Авиационный газотурбинный двигатель, имеющий турбины низкого давления со встречным вращением и регулируемым делением крутящего момента, а также вспомогательный компрессор позади встречно вращающихся вентиляторов
Узел газотурбинного двигателя содержит ступень высокого давления, включающую в себя турбину высокого давления, соединенную с компрессором высокого давления посредством вала высокого давления, турбину низкого давления и вспомогательный компрессор с единственным направлением вращения. Турбина низкого давления имеет турбины со встречным вращением внутреннего и внешнего валов низкого давления, которые, по меньшей мере, частично расположены с возможностью вращения коаксиально с упомянутой ступенью высокого давления и радиально внутри нее. Турбина внутреннего вала низкого давления соединена с возможностью привода с лопаточным венцом переднего вентилятора посредством внутреннего вала низкого давления. Турбина внешнего вала низкого давления соединена с возможностью привода с лопаточным венцом заднего вентилятора посредством внешнего вала низкого давления. Вспомогательный компрессор имеет, по меньшей мере, один вращающийся первый венец лопаток, соединенный с возможностью привода с внешним валом низкого давления и расположенный вдоль оси позади и ниже по течению от лопаточного венца заднего вентилятора. По меньшей мере, один венец регулируемых направляющих лопаток турбины низкого давления расположен поперек проточного канала турбины низкого давления между турбинами внутреннего и внешнего валов низкого давления. Изобретение повышает кпд вентиляторов. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям со встречно вращающимися вентиляторами, приводимыми в движение встречно вращающимися роторами турбины низкого давления, и предназначено, в частности, для таких двигателей, имеющих вспомогательный компрессор с единственным направлением вращения, расположенный ниже по течению от встречно вращающихся вентиляторов и включающий в себя направляющие лопатки для осуществления деления мощности на неодинаковые доли и регулируемого деления крутящего момента между встречно вращающимися роторами турбины низкого давления.
Описание предшествующего уровня техники
Газотурбинный двигатель турбовентиляторного типа в общем случае включает в себя передний (расположенный ближе к носовой части воздушного судна) вентилятор и вспомогательный компрессор, средний двигатель внутреннего контура и заднюю (расположенную ближе к хвостовой части воздушного судна) силовую турбину низкого давления. Двигатель внутреннего контура включает в себя компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления, соединенные последовательно в направлении потока. Компрессор высокого давления и турбина высокого давления двигателя внутреннего контура взаимосвязаны посредством вала высокого давления. Компрессор, турбина и вал высокого давления, по существу, образуют ротор высокого давления. Компрессор высокого давления приводится во вращение для сжатия воздуха, поступающего в двигатель внутреннего контура, до достижения относительно высокого давления. Воздух, находящийся под высоким давлением, затем смешивается с топливом в камере сгорания и сжигается, образуя высокоэнергетический поток газа. Этот поток газа протекает в направлении, противоположном направлению полета, и проходит через турбину высокого давления, приводя во вращение ее и вал высокого давления, который, в свою очередь, приводит во вращение компрессор.
Поток газа, выходящий из турбины высокого давления, распространяется через вторую турбину, называемую турбиной низкого давления. Эта турбина низкого давления приводит во вращение вентилятор и вспомогательный компрессор через посредство вала низкого давления, причем все эти конструктивные элементы образуют ротор низкого давления. Вал низкого давления проходит сквозь ротор высокого давления. Разработано несколько турбин низкого давления с турбинами со встречным вращением, которые сообщают энергию встречно вращающимся вентиляторам и встречно вращающимся вспомогательным компрессорам, называемым также компрессорами низкого давления. В патентах США №№4860537, 5307622 и 4790133 описаны турбины со встречным вращением, имеющие встречно вращающиеся роторы, которые сообщают энергию встречно вращающимся вентиляторам и вспомогательным компрессорам. Наибольшая доля вырабатываемой тяги создается вентилятором. Венцы или ступени лопаток одного ротора турбины, имеющегося в турбинах со встречным вращением, образуют встречно-штыревую структуру с венцами или ступенями лопаток другого из встречно вращающихся роторов турбины. Между лопаточными венцами, образующими встречно-штыревую структуру, направляющих лопаток нет. Радиально внешний барабан окружает лопаточные венцы одной из турбин со встречным вращением. Эти лопаточные венцы простираются радиально внутрь от упомянутого барабана.
