CN208845271U - 一种转子系统以及包含该转子系统的涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

一种转子系统，包括高压涡轮转子、低压涡轮转子、风扇转子、高压压气机转子、低压压气机转子，还包括行星齿轮箱；所述风扇转子与所述低压涡轮转子通过低压轴联动；所述高压涡轮转子与所述高压压气机转子通过第一高压轴联动，所述低压压气机转子与所述低压轴彼此独立；其中，所述行星齿轮箱包括太阳轮、内齿圈、行星轮、行星架，所述内齿圈为静止件，所述太阳轮为所述行星齿轮箱输入端由所述高压压气机转子带动，所述行星架为所述行星齿轮箱的输出端用于带动所述低压压气机转子。包括上述转子系统的涡扇发动机，具有燃油经济性好等优点。

Description

一种转子系统以及包含该转子系统的涡扇发动机

技术领域

本实用新型属于发动机传动技术领域，尤其涉及一种转子系统以及包含该转子系统的涡扇发动机。

背景技术

对于涡扇发动机而言，高总压比、高涵道比以及由此带来的低油耗率是涡扇航空发动机高性能的重要指标。为了提高总压比，美国普拉特·惠特尼集团公司(Pratt&Whitney Group)公司提出了一种大涵道比齿轮传动的涡轮风扇发动机结构，其构型为：低压涡轮转子通过一个齿轮箱与低压压气机、风扇连接，齿轮箱由低压涡轮转子驱动，齿轮箱内齿圈与风扇转子连接，风扇转子通过齿轮箱的内齿圈输出驱动，这样就可以保持风扇以理想的低速旋转，不在限制低压涡轮的转速，有利于涵道比的增加，降低发动机耗油率，提高发动机性能。

然而，发明人从实践中认识到，受到发动机气动噪声等因素的影响，风扇的切线速度受到较大限制，低压涡轮同时驱动风扇、低压压气机，使得低压压气机的转速收到风扇转速的限制，低压压气机的转速较低，限制了低压压气机的工作能力。

因此，本领域需要一种转子系统，使得涡扇发动机的风扇与低压压气机均能在最佳的转速范围内工作，以及一种低燃油消耗率的涡扇发动机。

实用新型内容

本实用新型旨在提出一种使得涡扇发动机的风扇与低压压气机均能在最佳的转速范围内工作的转子系统。

本实用新型旨在提出一种低燃油消耗率的涡扇发动机。

根据本实用新型一方面的一种转子系统，用于涡扇发动机，包括高压涡轮转子、低压涡轮转子、风扇转子、高压压气机转子、低压压气机转子，行星齿轮箱；所述风扇转子与所述低压涡轮转子通过低压轴联动；所述高压涡轮转子与所述高压压气机转子通过第一高压轴联动，所述低压压气机转子与所述低压轴彼此独立；其中，所述行星齿轮箱包括太阳轮、内齿圈、行星轮、行星架，所述内齿圈为静止件，所述太阳轮为所述行星齿轮箱输入端由所述高压压气机转子带动，所述行星架为所述行星齿轮箱的输出端用于带动所述低压压气机转子。

在所述转子系统的实施例中，所述行星轮的行星轮轴两端通过滚动轴承支承在所述行星架，其中滚动轴承的内圈与所述行星轮的行星轮轴相连，所述滚动轴承的外圈与所述行星架相连。

在所述转子系统的实施例中，所述太阳轮与所述行星架的传动比为3比1。

在所述转子系统的实施例中，所述高压压气机引出第二高压轴与所述太阳轮共轴线连接。

在所述转子系统的实施例中，所述行星架的第一部与所述低压压气机转子一体地相连。

根据本使用新型另一方面的一种涡扇发动机，包括机匣、任意一项上述的转子系统，所述内齿圈固定于所述机匣。

在所述涡扇发动机的实施例中，所述行星架的第二部通过滚动轴承支承于所述机匣。

在所述涡扇发动机的实施例中，所述行星齿轮箱设置于所述低压压气机与所述高压压气机之间。

本实用新型的进步之处在于，转子系统的齿轮箱采用太阳轮接收高压涡轮转子的输入，内齿圈固定，行星架将运动输出低压压气机转子的传动路线，使得涡扇发动机的风扇与低压压气机的转速独立，两者均能在最佳的转速范围运动。在保证原有涡扇发动机的结构下，仅在转子系统中增加了一套行星齿轮箱，即实现了风扇与低压压气机的转速独立，有效地降低了发动机的燃油消耗率。

