CN112739901A - 包括电源装置的涡轮反应器 - Google Patents

Abstract

一种双流涡轮反应器(10)，包括风扇(20)，定位在风扇(20)下游并使主要流道(12)与次级流道(14)分离的壳体(30)，布置在主要流道(12)中的压气机(60)、燃烧室(70)和涡轮(80)，所述涡轮反应器包括一种耦合到涡轮(80)的差速传动装置(40、50)，以及一种被构造成提供附加功率到由涡轮(80)所提供的功率以驱动压气机(60)的电源装置(90)。

Description

包括电源装置的涡轮反应器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，更具体地，涉及可用于航空推进的涡轮喷气发动机。

背景技术

近年来，飞行器发动机经历了许多改进，这增加了发动机的性能并且显著地降低了其燃油消耗以及其温室气体排放。目前，未来几年获得类似收益所需的努力适当地要高得多。这意味着极大地增加了成本，而且增加了所实施系统的复杂性，使得发动机的可操作性及其性能/成本比可能恶化。

因此，需要一种新型的飞行器发动机，特别是涡轮喷气发动机，其在不同的参数(例如燃料消耗率、阻力、几何形状、质量、简单性和成本)之间形成更可接受的折衷方案。

发明内容

为此，本发明涉及一种涡轮风扇发动机，其包括风扇，定位在风扇下游并使主要流道与次级流道分离的壳体，已被布置在主要流道中的压气机、燃烧室和涡轮，所述涡轮风扇发动机包括一种耦合到涡轮的差速传动装置，以及一种被构造成提供附加功率到由涡轮所提供的功率以驱动压气机的电源装置。

在本发明中，所谓的涡轮风扇发动机轴线是形成压气机和涡轮的旋转轴线的其对称轴线或准对称轴线。轴向方向对应于涡轮风扇发动机的轴线方向，并且径向方向是垂直于该轴线并与该轴线相交的方向。同样，轴向平面是一种包含涡轮风扇发动机轴线的平面，并且径向平面是垂直于该轴线的平面。圆周应理解为一种属于径向平面并且其中心属于涡轮风扇发动机的轴线的圆。切向方向或周向方向是与圆周相切的方向；它垂直于涡轮风扇发动机的轴线，但不穿过该轴线。

除非另有规定，参考轴向方向使用形容词“前”和“后”，应该理解的是，涡轮风扇发动机的入口定位在涡轮风扇发动机的前侧上，而其出口定位在后侧上。参考涡轮风扇发动机中气流的正常方向使用形容词“上游”和“下游”。

最后，除非另有规定，参考径向方向使用形容词“内(内部)”和“外(外部)”，因此沿径向方向，一个元件的内部部分与相同元件的外部部分相比更接近涡轮风扇发动机的轴线。

该涡轮风扇发动机被称为涡轮风扇发动机，因为它包括容纳主要流的主要流道以及容纳次级流的次级流道。使主要流道和次级流道分离的壳体有时称为内壳体。

如图所示，差速传动装置耦合到涡轮，即在涡轮和差速传动装置之间存在一种功能性的、可能永久性的连接。由于涡轮提供的机械能，差速传动装置可被构造成驱动风扇和/或压气机。差速传动装置是一种允许在至少一个输入部件(input)(在这种情况下为涡轮)和至少一个输出(output)(在这种情况下为风扇和/或压气机)之间修改速度和/或扭矩比的动力传动装置。在本发明的含义内，差速传动装置的传动比可小于1，在这种情况下其有时被称为减速系统(reduction system)，但根据什么部件被认为是输入部件或输出部件，差速传动装置的传动比也可以大于1，在这种情况下其有时被称为倍增系统。差速传动装置可以是机电或纯机械的。

涡轮风扇发动机可以是单转子涡轮风扇发动机。单转子涡轮风扇发动机包括单个旋转组件，其经由共同的运动系统将一个或多个压气机连接到一个或多个涡轮，这并不意味着所有部件都以相同的速度旋转，而相反它们的旋转是链接的。相反，双转子涡轮风扇发动机包括两个运动学独立的旋转组件，这些组件每个都经由其自身的运动系统连接其自身的压气机和涡轮，所述其自身的运动系统独立于另一组件的自身的运动系统。此后，为简明起见但不丧失通用性，将假定单轴包括一个压气机和一个涡轮。

与大多数(如果不是全部)基于双转子涡轮风扇发动机的当前发展不同，本发明提出了实施一种具有单轴的涡轮风扇发动机。这类架构允许大大地简化涡轮风扇发动机，例如由于抑制了诸如轴、轴承和支撑件等复杂构件，降低了其质量和成本。

