ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F02K3/72 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям сверхвысокой степени двухконтурности авиационного применения.

Известен газотурбинный двигатель с приводом биротативного вентилятора от биротативной турбины [ЕР 1340903 А2, F04К 3/072, 2004 г.]. Недостатком такой конструкции является низкая надежность, так как через газогенератор двигателя проходят два высоконагруженных вала от биротативной турбины, что способствует снижению надежности валов биротативной турбины и подшипников газогенератора.

Наиболее близким к заявляемому является двухконтурный газотурбинный двигатель с приводом однорядного вентилятора через простой соосный редуктор [RU 2238418 С2, F02К 3/04, 2004 г.). Недостатком известной конструкции является повышенный уровень шума, создаваемый однорядным вентилятором, а также пониженная надежность рабочих лопаток однорядного вентилятора, работающих при повышенных окружных скоростях.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в снижении уровня шума за счет выполнения вентилятора с неподвижными относительно диска рабочими лопатками, а также в повышении надежности путем упрощения конструкции, уменьшения числа деталей и веса.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухконтурном газотурбинном двигателе с приводом вентилятора через простой соосный редуктор согласно изобретению вентилятор выполнен биротативным, первое по потоку воздуха рабочее колесо которого выполнено с возможностью вращения от первой по потоку промежуточной шестерни редуктора, причем H/h=1,1...1,5; z₃/z₂=2,5...4 и z₅/z₄=2,5...4, где

Н - ширина зубчатого венца ведущей шестерни редуктора;

h - ширина зубчатого венца ведомой шестерни, расположенной на валу первого рабочего колеса биротативного вентилятора;

z₂ - число зубьев промежуточной шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней внутреннего зацепления простого соосного редуктора;

z₃ - число зубьев шестерни внутреннего зацепления простого соосного редуктора;

z₅ - число зубьев ведомой шестерни, расположенной на валу первого рабочего колеса биротативного вентилятора;

z₄ - число зубьев промежуточной шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней простого соосного редуктора с числом зубьев z₅.

Выполнение вентилятора газотурбинного двигателя биротативным, т.е. с двумя вращающимися в противоположные стороны рабочими колесами, позволяет существенно снизить окружную скорость вращения каждого из рабочих колес вентилятора, что приводит к существенному снижению веса и уровня шума, генерируемого лопатками вентилятора, так как необходимая степень сжатия воздуха реализуется в двух ступенях, что требует меньшей окружной скорости каждой из ступеней по сравнению с однорядным вентилятором.

Выполнение первого по потоку воздуха рабочего колеса с возможностью вращения от первой по потоку промежуточной шестерни позволяет выполнить редуктор с фиксированным передаточным отношением от турбины низкого давления к первому и второму рабочим колесам биротативного вентилятора, т.е. выполнить вентилятор с неподвижными относительно диска рабочими лопатками с соответствующим снижением веса втулки вентилятора и повысить надежности из-за существенного снижения сложности конструкции.

В простом соосном редукторе для привода биротативного вентилятора окружная скорость в зацеплении для шестерни, установленной на валу первого по потоку рабочего колеса вентилятора, существенно меньше окружной скорости в зацеплении ведущей шестерни на входе в редуктор, что существенно снижает динамические нагрузки в зацеплении и позволяет выполнить при примерном равенстве окружных усилий шестерню на валу первого колеса вентилятора меньшей по ширине зубчатого венца по сравнению с ведущей шестерней.

При H/h<1,1 существенно увеличится вес редуктора и газотурбинного двигателя в целом, а при H/h>1,5 снизится надежность редуктора из-за повышенных контактных и изгибных напряжений зубьев у шестерни на валу первого рабочего колеса вентилятора.

Для снижения веса и количества деталей газотурбинного двигателя важным является передаточное число редуктора: при высоком передаточном числе возможно увеличение оборотов турбины низкого давления с соответствующим уменьшением количества ступеней этой турбины, однако при этом уменьшается количество промежуточных шестерен, которые можно разместить в окружном направлении в простом соосном редукторе с внутренним зацеплением, что приводит к повышению нагрузки на зуб для всех шестерен с соответствующим снижением надежности.

При z₃/z₂<2,5 уменьшается количество размещенных по окружности промежуточных шестерен, что приводит к повышению напряжений в зубьях шестерен и к снижению надежности редуктора.

При z₃/z₂>4 снижается передаточное отношение редуктора, что ведет к увеличению числа ступеней турбины низкого давления и увеличению числа деталей и веса газотурбинного двигателя.

В случае, когда z₅/z₄<2,5, повышаются окружные скорости первого рабочего колеса вентилятора с соответствующим повышением уровня шума, генерируемого вентилятором.