В настоящее время ведется разработка усовершенствованных коммерчески выгодных газотурбинных двигателей, имеющих встречно вращающиеся передний и задний вентиляторы и встречно вращающиеся вспомогательные компрессоры. Желательно разработать двигатель со встречным вращением, который может работать в пиковом режиме. Обнаружено, что работу в пиковом режиме можно обеспечить, когда передний вентилятор работает при более высокой степени сжатия в вентиляторе и большей скорости вращения, чем задний вентилятор. Это может привести к существенному рассогласованию мощности, выражаемой в лошадиных силах, и скорости вращения между встречно вращающимися роторами. Для подвода необходимой мощности к каждому из переднего и заднего вентиляторов при одинаковой скорости вращения у каждого вентилятора требуется турбина низкого давления со встречным вращением. Обычная турбина со встречным вращением будет работать с пиковым кпд, когда деление мощности между валами обеспечивает одинаковые ее величины и когда скорости вращения валов одинаковы по величине и противоположны по направлению. В таком случае отношения скоростей, а также мощностей, выраженных в лошадиных силах, у обоих роторов и турбин, по существу, равны 1. Для достижения приемлемого кпд вентиляторов весьма желательно иметь газотурбинный двигатель с турбинами низкого давления со встречным вращением, которые имеют разные отношения скоростей и мощностей, выраженных в лошадиных силах, например имеют отношение скоростей, составляющее примерно 1,20, и отношение мощностей, выраженных в лошадиных силах, составляющее менее 1,1.
Краткое изложение сущности изобретения
Узел газотурбинного двигателя включает в себя ступень высокого давления, имеющую турбину высокого давления, соединенную с возможностью привода с компрессором высокого давления посредством вала высокого давления и вращающуюся вокруг осевой линии двигателя. Турбина низкого давления включает в себя проточный канал турбины низкого давления и расположена позади (ближе к хвостовой части) от ступени высокого давления. Турбина низкого давления имеет турбины со встречным вращением внутреннего и внешнего валов низкого давления, соединенные с возможностью привода с коаксиальными внутренним и внешним валами низкого давления соответственно, которые, по меньшей мере, частично расположены с возможностью вращения коаксиально со ступенью высокого давления и радиально внутри нее. Турбина внутреннего вала низкого давления включает в себя первые лопаточные венцы турбины низкого давления, расположенные поперек проточного канала турбины низкого давления, и соединена с возможностью привода с лопаточным венцом переднего вентилятора посредством внутреннего вала низкого давления. Турбина внешнего вала низкого давления включает в себя вторые лопаточные венцы турбины низкого давления, расположенные поперек проточного канала турбины низкого давления, и соединена с возможностью привода с лопаточным венцом заднего вентилятора посредством внешнего вала низкого давления. Между турбинами низкого давления со встречным вращением расположен, по меньшей мере, один венец регулируемых направляющих лопаток низкого давления. С внешним валом низкого давления соединен с возможностью привода вспомогательный компрессор с единственным направлением вращения, расположенный позади и ниже по течению от лопаточного венца заднего вентилятора. Этот вспомогательный компрессор имеет, по меньшей мере, вращающийся первый венец лопаток вспомогательного компрессора. В отличие от встречно вращающихся вспомогательных компрессоров вспомогательный компрессор с единственным направлением вращения обеспечивает работу турбин низкого давления со встречным вращением при разных отношениях скоростей, а также мощностей, выраженных в лошадиных силах, для достижения надлежащего кпд вентиляторов.
Турбины со встречным вращением внутреннего и внешнего валов низкого давления могут образовывать встречно-штыревую структуру, при этом первые лопаточные венцы турбины низкого давления образуют встречно-штыревую структуру со вторыми лопаточными венцами турбины низкого давления. В альтернативном варианте турбины внешнего и внутреннего валов низкого давления могут быть соответственно сдвоенными задней и передней турбинами низкого давления, не образующими встречно-штыревую структуру, при этом задняя турбина низкого давления расположена позади (ближе к хвостовой части воздушного судна) и ниже по течению от передней турбины низкого давления.