此外，由于涡轮风扇发动机包括电源装置，所述电源装置被构造成提供附加功率到由涡轮提供的功率以驱动压气机，因此，根据速度，可以致使压气机在所需的工作范围中运行，而处于所讨论速度，特别地处于低速，的涡轮单独不允许在此范围中运行。因此，无论涡轮风扇发动机速度如何，涡轮风扇发动机的性能水平与其他现有的涡轮风扇发动机相当，或者具有与现有涡轮风扇发动机相比更好的性能/成本比。

在一些实施方式中，涡轮风扇发动机进一步包括一种被构造成根据涡轮的转速来控制电源装置的控制单元。因此，可根据涡轮风扇发动机的速度来控制电源装置。这允许精确地适配涡轮风扇发动机的参数并优化涡轮风扇发动机的运行。

在一些实施方式中，电源装置包括一种被构造成驱动压气机旋转的电动机。在这些实施方式中，可以根据对功率的需要以非常灵活的方式控制电源装置，特别是在覆盖零功率到电源装置的最大估计功率的范围上连续地控制电源装置。

在一些实施方式中，电源装置包括一种被构造成由涡轮驱动的发电机。发电机可被构造成直接地或经由储电设备对上述的电动机供电。

事实上，在一些实施方式中，涡轮风扇发动机包括电连接到电动机或发电机的储电设备。因此，在例如以高速的某些飞行阶段中，涡轮可驱动发电机，使得过量的机械功率以电的形式存储在储电设备中。在例如以低速的其他飞行阶段中，可由涡轮和电动机驱动压气机，电动机从储电设备获取其能量。但是，其他变型也是可能的。例如，不是由涡轮驱动的发电机进行充电，储电设备可以通过涡轮风扇发动机外部的电源进行充电。

因此，在一些实施方式中，电源装置包括被构造成连接到外部电源的连接器。

在一些实施方式中，电源装置包括变速机械传动装置，其一方面耦合到压气机的轴，并且另一方面耦合到涡轮的轴。因此，变速机械传动装置允许从涡轮导出功率用于驱动压气机，例如根据涡轮风扇发动机的速度能够控制所述功率。变速机械传动装置可与压气机和/或涡轮连接或断开。变速机械传动装置可将固定或可变比例的涡轮功率传输到压气机。变速机械传动装置可包括以下元件的任一个：离合器、齿轮箱、变速器等。

在一些实施方式中，电源装置包括电磁传动装置，其一方面耦合到压气机的轴，并且另一方面耦合到涡轮的轴。例如，电磁传动装置可以是磁齿轮的传动装置。电磁传动装置具有许多优点，特别地无机械疲劳、无润滑、无机械接触损耗、无噪音,以及高效率。

在一些实施方式中，由电源装置提供的最大附加功率大于1.5兆瓦(MW)。这种附加最大功率用于补偿在涡轮风扇发动机的特定速度下涡轮不提供的功率。

在一些实施方式中，当涡轮的转速大于涡轮标称最大转速的95％时，电源装置被构造成停用。因此，可以将电源装置的尺寸仅限于在其作用有用的中等机械速度下运行，从而使其质量和复杂性最小化。例如，当涡轮的转速足以单独地以标称速度的至少50％、优选地至少70％的降低速度驱动压气机时，电源装置可被构造成被停用。相反地，当涡轮的转速不足以单独地以标称速度的至少50％、优选地至少70％的降低速度驱动压气机时，电源装置可被构造成启动。

本发明还涉及一种单转子涡轮风扇发动机，其包括风扇，定位在风扇下游并使主要流道与次级流道分离的壳体，布置在主要流道中的压气机、燃烧室和涡轮，所述涡轮风扇发动机包括一种耦合到涡轮的差速传动装置，其中，在次级流道和主要流道之间的旁通比大于或等于12。

在次级流道和主要流道之间的旁通比，更简单地称为旁通比(BPR)，是进入次级流道的空气流速与进入主要流道的空气流速之比。增加BPR允许提高涡轮风扇发动机的性能，因为基本上由风扇扫过并穿过次级流道的空气提供推力。

然而，增加BPR需要增加风扇的直径，这导致连带地增加了次级流道的横截面。

由于在次级流道和主要流道之间的旁通比大于或等于12，进一步改进了涡轮风扇发动机的性能。例如，对于在0.7马赫和0.9马赫之间的相应飞行器速度，可以在涡轮风扇发动机排气装置的亚音速喷射速度的范围内获得这类旁通比，优选地在喷射喷嘴的喉部处在0.8马赫和1马赫之间。

