CN212958872U - 一种简易齿轮传动涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

一种简易齿轮传动涡扇发动机，包括风扇部件、增压级、低压轴、齿轮减速结构、前支撑结构、高压轴、起动发电一体电机、压气机、高压涡轮、后支撑结构。所述高压轴通过齿轮减速机构连接低压轴。所述发动机运行时，高压轴和低压轴通过设计合适的齿轮减速比能以不同的转速转动。该发动机因设置齿轮减速结构，使得高压轴与低压轴的转速差异化，便于配装的各气动部件在各自最佳的转速下工作，相比单轴涡扇或涡喷发动机，燃油经济性与噪声环保性得到了显著提高。

Description

一种简易齿轮传动涡扇发动机

技术领域

本实用新型涉及飞行器动力技术领域，尤其是涉及一种简易齿轮传动涡扇发动机。

背景技术

针对小型飞行器动力设计需求，目前航发制造商普遍采用单轴涡喷发动机构型。这种发动机主要包含主轴、压气机、燃烧室、涡轮、机匣、支撑结构和尾喷管部件。压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管依次布置，压气机和涡轮的转子分别连接在主轴两端，主轴通过轴承连接在发动机支撑结构上，支撑结构、燃烧室与尾喷管连接在机匣上。这种发动机没有风扇部件和内、外涵道结构，结构简单，但是燃油经济性与噪声环保性不佳。

为此，部分航发制造商提出了单轴涡扇发动机构型。这种发动机在单轴涡喷发动机构型的基础上增加了风扇部件及内、外涵道结构，风扇和压气机的转子依次安装在主轴前端 (或后端)，涡轮的转子安装在主轴后端，主轴与其它部件的连接方式和布置顺序与单轴涡喷发动机相同。工作时外部空气经过风扇后，一部分空气进入外涵道经过增压、加速后直接从尾喷管排出为发动机提供动力；另一部分空气则进入内涵道经过压气机增压后进入燃烧室参与燃烧，燃烧后的高温燃气推动涡轮转子做功，带动前面的风扇和压气机高速旋转。这部分空气最后从尾喷管高速排出为发动机提供推力(牛顿第三定律)。在相同推力等级、各部件性能大致相当情况下，由于风扇部件的加入，使得单轴涡扇发动机相对单轴涡喷发动机噪声更低，燃油经济性更高。

为进一步提高单轴涡扇发动机经济性与环保性，需要涡扇发动机配合大尺寸风扇、高增压比压气机并相应增加涡轮前温度和涡轮级数，或改变构型，增加转轴数量，但是却存在以下几个方面的技术问题：(1)风扇直径受最大叶尖切向速度限制，大直径风扇必须工作在较低的转速下，但转子较低转速将会导致共轴涡轮的做功能力与效率下降，从而使得风扇和涡轮都无法在各自最佳的转速下工作；2)增加涡轮前温度和(或)压气机、涡轮级数和(或)增加单级压比，会给发动机总体结构、材料选型和部件设计制造带来较大的难度，结构复杂程度增大，导致加工制造成本提高，工作可靠性也会随之降低； (3)过分提高发动机转轴数会使发动机重量增加、体积增大、结构复杂、工作可靠性降低，不利于发动机的小型化及其在小型飞行器上的应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种能提高燃油经济性并降低噪声污染的简易齿轮传动涡扇发动机。

本实用新型的技术方案为：提供一种简易齿轮传动涡扇发动机构型设计，包括风扇部件、增压部、低压轴、齿轮减速结构、前支撑结构、高压轴、起动发电一体电机、压气机、高压涡轮、后支撑结构；

所述风扇部件的转子、增压部的转子装于低压轴以实现与低压轴同步转动；所述低压轴通过轴承连接前支撑结构，工作时低压轴通过轴承将载荷传递至前支撑结构；

所述起动发电一体电机的转子、压气机的转子、高压涡轮的转子装于高压轴，以实现与高压轴同步转动；所述高压轴通过轴承连接前支撑结构和后支撑结构，工作时高压轴分别将载荷传递至前支撑结构和后支撑结构。

所述高压轴通过齿轮减速结构连接低压轴以实现低压轴的减速转动，所述齿轮减速结构通过齿轮支架连接前支撑结构。所述齿轮支架上设置了循环润滑系统，用于齿轮减速结构在工作过程中的润滑和降温。

所述风扇部件的转子、增压部的转子沿轴向依次设于低压轴，所述起动发电一体电机的转子、压气机的转子、高压涡轮的转子沿轴向依次设于高压轴。由此，各部件于高、低压轴上的布设位置依序设置，互不干涉，各部件能正常、稳定运行。