В одном возможном конкретном варианте осуществления узел включает в себя входной канал двигателя внутреннего контура, ведущий к компрессору высокого давления, а вспомогательный компрессор оперативно расположен целиком внутри входного канала двигателя внутреннего контура для направления, по существу, всего воздуха из этого вспомогательного компрессора в компрессор высокого давления. Передний и задний венцы направляющих лопаток вспомогательного компрессора могут быть расположены вдоль оси соответственно впереди (ближе к носовой части воздушного судна) и позади (ближе к хвостовой части воздушного судна) первого венца лопаток вспомогательного компрессора. Первый и второй венцы (или большее количество венцов) лопаток вспомогательного компрессора, имеющихся на вспомогательном компрессоре, могут быть расположены вдоль оси между передними и задними направляющими лопатками вспомогательного компрессора. Между венцами каждой пары венцов лопаток вспомогательного компрессора расположен, по меньшей мере, один средний венец направляющих лопаток вспомогательного компрессора.
В другом возможном конкретном варианте осуществления узел имеет входной канал двигателя внутреннего контура, расположенный ниже по течению и в осевом направлении позади вспомогательного компрессора. Этот входной канал двигателя внутреннего контура имеет делитель входного канала, расположенный в осевом и радиальном направлениях рядом со вспомогательным компрессором и ниже по течению от него для деления воздуха вспомогательного компрессора на первую и вторую части воздуха вспомогательного компрессора. Наличие делителя канала предусмотрено для направления первой части воздуха вспомогательного компрессора во входной канал двигателя внутреннего контура, а второй части воздуха вспомогательного компрессора - в обход входного канала двигателя внутреннего контура. Вспомогательный компрессор включает в себя, по меньшей мере, один венец лопаток вспомогательного компрессора, окруженный делительным бандажом, имеющим делитель на передней кромке, который оперативно расположен рядом с лопаточным венцом заднего вентилятора и ниже по течению от него для деления проточного воздуха вентиляторов, выходящего от лопаточного венца заднего вентилятора, на первую часть проточного воздуха вентиляторов, попадающую во вспомогательный компрессор, и вторую часть воздуха вентиляторов, обходящую вспомогательный компрессор. Передний и задний венцы направляющих лопаток вспомогательного компрессора могут быть расположены соответственно впереди (ближе к носовой части воздушного судна) и позади (ближе к хвостовой части воздушного судна) лопаток вспомогательного компрессора. Задний венец направляющих лопаток вспомогательного компрессора может иметь радиально внутренние части направляющих лопаток, расположенные внутри входного канала двигателя внутреннего контура, и радиально внешние части направляющих лопаток, расположенные между делительным бандажом и бандажом входного канала двигателя внутреннего контура, который включает в себя делитель входного канала.
Вспомогательный компрессор с единственным направлением вращения, соединенный с возможностью привода с внешним валом низкого давления и расположенный в осевом направлении позади (ближе к хвостовой части воздушного судна) и ниже по течению от встречно вращающихся вентиляторов, позволяет создать газотурбинный двигатель с турбинами низкого давления со встречным вращением, имеющими, по меньшей мере, один венец регулируемых направляющих лопаток низкого давления, расположенный между турбинами низкого давления со встречным вращением для работы при разных отношениях скоростей и мощностей, выраженных в лошадиных силах, с целью достижения надлежащего кпд вентиляторов. В качестве одного примера таких отношений можно отметить отношение скоростей, составляющее примерно 1,20, и отношение мощностей, выраженных в лошадиных силах, составляющее менее 1,1. Вспомогательный компрессор с единственным направлением вращения также исключает консольные лопатки вспомогательного компрессора, образующие встречно-штыревую структуру, и поэтому позволяет создать более эффективный двигатель и более эффективную, механически менее сложную и стойкую к внешним воздействиям (робастную) конструкцию системы вентиляторов и вспомогательного компрессора.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные аспекты и другие признаки изобретения поясняются в нижеследующем описании в связи с прилагаемыми чертежами, где
на фиг.1 представлено изображение продольного разреза передней части первого возможного конкретного варианта осуществления авиационного турбовентиляторного газотурбинного двигателя с турбиной низкого давления со встречным вращением и вспомогательным компрессором с единственным направлением вращения, расположенным ниже по течению и позади встречно вращающихся вентиляторов,
