ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ТУРБИННОЙ СЕКЦИЕЙ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРНЫМИ ОСОБЕННОСТЯМИ ОПОРЫ ПОДШИПНИКОВ
GAS TURBINE ENGINE WITH HIGH-SPEED TURBINE SECTION OF LOW PRESSURE AND CHARACTERISTIC FEATURES OF SUPPORT OF BEARINGS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США №61/619,124, поданной 2 апреля 2012 г., и является частичным продолжением заявки на патент США №13/363,154, поданной 31 января 2012 г. и озаглавленной «Газотурбинный двигатель с высокоскоростной турбинной секцией низкого давления».
Область техники
[0002] Настоящая заявка относится к газотурбинному двигателю, в котором турбинная секция низкого давления вращается с более высокой скоростью и центробежной нагрузкой по сравнению со скоростью вращения и центробежной нагрузкой турбинной секции высокого давления двигателей, известных из уровня техники.
[0003] Газотурбинные двигатели известны из уровня техники, в частности из заявки US 2010132376 на изобретение. Такие двигатели обычно содержат вентилятор, подающий воздух в компрессорную секцию низкого давления. В компрессорной секции низкого давления воздух сжимается и поступает в компрессорную секцию высокого давления. Из компрессорной секции высокого давления воздух поступает в секцию камеры сгорания, где он смешивается с топливом и воспламеняется. Газообразные продукты этого сгорания проходят далее в турбинную секцию высокого давления, а затем в турбинную секцию низкого давления.
[0004] Традиционно во многих двигателях известного уровня техники турбинная секция низкого давления непосредственно приводит в действие как компрессорную секцию низкого давления, так и вентилятор. Поскольку потребление топлива оптимизируется при увеличении диаметра вентилятора относительно диаметра внутреннего контура, в промышленности возникла тенденция увеличивать диаметр вентилятора. Однако при увеличении диаметра вентилятора высокая окружная скорость концевой части лопатки вентилятора может вызывать уменьшение коэффициента полезного действия из-за эффектов сжимаемости. Соответственно, скорость вращения вентилятора и, следовательно, скорость вращения компрессорной секции низкого давления и турбинной секции низкого давления (обе из которых традиционно соединяются с вентилятором посредством каскада низкого давления) представляют собой конструктивное ограничение. Позднее было предложено устанавливать понижающие редукторы между контуром низкого давления (образованным компрессорной секцией низкого давления и турбинной секцией низкого давления) и вентилятором. Таким образом, задача и технический результат настоящего изобретения заключаются в повышении коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя, особенно при действии эффекта сжимаемости воздуха.
Сущность изобретения
[0005] В варианте реализации изобретения, раскрытом в настоящей заявке, турбинная секция газотурбинного двигателя содержит турбинную секцию привода вентилятора и вторую турбинную секцию. Турбинная секция привода вентилятора имеет первую площадь выходного сечения в первой выходной точке и предназначена для вращения с первой скоростью. Вторая турбинная секция имеет вторую площадь выходного сечения во второй выходной точке и вращается со второй скоростью, которая является большей, чем первая скорость. Первый характеризующий параметр определяется как произведение квадрата первой скорости и первой площади. Второй характеризующий параметр определяется как произведение квадрата второй скорости и второй площади. Отношение первого характеризующего параметра ко второму характеризующему параметру составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5. Между турбинной секцией привода вентилятора и второй турбинной секцией расположена промежуточная силовая рама, имеющая первый подшипник, поддерживающий внешнюю периферию первого вала, вращающегося со второй турбинной секцией.
[0006] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации промежуточная силовая рама содержит также второй подшипник, поддерживающий внешнюю периферию второго вала, вращающегося с турбинной секцией привода вентилятора. Второй подшипник поддерживает промежуточную часть второго каскада.
[0007] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации указанное отношение больше или равно приблизительно 0,8.
[0008] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации турбинная секция привода вентилятора содержит по меньшей мере 3 ступени.
[0009] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации турбинная секция привода вентилятора содержит вплоть до 6 ступеней.
[0010] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации вторая турбинная секция содержит 2 ступени или менее.
[0011] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации коэффициент расширения в турбинной секции привода вентилятора больше чем приблизительно 5:1.
[0012] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации промежуточная силовая рама снабжена направляющей лопаткой, расположенной между турбинной секцией привода вентилятора и второй турбинной секцией.
[0013] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации турбинная секция привода вентилятора и вторая турбинная секция вращаются в противоположных направлениях. Направляющая лопатка представляет собой поворотную направляющую лопатку.
