CN113544361B - 用于双旋翼飞机的燃气涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮，所述涡轮包括可以在相反方向上旋转并且交错的第一转子(22a)和第二转子(22b)。所述涡轮进一步包括环(66)，耐磨材料(68)固定到所述环，所述环(66)未分段且在所述第一转子的第一叶轮(22aa)与所述第二转子(22b)之间在350与360°之间的扇区上延伸，并且轴向地在所述环(66)的上游端与下游端之间，所述环与所述第二转子(22b)固持在一起。

Description

用于双旋翼飞机的燃气涡轮

技术领域

本发明的领域是用于飞机的燃气涡轮机，且具体来说，用于航空的涡轮风扇或涡轮风扇发动机的领域。

背景技术

作为前言，首先指出：

-本文中提及的任何涡轮机和/或涡轮通常具有基本上平行于气体从上游流向下游的方向的共同X轴，此轴为所述涡轮机或涡轮的任何转子的旋转轴，

-“外部”和“内部”是指与X轴径向的位置；外部是更远离X轴的位置且内部是更靠近X轴的位置，并且

-“周向”(或“切向”)表示：围绕X轴，围绕X轴延伸。

用于飞机的燃气涡轮发动机(例如涡轮风扇，其为双壳体双气流发动机)包括风扇，所述风扇通常直接由低压涡轮(下文称为LP涡轮)驱动且轴向地安置于低压涡轮的上游，所述低压涡轮位于高压涡轮(下文称为HP涡轮)的下游。燃烧室轴向地插入下游HP涡轮与上游LP(低压)压缩机之间，在所述上游LP压缩机的下游的涡轮机还包含HP(高压)压缩机。具有由LP涡轮直接驱动的风扇的此配置具有以下缺点：风扇以与LP涡轮相同的速度旋转。然而，为了实现良好的比燃料消耗率和低噪音水平，风扇应尽可能慢地旋转，同时调整叶片轮廓以保持高气流和速度，从而保持所需的推力水平。

除了将齿轮箱放置在连接风扇和LP涡轮的轴杆上的技术方案之外，作为替代涡轮风扇发动机，已经提出由于涡轮围绕轴线(X)延伸，它包括：

-第一转子，其包括第一行走轮(或叶轮)，以及

-第二转子，其包括第二行走轮(或叶轮)，第一和第二转子围绕所述轴线(X)可旋转地安装，所述第一转子和所述第二转子被配置成在相反方向上旋转，第二叶轮中的至少一些轴向地插入第一叶轮中的至少一些之间。

因此，例如在FR2942273中，LP涡轮包括第一转子，所述第一转子的一部分围绕第二叶轮轴向地旋转。风扇经由第二涡轮轴由第二转子且经由第一涡轮轴由第一转子驱动，所述第一涡轮轴在与第二轴相反的方向上旋转，反向旋转涡轮具有以下优点：具有较小占用面积以执行与常规涡轮相同的功能。

