CN102822473A - 具有平行轴的涡轮轴发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有自由涡轮的涡轮轴发动机，一方面，所述涡轮轴发动机包括气体发生器、燃烧腔(5)以及至少一个发生器涡轮(7)，所述气体发生器包括至少一个被提供了空气的压缩机(1)，所述燃烧腔在所述压缩机(1)的输出口接收压缩空气，所述至少一个发生器涡轮通过驱动轴(15)机械连接到所述压缩机，并由在所述燃烧腔(5)中执行的燃料燃烧所产生的气体所驱动，另一方面，所述涡轮轴发动机包括自由涡轮(11)，所述自由涡轮被提供了燃烧产生的通过了所述发生器涡轮(7)之后的气体，驱动相对于气体发生器的驱动轴(15)非同轴定位的通过减速箱(13)提供涡轮轴发动机动力的动力轴(12)。根据本发明，燃烧腔(5)是大致圆筒形或截头锥形的，与发生器涡轮的轴线同轴，并包括单个喷嘴(6)。

Description

具有平行轴的涡轮轴发动机
技术领域
本发明涉及航空推进，具体涉及具有气体发生器和自由涡轮的涡轮轴发动机。
背景技术
涡轮发动机通常用于航空器推进，尤其用于旋转翼航空器或直升机的推进和爬升。这些发动机包括由压缩机、环形燃烧腔和公知为发生器涡轮(generator turbine)的涡轮所组成的气体发生器，涡轮通过公知为发生器轴的轴驱动压缩机。气体发生器通常是单线轴气体发生器，也就是说，气体发生器只包括一个压缩机和单个涡轮，压缩机和涡轮由单个轴所连接，但气体发生器还可以是多线轴气体发生器，也就是说，该气体发生器可以包括多个压缩机和多个涡轮，每个压缩机均通过特定的轴连接到一个涡轮。然后，将离开气体发生器的气体送到已知为自由涡轮的第二涡轮，第二涡轮与和气体发生器的轴不同的动力轴相结合，这提供了推进所需的动力。该动力轴驱动连接到直升机的主变速箱(或MGB，main gearbox)的减速箱，主变速箱驱动主转子和反向转矩转子的毂。这个减速组件通常集成到航空器发动机正好工作所必需的装置的副变速箱。
为了使结构简单，自由涡轮通常位于最后一个气体发生器涡轮的下游，自由涡轮所驱动的轴与该气体发生器的轴同轴。动力轴的退出走向是发动机的尾部，或者可替换地，通常情况是与该气体发生器的轴同心并向前部返回。为了紧凑性和/或便于进入，这种配置使得可以将减速箱和副变速箱定位在与该气体发生器的空气进气口相同的位置上。
具有同心轴的发动机，例如在英国专利GB 594207中描述的那种发动机，具有结构复杂、难以制造的缺陷，这使得难以以较低的成本制造这些发动机。由于燃烧腔的环形结构增大了燃烧腔的复杂度，这同样妨碍降低成本，这种环形形状需要大量的喷射点，这使得在小型发动机中引入减少氮氧化物排放技术变得复杂。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种小型涡轮轴发动机来改善这些缺陷，该涡轮轴发动机未显现现有涡轮轴发动机的某些问题，并具有简单的设计来减少生产成本，同时可以并入减少氮氧化物NOx排放物的装置。
为了实现这个目的，本发明提供了一种具有自由涡轮的涡轮轴发动机，一方面，该涡轮轴发动机包括气体发生器、燃烧腔以及至少一个发生器涡轮，气体发生器包括至少一个提供有空气的压缩机，燃烧腔接收离开所述压缩机的压缩空气，发生器涡轮通过驱动轴机械连接到所述压缩机，并由在所述燃烧腔中执行的燃料燃烧所产生的气体驱动，所述涡轮发动机还包括自由涡轮，该自由涡轮被提供了所述燃烧产生的、通过所述发生器涡轮之后的气体并驱动动力轴，该动力轴定向为与所述气体发生器的驱动轴不同轴并通过减速箱向涡轮轴发动机提供动力，所述涡轮轴发动机的特征在于，所述燃烧腔是大致圆筒形腔或截头锥形腔，与所述发生器涡轮的轴同轴，并包括单个喷嘴。
同轴的轴意思是，两个轴中的一个轴位于另一个轴的延长线上，不管它们的相对旋转方向。