[0014] В следующем варианте реализации, раскрытом в настоящей заявке, газотурбинный двигатель содержит вентилятор, компрессорную секцию, сообщающуюся по текучей среде с вентилятором, секцию камеры сгорания, сообщающуюся по текучей с компрессорной секцией, и турбинную секцию, сообщающуюся по текучей с секцией камеры сгорания. Турбинная секция содержит турбинную секцию привода вентилятора и вторую турбинную секцию. Турбинная секция привода вентилятора имеет первую площадь выходного сечения в первой выходной точке и предназначена для вращения с первой скоростью. Вторая турбинная секция имеет вторую площадь выходного сечения во второй выходной точке и вращается со второй скоростью, которая превышает первую скорость вращения. Первый характеризующий параметр определяется как произведение квадрата первой скорости и первой площади. Второй характеризующий параметр определяется как произведение квадрата второй скорости и второй площади. Отношение первого характеризующего параметра ко второму характеризующему параметру составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5. Вторая турбинная секция поддерживается первым подшипником в промежуточной силовой раме.
[0015] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации указанное отношение больше или равно приблизительно 0,8.
[0016] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации компрессорная секция содержит первую и вторую компрессорные секции. Турбинная секция привода вентилятора и первая компрессорная секция вращаются в первом направлении. Вторая турбинная секция и вторая компрессорная секция вращаются во втором направлении, противоположном первому.
[0017] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации между вентилятором и валом, который приводит в действие турбинная секция привода вентилятора, предусмотрен понижающий редуктор, поэтому вентилятор вращается с более низкой скоростью, чем турбинная секция привода вентилятора.
[0018] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации вторая турбинная секция и вторая компрессорная секция умеют неконсольно опираются на подшипники, установленные на внешней периферии вала, вращающегося со второй компрессорной секцией и второй турбинной секцией.
[0019] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации промежуточная силовая рама дополнительно содержит второй подшипник, который поддерживает внешнюю периферию вала, вращающегося с турбинной секцией привода вентилятора.
[0020] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации второй подшипник поддерживает промежуточную часть вала, который вращается с турбинной секцией привода вентилятора и первой компрессорной секцией.
[0021] В следующем варианте реализации изобретения, раскрытом в настоящей заявке, газотурбинный двигатель содержит вентилятор, компрессорную секцию, сообщающуюся по текучей среде с вентилятором, секцию камеры сгорания, сообщающуюся по текучей среде с компрессорной секцией, и турбинную секцию, сообщающуюся по текучей среде с секцией камеры сгорания. Турбинная секция содержит турбинную секцию привода вентилятора и вторую турбинную секцию. Турбинная секция привода вентилятора имеет первую площадь выходного сечения в первой выходной точке и предназначена для вращения с первой скоростью. Вторая турбинная секция имеет вторую площадь выходного сечения во второй выходной точке и вращается со второй скоростью, которая превышает первую скорость. Первый характеризующий параметр определяется как произведение квадрата первой скорости и первой площади. Второй характеризующий параметр определяется как произведение квадрата второй скорости вращения и второй площади. Отношение первого характеризующего параметра ко второму характеризующему параметру составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5. Компрессорная секция содержит первую и вторую компрессорные секции, при этом турбинная секция привода вентилятора и первая компрессорная секция вращаются в первом направлении, а вторая турбинная секция и вторая компрессорная секция вращаются во втором направлении, противоположном первому. Между вентилятором и первой компрессорной секцией предусмотрен понижающий редуктор, поэтому вентилятор вращается с более низкой скоростью, чем турбинная секция привода вентилятора, и во втором направлении, противоположном первому. Передаточное отношение понижающего редуктора составляет больше, чем приблизительно 2,3.
[0022] В другом варианте реализации согласно предыдущему варианту реализации указанное отношение больше или равно приблизительно 0,8.
[0023] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации между турбинной секцией привода вентилятора и второй турбинной секцией расположена промежуточная силовая рама. Промежуточная силовая рама имеет первый подшипник, который поддерживает внешнюю периферию первого вала, вращающегося со второй турбинной секцией.
[0024] В другом варианте реализации согласно любому из предыдущих вариантов реализации первый вал опирается внешней периферией на второй подшипник, при этом вторая опора установлена на неподвижной конструкции.
[0025] Эти и другие признаки настоящего изобретения станут более понятными из следующего описания и представленных чертежей, краткое описание которых приведено ниже.
Краткое описание чертежей
[0026] Фиг. 1 - газотурбинный двигатель.
