ЗУБЧАТЫЙ ВЕНТИЛЯТОР, СОДЕРЖАЩИЙ ВНУТРЕННИЙ КОМПРЕССОР ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ
GEARED FAN WITH INNER COUNTER ROTATING COMPRESSOR

Область техники
[0001] Газотурбинный двигатель содержит секцию вентилятора, секцию компрессора, секцию камеры сгорания и секцию турбины. Секция вентилятора нагнетает воздух по каналу потока наружного контура, а секция компрессора нагнетает воздух по каналу потока внутреннего контура для сжатия и сообщения с секцией камеры сгорания, а затем расширения через секцию турбины.
[0002] Двигатель обычно содержит низкоскоростной вал и высокоскоростной вал, прикрепленные с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси двигателя относительно неподвижной конструкции двигателя через несколько систем подшипников. Высокоскоростной вал обеспечивает взаимное соединение компрессора высокого давления и турбины высокого давления. Низкоскоростной вал обеспечивает взаимное соединение вентилятора, компрессора низкого давления и турбины низкого давления. В одном примере низкоскоростной вал присоединен к вентилятору через зубчатую конструкцию для приведения в движение вентилятора на более низкой скорости, чем низкоскоростной вал. Компрессор низкого давления расположен сзади или за зубчатой конструкцией. Приведенная в качестве примера конфигурация двигателя, содержащая такое расположение компрессора низкого давления, раскрыта в патенте США №8176725.
[0003] Поток воздуха внутреннего контура сжимается компрессором низкого давления, затем компрессором высокого давления, смешивается с топливом и сгорает в камере сгорания, затем расширяется в турбине высокого давления и турбине низкого давления. В результате расширения турбины вращательно приводят в движение соответствующие низкоскоростной и высокоскоростной валы. Эта обычная конфигурация обеспечивает турбовентилятор с редукторным приводом значительной длины. В некоторых применениях требуются двигатели более короткой длины.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В предложенном варианте реализации газотурбинный двигатель содержит секцию вентилятора, содержащую втулку вентилятора, поддерживающую множество лопаток вентилятора для вращения относительно корпуса вентилятора. Вал выполнен с возможностью вращения относительно корпуса вентилятора вокруг центральной оси двигателя. Зубчатая конструкция приведена в движение валом и обеспечивает приводное усилие для вращения втулки вентилятора. Компрессор расположен спереди от зубчатой конструкции и радиально внутри лопаток вентилятора, компрессор приведен в движение валом.
[0005] Еще в одном варианте реализации в соответствии с предыдущим вариантом реализации компрессор содержит ротор. Вал непосредственно приводит ротор в движение.
[0006] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации, компрессор содержит компрессор низкого давления, содержащий множество лопаток, прикрепленных с возможностью вращения с валом, и множество направляющих лопаток, прикрепленных к втулке вентилятора.
[0007] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации компрессор низкого давления содержит множество ступеней.
[0008] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации компрессор содержит ротор, непосредственно приводимый в движение валом. Множество ступеней содержит по меньшей мере первую ступень, содержащую первый комплект лопаток, непосредственно прикрепленных к валу, и первый комплект направляющих лопаток, прикрепленных к втулке вентилятора, и вторую ступень, содержащую второй комплект лопаток, прикрепленных к ротору, и второй комплект направляющих лопаток, прикрепленных к втулке вентилятора.
[0009] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации направляющие лопатки выполнены с возможностью вращения в одном направлении с втулкой вентилятора, а лопатки выполнены с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения вала.
[0010] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации по меньшей мере один подшипник соединительного вала установлен между валом и комплектом направляющих лопаток для поддержания направляющих лопаток для вращения относительно вала.
[0011] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации неподвижная конструкция и по меньшей мере один опорный подшипник вентилятора поддерживает втулку вентилятора для вращения относительно неподвижной конструкции. Зубчатая конструкция содержит солнечную шестерню, приводимую в движение валом. Множество шестерен звездного типа опираются на водило, прикрепленное к неподвижной конструкции, и находятся в зацепляющем взаимодействии с солнечной шестерней, а наружная кольцевая шестерня находится в зацепляющем взаимодействии с шестернями звездного типа.
[0012] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации втулка вентилятора содержит множество стоек привода вентилятора. Наружная кольцевая шестерня обеспечивает приводной вход к стойкам привода вентилятора.
[0013] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации по меньшей мере один опорный подшипник вентилятора содержит по меньшей мере первый подшипник, расположенный радиально между стойками привода вентилятора и неподвижной конструкцией.
