CN103608564A - 具有连接低压涡轮机的高压压气机的双轴涡轮发动机设计 - Google Patents

Abstract

涡轮轴发动机（10），其包括低压压气机（12）、高压压气机（14）、低压涡轮机（20）、高压涡轮机（18）和用于调节低压涡轮机（20）的旋转速度达到基本上恒定的速度的调节器装置（30）。低压涡轮机（20）通过第一轴（24）联接高压压气机（14），而高压涡轮机（18）通过第二轴（26）联接低压压气机（12）。

Description

具有连接低压涡轮机的高压压气机的双轴涡轮发动机设计

技术领域

本发明涉及涡轮轴发动机的内部结构，并且更特别地涉及直升机发动机的内部结构。

应该观察到术语“涡轮喷气发动机”指燃气涡轮发动机，其通过与高速度的热气体射出反应，传递推进所需要的推力，而术语“涡轮轴发动机”指燃气涡轮发动机，其驱动主动轴旋转。例如，涡轮轴发动机用作直升机、轮船、火车中的发动机，或者实际上用作工业发动机。涡轮螺旋桨发动机（涡轮轴发动机驱动螺旋桨）也是航空发动机中所用的发动机。

背景技术

常规的涡轮轴发动机通常包括低压压气机和布置在低压压气机下游的高压压气机，其中“下游”是相对于经过发动机的气体流动方向。在一些使用情况下，当在高压压气机进口的压力高于在低压压气机出口的压力时，就会出现喘振现象。发动机的运行变得不稳定，可能到达这种程度：气体通过进口排放到低压压气机中。

通过用于双轴涡轮喷气发动机类型的常规结构可以避免这种喘振现象，该双轴涡轮喷气发动机类型包括低压转子（通过轴联接低压涡轮机的低压压气机）和高压转子（通过另一个轴连接高压涡轮机的高压压气机，高压压气机和高压涡轮机一端位于低压压气机和另一端位于低压涡轮机之间）。然而，这种涡轮喷气发动机结构难以适合于涡轮轴喷气发动机，因为在正常工作时，双轴涡轮喷气发动机的压缩比率与强加于正常工作中涡轮轴喷气发动机上的压缩比率比较太大了。具体地，双轴涡轮喷气发动机的压缩比率通常是30到40（例如，在飞机的涡轮喷气发动机中），而涡轮轴发动机的压缩比率通常是小于20（例如，在直升机发动机中）。

发明内容

本发明的目的是提出了一种涡轮轴发动机，其中低压压气机和高压压气机之间出现的喘振现象的风险被降低，甚或为零。

本发明通过提出一种涡轮轴发动机达到其目的，该涡轮轴发动机包括低压压气机、高压压气机、低压涡轮机、高压涡轮机和用于调节低压涡轮机的旋转速度达到基本上恒定的速度的调节器装置，其中低压涡轮机通过第一轴联接高压压气机，而高压涡轮机通过第二轴联接低压压气机。

可以理解高压压气机布置在低压压气机的下游，高压涡轮机布置在高压压气机的下游，低压涡轮机布置在高压涡轮机的下游。高压涡轮机是燃烧室下游的第一涡轮机。燃烧室布置在气体流动方向上高压压气机和高压涡轮机之间。也可以理解高压涡轮机根据喷射到燃烧室的燃料多或少，其旋转速度会改变。

通常，并且除非有相反的说明，术语元件的“上游”和“下游”以及“进口”和“出口”相对于经过发动机的气体流动方向而被限定。

高压压气机安装在与低压涡轮机相同的旋转轴上，而低压压气机安装在与高压涡轮机相同的旋转轴上。因此，高压压气机和低压涡轮机以相同的旋转速度旋转，而低压压气机和高压涡轮机以相同的另一个旋转速度旋转。

术语“基本上恒定的速度”意指对于预定运转速度，该速度可以改变，但是不会超过加或减百分之十五（±15%）。例如，为了调节低压涡轮机的速度，调节器装置将或多或少的燃料喷射到燃烧室中，这样包括高压涡轮机和低压压气机的旋转组件被加速或减慢。因此，使得气体的流速更大或更小，并且该气体的流速用于传递低压涡轮机以基本上恒定的速度转动时所必需的能量，而与施加于发动机主动轴的扭矩无关。