[0027] Фиг. 2 - схематическое изображение контуров низкого и высокого давления вместе с приводом вентилятора.
[0028] Фиг. 3 - схематическое изображение расположения узлов двигателя, показанного, в частности, на фиг. 1 и 2.
Подробное раскрытие изобретения
[0029] На фиг. 1 схематически показан газотурбинный двигатель 20. Газотурбинный двигатель 20 представлен здесь в виде двухтурбинного турбовентиляторного двигателя, который в общем случае содержит вентиляторную секцию 22, компрессорную секцию 24, секцию 26 камеры сгорания и турбинную секцию 28. Альтернативные двигатели могут содержать секцию усилителя тяги (не показана) наряду с другими системами или характеристиками. Вентиляторная секция 22 нагнетает воздух в наружный контур В, в то время как компрессорная секция 24 нагнетает воздух во внутренний контур С для сжатия и подачи в секцию 26 камеры сгорания с последующим расширением в турбинной секции 28. В раскрытом неограничительном примере реализации показан двухконтурный газотурбинный двигатель, однако, следует понимать, что описанные здесь концепции не ограничены применением с турбовентиляторами, поскольку эти положения могут быть использованы для других типов газотурбинных двигателей, включая трехтурбинные конструкции.
[0030] Двигатель 20 обычно содержит низкоскоростной каскад 30 и высокоскоростной каскад 32, которые установлены с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси А двигателя относительно неподвижной конструкции 36 двигателя при помощи нескольких подшипниковых систем 38. При этом следует понимать, что различные подшипниковые системы 38 альтернативно или дополнительно могут быть установлены в различных местах.
[0031] Низкоскоростный каскад 30 обычно содержит внутренний вал 40, который соединяет вентилятор 42, компрессорную секцию 44 низкого давления (или первую компрессорную секцию) и турбинную секцию 44 низкого давления (или первую турбинную секцию). Следует отметить, что турбинная секция 46 называется также турбинной секцией привода вентилятора. Внутренний вал 40 соединяется с вентилятором 42 при помощи зубчатого механизма 48, который приводит во вращение вентилятор 42 с более низкой скоростью, чем скорость вращения турбины 46 привода вентилятора. Высокоскоростный каскад 32 содержит наружный вал 50, который соединяет компрессорную секцию 52 высокого давления (или вторую компрессорную секцию) и турбинную секцию 54 высокого давления (или вторую турбинную секцию). Камера 56 сгорания установлена между компрессорной секцией 52 высокого давления и турбинной секцией 54 высокого давления. Промежуточная силовая рама 57 неподвижной конструкции 36 двигателя обычно расположена между турбинной секцией 54 высокого давления и турбинной секцией 46 низкого давления. Промежуточная силовая рама 57 служит также опорой для подшипниковых систем 38 в турбинной секции 28. В контексте настоящего описания турбинная секция высокого давления подвергается действию более высокого давления, чем турбинная секция низкого давления. Турбинная секция низкого давления представляет собой секцию, которая приводит во вращение вентилятор 42. Внутренний вал 40 и наружный вал 50 установлены концентрично и вращаются при помощи подшипниковых систем 38 вокруг центральной продольной оси А двигателя, которая является коллинеарной их продольным осям. Каскады высокого и низкого давления могут быть установлены с возможностью вращения в одном направлении или в противоположных направлениях.
[0032] Поток воздуха внутреннего контура С сжимается компрессорной секцией 44 низкого давления, затем - компрессорной секцией 52 высокого давления, смешивается с топливом и сжигается в камере 56 сгорания, а затем расширяется в турбинной секции 54 высокого давления и турбинной секции 46 низкого давления. Промежуточная силовая рама 57 имеет аэродинамические поверхности 59, которые расположены на пути движения воздушного потока во внутреннем контуре. Турбинные секции 46, 54 в ответ на указанное расширение приводят во вращение соответствующий низкоскоростный каскад 30 и высокоскоростный каскад 32.