[0014] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации второй подшипник расположен радиально между втулкой вентилятора и неподвижной конструкцией, и расположен спереди первого подшипника.
[0015] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации секция вентилятора содержит множество неподвижных направляющих лопаток, проходящих между корпусом вентилятора и неподвижной конструкцией.
[0016] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации компрессор содержит ротор, непосредственно приводимый в движение валом. Компрессор содержит первую ступень, содержащую первый комплект лопаток, прикрепленных к переднему концу вала, и первый комплект направляющих лопаток, прикрепленных к втулке вентилятора, вторую ступень, расположенную за первой ступенью и содержащую второй комплект лопаток, прикрепленных к ротору, и второй комплект направляющих лопаток, прикрепленных к втулке вентилятора, и третью ступень, расположенную за второй ступенью и содержащую третий комплект лопаток, прикрепленных к ротору.
[0017] Еще в одном предложенном варианте реализации газотурбинный двигатель содержит секцию вентилятора, содержащую наружный корпус вентилятора, неподвижную конструкцию, расположенную радиально внутри наружного корпуса вентилятора, и втулку вентилятора, поддерживающую множество лопаток вентилятора для вращения относительно неподвижной конструкции. По меньшей мере один опорный подшипник вентилятора поддерживает втулку вентилятора для вращения относительно неподвижной конструкции. Вал выполнен с возможностью вращения относительно неподвижной конструкции вокруг центральной оси двигателя. Зубчатая конструкция приведена в движение валом и обеспечивает приводное усилие для вращения втулки вентилятора. Компрессор низкого давления расположен спереди от зубчатой конструкции и радиально внутри лопаток вентилятора. Компрессор непосредственно приведен в движение валом.
[0018] Еще в одном варианте реализации в соответствии с предыдущим вариантом реализации зубчатая конструкция содержит солнечную шестерню, непосредственно приводимую в движение валом. Множество шестерен звездного типа опираются на водило, прикрепленное к неподвижной конструкции, и находятся в зацепляющем взаимодействии с солнечной шестерней, а наружная кольцевая шестерня находится в зацепляющем взаимодействии с шестернями звездного типа для приведения втулки вентилятора в движение.
[0019] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации втулка вентилятора содержит множество стоек привода вентилятора. Наружная кольцевая шестерня находится во взаимодействии с стойками привода вентилятора с возможностью передачи приводного усилия.
[0020] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации по меньшей мере один опорный подшипник вентилятора содержит по меньшей мере первый подшипник, расположенный радиально между стойками привода вентилятора и неподвижной конструкцией, и второй подшипник, расположенный радиально между втулкой вентилятора и неподвижной конструкцией. Второй подшипник расположен спереди первого подшипника в осевом направлении.
[0021] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации первый подшипник содержит роликовый подшипник, а второй подшипник содержит шариковый подшипник.
[0022] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации компрессор низкого давления содержит по меньшей мере одну ступень, содержащую комплект лопаток, приводимых в движение валом, и комплект направляющих лопаток, расположенных за комплектом лопаткок. Направляющие лопатки выполнены с возможностью вращения в одном направлении с втулкой вентилятора, а лопатки выполнены с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения вала.
[0023] Еще в одном варианте реализации в соответствии с любым из предыдущих вариантов реализации по меньшей мере один подшипник соединительного вала установлен между валом и комплектом направляющих лопаток для поддержания направляющих лопаток для вращения относительно вала.
[0024] Эти и другие характерные особенности этой заявки будут более понятны из следующего описания и чертежей, краткое описание которых следует далее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0025] Фиг. 1 изображает схематический вид секции вентилятора и компрессора низкого давления газотурбинного двигателя.
[0026] Фиг. 2 изображает схематический вид компрессора высокого давления, камеры сгорания и секции турбины газотурбинного двигателя.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0027] Фиг. 1-2 изображают схематический вид газотурбинного двигателя 20. Раскрытый в настоящем описании газотурбинный двигатель 20 представлен двухкаскадным турбовентиляторным двигателем, который обычно содержит секцию 22 вентилятора, секцию 24 компрессора, секцию 26 камеры сгорания и секцию 28 турбины. Альтернативно, кроме прочих систем или характерных особенностей, двигатели могут содержать секцию устройства для увеличения тяги (не показано). Секция 22 вентилятора нагнетает воздух по каналу В потока наружного контура, а секция компрессора 24 нагнетает воздух по каналу С потока внутреннего контура для сжатия и сообщения с секцией 26 камеры сгорания, а затем расширения через секцию 28 турбины. Несмотря на то, что в раскрытом не ограничивающем варианте реализации на изображении показан турбовентиляторный газотурбинный двигатель, следует понимать, что описанные в настоящем описании идеи не ограничиваются применением с турбовентиляторными двигателями, так как они могут быть применены к турбинным двигателям других видов, в том числе трехкаскадных конструкций.
