CN103557077A - 涡轮机装置 - Google Patents

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CN103557077A CN201310503036.7A CN201310503036A CN103557077A CN 103557077 A CN103557077 A CN 103557077A CN 201310503036 A CN201310503036 A CN 201310503036A CN 103557077 A CN103557077 A CN 103557077A
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R.J.奥尔兰多
T.O.莫尼兹
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Abstract

本发明涉及一种涡轮机装置。其中，该涡轮机装置包括中心燃气轮机，连接到中心燃气轮机上的低压涡轮，连接到中心燃气轮机上的反向旋转的风扇装置，其包括连接到低压涡轮上的前部的风扇装置，该前部的风扇装置包括盘和连接到该盘上的多个转子叶片并且被构造为以第一旋转方向旋转，和连接到低压涡轮上的后部的风扇装置，该后部的风扇装置包括盘和连接到该盘上的多个转子叶片，后部的风扇装置被构造为以第二旋转方向旋转，和连接到低压涡轮上的增压压缩机，从而使得增压压缩机以第一方向旋转。

Description

涡轮机装置
本申请是2006年10月19日提交的申请号为200610135560.3、发明名称为“燃气轮机装置及其装配方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明通常涉及燃气轮机，并且尤其涉及燃气轮机装置及其装配方法。
背景技术
至少一些已知的燃气轮机包括前部的风扇、中心发动机和动力涡轮。该中心发动机包括至少一个压缩机、燃烧器、高压涡轮和低压涡轮，它们以串行流关系结合在一起的。更具体的，压缩机和高压涡轮通过一轴结合以定义高压转子装置。进入到中心发动机的空气与燃料混合并且被点燃以形成高能气流。高能气流流过高压涡轮，以可旋转地驱动高压涡轮，从而使得该轴接着可旋转的驱动压缩机。
当气流流过设置在高压涡轮前方的低压涡轮时，该气流膨胀。低压涡轮包括转子装置，该装置具有连接到驱动轴上的风扇。低压涡轮通过驱动轴可旋转地驱动该风扇。为了便于增加发动机效率，至少一个已知的燃气轮机包括反向旋转的低压涡轮，该低压涡轮连接到反向旋转的风扇和/或反向旋转的增压压缩机上。
外部旋转筒、旋转框架、中部涡轮框架和两个同心轴都安装在燃气轮机中以便于支撑反向旋转的低压涡轮。上述部件的安装还能够使得第一风扇装置连接到第一涡轮上以及第二风扇装置连接到第二涡轮上，从而使得第一风扇装置和第二风扇装置每个分别以与第一涡轮和第二涡轮相同的方向旋转。因此，这样的发动机的总的重量、设计复杂性和/或制造成本增加了。
发明内容
在一个方面，提供用于装配燃气轮机的方法。该方法包括连接低压涡轮到中心涡轮机，连接包括前部的风扇装置和轴向后部的风扇装置的反向旋转的风扇装置到低压涡轮上，从而使得前部的风扇装置以第一方向旋转并且后部的风扇装置以相反的第二方向旋转，并且连接增压压缩机到低压涡轮上，从而使得增压压缩机以第一方向旋转。
在另一个方面，提供反向旋转的风扇装置。该反向旋转的风扇装置包括连接到低压涡轮上的前部的风扇装置，该前部的风扇装置包括盘和连接到该盘上的多个转子叶片并且被构造为以第一旋转方向旋转，连接到低压涡轮上的后部的风扇装置，该后部的风扇装置包括盘和连接到该盘上的多个转子叶片，后部的风扇装置被构造为以第二旋转方向旋转，和连接到低压涡轮上的增压压缩机，从而使得增压压缩机以第一方向旋转。
