航空燃气涡轮发动机的双速传动装置及主要构件设计与加工路线制定

第Ⅱ页共Ⅱ页目录1引言...............................................................11.1航空发动机的重要性...............................................11.2航空燃气发动机的现状与发展.......................................11.3选题的目的和意义.................................................21.4本课题研究的问题.................................................22附件传动系统.......................................................32.1附件传动系统的工作条件和设计要求.................................42.2航空燃气涡轮发动机中双速传动装置概述.............................42.3航空燃气涡轮发动机中双速传动装置工作原理.........................52.4燃气涡轮发动机起动过程...........................................62.5棘轮式齿轮.......................................................73航空齿轮...........................................................93.1航空齿轮加工现状与发展...........................................93.2航空传动齿轮构件对材料技术的要求.................................93.3国内外航空发动机齿轮材料........................................103.3.1几种齿轮材料的工艺性..........................................113.3.2齿轮材料的发展前景...........................................114棘轮式齿轮设计...................................................134.1参数输入.........................................................134.2轮齿参数的一般设计原则..........................................134.3齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择..........................134.3.1小齿轮齿数z1的选择.........................................144.3.2齿宽系数φd的选择............................................144.3.3齿轮传动的许用应力...........................................154.3.4齿轮精度的选择.............................................174.4双速传动装置中齿轮传动比的确定..................................18第Ⅱ页共Ⅱ页4.4.1齿轮具体参数计算..............................................195齿轮主要制造方法.................................................266棘轮式齿轮的加工工艺..............................................286.1棘轮式齿轮主体加工规程..........................................296.2棘轮轴的加工工艺规程............................................316.3零件组合焊接....................................................327结论.............................................................34参考文献............................................................35致谢................................................................361引言随着燃气涡轮发动机的发展，推重比的要求越来越高，就要求尽量减轻发动机中部件的数量和结构重量，减小发动机的结构尺寸，以符合未来飞机制造的需要。1.1航空发动机的重要性航空发动机的作用是非常重要的，其性能的好坏直接影响着飞机的飞行性能、可靠性及经济性，因此，它被喻为飞机的“心脏”。由于航空发动机要在高温、高压、高转速和高负荷的环境中长期反复地工作，而且还要求具有重量轻、体积小、推力大、使用安全可靠及经济性好等特点，因此，必须要有很强的设计、加工及制造能力，是一种典型的技术密集型产品。航空发动机研制周期长，技术难度大，耗费资金多，不是每一个国家都可以研制生产的。因此，虽然目前世界上可以研制生产飞机的国家并不少，但具备独立研制航空发动机能力的国家却只有美、俄、英、法、中等少数几个。在某种意义上讲，研制航空发动机的能力是一国家进入航空强国的重要标志。