CN1327124C - 半固定涡轮式涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半固定涡轮式涡轮发动机(1)，特别是航空用发动机，其驱动一受控接收器(2)从而保持一大致恒定的转速。该涡轮发动机特别通过一齿轮系统(20)，驱动接收器和一带有低压涡轮(14)的低压压缩机(6)。根据本发明，齿轮系统具有一转矩控制系统(26)来保持接收器的驱动转矩和低压压缩机的驱动转矩间的恒定比率，接收器和低压压缩机均由齿轮系统传动。

Description

半固定涡轮式涡轮发动机

技术领域

本发明通常涉及一种涡轮发动机，特别是航空器用发动机，更特别地涉及一种带有半固定式涡轮的涡轮发动机，其驱动受控接收器(receiver)从而保持一大致稳定的转速，而无论该涡轮发动机需要何种功率。

现有技术

在已知的现有技术的涡轮发动机中，在其低压压缩机后紧跟有高压压缩机，从而相对于只装备有单一压缩机的涡轮发动机而言，可获得更高的压缩比。

众所周知，这些低压、高压压缩机相继由高、低压涡轮驱动，在本文阐述中，这些不同的部件被称作“低压压缩机”、“高压压缩机”、“高压涡轮”、以及“低压涡轮”。

已知的现有技术中的双压缩机涡轮发动机的两种主要类型是“自由涡轮式”涡轮发动机和“半固定涡轮式”涡轮发动机。

应该注意，在自由涡轮式涡轮发动机中，接收器由一第三涡轮驱动，该第三涡轮与低压、高压涡轮没有机械连接；然而在半固定涡轮式涡轮发动机中，接收器由类似低压压缩机的低压涡轮驱动。在后一种情况中，通常，低压压缩机通过起连接作用的轴直接与低压涡轮相连，而接收器则通常由连接到该低压涡轮的传动系统驱动。

通常，为确保接收器的正常工作，在后一种情况下的转速必须保持大致稳定，而无论该涡轮机组需要何种功率。

在此方面，自由涡轮式涡轮发动机承受这种条件，否则会导致严重的功能失常，在一定意义上它们的部分功率表现保持相对地令人满意。然而，三个涡轮及其三个连接轴的存在需要复杂且昂贵的涡轮发动机的设计，出现严重的拥塞问题。

在另一方面，必须清楚，如果半固定涡轮式涡轮发动机没有自由涡轮式涡轮发动机那么复杂的设计，那么，维护带有大致稳定速度的接收器就会导致并非无关紧要的部分功率问题的出现。

实际上，当涡轮发动机以部分功率并因此以弱燃料流动而运行时，带有高压压缩机和高压涡轮的高压外罩(casing)必须减慢下来。接收器的转速，如螺旋浆，保持大致稳定，意味着高压压缩机的转速和低压涡轮的转速均保持大致稳定。在这方面表明，保持接收器的旋转在一恒定值，可以通过如减小螺旋浆的螺距，或只降低燃料流量来实现。当然，这里接收器由不同螺距的螺旋桨组成。

这样，可以看到，带有部分功率下，高压外罩慢下来，而低压压缩机继续以同样的速度运行，这不可避免地造成低压压缩机严重地抽吸(pumping)风险。

并且，还是考虑低功率，可以看到，当低压涡轮机械运行条件保持不变时，由于温度下降导致声音速度下降，低压涡轮处于空气动力学的超速状态。因此，连同涡轮发动机供给功率下降，空气动力学的超速严重地降低了低压涡轮的性能。

为解决低压压缩机非常高的冲击风险，提出了设计不同配置的定子和/或在两种情况下加入排放，从而降低穿过高压压缩机的气流的方案。

然而，这些解决办法存在一定程度的限制。事实上，在超出设定的闭合角(dwell angle)的地方，涡轮叶片不能正确地发挥作用，从而导致空气动力学的设计问题，以及可理解的在给定功率下的对流速下降的限制。

此外，排放的任务在于喷出压缩空气，其严重地降低涡轮发动机性能，并且，设计和控制能够同时保持高压和高流速的系统在实现起来还非常困难。在外罩内两台压缩机之间安装这些系统也同样使得外罩的设计复杂化。

所以，上述内容清楚地指出排放流量的限制。

发明内容

因此本发明旨在提供一种带有半固定涡轮式的涡轮发动机，特别是航空器发动机，其驱动受控接收器从而保持大致稳定的转速，该涡轮发动机消除了上述现有技术性能上的相应的缺陷。

