CN105164385B - 压缩机系统 - Google Patents

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Abstract

在燃气涡轮发动机中，增压压缩机由低压或风扇轴和高压轴通过差分式齿轮装置驱动。所述增压压缩机的转速介于所述风扇的速度和高压压缩机的速度中间。

Description

压缩机系统
技术领域
本发明涉及压缩机系统。
具体地，本发明涉及用于涡轮机的风扇和低压压缩机系统。
背景技术
涡轮机器，特别是燃气涡轮发动机，可以包括，串联连接的风扇、增压压缩机和高压压缩机，其将压缩空气递送至涡轮机器的核心，例如，燃烧器单元，燃料和空气在该燃烧器单元中燃烧，并且排放至一系列的涡轮，从而驱动风扇和压缩机单元，以及提供推力。图1展示了这样的设置，其摘自专利号为7624581的美国专利。
响应对更大的燃料效率的需求，已经产生了旁通比较高且总压力比较高的燃气涡轮发动机。下一代发动机继续此趋势，这会导致风扇和核心发动机的最佳设计参数之间矛盾增加。旁通比较高时，最佳风扇压力比相对较低，这导致转速较低且风扇轴扭矩较高。连接至风扇轴的增压级转动更慢，并且要更多级以实现想要的压力比，或要求半径增加，半径增加会影响增大风扇毂线，且导致风扇尖直径增加和在发动机重量和阻力上的不良后果。为了使这些影响最小化，希望在核心发动机实现最大压力比，但是这要求非常先进的空气动力学技术，高温材料和先进的冷却技术，以实现可以适应高扭矩风扇轴的紧凑的核心设计。
已经提出齿轮传动的风扇发动机，以解决增压器空气动力学问题和风扇轴扭矩较高的问题，但要求齿轮系能够应付风扇和增压器非常高的功率水平以及在实现令人满意的重量、可靠性、成本和油系统热管理伴随而来的困难。
齿轮传动的风扇装置提供风扇，该风扇通过，例如，低压轴，经由齿轮箱驱动，以使低压涡轮的转速比风扇更高，降低低压涡轮的重量，且降低低压涡轮的空气动力学负载。与常规涡轮风扇相比，在相同的短舱公称直径中，这样的设置可以提供较高的旁通比。齿轮传动的风扇设置为通过其齿轮箱传递非常高的功率，这必然是物质上的设计，因此给发动机增加相当大的重量和成本，且因此抵消低压涡轮的优点。
在两轴涡轮风扇中，将增压压缩机直接连接至风扇轴使得增压器以与风扇相同的速度转动，这也是已知的。在较高的旁通比下，增压器的叶片速度是非常低的，且可能要求许多级以实现所需的压力比。为了在这样的构造中实现可接受的增压器空气动力学负载，可能要求若干增压级(booster stage)，并且每个增压级必须达到足够的叶片速度，这要求每个增压级的直径相当大。这些设计特征都增加组合发动机的总体尺寸，导致额外的重量和空气动力学阻力。驱动风扇和增压器的轴的尺寸还必须能处理增压器和风扇的扭矩负载，进一步增加这些设计变化的重量和尺寸。
专利号为8209952的美国专利描述了可替换的装置，其展示于图2中。使用专利号为8209952的美国专利的附图标记，风扇级51通过低压轴64连接至低压涡轮103。设置中间速度增压器54，其通过行星式齿轮系56驱动。行星式齿轮系使压缩机增压级54相对于风扇级51反向转动。这样的结构可导致所要求的增压级的数量较小或降低增压级的直径，但如果较先进的发动机热力循环要求较高的增压器压力比，该结构在风扇轴上提供额外的负载，这要求用额外的材料增强所述轴以适应所述负载，因此增加总重量并且对核心发动机的机械设计产生不利影响。
相对于风扇以固定的齿轮比转动的增压压缩机在非设计条件下的空气动力学匹配差，且通常要求大量的空气在非设计条件下流入旁通管中，以避免激增。这降低发动机在非设计条件下的总效率。
因此，非常想要这样的系统：该系统为相同或较小的增压压缩机直径和增压级数量，提供比常规设置增加的压缩比，并且使发动机低压轴上的负载保持最小。也非常想要这样的系统：该系统以这样的转速驱动增压压缩机，该转速为风扇的速度和高压压缩机的速度的函数，特别是如果该函数可以优化以匹配压缩机的空气动力学性能，那么这样的系统是非常理想的。
发明内容
根据本发明，提供下文中所阐述的装置和系统。本发明的其它特征将在从属权利要求和下文的描述中变得清楚。
