CN105545769A - 具有双反转转子的用于轴流式涡轮发动机的压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴流式涡轮发动机(2)的压缩机(4；6)包括两个转子(30；32)或反转鼓，其中内转子(30)和外转子(32)的每一个设有形成规则交替型态的叶片排(36；40)。内转子(30)设有固定至来自涡轮机的传输轴(11)的径向环形连接件(48)。外转子(32)包围内转子(30)。压缩机(4)还包括连结至外转子(32)并且与径向连接处(48)轴向地平齐布置从而轴向地排列机械链的转动轴承(60)。这种排列限制了转子(30；32)的叶片(36；40)和壁(34；38)之间的间隙之间的离心力作用。具有径向转动轴线的小齿轮(52)的传输装置允许外转子(32)被内转子(30)驱动。

Description

具有双反转转子的用于轴流式涡轮发动机的压缩机
技术领域
本发明的领域是涡轮发动机，特别是用于航空应用的涵道风扇涡轮喷气飞机。更精确地，本发明涉及用于轴流式涡轮发动机的压缩机的主题，其中转子由两个反向转动的有叶片的部分形成。
背景技术
用于压缩机的反转转子的使用允许增加对于给定长度的压缩率和叶片排的预定数量。因此，这种方案允许压缩机的缩短以及包含压缩机的涡轮发动机的缩短，还实现了大致上重量的减少。
文献US20140286749A1公开了带有由两个反转的转子形成的压缩机的轴流式涡轮发动机。每个转子承载多排叶片，内转子的叶片和外转子的叶片形成交替型态。内转子经由小齿轮驱动外转子，其转动轴线是径向方向的。在转子之间的驱动经由各种承载小齿轮的垂直轴发生。在其中一个轴上添加可分离传输装置。这种结构允许通过去耦转子的压缩的调节。但是，由于组成元件的数量，这种方案是复杂的。生产和维护成本需要可观的资源。另外，压缩率仍然保持减少。
发明内容
技术问题
本发明的目的是解决现有技术中的至少一个问题。更确切地，本发明的目的是增加来自压缩机的出口处的压力。本发明的另一个目的是增加压缩机的压缩率，同时减少以预定流驱动压缩机所需的能量。
技术方案
本发明的目的是一种轴流式涡轮发动机的压缩机，包括：内转子，其设有多个环形叶片排以及用于将所述内转子连接于所述涡轮发动机的传输轴的内径向环形连接件，以及外转子，其包围所述内转子并且包括多个环形叶片排，所述内转子和外转子的叶片排交替地布置，用以在所述转子以相反方向转动时压缩所述环形流，意义在于，它还包括转动轴承，其连结至所述外转子并且与所述内转子的径向连接件轴向地平齐布置，从而将转子支承区域轴向地排列。
根据本发明的有利实施方式，所述转动轴承形成所述外转子和所述压缩机的定子之间的转动链，或者转动轴承形成所述外转子和所述内转子之间的转动链，在一些例子中转动轴承安装在所述内转子的径向连接件上。
根据本发明的有利实施方式，每个转动轴承与所述内转子的相同排的叶片轴向地平齐布置。
在本发明的有利实施方式中，所述径向连接件具有围绕所述压缩机的转动轴线的旋转轮廓，所述轮廓朝向所述内转子之内主要径向地延伸，优选地大致上径向地延伸，在一些例子中径向链形成盘。
根据本发明的有利实施方式，所述转动轴承布置在所述转子之外，优选地所述外转子包括上游半部和下游半部，所述转动轴承与所述外转子的上游半部平齐布置。
根据本发明的有利实施方式，它包括放置在相同叶片排的水平处的基本上一个转动轴承或大致上两个转动轴承。
根据本发明的有利实施方式，至少一个或每个转子包括布置在对应的转子内的至少一个内环形加强件，优选地每个转子包括布置在每一个其叶片排的水平处的所述转子内的内环形加强件。
根据本发明的有利实施方式，压缩机包括在所述转子之间的运动的传输装置，配置成使得转子在相反方向转动，优选地以相同的角速度。
根据本发明的有利实施方式，所述传输装置包括至少一个小齿轮、优选地环形排的小齿轮，每个小齿轮具有径向方向的转动轴线、优选地垂直于所述压缩机的转动轴线。
根据本发明的有利实施方式，所述传输装置包括两个环形齿轮，每一个形成在所述转子的其中一个上，每个环形齿轮的齿向所述另一个环形齿轮轴向地延伸。
根据本发明的有利实施方式，所述传输装置放置在所述外转子的轴向半部的水平处，与其上放置有安装在所述外转子上的每个转动轴承的外转子的轴向半部相反。