为此，本发明的目的在于提供一种带有半固定式涡轮的涡轮发动机，特别是航空器用发动机，其驱动受控接收器从而保持大致稳定的转速。该涡轮发动机具有高压压缩机、燃烧环、高压涡轮、以及如后述情况中的低压涡轮，特别是通过一齿轮系统驱动接收器和低压压缩机。根据本发明，齿轮系统有一转矩控制系统来保持接收器的驱动转矩和低压压缩机驱动转矩间为恒定比率，接收器的驱动转矩和低压压缩机驱动转矩均由同一齿轮系统传送。

改进之处为：部分功率下，根据本发明提供给涡轮发动机的转矩控制系统在保持接收器的转速大致恒定时，使得引起低压压缩机转速大幅降低成为可能。

由此解释了当被接收器吸收的功率随其保持稳定的转速减小时，传导到其上的驱动转矩也必然地减小。转矩控制系统的存在意味着，传递到高压压缩机的驱动转矩依照此低压压缩机的转速的减小做相同比率的减小。

由此表明，装配有一个转矩控制系统就可以完全地消除低压压缩机的冲击风险，此低压压缩机不必求助于可变配置的定子和/或排放。

在另一方面，带有部分功率，转矩控制系统的存在使得低压涡轮转速降低。这说明了转矩控制系统不仅强制使得传递到接收器和低压压缩机之间的力矩保持一比率，还强制使得它们各自的转速保持一比率，从而当接收器的转速保持大致稳定时，低压压缩机转速的减小导致低压涡轮以更低的比率的转速的减小。当然，这使得降低后者的空气动力学的超速成为可能，并因此降低了同一低压涡轮的性能减退。

齿轮系统最好有一进口，最好是唯一的，整合在一低压涡轮轴上，还有第一、第二出口，第一出口整合在一低压压缩机轴上，第二出口整合在一接收器轴上。这样，接收器就单独地通过一齿轮系统被低压涡轮轴驱动，该齿轮系统作为减速齿轮的部分，并保持接收器的驱动转矩和低压压缩机的驱动转矩之间的恒定比率。因此必须理解，一单独的低压涡轮轴的功率是在接收器和该相同的低压压缩机之间共用的。

并且，该涡轮发动机还有一高压涡轮轴，与高压涡轮和高压压缩机整合在一起。

还应注意到，当低压压缩机单独地由低压涡轮的转矩控制系统驱动时，由低压压缩机转速导致的下降会有时过多，从而导致该低压压缩机性能减退。因此为避免这个问题，根据本发明的优选实施模式，涡轮发动机还有一置于高低压涡轮之间的中间涡轮，该中间涡轮用一中间涡轮轴整合连接在低压压缩机上。

在这样的配置下，低压压缩机不再只由低压涡轮驱动，还可由该中间涡轮驱动。因此，由于低压压缩机的全部驱动转矩只有部分同接收器吸收的力矩成比例，低压压缩机转速的下降要小于部分功率标示的，并且其性能被大致的优化。

控制系统最好在齿轮系统的入口处有一卫星托架，有多个卫星齿轮同连接到齿轮系统的第一出口的行星齿轮啮合在一起，以及有一连接到齿轮系统第二出口的冠形齿轮。

最后，接收器可以是下述一组元件中之一：可变螺距螺旋桨，可变螺距桨扇(超音速螺旋桨)，可变螺距反旋转螺旋桨，直升飞机螺旋桨，以及一交流发电机。当然，其它的接收器也可以使用，唯一的条件是它们必须可以控制，从而保证无论涡轮发动机产生何种功率，转速大致稳定。

本发明的其它的优点和特征将在下面的非限定性详细描述中显而易见。

附图说明

本说明结合附图进行，其中：

图1是根据本发明第一优选实施例的半固定涡轮式涡轮发动机的纵向半截面示意图；

图2是一纵向半截面图，示出了装配在图1中涡轮发动机上的一个齿轮系统；

图3是装配于图1中涡轮发动机上的齿轮系统的详细的纵向半截面图；以及

图4是根据本发明第二优选实施例的半固定涡轮式涡轮发动机的纵向半截面示意图。

优选实施例详述

图1是根据本发明优选第一实施例的半固定涡轮式涡轮发动机，特别是用于航空器的涡轮发动机。

在主气流动方向上向下游延伸并穿过与涡轮发动机1的主纵轴线3平行的参考箭头Eg所画出的气体，涡轮发动机1包括环形空气入口4、低压压缩机6、高压压缩机8、燃烧腔10、高压涡轮12、以及低压涡轮14。如图1中所示，涡轮发动机1驱动设置在空气入口4上游的接收器2，并进行控制从而保证无论涡轮发动机1需要何种功率，转速能大致稳定，接收器2最好是可变螺距螺旋桨型。

涡轮发动机1的高压外罩由高压压缩机8和高压涡轮12形成。这两个部件由高压涡轮轴16连接为一体。

另一方面，涡轮发动机1的低压外罩由低压压缩机6和低压涡轮14形成。在这方面，应该注意，低压涡轮14驱动低压压缩机6，并且通过低压涡轮轴18和齿轮系统20，联动驱动可变螺距螺旋桨2。

