CN1952372B - 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：将低压涡轮(14)与核心涡轮发动机(12)相连接；将变速箱(100)与上述低压涡轮相连接；将第一风扇组件(50)与上述变速箱相连接，使该第一风扇组件沿第一转动方向(80)转动；和将机械保险器(200)连接在上述第一风扇组件与上述低压涡轮之间，使该机械保险器可在预定的转矩载荷下失效。

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，更具体地说，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。所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，上述的压气机和高压涡轮通过一根轴连接而成一个高压转子组件。进入核心发动机的空气与燃料相混合并燃烧而成为高能燃气流，该燃气流流过高压涡轮，使之转动，致使上述的轴又带动压气机转动。
当上述燃气流流过低压涡轮时便发生膨胀，上述的低压涡轮通过一根低压轴带动风扇转动，从而由风扇、低压轴和低压涡轮组成一个低压转子组。为了有利于提高发动机效率，至少一种公知的燃气涡轮发动机具有一个与反转风扇和/或反转式增压压气机相连接的反转式低压涡轮。
为了装配成一种具有反转式低压涡轮的燃气涡轮发动机，要将一个外转子、一个旋转架、一个中涡轮框架和两根同心轴安装在燃气涡轮发动机内以便支承反转式涡轮。安装上述的零件也使第一风扇组件与第一涡轮相连接，并使第二风扇组件与第二涡轮相连接，以便使第一和第二风扇组件分别沿着与第一和第二涡轮相同的转动方向转动。这样就增加了这种发动机的总重量、设计复杂性和/或制造成本。为了便利于支承风扇组件，要将至少一个风扇组件安装在多个轴承组件上。在发动机工作过程中，风扇叶片损坏的碎片可能脱离叶片本体，从而在损坏的风扇内产生严重的转动不平衡负荷。这种负荷主要由风扇轴承、风扇轴承支承件和风扇支架来承受。
为了最大限度地减小风扇叶片可能损坏所造成的反常的不平衡负荷的影响，现有的发动机往往装有多个支承风扇支承系统的零部件，而且这些零部件的尺寸要使风扇支承系统具有额外的强度。但是，提高支承部件的强度也会增加发动机的总重量，并且降低了发动机在没有明显的转动不平衡的状态下工作时的总效率。
本发明概述
本发明的一方面，提供一种装配涡轮发动机的方法。该方法包含如下步骤：将低压涡轮与核心发动机相连接；将变速箱与上述低压涡轮相连接；将第一风扇组件与上述变速箱相连接，从而使第一风扇组件沿第一方向转动；和在第一风扇组件与低压涡轮之间连接一个机械保险器，使该机械保险器可在预定的转矩负荷下失效。
本发明的另一方面，提供一种反转式风扇组件，该反转式风扇组件具有：一个与低压涡轮相连接的变速箱；一个与该变速箱相连接的第一风扇组件，该第一风扇组件具有一个转盘和多个安装在该转盘上并可沿第一转动方向转动的转子叶片；和一个连接在上述第一风扇组件与低压涡轮之间的机械保险器，该机械保险器可在预定的转矩负荷下会失效。
本发明的再一方面，提供一种涡轮发动机组，该涡轮发动机组具有：一个核心发动机；一个与该核心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；一个与该变速箱相连接的第一风扇组件，该第一风扇组件具有一个转盘和多个安装在该转盘上并可沿第一转动方向转动的转子叶片；和一个安装在第一风扇组件与低压涡轮之间的机械保险器，该机械保险器在预定的转矩负荷下会失效。
附图简单说明
图1是一种示例性涡轮发动机组的局部剖视图；
图2是图1中的反转式风扇组件的局部放大剖视图；
图3是图2所示的具有机械保险器的反转式风扇组件的局部放大剖视图；
图4是图2所示的具有另一种机械保险器的反转式风扇组件的局部放大剖视图。
本发明的详细说明
