CN1952369A - 燃气涡轮发动机组及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

一种装配燃气涡轮发动机(10)的方法，包含如下步骤：将变速箱(100)与低压涡轮(14)相连接，该变速箱具有多个与中心齿轮(300)互相啮合的行星齿轮(302)，每个行星齿轮具有一个直径为第一直径(360)的第一齿轮部分(350)和一个直径为不同于上述第一直径的第二直径(362)的第二齿轮部分(352)。

Description

燃气涡轮发动机组及其装配方法
技术领域
本发明总的涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及燃气涡轮发动机组及其装配方法。
背景技术
至少一些公知的燃气涡轮发动机具有一个前风扇、一个核心发动机、和一个动力涡轮。上述的核心发动机具有至少一个压气机、一个燃烧室、一个高压涡轮、和一个按顺流关系连接在一起的低压涡轮。更具体地说，上述压气机和高压涡轮通过一根轴相连接组成一个高压转子组。进入核心发动机的空气与燃料相混合并且燃烧而形成高能气流，该高能气流流过上述高压涡轮并使之转动，从而使上述的轴又带动上述压气机转动。
当燃气流流过设置在上述高压涡轮后面的低压涡轮时便发生膨胀。上述低压涡轮具有一个包含连接在传动轴上的风扇的转子组件，该低压涡轮通过传动轴带动上述风扇转动。为了有利于提高发动机的效率，至少一种现有的燃气涡轮发动机设置有与反转式风扇和增压压气机相连接的反转式低压涡轮。
为了支承上述的反转式低压涡轮，要在燃气涡轮发动机内安装外转子、旋转架、中涡轮框架和两个同心轴。安装上述的零部件也可将第一风扇组件与第一涡轮相连接，并将第二风扇组件与第二涡轮相连接，以便使第一风扇组件和第二风扇组件分别沿着与第一涡轮和第二涡轮相同的转动方向转动。因此就增加了这类发动机的总重量、设计复杂性和/或制造成本。
本发明概述
本发明的一方面，提出一种装配燃气涡轮发动机的方法，该方法包含如下步骤：将变速箱与低压涡轮相连接，所述的变速箱具有多个与中心齿轮互相啮合的行星齿轮，每个行星齿轮包含一个具有第一直径的第一齿轮部分和一个具有不同于第一直径的第二直径的第二齿轮部分。
本发明的另一方面，提出一种反转式风扇组件，该风扇组件具有一个包含一个与低压涡轮相连接的中心齿轮和多个与该中心齿轮互相啮合的行星齿轮的变速箱，每个行星齿轮含有一个具有第一直径的第一齿轮部分和一个具有不同于上述第一直径的第二直径的第二齿轮部分。
本发明的再一方面，提出一种涡轮发动机组，该发动机组具有一个核心涡轮发动机、一个与该核心涡轮发动机相连接的低压涡轮、一个与该低压涡轮相连接的变速箱、和一个与该变速箱相连接的反转式风扇组件。上述的变速箱具有一个中心齿轮和多个与该中心齿轮相啮合的行星齿轮，每个行星齿轮含有一个具有第一直径的第一齿轮部分和一个具有不同于第一直径的第二直径的第二齿轮部分。
附图简要说明
图1是一种示例性涡轮发动机组的一部分的剖视图；
图2是图1所示的反转式风扇组件的一部分的放大剖视图；
图3是图2所示的变速箱的端视图；
图4是图3所示的变速箱的一部分的侧视图；
图5是示例性涡轮发动机组的一部分的剖视图；
图6是图5所示的变速箱的端视图；和
图7是图5所示的变速箱的一部分的侧视图。
本发明的详细说明
图1是一种示例性燃气涡轮发动机组10的一部分的剖视图，其纵轴线以标号11表示。在该示例性实施例中，涡轮发动机组10具有一个主要由一个框架13所界定的核心燃气涡轮发动机12，在该核心涡轮发动机12的后面沿轴向连接一个低压涡轮14，而在该核心涡轮发动机12的前面沿轴向连接一个反转式风扇组件16。
上述的核心燃气涡轮发动机12具有一个构成核心发动机环形进气口22的外壳体20，该外壳体20包围着一个低压增压压气机24，以便将进入的空气的压力提高到第一压力级。在一个实施例中，上述的核心燃气涡轮发动机12是美国通用电器(GE)飞机发动公司(俄亥俄州、辛辛那提市)出售的CFM56型燃气涡轮发动机。