在一些实施方式中，差速传动装置包括一种被构造成修改涡轮和风扇之间的转速传动比的第一减速齿轮，以及一种被构造成修改涡轮和压气机之间的转速传动比的第二减速齿轮。

因此，风扇的旋转可以与压气机的旋转分离，这对于这两个部件允许具有不同的旋转速度。这允许在降低风扇转速的同时将压气机转速保持在一定水平。然而，风扇的转速制约了风扇叶片的径向外部(也称为叶片末端)的切向速度。叶片末端的速度必须满足某些限制条件，特别地保持例如小于或等于310米/秒(m/s)的亚音速。因此，能够降低风扇转速这一事实允许在等同的叶片末端速度下增加风扇的直径。结果仍然是涡轮风扇发动机的性能更好。

在一些实施方式中，第二减速齿轮耦合到第一减速齿轮的输出。

在一些实施方式中，第一减速齿轮是一种差速减速齿轮，其具有旋转地固定到涡轮的输入轮，旋转地固定到风扇的第一输出轮，旋转地固定到第二减速齿轮的输入轮的第二输出轮，并且第二减速齿轮是一种具有旋转地固定到压气机的输出轮的周转减速齿轮。

减速齿轮是一种允许修改在至少一个输入轮和至少一个输出轮之间的速度和/或扭矩比的装置。在本发明的含义内，减速齿轮的传动比可以小于1，但也可以大于1，这取决于什么部件被认为是输入部件或输出部件(减速齿轮通常是可逆传动装置)，在大于1的情况下该减速齿轮有时被称为倍增器。差速减速齿轮可以使三个轮的旋转相关联，例如一个输入轮和两个输出轮。周转减速齿轮可以使两个轮的旋转相关联，例如一个输入轮和一个输出轮。

差速减速齿轮和/或周转减速齿轮可被设计为周转轮系的形式。周转轮系通常具有也称为齿圈的外行星齿轮，以及也称为行星齿轮或太阳齿轮的内行星齿轮。太阳齿轮和齿圈通过一个或多个行星齿轮耦合，行星齿轮通过行星架耦合在一起。在本发明的含义内，通用意义上所谓的“轮”是齿圈、行星架或太阳齿轮的任一个。每个轮都可用作机械传动的输入部件或输出部件。

在这种情况下，经由第一减速齿轮将涡轮的旋转传输到风扇。结果是在涡轮和风扇之间的第一传动比，例如第一扭矩比。第一减速齿轮的第二输出轮驱动第二减速齿轮的输入轮，其输出驱动压气机。结果是在涡轮和压气机之间的第二传动比。因此，使用差速减速齿轮可以使风扇和压气机的旋转分离。为了限制涡轮风扇发动机的复杂性，周转减速齿轮可以与差速减速齿轮耦合，而非与涡轮直接耦合。

在一些实施方式中，第一减速齿轮的第一输出轮齿数与第一减速齿轮的输入轮齿数之比大于1。该比值可大于1.2，更优选地大于1.4。此外，该比值可小于1.8，更优选地小于1.6。该比值近似等于1.5。在正常运行的情况下，第一减速齿轮因此被构造成向风扇提供与提供到压气机的转速相比更低的转速。

在一些实施方式中，第二减速齿轮的齿圈齿数与第二减速齿轮的输出轮齿数之比大于2。对于周转齿轮系，可相对于涡轮风扇发动机的内壳体固定第二减速齿轮的齿圈。该比值允许相对于由第一减速齿轮在第二减速齿轮输入端处提供的速度来增加压气机的转速。该比值可大于5，更优选地大于6。此外，该比值可小于9，更优选地小于8。该比值近似等于7。

在一些实施方式中，第一减速齿轮的第一输出轮的齿数与第一减速齿轮的输入轮的齿数之比小于第二减速齿轮的齿圈齿数与第二减速齿轮的输出轮齿数之比。这是上述两个比值之比；在给出的示例中，还可以验证1.5小于7。在这种构造中，可以减小差速传动装置的不同轮的直径，并且可以限制差速传动装置的产品总体成本。

在一些实施方式中，第二减速齿轮的传动比大于3。传动比是输出轮转速与输入轮转速之比。对于行星齿轮，所考虑的行星架的转速对应于行星齿轮环绕太阳齿轮的转速，并且不对应于行星齿轮环绕其自身的转速。