在进一步的方面，提供涡轮机装置。该涡轮机装置包括中心燃气轮机，连接到中心燃气轮机上的低压涡轮，连接到中心燃气轮机上的反向旋转的风扇装置，其包括连接到低压涡轮上的前部的风扇装置，该前部的风扇装置包括盘和连接到该盘上的多个转子叶片并且被构造为以第一旋转方向旋转，和连接到低压涡轮上的后部的风扇装置，该后部的风扇装置包括盘和连接到该盘上的多个转子叶片，后部的风扇装置被构造为以第二旋转方向旋转，和连接到低压涡轮上的增压压缩机，从而使得增压压缩机以第一方向旋转。
附图说明
图1是示例的涡轮机装置一部分的横截面视图；
图2是图1所示的反向旋转的风扇装置一部分的放大的横截面视图；
图3是图2所示的反向旋转的风扇装置一部分的放大的横截面视图；和
图4是图2所示的反向旋转的风扇装置一部分的放大的横截面视图。
部件目录表
10          涡轮机装置
11          纵轴
12          中心涡轮机
13          框架
14          低压涡轮
15          结构支撑件
16          旋转风扇装置
20          外壳
22          中心发动机入口
24          增压压缩机
26          压缩机
28          燃烧室
30          高压涡轮
32          第一驱动轴
34          第二驱动轴
36          排气喷嘴
50          风扇装置
52          后部的风扇装置
60          转子叶片
62          转子叶片
64          吊舱
66          转子盘
67          风扇框架装置
68          转子盘
70          转子叶片
72          转子盘
74          导向叶片装置
76          导向叶片
78          增压器壳体
80          第一旋转方向
82          第二旋转方向
84          圆锥体
86          第一或者前端
88          第二或者后端
90          圆锥体
91          圆锥体延伸部分
92          第一或者前端
94          第二或者后端
100         齿轮箱
102         壳体
103         齿轮
104         齿轮箱输入
106         齿轮箱输出
110         推力轴承装置
111         内圈
112         轴承支撑结构
113         表面
114         内槽
116         外圈
117         表面
118         外槽
119         多个轴承
120         推力轴承装置
122         内圈
123         表面
124         内槽
126         外圈
127         表面
128         外槽
129         多个轴承
130         滚子轴承装置
132         内圈
133         表面
134         内槽
136         外圈
137         表面
138         外槽
139         多个滚子
140         滚子轴承装置
142         内圈
143         表面
144         内槽
146         外圈
147         表面
148         外槽
149         多个滚子
160         输出结构
170         贮槽。
具体实施方式
图1是具有纵轴11的示例的涡轮机装置10一部分的横截面视图。在示例的实施例中，涡轮机装置10包括通常由框架13限定的中心燃气轮机12。低压涡轮14轴向连接到中心燃气轮机12的后部，并且反向旋转风扇装置16轴向连接到中心燃气轮机12的前部。