图1是一种示例性涡轮发动机组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：一个核心燃气涡轮发动机12、一个沿轴向连接在上述核心燃气涡轮发动机12的后面的低压涡轮14、一个沿轴向连接在上述核心燃气涡轮发动机12的前面的反转式风扇组件16。
核心燃气涡轮发动机12具有一个形成核心发动机环形进气入口22的外壳体20，该外壳体20包围着低压增压压气机24，以便将进入的空气的压力增大到第一压力级。在一个实施例中，上述的燃气涡轮发动机12是美国通用电气(GE)飞机发动机公司(俄亥俄州，辛辛那提市)出售的CFM56型燃气涡轮核心发动机。
多级的轴流式高压压气机26接受来自增压压气机24的压缩空气，并将该压缩空气的压力进一步增大到较高的第二压力级。该高压空气被导引至燃烧室28并与燃料混合。这种空气-燃料混合物燃烧后就提高了上述压缩空气的温度和能量水平。这种高能的燃烧产物流至通过第一传动轴32来带动压气机36转动的高压涡轮或者第一涡轮30，然后流至低压涡轮或者第二涡轮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转动。上述燃烧产物在驱动低压涡轮之后便通过排气喷口36排出到涡轮发动机组10之外，而产生推进的喷射推力。
反转式风扇组件16具有环绕纵向中心轴线设置的一个前风扇组件50和一个后风扇组件52。这里所说的“前风扇”和“后风扇”意指风扇组件50沿轴向连接在风扇组件52的上游。在该示例性实施例中，风扇组件50和52如图1所示设置在核心燃气涡轮发动机12的前端。而在一个替换的实施例中，风扇组件50和52分别设置在核心燃气涡轮发动机的后端。风扇组件50和52分别具有至少一排转子叶片60和62，并且分别安置在机舱64内。转子叶片60和62安装在各自的转盘66和68上。
在该示例性实施例中，增压压气机24具有多排与各自转盘72相连接的转于叶片70。在该示例性实施例中，增压压气机24安置在入口导向叶片组件74之后面，并与后风扇组件52相连接，所以增压压气机24以大致等于后风扇组件52的转速的转动速度转动。虽然图1示出增压压气机24具有3排转子叶片70，但是应当认识到，增压压气机也可只具有单排转子叶片70，或者具有与多排导向叶片76叉指式组合的多排转子叶片70。在一个实施例中，入口导向叶片74固定连接在增压机壳78上。在另一个实施例中，转子叶片70与转盘72可转动地相连接，致使入口导向叶片74在发动机工作过程中可移动，以便于改变流过增压压气机24的空气量。在一个替换实施例中，涡轮发动机组10不设置增压压气机24。
在该示例性实施例中，低压涡轮14通过轴34与前风扇组件50相连接，致使低压涡轮14和前风扇组件50沿第一转动方向80转动，后风扇组件52与低压涡轮14相连接，使后风扇组件52沿相反的第二方向82转动。
图2简单示出图1中所示的反转式风扇组件16的一部分。图3简单示出图2所示的具有典型的机械保险器200的反转式风扇组件16的一部分。在该示例性实施例中，反转式风扇组件16的还具有一个变速箱100，该变速箱100安置在后风扇组件52与第二传动轴34之间，以使后风扇组件52沿与前风扇组件50相反的第二方向82转动。
在一个实施例中，变速箱100具有大约为2∶1的速比，这就使前风扇组件50以大约两倍于后风扇组件52的转速转动，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0.9～1.2倍。在再一个实施例中，前风扇组件50的转动速度比后风扇组件快约1.5倍。在又一个实施例中，前风扇组件50的转动速度大约为0.67倍于后风扇组件52的转动速度。因此，在该示例性实施例中，前风扇组件50的转动速度比后风扇组件52快。在一个替换实施例中，前风扇组件50的转动速度比后风扇组件52慢些。在典型实施例中，变速箱100是一种星形齿轮变速箱，它大致沿径向外切于轴34，并且具有一个支承结构102、至少一个安装在该支承结构102内的齿轮103、一个输入端104和一个输出端106。