该传动比可大于6，更优选地大于7。此外，该传动比可小于10，更优选地小于9。该传动比可近似等于8。

在一些实施方式中，风扇在巡航速度下的压缩比在1.3和1.45之间。根据通常的定义，所谓的风扇压缩比是在风扇输入端(input)的给定质量空气的体积-平均总压与在风扇输出端的相同质量空气的体积-平均总压之比。相对低的压缩比允许提高涡轮风扇发动机的性能。

在一些实施方式中，在15500转/分的转速下，压气机的压缩比大于或等于25。这种压缩比适用于压气机和涡轮的空气动力学。例如，压气机可包括至少八级动叶片，优选地至少九级或十级。

在一些实施方式中，爬升顶部的总压比大于或等于30。总压比或OPR是压气机输出端的空气总压力与风扇输入端的空气总压力之比。被称为“爬升顶点”的点是完成上升的高度的点，通常计算该点，使得上升尽可能经济和短。高OPR允许提高涡轮风扇发动机的气体发生器的热效率，因此提高其性能。在30到40之间的OPR看起来不如在双转子涡轮风扇发动机中有利，但这通过简单性、可操作性和成本的巨大改进所补偿。

此外，除非另有说明，当涡轮风扇发动机在国际民用航空组织(ICAO)手册第7488/3号文件第3版规定的标准大气中静止时，以及在海平面静止时，测量了本发明中提及的数量值。

本发明还涉及一种涡轮风扇发动机，其包括风扇，压气机，燃烧室，被构造成经由第一减速齿轮驱动风扇旋转并且经由第二减速齿轮驱动压气机旋转的涡轮，其中，第一减速齿轮的输出端(output)通过减速轴与第二减速齿轮的输入端(input)旋转地耦合，减速轴由一种布置在第一减速齿轮和第二减速齿轮之间的轴承支撑。

因此，可以理解的是，上述轴承可轴向地布置在第一减速齿轮和第二减速齿轮之间。可以相对于涡轮风扇发动机的固定壳体支撑该轴承，特别地相对于燃烧室固定该轴承。

由于由布置在第一减速齿轮和第二减速齿轮之间的轴承支撑该减速轴，涡轮风扇发动机具有良好的动态状况，即在运行速度下的良好机械和气动行为，以及定位在运行速度以外的主要自然振动模式，即能够对涡轮风扇发动机造成损坏。此外，所述轴承允许适当地保持第一减速齿轮和第二减速齿轮，同时避免或限制在这两个减速齿轮之间的动态耦合。

在一些实施方式中，轴承是滚柱轴承。因此，所述轴承允许减速轴的轴向移动。

在一些实施方式中，轴承由所述壳体支撑。由于轴承由内壳体支撑，可以简化轴承的支撑结构，这限制了涡轮风扇发动机质量的增加，简化了其通用结构并改进了其性能。

在一些实施方式中，所述轴承径向地布置在压气机轴、涡轮轴和减速轴外侧。这允许进一步优化涡轮风扇发动机的动态状况。

在一些实施方式中，减速轴是第一减速齿轮和第二减速齿轮共用的行星架。

除了刚才提到的特征之外，根据单独地或以技术上可能组合考虑的以下之中的特征，所提出的涡轮风扇发动机可包括一个或多个其他轴承：

–布置在风扇轴和壳体之间的风扇轴承。风扇轴承相对于壳体支撑该风扇轴；

–布置在压气机轴和壳体之间的压气机轴承。也称为第一压气机轴承的该压气机轴承相对于壳体支撑该压气机轴；

–布置成支撑减速轴的第二轴承，例如滚柱轴承。使用两个滚柱轴承以支撑减速器这一事实避免了静态不确定性；

–布置在压气机轴和涡轮轴之间的轴间轴承，例如滚柱轴承。轴间轴承可径向地布置在压气机轴和涡轮轴之间，并彼此相对地支撑这两个轴；

–布置在压气机轴和压气机下游的结构构件之间的压气机轴承，所述结构件例如可以是燃烧室的壳体或定位在压气机和燃烧室之间的扩散器。也称为第二压气机轴承的压气机轴承相对于结构件支撑该压气机轴。