中心燃气轮机12包括外壳20，其定义了环形中心发动机入口22。外壳20围绕着低压增压压缩机24以便于增加进气的压力到第一压力水平。在一个实施例中，中心燃气轮机12是中心CFM56燃气轮机，其可以从俄亥俄州辛辛那提的通用电气航空发动机公司中获得。
高压、多级、轴流压缩机26从增压压缩机24中接收加压的空气，并且进一步增加空气的压力到更高的第二压力水平。高压空气被引导入燃烧室28并且与燃料相混合。燃料空气混合气被点燃以提升加压空气的温度和能量水平。高能燃烧产物流到第一或者高压涡轮30以用于通过第一可旋转驱动轴32驱动压缩机26，然后流入第二或者低压涡轮14以便于通过第二可旋转驱动轴34驱动反向旋转风扇装置16和增压压缩机24，该第二可旋转驱动轴34与第一驱动轴32同轴连接。在驱动低压涡轮14之后，燃烧产物通过排气喷嘴36离开涡轮机装置10以提供推进的喷气式推力。
反向旋转风扇装置16包括第一或者前部的风扇装置50和第二或者后部的风扇装置52，它们被构造为围绕纵轴11旋转。术语“前部的风扇”和“后部的风扇”在此用于表示风扇装置50是轴向连接在风扇装置52的上游。在一个实施例中，风扇装置50和52被设置在中心燃气轮机12的前端，如图1所示。在一个可选择的实施例中，风扇装置50和52设置在中心燃气轮机12的后端。风扇装置50和52每个分别包括至少一排转子叶片60和62，并且设置在吊舱64之中。转子叶片60连接到转子盘66上并且转子叶片62连接到转子盘68上。
在一个实施例中，增压压缩机24包括多排转子叶片70，这些转子叶片70被连接到对应的转子盘72上。增压压缩机24设置在入口导向叶片装置74的后部并且连接到后部的风扇装置52上，从而使得增压压缩机24以基本上等于后部的风扇装置52转速的转速进行旋转。虽然增压压缩机24被示出仅具有三排转子叶片70，增压压缩机24可具有任意合适数目和/或排的转子叶片70，例如单排转子叶片70或者多排转子叶片70，它们与多排导向叶片76相互交叉。在一个实施例中，入口导向叶片76被固定或者可靠地连接到增压器壳体78上。在一个可选择的实施例中，转子叶片70可旋转地连接到转子盘72上，从而使得入口导向叶片76在发动机运行期间是可移动的，以便于改变被引导通过增压压缩机24的空气量。在另一个可选择的实施例中，涡轮机装置10没有包括增压压缩机24。
在示例的实施例中，增压压缩机轴向连接到风扇框架装置67的后部，使得风扇框架装置67轴向设置在增压压缩机24和后部的风扇装置52之间。如图1所示，低压涡轮14通过轴34连接到前部的风扇装置50和增压压缩机24上，使得前部的风扇装置和增压压缩机24每个以第一旋转方向80旋转。后部的风扇装置52通过齿轮箱100连接到驱动轴34和/或低压涡轮14上，使得后部的风扇装置以相反的第二旋转方向82旋转。
图2是如图1所示的反向旋转风扇装置16一部分的示意图。在一个实施例中，前部的风扇装置50包括围绕纵轴11设置的圆锥体84。圆锥体84在第一或者前端86连接到转子盘66上并且在第二或者后端88连接到驱动轴34上，如图2所示。后部的风扇装置52包括沿着纵轴11围绕圆锥体84的至少一部分同轴设置的圆锥体90。圆锥体90在第一或者前端92连接到转子盘68上，并且在第二或者后端94连接到齿轮箱100的输出106上。圆锥体90还包括延伸部分91，其连接到前端92并且被构造通过在此进一步讨论的轴承装置140提供支撑给圆锥体90。
在一个实施例中，反向旋转的风扇装置16还包括齿轮箱100，其连接在后部的风扇装置52和驱动轴34之间以便于以与前部的风扇装置50旋转的方向80相反的旋转方向82旋转后部的风扇装置52。齿轮箱100具有大致环形形状并且被构造环为绕着驱动轴34进行设置，以基本上围绕驱动轴34进行延伸。如图2所示，齿轮箱100包括结构支撑102、连接在结构支撑102之中的至少一个齿轮103、连接到驱动轴34的输入104和连接到后部的风扇装置52上的输出106。
