发动机构造第6章-附件传动装置和减速器

第6章附件传动装置和减速器第6.1节附件传动装置第6.2节双速传动装置第6.3节恒速传动装置第6.4节减速器第6.5节测扭机构发动机系统和附件传动齿轮箱在航空发动机中，除了进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管等主要部件外，还有一些保证发动机正常工作所需的各种附属系统，称为发动机系统，如起动系统、燃油系统、滑油系统、冷却系统等。在发动机系统和飞机系统（如液压系统、气压系统、电气系统等）中，有一些发动机附件（如滑油泵、燃油泵等）和飞机附件（如液压泵、发电机等）有一定的功率、转速和转向要求，需要由发动机转子来驱动。这些附件一般都装在专门的附件传动机匣上，该附件传动机匣直接安装在发动机上。在发动机中，通常有一个或几个附件传动机匣或称为附件传动齿轮箱。6.1附件传动装置将发动机转子的功率、转速传输到附件并驱动附件以一定的转速和转向工作的齿轮轮系及传动轴的组合体，称为附件传动装置。在现代航空发动机上，传动发动机附件的功率约占涡轮功率的0.2～0.5%，传动飞机附件的功率约占涡轮功率的0.3～0.6%，一台大型航空发动机附件传动所消耗的功率可达3.0～3.7kw（400～500马力）。附件及其传动装置的重量约占发动机重量的15～20%。附件传动装置一般由中心传动装置和外部传动装置两部分组成。图6-1附件传动装置图6-2附件传动装置简图中心传动装置的功用是将发动机转子的转动变为与发动机轴线相垂直的转动。以便将发动机转子的一部分功率传递到发动机外。中心传动装置一般由一对锥型齿轮1和2组成。外部传动装置的功用是将垂直于发动机转子轴线的转动变为轴向的转动，并将传递到发动机外的功率分配给各附属系统。外部传动装置一般由一对锥型齿轮3和4组成。驱动力：在单转子发动机中，附件传动装置均由压气机轴驱动。有的由压气机前部传动，有的由压气机后部传动。在多转子发动机中，主要附件均由高压转子驱动。低压转子、中压转子只驱动该转子的转速传感器、转速调节器、辅助滑油泵等。附件传动装置的安装附件传动装置在发动机上的安装位置，除应考虑环境温度影响，即不要安装于高温区外，还应考虑到应使维修人员便于接近附件，即应具有较好的可达性。为此，如果飞机上的发动机距地面较近时，附件机匣最好装在发动机的上方。又如，在大直径高涵道比的涡扇发动机中，最好将附件置于核心机的下方，维护时只需打开发动机短舱罩，维护人员即可直接达到附件。图6-3附件传动装置的结构布局6.2双速传动装置6.2.1概述为了减少发动机附件的数目，减轻发动机的重量，有些发动机将起动机与发电机作为一体，成为起动-发电机。发动机起动时，作为直流电动机，输入直流电后驱动发动机转子旋转；起动后，作为发电机，由发动机驱动向飞机提供直流电。起动-发电机作为起动机起动发动机时，需要有较大的扭矩作用于发动机转子上，因此需要减速后传动转子；发动机正常工作时，转子转速较高，而发电机的转速一般约为8000转∕分，转子需减速后传动发电机。这样就造成发动机采用起动-发电机时，需采用不同的传动比带动起动-发电机，因此，在附件传动机构中应设置一套双速传动装置，来满足起动-发电机在两种状态下的传动比的要求。6.2.2双速传动装置的组成典型的双速传动装置由两对正齿轮，一套棘爪离合器，一套摩擦离合器，一套滚棒离合器组成。如右图所示。图6-4典型的双速传动装置一、摩擦离合器摩擦离合器是起过载保护作用的。它由一组铜片、钢片、弹簧和内齿轮、外齿轮等组成。图6-5摩擦离合器二、滚棒离合器滚棒离合器为超越离合器的一种。它由外环、隔圈、星形轮、卡圈、滚棒和前、后盖板等组成。图6-6滚棒离合器工作原理图图6-7滚棒离合器三、棘爪离合器棘爪离合器也是超越离合器的一种，它由棘轮、离合子、以及安装离合子的安装座等组成。图6-8棘爪离合器10.2.3双速传动装置的工作原理双速传动装置是借助两套超越离合器，通过两条不同的传动路线，自动地获得在起动与发电两种工作状态下所需要的两种传动比。