多级的轴流式高压压气机26接纳来自增压压气机24的压缩空气，并进一步将该空气的压力提高到较高的第一压力级。该高压空气流至燃烧室28，并与燃料相混合。该燃料-空气混合物燃烧后便提高了压缩空气的温度和能量级。该高能燃烧产物流至第一涡轮或者说高压涡轮30，以通过第一传动轴32带动高压压气机26转动，然后流至第二涡轮或者说低压涡轮14，以便通过与第一传动轴32同轴连接的第二传动轴34带动反转式风扇组件16和增压压气机24。上述燃烧产物在驱动低压涡轮14之后便通过排气喷口36排到涡轮发动机组之外而产生推进的喷射推力。
上述的反转式风扇组件16具有可绕纵轴线11转动的一个第一风扇组件或者说前风扇组件50和一个第二风扇组件或者说后风扇组件52。这里所述的“前风扇”和“后风扇”意指风扇组件30沿轴向连接在风扇组件52的上游。在一个实施例中，风扇组件50和52设置在核心燃气涡轮发动机12的前端，如图1～3所示。在一个替换实施例中，风扇组件50和52设置在核心燃气涡轮发动机12的后端。风扇组件50和52分别具有至少一排转子叶片，并安置在一个机舱64内。上述转子叶片60安装在转盘66上，而转子叶片62安装在转盘68上。
在一个实施例中，上述增压压气机24安置在后风扇组件52的后面，并具有多排安装在各自的转盘72上的转子叶片70。虽然在图中只示出有3排转子叶片70，但是，增压压气机24也可具有任何合适数目和/或排数的转子叶片70，诸如单排转子叶片70，或多排与多排导向叶片76相互交叉的转子叶片70。在一个实施例中，进口导向叶片76固定连接在增压机壳78上。在一个替换实施例中，转子叶片70可转动地安装在转盘72上，使进口导向叶片76在发动机工作过程中可以移动以便调节通过增加压气机24的空气量。在另一个替换实施例中，燃气涡轮发动机组10不设置增压压气机24。
如图1所示，低压涡轮14通过传动轴34与前风扇组件50相连接，使该前风扇组件50沿第一转动方向80转动。后风扇组件52和增压压气机24通过变速箱100与传动轴34相连接，因此也与低压涡轮14相连接，使上述后风扇组件52和增压压气机24都沿相反的第二方向82转动。
图2简单示出图1所示的反转式风扇组件16的一部分。在一个实施例中，上述第一风扇组件50具有一个围绕纵轴线11设置的圆锥体84，该圆锥体84的第一端或者说前端86与转盘66相连接，其第二端或者说后端88与传动轴34相连接，如图2所示。上述第二风扇组件52具有一个沿纵轴线11围绕圆锥体80的至少一部分同轴地设置的圆锥体90，该圆锥体90的第一端或者说前端92与转盘68相连接，其第二端或者说后端94与变速箱100的输出端106相连接。
在一个实施例中，反转式风扇组件16还具有一个连接在后风扇组件52与传动轴34之间的变速箱100，以便使后风扇组件52和增压压气机24沿着与前风扇组件50转动的方向80相反的转动方向82转动。上述变速箱100大致为环形，并环绕传动轴34安装以便可大致围绕传动轴34延伸。
在一个实施例中，变速箱100的速比大约为2∶1，使前风扇组件50的转动速度大致两倍于后风扇组件52和/或增压压气机24的转动速度。在另一个实施例中，前风扇组件50的转动速度比后风扇组件52快约0.67～2.1倍。在这个实施例中，前风扇组件50的转动速度可大于、等于或小于后风扇组件52的转动速度。
在一个实施例中，围绕传动轴34和/或纵轴线11设置一个第一轴承组件例如止推轴承110，(见图1～2)。该止推轴承110工作连接在并且/或者安装在传动轴34与核心涡轮发动机12的框架13之间。再看图2，在一个实施例中，止推轴承110具有一个相对于传动轴34安装的沿径向设置的内座圈111。如图3所示，该内座圈111安装在一个与传动轴34工作连接的传动轴延伸段112上，使座圈111可随传动轴34围绕纵轴线11转动。在一个实施例中，上述的传动轴延伸段112键接在传动轴34上。内座圈111的表面113形成止推轴承组件110的内槽114，该表面113大致为弓形。
