CN103291453A - 具有分流齿轮系统的逆向旋转低压涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有分流齿轮系统的逆向旋转低压涡轮。燃气涡轮发动机包括限定旋转轴线的轴。外部涡轮转子直接驱动所述轴并且包括外部叶片组。内部涡轮转子具有内部叶片组，该内部叶片组与外部叶片组交替。所述内部涡轮转子构造成绕所述旋转轴线沿与所述外部涡轮转子相反的方向旋转。分流齿轮系统将所述内部涡轮转子联接到所述轴，并且构造成使所述内部叶片组以比所述外部叶片组更快的速度旋转。

Description

具有分流齿轮系统的逆向旋转低压涡轮
背景技术
典型喷气发动机具有在发动机的涡轮部与压缩机部之间传递扭矩的多个轴或筒管（spool）。在一个示例中，低速筒管通常包括低速轴，该低速轴将风扇、低压压缩机和低压涡轮互连。为了实现期望的高压核心比，需要长的低速轴。相反，为了增加发动机的功率密度，面临缩短总发动机长度的目标。因此，在以往，这两个概念是互斥的。
发明内容
在一个示例性实施方式中，燃气涡轮发动机包括限定旋转轴线的轴。外部涡轮转子包括外部叶片组。内部涡轮转子具有内部叶片组，该内部叶片组与外部叶片组交替。所述内部涡轮转子构造成绕所述旋转轴线沿与所述外部涡轮转子相反的方向旋转。分流齿轮系统将所述内部涡轮转子和外部涡轮转子联接到所述轴，并且构造成使所述内部叶片组以比所述外部叶片组更快的速度旋转。
在上述的又一实施方式中，所述齿轮系统被安装在中间涡轮框架上。
在任何上述的又一实施方式中，所述分流齿轮系统包括：太阳轮，所述太阳轮被联接到所述内部转子；多个分流齿轮，所述分流齿轮与所述太阳轮啮合接合；以及齿圈，所述齿圈与所述分流齿轮啮合接合。
在任何上述的又一实施方式中，所述太阳轮被固定以与所述内部涡轮转子的后端一起旋转。
在任何上述的又一实施方式中，所述分流齿轮由齿轮架支承，所述齿轮架被固定到所述轴上。
在任何上述的又一实施方式中，所述外部涡轮转子的前端被联接到所述齿圈，所述前端由第一轴承支承在中间涡轮框架上。所述外部涡轮转子的后端由第二轴承支承在所述轴上。
在任何上述的又一实施方式中，第一轴承支承所述内部涡轮转子的前端以相对于所述轴旋转，并且第二轴承支承所述内部涡轮转子的后端以相对于所述轴旋转。
在任何上述的又一实施方式中，第三轴承支承所述轴以相对于所述中间涡轮框架旋转。
在任何上述的又一实施方式中，所述第一、第二和第三轴承沿所述旋转轴线彼此轴向隔开，所述第三轴承定位在所述第一轴承的前面。
在任何上述的又一实施方式中，低压涡轮固定壳体的后端未被支承并且前端被连接到所述中间涡轮框架。
在任何上述的又一实施方式中，风扇被连接到所述轴，并且所述分流齿轮系统提供大于或等于3：1的齿轮减速比。
在另一示例性实施方式中，燃气涡轮发动机包括核心流路和轴，所述轴联接设置在所述核心流路中的压缩机部和涡轮部。所述涡轮部包括逆向旋转低压涡轮，所述逆向旋转低压涡轮包括：外部转子，所述外部转子包括外部叶片组；以及内部转子，所述内部转子具有与所述外部叶片组交替的内部叶片组。所述内部转子构造成绕所述旋转轴线沿与所述外部转子相反的方向旋转。分流齿轮系统将所述内部转子和外部转子联接到所述轴，并且构造成使所述内部叶片组以比所述外部叶片组更快的速度旋转。
在任何上述的又一实施方式中，所述燃气涡轮发动机包括高压压缩机，所述高压压缩机具有大约23：1的压力比。
在任何上述的又一实施方式中，风扇被连接到所述轴，并且所述分流齿轮系统提供大于或等于3：1的齿轮减速比。
在任何上述的又一实施方式中，所述分流齿轮系统包括：太阳轮，所述太阳轮被联接到所述内部转子；多个分流齿轮，所述分流齿轮与所述太阳轮啮合接合；以及齿圈，所述齿圈与所述分流齿轮啮合接合。
在任何上述的又一实施方式中，所述太阳轮被固定以与所述内部转子的前端一起旋转，所述分流齿轮由齿轮架支承，所述齿轮架被固定到所述轴上，并且所述外部转子的前端被联接到所述齿圈。
在任何上述的又一实施方式中，第一轴承支承所述内部转子的前端以相对于所述轴旋转，第二轴承支承所述内部转子的后端以相对于所述轴旋转，并且第三轴承支承所述轴以相对于中间涡轮框架旋转。所述分流齿轮系统由所述中间涡轮框架支承。