轴的这种布置为发动机的这两个部件的布置提供了极大的灵活性，使得可以选择“单室”燃烧腔，也就是说，大致圆筒形或截头锥形的燃烧腔具有放置在所述圆筒形或截锥形的中心的单个喷嘴，这使得可以容易地集成能够减少氮氧化物形成的喷射系统。与发生器涡轮的轴线同轴的燃烧腔具有不占用过大体积的优点，过大体积与本发明所寻求的一个目的不兼容，也就是产生小型涡轮轴发动机的目的不兼容。另外，离开燃烧腔的气体被直接送到发生器的涡轮，这就不需要腔底部(chamber bottom)的出现，否则，需要一个调整气流的并需要得到冷却的腔底部。由于在现代发动机中离开燃烧腔的气体的温度非常高，本发明要求保护的配置避免了这种特别难以实现的操作。
动力轴的定向优选平行于所述驱动轴。这种布置使得发动机非常紧凑。更优选的是，减速箱与副变速箱结合，减速箱与副变速箱在纵向方向上大致与压缩机的进气口相同。采用这种方式更进一步地改善了紧凑性，减速箱/副变速箱组件位于相对较冷的区域。
燃烧腔优选包括合并了LPP(lean premixed prevaporized，预混燃烧)技术的喷嘴。燃烧腔的圆筒形或截头锥形形状容许安装这种类型的喷嘴，这种喷嘴的体积相对较大，但对于减少氮氧化物排放物是最优的。
在一个实施例中，燃烧腔的出口定向朝向压缩机。这种配置有助于提高发动机的紧凑性。
优选地，燃烧所产生的气体由位于发生器涡轮下游的环形收集器所收集，以传输到位于自由涡轮上游的环形分配腔。
优选地，将减速箱/副变速箱箱体和气体发生器箱体结合在单个箱体中。这种方式有助于用于对组件进行润滑的装置的设计，单个箱体会更轻，成本更低。
在一个特定实施例中，气体发生器是包括高压压缩机和低压压缩机以及高压涡轮和低压涡轮的多线轴发生器，高压涡轮和低压涡轮分别通过高压驱动轴和低压驱动轴驱动高压压缩机和低压压缩机，由自由涡轮驱动的动力轴不与所述发生器的高压驱动轴同轴，而燃烧腔与高压驱动轴同轴。
在多线轴涡轮轴发动机的情况下，优选动力轴与低压驱动轴同轴。更优选的是，低压驱动轴是中空的，动力轴从其中通过。
在特定的实施例中，涡轮轴发动机具有高速交流发电机，和/或位于气体离开自由涡轮和空气离开压缩机的位置之间的热气体/压缩空气热交换器。
本发明还涉及包括至少一个上述装置涡轮轴发动机。
附图说明
通过下文对借助于非限定性实施例给出的本发明的多个实施例进行的详细的解释性说明，可以更好地理解本发明，同时，本发明的其他目的、详细情况、特征以及优点变得更加明显，这些说明是参照所附的示意性附图进行的，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮轴发动机的示意性剖视图；
图2是根据本发明的一个实施例所生产的具有自由涡轮的双线轴涡轮轴发动机的原理图；
图3是根据本发明的用于在涡轮轴发动机的两部分之间传输气体的管道的示意图。
具体实施方式
图1是具有自由涡轮、由并排放置的两部分构成的涡轮轴发动机的剖视图，第一部分包括组成气体发生器的所有部件，第二部分组合了组成自由涡轮和减速箱的元件。第一部分包括在图1中以离心压缩机形式示出的压缩机1，空气通过进气口2进入压缩机1，压缩机1将压缩气体排入排气涡管3。涡管3布置在环绕压缩机1的环上，涡管3具有持续增大的截面，用于收集压缩气体，并通过上游传输管道4将压缩气体送入圆筒形燃烧腔5，在燃烧腔5中，压缩气体参与喷油嘴6所喷射进来的染料的燃烧。燃烧产生的气体在通过发电机轴15连接到压缩机1的发电机涡轮7中经受第一次膨胀，然后在环形收集器8中被收集，以被传送到发动机的第二部分。气体发生器的需要润滑的旋转部件，例如轴承或齿轮，包含在气体发生器箱体17中。
在离开发电机涡轮7时，气体从环形收集器8通过下游传输管道9传输到位于自由涡轮上游的分配腔10，图1中示意性地示出了这种情况，而在图3中更详细地示出了这种情况。