При z₅/z₄>4 излишне снижаются окружные скорости первого рабочего колеса вентилятора, что приводит к снижению напорности первой ступени биротативного вентилятора и уменьшению тяги двигателя.

Изобретение проиллюстрировано следующим образом.

На фиг.1 показан продольный разрез двухконтурного газотурбинного двигателя заявляемой конструкции, на фиг.2 представлен элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Двухконтурный газотурбинный двигатель 1 состоит из биротативного вентилятора 2, редуктора 3, компрессора низкого давления 4, компрессора высокого давления 5, камеры сгорания 6, турбины высокого давления 7 и турбины низкого давления 8, которая через редуктор 3 приводит во вращение первое 9 и второе 10 по потоку воздуха 11 рабочие колеса биротативного вентилятора 2. Для повышения надежности, снижения числа деталей и веса конструкции рабочие лопатки 12 и 13 рабочих колес 9 и 10 вентилятора 2 выполнены фиксированными, т.е. неповоротными относительно дисков 14 и 15, на которых они установлены.

Простой соосный редуктор 3 с внутренним зацеплением состоит из ведущей шестерни 16, которая установлена на валу 17 турбины низкого давления 8, а также из находящихся в зацеплении с шестерней 16 задними по потоку 11 промежуточных шестерен 18, которые в свою очередь находятся в зацеплении с шестерней внутреннего зацепления 19, установленной на валу 20 второго рабочего колеса 10 вентилятора 2.

На одном валу 21 с задней промежуточной шестерней 18 установлена передняя промежуточная шестерня 22, которая находится в зацеплении с ведомой шестерней внешнего зацепления 23, установленной на валу 24 первого рабочего колеса 9 вентилятора 2.

Числа зубьев 25 шестерен 16, 18, 19, 22 и 23 выбираются таким образом, чтобы передаточные числа от турбины низкого давления 8 к рабочим колесам 9 и 10 биротативного вентилятора 2 были примерно одинаковыми.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе двухконтурного газотурбинного двигателя 1 мощность от турбины низкого давления 8 передается через соосный простой редуктор 3 на биротативный вентилятор 2, который благодаря фиксированному для рабочих колес 9 и 10 оптимальному передаточному числу редуктора 3 и минимальным окружным скоростям рабочих лопаток 12 и 13 генерирует минимальный уровень шума, при этом уровень напряжений от центробежных сил в рабочих лопатках 12 и 13 также минимален, что способствует повышению надежности двигателя 1.

Так как степень сжатия потока воздуха 11 в каждом из рабочих колес 9 и 10 вентилятора 2 минимальна, то и количество рабочих лопаток 12 и 13 минимально, что способствует снижению количества деталей и веса двигателя 1.

В двухконтурном газотурбинном двигателе с приводом вентилятора через простой соосный редуктор вентилятор выполнен биротативным. Первое по потоку воздуха рабочее колесо биротативного вентилятора выполнено с возможностью вращения от первой по потоку промежуточной шестерни редуктора. Изобретение защищает величины отношений ширины зубчатого венца ведущей шестерни редуктора к ширине зубчатого венца ведомой шестерни, расположенной на валу первого рабочего колеса биротативного вентилятора, числа зубьев промежуточной шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней внутреннего зацепления простого соосного редуктора, к числу зубьев шестерни внутреннего зацепления простого соосного редуктора, числа зубьев ведомой шестерни, расположенной на валу первого рабочего колеса биротативного вентилятора к числу зубьев промежуточной шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней простого соосного редуктора. Изобретение направлено на снижение уровня шума за счет выполнения вентилятора с неподвижными относительно диска рабочими лопатками, а также на повышение надежности путем упрощения конструкции, уменьшения числа деталей и веса. 2 ил.

Двухконтурный газотурбинный двигатель с приводом вентилятора через простой соосный редуктор, отличающийся тем, что вентилятор выполнен биротативным, первое по потоку воздуха рабочее колесо которого выполнено с возможностью вращения от первой по потоку промежуточной шестерни редуктора, причем H/h=1,1...1,5; z₃/z₂=2,5...4 и z₅/Z₄=2,5...4,

где Н - ширина зубчатого венца ведущей шестерни редуктора;

h - ширина зубчатого венца ведомой шестерни, расположенной на валу первого рабочего колеса биротативного вентилятора;

z₂ - число зубьев промежуточной шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней внутреннего зацепления простого соосного редуктора;

z₃ - число зубьев шестерни внутреннего зацепления простого соосного редуктора;

z₅ - число зубьев ведомой шестерни, расположенной на валу первого рабочего колеса биротативного вентилятора;

z₄ - число зубьев промежуточной шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней простого соосного редуктора с числом зубьев z₅.