CN103291454A - 均具有齿轮系统的反旋转低压压缩机和涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及均具有齿轮系统的反旋转低压压缩机和涡轮机。压缩机部分包括反旋转低压压缩机，其包括散布在彼此中的外和内压缩机叶片，并且它们被构造成绕旋转轴线彼此沿相反的方向旋转。变速器将外和内压缩机叶片中的至少一者联接到轴杆。涡轮机部分包括反旋转低压涡轮机，其具有外转子，外转子包括靠外的一组涡轮机叶片。内转子具有靠内的一组涡轮机叶片，它们散布在靠外的一组涡轮机叶片中。外转子被构造成绕着旋转轴线沿与内转子相反的方向旋转。齿轮系统将外和内转子中的至少一者联接到轴杆。

Description

均具有齿轮系统的反旋转低压压缩机和涡轮机

背景技术

典型的喷气发动机具有多个轴杆或轴，它们在发动机的涡轮机部分和压缩机部分之间传递转矩。在一个示例中，低速轴通常包括低轴杆，其互连风扇、低压压缩机和低压涡轮机。为了实现期望的高压力核心比，要求有长的低轴杆。相比之下，为了增加发动机的功率密度，存在着相反的目标，即缩短整体发动机长度。因此，历史上这两个概念就存在矛盾。

发明内容

在一个示例性实施例中，燃气涡轮发动机包括由轴杆驱动的风扇。风扇被布置在旁通流动路径中。核心流动路径被布置在风扇的下游。压缩机部分由轴杆驱动并被布置在核心流动路径中。压缩机部分包括反旋转低压压缩机，其包括散布在彼此中的外和内压缩机级，并且它们被构造成绕旋转轴线彼此沿相反的方向旋转。变速器将外和内压缩机级中的至少一者联接到轴杆。涡轮机部分驱动轴杆并被布置在核心流动路径中。 涡轮机部分包括反旋转低压涡轮机，其具有外转子，外转子包括靠外的一组涡轮机叶片。内转子具有靠内的一组涡轮机叶片，它们散布在靠外的一组涡轮机叶片中。外转子被构造成绕着旋转轴线沿与内转子相反的方向旋转。齿轮系统将外和内转子中的至少一者联接到轴杆。

