ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ В ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ВЕНТИЛЯТОРАМИ И С ЗАДНИМ НАГНЕТАТЕЛЕМ Российский патент 2008 года по МПК F02K3/72 

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к газотурбинным двигателям с противовращением, предназначенным для летательных аппаратов, с вращающимися в противоположных направлениях вентиляторами, приводимыми в движение вращающимися в противоположных направлениях роторами турбин низкого давления, и в частности, к таким двигателям, имеющим нагнетатель ниже по потоку от вращающихся в противоположных направлениях вентиляторов.

Описание уровня техники

Газотурбинный двигатель турбовентиляторного типа обычно включает в себя передний вентилятор и нагнетатель, внутренний контур двигателя и заднюю силовую турбину низкого давления. Внутренний контур двигателя включает в себя компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления, расположенные в потоке последовательно. Компрессор высокого давления и турбина высокого давления внутреннего контура двигателя соединены посредством вала высокого давления. Компрессор высокого давления, турбина и вал по существу образуют ротор высокого давления. Компрессор высокого давления приводится во вращение для сжатия воздуха, входящего во внутренний контур двигателя, до относительно высокого давления. Затем этот сжатый воздух смешивается с топливом в камере сгорания, а смесь воспламеняется для образования газового потока высокой энергии. Газовый поток протекает назад и проходит через турбину высокого давления, приводя во вращение ее и вал высокого давления, который, в свою очередь, приводит во вращение компрессор.

Газовый поток, уходящий из турбины высокого давления, расширяется на протяжении второй турбины, или турбины низкого давления. Турбина низкого давления через посредство вала низкого давления приводит во вращение вентилятор и нагнетатель, все эти узлы образуют ротор низкого давления. Вал низкого давления проходит через ротор высокого давления. Некоторые турбины низкого давления проектируют как вращающиеся в противоположных направлениях турбины, которые приводят в движение вращающиеся в противоположных направлениях вентиляторы и вращающиеся в противоположных направлениях нагнетатели или компрессоры низкого давления. В патентах США №№4860537, 5307622 и 4790133 раскрыты вращающиеся в противоположных направлениях турбины с вращающимися в противоположных направлениях роторами, которые приводят в движение вращающиеся в противоположных направлениях вентиляторы и нагнетатели. Большая часть тяги создается вентилятором. Лопаточные венцы или ступени одного ротора вращающихся в противоположных турбин выполнены встречно-гребенчатыми совместно с лопаточными венцами или ступенями другого ротора вращающихся в противоположных направлениях турбин. Лопасти между встречно-гребенчатыми рядами лопаток отсутствуют. Внешний в радиальном направлении барабан поддерживает лопаточные венцы одной из вращающихся в противоположных направлениях турбин. Эти лопаточные венцы свисают в радиальном направлении внутрь от барабана.

Проектируются усовершенствованные промышленные газотурбинные двигатели, имеющие вращающиеся в противоположных направлениях передний и задний вентиляторы и вращающиеся в противоположных направлениях нагнетатели. Желательно проектировать двигатель с противовращением, имеющий максимальный коэффициент полезного действия. Установлено, что максимальный коэффициент полезного действия достигается в случае, когда передний вентилятор работает при более высоком отношении давлений вентилятора и при более высокой частоте вращения, чем задний вентилятор. Это может привести к значительному рассогласованию мощности и частоты вращения вращающихся в противоположных направлениях роторов. Турбина низкого давления с противовращением требуется для подачи необходимой мощности к переднему и заднему вентиляторам на частоте вращения каждого вентилятора. Обычная турбина с противовращением будет работать с максимальным коэффициентом полезного действия в случаях, когда мощность разделяется между обоими валами поровну и когда скорости вращения являются равными и противоположными. В таком случае отношения частот вращения и мощностей двух роторов и турбин по существу равны 1. Чтобы достичь максимальной эффективности вентилятора, весьма желательно иметь газотурбинный двигатель с вращающимися в противоположных направлениях турбинами низкого давления, которые имеют разные отношения частот вращения и мощностей, например отношения частот вращения около 1,2, а отношение мощностей ниже 1,1.