止推轴承组件110具有一个固定在框架13上的径向在外座圈116，在一个实施例中，该外座圈116和/或框架13相当于用来传递由反转式风扇组件16和/或增压压气机24产生和发展的推进载荷和/或推进力的基座，这一点在下面更详细说明。外座圈116的一个表面117大致与表面113相对，形成止推轴阴组件110的外槽118，该表面117大致为弓形。至少一个滚柱件，诸如多个滚柱119，活动地置于内、外座圈111和116之间，每个滚柱件119与内槽114和外槽118滚动接触，以使传动轴34相相对于变速箱100自由转动。
围绕纵轴线11沿径向设置一个第二轴承组件例如滚柱轴承组件120。在一个实施例中，该滚柱轴承组件120工作连接在并且/或者安装在第一风扇组件50的前端部分(例如圆锥体84的前端86上或其附近)与第二风扇组件52的前端部分(例如圆锥体90的前端92上或其附近)之间。在一个实施例中，滚动轴承组件120具有一个相对于圆锥体84的外表面安装的径向在内座圈122，如图2所示，该内座圈122安装在圆锥体84上，故内座圈122随第一风扇组件50围绕纵轴线11转动。内座圈122的一个表面123形成上述滚柱轴承组件110的内槽124，所述的表面123大致为弓形。
上述滚柱轴承组件120具有一个相对于圆锥体90内表面设置的径向在外座圈126。如图2所示上述外座圈126安装在圆锥体90上，故它随第二风扇组件52围绕纵轴线11转动。外座圈126的一个表面127与上述的表面123相对，该表面127大致为弓形，形成滚柱轴承组件120的外槽128。在内座圈122与外座圈126之间活动地设置至少一个滚柱件，诸如多个滚柱129，每个滚柱件129与内槽124和外槽128滚动接触。以利于第一风扇组件50和/或第二风扇组件52的相对转动。
在一个实施例中，上述轴承组件110和/或120有利于在一个相对固定的轴向位置上支持前风扇组件50和/或后风扇组件52。在反转式风扇组件16工作过程中，由前风扇组件50产生的推进载荷和/或推进力被直接传递到第一轴承组件110，而且，在工作过程中由后风扇组件52和增压压气机24产生的推进载荷和/或推进力被传递到第二轴承组件120，并从该第二轴承组件120通过传动轴34传递到第一轴承组件110。由于上述的推进载荷和/或推进力传递给了止推轴承组件110和/或滚柱轴承组件120，故可阻止或限制通过与第二风扇组件52工作连接的变速箱100来传递推进载荷和/或推进力。在替换实施例中，可将熟悉本技术的人们所知的并且符合本发明原理所指引的任何合适的轴承组件用作轴承组件110和/或轴承组件120，或者，除了上述的轴承组件110和/或120之外，还可用本专业人士熟悉的并且符合本发明原理的任何合适的轴承组件。
在一个实施例中，如图2所示，围绕圆锥体90的外表面在其前端92或接近其前端92设置一个轴承组件例如止推轴承组件130，该轴承组件130连接在框架13与前端92之间。在一个实施例中，止推轴承组件130相当于一个与滚柱轴承120相组合的差动轴承组件，以支承第二风扇组件52，并且/或者将第二风扇组件52产生的推进栽荷和/或推进力传递给框架13。在一个实施例中，止推轴承组件130具有一个相对于圆锥体90安装的内座圈132(见图2)，该内座圈132安装在圆锥体90的前端92，故它可随第二风扇组件52围绕纵轴线11转动。内座圈132的一个表面130构成止推轴承组件130的内槽134。
上述止推轴承130具有一个固定连接在框架13上的外座圈136。在一个实施例中，该外座圈136相对于结构支承件15和/或框架13固定连接。所述的结构支承件15和/或框架13相当于一个用于传递由反转式风扇组件16和/或增压压力机24产生或发展的推进载荷和/或推进力的基座。外座圈136的一个表面137大致与上述的表面133相对，形成止推轴承组件130的外槽138。在上述内座圈132与外座圈136之间活动地安置至少一个滚柱件例如多个滚柱139，每个滚柱139与内槽134和外槽138滚动接触。