在任何上述的又一实施方式中，所述第一轴承、第二轴承和第三轴承沿所述旋转轴线彼此轴向隔开，所述第三轴承定位在所述第一轴承的前面。所述第一轴承和第三轴承是滚柱轴承，并且所述第二轴承是滚珠轴承。第四轴承相对于所述中间涡轮框架支承所述外部转子的前端，并且第五轴承相对于所述轴支承所述外部转子的后端。
附图说明
结合附图参考下述详细说明，本发明能被更好地理解，在附图中：
图1示意性地示出了燃气涡轮发动机的实施方式。
图2是示出了燃气涡轮发动机的发动机上半部和发动机下半部的截面图，发动机上半部示出非逆向旋转的构造的实施方式，而发动机下半部示出了逆向旋转低压压缩机架构和逆向旋转低压涡轮架构的示例。
图3示出了如图2所示的低压压缩机的放大图。
图4示出了如图2所示的低压涡轮的放大图。
图5示出了如图2所示的低压压缩机的示意图。
图6是如图2所示的低压涡轮的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机20在本文被公开为两筒管涡轮风扇，该两筒管涡轮风扇总体上包括风扇部22、压缩机部24、燃烧器部26和涡轮部28。替代的发动机除了其他系统或特征之外可包括增压器部（未示出）。风扇部22沿涵道流路B驱动空气，而压缩机部24沿核心流路C驱动空气，用于压缩该空气并且将其传送到燃烧器部26中，然后通过涡轮部28膨胀。虽然在所公开的非限制性实施方式中被描述为涡轮风扇燃气涡轮发动机，但是应当理解的是，本文所述的概念不局限于结合涡轮风扇使用，因为这些教导可被应用到包括三筒管架构的其他类型的涡轮发动机中。
发动机20总体上包括低速筒管30和高速筒管32，所述低速筒管30和高速筒管32被安装用于借助数个轴承系统38相对于发动机固定结构36绕发动机中心纵向轴线A旋转。应当理解的是，在各个位置处，可替代地或附加地提供各种轴承系统38。
低速筒管30总体上包括内轴40，该内轴将风扇42、低压（或第一）压缩机部44和低压（或第一）涡轮部46互连。内轴40通过带齿架构48被连接到风扇42，以按照比低速筒管30低的速度驱动风扇42。高速筒管32包括外轴50，该外轴将高压（或第二）压缩机部52和高压（或第二）涡轮部54互连。燃烧器56被设置在高压压缩机52和高压涡轮54之间。发动机固定结构36的中间涡轮框架57大致设置在高压涡轮54和低压涡轮46之间。中间涡轮框架57在涡轮部28中支承一个或多个轴承系统38。内轴40和外轴50是同心的，并且借助轴承系统38绕发动机中心纵向轴线A旋转，所述发动机中心纵向轴线与这些内轴和外轴的纵向轴线共线。如本文所使用的，“高压”压缩机或涡轮比相应“低压”压缩机或涡轮经受更高的压力。
核心空气流C由低压压缩机44压缩并接着由高压压缩机52压缩、与燃烧器56中的燃料混合并燃烧、然后通过高压涡轮54和低压涡轮46膨胀。中间涡轮框架57包括处于核心空气流路中的翼板（airfoil）59。涡轮46、54响应于膨胀而可旋转地驱动相应低速筒管30和高速筒管32。
在一个示例中，发动机20是高涵道带齿飞行器发动机。在又一示例中，发动机20涵道比大于大约六（6），在示例性实施方式中大于十（10），所述带齿架构48是周转齿轮系（例如，星齿轮系统或其他齿轮系统），具有大于大约2.3的齿轮减速比，并且低压涡轮46具有大于大约5的压力比。在一个公开的实施方式中，发动机20的涵道比大于大约十（10：1），风扇直径明显大于低压压缩机44的直径，并且低压涡轮46具有大约5：1的压力比。低压涡轮46的压力比在低压涡轮46的入口之前被压力测量，并且该压力比与低压涡轮46的位于排气喷嘴之前的出口处的压力相关。然而应当理解的是，上述参数仅是带齿架构发动机的一个实施方式的示例，并且本发明可应用到包括直接驱动涡轮风扇的其他燃气涡轮发动机中。
由于高涵道比，显著量的推力由该涵道流B提供。发动机20的风扇部20被设计用于特定飞行状况，通常是在大约0.8马赫和大约35000英尺的巡航。0.8马赫和35000英尺并且发动机处于其最优燃料消耗的飞行状况（也被公知为“稳定区巡航（bucket cruise）推力耗油率（“TSFC”）”）是每小时被燃烧的燃料的lbm除以发动机在该最小点处产生的推力的lbf的工业标准参数。“风扇压力比”是单独风扇叶片上的压力比，而不具有风扇出口引导叶片（“FEGV”）系统。根据一个非限制性实施方式的本文所公开的风扇压力比小于大约1.45。“低校正风扇末端速度”是实际风扇末端速度（单位：英尺/秒）除以工业标准温度校正[（Tambient deg R） / 518.7）^0.5]。根据一个非限制性实施方式的本文所公开的“低校正风扇末端速度”小于大约1150英尺/秒。
