МАЛОШУМНАЯ ТУРБИНА ДЛЯ РЕДУКТОРНОГО ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
LOW-NOISE TURBINE FOR GEARED TURBOFAN ENGINE

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США №61/592643, поданной 31 января 2012 г.
Уровень техники
[0002] Настоящая заявка относится к конструкции турбины, которая может работать, создавая шум, к которому менее чувствителен человеческий слух.
[0003] Газотурбинные двигатели являются известными и обычно содержат вентилятор, подающий воздух в компрессор. Воздух сжимается в компрессоре и поступает далее в секцию камеры сгорания, где он смешивается с топливом и воспламеняется. Газообразные продукты этого сгорания проходят далее к турбинным роторам, приводя их во вращение.
[0004] Обычно имеется ротор турбины высокого давления и ротор турбины низкого давления. Каждый из турбинных роторов содержит несколько рядов лопаток турбины, которые вращаются с ротором. В промежутках между рядами лопаток турбины расположены стационарные лопатки.
[0005] Турбина низкого давления может представлять собой значительный источник шума, поскольку шум возникает в результате динамического взаимодействия текучих сред между рядами лопаток и рядами сопловых лопаток. Такие взаимодействия создают звуковые тоны на частоте следования лопаток в каждой ступени турбины низкого давления и их гармоники.
[0006] Шум часто находится в диапазоне частот, к которым очень чувствителен слух человека. Для смягчения указанной проблемы в прошлом управляли соотношением стационарных и роторных лопаток, чтобы оно было выше определенного числа. Например, соотношение стационарных и роторных лопаток может быть выбрано 1,5 или больше для препятствования распространению на большое расстояние основного тона межлопаточного прохода. Это известно как "отсечка".
[0007] Однако акустически отсекающие конструкции могут быть реализованы за счет увеличения веса двигателя и ухудшения аэродинамических качеств. Иными словами, ограничение проектировщика конкретным соотношением стационарных и роторных лопаток влечет за собой ограничение в выборе такого соотношения на основании других характеристик проектируемого двигателя.
[0008] Традиционно турбина низкого давления приводила во действие секцию компрессора низкого давления и вентиляторную секцию. Позднее стали использовать понижающий редуктор, чтобы иметь возможность приводить во вращение вентилятор и компрессор низкого давления с различными скоростями.
Сущность изобретения
[0009] В характерном варианте реализации газотурбинный двигатель содержит вентилятор, компрессорную секцию, содержащую компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, секцию камеры сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления. Турбина низкого давления приводит во вращение компрессор низкого давления и вентилятор. Для уменьшения скорости вращения вентилятора относительно входной скорости турбины низкого давления используют понижающий редуктор. Турбина низкого давления имеет определенное число лопаток в каждом из множества рядов турбины. Рабочие лопатки турбины низкого давления вращаются с определенной скоростью. Число лопаток и скорость вращения выбирают таким образом, чтобы, по меньшей мере, для одного из рядов лопаток турбины низкого давления была справедлива следующая формула: (число лопаток × скорость вращения)/60≥5500. Угловая скорость вращения представляет собой скорость при заходе на посадку, выраженную в оборотах в минуту.
[0010] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации число, полученное в результате вычисления по указанной формуле, больше или равно 6000.
[0011] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации газотурбинный двигатель рассчитан на создание тяги, составляющей 15000 фунтов или больше.
[0012] В другом варианте реализации согласно непосредственно предыдущему варианту реализации формула справедлива для большинства рядов лопаток турбины низкого давления.
[0013] В другом варианте реализации согласно непосредственно предыдущему варианту реализации формула справедлива для всех рядов лопаток турбины низкого давления.
[0014] В другом варианте реализации согласно характерному варианту реализации формула справедлива для большинства рядов лопаток турбины низкого давления.
[0015] В другом варианте реализации согласно характерному варианту реализации формула справедлива для всех рядов лопаток турбины низкого давления.
[0016] В другом характерном варианте реализации способ конструирования газотурбинного двигателя включает в себя шаги установки понижающего редуктора между турбиной низкого давления и вентилятором, и выбора числа лопаток роторов турбины низкого давления в сочетании со угловой скоростью вращения турбины низкого давления таким образом, что следующая формула справедлива, по меньшей мере, для одного из рядов лопаток турбины низкого давления: (число лопаток × скорость)/60≥5500. Угловая скорость вращения представляет собой скорость при заходе на посадку, выраженную в оборотах в минуту.
