CN109083746B - 具有逆向旋转复合齿轮箱的燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：环形固定涡轮框架、发动机轴、输入轴以及齿轮组件。所述环形固定涡轮框架以所述轴向中心线为中心。所述发动机轴大体上沿所述纵向延伸。所述输入轴大体上沿所述纵向延伸。所述齿轮组件包括连接到所述输入轴的第一齿轮、连接到所述涡轮框架的第二齿轮以及连接所述第一齿轮和所述第二齿轮的内转轴，其中所述内转轴限定延伸穿过其中的齿轮轴线。所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮能够围绕所述齿轮轴线共同旋转。所述齿轮轴线能够围绕所述发动机的所述轴向中心线旋转。所述燃气涡轮发动机进一步包括连接到所述内转轴和所述发动机轴的壳体。

Description

具有逆向旋转复合齿轮箱的燃气涡轮发动机
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机架构。更确切地说，本主题涉及用于燃气涡轮发动机的减速齿轮组件和涡轮部分布置。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括位于燃烧部分下游的涡轮部分，所述涡轮部分可以与压缩机部分一起旋转以旋转并操作燃气涡轮发动机来产生动力，例如推进力。一般燃气涡轮发动机设计准则通常包括必须实现平衡或做出妥协的冲突准则，包括提高燃料效率、操作效率和/或功率输出，同时维持或减小重量、零件数量和/或封装(即发动机轴向和/或径向尺寸)。
常规燃气涡轮发动机大体上包括涡轮部分，所述涡轮部分限定与中压涡轮和/或低压涡轮以串行流布置设置的高压涡轮。此外，常规燃气涡轮发动机的涡轮部分大体上包括固定和旋转翼型件的连续排或级(例如轮叶和叶片)。通常采用固定翼型件或叶片来引导或以其他方式调节燃烧气体流，然后使其通过旋转翼型件或叶片。固定翼型件通常需要从燃气涡轮发动机的其他区域例如压缩机部分沿引导输送来的冷却空气来减轻由燃烧气体引发的损害。但是，将来自压缩机部分的空气沿引导输送到涡轮部分从而绕过燃烧部分通常会带走用于燃烧的能量，并且因此而降低燃气涡轮发动机的效率。
此外，常规低压涡轮通常需要多个级来分配用于操作低压涡轮所驱动的风扇组件和/或压缩机的能量或功。但是，所述多个级将增加燃气涡轮发动机的轴向和径向尺寸，因此增加整个发动机及其所附接的飞行器的重量，因而将对燃料效率、发动机性能以及发动机和飞行器效率产生不利影响。
已知的解决方案包括在风扇组件与发动机核心之间添加减速齿轮组件，所述减速齿轮组件可以减少操作其所附接的风扇组件和压缩机所必需的涡轮部分的多个级的数量，并且可以大体上提供发动机效率的净增加和燃料消耗的改善。但是，增加减速齿轮组件会使涡轮发动机设计和运行中出现新的复杂性和限制。例如，已知的减速齿轮组件具有约100％的扭矩或动力量以串行方式从低压涡轮沿引导通过齿轮组件，以驱动风扇组件。在所述已知布置中，将大约全部扭矩或动力量沿引导从低压涡轮通过齿轮组件输送到风扇组件致使必需采用复杂的齿轮组件设计、增加齿轮组件重量以应对涡轮部分大体全部载荷所产生的应力和载荷，以及大体扩大齿轮组件直径，从而保持或增加发动机的径向尺寸。
因此，需要一种可以整合减速齿轮组件的发动机，同时所述发动机可以减少或消除齿轮组件布置的不利影响，例如涡轮发动机封装增加，例如直径、轴向长度或这两者增大，和/或未能将低压涡轮动力传递给风扇组件的单点系统故障。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下说明中阐明，或者从说明书中可以显而易见，或可以通过实践本发明了解到。
本发明涉及一种燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机限定纵向、径向和周向以及沿所述纵向延伸的轴向中心线以及沿所述纵向延伸的上游端和下游端。燃气涡轮发动机包括：环形固定涡轮框架，所述环形固定涡轮框架以所述轴向中心线为中心；发动机轴，所述发动机轴大体上沿所述纵向延伸；输入轴，所述输入轴大体上沿所述纵向延伸；以及齿轮组件，所述齿轮组件包括连接到所述输入轴的第一齿轮、连接到所述涡轮框架的第二齿轮以及连接所述第一齿轮和所述第二齿轮的内转轴，其中所述内转轴限定延伸穿过其中的齿轮轴线。所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮能够围绕所述齿轮轴线共同旋转。所述齿轮轴线能够围绕所述发动机的所述轴向中心线旋转。所述燃气涡轮发动机进一步包括连接到所述内转轴和所述发动机轴的壳体。
在各种实施例中，所述齿轮组件的所述内转轴进一步包括连接到所述内转轴和壳体的内转轴轴承，其中所述内转轴轴承允许所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮围绕所述齿轮轴线旋转，并且其中，所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮围绕所述发动机的轴向中心线共同周向移动。在一个实施例中，所述壳体限定径向壁，所述径向壁连接到所述内转轴的所述内转轴轴承，其中所述壳体限定围绕所述齿轮组件周向延伸的轴向壁。
在一个实施例中，所述涡轮框架限定固定星形齿轮，其中所述第二齿轮能够在所述固定星形齿轮上围绕所述发动机的轴向中心线移动。
在另一个实施例中，所述输入轴限定与所述齿轮组件的所述第一齿轮的输入轴齿轮接口。
在又一个实施例中，所述发动机轴和所述壳体一起沿第一周向旋转，并且所述输入轴沿与所述第一周向相反的第二周向旋转。
在又一个实施例中，所述发动机轴和所述壳体一起以第一速度旋转，并且所述输入轴以与所述第一速度成比例并且大于所述第一速度的第二速度旋转。
在又一个实施例中，所述壳体进一步包括连接到所述内转轴轴承的第二径向壁，并且所述发动机进一步包括连接到所述第二径向壁和所述输入轴的差速器轴承。
在一个实施例中，所述发动机轴大体上沿所述纵向延伸并且在所述输入轴和所述齿轮组件内径向延伸。
