ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДВУМЯ РОТОРАМИ ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ
TURBINE ENGINE WITH TWO ROTORS OF OPPOSITE ROTATION

Область техники
[0001] Область настоящего изобретения относится к турбинным двигателям и, в частности, к турбореактивным двигателям с туннельным вентилятором для применения в авиации. Точнее, изобретение относится к компрессорам для осевых турбинных двигателей, в которых ротор сформирован из двух частей противоположного вращения с лопастями.
Уровень техники
[0002] Использование роторов противоположного вращения для компрессора позволяет увеличить степень сжатия для заданного расстояния и предварительно установленного количества рядов лопастей. Таким образом, данное решение позволит уменьшить компрессор и турбинный двигатель, содержащий компрессор; а также достигнуть значительного уменьшения веса.
[0003] Документ US 20140286749 А1 раскрывает осевой турбинный двигатель с компрессором, сформированным двумя роторами противоположного вращения. Каждый ротор содержит несколько рядов лопастей, при этом лопасти внутреннего ротора и лопасти внешнего ротора расположены в шахматном порядке. Внутренний ротор приводит в движение внешний ротор через шестерню, ось вращения которой направлена радиально. Движение между роторами передается с помощью разных перпендикулярных валов, на которых установлены шестерни. Разъемная трансмиссия присоединена к одному из валов. Такая структура позволяет модулировать сжатие путем разъединения роторов. Однако, данное решение является сложным из-за количества составляющих элементов. Производство и расходы на техническое обслуживание требуют значительных затрат. К тому же скорость сжатия остается низкой.
Краткое описание изобретения
Техническая задача
[0004] Целью изобретения является решение по меньшей мере одной из задач, существующих в уровне техники. Точнее, целью изобретения является увеличение давления на выходе из компрессора. Другая цель изобретения заключается в увеличении степени сжатия компрессора с одновременным сокращением энергии, необходимой для использования компрессора с заданным потоком.
Техническое решение
[0005] Объектом изобретения является компрессор осевого турбинного двигателя, содержащий: внутренний ротор с несколькими кольцевыми рядами лопастей и внутренним радиальным кольцевым соединительным элементом, предназначенным для соединения внутреннего ротора с трансмиссионным валом турбинного двигателя, и внешний ротор, окружающий внутренний ротор и содержащий несколько кольцевых рядов лопастей; ряды лопастей внутреннего ротора и внешнего ротора расположены поочередно для того, чтобы сжимать кольцевой поток, в то время как роторы вращаются в противоположных направлениях; характеризующийся тем, что также дополнительно содержит подшипник качения, связанный с внешним ротором и расположенный в осевом направлении на уровне с радиальным соединительным элементом внутреннего ротора таким образом, чтобы в осевом направлении совместить зоны опоры ротора.
[0006] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения подшипник качения образует соединение с возможностью вращения между внешним ротором и статором компрессора; или подшипник качения образует соединение с возможностью вращения между внешним ротором и внутренним ротором, подшипник качения в некоторых случаях установлен на радиальном соединительном элементе внутреннего ротора.
[0007] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения каждый подшипник качения расположен в осевом направлении на одном уровне с аналогичным рядом лопастей внутреннего ротора.
[0008] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения радиальный соединительный элемент имеет профиль вращения вокруг оси вращения компрессора, указанный профиль проходит, главным образом, радиально, предпочтительно по существу радиально, в направлении внутренней части внутреннего ротора; в некоторых случаях радиальное соединение формирует диск.
[0009] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, подшипник качения установлен на внешней части внешнего ротора, предпочтительно, внешний ротор содержит расположенную выше по потоку половину и расположенную ниже по потоку половину, подшипник качения установлен на одном уровне с расположенной выше по потоку половиной внешнего ротора.
[0010] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения компрессор содержит по существу один подшипник качения или по существу два подшипника качения, которые расположены на одном уровне с рядом лопастей.
