CN101963073B - 具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮，涉及涡轮发动机技术，包括导向器、内轴、外轴、轴承和内、外机匣；其包括单个或多个悬臂、涡轮盘；其还包括多个悬垂转子叶片、非悬垂转子叶片、辐条。多个悬垂转子叶片固定在悬臂的上游内壁面，构成悬垂转子叶栅。悬臂跨过非悬垂转子叶片的顶部，固接于辐条外端。辐条的内端固接于内轴末端。悬臂和辐条把悬垂转子叶片从燃气获得的扭矩传递给内轴，驱动风扇或低压压气机。外轴由多个非悬垂转子叶片构成的非悬垂转子叶栅驱动，与内轴转向相反。多个悬臂可以被串联，此时涡轮内、外轴分别由多排悬垂转子叶栅、非悬垂转子叶栅驱动，且内、外轴转向相反。本发明可减少涡轮导向器排数，提高发动机推重比。

Description

具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮

技术领域

本发明涉及涡轮发动机技术领域，是一种对转涡轮，更具体的说，是一种具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮。

背景技术

经过半个多世纪的发展，航空发动机的常规技术已经相当成熟，通过常规方式改进部件来提高发动机的性能越来越困难，进一步提高发动机的性能必须要有新的思路。对转发动机是目前发展前景较好且实际应用条件较成熟的发动机，它使用的对转涡轮具有2个或2个以上的转子，分别安装在回转轴线重合的内、外轴上，燃气依次流经各叶栅推动相邻转子相对逆向旋转并输出功率。对转发动机的特点是：1)减小了导向叶片弯角或取消了相邻对转级之间的一排导向器，减小了流动损失，降低了成本，提高了推重比。2)双轴对转抵消了陀螺力矩，提高了动力系统的机动性和可靠性。然而，目前的航空发动机使用的对转涡轮还存在以下有待解决的问题：

a、当前的对转涡轮仅在一个交界面上发生对转，最多只能省去一排导向器，当涡轮级数不多时，重量能有效降低，当涡轮级数较多时，仅实现了陀螺力矩的减小，降低的重量却不够明显。

b、大涵道比要求内轴转子实现较大的出功量，在内轴转速和单级膨胀比的限制下，内轴转子需要具有较多的低压涡轮级。如何在低的内轴转速下，以尽可能少的级数保证风扇耗功的需要，是当前对转涡轮需要解决的问题。

c、在级间无导叶对转风扇中，下游叶片的气流进口相对速度较大，其流道中不可避免的会存在超音截面。这样，对转涡轮需实现用无超音截面的流动满足出功要求，以避免发动机流道内出现2个超音截面所导致的调节难度增大。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮，在各推力等级、不同涵道比的发动机上实现单排导向器，或多排导向器的数量减少，从而减少发动机的轴向长度并提高其推重比。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮，其包括导向器、内轴、外轴、轴承和内、外机匣；其包括单个或多个悬臂、涡轮盘；还包括多个悬垂转子叶片、非悬垂转子叶片、辐条：其中：

悬臂呈环形筒状，是与内轴、外轴共一轴线的空心薄壁旋转体，其母线由涡轮的通流设计结果决定；

多个悬垂转子叶片均沿径向放置，各个叶片的外端沿周向均匀固定在悬臂上游内壁面上，构成一排悬垂转子叶栅；

悬臂跨过非悬垂转子叶片的顶部，悬臂下游末端固定在多个辐条的外端上，每个辐条的内端固定在内轴的末端上，把悬垂转子叶片从高温高压燃气获得的扭矩传递给内轴，驱动风扇或低压压气机。

所述的具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮，其所述多个悬臂，至少为两个，相互间串联固接，此时内轴由排数等于悬臂个数的悬垂转子叶栅驱动，外轴由排数不小于悬臂个数的非悬垂转子叶栅驱动，悬垂转子叶栅与非悬垂转子叶栅的转向均相反。

利用本发明提供的具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮不仅使驱动内轴的转子叶片能够位于相邻外轴转子叶片之间，实现了多排转子叶栅对转，减少多排涡轮导向器，而且使悬垂转子叶片优先获得了入口温度较高的燃气，使大涵道比发动机的风扇能够用较少级数的悬垂转子叶栅通过内轴驱动。

