КОМПОНОВКА ДВУХПОТОЧНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЭПИЦИКЛИЧЕСКИМ ИЛИ ПЛАНЕТАРНЫМ РЕДУКТОРОМ Российский патент 2022 года по МПК F02C3/107 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к компоновке двухкаскадного турбореактивного двигателя, объединяющей эпициклический или планетарный редуктор.

Предшествующий уровень техники

В таком двигателе 1, представленном на фиг. 1, воздух втягивается в канал 2 воздухозаборника, чтобы проходить через вентилятор 3, включающий в себя последовательность вращающихся лопастей, перед разделением на центральный первичный поток и вторичный поток, окружающий первичный поток.

Затем первичный поток сжимается на ступенях 4 и 6 компрессии до достижения камеры 7 сгорания, после которой он расширяется через турбину 8 высокого давления и турбину 9 низкого давления перед выпуском назад. В свою очередь, вторичный поток продвигается непосредственно назад вентилятором по пути потока, определенному корпусом 11.

Такой двигатель двухкаскадного типа включает в себя так называемый каскад низкого давления, посредством которого вентилятор 3 соединяется с турбиной низкого давления, и так называемый каскад высокого давления, посредством которого компрессор соединяется с турбиной высокого давления, эти два каскада являются соосными и вращательно независимыми друг от друга.

Благодаря редукционной передаче, вставленной между турбиной низкого давления и вентилятором, турбина низкого давления вращается быстрее вентилятора, приводимого ею, для того, чтобы увеличивать эффективность. В этой конфигурации каскад низкого давления включает в себя центральный вал для привода вентилятора и ротор, несущий турбину низкого давления, в то же время соединяясь с центральным валом через редукционную передачу.

Каскады высокого давления и низкого давления удерживаются подшипниками, поддерживаемыми конструктивными элементами двигателя. На практике, каскад низкого давления является критичным элементом компоновки, поскольку его центральный вал протягивается практически по всей длине двигателя, так что во время работы, т.е., когда он вращается, он может подвергаться режимам колебаний, которые могут вести к разрушению двигателя. В частности, вследствие своей значительной длины первый режим изгибных колебаний центрального вала лежит в его рабочем диапазоне, т.е., в диапазоне частот, соответствующих его частотам вращения.

Эта ситуация требует выполнения высокоскоростной балансировки центрального вала, а также предоставления подшипников, которые являются приспособленными для гашения его режимов колебаний, чтобы ограничивать возможные разбалансировки. Такие подшипники, в целом, называемые акронимом SFD, означающим "демпферами на основе сжатой пленки", включают в себя неподвижную мягкую обойму, несущую подшипник, принимающий каскад низкого давления, и вокруг которого поддерживается гидравлическое давление, этот тип подшипника является дорогостоящим для реализации.

Изобретение имеет целью предоставление компоновочных решений, предоставляющих возможность улучшения удерживания вращающихся элементов низкого давления, чтобы ограничивать использование сложных подшипников для гашения режимов колебаний.

Раскрытие изобретения

Для этого целью изобретения является двухконтурный турбореактивный двигатель, включающий в себя центральный вал, окруженный каскадом высокого давления, соосным и вращательно независимым, этот турбореактивный двигатель включает в себя от верхнего по потоку фрагмента к нижнему по потоку фрагменту согласно направлению циркуляции потока, который проходит через него, когда он работает:

- вентилятор, приводимый в действие центральным валом;

- компрессор высокого давления и турбину высокого давления, принадлежащие к каскаду высокого давления;

- межтурбинный корпус;

- турбину низкого давления;

- выхлопной корпус;

этот турбореактивный двигатель дополнительно включает в себя:

- ротор низкого давления, который окружает центральный вал и который содержит турбину низкого давления;

- верхний по потоку подшипник ротора, поддерживаемый межтурбинным корпусом, и который вращательно направляет ротор низкого давления, в то же время размещаясь ниже по потоку от компрессора высокого давления;

- нижний по потоку подшипник ротора, поддерживаемый выхлопным корпусом, и который вращательно направляет ротор низкого давления;

- редуктор, через который ротор низкого давления приводит в действие центральный вал, этот редуктор размещается ниже по потоку от нижнего по потоку подшипника ротора;

- нижний по потоку подшипник вала, который вращательно направляет центральный вал, в то же время размещаясь ниже по потоку от нижнего по потоку подшипника ротора.