参考图2和图3，提供了具有逆向旋转低压压缩机（LPC）60和逆向旋转低压涡轮（LPT）62的带齿涡轮风扇架构，该带齿涡轮风扇架构与非逆向旋转构造（其示例在图1中以及图2的上半部中被示出）相比显著地减少了低速或内轴40的长度。在图2的上半部中的非旋转构造被包括，目的在于与如图2的下半部中示出的逆向旋转LPC和逆向旋转LPT的构造进行长度比较。发动机具有高压核心，其用64被示意性地示出。要理解的是，高压核心64包括如图1所示的燃烧器56和高速筒管32（即，高压压缩机52、高压涡轮54和高速轴50）。高压压缩机52具有例如23：1的高压核心比。为了保持该比以及为了提供期望的低速轴直径和速度，如图2的下半部中所示的，采用逆向旋转LPC 60和LPT 62的组合。
在美国专利No. 7,950,220中发现LPC 60的一个示例，该专利被转让给本发明的同一受让人并且以引用的方式结合到本文中。在如图2所示的该示例中，LPC 60包括具有叶片级72、74和76的逆向旋转压缩机轮毂70，该叶片级72、74和76与低速筒管30的叶片级78和80交替。逆向旋转压缩机轮毂70可由变速器82来驱动。变速器82也在图5中被示意性地示出。在一个示例中，变速器82是周转轮变速器，其具有安装到低速轴40上的太阳轮84。周向阵列的外部带齿的星齿轮86与太阳轮84啮合接合。星齿轮86被承载在轴颈88上，轴颈88由齿轮架90来承载。齿轮架90相对于发动机固定结构92被牢固地安装。固定结构92借助多个轴承系统94和96被联接到低速轴40，以允许低速轴40旋转。
变速器82还包括内部带齿的齿圈98，该齿圈包围星齿轮86并且与该星齿轮86啮合接合。齿圈98由一个或多个轴承系统100和102相对于固定结构92被支承。变速器82使齿圈98逆向旋转。当压缩机轮毂70与齿圈98接合时，变速器82使压缩机轮毂70（以及叶片72、74、76）相对于低速筒管30逆向旋转。风扇部22的风扇叶片借助轮毂106被安装到低速轴40上。此外，低压压缩机叶片78、80也借助叶片平台环108被安装到轮毂106上。鉴于前述，风扇叶片104以及低压压缩机叶片78、80与低速轴40共同旋转。
平台环108的朝外表面局部地形成核心流路110的朝内边界。级78和80的叶片从固定到平台环108的朝内端部延伸到自由的朝外末端。在所示的示例中，轮毂70的最下游级76的叶片被安装到支承件112的朝外端部。级76的叶片的朝外端部相对于护罩环114被固定。护罩环114的朝内表面形成核心流路110的局部朝外的边界。级72和74的叶片的朝外端部被安装到护罩环114。支承件112被附接到齿圈98，以驱动级76的叶片旋转，并且通过护罩环114、级72和74的叶片。
如图2的上半部所示的，在一个典型非逆向旋转的构造中，不具有逆向旋转压缩机或涡轮的发动机20具有总长度L1，该总长度被限定从风扇叶片104的最前表面到涡轮排气壳体118的最后端。LPC构造60通过采用逆向旋转压缩机架构来提供长度减少L2。LPT构造62通过采用逆向旋转涡轮架构来提供另一长度减少L3。LPT的一个示例见于美国专利公布No. 2009/0191045 Al，该文献被转让给本发明的同一受让人并且由此以引用的方式结合到本文。
图2和图4示出了具有逆向旋转构造的LPT 62的另一示例，其中齿轮系统116被安装到中间涡轮框架134上。齿轮系统116在图6中也被示意性地示出。结果，不需要涡轮排气壳体118，这通过缩短LPT固定壳体部分而进一步有助于长度减少L3的总量。在该示例中，LPT 62具有：内部叶片组120，该内部叶片组借助齿轮系统116被联接到低速轴40；以及外部叶片组122，该外部叶片组与内部叶片组120交替。在一个示例中，内部叶片组120的级数量等于外部叶片组122的级数量。外部叶片122沿与内部叶片组120相反的方向绕旋转轴线旋转。
外部叶片组122被固定到外部转子126，该外部转子在前端处由轴承150相对于中间涡轮框架134被支承，并且在后端处由轴承152相对于轴140被支承。内部叶片组120被固定到内部转子124上，该内部转子驱动齿轮系统116。轴承130、132可旋转地支承内部转子124。轴承130支承内部转子124的后端以相对于低速轴40旋转，并且轴承132支承内部转子124的前端以相对于轴40旋转。在一个示例中，后部轴承130是滚珠轴承，而前部轴承132是滚柱轴承。