на фиг.2 представлено изображение продольного разреза передней части второго возможного конкретного варианта осуществления авиационного турбовентиляторного газотурбинного двигателя с турбиной низкого давления со встречным вращением и вспомогательным компрессором с единственным направлением вращения, расположенным ниже по течению и позади встречно вращающихся вентиляторов,
на фиг.3 представлено изображение продольного разреза задней части двигателя, предназначенной для использования с двигателями, показанными на фиг.1 и 2,
на фиг.4 представлено изображение в увеличенном масштабе первой возможной турбины низкого давления со встречным вращением, образующей встречно-штыревую структуру и показанной на фиг.3,
на фиг.5 представлено условное изображение первой возможной турбины низкого давления со встречным вращением, показанной на фиг.4,
на фиг.6 представлено изображение в увеличенном масштабе второй возможной турбины низкого давления со встречным вращением, образующей встречно-штыревую структуру и показанную на фиг.1 и 2,
на фиг.7 представлено изображение в увеличенном масштабе альтернативной турбины низкого давления со встречным вращением со сдвоенными передней и задней турбинами низкого давления, не образующими встречно-штыревую структуру, предназначенными для использования с двигателями, показанными на фиг.1 и 2,
на фиг.8 представлено условное изображение турбины низкого давления со встречным вращением, показанной на фиг.7.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 представлена передняя часть 7 возможного турбовентиляторного газотурбинного двигателя 10, расположенная вокруг осевой линии 8 двигателя и имеющая секцию 12 вентиляторов, которая принимает входной поток воздуха из окружающего воздуха 14. Двигатель 10 имеет рамную конструкцию 32, включающую в себя переднюю раму 34, называемую рамой вентиляторов и соединенную посредством кожуха 45 двигателя со средней рамой 60 турбины и задней рамой 155 турбины, показанной на фиг.3. Двигатель 10 установлен внутри воздушного судна или на нем, например, с помощью пилона (не показан), который проходит вниз от крыла воздушного судна.
Секция 12 вентиляторов имеет встречно вращающиеся передний и задний вентиляторы 4 и 6, включающие в себя лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов, соответственно установленные на дисках 113 и 115 переднего и заднего вентиляторов. Позади (ближе к хвостовой части воздушного судна) и ниже по течению от переднего и заднего лопаточных венцов 13 и 15 находится вспомогательный компрессор 16 с единственным направлением вращения, соединенный с возможностью привода с диском 115 заднего вентилятора и вращающийся вследствие этого вместе с задним вентилятором 6 и задним лопаточным венцом 15. Вспомогательный компрессор 16 с единственным направлением вращения, в противоположность встречно вращающимся вспомогательным компрессорам, позволяет турбинам низкого давления со встречным вращением работать при разных отношениях скоростей и мощностей, выраженных в лошадиных силах, для достижения надлежащего кпд вентиляторов. В качестве одного примера таких отношений можно отметить отношение скоростей, составляющее примерно 1,20, и отношение мощностей, выраженных в лошадиных силах, составляющее менее 1,1. Вспомогательный компрессор с единственным направлением вращения также исключает консольные лопатки вспомогательного компрессора, образующие встречно-штыревую структуру, и поэтому позволяет создать более эффективный двигатель и более эффективную, механически менее сложную и стойкую к внешним воздействиям (робастную) конструкцию системы вентиляторов и вспомогательного компрессора.
Вспомогательный компрессор 16 показан на фиг.1 с первым и вторым венцами лопаток 116 и 117 вспомогательного компрессора. Первый венец лопаток 116 вспомогательного компрессора расположен между передним и средним венцами направляющих лопаток 122 и 124 вспомогательного компрессора. Второй венец лопаток 117 вспомогательного компрессора расположен между средним рядом направляющих лопаток 124 вспомогательного компрессора и задним рядом направляющих лопаток 126 вспомогательного компрессора. Вспомогательный компрессор 16 расположен в осевом направлении позади от лопаточных венцов 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов. Лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов проходят радиально наружу от дисков 113 и 115 переднего и заднего вентиляторов соответственно и проходят поперек канала 5 вентиляторов, ограниченного радиально снаружи кожухом 11 вентиляторов и ограниченного радиально изнутри кольцевой радиальной стенкой 29 внутреннего контура. Первый и второй венцы лопаток 116 и 117 вентилятора расположены радиально внутри входного канала 19 двигателя внутреннего контура, окруженного бандажом 36 входного канала двигателя внутреннего контура, имеющим делитель 39 входного канала.