С такой компоновкой скорость центрального вала уменьшается, и его длина увеличивается благодаря подшипнику вала, расположенному ниже по потоку, который помогает снижению частот его обычных режимов, чтобы отводить их далеко от частот вращения. Снижение этой скорости также предоставляет возможность укрупнения диаметра вентилятора без чрезмерного увеличения скорости наконечников лопастей этого вентилятора.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, при этом нижний по потоку подшипник вала поддерживается выхлопным корпусом, в то же время размещаясь ниже по потоку от редукционной передачи.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, содержащему средний подшипник низкого давления, поддерживаемый межтурбинным корпусом и вращательно направляющий центральный вал.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, содержащему выпускной конус, поддерживаемый выхлопным корпусом, и при этом нижний по потоку подшипник вала размещается во внутреннем пространстве выпускного конуса.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, при этом редукционная передача размещается внутри внутреннего пространства.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, при этом ротор низкого давления оборудуется радиально гибким элементом, расположенным между нижним по потоку подшипником ротора и редуктором.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, включающему в себя компрессор низкого давления, приводимый в действие центральным валом, в то же время располагающийся между вентилятором и компрессором высокого давления.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, при этом редуктор является эпициклическим редуктором, содержащей:

- сателлиты, поддерживаемые водилом сателлитов, которое поддерживается центральным валом;

- внутреннее коронное зубчатое колесо, которое поддерживается ротором низкого давления;

- внешнее коронное зубчатое колесо, которое поддерживается выхлопным корпусом;

- каждый сателлит зацепляется с внутренним коронным зубчатым колесом и внешним коронным зубчатым колесом.

Изобретение также относится к турбореактивному двигателю по определению, при этом редуктор является планетарным редуктором, содержащим:

- сателлиты, поддерживаемые водилом сателлитов, которое поддерживается выхлопным корпусом;

- внутреннее коронное зубчатое колесо, которое поддерживается ротором низкого давления;

- внешнее коронное зубчатое колесо, которое поддерживается центральным валом;

- каждый сателлит зацепляется с внутренним коронным зубчатым колесом и внешним коронным зубчатым колесом.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - это вид в продольном сечении известного двухконтурного двухкаскадного турбореактивного двигателя;

Фиг. 2 - это схематичный вид в продольном сечении архитектуры турбореактивного двигателя согласно изобретению;

Фиг. 3 - это схематичный вид в продольном сечении нижнего по потоку фрагмента архитектуры турбореактивного двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения;

Фиг. 4 - это схематичный вид в продольном сечении нижнего по потоку фрагмента архитектуры турбореактивного двигателя согласно второму варианту осуществления изобретения;

Фиг. 5 - это схематичный вид в продольном сечении нижнего по потоку фрагмента архитектуры турбореактивного двигателя согласно третьему варианту осуществления изобретения;

Фиг. 6 - это схематичный вид в продольном сечении нижнего по потоку фрагмента архитектуры турбореактивного двигателя согласно четвертому варианту осуществления изобретения;

Фиг. 7 - это схематичный вид в продольном сечении нижнего по потоку фрагмента архитектуры турбореактивного двигателя согласно пятому варианту осуществления изобретения.

Подробное описание конкретных вариантов осуществления

Как схематично представлено на фиг. 2, двигатель согласно изобретению характеризуется архитектурой, содержащей вентилятор 13 в своем верхнем по потоку фрагменте AM, за которым следует компрессор 14 низкого давления. Вентилятор и компрессор низкого давления приводятся во вращение центральным валом AC, проходящим по большей части длины двигателя, вентилятор пересекается всей полнотой потока, поступающего внутрь этого двигателя.

Верхнее по потоку AM и нижнее по потоку AV направления определяются относительно направления циркуляции потока в двигателе вдоль его продольной оси AX, в соответствии с обычными условиями.

Компрессор 16 высокого давления, расположенный непосредственно ниже по потоку AV от компрессора 14, сжимает текучую среду первичного потока, прошедшего через компрессор низкого давления, перед поступлением в непредставленную камеру сгорания, расположенную непосредственно ниже по потоку от этого компрессора 16 высокого давления.