在另一个实施例中，所述发动机进一步包括连接到所述涡轮框架和所述发动机轴的轴承。
在各种实施例中，所述燃气涡轮发动机进一步包括连接到所述壳体的第一涡轮转子；以及连接到所述输入轴的第二涡轮转子。在一个实施例中，所述第一涡轮转子包括旋转框架。所述旋转框架包括多个径向延伸的构件以及沿所述纵向延伸的外护罩。多个外护罩翼型件从所述外护罩沿所述径向向内延伸。在另一个实施例中，所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子共同限定叉指式(interdigitated)涡轮转子组件，其中所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子沿所述纵向交错。在又一个实施例中，所述第一涡轮转子向所述发动机轴提供约25％到约75％的扭矩。在又一个实施例中，所述第二涡轮转子向所述发动机轴提供约30％到约60％的扭矩。在又一个实施例中，所述发动机轴连接到风扇组件，并且所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子共同限定低速涡轮转子组件。
在各种实施例中，所述齿轮组件限定逆向旋转复合齿轮组件。
在一个实施例中，所述齿轮组件限定约-1.5:1到约-3:1的齿轮比范围。
在另一个实施例中，所述齿轮组件限定约-1.8:1到约-2.8:1的齿轮比范围。
在又一个实施例中，所述输入轴在所述齿轮组件内沿径向连接所述第一齿轮。
具体地，本申请技术方案1涉及一种燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机限定纵向、径向和周向以及沿所述纵向延伸的轴向中心线以及沿所述纵向延伸的上游端和下游端，所述燃气涡轮发动机包括：
以所述轴向中心线为中心的环形固定涡轮框架；
发动机轴，所述发动机轴大体上沿所述纵向延伸；
输入轴，所述输入轴大体上沿所述纵向延伸；
齿轮组件，所述齿轮组件包括连接到所述输入轴的第一齿轮、连接到所述涡轮框架的第二齿轮以及连接所述第一齿轮和所述第二齿轮的内转轴，其中所述内转轴限定延伸穿过其中的齿轮轴线，并且其中所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮能够共同围绕所述齿轮轴线旋转，并且其中所述齿轮轴线能够围绕所述发动机的所述轴向中心线旋转；以及
连接到所述内转轴和所述发动机轴的壳体。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件的所述内转轴进一步包括连接到所述内转轴和所述壳体的内转轴轴承，其中所述内转轴轴承允许所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮围绕所述齿轮轴线旋转，并且其中所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮围绕所述发动机的轴向中心线共同周向移动。
本申请技术方案3涉及根据技术方案2所述的燃气涡轮发动机，其中所述壳体限定径向壁，所述径向壁联接到所述内转轴的所述内转轴轴承，并且其中所述壳体限定围绕所述齿轮组件周向延伸的轴向壁。
本申请技术方案4涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮框架限定固定星形齿轮，其中所述第二齿轮能够在所述固定星形齿轮上围绕所述发动机的所述轴向中心线移动。
本申请技术方案5涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述输入轴限定与所述齿轮组件的所述第一齿轮的输入轴齿轮接口。
本申请技术方案6涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴和所述壳体一起沿第一周向旋转，并且所述输入轴沿与所述第一周向相反的第二周向旋转。
本申请技术方案7涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴和所述壳体一起以第一速度旋转，并且所述输入轴以与所述第一速度成比例并且大于所述第一速度的第二速度旋转。
本申请技术方案8涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述壳体进一步包括连接到所述内转轴轴承的第二径向壁，并且其中所述发动机进一步包括连接到所述第二径向壁和所述输入轴的差速器轴承。
本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴大体上沿所述纵向延伸并且在所述输入轴和所述齿轮组件内径向延伸。
本申请技术方案10涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机进一步包括联接到所述涡轮框架和所述发动机轴的轴承。
本申请技术方案11涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：
连接到所述壳体的第一涡轮转子；以及
连接到所述输入轴的第二涡轮转子。
本申请技术方案12涉及根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一涡轮转子包括旋转框架，并且其中所述旋转框架包括多个径向延伸构件以及沿所述纵向延伸的外护罩，并且其中多个外护罩翼型件沿所述径向从所述外护罩向内延伸。
本申请技术方案13涉及根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子共同限定叉指式涡轮转子组件，其中所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子沿所述纵向交错。
本申请技术方案14涉及根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一涡轮转子向所述发动机轴提供约25％到约75％的扭矩。