根据本发明的有利实施方式，所述外转子包括连结所有其叶片排的圆形外壁，布置在所述外壁之内的内护罩，所述外转子包括形成将所述内护罩连结至所述外壁的所述压缩机的轴向端的叶片排。
根据本发明的有利实施方式，所述内转子包括连结所有其叶片排的圆形内壁，所述径向环形连接件和/或所述转动轴承与所述圆形内壁的中间轴向地平齐布置。
根据本发明的有利实施方式，所述内转子的叶片的外端是自由端并且/或者所述外转子的叶片的大部分的外端是自由端。
根据本发明的有利实施方式，所述外转子包括在其轴向长度的少于一半上、优选地少于三分之一上、更优选地少于四分之一上延伸的轴向部分，在所述轴向长度上布置有将其连接至所述压缩机的定子的每一个轴承。
根据本发明的有利实施方式，至少一个或每一个内环形加强件具有更小厚度的外环形部分。
根据本发明的有利实施方式，径向环形连接件向内径向地延伸内环形连接件。
根据本发明的有利实施方式，内转子和外转子的叶片排配置成在转子在相反转动方向上转动时能够逐渐地压缩环形流。
根据本发明的有利实施方式，压缩机可以是轴流式压缩机。轴流式压缩机可以理解成当流轴向地向下游移动时轴向地压缩流的压缩机。
根据本发明的有利实施方式，环形齿轮的齿形成在转子的内环形加强件上。
根据本发明的有利实施方式，外转子的外壁朝向下游侧在直径上有减小。
根据本发明的有利实施方式，内转子的轴向大部分布置在外转子之内。
根据本发明的有利实施方式，每个转子包括至少三排叶片。
根据本发明的有利实施方式，由于成排叶片和/或径向环形连接件，每个转子形成鼓。
根据本发明的有利实施方式，转子的叶片形成反转的叶片排。
根据本发明的有利实施方式，上游支承主体和/或下游支承主体包围内转子，优选地至少内转子的至少一个叶片排。
根据本发明的有利实施方式，外转子包括在其轴向长度上的至少三分之一上、优选地至少一半上延伸的部分，其不接触与压缩机定子或涡轮发动机定子配合的轴承，其中外转子包括在其轴向长度的至少三分之一上延伸的两个部分，其不接触与压缩机定子或涡轮发动机定子配合的轴承。
本发明还涉及一种涡轮发动机，包括压缩机，所述压缩机依照本发明，其中所述压缩机可以是低压压缩机。
根据本发明的有利实施方式，涡轮发动机包括中间壳体，所述压缩机安装在所述中间壳体的上游，其中所述中间壳体可包括中间主体和从所述中间主体向上游轴向地延伸的环形支承主体，所述转动轴承安装在所述上游环形支承主体之内。
根据本发明的有利实施方式，涡轮发动机包括上游壳体，所述压缩机安装在所述上游壳体的下游，其中所述上游壳体可包括上游主体和从所述上游主体向下游轴向地延伸的环形支承主体，所述转动轴承安装在所述下游环形支承主体之内。
提供的优势
本发明通过提高压缩机的压缩率改进了涡轮发动机的效率。这个结果是通过控制助推器的各操作阶段期间的间隙来实现。由于在标称速度具有相同或相似直径增加的区域被排列，离心力的约束转变成一种优势。膨胀动作也被考虑到，以确定发动机速度加速阶段期间、以及在巡航飞行高度操作期间在地面上低速所需的安全间隙。
压缩机的配置特别适合抵抗搜寻(hunting)。事实上，传输装置的环形齿轮上轴向接触面的存在，以及圆形地分布的小齿轮，促进了转子与壳体之间的支承。也释放了转动轴承上的负载。
附图说明
图1表示根据本发明的轴流式涡轮发动机。
图2刻画根据本发明的涡轮发动机的压缩机。
图3表示根据本发明的沿着图2的线3-3的压缩机剖视图。
图4表示根据本发明的传输装置的部分的剖视图。
具体实施方式
在下文中，术语“内”或“内部”以及“外”或“外部”指的是相对于轴流式涡轮发动机转动轴线的定位。
图1表示形成轴流式涡轮发动机的简化形式。在此例中这是涵道风扇涡轮喷气飞机。涡轮喷气飞机2包括被称作低压压缩机4的第一压缩水平、被称作高压压缩机6的第二压缩水平、燃烧室8以及一个或多个水平的涡轮机10。在操作中，经由传输轴11传输至转子12的涡轮机10的机械动力使得两个压缩机4运作。后者包括与成排的定子叶片相关联的多排转子叶片。因此，转子围绕其转动轴线14的转动允许气流生成并且逐渐被压缩直至燃烧室8的入口。倍减装置可增加传输至压缩机的转动速度。
通常被称作风扇的入口鼓风机16联接至转子12并且产生气流，气流分成通过上述各水平涡轮发动机的一次流18以及通过沿着发动机的环形管道(部分示出)然后与理科涡轮机的一次流的汇合的二次流20。
