CN108625984A - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

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CN108625984A CN201810239655.2A CN201810239655A CN108625984A CN 108625984 A CN108625984 A CN 108625984A CN 201810239655 A CN201810239655 A CN 201810239655A CN 108625984 A CN108625984 A CN 108625984A
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Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机，具体地，飞机燃气涡轮发动机（10）包括通过高压轴（32）联接到高压涡轮机（24）的高压压缩机（20）和通过低压轴（34）联接到低压涡轮机（26）的低压压缩机（18）。发动机（10）包括构造成至少部分支承低压轴（34）前方端部的第一轴承（38），第一轴承（38）安装到高压涡轮机（24）前方的静态结构（58）。发动机还包括构造成至少部分支承低压轴（34）后方端部的第二轴承（64），第二轴承（64）安装到高压涡轮机（24）后方、低压涡轮机（26）前方的静态结构（70）。发动机进一步包括构造成至少部分支承低压轴（34）后方端部的第三轴承（74），第三轴承（74）安装到低压涡轮机（26）后方的静态结构（76）。

Description

燃气涡轮发动机
技术领域
本公开涉及齿轮传动的飞机燃气涡轮发动机。
背景技术
飞机燃气涡轮发动机典型地包括燃气涡轮发动机芯和封装在风扇舱内的芯驱动风扇。空气流经使用中的风扇，并向下游分成两个空气流—旁通流和芯流。旁通流中空气的质量流与芯流的空气流之间的比称作旁通比。在超音速飞行速度，大的旁通比对于高推进效率是希望的。
燃气涡轮发动机效率也可通过增加总压力比（OPR）来增加。高OPR导致高的热效率，并由此导致低的燃料消耗。高OPR能够通过增加压缩机级的数量来实现。
然而，高OPR发动机芯（具有大的压缩机级的数量）和/或高旁通比会导致相对长、薄的发动机芯，其中压缩机和涡轮机由长、薄的轴互连。
典型地，现代燃气涡轮发动机包括至少两个主发动机轴—包括经由高压轴互连的高压压缩机和涡轮机的“高压”轴，以及包括经由低压轴互连的低压压缩机、涡轮机和风扇的“低压”轴。在一些情况下，风扇可经由减速齿轮箱连接到低压涡轮机。
高压和低压轴为共轴的，低压轴延伸通过高压轴的中心，并向两侧轴向延伸。因此，用于对低压和高压轴提供支承的轴承的位置是受约束的。
典型地，在两轴发动机中，低压轴由两个轴承支承—一个相邻于低压压缩机定位，第二个相邻于低压涡轮机定位。然而，这种布置导致在径向方向上相对柔性的轴。因此，压缩机和涡轮机转子尖端会被径向位移不利地影响，由于会引起轴弯曲和振动（轴旋转）和疲劳。替代地，为了提供所需的刚度，可需要相对刚性且因此重量大的轴。
发明内容
本发明试图提供一种试图改善或克服这些问题中的一些或全部的飞机燃气涡轮发动机。
根据第一方面，提供了一种飞机燃气涡轮发动机，其包括：
高压压缩机，其通过高压轴联接到高压涡轮机；
低压压缩机，其通过低压轴联接到低压涡轮机；
第一轴承，其构造成至少部分地支承低压轴的前方端部，所述第一轴承安装到在高压涡轮机前方的静态结构；
第二轴承，其构造成至少部分地支承低压轴的后方端部，所述第二轴承安装到在高压涡轮机后方、且在低压涡轮机前方的静态结构；和
第三轴承，其构造成至少部分地支承低压轴的后方端部，所述第三轴承安装到在低压涡轮机后方的静态结构。