因此，可以提供用于涡轮机的风扇和增压压缩机系统，其包括：第一轴和第二轴；风扇，所述风扇包括连接至所述第二轴的叶片组；以及增压压缩机，所述增压压缩机包括压缩机转子叶片组；其中所述第一轴连接至行星式齿轮单元的第一输入部件；所述第二轴连接至所述行星式齿轮单元的第二输入部件，并且所述增压压缩机连接至所述行星式齿轮单元的输出部件，藉此所述增压压缩机可通过所述第一和第二轴驱动。
所述行星式齿轮单元的输出部件可以设置为行星架，其中所述行星架支撑行星齿轮组；所述行星式齿轮单元的第一输入部件为环形齿轮，该环形齿轮在行星齿轮组的径向外侧并且与行星齿轮组转动地接合；所述行星齿轮组在所述第二输入部件的径向外侧并且与第二输入部件可转动地接合；所述行星式齿轮单元的第二输入部件设置为太阳齿轮。
行星式齿轮单元的输出部件可以为环形齿轮，该环形齿轮在行星齿轮组的径向外侧并且与行星齿轮组可转动地接合；所述行星式齿轮单元的第一输入部件设置为行星架，其中所述行星架支撑行星齿轮组；行星齿轮组在所述第二输入部件的径向外侧并且与第二输入部件可转动地接合；所述行星式齿轮单元的第二输入部件设置为太阳齿轮。
齿轮单元的齿轮的直径可以设置成，在使用时，所述增压压缩机以与风扇相同的方向转动，且在第一和第二轴的转速的预定范围内，所述增压压缩机比风扇转动更快。
该涡轮机可包括发动机核心流道，所述增压压缩机可以设置在所述发动机核心流道的入口处或下游，并且所述风扇设置在所述增压压缩机的上游。
所述涡轮机可以进一步包括旁通管，所述旁通管在发动机核心流道的径向外侧。
所述涡轮机可以进一步包括高压涡轮和低压涡轮，所述第二轴连接至高压涡轮并且所述第一轴连接至低压涡轮。
所述第一轴和第二轴可以被配置成在使用时反向转动。
可以提供燃气涡轮发动机，其包括根据本发明的风扇和增压压缩机系统。
因此，提供一种系统，其中增压压缩机以比风扇高的转速驱动，并且速度为风扇速度和高压轴速度的函数。该构造能够产生高压缩比，同时使增压器的长度和直径较小，并且因此使发动机总直径较小，提高增压器和高压压缩机之间的非设计空气动力学匹配，并且相比已知设备，使低压轴上的负载保持最小化
附图说明
现在结合附图，描述本发明的实施例，其中：
图1展示了用于燃气涡轮发动机的已知的增压器装置(如专利号为7624581的美国专利所述)；
图2为专利号为8209952的美国专利中所述的装置；
图3为具有根据本发明的风扇和低压压缩机系统的燃气涡轮发动机的示意图；
图4展示了用于根据本发明的涡轮机的风扇和增压器装置的示意图；
图5为本发明的行星式齿轮装置的剖视图；以及
图6为本发明的行星式齿轮装置的可替换的剖视图。
具体实施方式
为避免疑义，图3至6中所示的涉及本发明的实施例的特征所用的附图标记与相关技术图1和2的标号系统无关。
图3和图4展示了根据本发明的涡轮机10，例如，燃气涡轮发动机。该燃气涡轮机10包括风扇12，发动机核心流道14和另外的高压压缩机20，所述风扇12在发动机核心流道14的上游，所述发动机核心流道14由增压压缩机16限定，所述高压压缩机20沿共用管22隔开。所述风扇12、增压压缩机16和高压压缩机20每个分别包括至少一圈(即组)转子叶片12a、16a、20a。所述增压压缩机16可另外包括定子轮叶组，所述定子轮叶组在转子级16a,20a上游、下游和/或之间。所述发动机核心流道14具有位于风扇12下游的入口24。所述增压压缩机16设置在入口24的区域(也就是说在入口24处或下游)，并且也在风扇12的下游。
所述涡轮机10进一步包括旁通管26，所述旁通管26在所述发动机核心流道14的径向外侧。所述风扇12跨越所述入口24和旁通管26，并且可用于将空气递送至所述入口24和旁通管26。
高压压缩机20的下游设有燃烧器30，高压涡轮32和低压涡轮34。所述风扇12连接至第一轴36，所述第一轴36转而连接至所述低压涡轮34。所述高压压缩机20连接至第二轴38，所述第二轴38转而连接至所述高压涡轮32。使用时，所述第一轴36和第二轴38可反向转动。也就是说，使用时，所述第一轴36和第二轴38以相反方向转动。