因为调节器装置，因为高压压气机通过第一轴机械地联接低压涡轮机，所以高压压气机的速度是基本上恒定的。而且，因为低压压气机通过第二轴机械地联接高压涡轮机，所以高压涡轮机的旋转速度的变化仅会影响低压压气机的旋转速度。因此，高压压气机的旋转速度与低压压气机的旋转速度比较，是基本上恒定的。因此，低压压气机和高压压气机之间的任何喘振风险被降低，甚或被避免。自然地，可以理解对于高压压气机的预定旋转速度，低压压气机的旋转速度位于预定的旋转速度范围内，这样高压压气机总是能够接收和压缩来自于低压压气机的气体。

换而言之，通过机械地联接高压压气机和低压涡轮机，以及机械地联接低压压气机和高压涡轮机，并且通过使用调节器装置，高压压气机的旋转速度比低压压气机的旋转速度更稳定，这样在低压压气机和高压压气机之间太高的任何压力风险被降低，甚或为零，同时喘振现象由此被减少，甚或不存在。

在第一个变化形式中，第一轴同轴地穿过第二轴，第一和第二轴限定轴向方向，以沿着轴向方向的顺序布置高压压气机、低压压气机、高压涡轮机和低压涡轮机。

与常规的双轴涡轮喷气发动机比较，高压和低压压气机在轴向方向中的位置被颠倒，而高压和低压涡轮机以相同的顺序布置。在该第一个变化形式中，第一轴位于中心，因此更容易连接该轴以传输驱动力（参见，动力输出），特别地在发动机的前面（即，在轴向方向上相对于压气机远离涡轮机的其端部）的驱动力。

在第二个变化形式中，第二轴同轴地穿过第一轴，第一和第二轴限定轴向方向，以沿着轴向方向的顺序布置低压压气机、高压压气机、低压涡轮机和高压涡轮机。

与常规的双轴涡轮喷气发动机比较，高压和低压压气机在轴向方向中的位置被颠倒，而以相同的顺序布置高压和低压涡轮机。在该第二个变化形式中，燃烧室有利地布置在发动机的后端（即，相对于涡轮机远离压气机的其端部）。这有利于接近进入燃烧室以维护或更换。

有利地，第二个变化形式的涡轮轴发动机具有布置在低压涡轮机下游的气体射出通道，以及连接高压压气机出口和布置在高压涡轮机上游的燃烧室的气体管道，气体管道通过热交换器穿过气体射出通道，以将来自于低压涡轮机的气体的热转移给在气体管道中流动的气体。

热交换器在气体管道和气体射出管道之间提供热接触。热交换器可以加热来自于高压压气机的气体，然后使气体穿透到燃烧室中，因此用于减少热损失和用于增加发动机的效率。

优选地，本发明的涡轮轴发动机是直升机发动机。

附图说明

通过阅读下面作为非限制性实施例所给出的本发明各种实施方式的详细说明书，可以更好地理解本发明和其优点。说明书参考了附图，其中：

图1是本发明涡轮轴发动机的第一实施方式的示意图；和

图2是本发明涡轮轴发动机的第二实施方式的示意图。

具体实施方式

图1表示本发明涡轮轴发动机的第一实施方式，其对应于第一个上述变化形式。箭头表示发动机10内气体的流动方向。空气通过空气进口通道11进入发动机10，并且通过气体射出通道22射出燃烧气体。涡轮轴发动机10是直升机发动机。

在气体流动方向，发动机10连续地包括低压压气机12、高压压气机14、燃烧室16、高压涡轮机18和低压涡轮机20。在该实施例中，高压压气机14是离心式压气机，而低压压气机12是轴流式压气机。自然地，根据变化形式，高压压气机可以是轴流式和/或低压压气机可以是离心式。气体管道15连接高压压气机14的出口和燃烧室16的进口，以给燃烧室16带来来自于高压压气机14的压缩空气。应该观察到在图1和图2中，压气机12和14以及涡轮机18和20的固定元件画上了阴影线，而可移动元件没有画上阴影线。