因此，本发明的轴承布置提供了三个支承低压轴的轴承支承件，所述支承件彼此间隔开，使得轴的径向运动被约束在三个轴向位置。因此，总弯曲减小，且因此轴可有更轻的重量和/或在使用中可具有减小的弯曲。
第一轴承可包括构造成轴向约束低压轴的推力轴承。第一轴承形式可为球轴承组件。
第二轴承和/或第三轴承形式可为辊子轴承，其构造成允许低压轴的后方端部的轴向运动。因此，低压轴被支承，同时允许轴在轴向方向上的热膨胀。
第一轴承可安装到中间压缩机壳体，中间压缩机壳体在高压压缩机和低压压缩机之间轴向地定位。
第一轴承可定位在与中间压缩机壳体相对应的轴向位置。
第一轴承可通过第一轴承安装布置安装到中间压缩机壳体，所述第一轴承安装布置包括从中间压缩机壳体悬出至第一轴承的支承元件。
第二轴承可安装到中间涡轮机壳体，中间涡轮机壳体在高压涡轮机和低压涡轮机之间轴向地定位。
第二轴承可通过第二轴承安装布置安装到中间涡轮机壳体，所述第二轴承安装布置包括从中间涡轮机壳体悬出至第二轴承的支承元件。因此，第一和第二轴承之间的轴向距离被最小化。
第三轴承可安装到涡轮机排气壳体，所述涡轮机排气壳体在低压涡轮机的轴向朝后处定位。
第三轴轴承可通过第三轴承安装布置安装到涡轮机排气壳体，所述第三轴承安装布置包括从涡轮机排气壳体悬出至第三轴承的支承元件。因此，第二和第三轴承安装件轴向间隔开。
发动机可包括布置成由低压轴驱动的风扇。风扇可直接联接到低压轴，或者可经由减速齿轮箱由低压轴驱动。已经发现本发明特别适用于具有经由减速齿轮箱由低压轴驱动的风扇的飞机燃气涡轮发动机。这是因为减速齿轮箱允许转动相对慢的风扇，同时保持高旋转速度的低压涡轮机和轴。因此，对于给定的功率，减小了由低压轴承载的扭矩，与具有相同额定功率的直接驱动发动机相比，允许具有减小的直径的低压轴。这转而可导致轴旋转增加，这通过本公开的轴承布置得以改善。
发动机可构造成提供40至80之间的使用中的总压力比。
低压压缩机可构造成提供2至4之间的使用中的压力比。
高压压缩机可构造成提供10至30之间的使用中的压力比。
由高压压缩机提供的压力升高与由低压压缩机提供的压力升高的比可在2至18之间。
本领域技术人员将认识到，除了相互排斥时，相关于以上方面中的任何一个描述的特征可准用于任何其它方面。此外，除了互相排斥时，本文描述的任何特征可应用于任何方面和/或与本文描述的任何其他特征组合。
附图说明
现在将参考附图仅借助于示例描述实施例，其中：
图1为第一燃气涡轮发动机的截面侧视图；
图2a-b为由两个或三个轴承支承的轴的示意图；
图3为第二燃气涡轮发动机的示意图；和
图4为适用于图1或图3的燃气涡轮发动机的轴承布置的示意图。
具体实施方式
参考图1，以附图标记10总体上指代燃气涡轮发动机，其具有主和旋转轴线12，其限定朝前F和朝后R轴向方向。发动机10以轴向流序列包括空气入口14、推进风扇16、低压压缩机18、高压压缩机20、燃烧设备22、高压涡轮机24、低压涡轮机26和排气喷嘴28。机舱30大体上围绕发动机10且限定入口14。在燃烧设备15中，空气流与燃料混合，且混合物燃烧。然后产生的热燃烧产物膨胀通过、且由此在通过喷嘴18排出之前驱动高压涡轮机和低压涡轮机16、17以提供额外的推进力。
燃气涡轮发动机10以常规方式工作，使得进入入口12的空气通过风扇13加速以产生两个空气流：进入高压压缩机14的第一空气流和经过旁通管道21的第二空气流，以提供推进力。高压压缩机14在将空气传送到燃烧设备15之前压缩引导到其中的空气流。
形式为轴向流压缩机的每个压缩机18、20具有一个或多个压缩机级，每个压缩机级包括旋转转子40和静态定子42。大体上，选择压缩机级的数量使得由压缩机提供需要的总压力比（OPR）。在第一描述的实施例中，提供了总共十三个压缩机级，以便提供大于50:1的高的总压力比。低压压缩机18提供这些级中的三个，而高压压缩机提供其余的十个。因此，压缩机段是相对长的。
相似地，为了吸收排气流中的能量，需要高涡轮膨胀比。此外，每个涡轮机24、26包括一个或多个涡轮机级，每个级包括转子44和定子46。在此实施例中，高压涡轮机包括两个涡轮机级，低压涡轮机包括四个涡轮机级。