[0011] В соответствии с предпочтительным способом согласно изобретению по меньшей мере один или каждый ротор содержит по меньшей мере один внутренний кольцевой элемент, который расположен внутри соответствующего ротора, предпочтительно каждый ротор содержит внутренний кольцевой элемент, установленный внутри ротора на одном уровне с каждым из его рядов лопастей.
[0012] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения компрессор содержит трансмиссию движения между роторами, сконфигурированную таким образом, чтобы они вращались в противоположных направлениях, предпочтительно с одинаковой угловой скоростью.
[0013] В соответствии с предпочтительным способом согласно изобретению трансмиссия содержит по меньшей мере одну шестерню, преимущественно кольцевой ряд шестерен, при этом каждая шестерня имеет ось вращения, направленную радиально, предпочтительно перпендикулярно оси вращения компрессора.
[0014] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, трансмиссия содержит две кольцевые шестерни, каждая из которых сформирована на одном из роторов, при этом зубья каждой кольцевой шестерни проходят в осевом направлении к другой кольцевой шестерни.
[0015] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения трансмиссия расположена на уровне осевой половины внешнего ротора, противоположной осевой половине внешнего ротора, на которой помещен каждый подшипник качения, установленный на внешнем роторе.
[0016] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения внешний ротор содержит внешнюю кольцевую стенку, соединяющую все его ряды лопастей, внутренний бандаж, установленный во внутренней части внешней стенки; внешний ротор содержит ряд лопастей, образующий осевой конец компрессора, соединяющий внутренний бандаж с внешней стенкой.
[0017] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения внутренний ротор содержит внутреннюю кольцевую стенку, соединяющую все его ряды лопастей, радиальный кольцевой соединительный элемент и/или подшипник качения расположен(ы) в осевом направлении на одном уровне по середине внутренней кольцевой стенки.
[0018] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения внешние концы лопастей внутреннего ротора являются свободными концами, и/или большая часть внешних концов лопастей внешнего ротора являются свободными концами.
[0019] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения внешний ротор содержит осевую часть, проходящую через менее чем половину, предпочтительно менее чем треть, предпочтительнее менее чем четверть его осевой длины, на которой размещен каждый подшипник, соединяющий его со статором компрессора.
[0020] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения по меньшей мере один или каждый внутренний кольцевой усилительный элемент имеет внешнюю кольцевую часть меньшей толщины.
[0021] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения радиальный кольцевой соединительный элемент радиально удлиняет внутренний кольцевой усилительный элемент в направлении к внутренней части.
[0022] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения ряды лопастей внутреннего ротора и внешнего ротора сформированы, чтобы прогрессивно сжимать кольцевой поток во время вращения роторов в противоположных направлениях вращения.
[0023] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения компрессор может быть осевым компрессором. Осевой компрессор следует понимать как компрессор, который в осевом направлении сжимает поток, когда тот движется в осевом направлении к выходу.
[0024] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения на внутренних кольцевых усилительных элементах роторов образованы зубья кольцевых шестерен.
[0025] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения внешняя стенка внешнего ротора уменьшается в диаметре в направлении ниже по потоку.
[0026] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения большая часть по оси внутреннего ротора расположена внутри внешнего ротора.
[0027] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения каждый ротор содержит по меньшей мере три ряда лопастей.
[0028] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения каждый ротор образует барабан благодаря ряду лопастей и/или радиальному кольцевому соединительному элементу.
[0029] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения лопасти роторов образуют ряды лопастей противоположного вращения.
[0030] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения расположенная выше по потоку опорная часть и/или расположенная ниже по потоку опорная часть окружает внутренний ротор, предпочтительно по меньшей мере один ряд лопастей внутреннего ротора.