Краткое описание изобретения

Турбинный узел газотурбинного двигателя включает в себя каскад высокого давления, имеющий турбину высокого давления, с возможностью передачи приводного усилия, соединенную с компрессором высокого давления посредством вала высокого давления, который вращается вокруг центральной линии двигателя. Турбина низкого давления имеет путь потока турбины низкого давления и расположена позади каскада высокого давления. Турбина низкого давления имеет вращающиеся в противоположных направлениях турбины с внутренним и внешним валами низкого давления, с возможностью передачи приводного усилия, соединенные соответственно с внутренним и внешним коаксиальными валами низкого давления, которые, по меньшей мере, частично расположены с возможностью вращения соосно с каскадом высокого давления и в радиальном направлении внутри относительно него. Турбина с внутренним валом низкого давления, включающая в себя первые лопаточные венцы турбины низкого давления, расположена поперек пути потока турбины низкого давления и с возможностью передачи приводного усилия соединена с лопаточным венцом переднего вентилятора посредством внутреннего вала низкого давления. Турбина с внешним валом низкого давления, включающая в себя вторые лопаточные венцы турбины низкого давления, расположена поперек пути потока турбины низкого давления и с возможностью передачи приводного усилия соединена с лопаточным венцом заднего вентилятора посредством внешнего вала низкого давления. Нагнетатель с одним направлением вращения с возможностью передачи приводного усилия соединен с внешним валом низкого давления и по направлению оси расположен позади и ниже по потоку от лопаточного венца заднего вентилятора. Нагнетатель имеет, по меньшей мере, вращающийся первый ряд лопаток нагнетателя. Нагнетатель с одним направлением вращения в противоположность вращающимся в противоположных направлениях нагнетателям обеспечивает возможность работы вращающихся в противоположных направлениях турбин низкого давления при различных отношениях частот вращения и мощностей с целью получения хорошей эффективности вентилятора. Одним примером таких отношений являются отношение частот вращения около 1,20 и отношение мощностей ниже 1,1.

Вращающиеся в противоположных направлениях турбины с внутренним и внешним валами низкого давления могут быть выполнены встречно-гребенчатыми таким образом, что первые лопаточные венцы турбины низкого давления будут встречно-гребенчатыми со вторыми лопаточными венцами турбины низкого давления. В качестве альтернативы турбины с внутренним и внешним валами низкого давления могут быть последовательно расположенными соответственно задней и передней турбинам низкого давления без встречно-гребенчатой структуры, при этом задняя турбина низкого давления расположена позади и ниже по потоку от передней турбины низкого давления. Первые лопаточные венцы турбины низкого давления, относящиеся к задней турбине низкого давления, имеют один ряд неподвижных спрямляющих лопастей низкого давления, по направлению оси расположенных между каждой парой вторых лопаточных венцов турбины низкого давления, а вторые лопаточные венцы турбины низкого давления, относящиеся к передней турбине низкого давления, имеют один ряд неподвижных спрямляющих лопастей, по направлению оси расположенных между каждой парой первых лопаточных венцов турбины низкого давления и расположены поперек пути потока турбины низкого давления.

В одном иллюстративном варианте осуществления узел имеет воздухозаборник внутреннего контура двигателя, ведущий к компрессору высокого давления, а нагнетатель при работе расположен полностью внутри воздухозаборника внутреннего контура двигателя для направления по существу всего воздуха нагнетателя из нагнетателя в компрессор высокого давления. Передний и задний ряды лопастей нагнетателя могут быть по направлению оси расположены соответственно впереди и позади первого ряда лопаток нагнетателя. Первый и второй (или дополнительные) ряды лопаток нагнетателя могут быть по направлению оси расположены между передними и задними лопастями нагнетателя. По меньшей мере один средний ряд лопастей нагнетателя по направлению оси расположен между каждой парой рядов лопаток нагнетателя.

В другом иллюстративном варианте осуществления узел имеет воздухозаборник внутреннего контура двигателя, расположенный ниже по потоку и по направлению оси позади нагнетателя. Воздухозаборник внутреннего контура двигателя имеет разделитель впускного канала, по направлению оси и в радиальном направлении расположенный вблизи и ниже по потоку от нагнетателя, предназначенный для разделения воздуха нагнетателя из нагнетателя на первую и вторую части воздуха нагнетателя. Разделитель впускного канала установлен в заданном положении для направления первой части воздуха нагнетателя в воздухозаборник внутреннего контура двигателя и второй части воздуха нагнетателя вокруг воздухозаборника внутреннего контура двигателя. Нагнетатель включает в себя, по меньшей мере, один ряд лопаток нагнетателя, окруженных разделительным бандажом, имеющим переднекромочный разделитель, который при работе расположен вблизи и ниже по потоку от лопаточного венца заднего вентилятора, предназначенным для разделения воздушного потока вентилятора, выходящего из лопаточного венца заднего вентилятора, на первую часть воздушного потока вентилятора в нагнетатель и вторую часть воздушного потока вентилятора вокруг нагнетателя. Передний и задний ряды лопастей нагнетателя могут быть расположены соответственно впереди и позади лопаток нагнетателя. Задний ряд лопастей нагнетателя может иметь радиально внутренние лопастные части, расположенные внутри воздухозаборника внутреннего контура двигателя, и радиально внешние лопастные части, расположенные между разделительным бандажом и бандажом воздухозаборника внутреннего контура двигателя, который включает в себя разделитель впускного канала.

