ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE (VERSIONS) AND METHOD FOR INCREASING GAS TURBINE ENGINE PERFORMANCE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю, в частности, к способу задания передаточного отношения зубчатой передачи привода вентилятора газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Газотурбинный двигатель может содержать вентиляторную секцию, компрессорную секцию, камеру сгорания и турбинную секцию. Воздух, входящий в компрессорную секцию, сжимают и доставляют в камеру сгорания, где его смешивают с топливом и воспламеняют для образования высокоскоростного потока отработавшего газа. Высокоскоростной поток отработавшего газа расширяется через турбинную секцию для приведения в действие компрессорной и вентиляторной секций. Среди других вариантов компрессорная секция может содержать компрессоры низкого и высокого давления, и турбинная секция может содержать турбины низкого и высокого давления.
Обычно турбина высокого давления приводит в действие компрессор высокого давления через наружный вал для формирования высокоскоростного каскада компрессора, а турбина низкого давления приводит в действие компрессор низкого давления через внутренний вал для формирования низкоскоростного каскада компрессора. Вентиляторную секцию может также приводить в действие внутренний вал. Газотурбинный двигатель с прямым приводом может содержать вентиляторную секцию, приводимую в действие низкоскоростным каскадом компрессора, так что компрессор низкого давления, турбина низкого давления и вентиляторная секция вращаются с общей скоростью в одном направлении.
Редуктор, который может представлять собой зубчатую передачу привода вентилятора или другой механизм, можно использовать для приведения в действие вентиляторной секции, чтобы обеспечить возможность вращения указанной вентиляторной секции со скоростью, отличной от скорости турбинной секции. Это позволяет, в целом, увеличить тяговый коэффициент полезного действия двигателя. При таких конфигурациях двигателя, вал, приводимый в действие одной из турбинных секций, обеспечивает входной импульс редуктора, который приводит в действие вентиляторную секцию при меньшей скорости, так что и турбинная секция, и вентиляторная секция могут вращаться при скоростях, близких к оптимальным.
Хотя газотурбинные двигатели, оснащенные изменяющими скорость механизмами, в общем, известны как повышающие тяговый коэффициент полезного действия по сравнению с обычными двигателями, производители газотурбинных двигателей продолжают поиск путей повышения производительности таких двигателей, в том числе пути повышения термического, тягового коэффициентов полезного действия и коэффициента полезного действия передачи.
Раскрытие изобретения
Газотурбинный двигатель согласно иллюстративному аспекту настоящего изобретения содержит, среди прочего, вентиляторную секцию, содержащую вентилятор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси, и редуктор, взаимодействующий с указанным вентилятором. Указанный редуктор содержит планетарную зубчатую передачу привода вентилятора с передаточным отношением планетарной передачи по меньшей мере 2,5. Скорость конца лопасти вентилятора меньше 1400 футов в секунду.
В другом варианте осуществления вышеуказанного газотурбинного двигателя, не имеющем ограничительного характера, передаточное отношение меньше или равно 5,0.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,7.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,48.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, степень двухконтурности больше приблизительно 6,0.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, степень двухконтурности находится в интервале от приблизительно 11,0 до приблизительно 22,0.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, планетарная передача содержит солнечную шестерню, множество сателлитных шестерней, коронную шестерню и водило.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, каждая из множества сателлитных шестерней содержит по меньшей мере один подшипник.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, коронная шестерня зафиксирована от вращения.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, турбина низкого давления механически прикреплена к солнечной шестерне.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характер, вентиляторная секция механически прикреплена к водилу.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, вход редуктора выполнен с возможностью вращения в первом направлении, и выход редуктора выполнен с возможностью вращения в том же первом направлении.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, турбинная секция низкого давления взаимодействует с редуктором. Указанная турбинная секция низкого давления содержит по меньшей мере три ступени, но не более четырех ступеней.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных газотурбинных двигателей, не имеющем ограничительного характера, скорость конца лопасти вентилятора больше 1000 футов в секунду.