[0031] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения внешний ротор содержит часть, занимающую по меньшей мере треть, предпочтительно по меньшей мере половину его осевой длинны, на которой не установлен подшипник, взаимодействующий со статором компрессора или турбинного двигателя, при этом внешний ротор может содержать две части, занимающие по меньшей мере треть его осевой длинны, на которой не установлен подшипник, взаимодействующий со статором компрессора или турбинного двигателя.
[0032] Объектом изобретения является также турбинный двигатель, содержащий компрессор, характеризующийся тем, что компрессор соответствует изобретению, в котором компрессор может быть компрессором низкого давления.
[0033] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения турбинный двигатель содержит промежуточный корпус, причем компрессор установлен выше по потоку от промежуточного корпуса, при этом промежуточный корпус может содержать промежуточную часть и кольцевую опорную часть, проходящую в осевом направлении вверх по потоку от промежуточной части, подшипник качения при этом установлен внутри расположенного выше по потоку кольцевой опорной части.
[0034] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения турбинный двигатель содержит расположенный выше по потоку корпус, при этом компрессор установлен ниже по потоку от расположенного выше по потоку корпуса, при этом расположенный выше по потоку корпус может содержать расположенную выше по потоку основную часть и кольцевую опорную часть, проходящую в осевом направлении ниже по потоку от расположенной выше потоку основной части, подшипник качения установлен при этом внутри расположенной ниже по потоку кольцевой опорной части.
Предоставляемые преимущества
[0035] Изобретение повышает эффективность турбинного двигателя путем увеличения степени сжатия компрессора. Этот результат получен путем контроля зазоров во время той или иной фаз работы бустера. Ограничение центробежной силы становится преимуществом, так как зоны с одинаковым или похожим увеличением диаметра выравниваются при номинальной скорости. Для определения безопасного зазора, необходимого при низкой скорости на земле, во время фазы увеличения скорости двигателя, а также во время роботы при крейсерском полете на высоте, также учитывается расширение.
[0036] Конфигурация компрессора особенно подходит для противодействия помпажу. На самом деле, наличие осевых контактных сторон на кольцевых шестернях трансмиссии и шестерен, распределенных по кругу, способствуют обеспечению опоры между роторами и корпусами. Нагрузка на подшипник качения также уменьшается.
Краткое описание графических материалов
[0037] На фиг. 1 показан осевой турбинный двигатель согласно изобретению.
[0038] На фиг. 2 изображен компрессор турбинного двигателя согласно изобретению.
[0039] На фиг. 3 показано сечение компрессора, выполненное по линии 3-3, изображенной на фиг. 2, согласно изобретению.
[0040] На фиг. 4 показано сечение части трансмиссии согласно изобретению. Описание вариантов осуществления изобретения
[0041] В описании ниже, термины "внутренняя часть" или "внутренний" и "внешняя часть" или "внешний" относятся к позиционированию по отношению к оси вращения осевого турбинного двигателя.
[0042] На фиг. 1 показан осевой турбинный двигатель в упрощенной форме. В данном конкретном случае, это турбореактивный двигатель с туннельным вентилятором. Турбореактивный двигатель 2 содержит первый уровень сжатия, так называемый компрессор 4 низкого давления, второй уровень сжатия, так называемый компрессор 6 высокого давления, камеру сгорания 8 и один или несколько уровней турбин 10. Во время работы механическая энергия турбины 10, передаваемая через трансмиссионный вал 11 ротору 12, приводит два компрессора 4 и 6 в движение. Последние содержат несколько рядов лопастей ротора, соответствующих рядам лопастей статора. Ротор вращается вокруг оси 14 вращения, что позволяет образовать поток воздуха и прогрессивно сжать его до входа в камеру 8 сгорания. Дополнительный редуктор может повышать частоту вращения, сообщаемую компрессорам.
[0043] Приточный нагнетатель 16, так называемый вентилятор, соединен с ротором 12 и создает поток воздуха, разделяемый на первичный поток 18, проходящий через различные уровни турбинного двигателя, и вторичный поток 20, проходящий через кольцевой канал (показанный частично) вдоль двигателя, который потом объединяется с первичным потоком на выходе из турбины.