附图简要说明

在阅读通过非限制性示例给出的实施例的以下详细描述后，将更好地理解本发明及其优点。本说明书参照附图，附图中：

-图1是根据一个实施方式的涡轮风扇发动机的示意图；

-图2示意性地示出了根据第二实施方式的涡轮风扇发动机的轴向半截面；

-图3示意性地示出了根据第三实施方式的涡轮风扇发动机的轴向半截面；

-图4示意性地示出了根据第四实施方式的涡轮风扇发动机的轴向半截面；

-图5示意性地示出了根据第五实施方式的涡轮风扇发动机的轴向半截面。

具体实施方式

图1示意性地表示根据一个实施方式的涡轮喷气发动机10。在这种情况下，涡轮喷气发动机10是单转子涡轮风扇发动机。实际上，涡轮喷气发动机10包括风扇20、布置在风扇20下游并使主要流道12与次级流道14分离的内壳30。压气机60、燃烧室70和涡轮80从上游到下游布置在主要流道12中。由于涡轮喷气发动机10是单轴发动机这一事实，因此它包括一种包含压气机60和涡轮80的单一旋转组件。在这种情况下，涡轮喷气发动机包括由单一涡轮80直接或间接地驱动的单一压气机60，通过来自燃烧室70的燃烧气体起动涡轮80。

风扇20可包括一个叶轮。风扇20可被确定尺寸，使得其在以约2,600rpm的转速的巡航速度下的压缩比在1.3和1.45之间。风扇20的直径可以在2到2.7米之间，更具体地在2.2米到2.4米之间。这里，“风扇20的直径”将会被理解为在涡轮喷气发动机10轴线和风扇叶片末端之间的径向距离。

压气机60可包括5至15级，特别地8至12级，优选地约10级，每个级都由动叶和静叶形成。应该记住的是，相同压气机的多个级的叶片环绕压气机轴线旋转地固定。压气机的尺寸可被确定为，使得在可与巡航速度对应的近似15500rpm的转速下，其压缩比大于或等于25。

因此，在本实施方式中，涡轮喷气发动机10的OPR可大于或等于30。

涡轮80可包括2级至6级，特别地3级至5级，优选地约4级。应该记住的是，相同涡轮的多个级的叶片环绕涡轮轴线旋转地固定。涡轮可在巡航速度下以近似8600rpm旋转。

在本实施方式中，涡轮80旋转地驱动压气机60。涡轮80还旋转地驱动风扇20。更具体地，涡轮喷气发动机10包括一种耦合到涡轮80的差速传动装置。在这种情况下，如图1所示，差速传动装置耦合到风扇20和压气机60，并且在此包括一种被构造成修改涡轮80和风扇20之间的转速传动比的第一减速齿轮40，以及一种被构造成修改涡轮80和压气机60之间的转速传动比的第二减速齿轮50。

在本实施方式中，次级流道14和主要流道12之间的旁通比(也称为BPR)大于或等于12，优选地大于或等于14，甚至14.5。在本实施方式中，由于风扇的直径、风扇的压缩比以及涡轮80的级数，可以实现这种BPR。然而，也可能涉及其他参数：例如，也可以通过OPR和涡轮入口温度的共同增加实现高BPR，该结合有助于降低主要流道的质量流速，从而提高BPR。

如上所述，在涡轮喷气发动机10中，风扇20的转速可以与压气机60的转速分离。例如，在全功率点，压气机60的转速与风扇20的转速之比可以在5.5和6.5之间。此外，与单一差速减速齿轮不同，使用两个减速齿轮可以减轻涡轮80上的机械和气动应力。

图2至5表示在其他实施方式中的涡轮喷气发动机10。在这些图中，与第一实施方式的元素对应或等同的元素将具有相同的附图标记，并且将不再描述。

图2更详细地示出了涡轮喷气发动机10的结构。

首先需要注意的是，由于差速传动装置的存在，风扇轴22、压气机轴62和涡轮轴82彼此分离。

如图2所示，第一减速齿轮40是差速减速齿轮，其具有在此经由涡轮轴82旋转地固定到涡轮80的输入轮44，在这种情况下为太阳齿轮(也称为太阳齿轮44)，以及第一输出轮48，在这种情况下为在此经由风扇轴22旋转地固定到风扇20的齿圈(也称为齿圈48)。优选地，第一输出轮48的齿数与输入轮44的齿数之比R1大于1，并且在本实施方式中，近似等于1.5。

太阳齿轮44和齿圈48通过行星齿轮46接合。可提供一个或多个行星齿轮46。在本发明的含义内，“接合”一词表示两个元件的相互接合，无论这种接合是机械的、电磁的还是其他性质的。连接到行星齿轮46的行星齿轮架42形成第一减速齿轮40的第二输出轮。