为此，低压涡轮轴18整合连接到齿轮系统20的入口E处，齿轮系统还有一与低压轴22相连接的第一入口S1和一与接收器轴24相连接的第二入口S2。

事实上，本发明的具体特征在于，齿轮系统20有一转矩控制系统26来保持接收器2的驱动转矩和低压压缩机6的驱动转矩间的恒定比率，前述接收器2和低压压缩机6均由齿轮系统20传动。

这样，在部分功率下，从而当螺旋桨2螺距减小时，转矩控制系统26就使得当保持螺旋桨2转速大致稳定时，低压压缩机6的转速大幅下降成为可能。这样，低压压缩机6的冲击风险的全部转移就可以观察到。

在图2中可以更清楚地看出，其示出了所用齿轮系统20的原理。齿轮系统包括整个转矩控制系统26，将在下文做详细描述。

转矩控制系统26配有一卫星托架28，该卫星托架以涡轮发动机1主纵轴线3为中心，并与齿轮系统20的入口E整合在一起，从而与低压涡轮轴18成为一体。卫星托架28有多个卫星齿轮30，每个卫星齿轮被装配为绕连接到卫星托架28上的轴32转动，每个轴32与主纵轴3平行设置。

卫星齿轮30同行星齿轮34啮合，该行星齿轮34以主纵轴线3为中心，并与齿轮系统20的第一出口S1整合，从而与低压压缩机轴22形成一体。此外，卫星齿轮30还同冠形齿轮36相啮合，该冠形齿轮也以主纵轴线3为中心，并与齿轮系统20的第二出口S2整合，从而与接收器轴24形成为一体。

需要说明的是，齿轮系统20的原理只作为示例给出，以便帮助理解转矩控制系统26的功能。然而，所采用的齿轮系统可以装配有一个或更多的与该控制系统26相联的齿轮减速器，这样，连接到入口E和出口S1及S2的不同部件的转速比就能轻松地保持。

在这方面，图3示出根据本发明的完全适于装配在涡轮发动机1上的齿轮系统120。

该齿轮系统120被装配成沿一转矩控制系统26的外摆线减速器138和行星减速器140的气流Eg主方向向下游延伸。

外摆线减速器138有一行星齿轮142，该行星齿轮以涡轮发动机1的主纵轴线3为中心，并与多个卫星齿轮144相啮合，此行星齿轮142还与入口E整合，从而与低压涡轮轴18形成为一体。此外，卫星齿轮144分别被装配在与主纵轴线3和外摆线减速器138的卫星托架148的一体部分相平行的轴146上。并且，这些卫星齿轮144与外摆线减速器138的冠形齿轮150啮合，该冠形齿轮与构架152形成一体，构架152作为行星减速器140的一个卫星托架部分，如图3中清晰所示。

外摆线减速器138的卫星托架148与转矩控制系统26的卫星托架28形成一体，并因此起到驱动后者的作用。应该注意，该齿轮系统120的转矩控制系统呈现出一种与上面所述的齿轮系统20的转矩控制系统大致相同的设计。在此方面，如前面提到的，卫星托架28有多个卫星齿轮30，每个卫星齿轮被装配为绕卫星托架28的一连接轴32转动。

卫星齿轮30同行星齿轮34啮合，该行星齿轮34以主纵轴线3为中心，并与第一出口S1整合，从而与低压压缩机轴22连为一体。此外，卫星齿轮30还同冠形齿轮36相啮合，该冠形齿轮也以主纵轴线3为中心，并与行星减速器140的行星齿轮154形成一体。

行星减速器140的行星齿轮154与多个能绕轴158转动的卫星齿轮156啮合，轴158是构成行星减速器140的卫星托架的构架152的一连体部分。最后，这些卫星齿轮156还同行星减速器140的一冠形齿轮160啮合，该冠形齿轮也以主纵轴线3为中心，并与齿轮系统20的第二出口S2整合，从而与接收器轴24形成为一体。

图4示出的是根据本发明第二优选实施例的半固定涡轮式涡轮发动机200，特别是用于航空器上的涡轮发动机。

涡轮发动机200，在气流Eg主方向上向下游延伸，包括环形空气入口4、低压压缩机6、高压压缩机8、燃烧腔10、高压涡轮12、中间涡轮262、和低压涡轮14。如图4中所示，涡轮发动机200驱动设置在空气入口4上游并受控制的接收器2，从而保证无论涡轮发动机200需要何种功率，转速能大致稳定，接收器2最好是可变螺距螺旋桨型。