在一个实施例中，围绕圆锥体90的外表面在其后端94或接近后端94设置一个轴承组件例如滚柱轴承组件140(见图2)。该滚柱轴承140连接在结构支承件15与圆锥体90之间，它具有一个安装在圆锥体90上的内座圈142，该内座圈142可随第二风扇组件52围绕纵轴线11转动。如图2所示，滚柱轴承组件140具有一个相对于结构支承件15的后端安装的外座圈146，在上述的内座圈142与外座圈146之间活动地安置至少一个滚柱件，诸如多个滚柱149。
在该实施例中，止推轴承组件130和滚柱轴承140方便于对后风扇组件52提供转动支承，从而使后风扇组件52可相对于前风扇组件50自由地转动。因此，轴承组件130和140有利于在反转式风扇组件16内的一个相对固定的径向位置上支持后风扇组件52。在替换实施例中，可将本专业人员所熟知的并且符合本发明原理的任何合适的轴承组件用作轴承组件130和/或140。或者，除了上述的轴承组件130和/或140之外，还可以用本专业人士熟知的并且符合本发明原理的任何合适的轴承组件。
在一个实施例中，围绕上述结构支承件15的外表面设置一个轴承组件例如止推轴承组件150(见图2)。在一个实施例中，该止推轴承组件150相当于一个与滚柱轴承组件152相组合的差动轴承组件，用以支承增压压气机24，并且/或者将增压压气机24产生的推进载荷和/或推进力传递给框架13。在一个实施例中，止推轴承组件150具有一个相对于结构支承件15安装的内座圈153、一个安装在增压压气机盘72的前端的外座圈154、和多个安置在该内座圈153与外座圈154之间的滚柱件155，如图所示。
上述的滚柱轴承152具有一个相对于框架13安装的内座圈156、一个安装在增压压气机盘72的后端上的外座圈157和多个安置在内座圈156与外座圈157之间的滚柱件158。
在该实施例中，轴承组件150和152方便于对增压压气机24提供转动支承，从而使增压压气机24可相对于前风扇组件50和后风扇组件52自由地转动，因此，轴承组件150和152有利于在反转式风扇组件16内的相对固定的径向位置上支持增压压气机24。在替换实施例中，可将本专业人士所知的并且符合本发明原理的任何合适的轴承组件用作轴承组件150和/或152，或者，除了上述的轴承组件150和/或152之外，还可采用本专业人员所知的并且符合本发明原理的任何合适的轴承组件。
图3是图2所示的变速箱100的端视图。图4是图3所示的变速箱100的一部分的侧视图。如上所示，变速箱100安装在燃气涡轮发动机10的固定部件或者说静止的部件例如核心涡轮发动机12的框架13上(见图2)。在该示例性实施例中，上述变速箱100具有至少一个与输入端104相连接的第一齿轮或者说中心齿轮300、和多个分别与中心齿轮300转动连接的第二齿轮或者说行星齿轮302。具体地说，变速箱100具有一个中心齿轮300和一组相配合以产生差动速度的行星齿轮302。因此，中心齿轮300通过输入端104直接与传动轴34相连接，而行星齿轮302则与中心齿轮300互相啮合，以便通过输出端106带动后风扇组件52和增压压气机24。
更具体地说，上述变速箱100具有一个可支承中心齿轮300和行星齿轮302的也称为大猩猩笼(gorilla cage)的整体支承构件。在该示例性实施例中，每个行星齿轮302用紧固件304(例如螺栓)与上述支承构件相连接，所述的紧固件304方便于将行星齿轮302固定在支承构件内。而且，每个行星齿轮具有各自的轴承组件306，使行星齿轮302可相对于中心齿轮300自由地转动。
在该示例性实施例中，中心齿轮300具有直径340，每个星形齿轮302包含一个具有第一直径360的第一齿轮部分350和一个具有第二直径362的第二齿轮部分352。上述的第二直径362大于上述的第一直径360，并且连接在第一齿轮部分350后面。在该示例性实施例中，上述的第一和第二齿轮部分350和360组合在一起而使每个行星齿轮302成为一个整体构件。上述第一和第二齿轮部分350和352也可以单独制成，然后用一种紧固件(未示出)连接在一起。