После прохождения в камеру сгорания текучая среда расширяется через турбину 17 высокого давления, которая приводит в действие компрессор 16. Лопасти компрессора 16 высокого давления и турбины 17 высокого давления поддерживаются одним и тем же каскадом CH высокого давления или целиком выполняются с последним. Этот каскад CH высокого давления протягивается в центральной области двигателя по оси AX, он окружает центральный вал AC, в то же время являясь полностью вращательно независимым от него.

После прохождения через турбину 17 высокого давления, текучая среда переходит в межтурбинный корпус, несущий ссылочный номер 18 на фиг. 3, перед прохождением через турбину 19 низкого давления и затем выпускается через выхлопной корпус 21.

Межтурбинный корпус 18 включает в себя концентрические внешний кожух и внутренний кожух, ограничивающие между собой кольцевое пространство для прохождения первичного потока, а также набор неподвижных радиальных лопастей, каждая связывает внешний кожух с внутренним кожухом и предоставляет возможность раскручивания первичного потока. Аналогично, выхлопной корпус 21 включает в себя концентрические внешний кожух и внутренний кожух, ограничивающие кольцевое пространство для прохождения распространившегося первичного потока, а также набор неподвижных радиальных кронштейнов, каждый связывает эти два кожуха друг с другом.

Турбина 19 низкого давления вращательно связывается с центральным валом эпициклического редуктора 22, расположенным ниже по потоку AV, и благодаря которому она вращается быстрее вентилятора 13, для того, чтобы улучшать эффективность двигателя.

Как показано более ясно на фиг. 3, выхлопной корпус 21 несет выпускной конус 23, который закрывает нижнюю по потоку область двигателя, расположенную радиально внутрь от пути первичного потока, этот выпускной конус 23 протягивается вниз по потоку.

Редуктор 22 размещается внутри внутреннего пространства E, ограниченного выхлопным корпусом 21 и выпускным конусом 23, продолжающим этот корпус 21, в то же время соединяясь с центральным валом AC и с ротором RB, поддерживающим турбину низкого давления.

Этот ротор RB, который окружает центральный вал AC, протягивается от среднего фрагмента, посредством которого он поддерживает диски или лопасти турбины низкого давления, вплоть до нижнего по потоку фрагмента, посредством которого он соединяется с редуктором. Этот ротор RB включает в себя в своей центральной области радиально гибкий элемент 24.

Этот гибкий элемент 24 является мягким согласно радиальному направлению, чтобы предоставлять возможность смещения от центра верхнего по потоку фрагмента ротора RB относительно его нижнего по потоку фрагмента, в то же время обеспечивая передачу крутящего момента от одного фрагмента к другому.

Как показано на фиг. 3, ротор RB низкого давления удерживается и вращательно направляется верхним по потоку подшипником 26, расположенным выше по потоку от турбины 19 низкого давления, и нижним по потоку подшипником 27, расположенным между этой турбиной 19 низкого давления и радиально гибким элементом 24. Верхний по потоку подшипник 26 ротора поддерживается межтурбинным корпусом 18, а нижний по потоку подшипник 27 ротора поддерживается выхлопным корпусом 21. По меньшей мере, один из двух подшипников 26 и 27 ротора является упорным подшипником, т.е., принимающим осевое усилие, формируемое турбиной низкого давления, чтобы переносить его на конструкцию двигателя.

Этот редуктор включает в себя сателлиты 28, окружающие внутреннее коронное зубчатое колесо 29, также называемое солнечным зубчатым колесом, и окруженные внешним коронным зубчатым колесом 33, каждый зацепляется с этими двумя коронными зубчатыми колесами, эти сателлиты 28 поддерживаются водилом 32 сателлитов.

В случае на фиг. 3 редуктор, котораый имеет ссылочный номер 22, имеет эпициклический тип, т.е., водило 32 сателлитов является вращательно подвижным, в то же время являясь жестко прикрепленным к центральному валу AC. В свою очередь, внутреннее коронное зубчатое колесо 29 жестко прикрепляется к ротору RB низкого давления, тогда как внешнее коронное зубчатое колесо 33 жестко прикрепляется к выхлопному корпусу 21, в то же время поддерживаясь последним.