Чтобы получить хорошую эффективность вентилятора нагнетатель с одним направлением вращения, с возможностью передачи приводного усилия соединенный с внешним валом низкого давления и по направлению оси расположенный позади и ниже по потоку от лопаточного венца заднего вентилятора, обеспечивает возможность работы газотурбинного двигателя с вращающимися в противоположных направлениях турбинами, вентиляторами и каскадами с различными отношениями частот вращения и мощностей. Кроме того, при вращении нагнетателя в одном направлении исключается необходимость в заделанных одним концом встречно-гребенчатых лопатках нагнетателя и поэтому можно получить более эффективную и устойчивую конструкцию вентилятора и системы нагнетания.

Краткое описание чертежей

Вышеупомянутые аспекты и другие особенности изобретения поясняются в нижеследующем описании в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:

фиг.1 - продольный разрез передней части первого иллюстративного варианта осуществления турбовентиляторного газотурбинного двигателя, предназначенного для летательного аппарата, с вращающимися в противоположных направлениях турбинами низкого давления и нагнетателем с одним направлением вращения, расположенным ниже по потоку от и позади вращающихся в противоположных направлениях вентиляторов;

фиг.2 - продольный разрез первого иллюстративного варианта осуществления задней части двигателя, предназначенной для использования с любым двигателем из фиг.1 и 2;

фиг.3 - продольный разрез второго иллюстративного варианта осуществления задней части двигателя, предназначенной для использования с любым двигателем из фиг.1 и 2;

фиг.4 - продольный разрез третьего иллюстративного варианта осуществления задней части двигателя, предназначенной для использования с любым двигателем из фиг.1 и 2; и

фиг.5 - продольный разрез передней части второго иллюстративного варианта осуществления турбовентиляторного газотурбинного двигателя, предназначенного для летательного аппарата, с вращающимися в противоположных направлениях турбинами и нагнетателем с одним направлением вращения, расположенным ниже по потоку от и позади вращающихся в противоположных направлениях вентиляторов.

Подробное описание изобретения

Показанное на фиг.1 представляет собой переднюю часть 7 приведенного в качестве примера турбовентиляторного газотурбинного двигателя 10, очерченного вокруг центральной линии 8 двигателя и имеющего вентиляторную секцию 12, в которую принимается воздушный поток, поступающий из окружающего воздуха 14. Двигатель 10 имеет рамную структуру 32, которая включает в себя переднюю раму 34 или раму вентилятора, присоединенную посредством корпуса 45 двигателя к центральной раме 60 турбины и к задней раме 155 турбины, показанным на фиг.2. Двигатель 10 устанавливается внутри или на летательном аппарате, например на пилоне (не показан), который вытянут вниз от крыла летательного аппарата.

Вентиляторная секция 12 имеет вращающиеся в противоположных направлениях передний и задний вентиляторы 4 и 6, включающие в себя передний и задний лопаточные венцы 13 и 15, установленные на дисках 113 и 115 соответственно переднего и заднего вентиляторов. Нагнетатель 16 с одним направлением вращения расположен позади и ниже по потоку от переднего и заднего лопаточных венцов 13 и 15 и с возможностью передачи приводного усилия соединен с диском 115 заднего вентилятора и поэтому может вращаться совместно с задним вентилятором 6 и задним лопаточным венцом 15. Для достижения хорошей эффективности вентилятора в противоположность нагнетателям с вращением в противоположных направлениях нагнетатель 16 с одним направлением вращения обеспечивает возможность работы вращающихся в противоположных направлениях турбин низкого давления с различными отношениями частот вращения и мощностей. Одним примером таких отношений являются отношение частот вращения около 1,20 и отношение мощностей ниже 1,1. Кроме того, в нагнетателе с одним направлением вращения отсутствуют заделанные одним концом встречно-гребенчатые лопатки нагнетателя, и это позволяет получить более эффективную и устойчивую конструкцию вентиляторной и нагнетательной системы.

На фиг.1 нагнетатель показан с первым и вторым рядами лопаток 116 и 117 нагнетателя. Первый ряд лопаток 116 нагнетателя расположен между передним и средним рядами лопастей 122 и 124 нагнетателя. Второй ряд лопаток 117 нагнетателя расположен между средним рядом лопастей 124 нагнетателя и задним рядом лопастей 126 нагнетателя. Нагнетатель 16 по направлению оси расположен позади лопаточных венцов 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов. Лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов вытянуты по радиусам по направлению наружу от дисков 113 и 115 соответственно переднего и заднего вентиляторов и проходят поперек канала 5 вентилятора, ограниченного в радиальном направлении снаружи корпусом 11 вентилятора и ограниченного в радиальном направлении изнутри кольцевой радиально внутренней стенкой 29 канала. Первый и второй ряды лопаток 116 и 117 нагнетателя в радиальных направлениях расположены внутри воздухозаборника 19 внутреннего контура двигателя, окруженного бандажом 36 воздухозаборника внутреннего контура двигателя, имеющим разделитель 39 впускного канала.

