然而，连接杆故障与阻塞之间的顺序不受控制，因此在阻塞之前涡轮机中可能发生的情况仍然是一个潜在危险。
13.本发明中阐述的方案旨在实现一种联接机构，所述联接机构被设计成确保半联轴器的花键齿不会完全分离，特别是在所谓的连接杆断裂的情况下。
14.更具体来说，因此提出上述齿形联接机构使得其进一步包括突起物，其中所述齿形联接机构的一对半联轴器各自具有多个花键齿：
15.‑
所述突起物远离所述轴线位于所述半联轴器之一的所述花键齿中的一个上，以及
16.‑
在半联轴器断开联接的情况下，另一半联轴器的所述花键齿中的一个将与所述
突起物接触。
[0017]“突起物”的表述应理解为至少一个突起物。
[0018]
然而，在具有单个突起物(或因此提供两个半联轴器中的一个和/或另一个的单个齿)，则可以避免超静定，并且所述半联轴器之间围绕突起物的预期相对倾斜或枢转将是安全的。
[0019]
由于突出的安全装置与连杆直接相关联，因此当花键齿分离时，它将被系统地激活。
[0020]
此外，如果通过沿着所述轴线扩展而开始断开联接，则远端上的突起物将形成一个半联轴器的倾斜区，从而形成一个旋转元件相对于另一个的倾斜区，从而导致此元件的随之而来的移位。这将导致与涡轮机定子零件的摩擦，从而导致由于接触而发热，这将引起转子的制动。
[0021]
由于断开联接的条件(时间、环境条件、旋转元件的速度等)不可预测，因此所述突起物最好不是位于所述预定义花键齿的自由端，而是这些花键齿中的任一个的自由端。
[0022]
如果观察到这一点，涡轮机的旋转元件的一批多个齿形联接机构将统计地具有根据旋转元件和/或涡轮机位于不同角度位置的突起物。
[0023]
在此转子的平衡期间，如果短柱定位没有优选角度位置，也可以自由地执行定位操作(定子零件(例如，两个圆盘)之间的正确角度定位)。
[0024]
此外，为了避免在联接点处产生不适当摩擦，当涡轮机正常操作时，同时一旦已开始断开联接就促进角支撑，所述突起物适于在环绕它的肩部的点处从所讨论的花键齿的自由端突出。
[0025]
在断开联接时，未配备有突起物的所述旋转元件的齿的远侧自由部分将在突起物与齿之间的接合点处(此突起物位于此处)搁置在肩部上(参见附图5)。
[0026]
并且如果突起物具有完全由此肩部环绕的周边，则可以避免在自然地放置突起物的齿底的圆化过程中产生任何摩擦，除非在关键情况下。
[0027]
结合上文，此处还考虑一种用于控制上述半联轴器之间的断开联接的后果的方法。
[0028]
如前所述，在此方法中以及在轴向断开联接开始时，将通过所述突起物在半联轴器之间实现相对枢转，因此所述突起物将远离标称旋转轴(x)位于一个花键齿上。
[0029]
必要时，在参考附图阅读作为非限制性实例的以下描述时，将更好地理解本发明并且本发明的其它细节、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
[0030]
图1示出典型的燃气涡轮发动机的旋转元件的侧视图，其示出弧齿端面联轴器；
[0031]
图2是示出图1的涡轮机的叶轮借助于弧齿端面联轴器的附接的截面图；
[0032]
图3示出图1和2的布置的替代布置，其仍具有连接杆和弧齿端面联轴器；
[0033]
图4和
[0034]
图5分别示出在联接(如图3中)和断开联接状态下图3的弧形区域iii(添加了加强线)的放大图；
[0035]
图6示出由所讨论的两个移动部分(此处为33和35)上的上述突起物引起的倾斜效
应；
[0036]
图7示出在弧齿端面联轴器分离之后并且在突起物(51)接合另一半联轴器的一个齿的协作区域的情况下相同的两个移动部分的从下游(av)到上游(am)的视图，参见图6中的箭头vii，以及
[0037]
图8示出图3的一部分，用于定位(在用加强线标记的框中)此处涡轮转子的摩擦区，以因此在弧齿端面联轴器断开的情况下减速。
具体实施方式
[0038]
在附图中，相同数字参考指代所有视图中的相同部分。
[0039]
具体而言，在图1中，示意性侧视图示出飞机燃气涡轮发动机1的旋转元件10。旋转元件10安装在每一端处具有轴承12和20的阶梯式轴杆11上。阶梯式轴杆11沿着涡轮机1的常规轴x延伸，涡轮机的压缩机部分和涡轮部分的转子围绕所述常规轴可旋转地安装。
[0040]