Ниже по течению и позади (ближе к хвостовой части воздушного судна) в осевом направлении от секции 12 вентиляторов расположен компрессор 18 высокого давления (КВД), который изображен также на фиг.3. На фиг.3 показана задняя часть двигателя 10. Ниже по течению от КВД 18 расположена камера 20 сгорания, в которой происходит смешение топлива с воздухом 14, сжимаемым КВД 18, для образования горючих газов, которые проходят вниз по течению через турбину 24 высокого давления (ТВД) и турбину 26 низкого давления (ТНД) со встречным вращением, выходя из которой горючие газы выбрасываются из двигателя 10. Вал 27 высокого давления соединяет ТВД 24 с КВД 18, по существу, образуя первую ступень, или ступень 33 высокого давления (называемую также ротором высокого давления). Совокупность компрессора 18 высокого давления, камеры 20 сгорания и турбины 24 высокого давления называется двигателем 25 внутреннего контура, который в целях, предусматриваемых в этом патенте, включает в себя вал 27 высокого давления. Двигатель 25 внутреннего контура может быть модульным, так что его можно независимо заменять как одиночную сборочную единицу отдельно от других частей газовой турбины. Возвращаясь к фиг.1, можно отметить, что внешний контур 21 ограничен в радиальном направлении снаружи кожухом 11 вентилятора и ограничен в радиальном направлении изнутри бандажом 36 входного канала двигателя внутреннего контура. Лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов расположены в канале 5 выше по течению от внешнего контура 21. Делитель 39 входного канала делит проточный воздух 23 вентиляторов, выходящий от лопаточного венца 15 заднего вентилятора, на первую часть 35 проточного воздуха вентиляторов, попадающую во вспомогательный компрессор 16, и вторую часть 37 проточного воздуха вентиляторов, обходящую вспомогательный компрессор 16 и попадающую во внешний контур 21, где эта часть потом покидает секцию 12 вентиляторов через выходной канал 30 вентиляторов, обеспечивая тягу для двигателя. Первая часть 35 проточного воздуха вентиляторов сжимается вспомогательным компрессором 16 для образования воздуха 31 вспомогательного компрессора и выходит из вспомогательного компрессора в компрессор 18 высокого давления двигателя 25 внутреннего контура.
На фиг.2 показана передняя часть 7 альтернативно возможного турбовентиляторного газотурбинного двигателя 10, расположенная вокруг осевой линии 8 двигателя и включающая в себя секцию 12 вентиляторов, которая принимает входной поток воздуха из окружающего воздуха 14. Двигатель 10 включает в себя рамную конструкцию 32, включающую в себя переднюю раму 34, соединенную посредством кожуха 45 двигателя со средней рамой 60 турбины и задней рамой 155 турбины, показанной на фиг.3, 4 и 7. Секция 12 вентиляторов имеет встречно вращающиеся передний и задний вентиляторы 4 и 6, включающие в себя лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов, соответственно установленные на дисках 113 и 115 переднего и заднего вентиляторов.
Вспомогательный компрессор 16 с единственным направлением вращения соединен с возможностью привода с диском 115 заднего вентилятора и вращается вследствие этого вместе с задним вентилятором 6 и задним лопаточным венцом 15, а также оперативно соединен с внешним валом 140 низкого давления и вращается вместе с ним при эксплуатации. Вспомогательный компрессор 16 показан на фиг.2 с единственным венцом лопаток 216 вспомогательного компрессора. Этот венец лопаток 216 вспомогательного компрессора расположен между передним и задним венцами направляющих лопаток 222 и 224 вспомогательного компрессора. В возможном конкретном варианте осуществления, изображенном на фиг.2, задний венец направляющих лопаток 224 вспомогательного компрессора имеет радиально внутренние части 225 направляющих лопаток, расположенные внутри входного канала 19 двигателя внутреннего контура, и радиально внешние части 227 направляющих лопаток вспомогательного компрессора, расположенные между делительным бандажом 17 и бандажом 36 входного канала двигателя внутреннего контура. Вспомогательный компрессор 16 расположен в осевом направлении позади от лопаточных венцов 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов. Лопаточные венцы 13 и 15 переднего и заднего вентиляторов проходят в радиальном направлении наружу от дисков 113 и 115 переднего и заднего вентиляторов соответственно и проходят поперек канала 5 вентиляторов, ограниченного радиально снаружи кожухом 11 вентиляторов.