气体离开分配腔10后经过自由涡轮11，在自由涡轮11中，气体经受了第二次膨胀，将它们的能量提供给了自由涡轮。自由涡轮安装在动力轴12，动力轴12重新获得气体所提供的能量。动力轴12耦接到减速箱13以降低它的旋转速度并通过齿轮轴14将动力传递给直升机的主变速箱(未示出)。减速箱/副变速箱包含在变速箱箱体16中。
如图1所示，构成涡轮轴发动机的这两个部分并列地布置，使得需要润滑的机械部分组合在同一个区域中。变速箱箱体16和气体发生器箱体17构成了同一个箱体，这有助于对所有这些部件进行润滑，并可以减少这个部件的总质量。
由于所选的将涡轮轴发动机分成两部分的结构，与现有技术的发动机机壳不同的是，燃烧腔5不具有通过其中的驱动轴15。消除与这个轴的出现相关的约束为燃烧腔的可采用形式提供了新的可能性，特别是可以采用如图1所示的圆筒形提供了可能性。而且，出气口1的定向朝向压缩机1，展示了从现有技术发动机的出气口的相反的定向。从而，驱动轴可以显著地变短，从而易于制造，并减轻了质量。
现在参照图2对第二实施例进行说明，在这个实施例中，本发明应用于双线轴涡轮轴发动机。在这种情况下，气体发生器的高压线轴和低压线轴的两个发生器轴15和25不是同轴的。另一方面，低压线轴25是中空的，自由涡轮的动力轴12从其中通过。
在第二实施例中，涡轮轴发动机以与上文在第一实施例中描述的操作相似的方式进行工作，通过进气口吸入空气，并在低压压缩机21对空气进行压缩。然后，通过第一上游传输管24将空气传输到高压压缩机1中。在由高压压缩机所操作的第二次压缩操作之后，空气通过第二上游传输管4被传输到圆筒形燃烧腔5中，并参与通过喷嘴6引入到所述燃烧腔的燃料的燃烧中。燃烧之后，气体在借助高压驱动轴15机械连接到高压压缩机1的高压涡轮7中膨胀，并通过下游传输管9进入位于低压涡轮上游的分配腔中。从分配腔出发，空气通过借助低压轴25驱动低压压缩机21的低压涡轮27。与上文相同的是，在离开低压涡轮后，气体被送到驱动动力轴的自由涡轮11。
在图2所示的配置中，动力轴12通过真空低压驱动轴25进入减速箱13。相反，高压驱动轴机械独立旋转，在机械上独立于其他两个轴。只要低压轴的旋转速度相对较低并与动力轴12的旋转速度值相当，本文中的在低压驱动轴25内旋转动力轴12并不带有在现有技术中的具有同轴的单线轴涡轮轴发动机所遇到的问题。
从而，本发明所涉及的涡轮轴发动机显示了下列优点，尤其是：
第一轴线上的气体发生器以及与第一轴线不同轴的第二轴线上的自由涡轮；
“单室”燃烧腔，该燃烧腔在形状上基本上是圆筒形的或者截头锥形的，相对于气体的流动方向位于气体发生器的下游，并具有单个喷嘴；
用于气体发生器的润滑旋转部件以及主变速箱的单箱体。
上述配置具有多个优点。
首先，通过选择气体发生器的润滑部件、减速箱以及副变速箱的共用箱体，然后，选择单室燃烧腔，最后，不采用同心轴，这种配置有助于实现涡轮轴发动机的低成本设计。
通过选择使气体发生器的位置和与自由涡轮结合的组件平行，以及通过由自由涡轮和减速箱所组成的组件的深度集成，有助于将发动机集成在直升机中。这使得涡轮轴发动机比现有技术中的发动机更紧凑。
另外，如果像现有技术中的具有同轴线的轴的发动机那样，继续将减速箱定位在直升机的冷却区域，使之固定在将空气吸入气体发生器的一侧而不是废气排出侧，会影响集成。
采用两个容易分离部件的设计，一个部件用于气体发生器，一个部件用于自由涡轮和附件的驱动，为涡轮轴发动机提供了模块化结构，有助于维护和减少维护成本。
由于气体发生器的另一个轴并不通过气体发生器的驱动轴15(或者在多线轴发动机情况下的高压驱动轴)，气体发生器的驱动轴15可以具有较小的直径，并因此在机械强度和质量上得到优化。
最后，发动机保持空气进气口和排气口相对于发动机朝向轴向，这不再需要用于缓和气流的涡管并防止由此所导致的输出损耗。