本申请技术方案15涉及根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中所述第二涡轮转子向所述发动机轴提供约30％到约60％的扭矩。
本申请技术方案16涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件限定逆向旋转复合齿轮组件。
本申请技术方案17涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件限定约-1.5:1到约-3:1的齿轮比范围。
本申请技术方案18涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件限定约-1.8:1到约-2.8:1的齿轮比范围。
本申请技术方案19涉及根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中所述输入轴在所述齿轮组件内沿径向连接所述第一齿轮。
本申请技术方案20涉及根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴连接到风扇组件，并且其中所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子共同限定低速涡轮转子组件。
参考以下具体说明和所附权利要求书可以更深入地了解本发明的这些以及其他特点、方面和优点。附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，所述附图图示了本发明的各实施例，并与具体说明一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域中的普通技术人员，完整且可实现地详细公开了本发明，包括最佳模式，其中：
图1是根据本公开一方面的包括涡轮部分和减速齿轮组件的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机的截面示意图；
图2是图1所示涡轮部分和减速齿轮组件的实施例的截面示意图；
图3是具有图2所示减速齿轮组件的发动机的另一个实施例的截面示意图；以及
图4是具有图2所示减速齿轮组件的发动机的又一个实施例的截面示意图。
本说明书和附图中重复使用的参考标记旨在表示相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个示例如附图中所示。每个示例以解释本发明而非限制本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员将显而易见地了解到，可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一个实施例中，从而得到又一个实施例。因此，本发明应涵盖在所附权利要求书及其等效物范围内的修改和变化。
本说明书中所用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且这些术语并不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流动的来向，并且“下游”是指流体流动的去向。除非另有说明，否则“下游”和“上游”是指空气或所产生燃烧气体的流体流从压缩机部分中的入口经由涡轮部分的出口流动通过发动机核心流动通路的大体方向。
大体上提供具有逆向减速齿轮组件的反向旋转涡轮。具有逆向减速齿轮组件的所述反向旋转涡轮将减速齿轮组件整合到燃气涡轮发动机中，同时减少或消除齿轮组件布置的不利影响，例如涡轮发动机封装增加，例如直径或轴向长度或这两者，和/或减少或者消除未能将低压涡轮动力传递给风扇组件的单点系统故障。
具有多输入逆向减速齿轮组件的所述反向旋转涡轮大体上包括：涡轮部分，所述涡轮部分包括沿纵向延伸的第一涡轮转子和第二涡轮转子；以及靠近所述涡轮部分的齿轮组件(即在涡轮部分内或者在所述涡轮部分的下游)。所述第一涡轮转子包括连接到径向延伸转子的一个或多个径向延伸构件。所述第二涡轮转子包括内护罩，所述内护罩限定沿径向从所述内护罩向外延伸的多个内护罩翼型件。所述第二涡轮转子连接到输入轴，所述输入轴连接到所述齿轮组件的第一齿轮。所述第一涡轮转子联接到所述齿轮组件的一个或多个输出附件。
在各种实施例中，具有逆向减速齿轮组件的反向旋转涡轮发动机限定从所述第二涡轮转子到所述输入轴再到所述齿轮组件，并且从所述齿轮组件经由所述第一涡轮转子的第二径向部分到所述发动机轴的扭矩路径。所述发动机可以进一步限定从所述第一涡轮转子经由所述第一涡轮转子的所述第二径向部分到所述发动机轴的所述扭矩路径。因此，所述扭矩路径从所述涡轮部分限定从所述低压涡轮到所述风扇组件的大体平行的扭矩路径。在各种实施例中，所述第二涡轮转子可以通过所述齿轮组件的第一齿轮将约50％或更多的扭矩分配给风扇转子，而剩余扭矩将通过与所述风扇组件连接的所述发动机轴从第一涡轮转子分配给所述风扇组件。
具有逆向减速齿轮组件的反向旋转涡轮可以大体上向发动机提供减速齿轮组件的益处，例如降低风扇转子转速、提高旁通比、降低风扇压力比、减小风扇组件噪声、减少燃料消耗和/或提高发动机效率，同时进一步减小或减轻减速齿轮组件的有害影响，例如由于沿引导通过齿轮组件的扭矩或动力的量级而增加的齿轮组件直径和/或重量。
此外，具有逆向减速齿轮组件的反向旋转涡轮发动机可以提供使三转轴发动机构造的轴向长度与同等两转轴齿轮构造大体上相同的涡轮和齿轮组件布置，从而进一步提高发动机效率和性能。因此，具有反向减速齿轮组件的反向旋转涡轮可以以更理想的操作速度来操作低速涡轮转子、以更理想的操作速度来操作风扇组件并且以大体上独立于低速涡轮转子的速度，例如以与低速涡轮转子不成比例的速度来操作升压机或中压压缩机，从而进一步提高发动机效率和性能。