中国航空发动机的研制是在新中国成立后一片空白的基础上发展起来的，从最初的修理、仿制、改进改型到今天可以独立设计制造高性能航空发动机，走过了一条十分艰辛的发展道路[1]。1.2航空燃气发动机的现状与发展为提高燃气涡轮发动机的性能，目前已采用的技术有：高增压比的压缩器，发烟度低的环形燃烧室，冷却式高温涡轮，高精度电子调节系统，能及时发现故障的监控技术，便于检查、更换的单元体结构，应用强度高、重量轻的钛合金及复合材料。为满足军用飞机不断发展的需要，今后将继续改进各种类型的第Ⅱ页共Ⅱ页高推重比加力涡轮风扇发动机；研制超音速巡航歼击机使用的连续放气式涡轮喷气发动机，超音速垂直／短距起落飞机使用的推力换向发动机和升力发动机，直升机使用的涡轮轴涡轮风扇发动机，运输机使用的涡轮螺旋桨风扇发动机和变循环发动机；继续研制各种类型的组合式发动机（涡轮－冲压、火箭－冲压、火箭－涡轮等）；解决原子能发动机的小型化和安全保护问题；在部件方面，除继续提高压缩器、燃烧室和涡轮的性能外，进一步解决超音速进气道与发动机的匹配协调问题，完善单元体结构和状态监控技术，提高发动机的可靠性和可维修性[2]。双速传动装置就是为了减少航空齿轮的数目而设计的进而减轻发动机结构重量。在对燃气涡轮发动机双速传动装置研究的前提下，主要对双速传动装置中，棘轮式齿轮进行加工制造研究。进行齿轮各个参数的选择、制定，进行齿轮结构设计，加工工艺分析。进而研究航空齿轮的设计、加工制造方法。1.3选题的目的和意义本课题贴合飞行器制造工程专业，航空燃气涡轮发动机是飞机的心脏，技术之复杂，工艺之苛刻，通过对课题的研究，深入了解航空燃气涡轮发动机的工作原理、部件组成及其构造，特别是双速传动装置进行细致了解，其内部零件的结构，工作状态、工作环境，进而对它们进行专门研究制造。通过对航空发动机双速传动装置的及主要构件的加工制造的研究，通过查阅相关书籍，使我从双速传动装置联系到了飞机发动机的附件传动系统进而延伸到航空燃气涡轮发动机的制造研究，在以前学习飞机发动机的基础上对飞机发动机有了更进一步的了解，对其中的工作原理，发动机构件有了更细致的认识。通过这次的毕业设计可以说把我大学里学的专业课又重新翻阅一便，巩固了专业知识，在此基础上，又学到许多专业以外的知识，拓宽了自己的知识面。通过毕业设计，更一步加强了自学能力，实践能力，为以后进入社会、参加工作奠定坚实的基础。1.4本课题研究的问题了解航空燃气涡轮发动机的现状与发展和附件传动系统，附件传动系统工作条件和设计要求。进而对双速传动装置深入研究，了解其在航空发动机中的重要作用、工作原理、基本构造、内部构件的布置形式，及其各自的功用，分析双速传动装置的工作环境，传动功率等各种工作参数。分析航空齿轮的特点，加工制造方法。选出双速传动装置中的棘轮式齿轮进行重点研究，分析其结构，选择齿轮材料，确定第Ⅱ页共Ⅱ页齿轮外形尺寸。进行工艺分析，了解加工难点，确定难点解决方案，编制加工工艺。本设计说明书前三章是分别对航空燃气涡轮发动机、航空燃气涡轮发动机附件传动系统、航空齿轮等方面的概述。后几章是对棘轮式齿轮在前三章的基础上进行具体分析，进行相关设计参数方面的确定和计算、工艺方案编排，对重点工艺进行分析，完成棘轮式齿轮的设计制造工作。第Ⅱ页共Ⅱ页2附件传动系统图2-1WP6发动机附件传动系统在燃气涡轮发动机上，有许多附件需要由发动机的燃气涡轮带动。这些附件分为发动机附件和飞机附件。前者属于发动机的各系统，如燃油系统的主泵和增压泵，滑油系统的滑油泵、回油泵、油气分离器和离心通风器等，起动系统的起动电机，操纵和调节系统的离心活门、转速表发电机等；后者属于飞机上的各系统，如液压系统的主液压泵和助力系统液压泵，电气系统的交直流发电机．气压系统的压气机等。所有这些附件的种类和数量决定于发动机和飞机的类型和用途。如涡桨发动机和民用客机用的涡轮风扇发动机的附件较多，歼击机用的发动机附件居中，靶机发动机的附件较少。第Ⅱ页共Ⅱ页附件传动装置的功用就是将涡轮的轴功率传递给各个附件，并满足各附件对转速、转向和功率的要求。附件传动装置由附件传动机匣和附件传动机构组成。发动机和飞机附件一般都装在附件传动机匣专门的安装座上，此附件机匣直接安装在发动机上。附件传动机构在附件机匣内，它包括圆柱齿轮系以及各种形式的离合器。附件传动机构的组成与发动机的类型和工作需要有关。如双转子发动机的附件传动装置包括高压转子传动和低压转子传动两部分；WS9发动机的传动机构由高速齿轮箱(传动低压燃油泵、高压燃油泵、加力泵、滑油泵、喷口滑油泵、高压转速表发电机和燃气涡轮起动机、防喘调节器、燃油流量调节器、加力燃油流量调节器、压比调节器等附件)，低速齿轮箱(传动低压转速表发电机、低压转速转速调节器等)和辅助齿轮箱(传动恒速传动机构、液压泵)三部分组成。目前大涵道比涡扇发动机附件传动机构分为主齿轮箱和角齿轮箱两个部分。角齿轮箱用于改变传动方向，主齿轮箱用来安装和传动附件。在现代燃气涡轮发动机上．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为涡轮功率的0.3%～0.6%。附件及其传动部分的重量约占发动机重量的15％～20％。在涡桨发动机上，传动发动机附件的功率约为涡轮功率的0.1％～0.17％．传动飞机附件的功率约为0.15％～0.25％[2]。2.1附件传动系统的工作条件和设计要求发动机正常工作时,转速高,附件传动扭矩较小。发动机起动和急剧加速或减速时,发电机、燃油泵等附件转子的惯性使传动扭矩变得很大,很容易损伤传动齿轮。为此,传动轴设计为细长的弹性浮动套齿柔性结构,使其在大扭矩时产生一定扭转变形,起缓冲作用,保护传动齿轮不致于损坏。因此,传动齿轮构件主要承受交变载荷和剧烈地冲击载荷,尤其是中央锥形齿轮副和传动轴的负荷最大,应力最复杂,工况最恶劣,容易出现故障。随着设计水平和齿轮加工技术的进步,现在许多发动机的中央锥形齿轮已不再采用简单的伞形直齿结构,而设计成为复杂的螺旋弧齿结构,以改善中央锥形齿轮副的啮合能力、应力状态,提高齿牙抗冲击、抗胶合能