另外，这种发动机配置与各种改善涡轮轴发动机操作的附件兼容，例如，可以减少特定消耗2％-3％的高速交流发电机或启动器交流发电机、合并了LPP(lean premixed prevaporized，预混燃烧)减少氮氧化物排放技术的喷嘴6(体积相对较大，但使得可以采用燃烧腔5的尺寸和圆筒形或截头锥形形状)、或布置在排气口的通过对离开压缩机1(在多线轴涡轮轴发动机的情况下为低压压缩机21)的空气进行再加热减少大约10％的消耗的热交换器。假设消除了位于气体发生器中心的动力轴，并使这些附件相对于所述气体发生器的轴线偏移，涡轮轴发动机的这种具有平行轴的通常配置极大地有助于这种装置的安装。
尽管已经用多个特定实施例对本发明进行了说明，但很显然，本发明并不局限于此，本发明覆盖了所有结合落入本发明范围的技术组合所描述的装置的技术等价物。

Claims (13)

1.一种具有自由涡轮的涡轮轴发动机，所述涡轮轴发动机包括气体发生器、燃烧腔(5)以及至少一个发生器涡轮(7)，所述气体发生器包括至少一个被提供了空气的压缩机(1)，所述燃烧腔(5)接收离开所述压缩机(1)的压缩空气，所述至少一个发生器涡轮(7)通过驱动轴(15)机械连接到所述压缩机(1)并由所述燃烧腔(5)中所进行的燃料的燃烧产生的气体所驱动，所述涡轮轴发动机还包括自由涡轮(11)，所述自由涡轮被提供了所述燃烧产生的通过了所述发生器涡轮(7)之后的气体，所述自由涡轮驱动动力轴(12)，所述动力轴的朝向与所述气体发生器的驱动轴(15)不同轴并通过减速箱(13)提供涡轮轴发动机动力，所述涡轮轴发动机的特征在于：
燃烧腔(5)是大致圆筒形或截头锥形的腔，与所述发生器涡轮轴线同轴，并包括单个喷嘴(6)。
2.根据权利要求1所述的涡轮轴发动机，其中，所述动力轴的定向平行于所述驱动轴(15)。
3.根据权利要求2所述的涡轮轴发动机，其中，减速箱与副变速箱结合，减速箱和副齿轮箱的位置在纵向方向上大致与所述压缩机(1)的进气口的位置相同。
4.根据权利要求3所述的涡轮轴发动机，其中，减速箱/副变速箱(16)的箱体和气体发生器(17)的箱体结合成单个箱体。
5.根据权利要求1所述的涡轮轴发动机，其中，所述燃烧腔(5)包括合并了LPP(Lean Premixed Prevaporized，预混燃烧)技术的喷嘴(6)。
6.根据权利要求1至5中的任何一项权利要求所述的涡轮轴发 动机，其中，燃烧腔(5)的出口的定向朝向所述压缩机(1)。
7.根据权利要求1至6中的任何一项权利要求所述的涡轮轴发动机，其中，燃烧所产生的气体由位于所述发生器涡轮(7)下游的环形收集器(8)所收集，以将气体传输到位于所述自由涡轮(11)上游的环形分配腔(10)。
8.根据权利要求1至7中的任何一项权利要求所述的涡轮轴发动机，其中，所述气体发生器是包括高压压缩机(1)和低压压缩机(21)以及高压涡轮(7)和低压涡轮(27)的多线轴发生器，高压压缩机和低压压缩机分别通过高压驱动轴(15)和低压驱动轴(25)驱动高压涡轮和低压涡轮，由自由涡轮(11)驱动的动力轴(12)不与所述气体发生器的高压驱动轴(15)同轴，所述燃烧腔与所述高压驱动轴(15)同轴。
9.根据权利要求8所述的涡轮轴发动机，其中，所述低压驱动轴(25)是中空的，所述动力轴(12)从中通过。
10.根据权利要求9所述的涡轮轴发动机，其中，所述动力轴(12)和所述驱动轴(25)是同心的。
11.根据权利要求1至10中的任何一项权利要求所述的涡轮轴发动机，其中，在所述涡轮轴发动机上固定有高速交流发电机。
12.根据权利要求1至11中的任何一项权利要求所述的涡轮轴发动机，其中，在所述气体离开所述自由涡轮(11)和空气离开所述压缩机(1)的位置之间配备有热气体/压缩空气热交换器。
13.一种航空器，所述航空器由权利要求1至12中的任何一项权利要求所述的涡轮轴发动机所推进。 
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