КОМПРЕССОР ОСЕВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РОТОРОМ ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ
COMPRESSOR OF AXIAL GAS-TURBINE ENGINE WITH ROTOR OF OPPOSITE ROTATION

Область технического применения
Изобретение относится к осевому газотурбинному двигателю, оснащенному трансмиссией. Точнее, изобретение относится к турбореактивному двигателю, содержащему вентилятор, компрессор и планетарный механизм.
Известный уровень техники
С целью регулирования скорости вращения вентилятора турбореактивный двигатель снабжают планетарным механизмом. Он позволяет разъединить ротор компрессора низкого давления и вентилятор, что исключает технологические ограничения. Скорость вращения вентилятора уменьшается относительно скорости ротора компрессора, что является преимущественным для газотурбинных двигателей с высокой степенью разбавления, сочетающих большой вентилятор и компрессор с уменьшенным диаметром. Эта технология становится полезной для высокоскоростных компрессоров, скорость вращения которых больше 10000 оборотов/мин или даже 15000 оборотов/мин.
Наличие планетарной понижающей передачи также позволяет делать некоторые из лопаток ротора противоположно вращающимися, т.е. вращающимися в противоположных направлениях. Это позволяет повышать степень сжатия компрессора.
Документ США №2010/0326050 A1 раскрывает осевой газотурбинный двигатель, содержащий сверху вниз по потоку вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, турбины, соединенные с этими компрессорами и вентилятором. Планетарная понижающая передача соединяет вентилятор с внутренним ротором компрессора низкого давления, причем эти узлы вращаются в противоположных направлениях с разными скоростями по причине передаточного числа. Однако такой газотурбинный двигатель является чрезвычайно сложным. Он содержит большое количество стыковок в движении одна относительно другой, что требует такого же количества уплотнительных соединений или подшипников для ограничения износа. Такая схема расположения является массивной и громоздкой, и точность производства становится затруднительной. Эта конфигурация требует добавления подшипников или роликовых подшипников между некоторыми подвижными частями.
Краткое описание изобретения
Техническая проблема
Целью изобретения является решение по меньшей мере одной из проблем, поставленных известным уровнем техники. Целью изобретения также является усовершенствование коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя с вентилятором, соединенным с компрессором посредством планетарной понижающей передачи. Точнее, целью изобретения является оптимизация степени сжатия и компактности компрессора.
Техническое решение
Целью изобретения также является осевой газотурбинный двигатель, такой, как турбореактивный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор, оснащенный ротором с по меньшей мере двумя кольцевыми рядами лопаток ротора, из которых два ряда являются противоположно вращающимися, планетарную понижающую передачу, соединяющую вентилятор с ротором компрессора и соединяющую противоположно вращающиеся ряды, различающиеся тем, что он также содержит кольцевой ряд лопаток статора, расположенный между двумя рядами лопаток ротора так, чтобы спрямлять поток между двумя рядами лопаток ротора.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный ряд лопаток статора расположен ниже по потоку относительно двух противоположно вращающихся рядов лопаток ротора, которые могут представлять собой два последовательных ряда.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная планетарная понижающая передача содержит наружную планетарную шестерню, внутреннюю планетарную шестерню и сателлитное водило, закрепленное на статоре газотурбинного двигателя, при этом один из двух указанных противоположно вращающихся рядов является закрепленным на наружной планетарной шестерне, а второй ряд из двух указанных противоположно вращающихся рядов закреплен на внутренней планетарной шестерне.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, каждая лопатка ротора соединена с ротором посредством ее внутреннего конца, при этом указанный ряд лопаток статора может представлять собой первый ряд, при этом указанный компрессор также содержит второй ряд лопаток статора, причем эти противоположно вращающиеся ряды лопаток расположены между первым рядом статора и вторым рядом статора.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная планетарная понижающая передача содержит сателлитное водило с частью выше по потоку, закрепленной на статоре газотурбинного двигателя, при этом планетарная понижающая передача предпочтительно располагается внутри лопаток ротора компрессора.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, тот из двух рядов противоположно вращающихся лопаток ротора, который находится выше по потоку, содержит лопатки, имеющие в радиальном направлении больший размер, чем в ряду ниже по потоку.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная планетарная понижающая передача выполнена так, что ряд лопаток ротора, наиболее удаленный вверх по потоку компрессора, представляет собой ряд, вращающийся медленнее.