所述低压轴通过所述轴承装于前轴承支架，所述前轴承支架装于前支撑结构以实现低压轴至前支撑结构的载荷传递。

所述高压轴通过轴承分别装于中轴承支架和后轴承支架，所述中轴承支架连接前支撑结构，所述后轴承支架连接后支撑结构，以实现高压轴将载荷分别传递至前支撑结构和后支撑结构。

所述低压轴和高压轴为中空轴，整体重量轻，也便于与部件的配装连接。

所述低压轴的末端外扩以容置齿轮减速结构，既实现了齿轮减速结构与低压轴的连接，还便于低压轴利用自身结构容置齿轮减速结构，使得整体轴向长度尺寸得到缩减，并且结构紧凑，布设合理。

所述齿轮减速结构包括内齿圈、与内齿圈齿轮啮合传动的行星轮、与行星轮齿轮啮合传动的太阳轮，利用行星齿轮结构来形成齿轮减速结构，整体体积小、结构紧凑、承载力大，且工作平稳、可靠。

进一步地，所述低压轴的末端与齿轮减速结构的内齿圈设计为一体式结构。这样，减少了部件数量，使发动机结构更为紧凑、合理，体积更小。

所述低压轴的末端外扩并内置套齿以与内齿圈外环的齿轮端套齿连接，以实现对齿轮减速结构的容置并与内齿圈同步转动。不仅便于装配，且还能实现可靠地同步转动。

所述高压轴与齿轮减速结构之间设置联轴器，所述联轴器的前端与太阳轮内侧的齿轮端套齿连接，所述联轴器的后端与高压轴连接。由此不仅实现了高压轴和低压轴的连接，同时通过联轴器的设置，还能消除高压轴和齿轮减速机构不同轴带来的影响，保障两者实现稳定传动。

本实用新型的简易齿轮传动涡扇发动机构型，整体结构设计巧妙，各部件布设合理、紧凑。

本实用新型的简易齿轮传动涡扇发动机，通过高压轴、低压轴、齿轮减速结构的配合设置，使得高压轴和低压轴通过专门设计的齿轮减速比能以不同的转速进行转动，也就是高压轴与低压轴的转速具备差异化，便于配装的各部件在各自最佳转速下工作。具体存在以下优点：

1、低压轴转速低，可以在不影响高压涡轮工作性能的前提下增加发动机的涵道比，从而大幅降低发动机的耗油率。同时，由于低压轴工作在较低转速，使得风扇部件的离心载荷降低，风扇部件的使用寿命提高和对材料性能的要求得以降低。

2、高压轴较低压轴转速高，高压轴上的压气机级数得以减少，涡轮结构更加紧凑，不仅缩短了发动机的总长，减轻了发动机的总重，还提高了部件的做功能力，同时高转速还可减小相匹配的起动发电一体电机的尺寸。

3、采用在单轴涡扇发动机的基础上轴向增加齿轮减速结构与低压轴(短轴) 的构型对发动机的体积与重量增加有限。该简易齿轮传动涡扇发动机相比双轴齿

4、轮涡扇发动机(高压轴、低压轴、风扇轴)和三轴涡扇发动机(高压轴、中压轴、低压轴)结构简单，系统复杂度低，可靠性高，更适用于作为小型飞行器的动力使用。

相比单轴涡喷与单轴涡扇发动机，本实用新型简易齿轮传动涡扇发动机的燃油经济性与噪声环保性得到了显著提高。

附图说明

下面，参考附图更详细地并且通过非限制性的示例方式描述本实用新型的实施例，以提供对本实用新型的简易齿轮传动涡扇发动机构型及原理的透彻理解。需要说明的是，各个附图所示的特征和结构并不一定代表相应零部件的实际形状和尺寸，而仅仅是用以解释本实用新型的实施例的工作原理。

图1为本实用新型一种简易齿轮传动涡扇发动机的局部结构示意图。

图2为本实用新型一种简易齿轮传动涡扇发动机的齿轮减速结构的示意图。

1、风扇部件，2、增压部，3、低压轴，4、齿轮减速结构，5、前支撑结构， 6、起动发电一体电机，7、压气机，8、高压轴，9、高压涡轮，10、后支撑结构， 11、后轴承支架，12、轴承，13、中轴承支架，14、联轴器，15、齿轮支架，16、前轴承支架，17、太阳轮，18、行星轮，19、内齿圈，20、齿轮端套齿。