[0017] В другом варианте реализации в результате вычисления по указанной формуле получают число, большее или равное 6000.
[0018] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации газотурбинный двигатель рассчитывают на создание тяги 15000 фунтов или больше.
[0019] В другом варианте реализации согласно непосредственно предшествующему варианту реализации формула справедлива для большинства рядов лопаток турбины низкого давления.
[0020] В другом варианте реализации согласно непосредственно предшествующему варианту реализации формула справедлива для всех рядов лопаток турбины низкого давления.
[0021] В другом варианте реализации согласно характерному варианту реализации формула справедлива для большинства рядов лопаток турбины низкого давления.
[0022] В другом варианте реализации согласно непосредственно предшествующему варианту реализации формула справедлива для всех рядов лопаток турбины низкого давления.
[0023] В другом характерном варианте реализации турбинный модуль газотурбинного двигателя содержит турбину низкого давления с определенным числом турбинных лопаток в каждом из множества рядов турбины. Лопатки турбины низкого давления работают с определенной угловой скоростью вращения. Число лопаток и скорость вращения выбраны так, что следующая формула справедлива, по меньшей мере, для одного из рядов лопаток турбины низкого давления: (число лопаток × скорость)/60≥5500. Угловая скорость вращения представляет собой скорость при заходе на посадку, выраженную в оборотах в минуту.
[0024] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации в результате вычисления по указанной формуле получают число, большее или равное 6000.
[0025] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации газотурбинный двигатель рассчитан на создание тяги, составляющей 15000 фунтов или больше.
[0026] В другом варианте реализации согласно непосредственно предшествующему варианту реализации формула справедлива для большинства рядов лопаток турбины низкого давления.
[0027] В другом варианте реализации согласно непосредственно предшествующему варианту реализации формула справедлива для всех рядов лопаток турбины низкого давления.
[0028] В другом варианте реализации согласно характерному варианту реализации формула справедлива для большинства рядов лопаток турбины низкого давления.
[0029] В другом варианте реализации согласно характерному варианту реализации формула справедлива для всех рядов лопаток турбины низкого давления. Эти и другие характеристики изобретения станут более понятными из приведенного далее описания и чертежей, краткое описание которых следует ниже.
Краткое описание чертежей
[0030] На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель.
Осуществление изобретения
[0031] На фиг. 1 схематически показан газотурбинный двигатель 20. Газотурбинный двигатель 20 раскрыт здесь в виде двухкаскадного турбовентиляторного двигателя, который обычно содержит вентиляторную секцию 22, компрессорную секцию 24, секцию камеры сгорания 26 и турбинную секцию 28. Альтернативные двигатели могут содержать секцию усилителя тяги (не показана) или промежуточный контур наряду с другими системами или компонентами. Вентиляторная секция 22 нагнетает воздух в наружный контур, в то время как компрессорная секция 24 нагнетает воздух во внутренний контур для сжатия и подачи в секцию камеры сгорания 26 с последующим расширением в турбинной секции 28. В данном неограничительном варианте осуществления показан турбовентиляторный газотурбинный двигатель, однако, следует понимать, что описанные здесь концепции не ограничены применением в турбовентиляторных двигателях, поскольку эти положения могут быть использованы для других типов турбинных двигателей, включая трехконтурные конструкции.
[0032] Двигатель 20 обычно содержит низкоскоростной каскад 30 и высокоскоростной каскад 32, установленные с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси A двигателя относительно неподвижной конструкции 36 двигателя при помощи нескольких подшипниковых систем 38. При этом следует понимать, что различные подшипниковые системы 38 могут быть альтернативно или дополнительно установлены на различных участках.