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, противоположно вращающийся ряд, расположенный в осевом направлении ближе всего к вентилятору, вращается с промежуточной скоростью относительно скорости вращения вентилятора и второго из противоположно вращающихся рядов.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный ротор содержит лопаточный диск и лопаточный барабан, причем этот диск несет один ряд лопаток, а указанный барабан несет по меньшей мере два ряда лопаток, при этом и диск и барабан несет противоположно вращающиеся ряды лопаток, при этом указанный диск предпочтительно расположен выше по потоку относительно указанного барабана.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанные два ряда лопаток ротора, между которыми расположен указанный кольцевой ряд лопаток статора, представляют собой по меньшей мере два ряда лопаток, поддерживающиеся указанным барабаном.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный компрессор содержит несколько рядов лопаток, из которых верхний по потоку ряд и нижний по потоку ряд на своих концах являются рядами лопаток статора, при этом указанный компрессор может представлять собой компрессор низкого давления.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный компрессор содержит по меньшей мере три ряда лопаток ротора, из которых по меньшей мере два ряда скреплены друг с другом.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный газотурбинный двигатель содержит фиксирующий корпус для вентилятора с по меньшей мере одним, предпочтительно с по меньшей мере двумя рядами кронштейнов корпуса, проходящих через внутренний контур этого газотурбинного двигателя, при этом указанный компрессор расположен ниже по потоку относительно одного из рядов кронштейнов корпуса или между двумя рядами кронштейнов корпуса.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная планетарная понижающая передача содержит наружную планетарную шестерню, на которой закреплен один из двух противоположно вращающихся рядов, и внутреннюю планетарную шестерню, на которой закреплен второй из двух противоположно вращающихся рядов и, в некоторых случаях, закреплен вентилятор.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанная планетарная понижающая передача представляет собой первую понижающую передачу с первой наружной планетарной шестерней, при этом указанный газотурбинный двигатель также содержит вторую планетарную понижающую передачу со второй наружной планетарной шестерней; при этом указанный вентилятор закреплен на второй наружной планетарной шестерне, при этом указанный один из двух противоположно вращающихся рядов лопаток закреплен на первой наружной планетарной шестерне.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, каждая из указанных планетарных понижающих передач содержит внутреннюю планетарную шестерню и сателлитное водило, причем эти сателлитные водила закреплены на статоре газотурбинного двигателя, а эти внутренние планетарные шестерни соединены или скреплены одна с другой.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный газотурбинный двигатель содержит понижающую передачу между вентилятором и планетарной понижающей передачей (передачами) газотурбинного двигателя, причем эта понижающая передача выполнена так, чтобы понижать скорость вращения вентилятора относительно ротора компрессора.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанные кронштейны корпуса являются более длинными в направлении потока, а не высокими при расположении перпендикулярно потоку.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный газотурбинный двигатель содержит уплотнения на радиальном уровне внутренних концов лопаток ротора.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, каждый ряд лопаток компрессора содержит более двадцати лопаток, предпочтительно более пятидесяти лопаток, более предпочтительно более ста лопаток.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, каждая лопатка компрессора содержит изогнутую внутрь поверхность.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, каждая или по меньшей мере одна планетарная понижающая передача содержит две внутренние планетарные шестерни или две наружные планетарные шестерни.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере три планетарных механизма в каскаде, как, например по меньшей мере три планетарные понижающие передачи.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный компрессор содержит по меньшей мере шесть рядов лопаток, по меньшей мере три из которых представляют собой ряды лопаток статора, и по меньшей мере три представляют собой ряды лопаток ротора.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанные два противоположно вращающихся ряда и указанные два ряда лопаток статора образуют последовательность из четырех последовательных рядов.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, указанный газотурбинный двигатель содержит турбину, приводящую в движение компрессор посредством передаточного вала.
В соответствии с одним из преимущественных вариантов осуществления изобретения, каждый элемент указанной планетарной понижающей передачи имеет ось вращения, неподвижную относительно статора газотурбинного двигателя.