中间涡轮框架134包括固定结构，该固定结构延伸到外壳部136。该外壳部136被附接到LPT固定壳体138的围绕内部叶片组120以及外部叶片组122的前端。LPT固定壳体138的后端未被支承，这是因为不存在涡轮排气外壳118。
齿轮系统116包括太阳轮140，所述太阳轮被固定以随内部转子124的前端一起旋转。周向阵列的外部带齿分流齿轮142与太阳轮140啮合接合。分流齿轮142由齿轮架144支承，该齿轮架被固定到轴40，该轴40以与该轴40相同的速度来直接驱动该齿轮架144。轴承146支承低速轴140以相对于中间涡轮框架134旋转。在一个示例性构造中，轴的轴承146以及用于内部转子126的前部和后部轴承132、130沿轴线A彼此轴向隔开。轴的轴承146定位在前部轴承132的前面。在一个实施方式中，轴承132和146都是滚柱轴承。
齿圈148与分流齿轮142啮合接合，所述分流齿轮与太阳轮140以及齿圈148啮合接合。在如图2所示的示例中，外部转子126的前端构造成由齿圈148驱动。因此，太阳轮140、分流齿轮142和齿圈148都绕轴线A旋转，并且这些齿轮相对于分流齿轮系统中的轴线A都不被可旋转地固定。该布置提供了差分行星齿轮布置，其中功率通过分流齿轮142在内部转子124和外部转子126之间分流。因此，内部叶片组120以比外部叶片组122更快的速度旋转。在一个示例中，齿轮系统具有在3：1至8：1的范围内的比。
在该构造中，齿轮系统116位于LPT 62的上游或前面。具体地，齿轮系统116定位在交替叶片120、122的前面，并且由中间涡轮框架围绕。该逆向旋转构造允许LPT固定壳体138的总长度相比于非逆向旋转构造被缩短，并且免除了对于涡轮排气壳体118的需要。这导致重量减轻并且有助于期望长度减少L3。
在图2的下部的示例中，风扇104直接连接到轴40。低速轴40通过经由齿轮架144的分流齿轮142接收来自内部叶片组120和外部叶片组122两者的总驱动输入的一部分。采用齿轮系统116所提供的分流构造，可获得大于3：1（例如，处于3：1和8：1之间）的齿轮比，这比借助风扇驱动齿轮系统的一个示例类型获得的3：1的齿轮比大。这些较高的齿轮比提供了较低的风扇压力比，这例如导致较低的噪声。
外部叶片组122构造成以低速并且沿与内部叶片组120相反的方向旋转。使内部叶片组120以较高速度旋转利用具有处理较高速度能力的现有涡轮盘的优势。该构造向带齿风扇架构提供长的缓慢转动的低速轴40，从而使得能够使用高压力比的核心。此外，该构造与现有构造相比提供了显著的长度减少。
应当理解的是，上述LPC 60仅是一个示例性构造，并且上述LPT 62可结合各种其他LPC构造使用。此外，LPT 62还可用于不包括逆向旋转LPC的构造中。
由于前述改进，已经研制出一种发动机，该发动机包括期望高压力核心比，并且与此同时减少总发动机长度，由此最大化发动机的功率密度。
虽然已经公开了示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到，一些修改将落入权利要求书的范围内。鉴于此，下述权利要求书应当被研究以确定其真实范围和内容。

Claims (18)

1.一种燃气涡轮发动机，其包括：
限定旋转轴线的轴；
外部涡轮转子，所述外部涡轮转子包括外部叶片组；
内部涡轮转子，所述内部涡轮转子具有与所述外部叶片组交替的内部叶片组，所述内部涡轮转子构造成绕所述旋转轴线沿与所述外部涡轮转子相反的方向旋转；以及
分流齿轮系统，所述分流齿轮系统将所述内部涡轮转子和外部涡轮转子联接到所述轴，并且构造成使所述内部叶片组以比所述外部叶片组更快的速度旋转。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述分流齿轮系统被支承在中间涡轮框架上。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中，所述分流齿轮系统包括：太阳轮，所述太阳轮被联接到所述内部涡轮转子；多个分流齿轮，所述分流齿轮与所述太阳轮啮合接合；以及齿圈，所述齿圈与所述分流齿轮啮合接合。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其中，所述太阳轮被固定以与所述内部涡轮转子的前端一起旋转。