发明公开内容

在本发明寻求提供技术方案的问题中，可以注意以下几点：

-必须保留的关键部分将被视为第二转子，

-如果可能，则必须保护此第二转子，使其免受可能因所述转子配备的叶片或这些叶片的部分的释放而造成的损坏，特别是如果没有快速地检测到此类释放

-必须确保第一转子的叶片的固定。

发明内容

对上述问题中的一些或全部提出的技术方案是上述已知的燃气涡轮还包括耐磨材料固定到其上的环，

-环围绕所述旋转轴在第一叶轮(中的至少一个)与第二转子之间延伸，以及

-轴向地在所述环的上游端与下游端之间，所述环与第二转子固持在一起。

因此，换句话说，涡轮包括所述环，耐磨材料固定到所述环，所述环围绕第一叶轮中的一个延伸，耐磨材料与第一叶轮配合。

实际上，耐磨材料插入环与第一叶轮中的所述一个叶轮之间且围绕所述叶轮。

因此，耐磨材料相对于环固定；然而，第一叶轮中的一个相对于耐磨材料可移动(围绕X轴旋转)，

通过与耐磨材料接触，在涡轮的旋转期间，第一移动轮与所述耐磨材料配合或与所述耐磨材料接合。

这有助于保持第一叶轮的叶片，而不损坏第二转子的(径向外部)部分。实际上，在常规涡轮(即，仅具有内部转子，而不具有外部转子，但是替代地具有外部定子的涡轮)上，任何所述环固定到外部定子，所述外部定子通常为固定的涡轮壳体，然后执行保持功能：在这种情况下，所述环仅为保持的补充。因此，常规的涡轮环采用扇区形式，这有助于它们的制造和机械强度。在本发明的反向旋转涡轮中，环与所述第二转子固定在一起。因此，必须通过一个或多个坚固的耐久环来确保第一转子(其叶片通常可以相对于围绕它们的第二转子的一部分在径向内部)的叶片的保持，以保护第二转子(其上述周围部分)。

可以有利地选择环在350与360°之间的角度扇区上延伸。

因此，以轴对称方式并且因此超过360°制造的环可能是优选的，所述环在释放的叶片的冲击下无法打开并且最适合保持。然而，还可以选择在350°与小于360°之间分开的环，以便于环的组装和维护。

另外，通过将环保持在第二转子上的上述轴向定位，当涡轮运行时，环将具有一定的轴向膨胀能力。

为便于实现这一点，还提出与所述上游端和下游端相比，环与第二转子的所述固持轴向地更靠近环的中心定位。

环将通过旋转联轴器与第二转子轴向固持在一起，所述旋转联轴器可以包含爪形离合器联轴器(参见下文)。

在此上游端和下游端可仅通过所述旋转联轴器轴向(以及优选地径向)固定的情况下，当涡轮运行时，环将具有有利的变形自由度，而不具有实际约束。

并且保持环轴向靠近其中心将促进更精确的环平衡以及涡轮中的更少振动。

根据另一特征，还提出对于环与第二转子的所述固持，所述环具有在所述环的中心处轴向延伸的中心圆柱形轴承。

此位置允许在制造和组装期间有效地且容易地平衡环。

有利地，圆柱形轴承将收缩到第二转子中。

优点是在第二转子上的环的非常精确的定心。

还提出：

-所述环具有分别在上游和下游的两个第一轴向圆柱形表面，在环的外周边处一个比另一个位于更上游，

-第二转子具有分别在上游和下游的两个第二轴向圆柱形表面，所述两个第二轴向圆柱形表面分别在第二转子的部分的内周边处与第一上游和下游圆柱形表面相对地径向定位，以及

-在涡轮的正常操作期间，分别在环的第一圆柱形表面与第二转子的所述部分的第二圆柱形表面之间建立有径向间隙。

这又确保良好地控制耐磨材料与第一转子的叶片之间的操作间隙，以及具体来说胀差。

另外且具体地，对于反向旋转涡轮，在第二转子上的环的精确的定心还允许更精确的平衡以及因此涡轮中的更少振动。

根据又一特征，提出对于环的轴向止动件以及对于环与第二转子的所述固持，在环与第二转子之间建立有旋转联轴器。

优选地，将在环的轴向中心部分中建立此旋转联轴器。

因此，将在环与第二转子之间提供有效的轴向止动件和机械应力方面的安全且再次平衡的附件(紧固件)。

为了出于相同目的完成此旋转连接，还提出所述旋转联轴器包含环上的至少一个径向向外突出的突起物与第二转子上的至少一个配合凹槽之间的轴向止动件。

有利地，旋转联轴器将包含爪形离合器联轴器。

这将允许平移止动件靠近环的上述定心，并且将有助于减小环中的轴向应力。这是补充非扇形化环的技术方案。

另外，将在环与轮叶之间直接在环的下游建立周向(也称为切向)轴承；通常邻近于上述第一和第二下游轴向圆柱形表面(如果存在的话)。为此目的，经由销钉和榫眼的旋转联接构件可以将所述环连接到轴向相邻的第二叶轮。