[0033] Двигатель 20 в одном примере представляет собой редукторный авиационный двигатель с высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности представляет собой отношение объема воздуха, поступающего в наружный контур В, к объему воздуха, поступающего во внутренний контур С. В другом примере степень двухконтурности двигателя 20 больше, чем приблизительно шесть (6), например больше, чем десять (10), зубчатый механизм 48 представляет собой эпициклическую передачу, в частности планетарную зубчатую передачу или другую зубчатую передачу с понижающим передаточным числом, превышающим приблизительно 2,3, а турбинная секция 46 низкого давления имеет коэффициент расширения, который больше чем приблизительно 5. В одном раскрытом варианте реализации степень двухконтурности двигателя 20 большей чем приблизительно десять (10:1), диаметр вентилятора значительно превышает диаметр компрессорной секции 44 низкого давления, а турбинная секция 46 низкого давления имеет коэффициент расширения, который больше чем приблизительно 5:1. В некоторых вариантах реализации турбинная секция высокого давления может иметь две или менее ступеней. В отличие от этого турбинная секция 46 низкого давления в некоторых вариантах реализации имеет от 3 до 6 ступеней. Коэффициент расширения турбинной секции 46 низкого давления представляет собой отношение полного давления, измеренного перед входом турбинной секции 46 низкого давления, к полному давлению на выходе турбинной секции 46 низкого давления перед выходным соплом. Зубчатый механизм 48 может представлять собой эпициклическую зубчатую передачу, в частности планетарную зубчатую передачу или другую зубчатую передачу с понижающим передаточным числом, большим чем приблизительно 2,5:1. Однако следует понимать, что вышеуказанные параметры приведены только в качестве иллюстрации одного примера реализации двигателя с зубчатым механизмом.
набегающего воздушного потока
0,5
[0034] Значительная величина тяги обеспечивается потоком В наружного контура, благодаря высокой степени двухконтурности. Вентиляторная секция 22 двигателя 20 рассчитана на определенный режим полета - обычно крейсерский режим со скоростью приблизительно 0,8 Мах на высоте до приблизительно 35000 футов. Режим полета при 0,8 Мах и 35000 футах с оптимальным потреблением топлива двигателем - также известен как «крейсерский полет с минимальным удельным расходом топлива по тяге (TSFC, от англ. Thrust Specific Fuel Consumption,)». TSFC представляет собой промышленный стандартный параметр, соответствующий отношению выраженной в фунтах массы топлива, сжигаемого в час, к выраженной в фунтах-сила тяге, развиваемой двигателем в этом режиме полета. «Нижняя степень перепада давлений в вентиляторе» представляет собой степень перепада давлений только на лопатке вентилятора перед выходными направляющими лопатками вентилятора. Нижняя степень перепада давлений в вентиляторе согласно одному раскрываемому в данном описании неограничительному варианту реализации составляет менее чем приблизительно 1,45. «Нижняя приведенная окружная скорость лопатки вентилятора» представляет собой фактическую окружную скорость лопатки вентилятора в футах/секунду, деленную на промышленную стандартную температурную поправку [(Т °R)/(518.7)]. «Нижняя приведенная окружная скорость лопатки вентилятора» согласно раскрываемому в данном описании одному неограничительному варианту реализации составляет менее чем приблизительно 1150 фут/сек. При этом вентилятор 42 может иметь 26 или менее лопаток.
[0035] Площадь 400 выходного сечения, показанная на фиг. 1 и фиг. 2 на выходе из турбинной секции 54 высокого давления, представляет собой площадь кольца последней рабочей лопатки турбинной секции 54. Площадь выходного сечения для турбинной секции низкого давления определяется на выходе 401 турбинной секции низкого давления и представляет собой площадь кольца, образованного рабочей лопаткой этой турбинной секции 46. Как показано на фиг. 2, газотурбинный двигатель 20 может представлять собой двигатель с противовращением. Это означает, что турбинная секция 46 низкого давления и компрессорная секция 44 низкого давления вращаются в одном направлении ("-"), в то время как каскад 32 высокого давления, содержащий турбинную секцию 54 высокого давления и компрессорную секцию 52 высокого давления, вращается в противоположном направлении ("+"). Понижающий редуктор 48, который может представлять собой, например, эпициклическую передачу (в частности, с солнечной, кольцевой и звездными (планетарными) шестернями), выбирается таким образом, чтобы вентилятор 42 вращался в том же самом направлении ("+"), что и каскад 32 высокого давления. С такой конструкцией, а также с другими вышеуказанными конструкциями, включающими различные количественные параметры и эксплуатационные диапазоны, можно получить очень высокую скорость вращения контура низкого давления. Работу турбинной секции низкого давления и турбинной секции высокого давления часто оценивают исходя из характеризующего параметра, который представляет собой произведение площади выходного сечения турбинной секции на квадрат соответствующей скорости вращения. Этот характеризующий параметр (PQ от англ. performance quantity) определяется следующим образом:
ltp
lpt
lpt
2
Уравнение 1: PQ=(A×V)
hpt
hpt
hpt
2
Уравнение 2: PQ=(A×V)
lpt
lpt
hpt
hpt
где A - площадь турбинной секции низкого давления на выходе из нее (например, в сечении 401), V - скорость турбинной секции низкого давления, A - площадь турбинной секции высокого давления на выходе из нее (например, в сечении 400), а V - скорость турбинной секции низкого давления.
