DE60003200T2

DE60003200T2 - Integrierte antriebs- und getriebeeinheiten für drehflügel-luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE60003200T2
Application number: DE60003200T
Authority: DE
Inventors: A. Macfarlane; Lazar Mitrovic; M. Morgan
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: CA2379568A1; EP1216190B1; US6364249B1; WO2001023255A1; CA2379568C; JP2003510227A; RU2002112240A; DE60003200D1; EP1216190A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung, die für Drehflüglerflugzeuge geeignet ist und insbesondere eine Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung, die ein mit einem Getriebe integriertes Triebwerk aufweist.

Beschreibung des Stands der Technik

Wie man in der Fig. 1 erkennt, weisen konventionelle Hubschrauberkraftanlagen typischerweise ein Triebwerk 10 mit einem Untersetzungsgetriebe 12 auf, welches daran als eine modulare Einheit angebracht ist. Das Triebwerk 10 und das Untersetzungsgetriebe 12 sind gemeinsam an einer Hubschrauberzelle 14 angebracht und über eine flexible Kupplungs- und Antriebswellen-Anordnung 18 mit einem Hauptgetriebe 16 verbunden. Das Hauptgetriebe 16 ist an der Hubschrauberzelle 14 separat von von Untersetzungsgetriebe 12 angebracht und ist in Antriebsverbindung mit einem Rotormast 20, einem Heckrotor (nicht gezeigt) und Hilfsgerätschaften (nicht gezeigt) des Hubschraubers, um dorthin Leistung zu übertragen.
Alternativ wurde vorgeschlagen, wie in Fig. 2 gezeigt, das Untersetzungsgetriebe am Ausgang des Triebwerks 10' wegzulassen und dieses mit dem Hauptgetriebe 116' lediglich über die Kupplungs- und Verbindungswellen- Anordnung 18' zu koppeln.
Derartige Anordnungen, bei denen das Getriebe 16/16' separat von dem Triebwerk 10/10' an der Hubschrauberzelle 14/14' angebracht ist, wurde in der Vergangenheit als erforderlich angesehen, um die Lasten des Rotormasts 20/20' adäquat abzustützen und die Schwingungen davon zu dämpfen. Ein mit der Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung des vorangehend beschriebenen Typs einher gehender Nachteil liegt jedoch in der Tatsache, dass die Verbindungswelle ziemlich fang sein muss, um selbst geringe Längsverlagerungen und Winkelverlagerungen des Hauptgetriebes zu kompensieren aber so negativ die Hubschrauberstabilität in Folge des substanziellan Abstands zwischen dem Triebwerksschwerpunkt und dem Rotormast des Hubschraubers zu beeinflussen.
Folglich wurden Anstrengungen unternommen, um die erforderliche Länge der Verbindungswelle zu verringern. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 4 899 959, welches Weiller am 13. Februar 1990 erteilt wurde, eine Hubschrauberkraftanlagen- und Getriebe-Anordnung, bei der die Länge der Verbindungswelle, welche das Hauptgetriebe mit dem Triebwerk verbindet, durch das Vorsehen einer flexiblen Kupplung zwischen dem Triebwerk und dem Untersetzungsgetriebe minimiert ist. Ein Nachteil, der mit der Verwendung von flexiblen Kupplungen einher geht, ist, dass sie signifikant die Drehzahl, mit der die Verbindungswelle angetrieben werden kann, und folglich die Triebwerksdrehzahl des Hubschraubers begrenzen.
WO 84/00339, welches am 2. Februar 1984 veröffentlicht wurde, beschreibt ein motorisiertes Ultraleichtflugzeug, aufweisend einen Motor, der direkt mit einem Rotormastgetriebe gekoppelt ist. Ein Rahmen stützt den Motor und das Getriebe ab. Eine derartige Anordnung ist jedoch für größere Hubschrauber nicht geeignet.
Deshalb besteht ein Bedürfnis nach einer neuen Hubschrauberkraftanlagen- und Getriebe-Anordnung, die zum Verbessern der Stabilität und der Handlingseigenschaften eines Hubschraubers angepasst ist, ohne die Triebwerksdrehzahl davon signifikant zu beschränken.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue Drehflüglerflugzeug-Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung bereitzustellen, die daran angepasst ist, die Stabilität des Flugzeugs zu verbessern, indem der Schwerpunkt der Kraftanlage näher an dem Hauptrotormast des Drehflüglerflugzeugs platziert wird.
Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue Drehflüglerfllugzeug- Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung mit einem verringerten Gesamtgewicht bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Drehflüglerfllugzeug- Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung bereitzustellen, bei der das Getriebe mit der Kraftanlage zu einem einzigen Modul kombiniert ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Drehflüglerfllugzeug- Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung bereitzustellen, die relativ ökonomisch herzustellen ist.
Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung für ein Drehflüglerflugzeug gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung für ein Drehflüglerflugzeug mit einer Zelle eine Triebwerkseinrichtung zum Erzeugen von mechanischer Leistung, wobei die Triebwerks-Anordnung ein Triebwerksgehäuse aufweist, und ein Getriebe auf, das direkt mit der Triebwerkseinrichtung verbunden ist, zum Übertragen von Leistung von der Triebwerkseinrichtung auf angetriebene Bauteile des Drehflüglerflugzeugs, wobei das Getriebe ein Getriebegehäuse aufweist, wobei das Getriebegehäuse und das Triebwerksgehäuse miteinander integriert sind, um sicherzustellen, dass die Triebwerkseinrichtung und das Getriebe als eine einzelne Einheit bezogen auf die Zelle wirken. Durch ein derartiges Integrieren der Triebwerkseinrichtung mit dem Getriebe wird es möglich, den Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Triebwerkseinrichtung und dem Rotormast des Drehflüglerflugzeugs zu verringern und so vorteilhaft die Handlingseigenschaften des Drehflüglerflugzeugs zu verbessern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachdem so generell die Natur der Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die als Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform dafür zeigen, und für die gilt:
Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer typischen Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung eines Hubschraubers gemäß einer ersten Anordnung des Stands der Technik;
Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht einer zweiten Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung des Stands der Technik;
Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht einer Hubschrauberkraftanlagen- und Getriebe-Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung, die die Details einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen. Eine Hubschrauberkraftanlagen- und Getriebe-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die generell mit dem Bezugszeichen 100 versehen ist wird beschrieben.
Wie man in der Fig. 3 erkennt, weist die Hubschrauberkraftanlagen- und Getriebe-Anordnung 100 generell eine Gasturbinenmaschine 102, die in einem Triebwerksgehäuse 104 angebracht ist und direkt antreibend mit einem Hubschraubergetriebe 106, welches in einem Getriebegehäuse 108 angebracht ist, auf, Das Triebwerksgehäuse 104 und das Getriebegehäuse 108 sind fest miteinander verbunden, um sicherzustellen, dass die Gasturbinenmaschine 102 und das Hubschraubergetriebe 106 modular miteinander zu einer einzigen Einheit zusammengebaut sind, die von der Hubschrauberzelle 110 in geeigneter Weise abgestützt ist. Durch das Integrieren der Gasturbinenmaschine 102 mit dem Hubschraubergetriebe 106 wird die Gesamtinstallationslänge der Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung 100 signifikant verringert und ermöglicht