[0044] Первичный поток 18 и вторичный поток 20 представляют собой кольцевые потоки, которые проходят через корпуса статора турбинного двигателя. Эти корпуса также обеспечивают возможность соединения вентилятора, компрессора и турбины. В направлении от входа к выходу потока турбинный двигатель может иметь расположенный выше по потоку корпус между вентилятором 16 и компрессором 4 низкого давления и промежуточный корпус между компрессорами 4 и 6.
[0045] На фиг. 2 показано поперечное сечение компрессора 4 осевого турбинного двигателя такого, как изображен на фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Можно увидеть часть расположенного выше по потоку корпуса 22 и часть промежуточного корпуса 24. Каждый корпус может иметь кольцевой ряд корпуса лопастей 26 корпуса, чтобы соединить их внутренние центральные части 28 с соответствующими внешними частями. Лопасти 26 корпуса проходят радиально через первичный поток 18.
[0046] Компрессор 4 содержит ротор, сформированный из двух противоположно вращающихся частей, а именно внутренний ротор 30 и внешний ротор 32, которые вращаются в противоположных направлениях. Роторы (30; 32) имеют общую ось и сцеплены друг с другом. Внутренний ротор 30 большей частью или полностью вставлен во внешний ротор 32; при этом внешний ротор 32 охватывает внутренний ротор 30.
[0047] Каждый ротор (30; 32) содержит кольцевую стенку и несколько рядов лопастей ротора, где их в подходящем случае три. Внутренний ротор 30 содержит внутреннюю стенку 34, от которой внутренние лопасти 36 проходят в радиальном направлении наружу, в то время как внешний ротор 32 содержит внешнюю стенку 38, от которой внешние лопасти 40 проходят в радиальном направлении вовнутрь. Внешняя стенка 38 в осевом направлении длиннее, чем внутренняя стенка 34, между ними образовывается преимущественно изолированный канал, направляющий и ограничивающий первичный поток поток 18 во время его сжатия. Их диаметры уменьшаются в направлении выхода потока, как и средний диаметр указанного канала, для того, чтобы способствовать сжатию первичного потока 18. Наличие внутренней стенки является необязательным, поскольку внутренний ротор может содержать ряды дисков для прикрепления лопастных рядов.
[0048] Стенки (34; 38) могут, как правило, иметь постоянную толщину. Они могу иметь форму усеченного конуса или стрельчатой арки. Они могут иметь профили вращения вокруг оси вращения 14, которые имеют изогнутые части. Внешняя стенка 38 может содержать осевую часть, профиль которой более наклонен по отношению к оси 14 вращения, чем остальная часть профиля. Стенки (34; 38) могут быть сформированы из нескольких частей с лопастями, закрепленных или сваренных вместе в осевом направлении. На стыке между осевыми частями могут быть образованы радиальные выступы (не показаны).
[0049] Внешний ротор 32 содержит расположенный выше по потоку ряд лопастей 40, формирующий расположенный выше по потоку конец компрессора 4, и внутренний бандаж 42, соединенный с внутренними концами внешних лопастей 40 выше по потоку. Последний позволяет приводить в движение внешнюю стенку 38. Каркас 42 может иметь уплотнение, например, слои истираемых материалов, взаимодействующих с одной или несколькими трущимися полосами 44, сформированными на промежуточном корпусе 24 или на другом роторе 30. Эти уплотнения предотвращают рециркуляцию под бандажом 42, которая неблагоприятно влияла бы на степень сжатия.