在低压压缩机前方提供减速齿轮箱36，且其构造成将来自低压涡轮机输入轴34的功率联接到低旋转速度的输出风扇轴48。齿轮箱包括与多个行星齿轮52啮合的太阳齿轮50，行星齿轮转而与环形齿轮54啮合。环形齿轮54保持静态，而行星齿轮旋转且围绕太阳齿轮50绕轨道运行，且其由行星齿轮架保持。行星齿轮架56联接到风扇输入轴48，以由此驱动风扇16。
再次参考图1，高压压缩机20通过高压轴32联接到高压涡轮机24。相似地，低压压缩机18由低压轴34联接到低压涡轮机26。低压轴34还经由减速齿轮箱36驱动推进风扇14。低压和高压轴32、34是共轴的，从高压轴32径向朝内提供低压轴34，且其朝高压轴32的前方和后方延伸。因此，每个轴32、34围绕共同旋转轴线12旋转。
考虑到大数量的压缩机和涡轮机级（高OPR所需要的）以及在低压压缩机18的前方提供齿轮箱，低压轴34是相对长的。此外，考虑到同轴的轴布置，由于用于低压轴32的支承必须提供在高压轴32的前方和后方，所以未支承区域A由高压轴32的长度限定。因此，低压轴32上的径向负载（例如，由于不平衡的负载）通常将导致大的径向位移（即，弯曲）。
为了避免过度的低压轴弯曲，低压轴34由轴承布置支承，其径向支承轴34的两个端部，以及反作用于由风扇16和低压压缩机18产生的朝前（轴向）负载和由低压涡轮机26产生的朝后（轴向）负载。
轴承布置包括形式为推力轴承的第一低压轴轴承38，下面将进一步详细描述。
推力轴承38能够反作用于来自风扇16的朝前负载，并且对低压轴34的前方端部提供径向支承。第一轴承38设置在对应于低压压缩机18的轴向位置的轴向位置处，径向朝向其内。在该实施例中，第一轴承38设置在低压压缩机18的最终级的轴向位置处。
第一轴承38安装到中间压缩机壳体58上，其在低压压缩机18和高压压缩机20之间轴向地定位。中间压缩机壳体58是静态构件，且因此不与使用中的轴34一起旋转，并且转而联接到发动机芯壳体60。
第一轴承38通过包括支承臂62的安装布置安装到中间压缩机壳体58。支承臂从中间压缩机壳体58径向朝内且轴向朝前延伸到推力轴承38，使得轴承38从中间压缩机壳体58朝前且朝内悬出。因此，第一轴承38经由中间压缩机壳体58和支承臂62安装到静态发动机芯壳体60。
鉴于这种布置，轴34由轴承38在前方相对远的位置、在齿轮箱36附近支承，由此最大程度地减小第一轴承38与太阳齿轮50之间的未支承区域B。
轴承布置还包括形式为辊子轴承的第二轴承64。辊子轴承64构造成提供低压轴34的径向支承，但允许一些轴向移动以适应轴34的热生长。
在高压涡轮机24径向朝内处提供第二轴承64，并且在该实施例中，在高压涡轮机24后方提供。鉴于其与高压涡轮机24相邻的位置，此位置具有相对高的温度，但是最小化未支承区域A的轴向长度。
第二轴承64安装到形式为中间涡轮机壳体70的静态结构，其轴向设置在高压涡轮机24和低压涡轮机26之间。中间涡轮机壳体再次联接到发动机芯壳体60。中间涡轮机壳体70通过安装布置联接到第二轴承64，安装布置包括从中间涡轮机壳体70径向朝内延伸到轴承64的支承臂72，使得轴承64从中间涡轮机壳体70朝内悬出。因此，第二轴承64经由中间涡轮机壳体70和支承臂72安装到静态发动机芯壳体60。
在常规轴承布置中，在这种前方相对远的位置支承低压轴34后部的轴承的定位将在轴承的后方留下大的未支承区域。此外，因为发动机的安装大体上设置为与发动机的后部联接，所以应力将施加在低压涡轮机壳体上。