在一个实施例中，齿轮箱具有大约2.0比1的传动比，从而使得前部的风扇装置50和增压压缩机24每个以后部的风扇装置52的转速的大约2倍的转速进行旋转。在另一个实施例中，前部的风扇装置50和增压压缩机24每个以比后部的风扇装置52的转速快大约0.67和大约2.1倍之间的转速进行旋转。在这个实施例中，前部的风扇装置50和增压压缩机以大于、等于或者小于后部的风扇装置52转速的转速进行旋转。
在一个实施例中，第一轴承装置，例如在图2中所示的推力轴承装置110，围绕驱动轴34和/或纵轴11进行设置。推力轴承装置110可运行地结合和/或安装在驱动轴34和中心燃气轮机12的框架13之间。在一个实施例中，推力轴承装置110包括径向设置的内圈111，其相对于驱动轴34进行安装。内圈111安装到驱动轴延伸部分112上，该延伸部分112可操作地连接到驱动轴34上，从而使得内圈111可与驱动轴34一起围绕纵轴11进行旋转。在一个特定的实施例中，驱动轴延伸部分112花键连接到驱动轴34上。内圈111具有限定了推力轴承装置110的内槽114的表面113。限定内槽114的表面113具有大致弓形轮廓。
推力轴承110还包括径向设置的外圈116，其固定地连接到框架13上。在一个实施例中，外圈116和/或框架13作为地，用于传送由反向旋转风扇装置16和/或增压压缩机24发展或者产生的推力负荷和/或作用力，如下面更详细讨论的。外圈116具有表面117，其通常与表面113相对，该表面117形成了推力轴承装置110的外槽118。限定外槽118的表面117具有大致弓形轮廓。至少一个滚子元件，例如多个轴承119，可移动地设置在内圈112和外圈116之间。每个轴承119与内槽119和外槽118滚动接触，以允许驱动轴34相对于齿轮箱100自由旋转。
第二轴承装置，例如推力轴承装置120，径向围绕纵轴11设置。在一个实施例中，推力轴承装置120可运行地结合和/或安装在前部的风扇装置50的前端部分(例如处于或者接近圆锥体84的前端86)和后部的风扇装置52的前端部分(例如处于或者接近圆锥体90的前端92)两者之间。在一个实施例中，推力轴承120包括径向设置的内圈122，其相对于圆锥体84的外表面安装。如图2所示，内圈122安装到圆锥体84上，从而使得内圈122与前部的风扇装置50围绕纵轴11是可旋转的。内圈122具有表面123，其限定了推力轴承装置110的内槽124。限定内槽124的表面123具有大致弓形轮廓。
推力轴承装置120包括径向设置的外圈126，其相对于圆锥体90的内表面安装。如图4所示，内圈122安装到圆锥体90上，从而使得外圈126可与后部的风扇装置52一起围绕纵轴11旋转。外圈126具有表面127，其通常与表面123相对，该表面127形成了推力轴承装置120的外槽128。限定外槽128的表面127具有大致弓形轮廓。至少一个滚子元件，例如多个轴承129，可移动地设置在内圈122和外圈126之间。每个轴承129与内槽124和外槽128滚动接触，以便于进行前部的风扇装置50和/或后部的风扇装置52的相对旋转运动。
在一个实施例中，推力轴承装置110和/或120有助于在相对固定的轴向位置保持前部的风扇装置50和/或后部的风扇装置52。在反向旋转风扇装置16的运行期间，由前部的风扇装置50和/或增压压缩机24产生的推力负荷和/或作用力直接从前部的风扇装置50中传送到第一推力轴承装置110中。而且，在运行期间，由后部的风扇装置52产生的推力负荷和/或作用力从后部的风扇装置52传送到第二推力轴承装置120中，并且从第二推力轴承装置120通过驱动轴34传送到第一推力轴承110中。作为传送推力负荷和/或作用力到推力轴承装置110和/或推力轴承装置120的结果，通过可操作地连接到第二风扇装置52的齿轮箱100的推力负荷和/或作用力的传送可防止或者限制。在一个可选择的实施例中，对于本领域技术人员已知的和可以通过在此提供的教导引导出的任意合适的轴承装置能够用于轴承装置110和/或轴承装置120或者除了它们另外使用。