高压压气机14通过第一轴24旋转地联接低压涡轮机20。低压压气机12通过第二轴26旋转地联接高压涡轮机18。第一轴24同轴地穿过第二轴26的内部，第一轴24和第二轴26限定轴向方向X（或轴线X）。在该第一实施方式中，在图1中从左到右，高压压气机14、低压压气机12、高压涡轮机18和低压涡轮机20以沿着轴向方向X的顺序布置。

连接低压涡轮机20的第一轴24是涡轮轴发动机10的主动轴。第一轴24，例如通过图1中所示意性表示的齿轮箱或者间接地（未示出）接合传动轴28，后者驱动直升机（未示出）的转子。在变化形式中，在第一轴24和传动轴28之间设置离合器，目的是起动发动机。在该实施例中，在发动机10的前面，例如，在图1中向左侧进行第一轴24和传动轴28之间的连接。

调节器装置30调节燃料喷射到燃烧室16中，这样低压涡轮机20和由此直升机转子以基本上恒定的速度旋转，而与直升机转子所施加在第一轴24上的反向扭矩无关。因此，与各种直升机飞行体系条件的直升机转子叶片的节距角度无关，并且由此与直升机转子在第一轴24上所提出的扭矩无关，所述转子以恒定的速度旋转。

因为调节器装置30以及低压涡轮机20和高压压气机14通过第一轴24的联接，所以高压压气机14以恒定的速度旋转。因为高压涡轮机18联接低压压气机12，所以由于喷射到燃烧室16中燃料调节所引起的高压涡轮机18的旋转速度的任何变化都会影响低压涡轮机12。因此，如果高压压气机14正在正常地运转，即，在正常动力或在中间动力（即，部分或半动力）下，在低压压气机12的旋转速度变化的整个范围上，能够压缩来自于低压压气机12的气体，就避免了低压和高压压气机12和14之间的喘振现象。

图2表示本发明的涡轮轴发动机的第二实施方式，对应于第二个上述变化形式。箭头表示发动机100内气体的流动方向。不再描述与第一实施方式共同的元件，并且保持它们的附图标记不变，并且同样地不再描述它们的运转。如在第一实施方式，低压压气机12是轴流式压气机，而在变化形式中，可以用离心式压气机代替它。同样地，低压压气机14是离心式压气机，但是在变化形式中，可以用轴流式压气机代替它。

在发动机100中，第二轴26同轴地穿过第一轴24的内部，第一轴24和第二轴26限定轴向方向X（或轴线X）。在该第二实施方式中，在图2中从左到右，低压压气机12、高压压气机14、低压涡轮机20和高压涡轮机18以沿着轴向方向X的顺序布置。在该实施例中，燃烧室16设置在发动机100的后端，即，图2中向右侧。

气体通道15经过热交换器34穿过射出通道22。自然地，热交换器不会封闭射出通道22，并且通过流过至少部分热交换器34，废气自由地逃离到外侧。

因此，由发动机100所射出的气体开始与热交换器34直接的热接触，并且通过热交换器34将热传递给在管道15中流动的气体。在变化形式中，气体管道15不穿过射出通道22，并且不进行热转移。

应该观察到第一和第二实施方式的空气进口通道11和气体管道15，以及第二实施方式的射出通道22不是旋转体，因此可以特别地提供空间，用于接收第一实施方式中的空气进口通道11和气体管道15或者第二实施方式中轴24和28之间的机械传动。在变化形式中，空气进口通道11、气体管道15和/或射出通道22可以具有其它形状，可选地是旋转体。

Claims (2)

1.一种涡轮轴发动机（10、100），其包括低压压气机（12）、高压压气机（14）、低压涡轮机（20）、高压涡轮机（18）和用于调节低压涡轮机（20）的旋转速度达到基本上恒定的速度的调节器装置（30），其中低压涡轮机（20）通过第一轴（24）联接高压压气机（14），而高压涡轮机（18）通过第二轴（26）联接低压压气机（12），第一轴（24）同轴地穿过第二轴（26）的内侧，第一和第二轴（24、26）限定轴向方向（X），其特征在于：以沿着轴向方向（X）的顺序布置高压压气机（14）、低压压气机（12）、高压涡轮机（18）和低压涡轮机（20）。

2.根据权利要求1的涡轮轴发动机（10），其形成直升机发动机。

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