在上面任一个的进一步实施例中，变速器被构造成以比外压缩机级更快的速度旋转内压缩机级。

在上面任一个的进一步实施例中，第一压缩机级和风扇以相同速度被驱动。

在上面任一个的进一步实施例中，变速器提供大于0.5：1的传动比。

在上面任一个的进一步实施例中，齿轮系统被构造成以比靠外的一组涡轮机叶片更快的速度旋转靠内的一组涡轮机叶片。

在上面任一个的进一步实施例中，齿轮系统提供大于0.5：1的传动比。

在上面任一个的进一步实施例中，高压压缩机具有约23：1的压力比。

在上面任一个的进一步实施例中，风扇由轴杆直接驱动。

在上面任一个的进一步实施例中，内压缩机级由轴杆直接驱动。

在上面任一个的进一步实施例中，变速器包括直接联接到轴杆的太阳齿轮。多个星形齿轮与太阳齿轮啮合接合并且齿圈与星形齿轮啮合接合。

在上面任一个的进一步实施例中，风扇由轴杆直接驱动。

在上面任一个的进一步实施例中，星形齿轮由齿轮架支撑，该齿轮架被固定到静止结构以不能旋转。

在上面任一个的进一步实施例中，外压缩机级被联接到齿圈。

在上面任一个的进一步实施例中，靠外的一组涡轮机叶片由轴杆直接驱动。

在上面任一个的进一步实施例中，齿轮系统包括直接联接到外涡轮机转子的太阳齿轮。多个星形齿轮与太阳齿轮啮合接合并且齿圈与星形齿轮啮合接合。

在上面任一个的进一步实施例中，星形齿轮由齿轮架支撑，该齿轮架被固定到中间涡轮机框架。

在上面的任一个的进一步实施例中，太阳齿轮被固定到外涡轮机转子的前端以旋转。

在上面任一个的进一步实施例中，外涡轮机转子的前端联接到齿圈，并且外涡轮机转子的后端联接到轴杆。

在上面任一个的进一步实施例中，齿轮系统由中间涡轮机框架支撑。低压涡轮机静止壳具有未被支撑的后端和连接到中间涡轮机框架外壳的前端。

附图说明

当参照附图考虑下面的详细描述时，可进一步理解本公开，附图中：

图1示意地图示了燃气涡轮发动机实施例。

图2是截面图，发动机上半部示出了非反旋转构造的示例，而发动机下半部示出了燃气涡轮发动机的反旋转低压压缩机架构和反旋转低压涡轮机架构的示例。

图3示出了图2中示出的低压压缩机的放大图。

图4示出了图2中示出的低压涡轮机的放大图。

图5示出了图2中示出的低压压缩机的示意图。

图6示出了图2中示出的低压涡轮机的示意图。

具体实施方式

图1示意性地图示了燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机20在本文中被公开为两轴涡轮风扇发动机，其通常包括风扇部分22、压缩机部分24、燃烧器部分26和涡轮机部分28。其它的发动机除了其它系统或特征外还可包括增强器部分（未示出）。 风扇部分22沿着旁通流动路径B驱动空气，而压缩机部分24沿着核心流动路径C驱动空气以压缩并传递到燃烧器部分26，然后通过涡轮机部分28膨胀。虽然在所公开的非限定性实施例中被描述为涡轮风扇燃气涡轮发动机，但是应当理解的是，本文所描述的概念并不限于与涡轮风扇发动机一起使用，因为这些教导可应用于包括三轴架构的其它类型的涡轮发动机。

发动机20通常包括低速轴30和高速轴32，它们安装成用于通过若干轴承系统38相对于发动机静止结构36绕发动机中心纵向轴线A旋转。应当理解的是，可替换地或附加地在各种位置提供各种轴承系统38。

低速轴30通常包括内轴杆40，该内轴杆互连风扇42、低压（或第一）压缩机部分44和低压（或第一）涡轮机部分46。内轴杆40通过齿轮传动架构48被连接到风扇42从而以比低速轴30低的速度驱动风扇42。高速轴32包括外轴杆50，该外轴杆互连高压（或第二）压缩机部分52和高压（或第二）涡轮机部分54。燃烧器56被布置在高压压缩机52和高压涡轮机54之间。发动机静止结构36的中间涡轮机框架57被布置成大体在高压涡轮机54和低压涡轮机46之间。中间涡轮机框架57支撑涡轮机部分28中的一个或多个轴承系统38。内轴杆40和外轴杆50是同心的并且通过轴承系统38绕发动机中心纵向轴线A旋转，其与它们的纵向轴线共线。在本文所用时，“高压”压缩机或涡轮机经历比对应的“低压”压缩机或涡轮机更高的压力。

核心空气流C由低压压缩机44压缩然后由高压压缩机52压缩、在燃烧器56内与燃料混合并燃烧、然后在高压涡轮机54和低压涡轮机46上膨胀。中间涡轮机框架57包括位于核心空气流动路径中的翼型59。涡轮机46、54响应于膨胀旋转地驱动相应的低速轴30和高速轴32。

发动机20在一个示例中是高旁通齿轮传动飞行器发动机。在另一个示例中，发动机20旁通比大于约6，一个示例实施例是大于10，齿轮传动架构48是周转齿轮系，例如星形齿轮系统或其它齿轮系统，其中齿轮减速比大于约2.3而低压涡轮机46具有大于约5的压力比。在一个公开的实施例中，发动机20旁通比大于约10（10：1），风扇直径显著大于低压压缩机44的直径，并且低压涡轮机46具有大于约5：1的压力比。低压涡轮机46压力比是低压涡轮机46的进口之前测量的压力与排出喷嘴之前的在低压涡轮机46的出口处的压力的比。不过，应当理解的是，上面的参数仅是示例性地用于齿轮传动架构发动机的一个实施例并且目前的发明可适用于包括直接驱动涡轮风扇发动机的其它燃气涡轮发动机。