在该示例性实施例中，涡轮发动机组10还具有一个第一风扇轴承组件110、一个第二风扇轴承组件120、一个第三风扇轴承组件130和一个第四风扇轴承组件140。第一风扇轴承组件110具有一个轴承座圈112和一个安置在该轴承座圈112内的滚动件114。第二风扇轴承组件120包含一个轴承座圈122和一个安置在该轴承座圈122内的滚动件124。在该示例性实施例中，风扇轴承组件110和120分别是方便于在较固定的轴向位置上分别支持前风扇组件50和后风扇组件52的止推轴承。第三风扇轴承组件130含有一个轴承座圈132和一个安置在该轴承座圈132内的滚动件134。第四风扇轴承组件140含有一个轴承座圈142和一个安置在该轴承座圈142内的滚动件144。在该示例性实施例中，风扇轴承组件130和140分别是可对后风扇组件52提供转动支承的滚柱轴承，所以后风扇组件52可相对于前风扇组件50自由地转动。这样，风扇轴承组件130和140方便于在反转式风扇组件16内的一个较固定的径向位置上支持后风扇组件52。
在该示例性实施例中，变速箱支承结构102与一个固定的部件相连接。更具体地说，在该示例性实施例中，风扇轴承组件120含有一个转动的内座圈126和一个固定的外座圈128，致使上述的滚动件124分别安置在座圈126与128之间。更具体地说，在该示例性实施例中，变速箱的输入端104通过一个与传动轴34键接的传动轴延伸段136与第二传动轴34转动地连接，而变速箱的输出端106则通过输出构件138与后风扇组件52转动连接。更具体地说，输出构件138的第一端与变速箱输出端106相键合，其第二端则与传动轴168相连接，以便带动后风扇组件52。上述的外座圈128方便于在涡轮发动机组10内的基本固定的位置上支持变速箱组件100。
涡轮发动机组12还具有至少一个连接在传动轴34与变速箱输入端104之间的机械保险器200。更具体地说，在该示例性实施例中，传动轴延伸段136具有第一部分210和第二部分212，第一部分210通过例如多个花键214与传动轴34相连接，第二部分212通过例如多个花键216与变速箱输入端104相连接，第一部分210通过例如多个花键218与第二部分212相连接。因此，上述机械保险器200连接在第一与第二部分210和212之间，从而使传动轴34与变速箱输入端104相连接。
在该示例性实施例中，机械保险器200大致为盘状，并具有一个通过花键216与输入端104相连接的径向在内部分230和一个通过花键218与第一部分210相连接的径向在外部分232，而且，保险器200靠近上述径向在内部分230处的厚度为第一厚度240，而靠近径向在外部分230处的厚度为第二厚度242，该第二厚度242小于第一厚度240。更具体地说，在该示例性实施例中，盘或者说保险器200的厚度从径向在内部分230向径向在外部分232逐渐减小。在该示例性实施例中，所选定的第二厚度242会使第一部分230在保险器200经受到低压涡轮传动轴上的总扭矩载荷的大约45％～55％的载荷和/或转矩时与第二部分232分离，也就是说保险器200会断裂。
图4简单示出图2所示的具有示例性机械保险器300的反转式风扇组件16的一部分。燃气涡轮发动机组10还具有至少一个连接在传动轴34与变速箱输入端104之间的机械保险器300。更具体地说，在该示例性实施例中，传动轴延伸段136具有一个第一部分210和一个第二部分212，上述第一部分210通过例如多个花键214与传动轴34相连接，上述第二部分212通过例如多个花键216与变速箱输入端104相连接，第一部分210与第二部分212之间至少连接一个机械保险器300。所以机械保险器300用来将第一部分210与第二部分212连接在一起，从而使传动轴34与变速箱输入端104相连接。在该示例性实施例中，采用多个保险器300将第一部分210和第二部分212连接在一起。