在一个实施例中，诸如推力轴承装置130的轴承装置在处于或者接近前端92处围绕圆锥体90的外表面设置，如图4所示。推力轴承装置130连接在框架13和前端92之间。在一个实施例中，推力轴承装置130与推力轴承装置120结合用作差速轴承装置以支撑后部的风扇装置52和/或从第二风扇装置52传送推力负荷和/或作用力到框架13中。在一个实施例中，推力轴承装置130包括内圈132，其相对于圆锥体90安装，如图4所示。内圈132安装到圆锥体90的前端92上，从而使得内圈132可与第二风扇装置52一起围绕纵轴11旋转。内圈132具有限定滚子轴承装置130的内槽134的表面133。
推力轴承装置130包括固定连接到框架13上的外圈136。在一个实施例中，外圈136相对于结构支撑件15和/或框架13固定地连接。结构支撑件15和/或框架13作为用于传送由反向旋转的风扇装置16和/或增压压缩机24发展或者产生的推力负荷和/或作用力的地。外圈136具有表面137，其通常与表面133相对，该表面137形成推力轴承装置130的外槽138。至少一个滚子元件，例如多个滚子139，可移动地设置在内圈132和外圈136之间。每个滚子139与内槽134和外槽138滚动接触。
在一个实施例中，诸如滚子轴承装置140的轴承装置围绕圆锥体延伸部分91的外表面设置，如图2所示。滚子轴承装置140连接在圆锥体84和圆锥体延伸部分91之间。滚子轴承装置140包括相对于后端88安装的内圈142。内圈142安装到圆锥体84上，从而使得内圈142可与前部的风扇装置50一起围绕纵轴11旋转。内圈142具有限定滚子轴承装置140的内槽144的表面143。
滚子轴承装置140包括相对于圆锥体延伸部分91安装的外圈146，如图2所示。外圈146安装在圆锥体延伸部分91上，从而使得外圈146可与后部的风扇装置52一起围绕纵轴11旋转。外圈146具有表面147，其通常与表面143相对，该表面147形成滚子轴承装置140的外槽148。至少一个滚子元件，例如多个滚子149，可移动地设置在内圈142和外圈146之间。每个滚子149与内槽144和外槽148滚动接触以便于圆锥体84、圆锥体延伸部分91和/或圆锥体90的相对的旋转运动。
在这个实施例中，滚子轴承装置130和140便于对后部的风扇装置52提供旋转支撑，从而使得后部的风扇装置52可相对于前部的风扇装置50自由的旋转。因此，滚子轴承装置130和140便于以相对固定的径向位置保持后部的风扇装置52在反向旋转的风扇装置16之中。在可选择的实施例中，对于本领域技术人员已知的和可以通过在此提供的教导引导出的任意合适的轴承装置能够用于轴承装置130和/或轴承装置140或者除了它们另外使用。
在一个实施例中，齿轮箱100连接到燃气轮机10的固定的或者静止的部件上，例如中心涡轮机12的框架13上，如图2所示。齿轮箱输入104通过驱动轴延伸部分112可旋转地连接到第二驱动轴34上，该驱动轴延伸部分112花键联接到驱动轴34上。齿轮箱输出106通过输出结构160可旋转地连接到后部的风扇装置52上。输出结构160的第一端花键联接到齿轮箱输出106上并且输出结构160的第二端连接到盘90的前端92上以便于驱动后部的风扇装置52。
在一个实施例中，齿轮箱100位于贮槽170之内，该贮槽170至少部分限定在输出结构160、结构13和驱动轴34之间。在运行期间，齿轮箱100至少部分浸没在包含在贮槽170中的润滑流体之中，以在发动机运行期间持续润滑齿轮箱100。