在该示例性实施例中，根据所需要的第二风扇组件52和增压压气机24的转动速度选择中心齿轮直径340、第一齿轮部分直径360和第二齿轮部分直径362。例如，在一个实施例中(见图4)，中心齿轮300与第一齿轮部分350相啮合或者传动连接，由于第一齿轮部分350的直径360小于第二齿轮部分352的直径362，故后风扇组件52和增压气机24两者的转动速度将被设定在第一转动速度。
可以选择地，如图5、6和7所示，中心齿轮300与第二齿轮部分350啮合或驱动连接。由于第二齿轮部分352的直径362小于第一齿轮部350的直径360，故后风扇组件52和增压压气机24两者的转速将被设定在该第一转动速度。因此，在装配时可以改变中心齿轮300、第一齿轮部分350和第二齿轮部分352各自的尺寸和/或直径，以便按所需的转动速度驱动后风扇组件52和增压压气机24。由于后风扇组件52与第一齿轮部分350转动连接，增压压气机24与第二齿轮部分352转动连接，而它们分别具有不同的直径，所以后风扇组件52和增压压气机24的转动速度是不同的，并且可通过改变转动速度进一步获得最佳的燃气涡轮发动机组总压缩比。
本文所述的燃气涡轮发动机组包含一个具有一个齿轮传动的单转(SR)式低压涡轮的反转式(CR)风扇组件。该发动机组有利于减少至少一些与公知的反转式低压涡轮相关的复杂性。更具体地说，本文所述的燃气涡轮发动机组具有一个通过一个双输出端变速箱的第一输出端与单转式低压涡轮转动连接的前风扇组件和一个由上述低压涡轮通过双输出端变速箱分别驱动的后风扇和增压组件。而且，上述变速箱具有多个行星齿轮，每个行星齿轮具有一个驱动后风扇组件的第一齿轮部分和一个直径不同的第二齿轮部分，该第二齿轮部分驱动增压压气机以不同于前风扇组件的速度或不同于后风扇组件的速度转动。因此，所述的燃气涡轮发动机组的结构可将低压涡轮所产生的大约40％的功率通过上述变速箱传输给后风扇组件，以便减少齿轮损耗。因此，在变速箱失效的情况下，也就是在后风扇组件停止转动的情况下，前风扇组件仍将继续工作，因为它是由低压涡轮直接驱动的。
因此，本发明的燃气涡轮发动机组有利于提高风扇效率、降低风扇翼梢速度、和/或减少噪音。另外，由于所述的燃气涡轮发动机组不设置反转式低压涡轮来驱动反转式风扇组件，故可省去一些零部分例如(但不限于)外转子、后旋转架、第二低压涡轮轴、和低压涡轮转动外密封件，这就可减轻燃气涡轮发动机的总重量。此外，在某些燃气涡轮发动机的用途中，可应用本发明的方法和装置省去中涡轮框架。
上述已详细说明了具有与风扇组件相连接的变速箱的燃气涡轮发动机组的示例性实施例。所述的零部件并不仅限于所述的具体实施例，而是可将各部件的零部件独立地并且与所述的其他零部件分开地应用。所述的变速箱也可以与其他公知的具有前、后风扇组件的燃气涡轮发动机结合应用之。
虽然上面按照各种具体实施例说明了本发明，但是，熟悉本技术的人们将会认识到，本发明可以按符合下述权利要求书的精神和范围的改型加以实施。
图文中标号及名称一览表
  1011121314151620222426283032343650526062   涡轮发动机组纵轴线核心燃气涡轮发动机框架低压涡轮结构支承件反转式风扇组件外壳体发动机进气口增压压气机高压传动压气机燃烧室高压涡轮第一传动轴第二传动轴排气喷口第一风扇组件第二风扇组件转子叶片转子叶片  646668707276788082848688909294100104105106   机舱转盘转盘转子叶片转盘导向叶片增压机壳第一转动方向第二转动方向圆锥体第一端或者说前端第二端或者说前端圆锥体第一端或者说前端第二端或者说前端变速箱输入端第一输出端第二输出端