Ниже по потоку и по направлению оси сзади от вентиляторной секции 12 находится компрессор высокого давления (КВД) 18, который дополнительно показан на фиг.2. На фиг.2 схематично показана задняя часть 22 двигателя 10. Ниже по потоку от компрессора 18 высокого давления находится камера 20 сгорания, в которой топливо смешивается с воздухом 14, сжатым компрессором 18 высокого давления, предназначенная для образования газообразных продуктов сгорания, которые протекают ниже по потоку через турбину 24 высокого давления и через вращающуюся в противоположном направлении турбину 26 низкого давления (ТНД), из которой газообразные продукты сгорания выбрасываются из двигателя 10. Вал 27 высокого давления соединяет турбину 24 высокого давления с компрессором 18 высокого давления по существу для образования первого каскада 33 или каскада высокого давления (также называемого ротором высокого давления). Компрессор 18 высокого давления, камера 20 сгорания и турбина 24 высокого давления в совокупности относятся к внутреннему контуру 25 двигателя, который для замыслов этого патента включает в себя вал 27 высокого давления. Внутренний контур 25 двигателя может быть выполнен в виде модуля, так что как единый узел его можно независимо заменять отдельно от других деталей газовой турбины.

Снова обратимся к фиг.1, на которой внешний контур 21 в радиальном направлении снаружи ограничен корпусом 11 вентилятора, а в радиальном направлении изнутри ограничен бандажом 36 воздухозаборника внутреннего контура двигателя. Лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов расположены внутри канала 5 выше по потоку от внешнего контура 21. Разделитель 39 впускного канала разделяет воздушный поток 23 вентилятора, выходящий из лопаточного венца 15 заднего вентилятора на первую часть 35 воздушного потока вентилятора в нагнетатель 16 и на вторую часть 37 воздушного потока вентилятора во внешний контур 21 вокруг нагнетателя 16, где он затем выходит из вентиляторной секции 12 через выходной канал 30 вентилятора, создавая тягу двигателя. Первая часть 35 воздушного потока вентилятора сжимается нагнетателем 16 для образования воздуха 31 нагнетателя и выходит из нагнетателя в компрессор 18 высокого давления внутреннего контура 25 двигателя.

Теперь обратимся к фиг.2, где турбина 26 низкого давления имеет путь 28 потока турбины низкого давления. Турбина 26 низкого давления включает в себя вращающиеся в противоположных направлениях турбины 41 и 42 с внутренним и внешним валами низкого давления, имеющие роторы 200 и 202 турбин соответственно с внутренним и внешним валами низкого давления. Роторы 200 и 202 турбин с внутренним и внешним валами низкого давления включают в себя соответственно первые и вторые лопаточные венцы 138 и 148 турбин низкого давления, расположенные поперек пути 28 потока турбины низкого давления. Вращающиеся в противоположных направлениях внутренний и внешний каскады 190 и 192 низкого давления включают в себя роторы 200 и 202 турбин с внутренним и внешним валами низкого давления, соединенные с возможностью передачи приводного усилия с лопаточными венцами 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов посредством внутреннего и внешнего валов 130 и 140 низкого давления соответственно.

Внутренний и внешний валы 130 и 140 низкого давления по крайней мере отчасти расположены с возможностью вращения соосно с и в радиальном направлении внутри относительно каскада 33 высокого давления. В иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг.2, имеются четыре ряда как первых, так и вторых лопаточных венцов 138 и 148 турбин низкого давления. Нагнетатель 16 с возможностью передачи приводного усилия соединен с внешним валом 140 низкого давления и является частью внешнего каскада 192 низкого давления. Сопло 220 турбины расположено по направлению оси впереди, выше по потоку от и вблизи вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления.

Турбины 41 и 42 с внутренним и внешним валами низкого давления, показанные на фиг.2, выполнены встречно-гребенчатыми. Первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления выполнены встречно-гребенчатыми совместно со вторыми лопаточными венцами 148 турбины низкого давления. Турбины 41 и 42 с внутренним и внешним валами низкого давления, показанные на фиг.2, имеют четыре вторых лопаточных венца 148 турбины низкого давления и соответственно четыре первых лопаточных венца 138 турбины низкого давления. В других вариантах осуществления могут быть два или более вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления и два или более первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления. Все вторые лопаточные венцы 148 турбины низкого давления выполнены встречно-гребенчатыми совместно с первыми лопаточными венцами 138 турбины низкого давления. Первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления установлены на внешнем в радиальном направлении барабане 100 турбины низкого давления. Барабан 100 турбины представляет собой часть ротора 200 турбины с внутренним валом низкого давления. Ротор 202 турбины с внешним валом низкого давления показан имеющим четыре вторых лопаточных венца 148 турбины низкого давления, установленных на вторых дисках 248 турбины низкого давления.

