CN103119255B - 涡轮轴发动机的非润滑架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于直升机(200)的涡轮发动机(100)，所述直升机包括主变速箱(202)、转子(204)以及减速器装置(206)，所述减速器装置完全容纳在直升机的主变速箱(202)中，同时还连接至所述转子，涡轮发动机包括箱体(102)、燃气发生器(114)以及自由涡轮(124)，所述燃气发生器具有燃气发生器轴(115)，所述自由涡轮由所述燃气发生器产生的燃气流驱动旋转，所述自由涡轮包括自由涡轮轴(128)。根据本发明的涡轮发动机，当涡轮发动机固定到直升机的变速箱时，所述自由涡轮轴在轴向上延伸进入直升机的主变速箱的内部，以直接连接到所述减速器装置。

Description

涡轮轴发动机的非润滑架构
技术领域
本发明涉及燃气涡轮领域，具体涉及用于诸如直升机之类的飞行器的涡轮轴发动机领域。
本发明具体涉及具体用于直升机的涡轮轴发动机，该涡轮轴发动机具有燃气发生器和由燃气发生器产生的燃气气流驱动旋转的自由涡轮。
背景技术
通常来讲，燃气发生器包括至少一个压缩机和涡轮机，压缩机和涡轮机耦接在一起旋转。操作原理如下：进入发动机的新鲜空气由于压缩机的旋转被压缩，之后，被传送到燃烧室中，在燃烧室中，压缩空气与燃料混合。然后，燃烧产生的燃烧过的气体被高速排出。
然后，在燃气发生器的涡轮中发生第一次膨胀，在该膨胀过程中，涡轮吸取驱动压缩机和对于燃气发生器正常工作必要的设备所需的能量。该设备通常位于燃气涡轮的通常包括变速箱的附件箱上。
燃气发生器的涡轮不同燃烧过的气体中吸收任何动能，过量的动能对应于燃气发生器所产生的气流。
从而，燃气发生器将动能传递给自由涡轮，使得在自由涡轮中发生第二次膨胀，自由涡轮将动能转换成机械能，以直接或通过减速器装置驱动接收件，其中，这种接收件可以是直升机的主变速箱(MGB)。
通常，燃气发生器、自由涡轮、附件箱以及有时减速箱均组成了单个被称为涡轮轴发动机的组件的部件，涡轮轴发动机被设计来固定到直升机的底部。
直升机的主变速箱的目的首先是从转子向直升机的整个结构传递升力，其次是通过齿轮减小发动机和转子之间的速度，同时支撑设备的各个零件。主变速箱自身具有润滑系统，该润滑系统包括与发动机中相同的油路部件。
包括在动力减小部分中用于减小自由涡轮和直升机的主变速箱(MGB)之间的速度并合并在发动机中的减速器和附件箱中的齿轮由油路持续地润滑。
这种润滑系统通常包括泵、滤清器总成、管道系统、油箱、压力和温度监控传感器、冷却系统以及排气系统。
可以理解，这种润滑系统非常有约束性。具体来讲，这种润滑系统形成了对于操作人员而言非常麻烦的泄漏源，这需要飞行员确认油料水平。另外，发动机被证明能够在给定时间长度上承受润滑中断。最后，润滑系统非常沉重、昂贵，通常具有污染性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于直升机的涡轮发动机架构，使得可以减小润滑系统的尺寸。
从而，本发明首先提供了一种直升机涡轮发动机，所述直升机包括主变速箱、转子和减速器装置，减速器装置完全容纳在直升机的主变速箱中，而且同时连接至所述转子，所述涡轮发动机包括箱体、具有燃气发生器轴的燃气发生器以及自由涡轮，所述自由涡轮由燃气发生器所产生的气流驱动旋转，所述自由涡轮具有自由涡轮轴，在该涡轮发动机中，当涡轮机发动机固定到直升机的主变速箱中时，自由涡轮轴在轴向上延伸进入直升机的主变速箱，以直接连接到直升机的减速器装置。
从而，可以理解的是，与上述现有技术不同，本发明的涡轮发动机不具有减速器，并优选地不具有附件箱。所述自由涡轮的速度只由容纳在直升机的主变速箱(MGB)中的减速器装置降低。因此，可以理解的是，减速器的齿轮在MGB中由MGB自身的油路润滑，而不是像现有技术那样通常在发动机中润滑。通过本发明，从而可以显著地减少发动机中的润滑。