  110111112113114116117118119120122123124126127128129130132133   止推轴承组件内座圈轴承支承构件表面内槽外座圈表面外槽多个滚柱滚柱轴承组件内座圈表面内槽外座圈表面外槽多个滚柱止推轴承组件内座圈表面  134136137138139140142143144146147148149150152153154155156   内槽外座圈表面外槽多个滚柱滚柱轴承内座圈表面内槽外座圈表面外槽多个滚柱止推轴承组件滚柱轴承组件内座圈外座圈滚柱件内座圈
  157158300302304306340350352360362     外座圈滚柱件中心齿轮一组行星齿轮紧固件轴承组件中心齿轮直径第一齿轮部分第二齿轮部分第一齿轮部分直径第二齿轮部分直径

Claims (10)

1.一种反转式风扇组件(16)，具有：
一个具有与低压涡轮(14)相连接的中心齿轮(300)的变速箱(100)；和
多个与上述中心齿轮互相啮合的行星齿轮(302)，每个上述行星齿轮包括一个具有第一直径(340)的第一齿轮部分(350)和一个具有不同于上述第一直径的第二直径(360)的第二齿轮部分(352)。
2.根据权利要求1的反转式风扇组件(16)，其特征在于，还具有：
一个与上述低压涡轮(14)相连接的第一风扇组件(50)；
一个与上述的第一齿轮部分(350)相连接的第二风扇组件(52)；和
一个与上述的第二齿轮部分(352)相连接的增压压气机(24)。
3.根据权利要求2的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述第一风扇部件(50)以不同于上述第二风扇组件(52)和上述增压压气机(24)的转动速度转动。
4.根据权利要求2的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述第一齿轮部分(350)的直径(340)小于上述第二齿轮部分(352)的直径，就使上述第二风扇组件(52)以第一转动速度转动，而上述增压压气机(24)以小于上述第一转动速度的转动速度转动。
5.根据权利要求2的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述中心齿轮(300)的直径(340)根据第一风扇组件(50)、第二风扇组件(52)和增压压气机(24)中的至少一个的转动速度来选择。
6.根据权利要求1的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述的中心齿轮(300)只与上述的第一齿轮部分(350)互相啮合。
7.根据权利要求1的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述的中心齿轮(300)只与上述的第二齿轮部分(352)互相啮合。
8.一种涡轮发动机组(10)，具有：
一个核心涡轮发动机(12)；
一个与上述核心涡轮发动机相连接的低压涡轮(14)；
一个与上述低压涡轮相连接的变速箱(100)，该变速箱具有一个中心齿轮(300)和多个与该中心齿轮互相啮合的行星齿轮(302)，每个行星齿轮包括一个具有第一直径(340)的第一齿轮部分(350)和一个具有不同于上述第一直径的第二直径(360)的第二齿轮部分(352)；和
一个与上述变速箱相连接的反转式风扇组件(16)。
9.根据权利要求8的涡轮发动机组(10)，其特征在于，还具有：
一个与上述低压涡轮(14)相连接的第一风扇组件(50)；
一个与上述的第一齿轮部分(350)相连接的第二风扇组件(52)；和
一个与上述的第二齿轮部分(352)相连接的增压压气机(24)。
10.根据权利要求9的涡轮发动机组(10)，其特征在于，上述第一风扇组件(50)以不同于上述第二风扇组件(52)和上述增压压气(24)的转动速度转动。
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