在包括叉指式涡轮部分的各种实施例中，所述反向旋转涡轮发动机可以在缩减重量、零件数量和/或封装(例如径向和/或轴向尺寸)的同时提高燃料效率、操作效率和/或功率输出。例如，所述叉指式涡轮部分可以使风扇组件能够以更高旁通比操作并且/或者使燃气涡轮发动机能够以更高总压力比操作，从而相对于类似功率输出和/或封装的其他发动机提高燃料效率、操作效率和/或功率输出。所述叉指式涡轮部分可以进一步减少固定和/或旋转翼型件数量，从而缩减发动机封装和/或重量，同时保持或提高效率、性能或功率输出。更进一步地，所述叉指式涡轮部分可以相对于包括减速齿轮组件的发动机减小轴向流面积与转速平方的乘积(称为“AN2”的乘积)，同时额外地减小每一级涡轮部分的平均做功系数。
现在参考附图，图1是根据本公开一个方面的示例性燃气涡轮发动机10(在本说明书中称为“发动机10”)的截面示意图，所述示例性燃气涡轮发动机图示成高旁通涡轮风扇发动机，包括涡轮部分90的示例性实施例。尽管在下文中参考涡轮风扇发动机进行了进一步描述，但是本公开还适用于一般涡轮机，包括桨扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和海用燃气涡轮发动机和辅助动力装置。如图1中所示，发动机10具有用于参考目的的延伸穿过其中的纵向或轴向中心轴线12。发动机10限定纵向L、径向R以及沿纵向L延伸的上游端99和下游端98。
大体上，发动机10可包括限定环状入口20的大体管状外壳18。外壳18以串行流布置围封或至少部分延伸通过压缩机部分21、燃烧部分26和叉指式涡轮部分90(本说明书中称为“涡轮部分90”)。在图1所示的实施例中，压缩机部分21限定联接到高速轴34的高压压缩机(HPC)24以及与HPC 24串联布置的中压压缩机(IPC)22。
风扇组件14设置在压缩机部分21的前方或上游99。风扇组件14包括风扇转子15。风扇转子15包括一个或多个风扇级41，其中每个风扇级41限定多个叶片42，所述叶片连接到风扇转子15并且沿径向R从风扇转子15向外延伸。在一个实施例中，如图1所示，风扇转子15限定单个风扇级或者多个叶片42的单个周向相邻布置。在各种其他实施例中，所述风扇组件14可以进一步限定多个级41。风扇转子15能够围绕轴向中心线12一起旋转。环形风扇壳体或机舱44周向围绕风扇组件14的至少一部分和/或外壳18的至少一部分延伸。在一个实施例中，机舱44可以相对于外壳18由多个周向隔开的出口导向轮叶或支柱46支撑。机舱44的至少一部分可以延伸在外壳18的外部(沿径向R)之上，从而限定介于它们之间的旁通气流通道48。
在发动机10的操作期间，如图1到图4中共同所示，用箭头74示意性指示的空气体积经由机舱和/或风扇组件14的关联入口76进入发动机10中。随着空气74通过风扇组件14的叶片42，用箭头78示意性指示的所述空气的一部分转向或沿引导进入旁通气流通道48中，同时用箭头80示意性指示的所述空气的另一部分转向或沿引导通过风扇组件14。空气80在通过压缩机部分21朝向燃烧部分26流动的过程中渐进地压缩。
用箭头82示意性指示的当前被压缩空气将流入燃烧部分26中，其中在所述燃烧部分中将引入燃料，将其与压缩空气82的至少一部分混合并且点燃以形成燃烧气体86。燃烧气体86流入涡轮部分90中，致使涡轮部分90的旋转构件旋转并且支持压缩机部分21和/或风扇组件14中的相应相连旋转构件的操作。
现在参考图2，其中大体上提供了发动机10的涡轮部分90的示例性实施例。涡轮部分90包括沿纵向L与第二涡轮转子120叉指式布置的第一涡轮转子110。第一涡轮转子110包括连接到径向延伸转子115的一个或多个径向延伸构件116。第二涡轮转子120包括内护罩112，所述内护罩限定沿径向R从内护罩112向外延伸的多个内护罩翼型件117。在各种实施例中，内护罩112和/或外护罩114由限定轴向或纵向流动通路的多个轮毂、盘或辊筒形成或限定，例如由压缩空气82和燃烧气体86从上游端99通过发动机10流动到下游端98的核心流动通路70的一部分形成或限定。
在各种实施例中，第一涡轮转子110进一步包括外护罩114，所述外护罩限定沿径向R从外护罩114向内延伸的多个外护罩翼型件118。所述外护罩118可以连接到一个或多个径向延伸构件116并且向前或向上游99延伸。所述多个外护罩翼型件118可以从外护罩114向内延伸，其中所述外护罩与沿径向R从第二涡轮转子120的内护罩112延伸的多个内护罩翼型件117呈叉指式(交错)布置。在各种实施例中，所述第二涡轮转子120设置在第一涡轮转子110的一个或多个径向延伸构件116的上游，并且与从第一涡轮转子110延伸的多个外护罩翼面118呈叉指式布置。
在一个实施例中，第一涡轮转子110和第二涡轮转子120可以共同限定旋转翼型件的至少三个级(例如，径向延伸构件116、第二涡轮机转子120和第一涡轮转子110的外护罩翼型件118)。在另一个实施例中，第一涡轮转子110和第二涡轮转子120共同限定旋转翼型件的三个级到十个级或排。
仍然参考图2，发动机10可以进一步包括设置在第一涡轮转子110和第二涡轮转子120的后方或下游98的涡轮框架150。涡轮框架150限定沿径向R延伸的一个或多个排气轮叶152。涡轮框架150进一步包括沿径向R向内延伸的静态支撑结构154。支撑结构154大体上限定用于支撑齿轮组件300的静态环形壳体。齿轮组件300在支撑结构154处联接到涡轮框架150。在各种实施例中，齿轮组件300和支撑结构154共同将来自第二涡轮转子120的扭矩或动力通过齿轮组件300传递到发动机轴36，所述发动机轴沿纵向L延伸并且穿过齿轮组件300。第一涡轮转子110的转子115进一步连接到齿轮组件300并且将扭矩或动力传递到发动机轴36。
齿轮组件300大体上设置在涡轮部分90内，例如沿径向R设置在涡轮部分90的内部，或沿纵向L设置在涡轮部分90的下游。例如，齿轮组件300可以朝向涡轮部分90的下游端98设置。再如，齿轮组件300设置在涡轮部分90的下游，位于涡轮框架150内。齿轮组件300包括第一齿轮310、第二齿轮320以及延伸穿过并且连接到第一齿轮310和第二齿轮320的内转轴330。内转轴330限定延伸穿过内转轴330、第二齿轮320和第一齿轮310的齿轮轴线335。齿轮轴线335限定延伸穿过内转轴330、第二齿轮320和第一齿轮310中的每一者的中心线。齿轮轴线335大体上限定使内转轴330、第二齿轮320和第一齿轮310中的每一者大体上成同心布置的中心线。