在现有技术中，自由涡轮轴和燃气发生器轴由滚动轴承导引旋转。这些轴承同样用于吸收这些轴所受到的径向和/或轴向力。在现有技术中，这些轴承同样由润滑系统润滑。
有利地，本发明的涡轮发动机包括至少一个径向上布置在发动机箱体和自由涡轮轴之间的非润滑轴承。例如，可以采用空气轴承。因此，燃气发生器轴的旋转导引不再需要油润滑。
在现有技术中，由齿轮组成的附件箱形成了涡轮发动机的减速器的一部分。附件箱用于驱动燃气发生器正常工作需要的装置，以及还可以驱动直升机所特有的设备，例如空气调节单元或任何其他的附件。再一次，现有技术的附件箱的齿轮由润滑系统润滑。
在本发明中，附件箱有利地合并在MGB中，并机械地连接到燃气发生器。
在一个变型中，齿轮可以由与设备的各个部件相关联的电动机所取代，所述电动机有利地连接至发电机，发电机自身直接连接至燃气发生器轴。可以采用无刷类型的高速发电机。这种发电机使得可以产生对设备的各个部件的电动机进行供电的电能。另外，该电动机不需要油润滑。
在现有技术的涡轮发动机中，自由涡轮轴和燃气发生器轴所受到的轴向力同样由轴承吸收，这些轴承也是由油润滑的。
在本发明中，燃气发生器轴所受到的轴向力由非润滑的轴向邻接装置吸收，所述轴向邻接装置在轴向上布置在燃气发生器轴和箱体之间。所述轴向邻接装置可以是轴向空气轴承，或者，可以是轴向磁力轴承，这两种轴承都是现有技术中已知的。
在一个变型中，燃气发生器受到的轴向力由吸收燃气发生器轴的轴向力的装置所吸收，该装置布置在主变速箱和燃气发生器轴之间，或者在径向上布置在自由涡轮轴和燃气发生器轴之间。用于吸收轴向力的装置优选是润滑的轴向邻接装置，例如，润滑的滚动轴承，这种润滑的轴向邻接装置合并在直升机的主变速箱中。在这种情况下，还提供了密封垫片，该垫片在径向上布置在自由涡轮轴和燃气发生器轴之间，从而防止润滑油进入发动机。
由于本发明的自由涡轮被设计为安全地固定到减速器装置上，还说明了自由涡轮轴所受到的轴向力有利地由直升机的主变速箱所吸收。
从而，可以理解的是，本发明使得可以提供用于涡轮轴发动机的无油架构，即，一种完全不采用任何油润滑系统的架构，从而缓解上述问题。
本发明还提供了一种直升机，所述直升机包括：
主变速箱；
转子；
减速器装置，所述减速器装置完全容纳在主变速箱中，同时连接至所述转子；以及
本发明的涡轮发动机，所述发动机的箱体固定到直升机的主变速箱上，自由涡轮轴在轴向上在所述主变速箱中延伸，并直接连接至所述减速器装置。
有利地，涡轮发动机还包括用于从自由涡轮轴吸收轴向力的装置，该装置容纳在直升机的主变速箱中，并固定到自由涡轮的轴上。
优选地，用于从自由涡轮轴吸收轴向力的装置包括滚动轴承，所述滚动轴承安装在减速器装置和主变速箱之间，所述滚动轴承与主变速箱的轴向接合器配合。另外，自由涡轮轴刚性地固定到减速器装置。对接合器进行定位，以在轴向上保持所述自由涡轮轴，特别是在自由涡轮轴受到的力倾向于在轴向上使自由涡轮轴向涡轮发动机的排气管移动。
为了在直升机主变速箱和发动机箱体之间提供密封，提供了一个或多个在径向上布置在自由涡轮轴和/或燃气发生器轴之间、主变速箱的箱体和/或发动机箱体之间的密封部件，以避免润滑油从主变速箱中泄漏。
最后，所述涡轮发动机优选地包括直接连接到燃气发生器轴的发电机，而且，直升机还包括由所述发电机电力驱动的电气设备。
附图说明
通过阅读下文用非限定性实施例给出的说明，可以更好地理解本发明。说明参照了附图，其中：
图1示出了现有技术的涡轮轴发动机；
图2是本发明的固定到直升机的主变速箱的涡轮发动机的纵向剖面图；
图3是图2的涡轮发动机的自由涡轮的轴的端部与布置在直升机的主变速箱中的减速传动装置之间连接的详细视图；
图4是图2的涡轮发动机的变型的详细视图，其中，来自涡轮发动机的燃气发生器的轴的轴向力由自由涡轮的轴吸收。
具体实施方式