附图说明

图1为本发明一种具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮的第一实施例的结构简图；

图2为图1中A-A线剖视图，为实施例移去导向器和部分外机匣后的立体图；

图3为本发明的第二实施例，以串联两个悬臂的方式增加具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮级数的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮，包括导向器、内轴、外轴、轴承和内、外机匣；其包括单个或多个悬臂、涡轮盘；其还包括多个悬垂转子叶片、非悬垂转子叶片、辐条。

其中，导向器固定在内外机匣之间。

内轴通过轴承固定在内、外机匣上，外轴通过中介轴承固定在内轴上；内轴与外轴共一轴线。

悬臂呈环形筒状，是与内轴、外轴共一轴线的空心薄壁旋转体；其母线沿流向从前到后一般是扩张型，由涡轮热态子午流道的设计尺寸决定；

根据涡轮出功量的需要，涡轮中的悬臂可以是单个，也可以是被串联起来的多个；

当多个悬臂串联时，相邻悬臂通过焊接或者螺栓连接。

所述多个悬垂转子叶片均沿径向放置，各个叶片的外端沿周向均匀的用榫接、焊接或整体叶盘的方式固定在悬臂上游内壁面上，构成一排悬垂转子叶栅；

当多个悬臂串联时，与只有单个悬臂时一样，每个悬臂的上游内壁面均安装一排悬垂转子叶栅。

涡轮盘固定在外轴上。

所述多个非悬垂转子叶片均沿径向放置，各个叶片的内端沿周向均匀的用榫接、焊接或整体叶盘的方式固定在涡轮盘外缘上，构成一排非悬垂转子叶栅，与悬垂转子叶栅的转向相反；

非悬垂转子叶栅的上端壁是与其反向旋转的悬臂的内壁面，即悬臂跨过非悬垂转子叶栅；每排悬垂转子叶栅的下游必有一排与之相邻的非悬垂转子叶栅；

当多个悬臂串联时，与只有单个悬臂时一样，每个悬臂均跨过一排非悬垂转子叶栅；此时悬垂转子叶栅与非悬垂转子叶栅在轴线上交错排列，外轴由至少两排非悬垂转子叶栅驱动，各非悬垂转子叶栅与悬垂转子叶栅的转向相反。

当M(M为大于1的自然数)个悬臂串联时，可以布置N(N为大于M的自然数)排非悬垂转子叶栅布置在涡轮流道中。此时，(N-M)排非悬垂转子叶栅位于流道的最前端；与传统同转涡轮一样，(N-M)中的各排非悬垂转子叶栅前均需设置一排导向器；剩下的M排悬垂转子叶栅和非悬垂转子叶栅沿流向位于第(N-M)排非悬垂转子叶栅之后，并如上述多个悬臂串联时的方法在轴线上交错排列。此时，外轴由N排非悬垂转子叶栅驱动，内轴由M排悬垂转子叶栅驱动。这样，本发明实现了单排导向器，或多排导向器的数量减少。

多个辐条分别沿周向均匀的径向放置，每一辐条的外端与悬臂固接，内端与内轴固接；工作时，多个辐条不仅把悬垂转子叶片从高温高压燃气获得的扭矩传递给内轴，驱动风扇或低压压气机，而且把非悬垂转子叶片受到的轴向推力传递给内轴；

当多个悬臂串联时，沿流向排列的最后一个悬臂固定在辐条上。此时辐条支撑串联起来的多个悬臂及固定在各个悬臂上的悬垂转子叶栅，使内轴由排数等于悬臂个数的悬垂转子叶栅驱动。