显著量的推力由因高旁通比产生的旁通流B提供。发动机20的风扇部分22被设计用于特定的飞行条件——通常在约35000英尺以约0.8马赫巡航。0.8马赫和35000英尺的飞行条件，此时发动机处于其最佳燃料消耗，也被称为“桶巡航推力比燃料消耗（TSFC）”，是处于最小点处的业界标准参数：每小时燃烧的燃料lbm除以发动机产生的推力lbf。“风扇压力比”是仅跨过风扇叶片的压力比，不包括风扇出口导流叶片（FEGV）系统。本文公开的根据一个非限制性实施例的风扇压力比是小于约1.45。“低修正风扇尖端速度”是以ft/sec为单位的实际风扇尖端速度除以业界标准温度修正[(T_环境 deg R) / 518.7)^0.5]。本文公开的根据一个非限制性实施例的“低修正风扇尖端速度”是小于约1150ft/秒。

参照图2和3，提供了带有反旋转低压压缩机（LPC）60和反旋转低压涡轮机（LPT）62的齿轮传动涡轮风扇发动机架构，与非反旋转构造相比，其显著地减小了低速轴杆或内轴杆40的长度，其一个示例在图1和图2的上半部中示出。包括图2的上半部中的这个非旋转构造，是为了与图2的下半部中示出的反旋转LPC和反旋转LPT构造进行长度比较。发动机具有高压力核心，示意地在64示出。应该理解的是，高压力核心64包括图1中示出的燃烧器56和高速轴32（即，高压压缩机52、高压涡轮机54和高轴杆50）。高压压缩机52具有例如23：1的高压力核心比。为了保持这个比，以及提供期望的低轴杆直径和速度，反旋转LPC60和LPT62的组合被用在如所示的图2的下半部中。

LPC60的一个示例在美国专利7,950,220中公开，其被转让给与本发明相同的受让人，并且通过引用并入本文。在这个示例中，其在图2中示出，LPC60包括带有叶片级72、74和76的反旋转压缩机毂70，叶片级72、74和76散布在低速轴30的叶片级78和80中。反旋转压缩机毂70可由变速器82驱动。变速器82也示意性地在图5中示出。在一个示例中，变速器82是具有安装到低轴杆40的太阳齿轮84的周转变速器。带有外齿的星形齿轮86的圆周阵列与太阳齿轮84啮合接合。星形齿轮86被承载在由齿轮架90承载的轴颈88上。齿轮架90相对于发动机静止结构92固定地安装。发动机静止结构92通过多个轴承系统94和96联接到低轴杆40以允许低轴杆40旋转。

变速器82还包括带有内齿的齿圈98，其围绕星形齿轮86并于其啮合接合。齿圈98由一个或多个轴承系统100和102相对于发动机静止结构92支撑。变速器82引起齿圈98的反旋转。当压缩机毂70与齿圈98接合时，变速器82引起压缩机毂70（以及叶片72、74、76）相对于低速轴30的反旋转。风扇部分22的风扇叶片104通过毂106安装到低轴杆40。而且，低压压缩机叶片78、80也通过叶片平台环108安装到毂106。由此，风扇叶片104和低压压缩机叶片78、80与低轴杆40一起旋转。

平台环108的外侧表面局部地形成核心流动路径110的内侧边界。级78和80的叶片从固定到平台环108的内侧端延伸到自由外侧尖端。 在示出的示例中，毂70的最下游级76的叶片被安装到支撑件112的外侧端。级76的叶片的外侧端被相对于罩环114固定。罩环114的内侧表面形成了核心流动路径110的局部外侧边界。级72和74的叶片的外侧端安装到罩环114。支撑件112被固定到齿圈98以驱动级76的叶片的旋转并且通过罩环114驱动级72和74的叶片的旋转。

如在图2中的上半部所示，在一个典型的非反旋转构造中，不带有反旋转压缩机或涡轮机的发动机20具有从风扇叶片104的最前表面到涡轮机排出壳118的最后端定义的整体长度L1。LPC构造60通过使用反旋转压缩机架构提供了长度缩短L2。LPT构造62通过使用反旋转涡轮机架构提供了另一长度缩短L3。LPT的一个示例在美国公开2009/0191045A1中公开，其被转让给与本发明相同的受让人，并且通过引用并入本文。