发动机工作过程中，当第二传动轴34转动时，就会使变速箱输入端104转动，这就使变速箱输出端106也跟着转动。由于轴承外座圈128与后风扇组件52相连接，所以第二传动轴34会通过变速箱100使后风扇组件52沿着与前风扇组件50相反的第二方向82转动。在该示例性实施例中，变速箱100安置在后风扇传动轴68与用来支承后风扇组件52的结构支承件162之间形成的油箱160内。在工作过程中，变速箱100至少部分地浸没在油箱160盛装的润滑流体内，这样就有利于变速箱100在发动机工作过程中持续地得到润滑。
另外，在发动机组10工作过程中，发动机的不稳定可能造成后风扇52受到高的径向力(如图1所示)，为了补偿较高的径向应力并保证发动机继续工作，机械保险器200和/或300将会断裂，使前风扇组件50继续工作。
本文所述的燃气涡轮发动机组具有一个包含一个齿轮传动的单转(SR)式低压涡轮的反转(CR)式风扇组件。该发动机组有利于减小至少一些与现有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与单转式低压涡轮转动连接的前风扇组件和一个通过变速箱与上述低压涡轮转动连接在一起并由其带动的后风扇组件和增压压气机。后风扇组件和增压压气机以相同的速度转动，在典型的实施例中，它们的转速大约为前风扇的转速的一半。另外，本文所述的燃气涡轮发动机组可以使低压涡轮产生的功率的大约40％通过变速箱传递给后风扇组件以便减少齿轮的损耗。
另外，本文所述的燃气涡轮发动机组具有一种由圆形花键与臂杆构成的并且连接在后风扇组件与低压涡轮传动轴之间的机械保险器，有利于保护传动轴以防齿轮锁住。更具体地说，所述的机械保险器将会在发生变速箱卡住而低压涡轮(LDT)转矩全部传输给变速箱的不大可能的情况下断裂。由于变速箱驱动后风扇组件和增压压气机，所以，以保险器触发的过转矩情况不会影响前风扇组件。因此，发动机仍然可产生所需量的推力。更具体地说，在变速箱失效的情况下，也就是后风扇组件停止转动时，前风扇组件由于是由低压涡轮直接带动而可继续工作。
因此，本发明的燃气涡轮发动机有利于提高风扇效率、降低风扇翼梢速度、并且/或者减小噪音。而且，由于所述的燃气涡轮发动机组不设置反转式低压涡轮来带动反转式风扇组件，故可省去某些零部件例如(但不限于)外转子、转动的齿轮架、第二低压涡轮轴、和低压涡轮的外转动密封件，从而减轻燃气涡轮发动机的总重量。另外，在某些燃气涡轮发动机的用途中可采用本文所述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的示例性实施例。上述的零部件不限于所述的具体实施例，而是可将每个部分的零部件独立地并与所述的其他零部件分开地应用之。上面所述的变速箱也可与具有前风扇组件和后风扇组件的其他公知的燃气涡轮发动机组结合应用。
虽然上面按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，本发明可以按照符合下述权利要求书的精神和范围的改型来实施。
标号及名称一览表
10  涡轮发动机组
11  纵向中心轴线
12  核心燃气涡轮发动机
14  低压涡轮
16  反转式风扇组件
20  外壳体
22  发动机进气入口
24  增压压气机
26  传动压气机
28  燃烧室
30  高压涡轮
32  第一传动轴
34  第二传动轴
36  排气喷口
50  前风扇组件
52  后风扇组件
60  转子叶片
62  转子叶片
64  机舱
66  转盘
68  转盘
70  转子叶片
72  转盘
74  进口导向叶片组件
76  进口导向叶片
78  增压机壳
80  第一转动方向
82  第二转动方向
100 变速箱
102 变速箱壳体
103 齿轮
104 输入端
106 输出端
110 第一风扇轴承组件
112 轴承座圈
114 滚动件
120 第二风扇轴承组件
124 滚动件
126 内座圈
128 外座圈