这应该：

-以极其容易生产和安装的有效方式允许环停止旋转(围绕X轴)，以及

-防止环未(爪形)抓紧。

优选地，耐磨材料将作为一系列环扇区周向地展示。

这将有助于制造、耐磨材料在环上的安装以及其更换。

根据又一特征，本文还提出一种用于飞机的燃气涡轮发动机，所述涡轮发动机具有气体进入的上游入口以及气体离开的下游出口，所述涡轮发动机包括：

-具有全部或部分其特征的上述涡轮，所述涡轮是LP涡轮，以及

-位于LP涡轮上游的HP涡轮。

附图说明

图1示出根据本发明的反向旋转涡轮机的可能实施方案的示意性轴向截面图，

图2示出第一和第二转子的放大图；图1的区域II，

图3表示包括所述环(下文为66)的组合件的示意图，耐磨材料(下文为68)固定到所述环，

图4表示所述组合件的替代实施方案，

图5表示在图2的区域V中的竖直区段的图式，

图6表示具有此区域V的撕裂的透视图，

图7表示所述区域V的替代实施方案，

图8示出此区域V的另一实施方案变体，

图9在圆周上的另一点示出图6的图式，

图10示出图9的X-X截面，以及

图11示出在图10的中空体823周围的区域。

具体实施方式

下文指代仅作为实例呈现的实施方案。

因此，图1中的图式说明用于飞机的反向旋转的齿轮式涡轮机10。

此涡轮机10从上游到下游在从上游(US)轴向到下游(DS)的气流方向上包括风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16、环形燃烧室18、高压涡轮20以及低压(也称为LP)反向旋转涡轮22。

附图标记23指代位于风扇12与压缩机14之间的进气壳体。附图标记24指代在压缩机14和16之间的中间壳体，并且附图标记26指代在涡轮20和22之间的涡轮壳体(TVF类型)。附图标记28指代排气壳体(TRF类型)。

高压涡轮转子20经由高压轴30使高压压缩机转子16旋转，所述高压轴居中并且由例如上游轴承32和下游轴承34的轴承引导旋转。

反向旋转涡轮22包括：第一转子22a，所述第一转子具有配置成在第一旋转方向上旋转且连接到第一涡轮轴36的轮子22aa(也称为第一叶轮)；以及第二转子22b，所述第二转子具有配置成在相反的旋转方向上旋转且连接到第二涡轮轴38的轮子22ba(也称为第二叶轮)。轮子22ba轴向插入轮子22aa之间。第一转子22a和第二转子22b由壳体29围绕，所述壳体的下游端包括用于附接(固定)到排气壳体28的凸缘。

第一轴杆36在实例中在轴杆30内轴向地延伸并且使低压压缩机转子14旋转。第一轴杆36进一步联接到输入轴36a，所述输入轴与机械齿轮箱42的太阳或行星齿轮，例如与周转齿轮系啮合。输入轴36a因此可旋转地固定到轴杆36。

第二轴杆38在实例中在轴杆36内延伸并且使风扇12旋转。第二轴杆38联接到风扇壳体39和输出轴38a，所述输出轴与齿轮箱42的环形齿轮啮合5。

齿轮箱42进一步包括分别与太阳齿轮和环形齿轮啮合且由卫星固持器42a承载的卫星。卫星固持器可以是固定的或可移动的。在行星齿轮箱中，卫星固持器是移动的，在行星齿轮箱中，卫星固持器是固定的。卫星固持器42a可以或不可以固定到输入壳体23。

第一轴杆36居中并在上游由安装在第一轴杆36与中间壳体24之间的轴承48引导，并且在下游由安装在第一轴杆36与涡轮壳体26之间的轴承50引导。

第二轴杆38居中并在上游由安装在第二轴杆38与第一轴杆36之间的轴承52引导，并且在下游由在第二轴杆38与排气壳体28之间所示的轴承54引导。

风扇轴39和输出轴38a由上游轴承56和下游轴承58引导。这些轴承56、58首先在风扇轴39与输出轴38a之间，以及其次在风扇轴39与进气壳体23之间位于齿轮箱42的上游。在齿轮箱42的下游，轴承60引导输入轴36a旋转且安装在此轴杆与输入壳体23之间。