涡轮框架150，例如确切地说在支撑结构154处，限定与第二齿轮320啮合的固定星形齿轮156。星形齿轮156大体上限定成围绕轴向中心线12并且与之同心。第二齿轮320通过沿限定在涡轮框架150的支撑结构154上的星形齿轮156移动(例如，沿星形齿轮156的齿行进或骑行)来围绕发动机10的轴向中心线12移动。第二齿轮320在涡轮框架150的大体环形支撑结构154上围绕轴向中心线12旋转。
仍然参考图2，输入轴121连接到第一齿轮310，并且通过从连接到输入轴121的第二涡轮转子120的旋转中提取能量来向齿轮组件300提供动力。输入轴121可以限定位于第一齿轮310与输入轴121的连接接口处的输入轴齿轮接口123。输入轴齿轮接口123可以限定星形齿轮接口，其中所述第一齿轮310在所述星形齿轮接口上围绕轴向中心线12移动。
在发动机10的操作期间，燃烧气体86向第一涡轮转子110和第二涡轮转子120中的每一个提供能量以驱使围绕轴向中心线12旋转。联接到齿轮组件300的第二齿轮320和发动机轴36的第一涡轮转子110大体上以第一速度围绕轴向中心线12沿第一方向，例如箭头161示意性图示的方向旋转。连接到输入轴121和齿轮组件300的第一齿轮310的第二涡轮转子120大体上以大于所述第一速度的第二速度围绕轴向中心线12沿与第一方向相反的第二方向，例如箭头162示意图示的方向旋转。因此，第一涡轮转子110和第二涡轮转子120限定反向旋转关系。例如，在图2所示的实施例中，齿轮组件300配置成逆向减速齿轮组件。
沿第二方向旋转的输入轴121向齿轮组件300的第一齿轮310提供扭矩或动力。第一齿轮310与输入轴121啮合位置处的输入轴齿轮接口123向第一齿轮310传递能量并且驱使第一齿轮310围绕由内转轴330限定的齿轮轴线335旋转。此外，在输入轴齿轮接口123处与输入轴121啮合的第一齿轮310沿输入轴齿轮接口123移动(例如，行进或骑行通过接口123的齿)，例如使第一齿轮310、第二齿轮320和内转轴330的每个组合的齿轮轴线335围绕发动机10的轴向中心线12旋转。
涡轮框架150，例如在支撑结构154处并且经由限定在其上的星形齿轮156大体上提供反作用力，从而使得经由内转轴330连接到第一齿轮310的第二齿轮320能够沿支撑结构154围绕发动机10的轴向中心线12移动。
第二涡轮转子120连接到输入轴121并且以第二速度围绕轴向中心线12旋转。在各种实施例中，第二涡轮转子120旋转的第二速度大于第一涡轮转子110旋转的第一速度。
此外，第二齿轮320大体上围绕限定成穿过内转轴330的齿轮轴线335旋转，其中所述内转轴通过第二齿轮320并通过第一齿轮310进行连接。例如，齿轮组件300可以大体上限定多个第二齿轮320、第一齿轮310以及通过它们连接的内转轴330，其中它们中的多者围绕轴向中心线12以周向布置设置。
第一涡轮转子110连接到内转轴轴承333，并且内转轴轴承333连接到齿轮组件300的内转轴330。所述内转轴轴承333大体上围绕齿轮组件300的每个内转轴330设置(即，齿轮组件300可以包括连接第一齿轮310和第二齿轮320的多个内转轴330，其中每个多个内转轴围绕轴向中心线12以周向布置设置)。例如，所述内转轴轴承333可以围绕由每个内转轴330限定的齿轮轴线335大体上同心设置。内转轴轴承333大体上使得能够将能量从第一涡轮转子110传递到发动机轴36，并且从第二涡轮转子120通过第一齿轮310、内转轴330和第二齿轮320，并且通过内转轴轴承333传递到第一涡轮转子110再到发动机轴36。
在各种实施例中，第一涡轮转子110限定大体围绕齿轮组件300并且连接到发动机轴36的壳体124。在一个实施例中，壳体124包括轴向部分126和一个或多个径向壁125、127。第一径向壁125可以至少部分沿径向R从第一涡轮转子110的径向延伸转子115延伸到齿轮组件300的上游端99。第一径向壁125联接到内转轴轴承333，所述内转轴轴承连接到齿轮组件300的内转轴330。在另一个实施例中，第二径向壁127至少部分沿径向R从齿轮组件300的下游端98延伸到发动机轴36。第二径向壁127连接到另一个内转轴轴承333，所述内转轴轴承进一步朝向齿轮组件300的下游端98连接到齿轮组件300的内转轴330。
在一个实施例中，第一径向壁125可以进一步连接到差速器轴承200，所述差速器轴承连接到第一径向壁125和输入轴121并且设置在它们之间。差速器轴承200可以经由第一径向壁125向第一涡轮转子110提供支撑，同时使第二涡轮转子120和第一涡轮转子110之间能够存在速度和旋转差异。在各种实施例中，差速器轴承200进一步设置在输入轴121与发动机轴36之间，以支撑输入轴121、第二涡轮转子120或者这两者。在又一个实施例中，差速器轴承200设置在发动机轴36与涡轮框架150之间以支撑发动机轴36。
在一个实施例中，例如图2所示，壳体124的轴向部分126可以至少部分沿纵向L上连接第一径向壁125和第二径向壁127。在各种实施例中，第一径向壁125、第二径向壁127和/或轴向部分126可以各自限定大体上围绕轴向中心线12同心的大体环形结构。
在各种实施例中，第二涡轮转子120可以限定从输入轴121延伸到内护罩112的径向延伸转子部分128。第二涡轮转子120的转子部分128连接到输入轴121。在各种实施例中，内护罩112和转子部分128可以限定整体结构。在一个实施例中，内护罩翼型件117可以进一步与转子部分128和内护罩112一起限定整体结构。在另一个实施例中，转子部分128限定将多个内护罩翼型件117安装在其中的轮毂。
相对于图2示出和描述的发动机10可以限定从第二涡轮转子120到输入轴121，从输入轴121到齿轮组件300的第一齿轮310、内转轴330和第二齿轮320，到第一涡轮转子110的壳体124，再到发动机轴36的扭矩路径。更进一步，所述发动机10可以限定从所述第一涡轮转子110经由所述第一涡轮转子110的所述壳体124的第二径向壁127到所述发动机轴36的扭矩路径。在进一步包括第一涡轮转子110的轴向部分126的一个实施例中，所述扭矩路径可以限定成从第一涡轮转子110穿过壳体124，例如穿过轴向部分126延伸到第二径向壁127，并延伸到到发动机轴36。