Способ повышения производительности газотурбинного двигателя согласно другому иллюстративному аспекту настоящего изобретения содержит, среди прочего, определение граничных условий на скорость конца лопасти вентилятора по меньшей мере одной лопасти вентилятора вентиляторной секции и определение граничных условий для ротора турбины низкого давления. Ограничения по уровню напряжений в роторе турбины низкого давления и по меньшей мере одной лопасти вентилятора используют для определения соответствия скорости вращения вентиляторной секции и турбины низкого давления необходимому количеству рабочих циклов. Степень двухконтурности больше приблизительно 6,0.
В другом варианте осуществления вышеуказанного способа редуктор соединяет вентиляторную секцию и турбину низкого давления и имеет передаточное отношение планетарной передачи по меньшей мере приблизительно 2,5, но не больше приблизительно 5,0.
В другом варианте осуществления любого из вышеупомянутых способов, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,7.
В другом варианте осуществления любого из вышеупомянутых способов, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,48.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных способов, не имеющем ограничительного характера, степень двухконтурности больше приблизительно 11.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных способов, не имеющем ограничительного характера, скорость конца лопасти вентилятора по меньшей мере одной лопасти вентилятора меньше 1400 футов в секунду.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных способов, не имеющем ограничительного характера, если уровень напряжений в роторе или по меньшей мере одной лопасти вентилятора слишком высок для соответствия необходимому количеству рабочих циклов, передаточное отношение редуктора уменьшают, а количество ступеней турбины низкого давления увеличивают.
В другом варианте осуществления любого из вышеуказанных способов, не имеющем ограничительного характера, если уровень напряжений в роторе или по меньшей мере одной лопасти вентилятора слишком высок для соответствия необходимому количеству рабочих циклов, передаточное отношение редуктора уменьшают, а кольцевую область турбины низкого давления увеличивают.
Различные отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны специалисту данной области техники из нижеследующего подробного описания изобретения. Чертежи, сопровождающие данное подробное описание, можно кратко описать следующим образом.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично проиллюстрирован поперечный разрез примера осуществления газотурбинного двигателя.
На фиг. 2 схематично проиллюстрирован вид одной конфигурации низкоскоростного каскада компрессора, которая может быть установлена в газотурбинный двигатель.
На фиг. 3 проиллюстрирована зубчатая передача привода вентилятора, которая может быть установлена в газотурбинный двигатель.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично проиллюстрирован газотурбинный двигатель 20. Иллюстративный газотурбинный двигатель 20 представляет собой двухкаскадный турбовентиляторный двигатель, который главным образом содержит вентиляторную секцию 22, компрессорную секцию 24, секцию 26 камеры сгорания и турбинную секцию 28. Альтернативно двигатели могут среди прочих систем или признаков содержать секцию форсажной камеры (не показана). Вентиляторная секция 22 приводит воздух в движение по наружному контуру В, в то время как компрессорная секция 24 приводит воздух в движение по внутреннему контуру С для его сжатия и передачи в камеру сгорания 26. Горячие отработавшие газы, образованные в секции 26 камеры сгорания, расширяются, проходя через турбинную секцию 28. Хотя в данном варианте осуществления изобретения, не имеющем ограничительного характера, раскрыт двухкаскадный турбовентиляторный газотурбинный двигатель, следует понимать, что раскрытые в настоящей заявке идеи не ограничены двухкаскадными турбовентиляторными двигателями, и раскрытый в данном документе изобретательский замысел может быть распространен на другие типы двигателей, в том числе, но не исключительно, на трехкаскадные конструкции двигателей.
Иллюстративный газотурбинный двигатель 20 главным образом содержит низкоскоростной каскад 30 и высокоскоростной каскад 32, установленные с возможностью вращения вокруг продольной центральной оси А двигателя. Низкоскоростной каскад 30 и высокоскоростной каскад 32 могут быть установлены относительно неподвижной конструкции 33 двигателя через посредство нескольких подшипниковых систем 31. Следует понимать, что альтернативно или дополнительно могут быть предусмотрены другие подшипниковые системы 31, причем расположение подшипниковых систем 31 может быть изменено в зависимости от условий применения.