一次流18和二次流20是环形流并且经由涡轮发动机的定子壳体被管道传送。这些壳体还允许风扇、压缩机和涡轮机的连接。从上游至下游，涡轮发动机可具有在风扇16和低压压缩机4之间的上游壳体、以及在压缩机4和6之间的中间壳体。
图2是如图1的轴流式涡轮发动机的压缩机4的横截面图。压缩机可以是低压压缩机4。可以看到部分的上游壳体22和部分的中间壳体24。每个壳体可具有环形排的壳体臂26以将它们的内毂28连结至各自的外部。壳体臂26径向地穿过一次流18。
压缩机4包括由两个反转部分、即以相反方向转动的内转子30和外转子32形成的转子。转子(30；32)是同轴的并且彼此接合。内转子30大部分或完全容纳在外转子32中，外转子32围绕内转子30。
每个转子(30；32)包括圆形壁和多排转子叶片，在适当的情况下是三排。内转子30包括内壁34，内叶片36从内壁径向地向外延伸，而外转子32包括外壁38，外叶片40从外壁径向地向内延伸。外壁38比内壁34轴向更长，在它们之间它们限定了在其压缩期间引导和界定一次流18的有利地密封的管道。它们的直径在下游方向上减少，如同管道的直径一样，从而促进一次流18的压缩。内壁的存在是选择性的，因为内转子可包括一系列用于叶片排的附连的盘。
壁(34；38)基本上可具有恒定厚度。它们可以是截头圆锥形或尖头拱顶形状。它们可具有围绕转动轴线14的旋转轮廓，这些旋转卢阔具有弯曲部分。外壁38可包括轴向部分，其轮廓比起轮廓的其余部分相对于转动轴线14更加倾斜。壁(34；38)可由轴向地固定或焊接在一起的多个有叶片的部分形成。径向凸缘(未示出)可设在轴向部分之间的分界面处。
外转子32包括形成压缩机4的上游端的上游叶片排40，以及连接至上游的外叶片40的内端的内护罩42。后者使得后壁38被驱动。护罩42可具有密封件，例如与形成在中间壳体24上或其它转子30上的一个或多个摩擦条44配合的可磨损材料层。这些密封件防止了会对压缩率不利的在护罩之下的再流通。
每个转子(30；32)可包括至少一个环形加强件46或环。内转子30具有多个环形加强件46，例如布置在每排转子叶片(36,40)的水平的一个加强件。它可包括这些中的三个，一个是轴向在中央的。外转子32可具有在其内护罩42内的环形加强件46，其中这可放置在相关排的叶片40的径向延伸中。
内转子30包括径向环形连接件48，允许从涡轮机至传输轴11的连接，它在相反方向上径向地延伸至内转子30的叶片。径向连接件48可以是大致上平的盘。可替代地，它可具有相对于径向方向倾斜的旋转轮廓，并且形成漏斗状。径向连接件48可连结至环形加强件46，例如中央加强件，从而限制与离心力相关联的内壁34的径向变形。
内叶片排36和外叶片排40全部交替地径向布置，优选地规则地布置。例如，每个内排36跟随外排40，反之也如此。转子(30；32)的叶片(36；40)具有相对于转动轴线14倾斜的弦，内叶片46在一个方向上倾斜而外叶片40在另一个方向上倾斜。弦是将叶片轮廓(36；40)的前缘连接至后缘的线，轮廓的径向堆集形成叶片。因此，转子(30；32)是反向转动的，当它们在相反方向上转动时它们压缩一次流18。环形流18从压缩机的上游至下游逐渐地被压缩。每个叶片排的叶片弦的倾斜可从上游至下游、从一排至另一排规则地增加。
为了确保在相反方向上转子(30；32)的转动，压缩机包括传输装置50，其中这可以被配置，使得它们互相驱动时转子(30；32)以每分钟相同的旋转数目转动。传输装置50从一个转子到另一个转子连接转动。它包括至少一个转动元件52、其径向方向的转动轴线、形成在每个转子(30；32)中的环形齿轮。在本发明的一个可替代实施方式中，传输装置径向地布置在转子外。环形齿轮可形成在转子(30；32)的加强件46上，在与所述加强件相同的径向水平的互相面对的表面上。内转子30还可具有环形加强件46之间的管状加强件54，用以分布来自传输装置50的轴向力。
至少一个壳体(22；24)，例如中间壳体24，具有主体56和从主体56轴向地延伸的环形支承主体58。围绕转动轴线14的环形支承主体58的旋转轮廓主要轴向地延伸，支承主体可以是管状的。可替代地，环形支承主体形成在上游壳体和/或壳体的主体中。环形支承主体58可与外壁38的外环形表面相符。压缩机4包括至少一个转动轴承60，其相对于中间壳体24旋转铰接外转子32。外转子32可在用于其加强件的在转动轴承60的水平处增厚。优选地，转动轴承60轴向地布置在内转子30的径向连接件48的水平，这允许转子支承点或支承圆的重合。