起动发动机时，起动-发电机经A轴通过摩擦离合器带动齿轮4并传动齿轮5，使棘爪离合器的棘轮转动，棘爪离合器合闸，通过离合子使安装座，即齿轮6转动并传动齿轮7，达到减速的目的，带动与附件传动装置主传动轴相连的轴B。滚棒离合器处于离闸状态。当发动机起动后，切断起动-发电机的电源，起动机有停转的趋势。发动机转子通过主传动轴B带动齿轮7，使滚棒离合器的星形轮转速大于外环的转速而自动合闸。此时，棘爪离合器的外环转速低于内环转速而处于离闸状态。也即在起动-发电机处于发电状态时，发动机转子经附件主传动轴B通过滚棒离合器、摩擦离合器直接驱动发电机工作。起动时的传动路线：起动－发电机（经轴A）（起动机状态）摩擦离合器1齿轮4———齿轮5棘爪离合器2（合闸）齿轮6———（滚棒离合器3离闸）齿轮7附件传动装置主传动轴B附件传动装置发动机转子起动后发电状态的传动路线（经轴A）起动－发电机（发电状态）摩擦离合器1齿轮7附件传动装置主传动轴B发动机转子附件传动装置滚棒离合器2（合闸）棘爪离合器2（合闸）6.3恒速传动装置6.3.1概述在大中型飞机上，所采用的电源均为400Hz、115伏的交流电。交流电的质量取决于其频率的恒定，取得恒频交流电的方法目前有两种：电子式和机械式。交流发电机是由发动机通过附件传动装置来驱动的。对于机械式，交流发电机输出的交流电的频率f与发电机的电极对数p及发电机轴的转速n有关，其关系为：60pnf当发电机的电极对数p一定时，发电机输出的交流电的频率f就只与发电机轴的转速n有关。为此，要得到恒频交流电，交流发电机的转速必须恒定。例如，对于f＝400Hz，p＝4，要求发电机的转速n＝6000转/分。但发动机的转速是变化的，为此在发动机的附件传动装置和发电机之间应有一套保持交流发电机转速恒定的变传动比装置，即恒速传动装置。恒速传动装置的输入轴与发动机附件传动装置相连，转速是变化的，输出轴与交流发电机轴相连，转速是恒定的。所以恒速传动装置的功用就是在发动机的各种状态下（即各种转速下）使交流发电机以恒定的转速工作，以输出频率为400Hz的恒频交流电。由于发动机从慢车到起飞工作状态，其转速变化的范围很大，所以恒速传动装置有三种工作状态：（1）增速传动状态：当发动机的转速较低，恒速传动装置的输入转速小于恒速传动装置的输出转速，这时恒速传动装置的工作状态为增速传动状态。（2）减速传动状态：当发动机的转速较高，恒速传动装置的输入转速大于恒速传动装置的输出转速，这时恒速传动装置的工作状态为减速传动状态。（3）直接传动状态：当发动机的转速正好使得恒速传动装置的输入转速等于恒速传动装置的输出转速时，恒速传动装置的工作状态为直接传动状态。6.3.2恒速传动装置的组成与工作原理典型的恒速传动装置，由差动齿轮传动机构、可变液压组件和固定液压组件三部分组成。通过这三部分的联合控制和传输，可得到恒定的输出转速，以驱动交流发电机工作。图6-9典型的恒速传动装置图6-10CSD传动关系示意图第6.4节减速器6.4.1减速器的功用作用：航空动力装置的减速器用来联接并传动飞行器的推进装置（螺旋桨或旋翼），使被传动的推进装置与航空燃气涡轮发动机的各旋转部件均在各自最有利的切线速度（转速）下工作，以提高这些部件和推进装置的效率。应用：它通常应用在涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机上。目前，有些大流量比的涡轮风扇发动机也利用减速器来传动风扇，这种带有减速器的风扇称为传动式风扇。在燃气涡轮发动机中，为提高涡轮的效率，涡轮转子叶片尖部的切线速度很高。不同空气流量的发动机由于流通部分平均直径不同，相应于这些切线速度的最有利的工作转速也不同。大空气流量的发动机工作转速为8000～10000转/分中等空气流量的发动机工作转速为15000～18000转/分小空气流量的发动机工作转速为22000～60000转/分大功率的亚音速螺旋桨对应于效率最高时的工作转速仅800～1200转/分中、小型直升机的旋翼工作转速为320～360转/分重型起重直升机旋翼工作转速只有120～180转/分机内减速器：减速器与燃气发生器联为一体，组成一整台发动机时称为机内减速器，一般涡轮螺旋桨发动机与传动风扇用的减速器都是如此。