Низкоскоростной каскад 30 по существу содержит внутренний вал 34, который соединяет между собой вентилятор 36, компрессор 38 низкого давления и турбину 39 низкого давления. Внутренний вал 34 может быть соединен с вентилятором 36 через механизм изменения скорости, который в иллюстративном газотурбинном двигателе 20 изображен в виде редукторной конструкции 45, а именно зубчатой передачи 50 привода вентилятора (см. фиг. 2 и 3). Указанный механизм изменения скорости приводит в движение вентилятор 36 с более низкой скоростью, чем низкоскоростной каскад 30. Высокоскоростной каскад 32 содержит наружный вал 35, который связывает между собой компрессор 37 высокого давления и турбину 40 высокого давления. В этом варианте осуществления, внутренний вал 34 и наружный вал 35 опираются в различных местоположениях вдоль оси на подшипниковые системы 31, установленные в неподвижной конструкции 33 двигателя.
Камера сгорания 42 расположена в иллюстративном газотурбинном двигателе 20 между компрессором 37 высокого давления и турбиной 40 высокого давления. По существу между турбиной 40 высокого давления и турбиной 39 низкого давления может быть расположена межтурбинная рама 44. Указанная межтурбинная рама 44 может служить опорой для одной или более подшипниковых систем 31 турбинной секции 28. Межтурбинная рама 44 может содержать один или более аэродинамический профиль 46, проходящий во внутреннем контуре С.Следует иметь в виду, что каждое из положений вентиляторной секции 22, компрессорной секции 24, секции 26 камеры сгорания, турбинной секции 28 и зубчатой передачи 50 привода вентилятора может быть изменено. Например, зубчатая передача 50 может быть расположена за секцией 26 камеры сгорания или даже за турбинной секцией 28, а вентиляторная секция 22 может быть расположена спереди или сзади зубчатой передачи 50.
Внутренний вал 34 и наружный вал 35 выполнены соосными и с возможностью вращения через посредство подшипниковых систем 31 вокруг продольной центральной оси А двигателя, расположенной на одной линии с их продольными осями. Внутренний поток воздуха сжимают посредством компрессора 38 низкого давления и компрессора 37 высокого давления, смешивают с топливом и сжигают в камере 42 сгорания, а затем расширяют при прохождении через турбину 40 высокого давления и турбину 39 низкого давления. В ответ на указанное расширение турбина 40 высокого давления и турбина 39 низкого давления приводят во вращение соответствующие высокоскоростной каскад 32 и низкоскоростной каскад 30.
В одном из вариантов осуществления изобретения, не имеющем ограничительного характера, газотурбинный двигатель 20 представляет собой редукторный самолетный двигатель с высокой степенью двухконтурности. В другом варианте осуществления изобретения степень двухконтурности газотурбинного двигателя 20 больше приблизительно шести (6:1). Редукторная конструкция 45 может содержать эпициклическую зубчатую передачу, например, планетарную зубчатую передачу, планетарную зубчатую передачу с заторможенным водилом или другую зубчатую передачу. Редукторная конструкция 45 обеспечивает работу низкоскоростного каскада 30 на более высоких скоростях, что позволяет повысить эффективность эксплуатации компрессора 38 низкого давления и турбины 39 низкого давления и генерировать повышенное давление в меньшем количестве ступеней.
Степень повышения давления турбины 39 низкого давления может быть измерена перед входным каналом турбины 39 низкого давления относительно давления в выходном канале турбины 39 низкого давления и перед выхлопным соплом газотурбинного двигателя 20. В одном из вариантов осуществления изобретения, не имеющем ограничительного характера, степень двухконтурности газотурбинного двигателя 20 больше приблизительно десяти (10:1), диаметр вентилятора значительно больше, чем диаметр компрессора 38 низкого давления, а турбина 39 низкого давления обладает степенью повышения давления больше приблизительно пяти (5:1). В другом варианте осуществления, не имеющем ограничительного характера, степень двухконтурности более 11 и менее 22, или более 13 и менее 20. Следует понимать, однако, что вышеуказанные параметры приведены в качестве примера двигателя с редукторной конструкцией или другого двигателя, использующего механизм изменения скорости, и что настоящее изобретение применимо к другим газотурбинным двигателям, в том числе турбовентиляторным двигателям с прямым приводом. В одном из вариантов осуществления, не имеющем ограничительного характера, турбина 39 низкого давления содержит по меньшей мере одну ступень и не более восьми ступеней, или по меньшей мере три ступени и не более шести ступеней. В другом варианте осуществления, не имеющем ограничительного характера, турбина 39 низкого давления содержит по меньшей мере три ступени и не более четырех ступеней.