还提供行星式齿轮单元40，图5和6更详细地展示了该行星式齿轮单元的可替换的实施例。第一轴36连接至所述行星式齿轮单元40的第一输入部件42，第二轴38连接至所述行星式齿轮单元40的第二输入部件44，并且增压压缩机16连接至所述行星式齿轮单元40的输出部件46。
在图3至5中所示的第一实施例中，所述行星式齿轮单元40的输出部件46为环形(或“环”)齿轮48，所述环形齿轮48位于行星齿轮组50的径向外侧并且与行星齿轮组50可转动地接合。所述行星齿轮单元40的第一输入部件42设置为行星架52，其中所述行星架52支撑行星齿轮组50。所述行星齿轮组50在所述第二输入部件44的径向外侧并且与所述第二输入部件44可转动地接合。所述行星式齿轮单元40的第二输入部件44设置为太阳齿轮54。
即，在图3至5的实施例中，所述第一轴(或“低压轴”)36连接至行星架52，所述第二轴(或“高压轴”)38连接至太阳齿轮54并且所述增压压缩机16的转子连接至环形齿轮48。在图5(和图6)中，上述部件之间的连接由将增压器16、第一轴36和第二轴38的附图标记包含在靠近行星架52、环形齿轮48和太阳齿轮54(根据情况而定)的括号中来表示。因此，所述增压压缩机16与第一(低压)轴36和第二(高压)轴38可转动地接合，并且使用时由第一(低压)轴36和第二(高压)轴38驱动，其中，使用时所述第一(低压)轴36和第二(高压)轴38以彼此相反的方向转动。因此，在图5中，所述风扇12(连接至第一/低压轴36)和增压压缩机16被配置成使用时以相同方向转动，并且所述高压压缩机20(连接至第二/高压轴38)被配置成使用时以与风扇12和增压压缩机16相反的方向转动。
在图6所示的可替换的实施例中，所述第一轴(或“低压轴”)36连接至环形齿轮48，所述第二轴(或“高压轴”)38连接至所述太阳齿轮54并且所述增压压缩机16的转子连接至行星架52。因此，所述增压压缩机16与所述第一(低压)轴36和第二(高压)轴38可转动地接合，且在使用时，由所述第一(低压)轴36和第二(高压)轴38驱动，其中使用时，所述第一(低压)轴36和第二(高压)轴38以相同方向转动。因此，所述高压压缩机20(连接至第二/高压轴38)和风扇12(连接至第一/低压轴36)以及增压压缩机16被配置成在使用时以相同方向转动。本发明的设备的另外的实施例可以被配置成由低压和高压轴通过差动式齿轮装置驱动增压压缩机。
所述行星式齿轮单元40的太阳齿轮42、行星齿轮44和环形齿轮48的直径设置成在使用时，所述增压压缩机16以与风扇12相同的方向且在所述第一轴36和第二轴38的转速的预定范围转动，所述增压压缩机16比风扇12转动更快，并且比高压压缩机转动更慢。也就是说，所述增压压缩机的转速介于风扇的速度和高压压缩机的速度中间。所述增压压缩机的实际速度是与行星式装置中齿轮的几何尺寸结合的低压轴的速度和高压轴的速度的函数。
因此，在本发明的风扇和压缩机系统的操作中，所述设置能够供应扭矩从而由第一(低压)轴36和第二(高压)轴38驱动增压压缩机16。
在发动机的运行范围内，从每条轴36,38提取的扭矩的比例保持不变，并且由行星式齿轮单元40的太阳齿轮42、行星齿轮44和环形齿轮48的直径决定。对于发动机的具体设计，可以通过改变行星式齿轮单元40的太阳齿轮42、行星齿轮44和环形齿轮48的直径优化增压压缩机速度和第一(低压)轴36和第二(高压)轴38之间的扭矩分配。
虽然结合行星式齿轮单元描述了前述实施例，但可以使用任何合适的差动式齿轮单元作为替换。
本发明的装置提供这样的优势：增压压缩机可以实现较高的转速，这降低实现想要的高压力比所需的低压和/或高压级的数量，因此降低所需的发动机长度和重量。此外，所述增压压缩机的直径无需与常规增压器设置的直径一样大。
在部件整体的机械和空气动力设计限制内，所述装置更灵活地优化低压和高压轴之间的工作分配。
相应减小的增压压缩机直径使得所述增压器和高压压缩机之间的管的形状更符合空气动力学，从而降低了管中的压力损失。
还可以提高发动机的非设计匹配，降低特定的非设计燃料消耗。增压器速度为低压和高压轴的速度的函数，并且可以优化该函数，从而更好地匹配非设计条件下的压缩机速度。
更小的增压压缩机直径也降低风扇毂的直径，且因此降低给定的流动区域的风扇尖的直径和用于飞机上时动力装置的阻力。