叶轮22aa和22ba两者包括分别标记为221和222的外周边上的轮叶。

从图2中的图式中最佳地看到，叶轮22aa由第一转子22a的部分62a联接以一起旋转，并且叶轮22ba由第二转子22b的部分62b联接以同样一起旋转。

第一转子22a的部分62a和第二转子22b的部分62b可以各自由围绕X轴通过360°一体化的环形部分限定。

部分62b围绕轮子22ba，而且围绕轮子22aa以及部分62a。

在图6中最佳地看到部分62b的区域。

根据本发明，至少一个组合件64(具体来说在图2中如此提及)径向地插入部分62b与轮子22aa的叶片的自由外端220a之间，所述组合件包括至少一个环66，所述至少一个环在350与360°之间的扇区上周向地延伸并且耐磨材料68固定到所述至少一个环(参见图4到6)。

在外周边处，叶轮叶片22aa具有刀口密封件70，每一叶片至少一个。

为了在叶片221和222延伸的气流72中进行密封，在涡轮22的旋转期间，刀口密封件(70)与耐磨材料68接触。

因此，围绕所述旋转轴X在第一叶轮22aa与第二转子22b之间延伸的环66未分段，如可以在图3或4中看出。

另外，为了促进环66具有一定的轴向膨胀能力的事实，当涡轮运行时，在环的上游端66a与下游端66b之间轴向地提供涡轮，此环固持在第二转子22b(其部分62b)上，与第二转子固定在一起；特别参见图5到6。

为了进一步促进这一点并因此进一步最小化由于环66与第二转子22b之间的不同轴向膨胀引起的应力，通过确保环的上游端和下游端自由地轴向膨胀，甚至提出与所述上游端66a和下游端66b相比，环66与第二转子22b的固持(单数不排除若干固持)轴向地更靠近环的中心(参见图5到8中的区域660)定位，其中环将不会与第二转子22b轴向地固持。

固持(接合)在轴向靠近其中心的此区域660中，所述环将很好地得到平衡，并且涡轮中将产生较少的振动。

关于固持，提出以下项：

-环66具有中心圆柱形支承表面661，所述中心圆柱形支承表面因此平行于旋转轴X基本上位于环的中心处(具体而言参见图5、7和8)。

-在环的轴向中心部分660(参见同一图)中，在环66与第二转子22b(其部分62b)之间建立旋转联轴器74。

中心圆柱形支承表面661因此将存在于环的外周边处，在静止时以及当涡轮运行时，所述中心圆柱形支承表面与以互补内部方式设置在第二转子22b的部分62b(具体而言参见图5、7和8)上的圆柱形支架76相对且径向接触，这参与在制造和组装期间有效地且容易地实施环的平衡。有利地，圆柱形轴承661将收缩到第二转子中。

这允许更好地控制耐磨材料68与第一转子22a的叶片的密封元件70之间的间隙，其中的每一个设置在第一转子的叶片平台222/222a(参见图5)的外周上，并且它们本身必须在外周上与随后设置(固定)在第二转子22b的径向面对部分62b上的耐磨材料68配合。

通过旋转联轴器74，附接(固定)将是安全的并且在环与第二转子22b之间的机械应力方面再次平衡。

旋转联轴器74可以包含环66上的至少一个径向向外突出的突起物663与第二转子部分62b上的至少一个径向凹槽620之间的轴向止动件740；参见图6到8。

每个突起物663可以由齿形成，所述齿周向地分布在若干环扇区中。

尽管位于轴向中心部分660中，但是旋转联轴器74以及因此配合的突起物和凹槽663、620可以相对于经由圆柱形支承表面661以及其圆柱形支架76形成的所述定心以不同方式轴向地定位：就在此定心的下游，如在图5的技术方案中；在定心的上游，如在图7的技术方案中；或在后一者的中间，如在图8的技术方案中。因此：