附图说明

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是根据一个或多个实施方式的涡扇发动机结构示意图。

图2是根据一个或多个实施方式的行星齿轮箱结构示意图。

图3是根据图2的行星齿轮箱的齿轮啮合运动示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本实用新型的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

另外，需要注意的是，图1至图3均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。

参考图1，在一些实施方式中，涡扇发动机包括风扇1、低压压气机2、高压压气机3、燃烧室4、高压涡轮5、低压涡轮6。空气流过风扇后，分成两路:一路是内涵气流，空气继续经低压压气机2、高压压气机3压缩，在燃烧室4和燃油混合燃烧，燃气经高压涡轮5、低压涡轮6和排气系统膨胀，燃气以高速从排气系统尾喷口排出，产生推力，流经路程为经低压压气机2、高压压气机3、燃烧室4、高压涡轮5、低压涡轮6，燃气从排气系统排出；另一路是外涵气流，空气流过风扇1后经外涵道27直接排入大气，涡扇发动机的总推力是排气系统排出的燃气和风扇1经外涵道27排出的空气的推力之和。因此，需要使风扇1处于最佳转速以保证外涵道27的推力，以及使低压压气机2处于最佳转速，提高增压比，从而获得较好的动力性以及经济性。

参考图1、图2，用于涡扇发动机的转子系统包括高压轴10、低压轴22、风扇转子7、低压压气机转子8、行星齿轮箱9、风扇转子7、高压压气机转子11、高压涡轮转子12、低压涡轮转子13。高压压气机转子11前轴颈支承在滚子轴承18上，高压涡轮转子12后轴颈支承在滚柱轴承19上，高压轴10包括第一高压轴101、第二高压轴102，高压涡轮转子12与高压压气机转子11通过第一高压轴101联动。风扇转子7后轴颈支承在滚柱轴承14上，低压涡轮转子13后轴颈支承在滚柱轴承20上，风扇转子7与低压涡轮转子13通过低压轴22联动。

行星齿轮箱9由太阳轮23、行星轮21、内齿圈24、行星架25。参考图2，内齿圈24为静止件，太阳轮23为行星齿轮箱9的输入端，由高压压气机转子11带动，实现高压压气机转子11带动太阳轮23的结构可以是高压压气机转子11引出第二高压轴102与太阳轮23共轴线连接带动，但不以此为限。行星架25为行星齿轮箱9的输出端，用于带动低压压气机转子8，实现低压压气机转子8与低压轴10彼此独立。行星架25的结构的例子可以是行星架25包括第一部251、第二部252，行星架25的第二部252通过滚动轴承15支承于涡扇发动机，例如支承在涡扇发动机的机匣26；行星架25的第一部251与低压压气机转子8联动；但行星架25的具体结构均不以上述例子为限。

风扇1与低压涡轮6联动，低压压气机2与高压压气机3联动，因此风扇1与低压压气机2两者可以分别在各自的最佳工作转速下运行，同时获得较大的外涵道推力以及较大的增压比，以降低涡扇发动机的燃油消耗率。并且，在行星齿轮箱9中，将内齿圈24静止，由行星架25将行星齿轮箱9接收的来自高压压气机转子11的输入运动输出至低压压气机转子8，如此设计，行星齿轮箱9的传动比大于将行星架25静止，由内齿圈24将来自高压压气机转子11的输入运动输出的齿轮箱的传动比，如此获得的有益效果是行星齿轮箱9可以在有限的空间以及径向高度内，得到更大的传动比，使得整个转子系统的结构紧凑，降低了转子系统的组装和装配难度。

在一些实施方式中，参考图2、图3，行星轮21与行星架25的固定连接结构的例子包括但不限于行星轮25的行星轮轴两端通过滚动轴承16、17支承在行星架25，其中滚动轴承16、17的内圈与行星轮21的行星轮轴相连，滚动轴承16、17的外圈与行星架25相连，尽管还有其它的固定连接结构例如行星轮21的行星轮轴与行星架25一体地固定相连。在至少一个实施方式中，行星轮25的行星轮轴两端通过滚动轴承16、17支承在行星架25，其中滚动轴承16、17的内圈与行星轮21的行星轮轴相连，滚动轴承16、17的外圈与行星架25相连，具体的结构可以是第一滚动轴承16的外圈与行星架25的第一部251相连，第二滚动轴承17的外圈与行星架25的第二部252相连，但不以此为限。如此获得的有益效果如图3所示，保证行星齿轮箱9的行星轮21在自转和公转的同时，行星架25只随行星轮21进行公转，行星架25的转速与行星轮21公转的转速大小相同。