[0028] Двигатель 20 обычно содержит низкоскоростной каскад 30 и высокоскоростной каскад 32, прикрепленные с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси А двигателя относительно неподвижной конструкции 36 двигателя через несколько систем 38 подшипников. Следует понимать, что на различных участках альтернативно или дополнительно могут содержаться различные системы 38 подшипников.
[0029] Низкоскоростной каскад 30 обычно содержит внутренний вал 40, обеспечивающий взаимное соединение секции 44 компрессора низкого давления (или давления первой ступени) и секции 46 турбины низкого давления (или давления первой ступени). Секция 22 вентилятора содержит вентилятор 42, приводимый в движение внутренним валом 40 через зубчатую конструкцию 48. Высокоскоростной каскад 32 содержит наружный вал 50, обеспечивающий взаимное соединение секции 52 компрессора высокого давления (или давления второй ступени) и секции 54 турбины высокого давления (или давления второй ступени). Камера 56 сгорания расположена между компрессором 52 высокого давления и турбиной 54 высокого давления. Корпус 57 турбины среднего давления неподвижной конструкции 36 двигателя обычно расположен между турбиной 54 высокого давления и турбиной 46 низкого давления. Корпус 57 турбины среднего давления поддерживает по меньшей мере одну систему 38 подшипников в секции 28 турбины. Внутренний вал 40 и наружный вал 50 концентричны и выполнены с возможностью вращения через системы 38 подшипников вокруг центральной продольной оси А двигателя, которая лежит на одной прямой с их продольными осями. В соответствии с настоящим описанием компрессор или турбина «высокого давления» подвергается более высокому давлению, чем соответствующий компрессор или турбина «низкого давления».
[0030] Поток С воздуха внутреннего контура сжимается компрессором 44 низкого давления, затем компрессором 52 высокого давления, смешивается с топливом и сгорает в камере 56 сгорания, затем расширяется в турбине 54 высокого давления и турбине 46 низкого давления. Корпус 57 турбины среднего давления содержит детали 59 с аэродинамическим профилем, расположенные в канале потока воздуха внутреннего контура. В результате расширения турбины 46, 54 вращательно приводят в движение соответствующий низкоскоростной каскад 30 и высокоскоростной каскад 32.
[0031] В одном примере двигатель 20 представлен зубчатым авиационным двигателем с высоким коэффициентом двухконтурности. Еще в одном примере коэффициент двухконтурности двигателя 20 больше чем шесть (6), а в приведенном в качестве примера варианте реализации больше чем приблизительно десять (10), зубчатая конструкция 48 представлена планетарным блоком шестерен, таким как зубчатая система звездного типа или другая зубчатая система, коэффициент редукции которого больше, чем приблизительно 2, 3, а коэффициент давления турбины 46 низкого давления больше чем приблизительно 5. В одном раскрытом варианте реализации коэффициент двухконтурности двигателя 20 больше чем приблизительно десять (10:1), диаметр вентилятора значительно больше диаметра компрессора 44 низкого давления, а коэффициент давления турбины 46 низкого давления больше чем приблизительно 5:1. Коэффициент давления турбины 46 низкого давления получен посредством измерения давления до входа в турбину 46 низкого давления относительно давления на выходе из турбины 46 низкого давления до выпускного патрубка. Однако следует понимать, что вышеуказанные параметры приведены исключительно в качестве примера одного варианта реализации двигателя зубчатой конструкции и что настоящее изобретение также относится к другим газотурбинным двигателям, в том числе к турбовентиляторным двигателям с прямой передачей.