然而，在公开的设计中，提供第三支承轴承74以部分支承低压轴34的后方端部，并且与第二轴承64轴向间隔开。第三轴承74形式再次为辊子轴承，并且安装到在低压涡轮机26轴向朝后处提供的形式为涡轮机排气壳体76的静态结构。涡轮机排气壳体76再次联接到发动机芯壳体60，并且还联接到发动机芯安装件78，其在发动机10安装在飞机上时，将发动机10的后部安装到发动机吊架（未示出）。涡轮机排气壳体76通过安装布置联接到第三轴承74，安装布置包括从涡轮机排气壳体76径向朝内延伸到轴承74的支承臂80，使得轴承74从涡轮机排气壳体76朝前且朝内悬出。第三轴承74和支承臂80在低压涡轮机驱动臂68的轴向朝后处提供。因此，第三轴承74经由涡轮机排气壳体74和支承臂80安装到静态发动机芯壳体60。
尽管有相对长的高压压缩机20，轴承布置确保提供相对短的未支承区域A、B，由此最小化轴对径向负载、位移或振动（旋转）的敏感性。此外，如通过比较图2a和2b示出，提供与第二轴承64轴向间隔开的第三轴承74确保弯曲进一步被最小化。
参照图2a，提供了不是根据本发明的轴承支承构造。在此布置中，提供了相应地支承轴34A的前方和后方端部的并且与轴34A的端部间隔开的第一和第二轴承38A、64A。如可看出的，因为仅在两点支承轴34A，轴34A会高度弯曲，因为轴34A的端部是简单地支承的（对轴弯曲提供小的或不提供抗力）（然而将会理解的是为了促进清楚理解，弯曲相对于真实的燃气涡轮发动机轴夸大了）。
相反，图2b示出了本公开的轴承支承构造的示意图。如可看出的，除了第一和第二轴承38、64之外，在第二轴承64的后方提供第三轴承74。第三轴承74的添加给轴34的后方端部提供额外的径向支承并且对轴弯曲提供额外的抗力。因此，轴布置不易受到径向负载、位移或振动（旋转）的影响，且因此可比现有布置的重量更低。
低压轴34进一步包括柔性输入联接件82，其包括波状轴部分，其将与联接件相邻的轴34的柔性提供到太阳齿轮50。因此，可适应第一轴承38前方的未支承区域的未对准，并且轴34的前方端部处的第四轴承可为不必要的。
发动机10进一步包括轴承布置以支承高压轴32，该轴承布置包括设置在高压轴32的前方和后方端部的第一和第二轴承84、86，并且构造成径向且轴向地支承高压轴32。
图4更详细地示出了轴承布置的部分，包括第一和第二轴承38、64。
推力轴承38的形式为球轴承，其包括相应地固定到和抵靠接合轴34和支承臂62的内和外座圈94、95。每个座圈94、95包括弓形接触表面，其抵靠接合在其之间提供的球形辊子轴承96。考虑到弓形 接触表面，球轴承相对于每个座圈94、95滚动，且还反作用于由于热膨胀而由轴34施加在支承臂62上的轴向力。因此，由推力轴承38支承的轴34的端部尽管热膨胀仍保持到位。
辊子轴承64类似地包括内和外座圈97、98，其之间提供有圆柱辊子轴承99。每个座圈97、98包括再次接合辊子轴承99的平的（沿轴向方向）接触表面。因此，允许由辊子轴承64、74支承的轴34的端部沿轴向方向移动，在此轴34热膨胀或收缩。大体上，将理解的是，轴承的位置/类型可变化。例如，可提供推力轴承替代辊子轴承，且反之亦然。大体上，为每个轴提供单个推力轴承以提供相应轴的定位，而其余轴承为辊子轴承以允许热膨胀/收缩。推力轴承可位于轴的前方端部、轴的后方端部或位于其间的任何位置。
图3示出了第二燃气涡轮发动机110。给予与发动机10的那些特征类似的发动机110的特征相同的附图标记，且增加100。此发动机110类似于第一发动机10，除了省略了减速齿轮箱。因此，提供低压轴134，其将低压涡轮机126除了低压压缩机118之外，还直接联接到风扇116。此外，提供第一、第二和第三轴承138、164、174，其以类似于图2a中示出的方式支承低压轴。
发动机110还包括第四低压轴支承轴承188，其部分支承轴134的前方端部。轴承188可为推力轴承或辊子轴承。当轴承188为推力轴承时，第一轴承138可包括辊子轴承。附加轴承188经由支承臂190安装到芯入口定子192。支承臂从定子192悬出，并且从定子192轴向朝前且径向朝内地延伸。
发动机10和发动机110之间的另一个区别在于省略了柔性输入联轴件—低压轴134沿其整个轴向长度基本上是刚性的。