在一个或多个实施方式中，太阳轮23与行星架25的传动比的例子包括但不限于太阳轮23与行星架25的传动比为3比1，尽管还可以采用其它的传动比。在至少一个实施方式中，太阳轮23与行星架25的传动比为3比1。如此获得的有益效果是在3比1的传动比下，低压压气机2将在最佳转速下运转，若传动比过低，则低压压气机2的转速过高，引起的噪声、振动、润滑等条件的改变将影响涡扇发动机的正常性能匹配。若传动比过大，则低压压气机2的转速过低，降低发动机的增压比，增大燃油消耗率。

在一些实施方式中，如图2，行星架25将上述输入运动输出至所述低压压气机转子8的结构包括但不限于行星架25的第一部251与低压压气机转子8一体地相连，尽管还存在其它的输出结构，例如行星架25与低压压气机转子8可拆卸地直接相连或使用传动部件间接相连。在至少一个实施方式中，行星架25的第一部251与低压压气机转子8一体地相连，如此获得的有益效果是减少了转子系统的零件数目，使转子系统结构紧凑、自由度低、可靠性高。

在一个或多个实施方式中，如图1、图2内齿圈24静止固定的结构的例子包括但不限于内齿圈24固定于机匣26，尽管还可以有其它的静止固定方式，例如采用制动器摩擦片摩擦制动的结构静止固定内齿圈24。在至少一个实施方式中，内齿圈24固定于机匣26。如此获得的有益效果是采用涡扇发动机现有的部件即可固定内齿圈24，使得涡扇发动机以及转子系统的结构简单、紧凑。

在一个或多个实施方式中，如图1、图2所示，行星齿轮箱9的位置的例子包括但不限于行星齿轮箱9设置于低压压气机2与高压压气机3之间，尽管行星齿轮箱9还可以设置在其它位置，例如风扇1与低压压气机2之间。在至少一个实施方式中，行星齿轮箱9设置于低压压气机2与高压压气机3之间，如此获得的有益效果是使得转子系统的结构紧凑，原因在于此位置使得输入运动的传递路径最短，输入运动的传递路径在高压压气机3的高压压气机转子输入至行星齿轮箱9，在输出至低压压气机2的低压压气机转子8。

综上，上述实施例中的转子系统以及涡扇发动机具有的优点如下：

a)结构简单，对传统涡扇发动机结构改动量小，只是在低压压气机2和高压压气机3之间增加行星齿轮箱9；

b)高压轴10通过行星齿轮箱9驱动低压压气机2，低压压气机2独立于低压轴22，可以在低压压气机2的最佳工作转速下运行；

c)行星齿轮箱9内齿圈24固定，太阳轮23为输入端，行星架25为输出端，行星齿轮箱9结构紧凑，自由度低，安全性可靠性高；

d)低压压气机2在最佳转速下运行，其转速比传统的涡轮风扇发动机的低压压气机2转速明显提高，转速提高，其增压比提高；

e)增压比提高，可进一步提高发动机总压比，降低发动机燃油消耗率。

f)风扇1与低压压气机2独立运行，不相互牵制，风扇1可以在更低的最佳转速下运转。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种转子系统，用于涡扇发动机，包括高压涡轮转子、低压涡轮转子、风扇转子、高压压气机转子、低压压气机转子，其特征在于：还包括行星齿轮箱；

所述风扇转子与所述低压涡轮转子通过低压轴联动；

所述高压涡轮转子与所述高压压气机转子通过第一高压轴联动，所述低压压气机转子与所述低压轴彼此独立；

其中，所述行星齿轮箱包括太阳轮、内齿圈、行星轮、行星架，所述内齿圈为静止件，所述太阳轮为所述行星齿轮箱输入端由所述高压压气机转子带动，所述行星架为所述行星齿轮箱的输出端，用于带动所述低压压气机转子。

2.如权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述行星轮的行星轮轴两端通过滚动轴承支承在所述行星架，其中滚动轴承的内圈与所述行星轮的行星轮轴相连，所述滚动轴承的外圈与所述行星架相连。

3.如权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述太阳轮与所述行星架的传动比为3比1。

4.如权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述高压压气机引出第二高压轴与所述太阳轮共轴线连接。

5.如权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述行星架的第一部与所述低压压气机转子一体地相连。

6.一种涡扇发动机，包括机匣、权利要求1-5任意一项所述的转子系统，其特征在于，所述内齿圈固定于所述机匣。

7.如权利要求6所述的涡扇发动机，其特征在于，所述行星架的第二部通过滚动轴承支承于所述机匣。

8.如权利要求6所述的涡扇发动机，其特征在于，所述行星齿轮箱设置于涡扇发动机的低压压气机与高压压气机之间。