В данном варианте осуществления иллюстративного газотурбинного двигателя 20, значительное количество тяги, за счет высокой степени двухконтурности, обеспечивает внутренний контур В. Вентиляторная секция 22 газотурбинного двигателя 20 предназначена для определенного режима полета - обычно маршевого, со скоростью 0,8 Маха и на высоте около 35000 футов. Такой режим полета, соответствующий оптимальному расходу топлива газотурбинным двигателем 20, также известен как режим полета в области минимума удельного расхода топлива на килограмм тяги в час (TSFC - Thrust Specific Fuel Consumption). TSFC является промышленным стандартным параметром потребления топлива на единицу тяги.
0,5
Степень повышения давления в вентиляторе представляет собой степень повышения давления в поперечном направлении лопасти вентиляторной секции 22 без использования выпускной направляющей системы лопастей вентилятора. Согласно одному из вариантов осуществления газотурбинного двигателя 20, не имеющему ограничительного характера, низкая степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,45. В другом варианте осуществления газотурбинного двигателя 20, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,38 и больше 1,25. В другом варианте осуществления, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,48. В другом варианте осуществления, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,52. В другом варианте осуществления, не имеющем ограничительного характера, степень повышения давления в вентиляторе меньше 1,7. Низкая приведенная скорость конца лопасти вентилятора представляет собой действительную скорость конца лопасти вентилятора, разделенную на стандартную промышленную температурную поправку [(Tram °R)/(518,7 °R)], где Т представляет собой температуру окружающей среды в градусах Ранкина. Низкая приведенная скорость конца лопасти вентилятора согласно одному из вариантов осуществления газотурбинного двигателя 20, не имеющему ограничительного характера, меньше приблизительно 1150 футов в секунду (351 м/с). Низкая приведенная скорость конца лопасти вентилятора согласно другому варианту осуществления газотурбинного двигателя 20, не имеющему ограничительного характера, меньше приблизительно 1400 футов в секунду (427 м/с). Низкая приведенная скорость конца лопасти вентилятора согласно другому варианту осуществления газотурбинного двигателя 20, не имеющему ограничительного характера, больше приблизительно 1000 футов в секунду (305 м/с).
На фиг. 2 схематично проиллюстрирован низкоскоростной каскад 30 газотурбинного двигателя 20. Указанный низкоскоростной каскад 30 содержит вентилятор 36, компрессор 38 низкого давления и турбину 39 низкого давления. Внутренний вал 34 соединяет между собой вентилятор 36, компрессор 38 низкого давления и турбину 39 низкого давления. Внутренний вал 34 соединен с вентилятором 36 через зубчатую передачу 50 привода вентилятора. В данном варианте осуществления зубчатая передача 50 привода вентилятора обеспечивает синхронное вращение турбины 39 низкого давления и вентилятора 36. Например, вентилятор 36 вращается в первом направлении D1 и турбина 39 низкого давления вращается в том же направлении D1, что и вентилятор 36.
На фиг. 3 проиллюстрирован один пример варианта осуществления зубчатой передачи 50 привода вентилятора, установленной в газотурбинный двигатель 20 для обеспечения синхронного вращения вентилятора 36 и турбины 39 низкого давления. В данном варианте осуществления изобретения, зубчатая передача 50 привода вентилятора представляет собой планетарную зубчатую передачу, содержащую солнечную шестерню 52, зафиксированную коронную шестерню 54, расположенную вокруг солнечной шестерни 52, и множество сателлитных шестерней 56, содержащих подшипники 57 скольжения и размещенных между солнечной шестерней 52 и коронной шестерней 54. Водило 58 ведет и прикрепляет каждую из указанных сателлитных шестерней 56. В данном варианте осуществления зафиксированная коронная шестерня 54 зафиксирована от вращения и соединена с заземляющей конструкцией 55 газотурбинного двигателя 20.