在各种实施例中，齿轮组件300限定复合齿轮箱。在一个实施例中，齿轮组件300限定逆向旋转复合齿轮箱。在发动机10的又一些各种实施例中，所述齿轮组件300限定约-1.5:1到约-3:1的齿轮比范围。例如，在齿轮组件300限定逆向旋转复合齿轮组件的一个实施例中，每当第一涡轮转子110旋转时，输入轴121以约1.5倍的速度旋转，所述输入轴121包括连接到第二齿轮320的外壳124和发动机轴36，并且沿与连接到第一齿轮310的输入轴121相反的方向旋转。在其他实施例中，所述齿轮组件300限定约-1.8:1到约-2.8:1的齿轮比范围。
在各种实施例中，涡轮框架150进一步包括就外部视图和环境条件而言，覆盖或封闭涡轮框架150内的齿轮组件300的盖罩。与通常拆除风扇组件才能接近齿轮组件的前装式组件构造(例如，在风扇组件或LPC内)相反，在后装式齿轮组件300中，所述盖罩可以拆除，因此能够较快地接近位于发动机10无阻碍的后外侧部分附近的齿轮组件300、发动机轴36或者发动机10中其他部件。
重新参考图2，在各种实施例中，第一涡轮转子110和第二涡轮转子120共同限定低压涡轮(LPT)转子。在所述实施例中，发动机轴36限定与风扇组件14的风扇转子15连接并且能够与其一起旋转的低压(LP)轴。风扇组件14由第一涡轮转子110和第二涡轮转子120共同驱动。在一个实施例中，通过将发动机10布置成使第一涡轮转子110直接连接到发动机轴36，其中所述发动机轴连接到风扇转子15，并且通过将第二涡轮转子120布置成连接到齿轮组件300，其中所述齿轮组件在第二齿轮320处连接到发动机轴36，第一涡轮转子110传递约25％到约75％的动力或扭矩以用于风扇组件14的旋转。在另一个实施例中，第二涡轮转子120传递约30％到约60％的动力或扭矩以用于风扇组件14的旋转，其中第二涡轮转子120通过齿轮组件300将动力或扭矩传递到发动机轴36再传递到风扇组件14。此外，由于LPT转子的涡轮气动载荷相对较低、翼型件数量减少(即，消除了旋转部件之间的固定轮叶)并且/或者纵向尺寸减小，因此将第一涡轮转子110和第二涡轮转子120设置成叉指式布置以限定LPT转子可以产生效率和性能优势。
现在参考图3，其中大体上提供发动机10的另一实施例的截面示意图，其中压缩机部分21进一步包括低压压缩机(LPC)16。输入轴121可以向前或向上游端99延伸，以在上游端99处将LPC 16连接到输入轴121。在下游端98处，输入轴121连接到齿轮组件300的第一齿轮310。因此，除了提供动力或扭矩来驱动LPC 16之外，第二涡轮转子120可以向齿轮组件300提供动力或扭矩以驱动风扇转子15。在各种实施例中，取决于齿轮组件300的齿轮比，LPC 16可以以与风扇转子15大体上成比例的速率旋转。
现在参考图1和图3，涡轮部分90进一步包括第三旋转部件130，所述第三旋转部件设置在第一涡轮转子110的一个或多个径向延伸构件116的前方或上游99。第三旋转部分130包括沿径向R向外延伸的多个第三翼型件132。在一个实施例中，第三旋转部分130设置在第一涡轮转子110和第二涡轮转子120的前方或上游99。
现在参考图3和图4中所示的涡轮部分90的示例性实施例，第一涡轮转子110的外护罩114进一步沿纵向L向径向延伸构件116的前方或上游99延伸。外护罩114进一步包括沿径向R向内延伸并且叉指式设置在第三旋转部件130之间的多个外护罩翼型件118，例如沿径向R从第三旋转部件130向外延伸的多个第三旋转翼型件132。
参考图4中所示的实施例，涡轮部分90可以将第三旋转部件130限定成一个或多个级，其中第一涡轮转子110的外护罩114向第三旋转部件130的前方或上游99延伸，其中多个外护罩翼型件118与第三旋转部件130成叉指式设置。因此，在图4所示的示例性实施例中，涡轮部分90以沿纵向L从上游99到下游98的串行流布置限定：限定第三旋转部件130的第一级；限定第一涡轮转子110的第二级；限定第三旋转部件130的第三级；以及限定第一涡轮转子110的径向延伸构件116的第四级。
在一个实施例中，第三旋转部件130可以限定IPT组件30的IPT转子，其中作为IPT转子的第三旋转部件130与中压(IP)轴35驱动地连接并且能够与其一起旋转。IP轴35连接到IPC 22，其中IPC 22由涡轮部分90的第三旋转部件130的旋转进行驱动。
在图4所示的实施例中，发动机10和涡轮部分90可以进一步包括设置在第一旋转部件110、第二旋转部件120和第三旋转部件130的前方或上游99的第四旋转部件。在各种实施例中，所述第四旋转部件可以限定HPT转子。
仍然参考图4，涡轮部分90可以进一步包括涡轮轮叶组件140，所述涡轮轮叶组件设置在一个或多个径向延伸构件116的前方或上游99。涡轮轮叶组件140可以限定周向布置的多个固定翼型件(即轮叶)。在一个实施例中，涡轮轮叶组件140沿纵向L设置在多个外护罩翼型件118的前方或上游99。例如，涡轮轮叶组件140可以限定朝向燃烧部分26的下游端98的第一涡轮轮叶或喷嘴68。在其他实施例中，涡轮轮叶组件140设置在第四旋转部件与其他旋转部件之间，其他旋转部件例如为第一旋转部件110、第二旋转部件120或第三旋转部件130。在又一些实施例中，涡轮轮叶组件140可以沿纵向L限定在第三旋转部件130之间。例如，替代从径向延伸构件116向前方或上游延伸的第一涡轮转子110，涡轮轮叶组件140可以设置在两个第三旋转部件130级之间。
参考图1到图4，在各种实施例中，第三旋转部件130可以沿与第一涡轮转子110相反的方向旋转(即反向旋转)。例如，第一涡轮转子110可以配置成沿第一方向161旋转，并且第二旋转部件120和第三旋转部件130可以配置成沿与第一方向161相反的第二方向162旋转。在各种实施例中，第四旋转部件可以配置成沿第一方向161或第二方向162旋转，与第一涡轮转子110同向或反向旋转。