本公开可应用到的其他燃气涡轮发动机可具有替代构造。作为示例，这种发动机可具有替代数量（例如三个）的互连轴和/或替代数量的压缩机和/或涡轮机。
将会该理解的是，本发明不限于上文描述的实施例，并且不脱离本文描述的概念可做出各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可分离地或与任何其他特征组合地使用，并且本公开延伸至并包括本文描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (13)

1.一种飞机燃气涡轮发动机，其包括：
高压压缩机，其通过高压轴联接到高压涡轮机；
低压压缩机，其通过低压轴联接到低压涡轮机；
第一轴承，其构造成至少部分地支承所述低压轴的前方端部，所述第一轴承安装到在所述高压涡轮机前方的静态结构；
第二轴承，其构造成至少部分地支承所述低压轴的后方端部，所述第二轴承安装到在所述高压涡轮机后方、且在所述低压涡轮机前方的静态结构；和
第三轴承，其构造成至少部分地支承所述低压轴的所述后方端部，所述第三轴承安装到在所述低压涡轮机后方的静态结构。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述第一轴承包括推力轴承，其构造成轴向约束所述低压轴。
3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，所述第一轴承形式为球轴承组件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述第二和/或第三轴承形式为辊子轴承，其构造成允许所述低压轴的所述后方端部的轴向运动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述第一轴承安装到在所述高压压缩机和所述低压压缩机之间轴向定位的中间压缩机壳体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述第一轴承在与所述中间压缩机壳体相对应的轴向位置处定位。
7.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，所述第一轴承通过第一轴承安装布置安装到所述中间压缩机壳体，所述第一轴承安装布置包括从所述中间压缩机壳体悬出至所述第一轴承的支承元件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述第二轴承安装到在所述高压涡轮机和所述低压涡轮机之间轴向定位的中间涡轮机壳体。
9.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述第二轴承通过第二轴承安装布置安装到所述中间涡轮机壳体，所述第二轴承安装布置包括从所述中间涡轮机壳体悬出至所述第二轴承的支承元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述第三轴承安装到在所述低压涡轮机的轴向朝后处定位的涡轮机排气壳体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述第三轴承通过第三轴承安装布置安装到所述涡轮机排气壳体，所述第三轴承安装布置包括从所述涡轮机排气壳体悬出至所述第三轴承的支承元件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述第二轴承可通过第二轴承安装布置安装到所述中间涡轮机壳体，所述第二轴承安装布置包括从所述中间涡轮机壳体悬出至所述第二轴承的支承元件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述发动机包括风扇，所述风扇布置成经由减速齿轮箱由所述低压轴驱动。
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