[0032] Вследствие высокого коэффициента двухконтурности, потоком В наружного контура обеспечивается значительная величина расхода. Секция 22 вентилятора двигателя 20 разработана для определенных условий полета - обычно для крейсерского полета при скорости, составляющей 0,8 Мах, на высоте, приблизительно составляющей 35000 футов (10668 м). Условия полета, а именно скорость, составляющая 0,8 Мах, высота, приблизительно составляющая 35000 футов (10668 м), при условии наилучшего расхода топлива двигателем - также известны как "область минимума удельного расхода топлива на килограмм тяги в час крейсерского полета ('TSFC')" - являются стандартным параметром в промышленности, выражаемым как фунт-масса сгораемого топлива поделенная на фунт-силу тяги, образуемой двигателем на этой в этой области минимума. "Коэффициент давления вентилятора" является коэффициентом давления на лопатки вентилятора, без системы выходной направляющей лопатки вентилятора ("FEGV"). В соответствии с настоящим описанием низкий коэффициент давления вентилятора в соответствии с одним не ограничивающим вариантом реализации меньше чем приблизительно 1,45. "Низкая приведенная окружная скорость лопатки вентилятора" является фактической скоростью лопатки вентилятора, измеряемой в футах в секунду, поделенной на стандартную в промышленности поправку на температуру, составляющую [(Тсреды °R)  518,7)^0,5]. В соответствии с настоящим описанием "низкая приведенная окружная скорость лопатки вентилятора" в соответствии с одним не ограничивающим вариантом реализации меньше чем приблизительно 1150 футов/с (350,52 м/с).
[0033] В соответствии с фиг. 1 секция 22 вентилятора содержит втулку 60 вентилятора, поддерживающую множество лопаток 62 вентилятора для вращения относительно корпуса 64 вентилятора. Зубчатая конструкция 48 приведена в движение внутренним валом 40 и обеспечивает приводное усилие для вращения втулки 60 вентилятора таким образом, чтобы скорость вращения втулки 60 вентилятора была ниже скорости вращения внутреннего вала 40. В одном примере коэффициент передачи между валом и вентилятором приблизительно составляет 3:1; однако также могут быть применены и другие коэффициенты. Компрессор 44 низкого давления содержит ротор 66, расположенный спереди от зубчатой конструкции 48. Ротор 66 принимает приводной вход от внутреннего вала 40.
[0034] В одном примере внутренний вал 40 непосредственно приводит ротор 66 в движение, т.е. ротор 66 приведен в движение валом не через зубчатую конструкцию. Таким образом, ротор 66 компрессора 44 низкого давления отделен от вентилятора 42.
[0035] На примере, изображенном на фиг. 1, компрессор 44 низкого давления содержит множество ступеней 68а, 68b, 68с, при этом каждая из первой 68а и второй 68b ступеней содержит комплект лопаток 70 и комплект направляющих лопаток 72, расположенных за соответствующим комплектом лопаток 70. В этом примере третья ступень 68с содержит комплект лопаток; однако третий комплект направляющих лопаток 72 при необходимости также может быть использован с третей ступенью 68с. Комплект лопаток 70 первой ступени 68а непосредственно прикреплен к внутреннему валу 40. Комплекты лопаток 70 второй 68b и третей 68с ступеней прикреплены с возможностью вращения с ротором 66. В этом примере компрессор 44 низкого давления содержит три ступени; однако следует понимать, компрессор 44 низкого давления может содержать меньшее количество ступеней, чем показано, или содержать дополнительные ступени.
[0036] Лопатки 70 прикреплены с возможностью вращения с внутренним валом 40, а направляющие лопатки 72 прикреплены к втулке 60 вентилятора. Соответственно, направляющие лопатки 72 выполнены с возможностью вращения в одном направлении с втулкой 60 вентилятора, а ротор 66 и лопатки 70 выполнены с возможностью вращения по направлению, обратному направлению вращения внутреннего вала 40. Дополнительно, так как втулка 60 вентилятора приведена в движение через зубчатую конструкцию 48, скорость вращения направляющих лопаток 72 и втулки 60 вентилятора ниже скорости вращения внутреннего вала 40, ротора 66 и лопаток 70.
[0037] Система 38 подшипников содержит по меньшей мере один подшипник 74 соединительного вала, установленный между внутренним валом 40 и одним комплектом направляющих лопаток 72 для обеспечения дополнительной поддержки направляющих лопаток 72 при повороте вала 40 и направляющих лопаток 72 относительно друг друга. В одном примере подшипник 74 соединительного вала поддерживает направляющие лопатки 72 первой ступени 68а, т.е. ступени, расположенной первой в двигателе 20. В изображенном примере подшипник 74 соединительного вала расположен радиально по одной линии с лопатками 62 вентилятора.
[0038] Внутренний вал 40 содержит участок 76 с увеличенным диаметром на переднем конце 78 внутреннего вала 40. Комплект лопаток 70 для первой ступени 68а непосредственно установлен для вращения с внутренним валом 40 на участке 76 с увеличенным диаметром. Подшипник 74 соединительного вала расположен за этими лопатками 70. Ротор 66, поддерживающий лопатки 70 для второй 68b и третей 68 с ступеней, расположен за подшипником 74 соединительного вала.