[0050] Каждый ротор (30; 32) может содержать по меньшей мере один кольцевой усилительный элемент 46 или кольцо. Внутренний ротор 30 имеет несколько кольцевых усилительных элементов 46, например, один установлен на уровне каждого ряда лопастей (36, 40) ротора. Он может содержать три таких элемента, один из которых будет в осевом направлении по центру. Внешний ротор 32 может иметь кольцевой усилительный элемент 46 внутри внутреннего бандажа 42, где он может быть расположен в радиальном продолжении лопастей 40 соответствующего ряда.
[0051] Внутренний ротор 30 содержит радиальный кольцевой соединительный элемент 48, выполненный с возможностью соединения с трансмиссионным валом 11, выходящим из турбины, он проходит радиально в направлении, противоположном лопастям внутреннего ротора 30. Радиальным соединительным элементом 48 может выступать диск, по существу плоский. Альтернативно, он может иметь профиль вращения, который наклонен относительно радиального направления и формирует воронку. Радиальный соединительный элемент 48 может быть соединен с кольцевым усилительным элементом 46, например, с центральным усилительным элементом, так, чтобы ограничить радиальную деформацию внутренней стенки 34, связанную с центробежной силой.
[0052] Ряды внутренних лопастей 36 и внешних лопастей 40 все расположены в осевом направлении поочередно; предпочтительно с одинаковыми промежутками. Например каждый внутренний ряд 36 следует за внешним рядом 40 или наоборот. Лопасти (36; 40) роторов (30; 32) имеют хорды, которые наклонены по отношению к оси 14 вращения, внутренние лопасти 46, наклонены в одном направлении в то время как внешние лопасти 40 наклонены в другом направлении. Хорда - это линия, соединяющая передний край с задним краем профиля (36; 40) лопасти, при этом радиальное последовательное расположение профилей формирует лопасть. Таким образом, роторы (30; 32) вращаются противоположно, они сжимают первичный поток 18, когда они вращаются в противоположных направлениях. Кольцевой поток 18 прогрессивно сжимается, проходя от входа к выходу компрессора 4. Наклон хорд лопастей каждого ряда лопастей обычно может увеличиваться равномерно от одного ряда к следующему, от входа к выходу.
[0053] Для того чтобы обеспечить вращение роторов (30; 32) в противоположных направлениях, компрессор 4 содержит трансмиссию 50, при этом она может быть сконфигурирована таким образом, чтобы роторы (30; 32), приводя друг друга в действие, вращались с одинаковым количеством оборотов за минуту. Трансмиссия 50 передает вращение от одного ротора к другому. Она содержит по меньшей мере один вращающийся элемент 52, ось вращения которого направлена радиально, кольцевую шестерню, образованную внутри каждого ротора (30; 32). В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения, трансмиссия расположена радиально снаружи роторов. Кольцевые шестерни могут быть сформированы на усилительных элементах 46 роторов (30; 32), на направленных друг к другу поверхностях на одном радиальном уровне упомянутых усилительных элементов. Для того чтобы распределять осевое усилие, полученное от трансмиссии 50, внутренний ротор 30 также может иметь трубчатые усилительные элементы 54 между кольцевыми усилительными элементами 46.
[0054] По меньшей мере один корпус (22; 24), например, промежуточный корпус 24, имеет основную часть 56 и кольцевую опорную часть 58, проходящую в осевом направлении от основной части 56. Профиль вращения кольцевой опорной части 58 вокруг оси 14 вращения проходит преимущественно в осевом направлении, опорная часть при этом может быть трубчатой. Альтернативно, кольцевая опорная часть сформирована на расположенном выше по потоку корпусе и/или в основной части корпуса. Кольцевая опорная часть 58 может подходить по форме к внешней кольцевой поверхности внешней стенки 38. Компрессор 4 содержит по меньшей мере один подшипник 60 качения, который сочленяет с возможностью вращения внешний ротор 32 с промежуточным корпусом 24. Внешний ротор 32, для своего усиления, может иметь утолщение на уровне подшипника 60 качения.