并且，还是与前述相同的方式，涡轮发动机200有一齿轮系统120，该齿轮系统120装配有转矩控制系统26来保持接收器2的驱动转矩和低压压缩机6的驱动转矩间的恒定比率，前述接收器和低压压缩机均由齿轮系统120传动。

因此，根据第一优选实施例的涡轮发动机1和根据第二优选实施例的涡轮发动机200最主要的不同在于，后者中，中间涡轮262使用中间涡轮轴264参与低压压缩机6的驱动，该轴264也是与低压压缩机轴22形成为一体。

在这方面，这表示中间涡轮262被制成所需尺寸，从而仅提供部分由低压压缩机6吸收的功率，其它部分当然被低压涡轮14传递并通过转矩控制系统26传递。这样，由于低压压缩机6的全部驱动转矩只有部分与被螺旋桨2吸收的力矩成比例，低压压缩机6转速的减小以低速标示，其性能也这样大致优化。

当然，所提供的该涡轮发动机200及由参考标号120所示出的齿轮系统的原理可以同前面所述的涉及根据本发明第一优选实施模式的涡轮发动机1的齿轮系统120的原理相似，但当然其具有不同的比例。

当然，本领域技术人员可以对用于航空器的涡轮发动机1和200作出各种修正，这里只是将涡轮发动机1和200作为非限制性的例子进行阐述。

Claims (9)

1.航空器用半固定涡轮式涡轮发动机(1，200)，驱动受控的接收器(2)从而保持大致恒定的转速，所述涡轮发动机包括低压压缩机(6)、高压压缩机(8)、燃烧腔(10)、高压涡轮(12)、以及低压涡轮(14)，所述涡轮发动机通过齿轮系统(20，120)驱动所述接收器(2)和所述低压压缩机(6)，其特征在于，所述齿轮系统(20，120)具有转矩控制系统(26)来保持所述接收器(2)的驱动转矩和所述低压压缩机(6)的驱动转矩之间的恒定比率，所述接收器(2)和所述低压压缩机(6)均由所述齿轮系统(20，120)传动。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(1，200)，其特征在于所述齿轮系统(20，120)包括有入口(E)，所述入口(E)与低压涡轮轴(18)形成为一体，还包括有第一、第二出口(S1，S2)，所述第一出口(S1)与低压压缩机轴(22)形成为一体，所述第二出口(S2)与接收器轴(24)形成为一体。

3.根据权利要求2所述的涡轮发动机(1，200)，其特征在于还包括有高压涡轮轴(16)，与所述高压涡轮(12)和所述高压压缩机(8)形成为一体。

4.根据权利要求2或3所述的涡轮发动机(200)，其特征在于还包括有设置在所述高压涡轮(12)和所述低压涡轮(14)之间的中间涡轮(262)，并且所述中间涡轮(262)用中间涡轮轴(264)与所述低压压缩机(6)连接为一整体。

5.根据权利要求2至3中任一项所述的涡轮发动机(1，200)，其特征在于所述转矩控制系统(26)包括有卫星托架(28)，所述卫星托架与所述齿轮系统(20，120)的所述入口(E)相连接，并带有多个卫星齿轮(30)，所述卫星齿轮与行星齿轮(34)和冠形齿轮(36)相啮合，所述行星齿轮连接到所述齿轮系统(20，120)的所述第一出口(S1)上，所述冠形齿轮连接到所述齿轮系统(20，120)的所述第二出口(S2)上。

6.根据权利要求4所述的涡轮发动机(1，200)，其特征在于所述转矩控制系统(26)包括有卫星托架(28)，所述卫星托架与所述齿轮系统(20，120)的所述入口(E)相连接，并带有多个卫星齿轮(30)，所述卫星齿轮与行星齿轮(34)和冠形齿轮(36)相啮合，所述行星齿轮连接到所述齿轮系统(20，120)的所述第一出口(S1)上，所述冠形齿轮连接到所述齿轮系统(20，120)的所述第二出口(S2)上。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮发动机(1，200)，其特征在于所述接收器(2)是下述一组元件中之一：可变螺距螺旋桨、可变螺距桨扇、双叶反旋转螺旋桨、双叶反旋转可变螺距桨扇、直升飞机旋翼、以及交流发电机。

8.根据权利要求4所述的涡轮发动机(1，200)，其特征在于所述接收器(2)是下述一组元件中之一：可变螺距螺旋桨、可变螺距桨扇、双叶反旋转螺旋桨、双叶反旋转可变螺距桨扇、直升飞机旋翼、以及交流发电机。

9.根据权利要求5所述的涡轮发动机(1，200)，其特征在于所述接收器(2)是下述一组元件中之一：可变螺距螺旋桨、可变螺距桨扇、双叶反旋转螺旋桨、双叶反旋转可变螺距桨扇、直升飞机旋翼、以及交流发电机。

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