so, dass der Schwerpunkt der Gasturbinenmaschine 102 so nah wie möglich an dem Rotormast 112 des Hubschraubers angeordnet ist, um die Stabilität und dessen Handlingseigenschaften zu verbessern. Außerdem eliminiert das vorteilhafterweise das Bedürfnis nach einer flexiblen Kupplung zwischen dem Hubschraubergetriebe 106 und der Gasturbinenmaschine 102, um Fehlausrichtungen zu kompensieren, zu denen es kommen kann, wenn die Gasturbinenmaschine und das Hubschraubergetriebe separat an der Hubschrauberzelle wie bei bekannten Anordnungen des Stands der Technik abgestützt sind.
Das Hubschraubergetriebe 106 überträgt die von der Gasturbinenmaschine 102 erzeugte mechanische Leistung auf den Rotormast 112, an dem die Rotorblätter 114 radial angebracht sind, wie das im Stand der Technik bekannt ist. Das Hubschraubergetriebe 106 überträgt außerdem Leistung an den Hubschrauberheckrotor (nicht gezeigt) und an Hilfsgeräte (nicht gezeigt), beispielsweise Öl- und Hydraulik-Pumpen. Das Hubschraubergetriebe dient auch dazu, die Drehzahl der Gasturbinenmaschine 102 auf Niveaus zu verringern, die geeignet sind für das Rotieren der zahlreichen angetriebenen Bauteile des Hubschraubers.
Wie man in der Fig. 4 erkennt, weist die Gasturbinenmaschine 102 der gezeigten Ausführungsform einen radialen Lufteinlass 116 auf, durch den Luft strömen kann, um zu einem Zentrifugalverdichterabschnitt 118 zu gelangen, in dem der Druck und die Temperatur der einströmenden Luft erhöht werden, bevor sie in eine Brennkammer 120 strömt, die strömungsabwärts von dem Verdichterabschnitt 118 angeordnet ist. Brennstoff wird in die Brennkammer 120 eingespritzt, und die sich ergebende Mischung aus Brennstoff und Luft wird verbrannt, um heiße, sich ausdehnende Gase zu erzeugen, die in einen Turbinenabschnitt 122 drängen, um so ein Rotieren der fest an der Hauptwelle 124 angebrachten Turbinenlaufschaufeln 123 zu bewirken.
Die Hauptwelle 124 der Gasturbinenmaschine 102 ist durch geeignete Lager relativ zu dem Gehäuse 104 gelagert und ist an einem Ausgangsende davon mit einem Ritzel 126 versehen, welches mit einem Untersetzungszahnrad 128 kämmt, das an einem ersten Ende einer Antriebswelle 130 angebracht ist, die parallel zu der Hauptwelle 124 verläuft. Das Untersetzungszahnrad ist mit geeigneten Lagern, beispielsweise bei 127, relativ zu dem Gehäuse 104 gelagert. Das Ritzel 126 zusammen mit dem Untersetzungszahnrad 128 schaffen eine erste Drehzahlverringerungsstufe. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rotiert die Hauptwelle 124 mit etwa 40.000 U/min. während die Antriebswelle 130 mit etwa 8.000 U/min rotiert.
Das Untersetzungszahnrad 128 ist an der Antriebswelle 130 über eine Freilaufkupplung 132 angebracht, um sicherzustellen, dass nichts den Rotormast 112 und den Heckrotor (nicht gezeigt) daran hindern wird, im Fall eines Leistungsversagens der Gasturbinenmaschine 102 zu autorotieren. Wie man erkennt, stellt die Position der Freilaufkupplung 132 ferner sicher, dass das Ölsystem (nicht gezeigt) im Fall einer Autorotation trotzdem funktionieren kann, um die Hubschraabergetriebebauteile zu schützen.
Die Antriebswelle 130 ist an deren Ausgangsende mit einem Kegelrad 134 versehen, welches mittels geeigneter Lager 137 relativ zu dem Gehäuse 108 gelagert ist. Das-Kegelrad 134 kämmt mit einem zugehörigen Untersetzungskegelrad 136, welches ein integrales Teil einer rohrförmigen Zahnradabstützstruktur 138 bildet, die drehbar um den Rotormast 112 des Hubschraubers über reibungsverringernde Lager 139 angebracht ist, die an dem Gehäuse 108 mit geeigneten Mitteln angebracht sind. Lager 141 sind innerhalb der rohrförmigen Zahnradabstützstruktur 138 an einem unteren Endbereich davon vorgesehen, um eine korrekte Ausrichtung des Rotormasts 112 relativ zu der rohrförmigen Zahnradabstützstruktur 136 sicherzustellen. Das Kegelrad 134 zusammen mit dem Untersetzungskegelrad 136 liefer eine zweite Drehzahluntersetzungsstufe. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rotiert die Antriebswelle 130 mit etwa 8.000 U/min. während die rohrförmige Zahnradabstützstruktur 138 mit etwa 2.300 U/min rotiert.