Солнечная шестерня 52 принимает входящий импульс от турбины 39 низкого давления (см. фиг. 2) и начинает вращаться в первом направлении D1, тем самым поворачивая множество сателлитных шестерней 56 во втором направлении D2, противоположном первому направлению D1. Движение множества сателлитных шестерней 56 передается к водилу 58, выполненному с возможностью вращения в первом направлении D1. Водило 58 соединено с вентилятором 36 для вращения вентилятора 36 (см. фиг. 2) в первом направлении D1.
Передаточное отношение планетарной зубчатой передачи 50 привода вентилятора определяют путем измерения диаметра коронной шестерни 54, деления измеренного значения на диаметр солнечной шестерни 52 и добавления к полученному отношению единицы. В одном варианте осуществления передаточное отношение планетарной зубчатой передачи 50 привода вентилятора находится в интервале от 2,5 до 5,0. Когда передаточное отношение планетарной зубчатой передачи меньше 2,5, то солнечная шестерня 52 намного больше, чем сателлитные шестерни 56. Такая разница в размерах сокращает нагрузку, которую способны выдерживать сателлитные шестерни 56, из-за сокращения размера подшипников 57 скольжения. Когда передаточное отношение передачи выше 5,0, то солнечная шестерня 52 намного меньше, чем сателлитные шестерни 56. Такая разница в размерах увеличивает размер подшипников 57 скольжения сателлитных шестерней 56, но уменьшает нагрузку, которую способна выдерживать солнечная шестерня 52, из-за уменьшения ее размера и количества зубьев. Альтернативно, вместо подшипников 57 скольжения могут быть использованы роликовые подшипники.
Повышение производительности газотурбинного двигателя 20 начинается с определения граничных условий на скорость по меньшей мере одной лопасти вентилятора 36 с целью задания скорости конца лопасти вентилятора.
Максимальный диаметр вентилятора определяют на основе прогнозируемого сгорания топлива, получаемого из баланса коэффициента полезного действия двигателя, массы воздуха, проходящего через наружный контур В, и массы двигателя, увеличивающейся в зависимости от размера лопастей вентилятора.
Затем определяют граничные условия для ротора каждой ступени турбины 39 низкого давления для определения скорости концов ротора и определения размера ротора и количества ступеней в турбине 39 низкого давления на основе коэффициента полезного действия турбины 39 низкого давления и компрессора 38 низкого давления.
Ограничения в отношении уровней напряжений в роторе и лопасти вентилятора используют для определения соответствия скорости вращения вентилятора 36 и турбины 39 низкого давления необходимому количеству рабочих циклов. Если уровни напряжений в роторе или лопасти вентилятора слишком высоки, передаточное отношение зубчатой передачи 50 привода вентилятора может быть уменьшено, а количество ступеней турбины 39 низкого давления или кольцевой области турбины 39 низкого давления может быть увеличено.
Хотя различные варианты осуществления изобретения, не имеющие ограничительного характера, проиллюстрированы содержащими конкретные компоненты, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены указанными конкретными комбинациями. Некоторые компоненты или признаки любых описанных вариантов осуществления изобретения, не имеющих ограничительного характера, могут быть использованы в сочетании с признаками или компонентами любых других вариантов осуществления изобретения, не имеющих ограничительного характера.
Следует понимать, что аналогичные номера позиций обозначают соответствующие или аналогичные элементы на нескольких чертежах. Следует также понимать, что хотя в указанных примерах вариантов осуществления раскрыто и изображено конкретное положение компонента, другие конструкции также могут быть усовершенствованы за счет применения идей, изложенных в настоящем изобретении.
Приведенное выше описание следует интерпретировать как иллюстративное и никоим образом не ограничивающее идеи настоящего изобретения. Специалисту данной области техники должно быть понятно, что определенные модификации могут попадать под объем настоящего изобретения. По этим причинам для определения действительного объема и содержания настоящего изобретения должна быть изучена нижеследующая формула изобретения.