[0033] Низкоскоростной контур 30 обычно содержит внутренний вал 40, который соединяет вентилятор 42, компрессор 44 низкого давления и турбину 46 низкого давления. Внутренний вал 40 соединяется с вентилятором 42 при помощи редукторного устройства 48 для обеспечения приведения в действие вентилятора 42 с более низкой скоростью, чем скорость низкоскоростного каскада 30. Высокоскоростной каскад 32 содержит наружный вал 50, который соединяет компрессор 52 высокого давления и турбину 54 высокого давления. Камера 56 сгорания расположена между компрессором 52 высокого давления и турбиной 54 высокого давления. Между турбиной 54 высокого давления и турбиной 46 низкого давления обычно находится промежуточная силовая рама 57 неподвижной конструкции 36 двигателя. Промежуточная силовая рама 57 служит дополнительной опорой для подшипниковых систем 38 в турбинной секции 28. Внутренний вал 40 и наружный вал 50 являются концентричными и вращаются при помощи подшипниковых систем 38 вокруг центральной продольной оси A двигателя, коллинеарной их продольным осям.
[0034] Воздушный поток внутреннего контура сжимается компрессором 44 низкого давления, затем компрессором 52 высокого давления, смешивается с топливом и сжигается в камере 56 сгорания и далее расширяется в турбине 54 высокого давления и турбине 46 низкого давления. Промежуточная силовая рама 57 имеет аэродинамические поверхности 59, которые расположены на пути движения воздушного потока во внутреннем контуре. В ответ на указанное расширение турбины 46, 54 приводят во вращение соответствующий низкоскоростной каскад 30 и высокоскоростной каскад 32
[0035] Термины "низкий" и "высокий", применяемые к скорости вращения или к давлению контуров, компрессоров и турбин, являются, разумеется, относительными друг друга. Таким образом, низкоскоростной каскад работает с более низкой скоростью вращения, чем высокоскоростной каскад, а секции низкого давления работают при более низком давлении, чем секции высокого давления.
[0036] Двигатель 20 в одном примере представляет собой редукторный авиационный двигатель с высокой степенью двухконтурности. В другом примере степень двухконтурности двигателя 20 превышает приблизительно шесть (6), в частности превышает приблизительно десять (10), редукторное устройство 48 представляет собой эпициклическую зубчатую передачу, в частности, планетарную зубчатую передачу или другую зубчатую передачу, с понижающим передаточным числом, большим чем примерно 2.3, а турбина 46 низкого давления имеет отношение давлений больше чем приблизительно 5. В одном раскрытом варианте осуществления степень двухконтурности двигателя 20 больше чем приблизительно десять (10:1), диаметр вентилятора значительно превосходит диаметр компрессора 44 низкого давления, а турбина 46 низкого давления имеет отношение давлений больше чем приблизительно 5:1. Коэффициент давления турбины 46 низкого давления представляет собой отношение давления, измеренного перед входом турбины 46 низкого давления к давлению на выходе турбины 46 низкого давления перед реактивным соплом. Редукторное устройство 48 может представлять собой эпициклическую зубчатую передачу, в частности планетарную зубчатую передачу или другую зубчатую передачу с понижающим передаточным числом, большим чем примерно 2,5:1. Однако следует понимать, что вышеуказанные параметры приведены только в качестве примера для одного варианта осуществления двигателя с редукторным устройством и что настоящее изобретение может быть использовано для других газотурбинных двигателей, в том числе для безредукторных турбовентиляторных двигателей.
окружающей среды
0,5
[0037] Значительная величина тяги обеспечивается потоком B наружного контура, благодаря высокой степени двухконтурности. Вентиляторная секция 22 двигателя 20 рассчитана на определенный режим полета - обычно крейсерский режим со скоростью примерно 0,8 Мах на высоте примерно 35000 футов. Этот режим полета при 0,8 Маха и 35,000 футах с оптимальным потреблением топлива двигателем, также известный как крейсерский полет с минимальным удельным расходом топлива по тяге (TSFC, от англ. Thrust Specific Fuel Consumption,) представляет собой промышленный стандартный параметр, определяющий количество сжигаемого топлива, выраженное в фунтах, разделенное на тягу, выраженную в фунтах-сила, развиваемую двигателем в этой минимальной точке. «Минимальное отношение давлений в вентиляторе» представляет собой отношение давлений только на лопатке вентилятора без системы выходных направляющих лопаток вентилятора (FEGV, от англ. Fan Exit Guide Vane). Минимальное отношение давлений в вентиляторе согласно одному раскрываемому в данном описании неограничительному варианту осуществления составляет менее чем приблизительно 1,45. «Минимальная приведенная окружная скорость лопатки вентилятора» представляет собой фактическую окружную скорость лопатки вентилятора в фут/сек, деленную на промышленную стандартную температурную поправку [(T °R)/ (518,7°R)]. «Нижняя приведенная окружная скорость лопатки вентилятора» согласно одному неограничительному варианту осуществления, раскрываемому в настоящем документе, составляет менее чем приблизительно 1150 фут/сек.