机外减速器：有时为适应飞行器结构的需要，可将减速器自成一个独立的部件装在飞行器上，这种减速器称为机外减速器。当用两台燃气发生器的动力涡轮来驱动一套推进装置时，通常共用一个机外减速器，此种工作方式称为并车。在直升机上，涡轮轴发动机要通过机外减速器分别带动旋翼与尾翼，此减速器又称为直升机的主减速器。特点（与地面用减速器相比）航空发动机所使用的减速器比地面的减速器结构紧凑、轮齿负荷与切线速度更高。为使传动平稳，通常轮齿采用斜齿、人字齿或螺旋齿。在齿形上可采用修变方法或特殊的齿形以提高传动啮合系数、减少轮齿接触的局部应力与冲击载荷。轮齿制造的精度高。在设计上对材料的选择、齿面的冷却与润滑、轴的径向与扭转振动等方面有更细致的考虑。然而，由于有尺寸与重量的限制，航空发动机减速器的强度储备或安全系数一般均低于地面使用的减速器。为保证工作的可靠性，它们的使用寿命规定得比地面减速器要短得多。6.4.2减速器的结构减速器的结构取决于它的传动方式，而传动方式主要与减速比的大小有关。（减速比＝输出转速/输入转速）减速比大时，通常采用简单的平行固定轴的传动方式，与一般常用的齿轮减速器相同，传动式风扇的减速器一般采用这种形式。在直升机上使用的涡轮轴发动机，由于有机外主减速器，其机内减速器减速比较大，一般也使用简单的平行固定轴传动，有时减速齿轮可以有两级。当减速比较小时，为使减速器结构紧凑，尺寸、重量小，通常采用各种行星式减速传动方案。根据减速比大小，可有一级或二级。此外还有差动式的传动方案。一、涡轮螺旋桨发动机的双级行星齿轮减速器涡轮螺旋桨发动机的减速器由于减速比较小，通常要采用行星式减速的传动方案。比较常用的是双级行星齿轮减速器。下图所示是PT6A-27涡轮螺旋桨发动机的减速器。PT6A-27发动机是一种用于小型民用飞机的发动机，其起飞功率为500kW，螺旋桨由发动机的自由涡轮经减速器带动，在各种工作状态均保持其转速为2200转/分。自由涡轮工作转速为33000转/分，减速器减速比为0.0688。图6-14PT6A-27涡轮螺旋桨发动机的减速器二、涡轮螺旋桨发动机的双级差动式行星齿轮减速器在某些中等功率或大功率的涡轮螺旋桨发动机上，为了改善轮齿负荷的分配情况，采用差动式行星齿轮减速器。图6-15涡桨5发动机双级差动式行星齿轮减速器的传动方案图6-16涡桨5发动机减速器的传动关系Z2Z3Z4Z5Z6Z1三、传动式风扇的减速装置下图示出ALF502涡轮风扇发动机的传动式风扇。ALF502发动机的推力为33.34KN，涵道比为5～5.7。发动机低压转子转速为17250转/分，风扇转速为7112～7255转/分。其减速器的减速比为0.43，由于减速比较大，所以采用简单的固定轴、内外齿圈式的传动方案。主动齿轮通过安装在固定托架上的7个中介齿轮带动外面的内啮合的大齿圈。大齿圈的轮毂以套齿传动风扇轴。各中介齿轮以两个滚棒轴承支在托架上，托架以销钉等联接件固定在风扇后中介机匣上。图6-17ALF502涡轮风扇发动机的传动式风扇第6.5节测扭机构6.5.1测扭机构的功用在涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机的减速器中，通常有测量减速器传递扭矩大小的机构，称为测扭机构。测扭机构用以测量发动机在不同工作状态下的实际输出扭矩（发动机的实际功率）。在不同的环境条件下，相同的发动机转速实际输出的功率不同。例如，在夏季高温天气或高原机场，由于气温升高或机场高度升高均会使在相同工作转速下发动机实际输出的功率减少。这要求飞机减载起飞或要求更长的起飞滑跑距离。而在北方冬季低温的天气，又会使发动机输出的功率（扭矩）过大而危及发动机传动系统的安全。设置测扭机构可使空、地勤人员能测知发动机真实的输出功率与扭矩。此外，当遇到减速器轴或轮齿折断等故障时，测扭机构可以迅速感知扭矩的消失。将测扭机构与紧