此外，第二减速齿轮50是周转减速齿轮。如上所述，第二减速齿轮50具有旋转地固定到第一减速齿轮40的第二输出轮42的输入轮。在这种情况下，如图2所示，行星架42形成第一减速齿轮40的第二输出轮和第二减速齿轮50的输入轮。因此，行星架42还形成在在第一减速齿轮40和第二减速齿轮50之间的减速轴。因此，在本实施方式中，将互换地使用以下术语：行星架42、减速轴、第一减速齿轮40的第二输出轮、第二减速齿轮50的输入轮。然而，通常，这些构件可彼此分离，在这种情况下，第一减速齿轮40的出口通过减速轴42旋转地耦合到第二减速齿轮50的入口。

传动轴42是第一减速齿轮40的行星架，并且独立地也是第二减速齿轮50的行星架。因此，第二减速齿轮50包括一个或多个行星齿轮56，所述行星齿轮56的旋转由行星架42的旋转致动。

除其输入轮42外，第二减速齿轮50还包括输出轮54，在这种情况下为在此经由压气机轴62旋转地固定到压气机60的太阳齿轮(也称为太阳齿轮54)。在本实施方式中，太阳齿轮54与行星齿轮56接合。行星齿轮56此外可以与齿圈58接合，所述齿圈这里相对于壳体30固定。

优选地，第二减速齿轮50的齿圈58的齿数与行星齿轮56的齿数之比R2大于2，并且在本实施方式中近似等于7。

此外，在本实施方式中，上述比值R1小于比值R2。

第二减速齿轮的尺寸可被确定为以具有大于3的传动比，例如近似等于8。

如图2可以看出，第一和第二减速齿轮40、50同轴。

可以提供轴承以支撑上述轴。特别地，可以由一种布置在第一减速齿轮40和第二减速齿轮50之间的轴承41支撑该减速轴42，从而改进差速传动装置的动态状况。更具体地，如图2所示，轴承41(在这种情况下为滚柱轴承)轴向地布置在第一减速齿轮40和第二减速齿轮50之间，并且径向地布置在减速轴42和壳体30之间，从而相对于壳体30支撑减速轴42。

如有必要，可由第二轴承43支撑该减速轴42。可以在第一减速齿轮40的前部提供第二轴承43，或者如图2所示，在第二减速齿轮50的后部提供第二轴承43。第二轴承43可以是滚柱轴承。第二轴承43可以径向地布置在减速轴42和壳体30之间。第二轴承43可相对于壳体30支撑减速轴42。

此外，风扇轴22、压气机轴62和涡轮轴82每个都可彼此独立地由至少一个轴承支撑，或在本实施方式中由至少两个轴承支撑。

根据一个示例，相对于壳体30由前风扇轴承21和后风扇轴承23支撑风扇轴22。此外，根据一个示例，相对于壳体30由前压气机轴承61支撑压气机轴62，并且相对于压气机下游的结构构件72(这里是燃烧室壳体)由后压气机轴承63支撑压气机轴62。此外，根据一个示例，相对于排气壳体84(也称为“涡轮后机架”(TRF))由后涡轮轴承83支撑涡轮轴82。

此外，压气机轴62可与涡轮轴82同轴，并安装在涡轮轴62外部。在该透视图中，可以提供一种布置在压气机轴62和涡轮轴82之间的轴间轴承81，特别地径向地布置在这两个轴之间。轴间轴承81相对于涡轮轴82支撑压气机轴62并允许它们的相对旋转。

对于这些轴22、62、82的每一个，可以规定一个轴承确保该轴的轴向锁定，例如以滚珠轴承的形式，而另一轴承允许该轴的轴向位移，例如以滚柱轴承的形式，从而在控制该轴的轴向位置同时避免静态超定。

在本示例中，前风扇轴承21和轴间轴承81是滚柱轴承，而风扇和后涡轮轴承23、83是滚珠轴承。在本示例中，前压气机轴承61是滚珠轴承，而后压气机轴承是滚柱轴承。

需要注意的是，为了进一步改进动力学，在这种情况下，通过减少相关轴22、62、82的长度，使得其自然模式在可能超出涡轮喷气发动机的运行速度范围的更高转速下介入，可以分别尽可能接近风扇20和压气机60的入口壳体来定位滚珠轴承23、61。例如，可以将所述轴承分别放置在风扇20和压气机60的入口壳体附近，只要这些壳体的几何形状允许。