Обеспечиваемые преимущества
Изобретение позволяет ограничить турбулентность в компрессоре с противоположно вращающимися рядами лопаток, что повышает коэффициент полезного действия. Эта гибридная конструкция остается простой, поскольку изобретение извлекает пользу из присутствия наружной планетарной шестерни понижающей передачи для прикрепления к ней лопаток ротора. Поэтому этот ряд лопаток вращается медленнее, чем находящиеся вниз по потоку ряды, и это улучшает постепенность сжатия потока.
Предлагаемая компоновка является простой, и количество подшипников и уплотнительных соединений является ограниченным. Эта конфигурация образует смешанный компрессор как с противоположно вращающимися рядами лопаток, так и с рядами лопаток статора, что позволяет исключить один ряд лопаток статора. Настоящее решение оптимизирует компактность, массу, а также надежность. Компрессор является более коротким, и внутреннее сопротивление газотурбинного двигателя является пониженным.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 показан осевой газотурбинный двигатель в соответствии с изобретением.
На фиг. 2 изображена часть выше по потоку осевого газотурбинного двигателя в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 3 проиллюстрирована часть выше по потоку осевого газотурбинного двигателя в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
Описание вариантов осуществления
Ниже в описании выражения «внутренняя часть», или «внутренний», и «внешняя часть», или «наружный» относятся к положению относительно оси вращения осевого газотурбинного двигателя.
На фиг. 1 упрощенным образом показан осевой газотурбинный двигатель. Здесь он представляет собой двухконтурный турбореактивный двигатель, но также может представлять собой турбовинтовой двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первый уровень сжатия, называемый компрессором 4 низкого давления, второй уровень сжатия, называемый компрессором 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и один или несколько уровней турбин 10. В ходе работы механическая энергия турбины 10, передаваемая посредством центрального вала ротору 12, посредством по меньшей мере одного передаточного вала приводит в движение два компрессора 4 и 6. Трансмиссия может повышать или понижать скорость вращения компрессоров относительно турбины. В качестве альтернативы, каждая из разных ступеней турбин также может быть соединена со ступенями компрессора посредством соосных валов, в некоторых случаях, посредством трансмиссии 11. Компрессоры содержат несколько рядов лопаток ротора, соединенных с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг его оси 14 вращения, таким образом, позволяет создавать и постепенно сжимать поток воздуха вплоть до воздухозаборника камеры 8 сгорания.
Впускной нагнетатель воздуха, обычно обозначаемый как вентилятор 16, соединен с ротором 12 и генерирует воздушный поток, который разделяется на поток 18 внутреннего контура, проходящий через различные вышеупомянутые уровни газотурбинного двигателя, и поток 20 наружного контура, проходящий через кольцевой трубопровод (показан частично) вдоль установки, чтобы затем повторно объединиться с потоком 18 внутреннего контура, выходящим из турбины. Благодаря своему ускорению, главным образом, посредством вентилятора, поток 20 наружного контура генерирует реактивную тягу. Поток 18 внутреннего контура и поток 20 наружного контура представляют собой кольцевые потоки, и они направляются корпусом двигателя.
На фиг. 2 представлен вид в поперечном разрезе части выше по потоку осевого газотурбинного двигателя 2, показанного на фиг. 1. Показаны компрессор 4 низкого давления, вентилятор 16 и трансмиссия 11. Ротор 12 содержит несколько кольцевых рядов лопаток (22; 24; 26) ротора, в данном случае три ряда.
Компрессор 4 низкого давления содержит несколько спрямителей, в данном случае три, каждый из которых содержит кольцевой ряд лопаток (28; 30; 32) статора. Спрямители закреплены на статоре 36 газотурбинного двигателя 2, они соединены с вентилятором 16 или с рядами лопаток (22; 24; 26) ротора для спрямления воздушного потока так, чтобы преобразовывать скорость этого потока в давление. Лопатки (28; 30; 32) статора проходят, по существу, радиально от наружного корпуса и могут быть закреплены на нем посредством вала или приварены; также они могут быть закреплены на внутренних бандажах. Они являются более высокими в радиальном направлении, чем длинными в осевом направлении, эти геометрические размеры оценивают в направлении потока 18 внутреннего контура.