Eine Sonnenradstruktur 140 ist um den Rotormast 112 angeordnet und ist an einem unteren Endbereich davon an einer inneren Oberfläche der rohrförmigen Zahnradabstützstruktur 138 befestigt. Die Sonnenradstruktur 140 kämmt an einem oberen Ende davon mit einem Planetenrad 142, das auch mit einem Leerlauf-Innenringrad 144 kämmt, welches konzentrisch um das Sonnenrad 140 angeordnet ist, und an dem Gehäuse 108, beispielsweise bei 146, befestigt ist. Das Planetenrad 142 ist von einem Planetenträger 148 getragen, der wiederum starr mit dem Rotormast 112 verbunden ist und mittels geeigneter reibungsverringernder Lager, wie bei 149, relativ zu dem Gehäuse 108 gelagert ist. Der vorangehend beschriebene Planetenradzug liefert eine dritte Drehzahluntersetzungsstufe. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rotiert die Sonnenradstruktur 140 gemeinsam mit der rohrförmigen Zahnradabstützstruktur 138 mit etwa 2.300 U/min. während der Rotormast 112 mit etwa 4.000 U/min rotiert.
Die rohrförmige Zahnradabstützstruktur 138 ist an ihrem unteren Endbereich mit einem Kegelrad 150 versehen, welches an einer Seite des Rotormasts 112 mit einem zugehörigen Untersetzungskegelrad 152 kämmt, das fest an der Heckrotorantriebswelle 153 angeschlossen ist- und an der anderen Seite des Rotormasts 112 mit einem zweiten zugehörigen Untersetzungskegelrad 154 kämmt, welches fest an einer Antriebswelle 156 für Hilfsgeräte angebracht ist. Lager 158 und 160 sind vorgesehen, um die Heckrotorantriebswelle 153 bzw. die Antriebswelle 156 für Hilfsgeräte relativ zu dem Gehäuse 108 zu lagern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rotiert die rohrförmige Zahnradabstützstruktur 138 mit etwa 2.300 U/min. während die Heckrotorantriebswelle mit etwa 6.000 U/min rotiert.
Aus dem Vorangehenden kann man erkennen, dass die rohrförmige Zahnradabstützstruktur 138 als ein Mehrfach-Ausgangsgetriebe arbeitet, um Leistung von der Antriebswelle 130 auf den Rotormast 112, die Heckrotorantriebswelle 153 und die Antriebswelle 156 für Hilfsgeräte zu übertragen.
Man erkennt, dass der Rotormast 112 von einer starren Befestigung abgestützt sein kann oder alternativ von einer geeigneten flexiblen Struktur abgestützt sein kann, die an der Hubschrauberzelle angebracht ist.
Außerdem versteht man, dass die Gasturbinenmaschine mit einem axialen Lufteinlass an Stelle des vorangehend beschriebenen radialen Lufteinlasses 116 vorgesehen sein kann. Im Falle eines axialen Lufteinlasses könnte der Verdichterabschnitt der Gasturbinenmaschine vor dem Rotormast 112 und der Turbinenabschnitt dahinter angeordnet sein.
Man versteht auch, dass mehr als eine Gasturbinenmaschine 102 vorgesehen sein können und dass auch mehr oder weniger als drei Drehzahluntersetzungsstufen verwendet werden können.
Die vorangehend beschriebene Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung liefert eine optimale Kosten- und Gewichtsverringerung, indem all die von dem Triebwerk angetriebenen Bauteile und die von dem Hubschraubergetriebe angetriebenen Bauteile innerhalb einer einzigen Einhüllenden angeordnet sind, die von dem fest miteinander verbundenen Triebwerksgehäuse 104 und Getriebegehäuse 108 gebildet ist. Das trägt vorteilhaft dazu bei, die Hubschraubernutzlast zu erhöhen. Außerdem kann lediglich ein Ölsystem (nicht gezeigt) an Stelle von zwei separaten Systemen verwendet werden.