130 第三风扇轴承组件
132 轴承座圈
134 滚动件
136 内座圈支承构件
138 输出端构件
140 第四风扇轴承组件
142 轴承座圈
144 滚动件
160 油箱
162 结构支承件
168 传动轴
200 机械保险器
210 第一部分
212 第二部分
214 多个花键
216 多个花键
218 多个花键
230 径向在内部分
232 径向在外部分
240 第一厚度
242 第二厚度
300 机械保险器

Claims (11)

1.一种反转式风扇组件(16)，具有：
一个利用传动轴(34)与低压涡轮(14)相连接的变速箱(100)；
一个与上述变速箱(100)相连接的第一风扇组件(50)，该第一风扇组件具有一个转盘(66)和多个连接在上述转盘(66)上并可沿第一转动方向(80)转动的转子叶片(60)；
一个与上述低压涡轮相连接的第二风扇组件(52)，使得该第二风扇组件沿与第一转动方向相反的第二方向(82)转动；和
一个连接在上述第一风扇组件与上述低压涡轮之间的盘状的机械保险器(200，300)，使得该机械保险器在预定的转矩载荷下失效，并且在该机械保险器在预定的转矩载荷下失效之后，第一风扇组件保持由上述低压涡轮驱动，而第二风扇组件与上述低压涡轮分离。
2.根据权利要求1的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述的机械保险器(200)在低压涡轮(14)传动轴(34)上的总转矩载荷的45％和55％之间失效。
3.根据权利要求1的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述第二风扇组件以不同于上述第一风扇组件的第一转动速度的第二转动速度转动。
4.根据权利要求3的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述第二转动速度(82)小于第一转动速度。
5.根据权利要求3的反转式风扇组件(16)，其特征在于，上述第二转动速度(82)大于第一转动速度。
6.一种涡轮发动机组(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)；
一个利用传动轴(34)与上述低压涡轮相连接的变速箱(100)；
一个与上述变速箱相连接的第一风扇组件(50)，该第一风扇组件包含一个转盘(66)和多个与上述转盘相连接并沿第一转动方向(80)转动的转子叶片(60)；
一个与上述低压涡轮相连接的第二风扇组件(52)，使得该第二风扇组件沿与第一转动方向相反的第二方向(82)转动；和
一个连接在上述第一风扇组件(50)与上述低压涡轮(14)之间的盘状的机械保险器(200，300)，使得该机械保险器在预定的转矩负荷下失效；并且在该机械保险器在预定的转矩载荷下失效之后，第一风扇组件保持由上述低压涡轮驱动，而第二风扇组件与上述低压涡轮分离。
7.根据权利要求6的涡轮发动机组(10)，其特征在于，上述的机械保险器(200，300)连接在变速箱的输入端(104)与上述低压涡轮(14)之间。
8.根据权利要求6的涡轮发动机组(10)，其特征在于，上述的机械保险器做成在低压涡轮传动轴上的总转矩负荷的45％和55％之间失效。
9.根据权利要求6的涡轮发动机组(10)，其特征在于，上述的第一风扇组件以第一转动速度转动，上述的第二风扇组件以不同于上述第一转动速度的第二转动速度转动。
10.根据权利要求6的涡轮发动机组(10)，其特征在于，上述的第一风扇组件以第一转动速度转动，上述的第二风扇组件以小于上述第一转动速度的第二转动速度转动。
11.根据权利要求6的涡轮发动机组(10)，其特征在于，上述的第一风扇组件(50)以第一转动速度转动，第二风扇组件(52)以大于上述第一转动速度的第二转动速度转动。
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