图2和4示出了具有反旋转构造的LPT62的另一示例，其中齿轮系统116安装到中间涡轮机框架134。齿轮系统116也在图6中示意地示出。结果，不需要涡轮机排出壳118，这通过缩短LPT静止壳部分而进一步对长度缩短L3的总量做出贡献。在这个示例中，LPT62具有靠内的一组叶片120，它们通过齿轮系统116被联接到低轴杆40；以及靠外的一组叶片122，它们散布在靠内的一组叶片120中。在一个示例中，靠内的一组叶片120的级数等于靠外的一组叶片122的级数。靠外的一组叶片122被直接联接到轴杆40。靠外的叶片122绕旋转轴线沿与靠内的一组叶片120相反的方向旋转。

靠外的一组叶片122被固定到外转子126，其直接驱动低轴杆40，即，低轴杆40和靠外的一组叶片122以共同的速度旋转。靠内的一组叶片120被固定到内转子124，其驱动齿轮系统116。轴承130、132可旋转地支撑内转子124。轴承130支撑内转子124的后端以相对于低轴杆40旋转，而轴承132支撑内转子124的前端以相对于低轴杆40旋转。在一个示例中，后轴承130是滚珠轴承而前轴承132是滚柱轴承。轴承146支撑低轴杆140以相对于中间涡轮机框架134旋转。在一个示例构造中，轴杆轴承146和用于内转子126的前和后轴承132、130平行于轴线A地被彼此轴向间隔开。轴杆轴承146被定位在前轴承132前面。在一个示例中，两个轴承132、146都是滚柱轴承。

中间涡轮机框架134包括延伸到外壳部分136的静止结构。外壳部分136被附接到LPT静止壳138的前端，其围绕靠内的一组叶片120和靠外的一组叶片122。LPT静止壳138的后端未被支撑，因为那里没有涡轮机排出壳118。

齿轮系统116包括太阳齿轮140，其被固定以随着内转子124的前端旋转。带有外齿的星形齿轮142的圆周阵列与太阳齿轮140啮合接合。星形齿轮142由齿轮架144支撑，齿轮架被固定到中间涡轮机框架134。

齿圈148与星形齿轮142啮合接合，星形齿轮142由太阳齿轮140驱动。内转子124的前端驱动太阳齿轮140。在图2中示出的示例中，外转子126的前端被构造成由齿圈148驱动。外转子126的前端由轴承150被相对于中间涡轮机框架134支撑。因此，靠内的一组叶片120以比靠外的一组叶片122更快的速度被驱动。在一个示例中，齿轮系统具有在约0.5：1和约5.0：1之间的范围内的比。

在这个构造中，齿轮系统116位于LPT62的上游或前面。具体来说，齿轮系统116被定位在散布的涡轮机叶片120、122的前面并且由中间涡轮机框架围绕。星形齿轮142的齿轮架144被固定到中间涡轮机框架134。与非反旋转构造相比，这种反旋转构造允许LPT静止壳138的整体长度被缩短，并且消除了对涡轮机排出壳118的需要。不过，应当理解的是，齿轮系统116可被定位在靠外的一组涡轮机叶片120的后面，而涡轮机排出壳118可被保持。 这导致了重量减少以及对期望的长度缩短L3有贡献。

低轴杆40直接从靠外的一组叶片122接收整体驱动输入的一部分并且整体驱动输入的其余部分通过齿轮系统116由靠内的一组涡轮机叶片120提供。靠外的一组涡轮机叶片122被构造成以更低的速度并且沿着与靠内的一组叶片120相反的方向旋转。使靠内的一组涡轮机叶片120以更高的速度旋转利用了现有的涡轮机盘的处理更高速度的能力。这种构造提供了带有长的慢速旋转的低轴杆40的齿轮传动的风扇架构，其使得能够使用高压力比核心。另外，这种构造用于实现与现有构造相比的显著的长度减少。

在示例发动机中，风扇104连接到轴杆40并由其直接驱动，因此以相同速度旋转。星形齿轮84、140安装到轴杆40并与之直接联接。一组压缩机叶片和一组涡轮机叶片（在该示例中，内压缩机叶片78、80和外涡轮机叶片122）被安装到轴杆40并与之直接联接。齿轮架90和齿轮架144被连接到发动机的静止结构。齿圈98、148分别联接到另外一组压缩机和涡轮机叶片（在该示例中，外压缩机叶片72、74、76和内涡轮机叶片120）。