此旋转组合件可以借助于弧齿端面联轴器21以及连接杆和螺母(图2中所示)安装在阶梯式轴杆11上，所述旋转组合件沿着x轴并且从上游(am)到下游(av)可以包括第一叶轮级13和第二叶轮级14、联接器15、第一叶轮级16、第二叶轮级17和第三叶轮级18，以及端盖19。
[0041]
图2中的截面细节示出涡轮机1的涡轮叶轮可以如何仅安装在弧齿端面联轴器21上。弧齿端面联轴器可以具有固定类型。
[0042]
直径小于涡轮叶轮25和联接器15的轴向中心通道的阶梯式轴杆11通过所述中心通道插入。
[0043]
当涡轮叶轮25和联接器15布置在适当位置中时，位于阶梯式轴杆11的端部上的连接螺母26可以装配到螺纹区段27上，以保持涡轮叶轮25和联接器15对肩部28的适当轴向压缩。
[0044]
阶梯式轴杆11可以仅用作轴向连接杆，并且不干扰弧齿端面联轴器21的齿的定心动作。
[0045]
可以通过相同方式组装燃气涡轮发动机的其它组件，例如压缩机叶轮(未示出)。
[0046]
在图3中，如果组合件未示出连接杆，则相对地靠近前者且仍与飞机燃气涡轮发动机相关的组合件示出了通过旋转组合件的管状轴杆29，所述旋转组合件连续地、轴向地以及从上游(am)到下游(av)包括低压压缩机31、高压压缩机33以及高压涡轮(hpt)35转子(叶轮)。中空轴杆29在至少一端处带螺纹，以用于与轴向连接杆螺母37轴向地接合。在相对的轴向侧上(在图3中的左侧上)，肩部39或类似物支撑在转子31上。当螺母扭转时由连接杆接合并压缩的弧齿端面联轴器21确保沿着轴杆29的x轴的对准，指定在称为贯穿轴的涡轮机的本实例中，与轴向地遵循高压涡轮转子35的低压涡轮转子(未示出)连接的另一轴杆(未示出)轴向地穿过轴杆29，所述轴杆29因此在功能上连接压缩机转子33和涡轮转子35。
[0047]
可以理解为，这是如上所述的连接杆的断裂，或此连接杆的螺母(如图2中的螺母26)的过度松动，在这种情况下这是一个令人恐惧的事件并且由于显著的超速风险，本发明旨在抵消其频出的后果。
[0048]
实际上，例如结合例如图3的布置，如果弧齿端面联轴器21的半联轴器210a、210b之间的轴向脱离(参见图5中的箭头41)变得有效，则高压涡轮转子35不再经受压缩机转子
33的阻力扭矩并且继续由流过其的空气动力流f供电，这可以导致难以量化的高压涡轮转子35的潜在超速情况。
[0049]
本发明涉及提供一种装置(50)，所述装置确保例如与图3中的布置相关的系统顺序(但涉及任何弧齿端面联轴器，例如图1、2中的那些联轴器21)，确保在此实例中，高压涡轮35的转子与静态部分(以下在下文中为高压压缩机33的转子侧上的半联轴器210a的一个齿45b1)保持接触，并且在连接杆断裂后以确定的方式保持接触。
[0050]
将图3与图4和5的弧齿端面联轴器21的局部放大组合，这示出用于组装涡轮机的旋转元件(在实例中，压缩机转子33和涡轮转子35)的齿形联接机构47，所述机构包括：
[0051]
‑
除了在其间具有轴承接口49(或轴向齿形联轴器)的一对半联轴器210a、210b之外(在联接情况下；图4)，
[0052]
‑
突起物51，因此可以通过所述突起物控制在连接杆断裂之后在联接机构上发生的脱离的后果。
[0053]
在突起物51出现的图中，突起物51以黑色标记，以便可以清楚地看到所述突起物，特别是其可见的外轮廓。
[0054]
指定所述半联轴器中的每一个包括如所提及的围绕x轴相互接合的多个同心花键齿45a、45b，用于在连接杆处于良好状态时在其间传输扭矩。
[0055]
突起物51远离x轴(因此离轴)定位在半联轴器之一的所述花键齿中的一个(例如，45b1)上：在优选实例中且如图4和5中所示，半联轴器210b的涡轮转子35侧的齿45b1上。
[0056]
应当理解，在所述半联轴器断开联接的情况下，另一半联轴器(在实例中为210a)的花键齿(在实例中为45a1)与此突起物51接触；参见图5。
[0057]
尽管受影响齿上的替代位置是可能的，但建议：
[0058]
‑
每个花键齿具有轴向自由(或远侧)端，例如齿45b1的自由端450b1(图4)，
[0059]
‑
突起物51位于此自由端450b1上(处)。
[0060]
因此，突起物51可以以所讨论齿的仰角轴(在实例中，齿45b1的平行于x轴的轴线451(图4、6))为中心，并且因此远离接口静置，其中在(标称)联接情况下，两个相邻齿(分别半联轴器210a、210b中的一个和另一个)的倾斜侧壁相互接合；参见所述相应(周向)相邻齿45a1、45b1的侧壁453a1、453b1；参见图4、5。