具体实施方式

下面，通过示例的方式来详细说明本实用新型的具体实施例。

附图仅仅是示意性的并且未按比例绘制，相同的附图标记贯穿附图用于指示相同或相似的部分。

本实用新型的实施例不局限于以下所列举的示例，本领域技术人员利用本实用新型的原理可以对所描述的各实施例进行修改和变型，得到形式不同的其它实施例。显然，这些实施例都落入本实用新型要求保护的范围。

需要说明的是，本文所参考的附图是为了说明和解释本实用新型的实施例的需要，附图所体现的每个部件的形状、尺寸以及不同部件之间的连接方式仅仅用于示意性地说明本实用新型的实施例，并不构成对本实用新型的保护范围的限制。下面参考附图1-2，用以介绍本实用新型的一种简易齿轮传动涡扇发动机于

实施例中的具体实施方式。在附图1-2所示的实施例中，该简易齿轮传动涡扇发动机包括：风扇部件1、增压部2、低压轴3、齿轮减速结构4、前支撑结构5、起动发电一体电机6、压气机7、高压轴8、高压涡轮9、后支撑结构10。

其中所述风扇部件1的转子、增压部2的转子沿轴向依次装于低压轴3并与低压轴3同步转动。在本实施例采用套齿结构来实现同步转动，当然也可以采用紧配或键等其它可实现同步转动的配装结构来实现同步转动。

在本实施例中，参考附图1中的左右方位，以左为前，右为后，所述风扇部件1和增压部2以前、后顺序配装于低压轴3。

在本实施例中，为实现所述低压轴3至前支撑结构5的载荷传递，所述低压轴3通过轴承12装于前轴承支架16，所述前轴承支架16装于前支撑结构5，以实现低压轴3至前支撑结构5径向和轴向载荷的传递。同时在本实施例中，所述连接低压轴3的轴承12包括两个轴承，两个轴承间隔设置，均与所述前轴承支架16连接。

所述起动发电一体电机6的转子装于高压轴8，与高压轴8同步转动，其中起动发电一体电机6同时具备起动和发电功能。可以理解的是，起动发电一体电机6的转子在发动机起动时用于驱动高压轴8旋转，在发动机起动后转而由高压轴8驱动旋转。当然也可以采用其它可实现发动机起动或发电的一体或分体结构来实现发动机的起动或发电。

所述起动发电一体电机6的转子、压气机7的转子、高压涡轮9的转子装于高压轴8以实现与高压轴8同步转动。本实施例采用套齿结构来实现同步转动，当然也可以采用紧配或键等其它的配装结构来实现同步转动。

在本实施例中，所述起动发电一体电机6的转子、压气机7的转子、高压涡轮9的转子分别沿轴向从前、后两个方向装入高压轴8。如起动发电一体电机6 的转子、压气机7的转子可从高压轴前方装入，而高压涡轮8的转子可从高压轴后方装入。

在本实施例中，为实现所述高压轴8至前支撑结构5和后支撑结构10的载荷传递，所述高压轴8通过轴承12分别装于中轴承支架13和后轴承支架11，所述中轴承支架13装于前支撑结构5，所述后轴承支架11装于后支撑结构10，以实现高压轴8至前支撑结构5和后支撑结构10的载荷传递。在本实施例中，连接高压轴8的轴承12包括两个轴承，两个轴承一前一后设置。

所述高压轴8通过齿轮减速结构4与低压轴3配合，以实现低压轴3的减速 6转动。所述齿轮减速结构4通过齿轮支架15连接前支撑结构5。

在本实施例中，参见附图2，所述齿轮减速结构4包括内齿圈19、与内齿圈 19啮合传动的行星轮18、与行星轮18齿轮啮合传动的太阳轮17，以及支撑并维持各齿轮间相对位置关系的齿轮支架15。在本实施例中，所述行星轮18共三个，围绕太阳轮17均布设置。太阳轮17和行星轮18通过齿轮支架15与前支撑结构5连接。所述齿轮支架15上还设置了循环滑油系统，对高速运转过程中的齿轮减速结构4实施润滑和降温。

同时，在本实施例中，所述低压轴3和高压轴8为中空轴，由此利用中空的低压轴3配置所述的齿轮减速结构4。为实现配置，所述低压轴3的末端外扩并内置套齿与内齿圈19外环的齿轮端套齿20连接，以容置齿轮减速结构4并实现与内齿圈19的同步转动。当然，除套齿外也可以采用其它可实现同步转动的配装结构，或采取内齿圈19与低压轴3外扩端一体化设计的方法来实现同步转动。