Claims

1. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) zum Antreiben von angetriebenen Bauteilen eines Drehflüglerflugzeugs mit einem Rotormast (112) und einer Zelle, aufweisend ein Gasturbinenmaschine (102) zum Erzeugen von mechanischer Leistung, wobei die Gasturbinenmaschine (102) in einem Triebwerksgehäuse (104) angebracht ist, und ein einziges Getriebe (106), das mit dem Triebwerksgehäuse (104) integriert ist und direkt mit der Gasturbinenmaschine (102) verbunden ist, zum Übertragen von Leistung von der Gasturbinenmaschine (102) auf angetriebene Komponenten des Drehflüglerflugzeugs,

wobei das Getriebe in einem Getriebegehäuse (108) angebracht ist, wobei das Getriebegehäuse (108) und das Triebwerksgehäuse (104) miteinander als eine einzige Einheit integriert sind, die daran angepasst ist, an der Zelle angebracht zu werden, wobei der Schwerpunkt der Gasturbinenmaschine (102) dem Ausgang des Getriebes (106) benachbart angeordnet ist, und so effektiv die Installationslänge der Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) verringert ist.

2. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Getriebegehäuse (108) und das Triebwerksgehäuse (104) modular zusammengebaut sind, um eine einzige Einheit zu bilden.

3. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 2, wobei das Getriebegehäuse (108) und das Triebwerksgehäuse (104) lösbar miteinander verbunden sind.

4. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Gasturbinenmaschine (102) eine Hauptwelle (124) aufweist, die relativ zu dem Triebwerksgehäuse (104) gelagert ist, und wobei das Getriebe (106) ein Mehrfach-Ausgangsgetriebe aufweist, welches relativ zu dem Getriebegeheuse (108) gelagert ist, wobei die Hauptwelle (124) mit einem Eingang (136) des Mehrfach-Ausgangsgetriebes antriebsmäßig verbunden ist, um gleichzeitig mechanische Leistung auf den Rotormast (112) und andere angetriebene Komponenten des Drehflüglerflugzeugs zu übertragen.

5. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 4, wobei das Mehrfach-Ausgangsgetriebe um den Rotormast (112) des Drehflüglerflugzeugs drehbar angebracht ist.

6. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 5, wobei die Hauptwelle (124) mit dem Eingang (136) des Mehrfach-Ausgangsgetriebes durch eine Antriebswelle (130) mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende verbunden ist, die jeweils relativ zu dem Triebwerksgehäuse (104) bzw. zu dem Getriebegehäuse (108) gelagert sind.

7. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 6, wobei das Mehrfach-Ausgangsgetriebe ein erstes den Ausgang bildenden Teil eines Planetenradzugs (140, 142, 144, 148) hat, der verwendet wird, um mechanische Leistung auf den Rotormast (112) des Drehflüglerflugzeugs zu übertragen.

8. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 7, wobei der erste Ausgang ein Sonnenrad (140) ist, welches mit einem Planetenrad (142) kämmt, das wiederum mit einem Ringrad (144) kämmt, das an dem Getriebegehäuse (108) befestigt ist und konzentrisch relativ zu dem Sonnenrad (140) angeordnet ist, wobei das Planetenrad (142) von einem Planetenträger (148) getragen ist, der mit dem Rotormast (112) des Drehflüglerflugzeugs zur Rotation mit diesem verbunden ist.

9. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 7, wobei das Mehrfach-Ausgangsgetriebe ferner mit einem zweiten Ausgang (150) versehen ist, der eine gemeinsame Antriebsquelle für die anderen Antriebskomponenten des Drehflüglerflugzeugs als den Rotormast (112) bildet.

10. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 4, wobei eine Kupplung (132) zum selektiven Entkoppeln der Hauptwelle (124) von dem Getriebe (106) vorgesehen ist.

11. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Gasturbinenmaschine (102) einen radialen Lufteinlass (116) hat.

12. Kraftanlagen- und Getriebe-Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Drehflüglerflugzeug ein Hubschrauber ist.