下面结合附图和具体实施例对本发明的具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮进行详细说明。

由图1、2可见，该实施例为具有悬垂转子叶片结构的1+1/2对转涡轮(1的含义是包含导向器和转子叶栅的1个级，1/2的含义是只包含转子叶栅的1个级)。在内机匣5和外机匣9之间固定有导向器8。多个悬垂转子叶片10榫接于悬臂12的上游内壁面，构成悬垂转子叶栅。螺钉7将轮毂6固定在外轴2上，构成悬垂转子叶栅的下端壁。涡轮盘11固定在外轴2上，是螺栓4顺序穿过涡轮盘11上的通孔、外轴2上相对应的通孔后，以螺母固紧相接。多个非悬垂转子叶片13榫接于涡轮盘11的外边缘上，构成非悬垂转子叶栅。悬臂12外壁面后部有与辐条15相同个数的、沿周向均匀分布的凸台28，凸台28上设有一轴向通孔。多个辐条15的内、外端均设有一轴向通孔。凸台28固定在辐条15上，是螺栓14顺序穿过凸台28上的通孔、辐条15外端相应的通孔后，以螺母固紧相接。辐条15固定在内轴1上，是螺栓16顺序穿过辐条15内端的通孔、内轴相对应的通孔后，以螺母固紧相接，使悬垂转子叶栅从高温高压燃气获得的扭矩能够被传递给内轴1。螺钉18将内机匣19的径向支板17固定在外机匣9上。内轴1通过止推轴承20获得内机匣19的支撑，外轴2通过中介轴承3获得内轴1的支撑。悬垂转子叶栅、非悬垂转子叶栅分别驱动内轴1、外轴2以相反的方向旋转。

由图3可见，该实施例为通过串联两个悬臂实现的具有悬垂转子叶片结构的1/2+1/2+1/2+1/2对转涡轮。悬臂27外壁面后部设有与辐条15个数相同的凸台31，凸台31设有一轴向通孔。凸台31固定在辐条15的外端上，是螺栓14顺序穿过凸台31上的通孔、辐条15外端相对应的通孔后，以螺母固紧相接。悬臂27外壁面前部设有与其后部凸台31相同个数的凸台30，凸台30设有一轴向通孔。悬臂22外壁面后部设有与悬臂27外壁面前部相同个数的凸台29，凸台29设有一轴向通孔。悬臂27、22相串联，是螺栓26顺序穿过凸台29上的通孔、凸台30上相对应的通孔，用螺母固紧相接。多个悬垂转子叶片21榫接于悬臂22的上游内壁面。多个悬垂转子叶片10榫接于悬臂27的上游内壁面。多个非悬垂转子叶片24、13分别榫接于涡轮盘23、11的外边缘上。涡轮盘23、11固定在外轴2上，是多个螺栓4分别轴向顺序穿过涡轮盘11上的通孔、外轴上的通孔、管状定距环25、及涡轮盘23上的通孔后，以螺母固紧相接；多个螺栓4沿周向均匀分布。转子叶片21、24、10和13构成的多排转子叶栅沿燃气流向依次布置在涡轮流道中，构成第1～4级转子叶栅。固定在外轴2上的每排非悬垂转子叶栅，与它相邻的上游悬垂转子叶栅反向旋转。

Claims (2)

1.一种具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮，其特征在于：所述的具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮包括导向器、内轴、外轴、轴承和内、外机匣；所述的具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮包括单个或多个悬臂、涡轮盘；还包括多个悬垂转子叶片、非悬垂转子叶片、辐条，其中：

悬臂呈环形筒状，是与内轴、外轴共一轴线的空心薄壁旋转体，其母线由涡轮的通流设计结果决定；

多个悬垂转子叶片均沿径向放置，各个叶片的外端沿周向均匀固定在悬臂上游内壁面上，构成一排悬垂转子叶栅；

悬臂跨过非悬垂转子叶片的顶部，悬臂下游末端固定在多个辐条的外端上，每个辐条的内端固定在内轴的末端上，把悬垂转子叶片从高温高压燃气获得的扭矩传递给内轴，驱动风扇或低压压气机。

2.根据权利要求1所述的具有悬垂转子叶片结构的对转涡轮，其特征在于：所述多个悬臂，至少为两个，相互间串联固接，此时内轴由排数等于悬臂个数的悬垂转子叶栅驱动，外轴由排数不小于悬臂个数的非悬垂转子叶栅驱动，悬垂转子叶栅与非悬垂转子叶栅的转向均相反。

Images