Показанное на фиг.3 представляет собой альтернативную конструкцию турбин 41 и 42 с внутренним и внешним валами низкого давления, имеющих самый задний или четвертый ряд 110 первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления, и эта конструкция является частью вращающейся рамы 108, поддерживающей внешний в радиальном направлении кольцевой узел 90 турбины, и с возможностью вращения поддерживается центральной рамой 60 и задней рамой 155 турбины. Внешний в радиальном направлении кольцевой узел 90 турбины имеет три отдельных кольца 92 ротора турбины, на которых соответственно закреплены первые три из первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления. Кольца 92 ротора турбины соединены друг с другом посредством болтовых соединений 94. Ротор 202 турбины с внешним валом низкого давления показан имеющим четыре вторых лопаточных венца 148 турбины низкого давления, установленных на вторых дисках 248 турбины низкого давления.

Показанное на фиг.4 представляет собой альтернативный вариант осуществления турбины 26 низкого давления. Двигатель 10 имеет одноступенчатый нагнетатель 16 без противовращения и расположенные последовательно, вращающиеся в противоположных направлениях турбины низкого давления без встречно-гребенчатой структуры, содержащие ряд неподвижных спрямляющих лопастей 210 между первыми лопаточными венцами 138 турбины низкого давления и вторыми лопаточными венцами 148 турбины низкого давления.

Турбина 26 низкого давления включает в себя расположенные последовательно, вращающиеся в противоположных направлениях переднюю и заднюю турбины 80 и 83 низкого давления без встречно-гребенчатой структуры и имеет путь 28 потока турбины низкого давления. Расположенные последовательно передняя и задняя турбины 83 и 80 низкого давления без встречно-гребенчатой структуры соответственно представляют вращающиеся в противоположных направлениях турбины 41 и 42 с внутренним и внешним валами низкого давления. Внутренний каскад 190 низкого давления включает в себя заднюю турбину 83 низкого давления, а внешний каскад 192 низкого давления включает в себя переднюю турбину 80 низкого давления. Задняя турбина 83 низкого давления включает в себя первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления, расположенные поперек пути 28 потока турбины низкого давления, и с возможностью передачи приводного усилия соединена с лопаточным венцом 13 переднего вентилятора посредством внутреннего вала 130 низкого давления.

Передняя турбина 80 низкого давления включает в себя вторые лопаточные венцы 148 турбины низкого давления, расположенные поперек пути 28 потока турбины низкого давления, и с возможностью передачи приводного усилия соединена с лопаточным венцом 15 заднего вентилятора посредством внешнего вала 140 низкого давления. В иллюстративном варианте осуществления, показанном в настоящем описании, имеются четыре ряда как первых, так и вторых лопаточных венцов 138 и 148 турбины низкого давления. Нагнетатель 16 с возможностью передачи приводного усилия соединен с внешним валом 140 низкого давления.

Первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления расположены ниже по потоку от вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления вдоль пути 28 потока турбины низкого давления. Ряды неповоротных неподвижных спрямляющих лопастей 210 расположены поперек пути 28 потока турбины низкого давления между первыми соседними парами 219 первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления и между вторыми соседними парами 218 вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления. Сопло 220 турбины расположено по направлению оси впереди, выше по потоку от и вблизи вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления.

Расположенные последовательно, вращающиеся в противоположных направлениях передняя и задняя турбины 80 и 83 низкого давления без встречно-гребенчатой структуры и ряд неподвижных спрямляющих лопастей 210 низкого давления содействуют работе двигателя при максимальном или почти максимальном коэффициенте полезного действия путем обеспечения возможности работы переднего вентилятора при более высоком отношении давлений вентилятора и при более высокой частоте вращения по сравнению с задним вентилятором, наряду с предотвращением значительного рассогласования мощностей и частот вращения вращающихся в противоположных направлениях турбин низкого давления и роторов. Это обеспечивает возможность работы двигателя с различными отношениями частот вращения и мощностей, такими, как отношения частот вращения и мощностей 1,2 или более, для содействия достижению максимальной производительности вентилятора. Кроме того, конструкция расположенных последовательно, вращающихся в противоположных направлениях передней и задней турбин низкого давления без встречно-гребенчатой структуры имеет небольшую массу и легко поддерживается с возможностью вращения статическими рамами двигателя.

В иллюстративном варианте осуществления имеется одинаковое некоторое количество первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления и вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления. Точнее говоря, в иллюстративном варианте осуществления имеются четыре первых лопаточных венца 138 турбины низкого давления и четыре вторых лопаточных венца 148 турбины низкого давления. Первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления показаны установленными на первых дисках 238 турбины низкого давления, относящихся к ротору 200 турбины с внутренним валом низкого давления, а вторые лопаточные венцы 148 турбины показаны установленными на вторых дисках 248 турбины низкого давления, относящихся к ротору 202 с внешним валом низкого давления. В качестве альтернативы первые и вторые лопаточные венцы 138 и 148 турбин низкого давления могут быть установлены на барабанах соответственно роторов 200 и 202 турбин с внутренним и внешним валами низкого давления. Сопло 220 турбины расположено по направлению оси впереди, выше по потоку от и вблизи первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления.