图1是现有技术直升机涡轮轴发动机10的纵向剖视图。该涡轮轴发动机10包括容纳燃气发生器14的箱体12。燃气发生器具有燃气发生器轴15，该燃气发生器轴承载有压缩机叶轮16和高压涡轮18。新鲜空气通过空气入口20进入涡轮轴发动机。然后，新鲜空气先被压缩机16压缩，之后被送入燃烧室22，压缩空气与燃料在燃烧室22中混合。压缩空气与燃料的混合物的燃烧产生气流F，该气流驱动高压涡轮18旋转，反过来又驱动压缩机16。燃气发生器由轴承P1和P2承载，这两个轴承提供了旋转导引，并吸收燃气发生器15所受到的力。通过润滑系统(图中未示出)用油对这些轴承进行润滑。另外，涡轮轴发动机还具有自由涡轮24，该自由涡轮具有固定到自由涡轮轴28的低压涡轮叶轮26。从图1中可以看到，低压涡轮叶轮26位于高压涡轮叶轮18的下游。因此，燃烧后的离开燃气发生器14的气体流驱动自由涡轮轴28旋转。
自由涡轮轴28的端部提供有与齿轮32啮合的齿轮30。这个容纳在涡轮轴发动机的减速器中的齿轮用于减小自由涡轮轴的旋转速度。减速器的出口S用于连接到直升机的主变速箱(图中未示出)。
在该图中可以看到，齿轮30或32由滚动轴承P3至P9承载，这些轴承同样由润滑系统润滑。
由附图标记40表示的副变速箱同样容纳在涡轮轴发动机10的减速器中。副变速箱具有用于将旋转驱动赋予多个部件的齿轮，所述的多个部件对于发动机的正确操作以及对于提供直升机所必须的维护至关重要。副变速箱同样由润滑系统提供的油所润滑。
如上所述，现有技术的涡轮轴发动机离开润滑系统不能工作。
这说明，下文参照本发明的不具有油料润滑的涡轮发动机架构100的图2至图3进行说明。根据本发明，涡轮发动机100，特别是直升机涡轮轴发动机100，包括容纳有燃气发生器114的箱体102，该燃气发生器包括燃气发生器轴115，燃气发生器轴承载有离心压缩机116和高压涡轮叶轮118。涡轮轴发动机100还具有燃烧室120。燃气发生器115由两个非润滑轴承，特别是空气轴承导引旋转，所述的两个非润滑轴承在径向上位于燃气发生器轴和涡轮轴发动机的箱体102之间。这些轴承还用于吸收燃气发生器115所受到的径向力。在图2所示的例子中，燃气发生器115所受到的轴向力FGG由非润滑轴向邻接装置152吸收，非润滑轴向邻接装置152在轴向上位于燃气发生器轴115的肩部115a和箱体102的一部分102a之间。具体地，轴向邻接装置152是空气轴向邻接或磁力轴向邻接。轴向力FGG的方向与新鲜空气被引入涡轮轴发动机的方向相反。
另外，高速发电机154直接连接到燃气发生器115。该发电机是无刷类型的。该发电机用来产生向位于直升机中的电气设备进行供电的电能。
发动机100还具有自由涡轮124，该自由涡轮具有固定到自由涡轮轴128的低压涡轮叶轮126。
自由涡轮轴128的径向力吸收和旋转导引由至少一个非润滑轴承156执行，非润滑轴承156在轴向上位于发动机箱体中，位于箱体102和自由涡轮轴128之间。轴承156优选位于自由涡轮叶轮126附近。具体来讲，轴承156是空气轴承。
从图2中可以看到，发动机100用于固定到直升机200的主变速箱202上，使得自由涡轮轴128在主变速箱202中延伸，这在图3中可以清楚地看到。
同样构成本发明主题的直升机200具有连接到叶片(图中未示出)的转子204以及完全容纳在主变速箱202中的减速装置206。与现有技术不同，发动机100自身不具有用于减少自由涡轮128速度的减速器。
减速装置206首先通过齿轮208、210连接至转子202，然后通过固定到传动齿轮208的连接套筒212连接到自由涡轮轴128。自由涡轮轴128所受到的轴向力FTL有利地由轴向力吸收装置吸收，在本例中，轴向力吸收装置由固定在连接套筒212上并与主变速箱202的轴向邻接216配合的滚动轴承214组成。该轴向邻接吸收了易于使自由涡轮轴128从发动机箱体脱出的轴向力。该滚动轴承214还用于吸收自由涡轮轴和传动齿轮208所受到的轴向力的一部分。
该滚动轴承214由直升机润滑装置润滑。为了避免润滑油泄漏，尤其是泄漏到发动机箱体中，密封垫片218径向地放置在自由涡轮轴128和主减速箱202之间。还在自由涡轮轴218和发动机箱体之间放置了另一个垫片。