[0038] Применение понижающего редуктора между турбиной контура низкого давления и вентилятором позволяет увеличить скорость вращения компрессора низкого давления. В прошлом скорость вращения турбины низкого давления была несколько ограничена тем, что скорость вращения вентилятора не может быть чрезмерно большой. Максимальная скорость вращения вентилятора имеет место на наружной кромке его лопатки, при этом в более крупных двигателях диаметр вентилятора является гораздо большим, чем он может быть в менее мощных двигателях. Однако применение понижающего редуктора освободило конструктора от ограничения скорости вращения турбины низкого давления, вызванного необходимостью исключать чрезмерно высокие скорости вращения вентиляторов.
[0039] Как оказалось, можно выбрать определенное соотношение между числом вращающихся лопаток и угловой скоростью вращения турбины низкого давления, чтобы получить в результате шумовые частоты, которые в меньшей степени воспринимаются человеческим слухом.
[0040] Выведена следующая формула:
(число лопаток × угловая скорость вращения)/60≥5500.
[0041] Таким образом, число вращающихся лопаток в любой ступени турбины низкого давления, умноженное на угловую скорость вращения турбины низкого давления (в оборотах в минуту), разделенное на 60, должно быть больше или равно 5500. Точнее, это количество должно превышать 6000.
[0042] Рабочая скорость турбины низкого давления, используемая в указанной формуле, должна соответствовать режиму работы двигателя в каждой контрольной точке замера шумов, определяемой в соответствии с частью 36 Федеральных норм летной годности. Более конкретно, скорость вращения может быть принята в качестве контрольной точки замера шумов на участке захода на посадку согласно Части 36 Федеральных авиационных правил (Federal Airworthiness Regulations). В рамках настоящей заявки и ее формулы изобретения термин «скорость при заходе на посадку» соответствует этой контрольной точке сертификации.
[0043] Предусмотрено, что все ряды в турбине низкого давления соответствуют вышеуказанной формуле. Однако данное положение может также распространяться на турбины низкого давления, где большинство рядов лопаток в турбине низкого давления соответствуют вышеуказанной формуле, однако, некоторые ряды могу не соответствовать ей.
[0044] В результате этого при работе будет возникать шум, к которому человеческий слух менее чувствителен.
[0045] В вариантах осуществления изобретения результат расчета по указанной формуле может быть большим или равным 5500 и возрастать далее. Таким образом, путем тщательного выбора числа лопаток и управления рабочей скоростью турбины низкого давления (специалистам известно, каким образом управлять этой скоростью) можно обеспечить частоты шумов, создаваемых турбиной низкого давления, к которым человеческий слух менее чувствителен.
[0046] Данное изобретение в наибольшей степени может быть использовано для реактивных двигателей, рассчитанных на создание тяги, составляющей 15000 фунтов тяги или более. В этом диапазоне тяги реактивные двигатели, известные из уровня техники, обычно имеют частотный диапазон шумов около 4000 Гц. Поэтому, как указано выше, имеют место проблемы, связанные с шумом.
[0047] Двигатели с меньшей тягой (<15000 фунтов) могут работать в режимах, которые иногда превосходят величину 4000 и даже приближаются к 6000, однако это происходит не в сочетании с редукторным устройством и не для двигателей с приводом сравнительно высокой мощности, которые имеют большие вентиляторы и, следовательно, повышенные ограничения на скорость вращения турбины низкого давления.
[0048] В данном описании раскрыт один вариант осуществления настоящего изобретения, однако для специалистов очевидно, что в пределах объема этого изобретения в него могут быть внесены определенные видоизменения. По этой причине следует изучить прилагаемую формулу изобретения, чтобы определить истинный объем и содержание данного изобретения.