Центральный вал AC поддерживается и вращательно направляется верхним по потоку подшипником, который не показан на фиг. 3 и размещается в верхнем по потоку фрагменте двигателя, и нижним по потоку подшипником 34 центрального вала, который размещается ниже по потоку от редуктора 22, в то же время поддерживаясь выхлопным корпусом 21. Как показано на чертежах, нижний по потоку подшипник 34 размещается во внутреннем пространстве E выпускного конуса 23.

Удерживание центрального вала AC может быть улучшено посредством предоставления среднего подшипника 36 низкого давления, как представлено на фиг. 4, этот средний подшипник поддерживается межтурбинным корпусом 18 и принимает центральный вал AC, чтобы поддерживать его среднюю область. Добавление этого среднего подшипника 36 предоставляет возможность улучшения удерживания центрального вала AC, с тем, чтобы дополнительно уменьшать частоты его режимов колебаний.

Примеры на фиг. 5 и 6 показывают варианты осуществления, имеющие, соответственно, те же архитектуры, что и на фиг. 3 и 4, но при этом редуктор, имеющий ссылочный номер 22', является планетарным, а не эпициклическим, редуктором.

Этот планетарный редуктор 22' также включает в себя сателлиты 28, окружающие внутреннее коронное зубчатое колесо 29 и окруженные внешним коронным зубчатым колесом 33, в то время как каждый из них зацепляется с этими двумя коронными зубчатыми колесами, эти сателлиты 28 поддерживаются водилом 32' сателлитов.

Водило сателлитов, несущее ссылочный номер 32', является неподвижным, в то же время поддерживаясь выхлопным корпусом 21, и внешнее коронное зубчатое колесо 33 является подвижным, в то же время являясь жестко прикрепленным к центральному валу AC. В свою очередь, внутреннее коронное зубчатое колесо 29 поддерживается ротором RB низкого давления, аналогично вариантам осуществления на фиг. 3 и 4.

Таким образом, в примере на фиг. 5, центральный вал удерживается верхним по потоку подшипником, который не показан, и нижним по потоку подшипником 34, а в примере на фиг. 6 этот вал AC удерживается нижним по потоку подшипником 34, а также средним подшипником низкого давления, эти две подшипника имеют ту же компоновку, что и в уже описанных примерах на фиг. 3 и 4.

В вариантах осуществления на фиг. 2-6 нижний по потоку подшипник 34 центрального вала является неподвижным подшипником, поддерживаемым выхлопным корпусом 21, в то же время размещаясь ниже по потоку от редуктора 22 или 22'. Дополнительно, или альтернативно, как представлено на фиг. 7, нижний по потоку подшипник вала, несущий ссылочный номер 34', может быть межвальным подшипником, который окружает вал AC, чтобы удерживать его и вращательно направлять его, в то же время являясь окруженным ротором RB, и в то же время размещаясь ниже по потоку от нижнего по потоку подшипника 27 ротора. В этой конфигурации нижний по потоку фрагмент центрального вала AC, таким образом, удерживается через ротор RB низкого давления, а не непосредственно выхлопным корпусом 21.

Изобретение предоставляет возможность избавления от дополнительных подшипников, обычно предусматриваемых для поддержания центрального вала, для того, чтобы отводить собственные частоты этого вала от его частот вращения. Таким образом, это предоставляет возможность ограничения реализации сложных подшипников, таких как SFD-подшипники, и снижения точности балансировки, требуемой для центрального вала.

Изобретение относится к двухконтурному турбореактивному двигателю, имеющему центральный вал (AC), окруженный основной частью (CH) высокого давления, которая вращается вокруг той же продольной оси (AC), в то же время являясь независимой во вращении, и содержащему: вентилятор (13), приводимый в действие центральным валом давления; компрессор (16) высокого давления и турбину (17) высокого давления, установленные в основной части (CH) высокого давления; межтурбинный корпус (18); турбину (19) низкого давления, установленную на роторе (RB) низкого давления, окружающем центральный вал (AC); выхлопной корпус (21), на который устанавливается выходной конус (23); редуктор (22), посредством которого ротор (RB) низкого давления приводит в действие центральный вал (AC) давления; два подшипника (34), установленных на выхлопном корпусе (21) и соответственно принимающих центральный вал (AC) и ротор (RB) низкого давления; подшипник (26), установленный на межтурбинном корпусе (18) и принимающий ротор (RB) низкого давления. Достигается улучшение удерживания вращающихся элементов низкого давления, чтобы ограничивать использование сложных подшипников для гашения режимов колебаний. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двухконтурный турбореактивный двигатель, включающий в себя центральный вал (AC), окруженный каскадом (CH) высокого давления, соосным и вращательно независимым относительно центрального вала, этот турбореактивный двигатель включает в себя от выше по потоку (AM) к ниже по потоку (AV) согласно направлению циркуляции потока, который проходит через него, когда он работает:

- вентилятор (13), приводимый в действие центральным валом (AC);

- компрессор (16) высокого давления и турбину (17) высокого давления, принадлежащие к каскаду (CH) высокого давления;

- межтурбинный корпус (18);

- турбину (19) низкого давления;

- выхлопной корпус (21) для прохождения расширенного первичного потока;

этот турбореактивный двигатель дополнительно включает в себя:

- ротор (RB) низкого давления, который окружает центральный вал (AC) и который содержит турбину (19) низкого давления;

- верхний по потоку подшипник (26) ротора, поддерживаемый межтурбинным корпусом (18), и который вращательно направляет ротор (RB) низкого давления, и при этом расположенный ниже по потоку от компрессора (16) высокого давления;

- нижний по потоку подшипник (27) ротора, поддерживаемый и прикрепленный к выхлопному корпусу (21), этот нижний по потоку подшипник (27) ротора вращательно направляет ротор (RB) низкого давления;

- редуктор (22, 22'), через который ротор (RB) низкого давления приводит в действие центральный вал (AC), этот редуктор расположен ниже по потоку от нижнего по потоку подшипника (27) ротора;

- нижний по потоку подшипник (34, 34') вала, который вращательно направляет центральный вал (AC), этот нижний по потоку подшипник (34, 34') вала расположен ниже по потоку от нижнего по потоку подшипника (27) ротора.

2. Турбореактивный двигатель по п. 1, в котором нижний по потоку подшипник (34) вала поддерживается выхлопным корпусом (21), и при этом расположен ниже по потоку от редуктора (22, 22').

3. Турбореактивный двигатель по п. 1 или 2, содержащий средний подшипник (36) низкого давления, поддерживаемый межтурбинным корпусом (18) и принимающий центральный вал (AC).

4. Турбореактивный двигатель по одному из предшествующих пунктов, содержащий выпускной конус (23), поддерживаемый выхлопным корпусом (21), и при этом нижний по потоку подшипник (34) вала расположен во внутреннем пространстве (E) выпускного конуса (23).

5. Турбореактивный двигатель по п. 4, в котором редуктор (22, 22') расположен внутри внутреннего пространства (E) выпускного конуса (23).

6. Турбореактивный двигатель по одному из предшествующих пунктов, в котором ротор (RB) низкого давления снабжен радиально гибким элементом (24), расположенным между нижним по потоку подшипником (27) ротора и редуктором (22).

7. Турбореактивный двигатель по одному из предшествующих пунктов, включающий в себя компрессор (14) низкого давления, приводимый в действие центральным валом (AC), и при этом расположенный между вентилятором (13) и компрессором (16) высокого давления.

8. Турбореактивный двигатель по одному из предшествующих пунктов, в котором редуктор (22) является эпициклическим редуктором (22), содержащим:

- сателлиты (28), поддерживаемые водилом (32) сателлитов, которое поддерживается центральным валом (AC);

- внутреннее коронное зубчатое колесо (29), которое поддерживается ротором (RB) низкого давления;

- внешнее коронное зубчатое колесо (33), которое поддерживается выхлопным корпусом (21);

- каждый сателлит (28) зацепляется с внутренним коронным зубчатым колесом (29) и внешним коронным зубчатым колесом (33).

9. Турбореактивный двигатель по одному из пп. 1-8, в котором редуктор (22') является планетарным редуктором, содержащим:

- сателлиты (28), поддерживаемые водилом (32') сателлитов, которое поддерживается выхлопным корпусом (21);

- внутреннее коронное зубчатое колесо (29), которое поддерживается ротором (RB) низкого давления;

- внешнее коронное зубчатое колесо (33), которое поддерживается центральным валом (AC);

- каждый сателлит (28) зацепляется с внутренним коронным зубчатым колесом (29) и внешним коронным зубчатым колесом (33).