[0039] Двигатель 20 содержит неподвижную конструкцию 80 и по меньшей мере один опорный подшипник 82 вентилятора, поддерживающий втулку 60 вентилятора для вращения относительно неподвижной конструкции 80. В одном примере зубчатая конструкция 48 содержит солнечную шестерню 84, приводимую в движение внутренним валом 40, и множество шестерен 86 звездного типа, опирающихся на водило, прикрепленное к неподвижной конструкции 80. Шестерни 86 звездного типа находятся в зацепляющем взаимодействии с солнечной шестерней 84, а наружная кольцевая шестерня 90 находится в зацепляющем взаимодействии с шестернями 86 звездного типа. Следовательно, внутренний вал 40 непосредственно приводит в движение солнечную шестерню 84, а наружная кольцевая шестерня 90 обеспечивает втулку 60 вентилятора приводным выходом.
[0040] В одном примере втулка 60 вентилятора содержит множество стоек 92 привода вентилятора. Втулка 60 вентилятора содержит передний конец 94 и задний конец 96. Лопатки 62 вентилятора прикреплены к переднему концу 94 и проходят радиально наружу по направлению к корпусу 64 вентилятора. Стойки 92 привода вентилятора прикреплены к заднему концу 96 и проходят радиально внутрь по направлению к центральной оси А двигателя. Наружная кольцевая шестерня 90 обеспечивает стойки 92 привода вентилятора прямым приводным входом.
[0041] В одном примере по меньшей мере один опорный подшипник 82 вентилятора содержит по меньшей мере первый подшипник 82а, расположенный радиально между стойками 92 привода вентилятора и неподвижной конструкцией 80, и второй подшипник 82b, расположенный радиально между втулкой 60 вентилятора и неподвижной конструкцией 80. Второй подшипник 82b расположен спереди первого подшипника 82а. В одном примере второй подшипник 82b расположен радиально по одной линии со второй ступенью 68b компрессора 44 низкого давления. Дополнительно, второй подшипник 82b расположен между подшипником 74 соединительного вала и первым подшипником 82а в осевом направлении. В одном примере первый подшипник 82а содержит роликовый подшипник, а второй подшипник 82b содержит шариковый подшипник.
[0042] Секция 22 вентилятора также содержит множество неподвижных направляющих лопаток 100, проходящих между корпусом 64 вентилятора и неподвижной конструкцией 80. Неподвижные направляющие лопатки 100 расположены непосредственно за лопатками 62 вентилятора.
[0043] Посредством расположения компрессора 44 низкого давления спереди зубчатой конструкции 48, общая длина зубчатого турбовентиляторного двигателя может быть уменьшена. Ротор 66 компрессора низкого давления имеет не зубчатую конструкцию и, следовательно, выполнен с возможностью вращения на большей скорости и в направлении, противоположном направлению вращения зубчатого вентилятора 42. Следовательно, канал С потока внутреннего (центрального) контура содержит расположенный спереди и выполненный с возможностью вращения в противоположном направлении компрессор 44 низкого давления. Направляющие лопатки 72 компрессора низкого давления присоединены к втулке 60 вентилятора и, следовательно, выполнены с возможностью вращения с зубчатым вентилятором 42 в направлении, противоположном направлению вращения лопаток 70 вентилятора. Вентилятор 42 приведен в движение стойками 92, составляющими часть канала потока компрессора низкого давления. В результате противоположного вращения лопаток 70 компрессора низкого давления и направляющих лопаток 72, уровень сжатия на ступень (лопатка/ направляющая лопатка) превышает уровень сжатия известных двигателей, в которых направляющие лопатки выполнены неподвижно. Дополнительно, в результате этого увеличения уровня сжатия на ступень, для обеспечения одинакового уровня сжатия требуется меньшее количество ступеней по сравнению с известными двигателями. В заключение, в результате необходимости меньшего количества ступеней существенно уменьшено количество частей двигателя, что позволяет обеспечить меньший вес и меньшую общую длину двигателя в осевом направлении по сравнению с известными двигателями.
[0044] Несмотря на раскрытый вариант реализации этого изобретения, среднему специалисту в данной области техники будет понятно, что некоторые модификации находятся в пределах этого изобретения. Поэтому, для определения настоящего объема и содержания настоящего изобретения следует изучать следующую формулу изобретения.