如图2所示，支撑减速轴42的第一轴承41可以是一种被称为“大半径”轴承的轴承，也就是说，其半径相对接近于壳体30的半径，所述第一轴承被固定到所述壳体上。在这种情况下，所述轴承41径向地布置在压气机轴62、涡轮轴82和减速轴42的外部。

需要注意的是，由于涡轮喷气发动机10的简化结构，尤其是单轴发动机10，与目前发展的更复杂结构相比，支撑相同轴的轴承之间的距离可以减小。这导致涡轮喷气发动机10的部件具有更好的旋转动力学。通常，降低轴的长度与直径比可以改进轴的动力学性能。

就质量而言，发明人估计与具有单减速齿轮的传统双转子涡轮风扇发动机相比，第二实施方式的涡轮喷气发动机10的质量增益在5％到15％之间。

在分别如图3至5所示的第三至第五实施方式中，为了降低当涡轮80以怠速或更通常地以非零但低速旋转时压气机60处于过低速度的风险，可以提供一种电源装置90，其被构造成提供附加功率到由涡轮80提供的功率以驱动压气机60。当然，这种电源装置可以与上述的实施方式兼容。

电源装置可以是多种类型。例如，电源装置90可被构造成提供来自与涡轮80分离的来源的功率，因此并不由涡轮80直接或间接地、瞬时或延迟地提供所述功率。常规地，在第三实施方式中，电源装置90包括一种被构造成旋转地驱动压气机60的电动机91。如图3所示，电动机91可与压气机轴62接合。在本实施方式中，电动机91的电能可来自于被构造成由涡轮80或更具体地由涡轮轴82驱动的发电机92。

替代地或此外，电源装置90可包括连接器94，所述连接器94被构造成连接到涡轮喷气发动机外部的电源，并为电动机91提供必要的电能，当涡轮喷气发动机10在地面上和飞行中(例如在下降阶段中)以怠速运转时，尽管涡轮80怠速运转，用于驱动压气机60的附加功率基本有用。

替代地或另外，如参考第四实施方式的图4所示，用于驱动电动机91的电能可来自于电连接到电动机的储电设备96。在适当的情况下，储电设备96可以连接到发电机92或连接到第三实施方式中所示的连接器94。根据该构造，储电设备96可以用作缓冲器，从而与通过电动机91的其消耗独立地累积由发电机92产生的能量。

储电设备96可包括一个或多个电池，或任何其他适配的存储设备。

然而，由电源装置90提供的电源不必以电气形式切换。在图5所示的第五实施方式中，电源装置90包括一种变速机械或电磁传动装置，其一方面耦合到压气机60的轴62，另一方面耦合到涡轮80的轴82。更具体地，电源装置90包括旋转地固定到压气机轴62的第一接合元件98a，旋转地固定到涡轮轴82的第二接合元件98b。第一和第二接合元件98a、98b可以通过机械或电磁连杆98c可变地彼此接合(其包括使它们分离的可能性)。例如，连杆98c可以是离合器、差速系统、电磁耦合器，或机械能的任何其他变速传动装置。

第三、第四和第五实施方式的共同点是，由电源装置90提供给压气机60的功率是可变的并且可控制。为此，可以提供一种被构造成控制电源装置90的控制单元99。例如，控制单元99可以基于涡轮80的转速或表示涡轮喷气发动机10转速的另一参数来控制电源装置。例如，当涡轮以小于或等于其最大标称转速的95％的速度旋转时启动电源装置90可能有用，并且对于涡轮的转速大于其最大标称转速的95％时停用电源装置90可能有用。因此，即使当涡轮80处于怠速模式时，压气机60也可以保持在稳定的转速，从而提供良好的可操作性，也就是说，能够将涡轮机的稳定和瞬态运行点保持在与气动不稳定区域足够远的距离处。

电源装置90的尺寸可被确定为，使得由电源装置提供的最大附加功率可大于1.5兆瓦(MW)，优选地大于或等于1.8MW，更优选地大于或等于2.1MW。

尽管当涡轮80以怠速旋转时提出了增加压气机60的转速，但是电源装置90可以顺便用作涡轮喷气发动机10加速的辅助装置，例如在启动或快速瞬态机动中。

此外，电源装置可用作双转子涡轮风扇发动机的一部分，除了上述形成高压转子的压气机和涡轮之外，所述双转子涡轮风扇发动机还包括定位在高压轴两侧并且形成低压转子的低压压气机或增压器和低压涡轮。低压压气机由低压涡轮驱动。例如，电源装置可用于提供功率到高压轴，从而通过降低高压压气机的运行线路来改进其可操作性，所述运行线路通常被定义为在发动机的所有可能运行条件中，特别地在节气门全开和怠速之间，坐标系[压缩比；降低的质量流速]中的压气机中刻画的点的轨迹。当使用该电源装置时，可以从低压轴获取所供给的功率，这通过降低低压压气机的运行线路来改进了其可操作性。