Каждая лопатка содержит комплект несимметричных профилей. Каждый из них содержит переднюю поверхность и заднюю поверхность, являющуюся более обширной, чем передняя поверхность. Каждая из лопаток (28; 30; 32) статора содержит входную кромку и выходную кромку, которая является менее наклонной относительно потока, чем входная кромка. Лопатки (22; 24; 26) ротора имеют противоположную схему расположения. Таким образом, каждая лопатка (28; 30; 32) статора спрямляет поток, преобразовывая окружную составляющую потока в осевую составляющую. Лопатки (22; 24; 26) ротора закреплены посредством своих внутренних концов, а их наружные концы являются свободными и могут соответствовать внутренней поверхности стенки корпуса компрессора. C наружными концами лопаток могут взаимодействовать такие динамические соединения, как истираемые слои.
Статор 36 газотурбинного двигателя 2 содержит фиксирующий корпус 37 вентилятора с кронштейнами 38 корпуса, расположенными выше по потоку относительно компрессора 4 низкого давления. Корпус 37 позволяет соединять вентилятор 36 с гондолой. Газотурбинный двигатель 2 также содержит кронштейны 40 наружного корпуса, расположенные ниже по потоку относительно компрессора 4 низкого давления. Каждый набор кронштейнов (38; 40) образует кольцевой ряд, и каждый кронштейн проходит через поток 18 внутреннего контура. Кронштейны (38; 40) являются, по существу, вытянутыми в осевом направлении и по меньшей мере в два раза длиннее, предпочтительно по меньшей мере в четыре раза длиннее лопаток (28; 30; 32) статора.
Компрессор 4 может содержать, сверху вниз по потоку, верхний по потоку ряд лопаток 28 статора, два последовательных ряда лопаток (22; 24) ротора, ряд лопаток 30 статора, ряд лопаток 26 ротора, а затем нижний по потоку ряд лопаток 32 статора. Следует отметить, что эти четыре ряда (24; 30; 26; 32) лопаток образуют чередующуюся структуру размещения лопаток ротора/статора, однако эта структура, возможно, распространяется на пять, шесть, семь, восемь или большее количество рядов лопаток. Также, два последовательных ряда (22; 24) лопаток ротора и/или два ряда (22; 24) лопаток ротора, самые дальние вверх по потоку, являются противоположно вращающимися, и вращаются в противоположных направлениях. Первый ряд лопаток 22 ротора или верхний по потоку ряд 22 расположен на диске 42. Второй ряд 24 и третий ряд 26 лопаток ротора соединены друг с другом посредством барабана 44 в общем с трубчатой частью. Таким образом, эти два ряда (24; 26) скреплены друг с другом и перемещаются посредством одного и того же вращательного движения.
Трансмиссия 11 может содержать по меньшей мере один планетарный механизм 46, такой как планетарная понижающая передача 46. Она может содержать по меньшей мере два, по меньшей мере три или большее количество планетарных механизмов в каскаде. Планетарный механизм или планетарная понижающая передача хорошо известна специалистам в данной области. В общем, он содержит внутреннюю планетарную шестерню 48, наружную планетарную шестерню 50, одну или несколько сателлитов 52, входящих в зацепление с планетарными шестернями (48; 50), сателлитное водило 54, позволяющее каждому сателлиту 52 соединяться с передаточным валом 56 или со статором 36 газотурбинного двигателя 2. Планетарные шестерни (48; 50) являются соосными, одна из них может быть соединена со статором 36, или обе они могут быть вращающимися и соединенными с передаточными валами.
В данном случае, вентилятор 16 и нижняя по потоку часть ротора 12 компрессора 4 закреплены на внутренней планетарной шестерне 48. Таким образом, они вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Сателлитное водило 54 закреплено на статоре 36. Точнее, оно содержит валы на которых с возможностью вращения установлены сателлиты; при этом верхние по потоку концы указанных валов закреплены на фиксирующем корпусе 37 газотурбинного двигателя 2. Верхний по потоку ряд лопаток 22 ротора компрессора 4 соединен с наружной планетарной шестерней 50. Он вращается в противоположном направлении и с меньшей скоростью, чем ряды (24; 26) лопаток ротора компрессора, расположенные ниже по потоку. Наружная планетарная шестерня 50 установлена с возможностью вращения на передаточном вале 56, на котором закреплена внутренняя планетарная шестерня 48, они соединены одна с другой посредством таких поворотных соединений, как подшипники.