因此，不是被离心力变形的转子(30；32)的区域被排列，而最为变形的区域重叠。最为变形的区域是没有轴承或链的区域。由于转子(30；32)可以相同转动速度转动，对于每个转子(30；32)，一直沿着转动轴线14离心力是相似的。特别地，一直沿着转动轴线，支承叶片的两个壁受到相似的离心力。因此，停止和操作时，在叶片(36；40)之间的空间以及相反的壁(34；38)基本上保持恒定。这个特征促进了具有叶片自由端和径向相反的壁的表面之间的最小间隙的反转转子的涉及，具有使低速及高速的压缩率增加的效果。优势是增加了用于各种操作模式的涡轮发动机的效率。对于“高速”压缩机、即转速大于5000rpm、可达到16,000rpm的压缩机来说，益处更大。
图3表示沿着图2的线3-3的压缩机4的剖视图。传输轴11、中间壳体24和内壁34是同心的。另一个同心传输轴可独立地将风扇连接至涡轮机。
传输装置50是环形的，它允许施加于外转子的部分轴向和/或径向力的吸收。这样，施加在转动轴承上的力是有限的，并且布置在转子的相同轴向的半部上的单个或两个轴承可满足。在一些例子中，例如转动装置可布置在外转子的轴向端处，比如叶片排的水平处。可使用球轴承和/或滚子轴承，它们可能互相邻接。
传输装置50可包括围绕转动轴线14环形地分布布置的至少一个或多个小齿轮52。它可包括至少三个、至少六个、在一些例子中至少八个的小齿轮52。它们的转动轴线62可以有角度地规则地倾斜。
图4表示传输装置的部分的剖视图。该剖视图平行于涡轮发动机的转动轴线14产生。示出了小齿轮52和两个环形齿轮(64；66)。
传输装置包括垂直于转动轴线14、具有布置在外延中的转动轴线62的小齿轮52。这造成了传输装置50中的摩擦力极限，以及在涡轮发动机中热的极限。内外转子的环形齿轮(64；66)互相面对并且平行。它们的齿68在轴向相反布置的环形齿轮(64；66)的方向上延伸。环形齿轮(64；66)形成带有齿的圆形架，齿形成在轴向或大致圆锥形的面上。架的齿68的高度和深度轴向地布置。
小齿轮52可以是截头圆锥形，从而与传输装置50、即两个大致上圆锥形轴向环形齿轮的配置相符。这里示出了小齿轮嵌齿，但是也可以使用平滑的滚子。这样，环形齿轮具有平滑的滚动和驱动表面。

Claims (18)

1.一种轴流式涡轮发动机(2)的压缩机(4；6)包括：
内转子(30)，其设有多个环形叶片排(36)以及用于将所述内转子(30)连接于所述涡轮发动机(2)的传输轴(11)的内径向环形连接件(48)，以及
外转子(32)，其包围所述内转子(30)并且包括多个环形叶片排(40)，所述内转子和外转子的叶片排交替地布置，用以在所述转子(30；32)以相反方向转动时压缩所述环形流(18；20)；
其特征在于，它还包括
转动轴承(60)，其连结至所述外转子(32)并且与所述内转子(30)的径向连接件(48)轴向地平齐布置，从而将转子支承区域轴向地排列。
2.根据权利要求1所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述转动轴承形成所述外转子(32)和所述压缩机(4；6)的定子之间的转动链，或者转动轴承形成所述外转子和所述内转子之间的转动链，在一些例子中转动轴承安装在所述内转子的径向连接件上。
3.根据权利要求1至2的其中一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，每个转动轴承(60)与所述内转子(30)的相同排的叶片(36)轴向地平齐布置。
4.根据权利要求1至3的其中一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述径向连接件(48)具有围绕所述压缩机(14)的转动轴线的旋转轮廓，所述轮廓朝向所述内转子(30)之内主要径向地延伸，优选地大致上径向地延伸，在一些例子中径向链(48)形成盘。
5.根据权利要求1至4的其中一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述转动轴承(60)布置在所述转子(32)之外，优选地所述外转子(32)包括上游半部和下游半部，所述转动轴承(60)与所述外转子(32)的上游半部平齐布置。