Показанное на фиг.5 представляет собой переднюю часть 7 альтернативного, приведенного в качестве примера турбовентиляторного газотурбинного двигателя 10, очерченного вокруг центральной линии 8 двигателя и имеющего вентиляторную секцию 12, в которую принимается воздушный поток, поступающий из окружающего воздуха 14. Двигатель 10 имеет рамную структуру 32, которая включает в себя переднюю раму 34 или раму вентилятора, присоединенную посредством корпуса 45 двигателя к центральной раме 60 турбины и к задней раме 155 турбины, показанным на фиг.2-4. Вентиляторная секция 12 имеет вращающиеся в противоположных направлениях передний и задний вентиляторы 4 и 6, содержащие передний и задний лопаточные венцы 13 и 15, установленные на дисках 113 и 115 соответственно переднего и заднего вентиляторов.

Нагнетатель 16 с одним направлением вращения с возможностью передачи приводного усилия соединен с диском 115 заднего вентилятора и поэтому может вращаться совместно с задним вентилятором 6 и с задним лопаточным венцом 15, а в рабочем состоянии соединен с и при работе приводится в движение посредством внешнего вала 140 низкого давления. На фиг.5 нагнетатель 16 показан с одним рядом лопаток 216 нагнетателя. Ряд лопаток 216 нагнетателя расположен между передним и задним рядами лопастей 222 и 224 нагнетателя. В иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг.5, задний ряд лопастей 224 нагнетателя имеет радиально внутренние лопастные части 225, расположенные между внутренними сторонами воздухозаборника 19 внутреннего контура двигателя, и радиально внешние лопастные части 227, расположенные между разделительным бандажом 17 и бандажом 36 воздухозаборника внутреннего контура двигателя. Нагнетатель 16 по направлению оси расположен позади лопаточных венцов 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов. Лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов вытянуты по радиусам по направлению наружу от дисков 113 и 115 соответственно переднего и заднего вентиляторов и проходят поперек канала 5 вентилятора, ограниченного в радиальном направлении снаружи корпусом 11 вентилятора.

Ряд лопаток 216 нагнетателя окружен разделительным бандажом 17, имеющим переднекромочный разделитель 9. Внешний контур 21 ограничен в радиальном направлении снаружи корпусом 11 вентилятора, а в радиальном направлении изнутри ограничен в основном разделительным бандажом 17 и бандажом 36 воздухозаборника внутреннего контура двигателя. Разделительный бандаж 17 и переднекромочный разделитель 9 разделяют воздушный поток 23 вентилятора, выходящий из лопаточного венца 15 заднего вентилятора на первую часть 35 воздушного потока вентилятора в нагнетатель 16 и вторую часть 37 воздушного потока вентилятора во внешний контур 21 вокруг нагнетателя 16, где он затем выходит из вентиляторной секции 12 через выходной канал 30 вентилятора, создавая тягу двигателя. Первая часть 35 воздушного потока вентилятора сжимается нагнетателем 16 для образования воздуха 31 нагнетателя, который выходит из нагнетателя и разделяется соответственно на первую и вторую части 135 и 137 воздуха нагнетателя посредством разделителя 39 впускного канала. Разделитель 39 впускного канала направляет первую часть 135 воздуха нагнетателя в воздухозаборник 19 внутреннего контура двигателя, ведущий к компрессору 18 высокого давления внутреннего контура 25 двигателя. Кроме того, разделитель 39 впускного канала направляет вторую часть воздуха нагнетателя вокруг внутреннего контура 25 двигателя во внешний контур 21, где он затем выходит из вентиляторной секции 12 через выходной канал 30 вентилятора. Вторая часть 137 воздуха нагнетателя протекает вокруг воздухозаборника 19 внутреннего контура двигателя во внешний контур 21, где он затем выходит из вентиляторной секции 12 через выходной канал 30 вентилятора, создавая тягу двигателя.

Можно использовать различные конфигурации турбины низкого давления. Может быть равное или неравное количество первых и вторых лопаточных венцов турбин низкого давления и могут быть три или четыре или больше каждых из первых и вторых лопаточных венцов турбин низкого давления.

Настоящее изобретение описано иллюстративным образом. Должно быть понятно, что использованная терминология скорее предопределяет сущность изложения описания, а не является ограничивающей. В то время как здесь описано то, что считается предпочтительными и иллюстративными вариантами осуществления настоящего изобретения, другие варианты изобретения должны быть очевидными для специалистов в области техники, к которой относится изобретение, на основании идей, приведенных в настоящем описании, и поэтому желательно обеспечить в приложенной формуле изобретения охрану всех таких вариантов, как попадающих в рамки истинной сущности и объема изобретения.