-在图7的技术方案中，说明抵靠着凹槽620的上游壁620a支承在上游侧上的突起物663，而定心壁661、76位于更下游，

-在图8的技术方案中，说明抵靠着凹槽620的下游壁620b支承在下游侧上的突起物663，而定心壁661、76相邻地轴向分布在此旋转联轴器74的上游连续性与下游连续性之间。

如果据称为“中心”，则圆柱形轴承76将基本上位于环的中心660处：环的轴向中心定义为其上游端66a与下游端66b之间的长度L1(参见图8)的一半(在15％内)，包含轴向齿821(参见下文)。轴向中心部分660在此中心的任一侧上轴向地延伸一定长度，所述长度可以在长度L1的10％与30％之间。可以设想在一侧上高达约25％且在另一侧上高达约5％，如在仅上游定心壁661、76的至少部分位于长度L1中间的上游的图8中，其中旋转联轴器74以及定心壁661、76的下游部分位于此中间的下游。

有利地，旋转联轴器74将包括爪形离合器。为此目的，突起物和凹槽663、620可以相互接合以形成周向爪形离合器。

WO2016189222或FR3036433提供爪形离合器的实例。如果已存在所述定心(参见上文)的收缩配合，则收缩配合已适合于允许在爪形离合器期间进行相对手动旋转。

在任何情况下，靠近环的上述定心76、661的此旋转和平移止动件将有助于减小后一者中的轴向应力。

这是补充非扇形化环66的技术方案。

就此而言，图3说明所述组合件64，包含围绕X轴跨越360°环形的环66，而图4说明组合件64，包含跨越350°环形的环66，因此在其圆周上以641将其自身呈现为开口环。尽管这允许与周向弹性变形接合，但是此种拆分技术方案不如无法在释放叶片的冲击下打开的360°环形、轴对称技术方案安全。

在每种情况下，耐磨材料68将优选地以扇形化或非扇形化块(未示出)实施，每个块可以在环66的内圆周上常规地且可拆卸地固定到所述环。

如更具体地在图5和7中所示，还提出在出现异常情况(例如，叶片冲击或局部过热)时，上游支架78a和下游支架78b有利地设置在环66与第二转子的部分62b之间。这些上游支架78a和下游支架78b在涡轮正常运行时不存在，在静止时也不存在，其中对于环66和部分62b，随后将在上游端处标记为665a、80a以及在下游端处标记为665b、80b的相应表面之间存在径向间隙；参见图7。

因此，环66随后将具有分别在上游665a和下游665b的两个第一轴向圆柱形表面，在环的外周边处一个比另一个位于更上游，并且第二转子的部分62b将具有分别在上游80a和下游80b的两个第二轴向圆柱形表面，所述两个第二轴向圆柱形表面分别在所述部分62b的内周边处与第一上游和下游圆柱形表面相对地径向定位。

这应有助于控制耐磨材料68与第二转子的叶片222(或图5或10中的222a、222b)的密封元件70之间的操作间隙以及尤其轴向扩展。

然而，应注意，在中心圆柱形支承表面661与圆柱形支架76和旋转联轴器74之间的定心技术方案独立于这些功能，并且可以单独地设置在环66上，如图8中所示。

在此技术方案中，仅保留中心圆柱形支承表面661与圆柱形支架76和旋转联轴器74之间的定心支撑(与上文相比)。在出现如上文所提及的异常情况时，移除上游支架78a和下游支架78b的轴向圆柱形表面。

在任何情况下，在两种情况下，还将优选地在环66与轮叶(例如，轮叶222b)之间建立至少一个周向支承表面(也称为切向，围绕X轴)，所述轮叶在图5中在下游轴向地邻近环66并且因此还在下游轴向地邻近轮叶222a，所述轮叶的密封元件70与所述耐磨材料68配合；参见图5或10。