在一些实施例中，可以采用内齿圈19直接与前支撑结构5连接，行星轮18通过齿轮支架15与低压轴3连接的方式实现与本实用新型类似的减速功能。

要实现低压轴3和高压轴8之间的传动连接，实现两者以不同的速度转动，本实施例在设置了齿轮减速结构4后，在所述高压轴8与齿轮减速结构4之间还设置联轴器 14。所述联轴器14的前端套齿与太阳轮17内侧的齿轮端套齿20连接，所述联轴器14 的后端与高压轴8连接。当然，联轴器14主要起到辅助安装与传动的功能，高压轴8的前端也可以直接连接太阳轮17。

本实用新型中，压气机7的转子和高压涡轮9的转子可以在高转速下工作，达到较高的做功能力和效率。利用行星齿轮减速结构能有效降低内外涵组合风扇(风扇部件和增压部)的转速，使其在相对较低转速下工作，能降低风扇叶片叶尖切线速度，从而增加风扇的工作可靠性。这种设计构型(通过设计合适的齿轮减速比)可以有效地解决高压涡轮、压气机和风扇转速不匹配的问题，使它们均在各自最佳的转速下工作，从而增加发动机的气动效率，提高工作可靠性，大幅降低燃油消耗率和其对环境的噪声影响。

本实用新型中，由于高压轴在较高转速下工作，使高压轴上的压气机级数减少，高压涡轮结构紧凑。这不仅缩短了发动机的总长，减轻了发动机的总重，而且提高了风扇、压气机和涡轮等部件的做功能力和效率，同时可减小在高转速下工作的起发一体电机尺寸。

应该注意的是，上述实施例用来举例说明而不是限制本实用新型，并且本领域技术人员将能够设计许多替代性实施例而并未脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，词语“包括”并未排除除了权利要求中所列举的那些之外的零部件或实施方法的存在。零部件之前的词语“一”或“一个”并未排除多个这样的零部件的存在。某些特征被记载在相互不同从属权利要求中这一事实并不意味着这些特征的组合不能被有效地使用。

Claims (10)

1.一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：

包括风扇部件、增压部、低压轴、齿轮减速结构、前支撑结构、高压轴、起动发电一体电机、压气机、高压涡轮、后支撑结构；

所述风扇部件的转子、增压部的转子装于低压轴以实现与低压轴同步转动；所述低压轴通过轴承连接前支撑结构，工作时所述低压轴通过轴承将载荷传递至前支撑结构；

所述起动发电一体电机的转子、压气机的转子、高压涡轮的转子装于高压轴，以实现与高压轴同步转动；所述高压轴通过轴承连接前支撑结构和后支撑结构，工作时所述高压轴分别将载荷传递至前支撑结构和后支撑结构；

所述高压轴通过齿轮减速结构连接低压轴以实现低压轴的减速转动，所述齿轮减速结构通过齿轮支架连接前支撑结构。

2.根据权利要求1所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述风扇部件的转子、增压部的转子沿轴向依次设于低压轴；所述起动发电一体电机的转子、压气机的转子、高压涡轮的转子沿轴向依次设于高压轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述低压轴通过所述轴承装于前轴承支架，所述前轴承支架装于前支撑结构以实现低压轴至前支撑结构的载荷传递。

4.根据权利要求1或2所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述高压轴通过所述轴承分别装于中轴承支架和后轴承支架，所述中轴承支架连接前支撑结构，所述后轴承支架连接后支撑结构，以实现高压轴将载荷分别传递至前支撑结构和后支撑结构。

5.根据权利要求1或2所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述低压轴和高压轴为中空轴。

6.根据权利要求5所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述低压轴的末端外扩以容置齿轮减速结构。

7.根据权利要求6所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述齿轮减速结构包括内齿圈、与内齿圈齿轮啮合传动的行星轮、与行星轮齿轮啮合传动的太阳轮。

8.根据权利要求7所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述低压轴的末端与内齿圈为一体式结构。

9.根据权利要求7所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述低压轴的末端外扩并内置套齿以与内齿圈外环的齿轮端套齿连接，以实现对齿轮减速结构的容置并与内齿圈同步转动。

10.根据权利要求7所述的一种简易齿轮传动涡扇发动机，其特征在于：所述高压轴与齿轮减速结构之间设置联轴器，所述联轴器的前端与太阳轮内侧的齿轮端套齿连接，所述联轴器的后端与高压轴连接。

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