Перечень деталей

4. Передний вентилятор

5. Канал вентилятора

6. Задний вентилятор

7. Передняя часть

8. Центральная линия двигателя

9. Переднекромочный разделитель

10. Газотурбинный двигатель

11. Корпус вентилятора

12. Вентиляторная секция

13. Лопаточный венец переднего вентилятора

14. Окружающий воздух

15. Лопаточный венец заднего вентилятора

16. Нагнетатель

17. Разделительный бандаж

18. Компрессор высокого давления (КВД)

19. Воздухозаборник внутреннего контура двигателя

20. Камера сгорания

21. Внешний контур

22. Задняя часть

23. Воздушный поток вентилятора

24. Турбина высокого давления (ТВД)

25. Внутренний контур двигателя

26. Турбина низкого давления (ТНД)

27. Вал высокого давления

28. Путь потока

29. Внутренняя стенка канала

30. Выходной канал вентилятора

31. Воздух нагнетателя

32. Рамная структура

33. Каскад высокого давления или ротор высокого давления

34. Рама вентилятора

35. Первая часть

36. Бандаж воздухозаборника внутреннего контура двигателя

37. Вторая часть

39. Разделитель впускного канала

41. Турбина с внутренним валом

42. Турбина с внешним валом

45. Корпус двигателя

60. Центральная рама

80. Передняя турбина низкого давления

83. Задняя турбина низкого давления

90. Кольцевой узел турбины

92. Кольца ротора турбины

94. Болтовые соединения

100. Барабан турбины

108. Вращающаяся рама

110. Четвертый ряд

113. Диск переднего вентилятора

115. Диск заднего вентилятора

116. Первый ряд лопаток нагнетателя

117. Второй ряд лопаток нагнетателя

122. Передний ряд лопастей нагнетателя

124. Средний ряд лопастей нагнетателя

126. Задний ряд лопастей нагнетателя

130. Внутренний вал низкого давления

135. Первая часть

137. Вторая часть

138. Первые лопаточные венцы турбины низкого давления

140. Внешний вал низкого давления

148. Вторые лопаточные венцы турбины низкого давления

155. Задняя рама турбины

190. Внутренний каскад

192. Внешний каскад

200. Ротор турбины с внутренним валом низкого давления

202. Ротор турбины с внешним валом низкого давления

210. Ряд неподвижных спрямляющих лопастей

216. Лопатки нагнетателя

218. Вторая соседняя пара

219. Первая соседняя пара

220. Сопло турбины

222. Входной ряд лопастей нагнетателя

224. Выходной ряд лопастей нагнетателя

225. Внутренние лопастные части

227. Внешние лопастные части

238. Первые диски турбины низкого давления

248. Вторые диски турбины низкого давления

Турбинный узел газотурбинного двигателя содержит турбину высокого давления, соединенную с компрессором высокого давления посредством вала высокого давления, турбину низкого давления, имеющую вращающиеся в противоположных направлениях турбины с внутренним и внешним валами низкого давления. Турбина низкого давления имеет соответственно внутренний и внешний валы низкого давления. Турбина с внутренним валом низкого давления включает в себя первые лопаточные венцы турбины низкого давления, соединенные с возможностью передачи приводного усилия с лопаточным венцом переднего вентилятора посредством внутреннего вала низкого давления. Турбина с внешним валом низкого давления включает в себя вторые лопаточные венцы турбины низкого давления, соединенные с возможностью передачи приводного усилия с лопаточным венцом заднего вентилятора посредством внешнего вала низкого давления. Турбинный узел содержит также нагнетатель, выполненный с одним направлением вращения и с возможностью передачи приводного усилия. Нагнетатель соединен с внешним валом низкого давления и расположен по направлению оси позади и ниже по потоку от лопаточного венца заднего вентилятора. Изобретение направлено на повышение эффективности вентилятора и повышение кпд газотурбинного двигателя. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбинный узел газотурбинного двигателя, содержащий: каскад (33) высокого давления, включающий в себя турбину (24) высокого давления, с возможностью передачи приводного усилия, соединенную с компрессором (18) высокого давления посредством вала (27) высокого давления и вращающуюся вокруг центральной линии (8) двигателя, турбину (26) низкого давления, имеющую путь (28) потока турбины низкого давления и расположенную позади указанного каскада (33) высокого давления, при этом турбина (26) низкого давления имеет в составе вращающиеся в противоположных направлениях турбины (41 и 42) с внутренним и внешним валами низкого давления, турбина (26) низкого давления имеет соответственно внутренний и внешний валы (130 и 140) низкого давления, которые, по меньшей мере, частично расположены с возможностью вращения соосно с указанным каскадом (33) высокого давления и радиально внутрь относительно него, указанная турбина (41) с внутренним валом низкого давления включает в себя первые лопаточные венцы (138) турбины низкого давления, расположенные поперек пути (28) потока турбины низкого давления и соединенные с возможностью передачи приводного усилия с лопаточным венцом (13) переднего вентилятора посредством внутреннего вала (130) низкого давления, турбина (42) с внешним валом низкого давления включает в себя вторые лопаточные венцы (148) турбины низкого давления, расположенные поперек пути (28) потока турбины низкого давления и соединенные с возможностью передачи приводного усилия с лопаточным