参照图4，对图2的涡轮轴发动机的一个变型进行说明，具体来讲，对用于吸收来自燃气发生器轴115的轴向力的装置的变型。在该变型中，滚动轴承170在径向上固定在燃气发生器轴115的一个端部和自由涡轮轴128之间。通过这种结构，燃气发生器轴115受到的力由自由涡轮轴128吸收。由于滚动轴承170被润滑，在燃气发生器轴115和自由涡轮轴128之间提供了密封垫片172，以防止润滑油泄漏。这种变型使得可以忽略非润滑邻接装置152，从而降低发动机的成本。
根据上述说明可以看到，上文所述的涡轮轴发动机架构使得可以省略油润滑系统。

Claims (12)

1.一种包含涡轮发动机(100)和主变速箱的组件，所述主变速箱用于具有转子(204)的直升机，所述主变速箱包括减速器装置(206)，所述减速器装置完全容纳在所述主变速箱(202)中，同时还连接至所述转子；所述涡轮发动机不具有减速器，该涡轮发动机包括箱体(102)、具有燃气发生器轴(115)的燃气发生器(114)、以及自由涡轮(124)，所述自由涡轮由所述燃气发生器产生的燃气气流驱动旋转，所述自由涡轮具有自由涡轮轴(128)；其中，当所述涡轮发动机固定到所述主变速箱(MGB)时，自由涡轮轴在轴向上延伸进入所述主变速箱，以直接连接至所述减速器装置。
2.根据权利要求1所述包含涡轮发动机(100)和主变速箱的组件，其特征在于，所述涡轮发动机包括至少一个非润滑轴承(156)，所述非润滑轴承在径向上布置在所述箱体(102)和所述自由涡轮轴(128)之间。
3.根据权利要求1所述包含涡轮发动机(100)和主变速箱的组件，其特征在于，所述涡轮发动机还包括至少一个非润滑轴承(156)，所述非润滑轴承在径向上布置在所述燃气发生器轴(115)和所述箱体(102)之间。
4.根据权利要求1所述包含涡轮发动机(100)和主变速箱的组件，其特征在于，所述涡轮发动机还包括发电机(154)，所述发电机直接连接到所述燃气发生器轴。
5.根据权利要求1至4中任何一项权利要求所述包含涡轮发动机(100)和主变速箱的组件，其特征在于，所述涡轮发动机还包括非润滑轴向邻接装置(152)，所述非润滑轴向邻接装置在轴向上布置在所述燃气发生器轴和所述箱体之间。
6.根据权利要求1至4中任何一项权利要求所述包含涡轮发动 机(100)和主变速箱的组件，其特征在于，所述涡轮发动机还包括从所述燃气发生器轴吸收轴向力的吸收装置(170)，所述吸收装置在径向上布置在自由涡轮轴(128)和燃气发生器轴(115)之间。
7.根据权利要求6所述包含涡轮发动机(100)和主变速箱的组件，其特征在于，所述涡轮发动机还包括密封垫片(172)，所述密封垫片在径向上布置在自由涡轮轴(128)和燃气发生器轴(115)之间。
8.一种直升机(200)，其包括：
根据权利要求1至7中任何一项所述的包括涡轮发动机(100)和主变速箱的组件，所述涡轮发动机的箱体固定到所述直升机的主变速箱，自由涡轮轴在轴向上延伸进入所述主变速箱内部，并直接连接至所述减速器装置。
9.根据权利要求8所述的直升机，其特征在于，所述直升机还包括从所述自由涡轮轴吸收轴向力的吸收装置(214，216)，所述吸收装置在固定到所述自由涡轮的轴时容纳在所述直升机的主变速箱中。
10.根据权利要求9所述的直升机，其特征在于，从所述自由涡轮轴吸收轴向力的所述吸收装置包括滚动轴承，所述滚动轴承安装在所述减速器装置上，并与所述箱体的轴向邻接配合。
11.根据权利要求8所述的直升机，其特征在于，所述直升机还包括密封构件(218)，所述密封构件布置在所述直升机的主变速箱和所述涡轮发动机的箱体之间。
12.根据权利要求8所述的直升机，其特征在于，所述涡轮发动机包括发电机(154)，所述发电机直接连接至燃气发生器轴，所述直升机还包括由所述发电机电力供电的电气设备(220)。
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