Необязательно, трансмиссия может содержать понижающую передачу 58 между вентилятором 16 и планетарной понижающей передачей 46, например соединенной с внутренней планетарной шестерней 48. Это понижение может быть выполнено зубчатыми передачами, и/или вентилятор может быть эксцентричен относительно оси 14 вращения. Так можно понижать скорость вращения вентилятора 16 относительно ряда 22 лопаток ротора компрессора 4 выше по потоку. Таким образом, ряд 22 лопаток ротора выше по потоку имеет промежуточную скорость вращения относительно ряда 24 лопаток ротора, расположенного ниже по потоку, а также относительно вентилятора 16.
На фиг. 3 показана верхняя по потоку часть газотурбинного двигателя 102 в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения. В этой фиг. 3 повторяется нумерация предыдущих фигур для одинаковых или сходных элементов, однако при этом, к номерам прибавлено 100. Для элементов, характеризующих данный вариант осуществления, используются отдельные номера.
Фиг. 3 подобна фиг. 2 и, по существу, отличается только трансмиссией 111. Трансмиссия 111 содержит по меньшей мере два планетарных механизма (146; 160), такие как планетарные понижающие передачи (146; 160), одну нижнюю по потоку 146, и одну верхнюю по потоку 160, или, соответственно, первую 146 и вторую 160. Каждая понижающая передача содержит внутреннюю планетарную шестерню (148; 162), сателлитное водило (154; 164) с сателлитами (152; 166) и наружную планетарную шестерню (150; 168), приводимую в движение внутренней планетарной шестерней (148; 162) посредством сателлитов (152; 166). Сателлитные водила (154; 164) закреплены на фиксирующем корпусе 137 и поэтому являются прочно прикрепленными. Аналогично, внутренние планетарные шестерни (148; 162) могут быть скреплены одна с другой. Однако наружные планетарные шестерни (150; 168) являются разъединенными. Наружная планетарная шестерня 168 верхней по потоку понижающей передачи 160 закреплена на вентиляторе 116, а нижняя по потоку понижающая передача 146 закреплена на верхнем по потоку ряду лопаток 122 ротора. Часть ротора со вторым и третьим рядами лопаток ротора закреплена на передаточном вале 156, приводимом в движение турбиной.
Благодаря такому расположению первый ряд 122 лопаток ротора или верхний по потоку ряд лопаток 122 ротора вращается в направлении, противоположном направлению вращения второго ряда 124 и третьего ряда 126 лопаток ротора. Он вращается в том же направлении, что и вентилятор 116. В уменьшающемся в осевом направлении пространстве достигается усиление сжатия. Кроме того, скорость вращения первого ряда 122 лопаток ротора посредством диска 142 является промежуточной скоростью между скоростью вращения вентилятора и скоростью вращения второго ряда 124 и третьего ряда 126. Этот эффект предполагает преимущество выполнения понижения скорости вращения вентилятора и постепенного повышения скорости вращения вниз по потоку с целью более постепенного сжатия потока 118 внутреннего контура.
Планетарные понижающие передачи (146; 160) обладают разными передаточными числами, предпочтительно верхняя по потоку понижающая передача 160 имеет понижающее число больше такового для нижней по потоку понижающей передачи 146. Геометрические размеры можно выполнить так, чтобы их можно было объединить в единое целое внутри компрессора, в частности, чтобы расположить их внутри барабана 144 ротора 112 компрессора 104.
Настоящая фигура показывает понижающий зубчатый механизм с двумя планетарными передачами, однако можно предусмотреть и большее их количество; подобным образом можно соединить одно из сателлитных водил с внутренней или наружной планетарной шестерней. Каждый сателлит из одной из понижающих передач может быть закреплен на сателлите другой понижающей передачи, при этом единственная внутренняя планетарная шестерня приводит в движение сателлиты и, таким образом, наружные планетарные шестерни с разными скоростями вращения.