降低了低压轴的扭矩负载，因此轴的直径更小，并且高压盘的重量更轻。
增压器中每级增加的工作也将提高增压器的第一或唯一的转子级的下游的空气温度，并且因此不再需要下游压缩机定子的防冰作用。
另外，由于增压器的直径减小，在风扇内的Hade角度可以减小，因此，相比常规设置，可以降低风扇出口处的外径和旁通管的直径。这能够进一步减小发动机短舱的外径和重量。
由设备提供的较大的灵活性优化了发动机设计，这能够使用更常规的已证实的技术实现想要的发动机性能，降低开发风险和成本。
除了至少一些特征和/或步骤互相排斥的组合之外，本说明书(包括附带的权利要求书、摘要和附图)公开的所述特征，和/或公开的任意方法或过程的所有步骤，可以以任意组合的方式结合。
本说明书(包括附带的权利要求书、摘要和附图)公开的每个特征，除非另有明文规定，可以被用途相同、相等或类似用途的替代特征所替换。因此，除非另有明文规定，公开的每个特征只是一系列相等或类型特征的例子。
本发明不限于上述实施例的细节。本发明延伸至具有本申请文件中公开的特征的任何新的申请或任何新的组合(包括任何附带的权利要求书、摘要及附图)，或者具有本申请文件中公开的任何方法或过程的步骤的任何新的申请或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种用于涡轮机的压缩机系统，
所述涡轮机包括：
低压轴，其连接至低压涡轮机；以及
高压轴，其连接至高压涡轮机；
所述压缩机系统包括：
风扇，其由所述低压涡轮机通过所述低压轴驱动；
增压压缩机；以及
行星式齿轮单元；
其中：
所述低压轴连接至所述行星式齿轮单元的第一输入部件；
所述高压轴连接至所述行星式齿轮单元的第二输入部件；
所述增压压缩机连接至所述行星式齿轮单元的输出部件；
藉此所述增压压缩机由所述低压轴和高压轴驱动；以及
在所述发动机的运行范围内，从每个轴提取的扭矩的比例保持不变。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述行星式齿轮单元的所述输出部件设置为行星架，其中所述行星架支撑行星齿轮组；
所述行星式齿轮单元的所述第一输入部件为环形齿轮，所述环形齿轮在行星齿轮组的径向外侧并且与行星齿轮组可转动地接合；
所述行星齿轮组在所述第二输入部件的径向外侧并且与所述第二输入部件可转动地接合；
所述行星式齿轮单元的所述第二输入部件设置为太阳齿轮。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述行星式齿轮单元的所述输出部件为环形齿轮，所述环形齿轮在行星齿轮组的径向外侧，并与行星齿轮组可转动地接合；
所述行星式齿轮单元的所述第一输入部件设置为行星架，其中所述行星架支撑所述行星齿轮组；
所述行星齿轮组在所述第二输入部件的径向外侧，并且与所述第二输入部件可转动地接合；
所述行星式齿轮单元的所述第二输入部件设置为太阳齿轮。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的系统，其特征在于，所述齿轮单元的齿轮的直径设置成，使用时，所述增压压缩机以与所述风扇相同的方向转动，并且在所述低压和高压轴的转速的预定范围，所述增压压缩机比所述风扇转动更快。
5.根据前面权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述涡轮机包括发动机核心流道，所述增压压缩机设置在所述发动机核心流道的入口处或下游，所述风扇设置在所述增压压缩机的上游。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述涡轮机进一步包括旁通管，所述旁通管在所述发动机核心流道的径向外侧。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述低压轴和所述高压轴被配置成在使用时反向转动。
8.一种燃气涡轮发动机，其包括根据权利要求1至7中任意一项所述的压缩机系统。
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