венцом (15) заднего вентилятора посредством внешнего вала (140) низкого давления, нагнетатель (16) с одним направлением вращения, с возможностью передачи приводного усилия, соединенный с внешним валом (140) низкого давления и расположенный по направлению оси позади и ниже по потоку от лопаточного венца (15) заднего вентилятора, и при этом нагнетатель (16) имеет, по меньшей мере, способный вращаться первый ряд лопаток (116) нагнетателя.2. Узел по п.1, дополнительно содержащий воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя для компрессора (18) высокого давления и нагнетатель (16), при работе расположенный полностью внутри воздухозаборника (19) внутреннего контура двигателя, для направления по существу всего воздуха (31) нагнетателя из нагнетателя в компрессор (18) высокого давления.3. Узел по п.2, дополнительно содержащий передний и задний ряды лопастей (122 и 126) нагнетателя, по направлению оси расположенных соответственно впереди и позади относительно первого ряда лопаток (116) нагнетателя (16).4. Узел по п.2, дополнительно содержащий второй ряд лопаток (117) нагнетателя и передние и задние лопасти (122 и 126) нагнетателя, расположенные соответственно впереди и позади относительно первого и второго рядов лопаток (116 и 117) указанного нагнетателя (16), и по меньшей мере один средний ряд лопастей (124) нагнетателя, по направлению оси расположенных между каждой парой указанных рядов лопаток нагнетателя.5. Узел по п.1, дополнительно содержащий: воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя для компрессора (18) высокого давления, при этом воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя имеет разделитель (39) впускного канала, разделитель (39) впускного канала по направлению оси и в радиальном направлении расположен вблизи и ниже по потоку от нагнетателя (16) для разделения воздуха (31) нагнетателя из нагнетателя на первую и вторую части (135 и 137) воздуха нагнетателя, и разделитель (39) впускного канала установлен в заданном положении для направления первой части (135) воздуха нагнетателя в воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя (19) и второй части (137) воздуха нагнетателя вокруг воздухозаборника (19) внутреннего контура двигателя.6. Узел по п.5, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один ряд лопаток (216) нагнетателя, окруженных разделительным бандажом (17), имеющим переднекромочный разделитель (9), при этом переднекромочный разделитель (9) при работе расположен вблизи и ниже по потоку от лопаточного венца (15) заднего вентилятора для разделения воздушного потока (23) вентилятора, выходящего из лопаточного венца (15) заднего вентилятора, на первую часть (35) воздушного потока вентилятора в нагнетатель (16) и вторую часть (37) воздушного потока вентилятора вокруг нагнетателя (16).7. Узел по п.6, дополнительно содержащий передние и задние лопасти (222 и 224) нагнетателя, расположенные соответственно впереди и позади лопаток (216) нагнетателя.8. Узел по п.1, дополнительно содержащий первые лопаточные венцы (138) турбины низкого давления, выполненные встречно-гребенчатыми совместно с вторыми лопаточными венцами (148) турбины низкого давления.9. Узел по п.8, дополнительно содержащий воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя для компрессора (18) высокого давления и нагнетатель (16), при работе расположенный полностью внутри воздухозаборника (19) внутреннего контура двигателя, для направления по существу всего воздуха (31) нагнетателя из нагнетателя в компрессор (18) высокого давления.10. Узел по п.8, дополнительно содержащий: воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя для компрессора (18) высокого давления, при этом воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя имеет разделитель (39) впускного канала, разделитель (39) впускного канала по направлению оси и в радиальном направлении расположен вблизи и ниже по потоку от нагнетателя (16) для разделения воздуха (31) из нагнетателя на первую и вторую части (135 и 137) воздуха нагнетателя, и разделитель (39) впускного канала установлен в заданном положении для направления первой части (135) воздуха нагнетателя в воздухозаборник (19) внутреннего контура двигателя (19) и второй части (137) воздуха нагнетателя вокруг воздухозаборника (19) внутреннего контура двигателя.11. Узел по п.1, дополнительно содержащий: вращающиеся в противоположных направлениях турбины (41 и 42) с внутренним и внешним валами низкого давления, выполненные в виде последовательно расположенных соответственно передней и задней турбин (80 и 83) низкого давления без встречно-гребенчатой структуры, первые лопаточные венцы (138) турбины низкого давления задней турбины (83) низкого давления, имеющей один ряд неподвижных спрямляющих лопастей (210), по направлению оси расположенных между каждой парой вторых лопаточных венцов (148) турбины низкого давления и расположенных поперек пути (28) потока турбины низкого давления, и вторые лопаточные венцы (148) турбины низкого давления передней турбины (80) низкого давления, имеющей один ряд неподвижных спрямляющих лопастей (210), по направлению оси расположенных между каждой парой первых лопаточных венцов (138) и расположенных поперек пути (28) потока турбины низкого давления.