[0036] При этом отношение характеризующего параметра турбинной секции низкого давления к характеризующему параметру турбинной секции высокого давления составляет:
lpt
lpt
hpt
hpt
lpt
hpt
2
2
Уравнение 3: (A×V)/(A×V)=PQ/PQ
2
2
В одном варианте реализации турбины, выполненном согласно вышеуказанному техническому решению, площади выходных сечений турбинных секций низкого и высокого давления составляют 557,9 дюйм и 90,67 дюйм, соответственно. Далее, скорости вращения турбинных секций низкого и высокого давления составляют 10179 об/мин и 24346 об/мин, соответственно. Таким образом, используя вышеуказанные Уравнения 1 и 2, можно рассчитать характеризующие параметры турбинных секций низкого и высокого давления:
ltp
lpt
lpt
2
2
2
2
2
Уравнение 1: PQ=(A×V)=(557,9 дюйм) (10179 об/мин)=57805157673,9 дюйм (об/мин)
2
2
2
2
2
hpt
hpt
hpt
Уравнение 2: PQ=(A×V)=(90.67 дюйм) (24346 об/мин)=53742622009,72 дюйм (об/мин)
а используя вышеприведенное Уравнение 3, можно рассчитать указанное отношение для турбинной секции низкого давления к турбинной секции высокого давления:
ltp
hpt
2
2
2
2
Отношение=PQ/PQ=57805157673,9 дюйм (об/мин)/ 53742622009,72 дюйм (об/мин)=1,075
ltp
hpt
ltp
hpt
ltp
hpt
ltp
hpt
[0037] В другом варианте реализации указанное отношение составляет приблизительно 0,5, а еще в одном варианте реализации - приблизительно 1,5. При отношениях PQ/PQ в пределах от 0,5 до 1,5 обеспечивается высокоэффективный газотурбинный двигатель. Точнее, отношения PQ/PQ, превышающие или равные приблизительно 0,8, являются более эффективными. Еще точнее, отношения PQ/PQ, превышающие или равные 1,0, являются еще более эффективными. Благодаря таким отношениям PQ/PQ, в частности, можно уменьшить размеры как диаметра, так и осевой длины турбинной секции. Кроме того, в значительно возрастает коэффициент полезного действия всего двигателя.
[0038] Такая конструкция обеспечивает также усовершенствование компрессорной секции низкого давления, которая функционирует скорее как компрессорная секция высокого давления, чем как традиционная компрессорная секция низкого давления. Она является более эффективной и может обеспечивать большее повышение давления при меньшем числе ступеней. Компрессорная секция низкого давления может иметь меньший радиус и меньшую длину, внося больший вклад в обеспечение проектной величины суммарной степени перепада давлений двигателя.
[0039] Как показано на фиг. 3, двигатель, представленный на фиг. 1 и 2, может быть смонтирован таким образом, чтобы турбина 54 высокого давления опиралась задним концом на промежуточную силовую раму 110. Промежуточная силовая рама 110 может быть снабжена направляющей лопаткой 112, которая представляет собой поворотную лопатку для воздушного потока. Поскольку турбина 54 высокого давления и турбина 46 низкого давления или турбина привода вентилятора вращаются в противоположных направлениях, применение поворотной лопатки между ними обеспечивает подход газов, выходящих из турбины 54 высокого давления, в нужном направлении к турбине 46 низкого давления. Как наглядно показано на фиг. 3, промежуточная силовая рама 110 содержит также подшипник 116, который поддерживает вал, вращающийся с каскадом 30 низкого давления «консольной» конструкции. Это означает, что подшипник 116 находится в промежуточной позиции на валу, а не на его конце.
[0040] Неподвижные конструкции 102 и 108 поддерживают другие подшипники 100 и 110, чтобы создать опоры для валов, приводимых во вращение каскадами 30 и 32 с компрессорной стороны. При этом можно сказать, что турбина 54 высокого давления установлена «неконсольно», поскольку подшипники 110 и 114 расположены на внешней периферии вала 32.
[0041] Настоящее изобретение раскрыто со ссылками на один вариант реализации, однако, следует понимать, что определенные модификации могут быть внесены в него в пределах объема данного изобретения. По этой причине следует изучить прилагаемую формулу изобретения, чтобы определить действительный объем и содержание данного изобретения.