应当理解的是，上面描述的LPC60和LPT62仅仅是一个示例构造，并且上述的LPC60和LPT62可与各种其它构造一起使用。LPC60的变速器82和LPT62的齿轮系统116可被独立地定制以为靠内的一组压缩机叶片、靠外的一组压缩机叶片、靠内的一组涡轮机叶片和靠外的一组涡轮机叶片中的每一者都提供期望的速度。在一个示例中，变速器82和齿轮系统116具有彼此不同的比。 因为为LPC60和LPT62中每一者提供独立的齿轮系统，所以齿轮和支撑结构可与例如布置在发动机前面的单个风扇驱动齿轮系统相比更小且更轻。 而且，因为LPC60和LPT62中每一者的大约一半被直接连接到轴杆40，所以功率的仅大约一半必须通过变速器82和齿轮系统116中的每一者传递。

由于前述的改进，已经发明了一种发动机，其包括期望的高压力核心比，同时又减少了整体发动机长度，由此最大化了发动机的功率密度。

虽然已经公开的示例实施例，但是本领域技术人员将认识到某些改进也在权利要求的范围内。由此，应当研读下面的权利要求以确定真实的范围和内容。

Claims (19)

1.一种燃气涡轮发动机，其包括：

风扇，其由轴杆驱动并且布置在旁通流动路径中；

位于风扇下游的核心流动路径；

压缩机部分，其由轴杆驱动并被布置在核心流动路径中；

其中压缩机部分包括反旋转低压压缩机，其包括：

       外和内压缩机级，它们散布于彼此中并且被构造成绕着旋转轴线彼此以相反的方向旋转；以及

       变速器，其将外和内压缩机级中的至少一者联接到轴杆；

涡轮机部分，其驱动轴杆并被布置在核心流动路径中；以及

其中涡轮机部分包括反旋转低压涡轮机，其包括：

包括靠外的一组涡轮机叶片的外转子；

具有靠内的一组涡轮机叶片的内转子，靠内的一组涡轮机叶片散布在靠外的一组涡轮机叶片中，外转子构造成绕旋转轴线沿与内转子相反的方向旋转；以及

齿轮系统，其将外和内转子中的至少一者联接到轴杆。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中变速器被构造成以比外压缩机级更快的速度旋转内压缩机级。

3.如权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中内压缩机级和风扇以相同速度被驱动。

4.如权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中变速器提供大于0.5：1的传动比。

5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中齿轮系统被构造成以比靠外的一组涡轮机叶片更快的速度旋转靠内的一组涡轮机叶片。

6.如权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中齿轮系统提供大于0.5：1的传动比。

7.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，包括高压压缩机，该高压压缩机具有约23：1的压力比。

8.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中风扇由轴杆直接驱动。

9.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中内压缩机级由轴杆直接驱动。

10.如权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其中变速器包括直接联接到轴杆的太阳齿轮、与太阳齿轮啮合接合的多个星形齿轮、和与星形齿轮啮合接合的齿圈。

11.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中风扇由轴杆直接驱动。

12.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中星形齿轮由齿轮架支撑，该齿轮架被固定到静止结构以防止旋转。

13.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中外压缩机级联接到齿圈。

14.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中靠外的一组涡轮机叶片由轴杆直接驱动。

15.如权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中齿轮系统包括直接联接到外涡轮机转子的太阳齿轮、与太阳齿轮啮合接合的多个星形齿轮、和与星形齿轮啮合接合的齿圈。

16.如权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其中星形齿轮由齿轮架支撑，该齿轮架被固定到中间涡轮机框架。

17.如权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其中太阳齿轮被固定到外涡轮机转子的前端以旋转。

18.如权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其中外涡轮机转子的前端联接到齿圈，并且外涡轮机转子的后端联接到轴杆。

19.如权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中齿轮系统由中间涡轮机框架支撑，低压涡轮机静止壳具有未被支撑的后端和连接到中间涡轮机框架外壳的前端。

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