5.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其中，所述分流齿轮由齿轮架支承，所述齿轮架被固定到所述轴上。
6.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外部涡轮转子的前端被联接到所述齿圈，所述前端由第一轴承支承在中间涡轮框架上，并且所述外部涡轮转子的后端由第二轴承支承在所述轴上。
7.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括第一轴承和第二轴承，所述第一轴承支承所述内部涡轮转子的前端以相对于所述轴旋转，所述第二轴承支承所述内部涡轮转子的后端以相对于所述轴旋转。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括第三轴承，所述第三轴承支承所述轴以相对于所述中间涡轮框架旋转。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一、第二和第三轴承沿所述旋转轴线彼此轴向隔开，所述第三轴承定位在所述第一轴承的前面。
10.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括低压涡轮固定壳体，所述低压涡轮固定壳体的后端未被支承并且前端被连接到所述中间涡轮框架。
11.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括连接到所述轴的风扇，其中，所述分流齿轮系统提供大于或等于3：1的齿轮减速比。
12.一种燃气涡轮发动机，其包括：
核心流路；
轴，所述轴被联接到设置在所述核心流路中的压缩机部和涡轮部；以及
其中，所述涡轮部包括逆向旋转低压涡轮，所述逆向旋转低压涡轮包括：
       外部转子，所述外部转子包括外部叶片组；
       内部转子，所述内部转子具有与所述外部叶片组交替的内部叶片组，所述内部转子构造成绕所述旋转轴线沿与所述外部转子相反的方向旋转；以及
       分流齿轮系统，所述分流齿轮系统将所述内部转子和外部转子联接到所述轴，并且构造成使所述内部叶片组以比所述外部叶片组更快的速度旋转。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括高压压缩机，所述高压压缩机具有大约是23：1的压力比。
14.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括连接到所述轴的风扇，其中，所述分流齿轮系统提供大于或等于3：1的齿轮减速比。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中，所述分流齿轮系统包括：太阳轮，所述太阳轮被联接到所述内部转子；多个分流齿轮，所述分流齿轮与所述太阳轮啮合接合；以及齿圈，所述齿圈与所述分流齿轮啮合接合。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其中，所述太阳轮被固定以与所述内部转子的前端一起旋转，所述分流齿轮由齿轮架支承，所述齿轮架被固定到所述轴上，并且所述外部转子的前端被联接到所述齿圈。
17.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括第一轴承、第二轴承和第三轴承，所述第一轴承支承所述内部转子的前端以相对于所述轴旋转，所述第二轴承支承所述内部转子的后端以相对于所述轴旋转，所述第三轴承支承所述轴以相对于中间涡轮框架旋转，其中，所述分流齿轮系统由所述中间涡轮框架支承。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一轴承、第二轴承和第三轴承沿所述旋转轴线彼此轴向隔开，所述第三轴承定位在所述第一轴承的上游，其中，所述第一轴承和第三轴承是滚柱轴承，并且所述第二轴承是滚珠轴承，且其中，第四轴承相对于所述中间涡轮框架支承所述外部转子的前端，并且第五轴承相对于所述轴支承所述外部转子的后端。
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