6.根据权利要求1至5的其中一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，它包括放置在相同叶片排(36；40)的水平处的基本上一个转动轴承(60)或基本上两个转动轴承(60)。
7.根据权利要求1至6的其中一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，至少一个或每个转子(30；32)包括布置在对应的转子(30；32)内的至少一个内环形加强件(46)，优选地每个转子包括布置在每一个其叶片排的水平处的所述转子内的内环形加强件。
8.根据权利要求1至7的其中一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，它包括在所述转子(30；32)之间的运动的传输装置(50)，配置成使得转子在相反方向转动，优选地以相同的角速度。
9.根据权利要求8所述压缩机(4；6)，其特征在于，所述传输装置(50)包括至少一个小齿轮(52)、优选地环形排的小齿轮(52)，每个小齿轮(52)具有径向方向的转动轴线(62)、优选地垂直于所述压缩机的转动轴线(14)。
10.根据权利要求8至9的其中一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述传输装置(50)包括两个环形齿轮(64；66)，每一个形成在所述转子(30；32)的其中一个上，每个环形齿轮的齿(68)向所述另一个环形齿轮(64；66)轴向地延伸。
11.根据权利要求8至10的任一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述传输装置(50)放置在所述外转子(32)的轴向半部的水平处，与其上放置有安装在所述外转子(32)上的每个转动轴承(60)的外转子(32)的轴向半部相反。
12.根据权利要求1至11的任一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述外转子(32)包括连结所有其叶片排(40)的圆形外壁(38)，布置在所述外壁(38)之内的内护罩(42)，所述外转子(32)包括形成将所述内护罩(42)连结至所述外壁(38)的所述压缩机(4；6)的轴向端的叶片排(40)。
13.根据权利要求1至12的任一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述内转子(30)包括连结所有其叶片排(36)的圆形内壁(34)，所述径向环形连接件(48)和/或所述转动轴承(60)与所述圆形内壁(34)的中间轴向地平齐布置。
14.根据权利要求1至13的任一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述内转子(30)的叶片(36)的外端是自由端并且/或者所述外转子(32)的叶片(40)的大部分的外端是自由端。
15.根据权利要求1至14的任一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于，所述外转子(32)包括在其轴向长度的少于一半上、优选地少于三分之一上、更优选地少于四分之一上延伸的轴向部分，在所述轴向长度上布置有将其连接至所述压缩机的定子的每一个轴承(60)。
16.一种涡轮发动机(2)包括压缩机(4；6)，其特征在于，所述压缩机(4；6)依照权利要求1至15的任一项，其中所述压缩机可以是低压压缩机(4)。
17.根据权利要求16所述的涡轮发动机(2)，其特征在于它包括中间壳体(24)，所述压缩机(4；6)安装在所述中间壳体(24)的上游，其中所述中间壳体(24)可包括中间主体(56)和从所述中间主体(56)向上游轴向地延伸的环形支承主体(58)，所述转动轴承(60)安装在所述上游环形支承主体(58)之内。
18.根据权利要求16或17的其中一项所述的涡轮发动机(2)，其特征在于，它包括上游壳体(22)，所述压缩机(4；6)安装在所述上游壳体(22)的下游，其中所述上游壳体(22)可包括上游主体和从所述上游主体向下游轴向地延伸的环形支承主体，所述转动轴承(60)安装在所述下游环形支承主体之内。
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