本说明书中所示和所述的发动机10和涡轮部分90可以在保持或缩减重量、部件数量和/或封装的同时提高燃料效率、操作效率和/或功率输出，从而改进现有涡轮部分。将第一涡轮转子110的多个外护罩翼型件118叉指式布置在第二旋转部件120和/或第三旋转部件130之间可以消除每个旋转部件之间的固定翼型件级，从而缩减封装并且减少部件数量。此外，涡轮部分90可以提供与减速齿轮组件相当的效率益处，而不增加发动机10的重量或尺寸(例如轴向长度)。此外，涡轮部分90可以通过降低对通常从压缩机部分21提取的冷却空气的需求来提高发动机10的效率，并且所述冷却空气通常视作可以消除发动机10的潜在推进能量。
现在参考相对于图1到图4所图示和描述的实施例，涡轮部分90的每个级可以构造成安装到辊筒或轮毂内的个体叶片，或者一体式叶片转子(IBR)或叶片盘，或者它们的组合。叶片、轮毂或叶片盘可以由陶瓷基体复合(CMC)材料和/或适用于燃气涡轮发动机高温部分的金属形成，例如但不限于镍基合金、钴基合金、铁基合金或钛基合金，其中的每一种可以包括但不限于铬、钴、钨、钽、钼和/或铼。例如，在一个实施例中，多个外护罩翼型件118的至少一部分限定陶瓷或CMC材料。例如，第一涡轮转子110的多个外护罩翼型件118的第一级101和/或第三级103可以限定陶瓷或CMC材料。
涡轮部分90或所述涡轮部分的部分或部分的组合，包括内护罩112、外护罩114、一个或多个径向延伸构件116、多个外护罩翼型件118和/或多个内护罩翼型件117可以使用增材制造或3D打印、或铸造、锻造、机加工或由3D打印模具形成的铸件或其组合来形成。涡轮部分90或其部分例如转子110、120、130的级、外护罩114、内护罩112以及其他部分可以使用紧固件例如螺母、螺栓、螺钉、销或铆钉，或者使用连接方法例如焊接、粘合、摩擦或扩散粘合，或者紧固件和/或连接方法的组合来机械连接。
图1到图4中所图示以及本说明书中所述的系统和方法可以在保持或缩减重量、零件数量和/或封装(例如径向和/或轴向尺寸)的同时减少燃料消耗、提高可操作性、提高发动机性能和/或功率输出。本说明书中提供的系统和方法可以相对于现有燃气涡轮发动机构造例如涡轮风扇发动机使高旁通比和/或总压力比提高，同时相对于类似功率输出的其他燃气涡轮发动机保持或缩减封装。本说明书中所描述的系统和方法可以提高旁通比和/或总压力比，从而增加提高燃气涡轮发动机总效率。本说明书中提供的系统可以通过减少或消除需要冷却空气的固定翼型件(例如，HPT或IPT轮叶)来提高燃气涡轮发动机总效率。此外，本说明书中提供的系统可以通过将旋转和/或固定翼型件数量(例如叶片和/或轮叶)相对于类似功率输出的燃气涡轮发动机减少约40％或以上来缩减燃气涡轮发动机封装和重量，从而提高效率。
具有逆向减速齿轮组件300的反向旋转涡轮发动机10大体上限定从第一涡轮转子110到齿轮组件300的第二齿轮320到发动机轴36到风扇组件14的风扇转子15，并且从第二涡轮转子120到输入轴121到齿轮组件300的第一齿轮310，并且从齿轮组件300的第二齿轮320到发动机轴36到风扇转子15的扭矩路径。因此，所述扭矩路径从所述涡轮部分限定从所述低压涡轮(第一涡轮转子110和第二涡轮转子120共同地)到所述风扇组件14的大体平行的扭矩路径。在各种实施例中，所述低速涡轮转子可以通过齿轮组件300将来自低速涡轮转子的约50％的扭矩经由第二涡轮转子120分配到风扇组件14，而剩余扭矩直接通过风扇组件14联接的发动机轴36从低速涡轮转子经由第一涡轮转子110分配到风扇组件14。
本说明书中所描述和示出的通过齿轮组件300传输约50％动力或扭矩的发动机10因此可以限定相对于已知一体式驱动涡轮风扇构造而言更小的齿轮组件300，其中在已知的一体式驱动涡轮风扇构造中，约100％的LPT转子动力和扭矩从LPT转子串联传输到风扇组件，包括风扇或LPC转子的一个或多个级。更进一步，由于齿轮组件300相对于类似推力输出和/或尺寸、旁通比、总压力比或风扇压力比的齿轮发动机构造而言传输的动力或扭矩较少，齿轮组件300承受的磨损和应力较小，并且因此可以降低与齿轮涡轮风扇构造相关的故障风险。更进一步地，由于齿轮组件300传输的动力或扭矩较少，因此齿轮组件300尺寸的减小能够实现齿轮发动机构造的益处，而不增大发动机直径。
具有逆向减速齿轮组件的反向旋转涡轮可以大体上向发动机提供减速齿轮组件的益处，例如降低风扇转子转速、提高旁通压力比、提高风扇压力比、减小风扇组件噪声、减少燃料消耗和/或提高发动机效率，同时进一步减小或减轻减速齿轮组件的有害影响，例如由于沿引导通过齿轮组件的扭矩或动力的量级而增加的齿轮组件直径和/或重量。
此外，具有逆向减速齿轮组件的反向旋转涡轮发动机可以提供使三转轴发动机构造的轴向长度与同等两转轴齿轮构造大体上相同的涡轮和齿轮组件布置，从而进一步提高发动机效率和性能。因此，具有反向减速齿轮组件的反向旋转涡轮可以以更理想的操作速度来操作低速涡轮转子、以更理想的操作速度来操作风扇组件并且以大体上独立于低速涡轮转子的速度，例如以与低速涡轮转子不成比例的速度来操作升压机或中压压缩机，从而进一步提高发动机效率和性能。
更进一步，图1到图4所示以及本说明书中所述的系统可以相对于包括前装式齿轮组件(例如，风扇组件附近或之内)的燃气涡轮发动机减小燃气涡轮发动机的流动面积和转速平方的乘积(本说明书中称为“AN2”的乘积)。大体上，降低AN2，例如通过减小旋转速度和/或流动面积来降低AN2可增加所需的平均级做功系数(即旋转翼型件的每个级上的平均所需载荷)。但是，本说明书中所述的系统和方法可以通过将第一涡轮转子110叉指式布置在第二涡轮转子120的一个或多个级之间来降低AN2，同时还降低平均级功系数并且维持涡轮部分90的轴向长度(与具有类似推力输出和封装的发动机相比)。因此，第一涡轮转子110可以增加旋转翼型件级的数量，同时减小平均级做功系数，并且因此降低AN2，同时减轻轴向长度的增加以产生类似的AN2值。第一涡轮转子110可以进一步减小AN2，同时相对于具有类似功率输出和/或封装的燃气涡轮发动机的涡轮部分而言可额外减少涡轮部分90中旋转和固定翼型件的总数量。