因此，在82中，经由插口和凹槽的旋转联接构件将环66连接到轴向相邻的第二叶轮(22ba)。

周向支承表面82(或它们中的每一个，因为可能周向地存在若干个和/或当在涡轮上存在若干行叶片时，如在图2的实例中存在三个)可以由在下游边缘上在下游突起的轴向齿821实施，所述轴向齿在环66的下游端66b处且相当紧密地接合在形成于所涉及叶片(例如，图10中的222/222b)可以具有的环形连接部分84的上游面上的互补凹口823中，以在外圆周处附接(固定)到第二转子22b的部分62b；还参见图11。

这将有效且相对易于实施和组装，防止松开并允许每个环66相对于第一叶轮22aa的相邻下游排叶轮222a(的连接环部分84)可旋转地扣锁。

Claims (9)

1.用于飞机的燃气涡轮，所述涡轮围绕轴线(X)延伸并且包括第一转子(22a)和第二转子(22b)，所述第一转子(22a)包括第一叶轮(22aa)；所述第二转子(22b)包括第二叶轮(22ba)，所述第一和第二转子围绕所述轴线(X)可旋转地安装，所述第一转子(22a)和所述第二转子(22b)被配置成在相反方向上旋转，其中第二叶轮(22ba)中的至少一些轴向地插入第一叶轮(22aa)中的至少一些之间，其特征在于：

-所述涡轮进一步包括环(66)，耐磨材料(68)固定到所述环，所述环(66)围绕第一叶轮(22aa)中的一个延伸，所述耐磨材料(68)与第一叶轮配合，以及

-轴向地在所述环(66)的上游端(66a)与下游端(66b)之间，所述环与所述第二转子(22b)固持在一起，

其中，为了实现所述环的轴向止动以及与所述第二转子的固持，在所述环与所述第二转子之间建立有旋转联轴器，以及

其中，所述旋转联轴器包含轴向邻接件，所述轴向邻接件在所述环上的多个径向向外突出的突起物与所述第二转子上的多个配合凹槽之间，以及

其中，所述旋转联轴器包括爪形离合器，其由所述多个径向向外突出的突起物和所述多个配合凹槽形成，所述多个配合凹槽与所述多个径向向外突出的突起物相互接合。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述环(66)在350与360°之间的角度扇区上延伸。

3.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，与所述上游和下游端(22b)相比，所述环(66)与所述第二转子(22b)的所述固持轴向地更靠近所述环的中心(660)定位。

4.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，对于与所述第二转子(22b)的所述固持，所述环(66)具有在所述环(66)的中心(660)处轴向地延伸的中心圆柱形轴承(76)。

5.根据权利要求4所述的涡轮，其特征在于，所述环的圆柱形轴承(76)收缩到所述第二转子(22b)中。

6.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，：

-所述环(66)具有分别在上游和下游(665a、665b)的两个第一轴向圆柱形表面，在所述环(66)的外周边处一个比另一个位于更上游，

-所述第二转子(22b)具有分别在上游和下游(80a、80b)的两个第二轴向圆柱形表面，所述两个第二轴向圆柱形表面分别在所述第二转子(22b)的部分(62b)的内周边处与所述上游和下游圆柱形表面(665a、665b)相对地径向定位，以及

-在所述涡轮的正常操作期间，分别在所述环(66)的第一圆柱形表面与所述第二转子(22b)的所述部分(62b)的第二圆柱形表面之间建立有径向间隙。

7.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述旋转联轴器(74)位于所述环(66)的轴向中心部分(660)处。

8.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，榫卯式旋转联接构件将所述环(66)连接到与环轴向相邻的第二叶轮(22ba)。

9.用于飞机的涡轮发动机，所述涡轮发动机具有气体进入的上游入口以及气体从中离开的下游出口，所述涡轮发动机包括：

-根据前述权利要求中任一项所述的涡轮(22)，所述涡轮是低压涡轮，以及

-高压涡轮(20)，其位于所述低压涡轮(22)的上游。