尽管本说明书引用了具体的示例性实施例，但是可对这些示例进行修改，而不背离由所附权利要求限定的本发明的通用范围。特别地，所描述/提及的不同实施例的单独特征可在附加实施例中组合。因此，应当图示地而非限制性地考虑本说明书和附图。

Claims (20)

1.一种双流涡轮风扇发动机(10)，包括风扇(20)，定位在风扇(20)下游并使主要流道(12)与次级流道(14)分离的壳体(30)，布置在主要流道(12)中的压气机(60)、燃烧室(70)和涡轮(80)，所述涡轮风扇发动机包括一种耦合到涡轮(80)的差速传动装置(40、50)，以及一种被构造成提供附加功率到由涡轮(80)所提供的功率以驱动压气机(60)的电源装置(90)。

2.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，进一步包括一种被构造成根据涡轮(80)的转速控制电源装置(90)的控制单元(99)。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮风扇发动机，其中，所述电源装置(90)包括一种被构造成驱动压气机(60)旋转的电动机(91)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，所述电源装置(90)包括一种被构造成由涡轮(80)驱动的发电机(92)。

5.根据权利要求3或4所述的涡轮风扇发动机，其包括电连接到电动机(91)或发电机(92)的储电设备(96)。

6.根据权利要求1至5任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，所述电源装置(90)包括一种被构造成连接到外部电源的连接器(94)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，所述电源装置(90)包括变速机械传动装置(98a、98b、98c)，其一方面耦合到压气机的轴(62)，并且另一方面耦合到涡轮的轴(82)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，所述电源装置(90)包括电磁传动装置(98a、98b、98c)，其一方面耦合到压气机的轴(62)，并且另一方面耦合到涡轮的轴(82)。

9.根据权利要求1至8任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，由所述电源装置(90)提供的最大附加功率大于1.5MW。

10.根据权利要求1至9任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，当涡轮(80)的转速大于涡轮(80)标称最大转速的95％时，所述电源装置(90)被构造成停用。

11.根据权利要求1至10任一项所述的涡轮风扇发动机，所述涡轮风扇发动机(10)是单转子涡轮风扇发动机，并且在次级流道(14)和主要流道(12)之间的旁通比大于或等于12。

12.根据权利要求1至11任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，所述差速传动装置包括一种被构造成修改涡轮(80)和风扇(20)之间的转速传动比的第一减速齿轮(40)，以及一种被构造成修改涡轮(80)和压气机(60)之间的转速传动比的第二减速齿轮(50)。

13.根据权利要求12所述的涡轮风扇发动机，其中，所述第一减速齿轮(40)是一种差速减速齿轮，其具有旋转地固定到涡轮(80)的输入轮(44)，旋转地固定到风扇(20)的第一输出轮(48)，旋转地固定到第二减速齿轮(42)的输入轮的第二输出轮(42)，并且第二减速齿轮(50)是一种具有旋转地固定到压气机(60)的输出轮(54)的周转减速齿轮。

14.根据权利要求13所述的涡轮风扇发动机，其中，第一减速齿轮(40)的第一输出轮(48)的齿数与第一减速齿轮(40)的输入轮(44)的齿数之比大于1。

15.根据权利要求13或14所述的涡轮风扇发动机，其中，第二减速齿轮(50)的齿圈(58)齿数与第二减速齿轮(50)的输出轮(54)齿数之比大于2。

16.根据权利要求13至15任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，第一减速齿轮(40)的第一输出轮(48)的齿数与第一减速齿轮(40)的输入轮(44)的齿数之比小于第二减速齿轮(50)的齿圈(58)齿数与第二减速齿轮(50)的输出轮(54)齿数之比。

17.根据权利要求12至16任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，第二减速齿轮(50)的传动比大于3。

18.根据权利要求1至17任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，所述风扇(20)在巡航速度下的压缩比在1.3和1.45之间。

19.根据权利要求1至18任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，在15500转/分的转速下，所述压气机(60)的压缩比大于或等于25。

20.根据权利要求1至19任一项所述的涡轮风扇发动机，其中，爬升顶部的总压比大于或等于30。

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