本说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域中的技术人员得出的其他示例。如果此类其他示例所包含的结构构件与权利要求书的书面语言无不同，或者如果其包含与权利要求书的书面语言无实质不同的等效结构构件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机限定纵向、径向和周向以及沿所述纵向延伸的轴向中心线以及沿所述纵向延伸的上游端和下游端，所述燃气涡轮发动机包括：
以所述轴向中心线为中心的环形固定涡轮框架；
发动机轴，所述发动机轴大体上沿所述纵向延伸；
输入轴，所述输入轴大体上沿所述纵向延伸；
齿轮组件，所述齿轮组件包括连接到所述输入轴的第一齿轮、连接到所述涡轮框架的第二齿轮以及连接所述第一齿轮和所述第二齿轮的内转轴，其中所述内转轴限定延伸穿过其中的齿轮轴线，并且其中所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮能够共同围绕所述齿轮轴线旋转，并且其中所述齿轮轴线能够围绕所述发动机的所述轴向中心线旋转；以及
连接到所述内转轴和所述发动机轴的壳体。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件的所述内转轴进一步包括连接到所述内转轴和所述壳体的内转轴轴承，其中所述内转轴轴承允许所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮围绕所述齿轮轴线旋转，并且其中所述内转轴、所述第一齿轮和所述第二齿轮围绕所述发动机的轴向中心线共同周向移动。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中所述壳体限定径向壁，所述径向壁联接到所述内转轴的所述内转轴轴承，并且其中所述壳体限定围绕所述齿轮组件周向延伸的轴向壁。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮框架限定固定星形齿轮，其中所述第二齿轮能够在所述固定星形齿轮上围绕所述发动机的所述轴向中心线移动。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述输入轴限定与所述齿轮组件的所述第一齿轮的输入轴齿轮接口。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴和所述壳体一起沿第一周向旋转，并且所述输入轴沿与所述第一周向相反的第二周向旋转。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴和所述壳体一起以第一速度旋转，并且所述输入轴以与所述第一速度成比例并且大于所述第一速度的第二速度旋转。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述壳体进一步包括连接到所述内转轴轴承的第二径向壁，并且其中所述发动机进一步包括连接到所述第二径向壁和所述输入轴的差速器轴承。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴大体上沿所述纵向延伸并且在所述输入轴和所述齿轮组件内径向延伸。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机进一步包括联接到所述涡轮框架和所述发动机轴的轴承。
11.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：
连接到所述壳体的第一涡轮转子；以及
连接到所述输入轴的第二涡轮转子。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一涡轮转子包括旋转框架，并且其中所述旋转框架包括多个径向延伸构件以及沿所述纵向延伸的外护罩，并且其中多个外护罩翼型件沿所述径向从所述外护罩向内延伸。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子共同限定叉指式涡轮转子组件，其中所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子沿所述纵向交错。
14.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一涡轮转子向所述发动机轴提供25％到75％的扭矩。
15.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述第二涡轮转子向所述发动机轴提供30%到60%的扭矩。
16.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件限定逆向旋转复合齿轮组件。
17.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件限定-1.5:1到-3:1的齿轮比范围。
18.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述齿轮组件限定-1.8:1到-2.8:1的齿轮比范围。
19.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述输入轴在所述齿轮组件内沿径向连接所述第一齿轮。
20.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述发动机轴连接到风扇组件，并且其中所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子共同限定低速涡轮转子组件。
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