在此描述的燃气轮机装置包括反向旋转的风扇装置，其具有齿轮传动的单向旋转的低压涡轮。该装置便于减少与已知的反向旋转低压涡轮相关的至少一部分复杂性。更具体的，在此描述的燃气轮机包括前部的风扇装置和增压压缩机，它们每个通过驱动轴连接到低压涡轮上，和通过齿轮箱连接到低压涡轮上的后部的风扇结构。而且，在运行期间，前部的风扇装置和增压压缩机以相同的速度被驱动，在一个实施例中，该速度约是后部的风扇装置旋转速度的两倍。另外，在此描述的燃气轮机装置被构造使得由低压涡轮产生的动力的大约40％通过齿轮箱被传送到后部的风扇装置上，以便于减少齿轮损失。因此，如果发生齿轮箱失效，后部的风扇装置将停止旋转。但是，前部的风扇装置和增压压缩机将持续旋转，因为前部的风扇装置和增压压缩机每个都是由低压涡轮直接驱动。
上述燃气轮机装置和装配燃气轮机装置的方法允许由反向旋转的风扇装置和/或增压压缩机产生的转子推力负荷和/或作用力来平衡由低压涡轮产生的转子推力负荷和/或作用力。更具体的，本发明包括增压压缩机，其没有连接到后部的风扇装置上，而是该增压压缩机轴向设置在风扇框架装置的后部并且连接到前部的风扇装置上，从而使得增压压缩机以与前部的风扇装置相同的速度进行旋转。因此，后部的风扇速度可以通过改变齿轮箱的传动比进行变化，以便于增加燃气轮机装置的运行性能和效率。
燃气轮机装置的示例的实施例和装配燃气轮机装置的方法在上面详细描述。该装置和方法不限于在此描述的特定的实施例，而是装置的部件和/或方法的步骤可与在此描述的其它部件和/或步骤单独和分离地利用。而且，所述的装置部件和/或方法步骤还可限定在、或者与其它的装置和/或方法结合使用，并且不仅限于在此所述的装置和/或方法。
尽管本发明就不同的特定实施例进行了描述，本领域技术人员将认识到本发明可以进行在权利要求精神和范围之内的修改。

Claims (6)

1. 一种涡轮机装置(10)，其包括：
中心燃气轮机(12)，所述中心燃气轮机包括高压压缩机(26)、燃烧室(28)和高压涡轮(30)；
在所述中心燃气轮机下游的低压涡轮(14)；
连接到所述低压涡轮上的单个低压涡轮轴(34)；
在所述中心燃气轮机上游的反向旋转的风扇装置(16)，该反向旋转的风扇装置包括：
经所述单个低压涡轮轴连接到所述低压涡轮上的前部的风扇装置(50)，所述前部的风扇装置包括盘(66)和连接到所述盘上的多个转子叶片(60)并且被构造为以第一旋转方向(80)旋转；和
经所述单个低压涡轮轴连接到所述低压涡轮上的后部的风扇装置(52)，所述后部的风扇装置包括盘(68)和连接到所述盘上的多个转子叶片(70)，所述后部的风扇装置被构造为以第二旋转方向(82)旋转；和
经所述单个低压涡轮轴直接连接到所述低压涡轮上的增压压缩机(24)，从而使得所述增压压缩机以第一方向旋转；
所述涡轮机装置(10)还包括：
连接在所述低压涡轮(14)和所述前部的风扇装置(50)之间的驱动轴(34)；和
连接在所述驱动轴和所述后部的风扇装置之间的齿轮箱(100)，从而使得所述后部的风扇装置(52)以与所述前部的风扇装置相反的第二方向(82)旋转。
2. 如权利要求1所述的涡轮机装置(10)，其特征在于，所述反向旋转的风扇装置(16)还包括风扇框架装置(67)，所述风扇框架装置轴向连接到所述增压压缩机(24)的前方。
3. 如权利要求1所述的涡轮机装置(10)，其特征在于，所述反向旋转的风扇装置还包括风扇框架装置(67)，所述风扇框架装置连接在所述后部的风扇装置和所述增压压缩机(24)之间。
4. 如权利要求1所述的涡轮机装置(10)，其特征在于，所述齿轮箱(100)基本上为环形横截面轮廓并且基本上环绕着所述驱动轴(34)。
5. 如权利要求1所述的涡轮机装置(10)，其特征在于，所述前部的风扇装置(50)和所述增压压缩机(24)被构造为以第一旋转速度旋转，并且所述后部的风扇装置(52)被构造为以与第一旋转速度不同的第二旋转速度进行旋转。
6. 如权利要求1所述的涡轮机装置(10)，其特征在于，所述后部的风扇装置(52)被构造为以约为所述前部的风扇装置(50)和所述增压压缩机(24)的旋转速度一半的第一旋转速度进行旋转。
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