Преимущественно, подшипник 60 качения расположен в осевом направлении на уровне радиального соединительного элемента 48 внутреннего ротора 30, что обеспечивает возможность наложения опорных точек или опорных окружностей роторов.
[0055] Таким образом, зоны роторов (30; 32), которые не деформируются за счет центробежной силой, расположены на одной линии, в то время как наиболее деформируемые зоны перекрываются. Наиболее деформируемые зоны - это зоны без опор или соединений. Поскольку роторы (30; 32) могут вращаться с одинаковыми скоростями вращения, центробежные силы являются одинаковыми по всей длине оси 14 вращения для каждого ротора (30; 32). В частности, две стенки, поддерживающие лопасти, подвергаются воздействию одинаковых центробежных сил по всей длине оси вращения. Таким образом, промежутки между лопастями (36; 40) и противоположными стенками (34; 38) обычно остаются постоянными как в покое, так и в действии. Эта особенность способствует конструированию роторов противоположного вращения с минимальными зазорами между свободными концами лопастей и поверхностями радиально противоположных стенок, что в результате приводит к увеличению степени сжатия как при низкой скорости, так и при высокой скорости. Преимущество заключается в том, что эффективность турбинного двигателя повышается во время разных режимов роботы. Более преимущественным является высокоскоростной компрессор, т.е. со скоростью вращения более 5000 об/мин, и которая может достигать 16000 об/мин.
[0056] На фиг. 3 изображено сечение компрессора 4 вдоль линии 3-3, изображенной на фиг. 2. Трансмиссионный вал 11, промежуточного корпуса 24 и внутренняя стенка 34 являются соосными. Другой соосный трансмиссионный вал может независимо соединять вентилятор с турбиной.
[0057] Трансмиссия 50 является кольцевой, что обеспечивает возможность поглощения части осевых и/или радиальных усилий, прикладываемых к внешнему ротору. Таким образом, силы, действующие на подшипник качения, ограничиваются, и может быть достаточно одного подшипника или двух подшипников, расположенных на одной осевой половине ротора. В некоторых случаях эти средства, способствующие вращению, могут быть расположены на осевом конце внешнего ротора, например на уровне ряда лопастей. Может использоваться шариковый подшипник и/или роликовый подшипник, которые могут примыкать друг к другу.
[0058] Трансмиссия 50 может содержать по меньшей мере одну или несколько шестерен 52, установленных с угловым распределением вокруг оси 14 вращения. Может также содержать по меньшей мере три, по меньшей мере шесть, в некоторых вариантах, по меньшей мере, восемь шестерен 52. Их оси 62 вращения могут быть отклонены на равные углы.
[0059] На фиг. 4 показано сечение части трансмиссии 50. Сечение выполнено параллельно относительно оси 14 вращения турбинного двигателя. Также изображены шестерня 52 и две кольцевые шестерни (64; 66).
[0060] Трансмиссия содержит шестерню 52, имеющую ось 62 вращения, расположенную в выступающей части, перпендикулярной оси 14 вращения. Это приводит к ограничению силы трения в трансмиссии 50, и в результате нагреванию турбинного двигателя. Кольцевые шестерни (64; 66) внутреннего и внешнего роторов повернуты друг к другу, и при этом параллельны. Их зубья 68 проходят в направлении кольцевой шестерни (64; 66), установленной напротив в осевом направлении. Кольцевые шестерни (64; 66) образуют кольцевые зубчатые рейки с зубьями, сформированными на осевой или по существу конических поверхностях. Высота зубьев 68 реек и углубление между ними расположены в осевом направлении.
[0061] Шестерни 52 могут иметь форму усеченного конуса для того, чтобы соответствовать конфигурации трансмиссии 50, т.е. между двумя по существу коническими осевыми кольцевыми шестернями. Однако вместо зубьев шестерен, описанных здесь, могут использоваться гладкие ролики. В таком случае кольцевые шестерни имеют гладкие поверхности качения и передачи момента.