[0061]
或者，可以设想在这些侧壁上，一对相互接合的凹陷和突起物(或肩部)处于联接状态，并且在轴向断开联接状态下平行于x轴周向地偏移。
[0062]
至少在存在位于齿(例如450b1)的自由端处的突起物51的情况下，此突起物可以形成为：
[0063]
‑
固定到相关花键齿，例如45b1的销510；参见图4，
[0064]
‑
花键齿的组成部分，然后其相对于其半联轴器的另一花键齿延伸；参见图5。
[0065]
自由端或远端451此处在横向于x轴的平面中延伸；此外，这适用于全部在相同所述平面中延伸的相同半联轴器210a、210b的全部齿。
[0066]
可以通过将销510部分地紧密接合在孔511中来完成固定。如果存在平行于承载齿的x轴的此种孔，则销510将位于此齿的所述自由端处。
[0067]
为了避免在涡轮机正常运行时在联轴器的侧壁453a1、453b1处出现不适当的摩擦，并且为了在开始断开联接后促进角支撑，如图4和5中提出突起物51应从所讨论的花键
齿45b1的自由端450b1突出，位于围绕此突起物51的肩部53的位置处。
[0068]
如果突起物51的周边由肩部53完全环绕，则断开联接的控制将更加可靠，而不利于相邻齿(例如45a1)相对于承载突起物51的齿的接近角。
[0069]
如已经提及的，在单个突起物51位于所述花键齿中的一个且仅一个上的情况下，将确保仅在一个区域(突起物51的区域)周围产生倾斜并有利于定位。
[0070]
然后，将不存在用于围绕x轴定位突起物51的优先角位置。
[0071]
应理解，本发明因此提出一种用于寻求控制在飞机燃气涡轮发动机旋转元件组合件的轴向齿形联接机构上的断开联接后果的技术方案，此断开联接在这种情况下通过两个上述半联轴器210a、210b之间的相对轴向间隔(参见图4且接着图5)体现。
[0072]
实际上，在此种轴向断开联接开始时将发生的情况是：在上述的突起物51远离x轴位于所述花键齿中的一个上时，所述半联轴器210a、210b之间将围绕突起物发生相对枢转，如箭头55(在突起物51处开始枢转/倾斜)和箭头57(两个半联轴器相对于彼此的移位；相应的轴线451和x)；以及图6所示。高压涡轮转子35的x轴已变成x1。
[0073]
在此实例中，高压涡轮转子35与迷宫式密封件59(其壳体57(图3和图7))之间会发生摩擦，在正常运行期间，高压涡轮转子35在迷宫式密封件59附近旋转(围绕x轴)。
[0074]
规定包括两个唇缘63、65(一个轴向、另一个径向)的此迷宫式密封件59在纹路67的径向内部极限处形成弯道部，已将燃烧气体流f从燃烧室61的出口引导到所述弯道部中。
[0075]
实际上，在所选择的组合件中，在经由相应转子31、33由低压压缩机以及随后高压压缩机压缩之后，空气流f被带入在存在燃料的情况下(经由未示出的燃料喷射器)发生燃烧的燃烧室61(图8)，之后随后形成流f的燃烧气体到达高压涡轮机转子35的外围叶片。
[0076]
如果在任何时候发生上述断开联接，则高压涡轮转子35和迷宫式密封件59的壳体57因此由于通过突起物51产生的倾斜而接触。
[0077]
产生摩擦的这种接触(图7的f1)具有以下作用：产生与压缩机转子33的驱动扭矩相反的扭矩的作用，且因此控制断开联接的后果，从而避免在高压涡轮35的转子的一部分上的超速情况。
[0078]
高压涡轮35的转子应趋于减速。
[0079]
施加在移动的移动零件上的此行为应允许：
[0080]
‑
保持零件(此处为半联轴器210a、210b)的接合，直到移动零件(此处为高压涡轮35的转子)被阻塞，
[0081]
‑
为了摆脱曲率21水平处的接合应力与轴向间隙之间的连接，这种约束在飞机的现代双流式气体涡轮机的尺寸(长度)中占优势，
[0082]
‑
定义一种用于模拟所考虑的移动零件的行为的数字方法。
[0083]
在脱离/断开联接之前，将确定以下参数以保证壳体57处的上述径向摩擦接触：
[0084]
‑
旋转组件(上述转子)的惯性和质量，
[0085]
‑
施加在这些组件上的轴向推力，
[0086]
‑
由组件组成的移动零件的转速，
[0087]
‑
高压涡轮转子35的迷宫式密封件59与静态壳体之间的径向间隙，
[0088]
‑
由突起物51在其花键齿上形成的悬垂物。