Венец лопаток 216 вспомогательного компрессора окружен делительным бандажом 17, имеющим делитель 9 на передней кромке. Внешний контур 21 ограничен радиально снаружи кожухом 11 вентиляторов и в общем случае ограничен радиально изнутри делительным бандажом 17 и бандажом 36 входного канала двигателя внутреннего контура. Делительный бандаж 17 и делитель 9 на передней кромке делят проточный воздух 23 вентиляторов, выходящий от лопаточного венца 15 заднего вентилятора, на первую часть 35 проточного воздуха вентиляторов, попадающую во вспомогательный компрессор 16, и вторую часть 37 проточного воздуха вентиляторов, обходящую вспомогательный компрессор 16 и попадающую во внешний контур 21, где упомянутая часть воздуха потом выходит из секции 12 вентиляторов через выходной канал 30 вентиляторов, создавая тягу для двигателя. Первая часть 35 проточного воздуха вентиляторов сжимается вспомогательным компрессором 16 для образования воздуха 31 вспомогательного компрессора, который выходит из вспомогательного компрессора и делится на первую и вторую части 135 и 137 воздуха вспомогательного компрессора соответственно делителем 39 входного канала. Делитель 39 входного канала направляет первую часть 135 воздуха вспомогательного компрессора во входной канал 19 двигателя внутреннего контура, ведущий в компрессор 18 высокого давления двигателя 25 внутреннего контура. Делитель 39 входного канала также направляет вторую часть 137 воздуха вспомогательного компрессора в обход входного канала 19 двигателя внутреннего контура во внешний контур 21, где упомянутая часть воздуха потом выходит из секции 12 вентиляторов через выходной канал 30 вентиляторов, создавая тягу для двигателя.
На фиг.3, 4 и 5 представлен возможный конкретный вариант осуществления турбины 26 низкого давления, включающей в себя проточный канал 28 турбины низкого давления, которая включает в себя турбины 41 и 42, образующие встречно-штыревую структуру, со встречным вращением внутреннего и внешнего валов, имеющие роторы 200 и 202 турбин со встречным вращением внутреннего и внешнего валов соответственно. Между турбинами 41 и 42, образующими встречно-штыревую структуру, со встречным вращением внутреннего и внешнего валов, расположен, по меньшей мере, один венец регулируемых направляющих лопаток 210 низкого давления. Роторы 200 и 202 турбин со встречным вращением внутреннего и внешнего валов соответственно включают в себя первые и вторые лопаточные венцы 138 и 148 турбины низкого давления, расположенные поперек проточного канала 28 турбины низкого давления. Внешняя и внутренняя ступени 190 и 192 низкого давления со встречным вращением включают в себя роторы 200 и 202 турбин внутреннего и внешнего валов низкого давления, соединенные с возможностью привода 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 меньшей мере, частично расположены с возможностью вращения коаксиально со ступенью 33 высокого давления и радиально внутри нее. В возможном конкретном варианте осуществления, показанном на фиг.4 и 5, имеются четыре венца, каждый из которых представляет собой первый или второй лопаточный венец 138 или 148 турбины низкого давления. Вспомогательный компрессор 16 соединен с возможностью привода с внешним валом 140 низкого давления и является частью внешней ступени 192 низкого давления. Выше по течению от вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления и рядом с передним из них расположено вдоль оси сопло 220 турбины низкого давления.
Первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления включают в себя, по меньшей мере, один первый лопаточный венец 221 турбины, образующей встречно-штыревую структуру, расположенный между вторыми лопаточными венцами 148 турбины низкого давления, по меньшей мере, одной соседней пары 214 лопаточных венцов, образующей встречно-гнездовую структуру. Вторые лопаточные венцы 148 турбины низкого давления включают в себя, по меньшей мере, один второй лопаточный венец 226 турбины, образующей встречно-штыревую структуру, расположенный между первыми лопаточными венцами 138 турбины низкого давления, по меньшей мере, одной первой соседней пары 218 лопаточных венцов, образующей встречно-гнездовую структуру. Между первым и вторым лопаточными венцами 138 и 148 турбины низкого давления, составляющими пару 214, образующую встречно-штыревую структуру, поперек проточного канала 28 турбины низкого давления расположен венец регулируемых направляющих лопаток 210 низкого давления. Регулируемые направляющие лопатки 210 низкого давления обычно используются в компрессорах и, как правило, приводятся во вращение вокруг оси 77 направляющих лопаток, которая пересекается с осевой линией 8 двигателя. Регулируемые направляющие лопатки 210 низкого давления позволяют управлять крутящим моментом, разделяемым между турбинами 41 и 42 со встречным вращением внутреннего и внешнего валов низкого давления, обеспечивая лучшее управление рабочим кпд двигателя.
Крайний сзади (находящийся ближе всех к хвостовой части воздушного судна), или четвертый венец 106 из числа первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления, представляет собой часть вращающейся рамы 108, которая несет радиально внешний кольцевой узел 90 и опирается с возможностью вращения на среднюю раму 60 и заднюю раму 155 турбины. Радиально внешний кольцевой узел 90 имеет три отдельных кольца 92 ротора турбины, соответственно служащие опорами трем первым лопаточным венцам 138 турбины низкого давления. Кольца 92 ротора турбины соединены друг с другом посредством болтовых соединений 94. Ротор 202 турбины внешнего вала низкого давления показан как имеющий четыре вторых лопаточных венца 148 турбины низкого давления, установленные на первых дисках 248 турбины низкого давления.
На фиг.3 и 4, а также схематично на фиг.5 представлен конкретный вариант осуществления турбины 26 низкого давления, в которой первый крайний спереди венец 50 из числа первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления образует встречно-штыревую структуру с крайней спереди парой 51 вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления. Вдоль оси между вторым крайним спереди венцом 53 крайней спереди пары 51 вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления и первым крайним спереди рядом 50 первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления расположен венец регулируемых направляющих лопаток 210 низкого давления.
Вообще говоря, на фиг.5 показана соседняя пара 218, также образующая встречно-штыревую структуру, причем один образующий встречно-штыревую структуру венец 221 из первых или вторых лопаточных венцов 138 или 148 турбины низкого давления образует встречно-штыревую структуру с принадлежащим соседней паре 218 другим из первых или вторых лопаточных венцов 138 или 148 турбины низкого давления. Вообще говоря, на фиг.5 также показано первое количество первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления (на фиг.5 их четыре), образующих встречно-штыревую структуру со вторыми лопаточными венцами 148 турбины низкого давления, численность которых отражает второе количество, равное четырем на фиг.5.
На фиг.6 схематично изображен другой конкретный вариант осуществления турбины 26 низкого давления, в которой крайний сзади венец 54 из числа вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления образует встречно-штыревую структуру с крайней сзади парой 52 первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления. Вдоль оси между вторым крайним сзади венцом 67 крайней позади пары 52 лопаточных венцов 138 турбины низкого давления и крайним сзади венцом 54 из числа вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления расположен венец регулируемых направляющих лопаток 210 низкого давления.
В проиллюстрированных выше конкретных вариантах осуществления имеется четыре вторых лопаточных венца 148 турбины низкого давления и четыре первых лопаточных венца 138 турбины низкого давления. В других конкретных вариантах осуществления возможно наличие двух или более вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления, а также двух или более первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления. Все вторые лопаточные венцы 148 турбины низкого давления образуют встречно-штыревую структуру с первыми лопаточными венцами 138 турбины низкого давления.
На фиг.7 и 8 изображен третий возможный конкретный вариант осуществления турбины 26 низкого давления. Эта турбина 26 низкого давления представляет собой тандем-турбину 26 низкого давления, не образующую встречно-штыревую структуру, а турбины 42 и 41 внешнего и внутреннего валов низкого давления соответственно представляют собой сдвоенные переднюю и заднюю турбины 40 и 43 низкого давления со встречным вращением, не образующую встречно-штыревую структуру. Между передней и задней турбинами 40 и 43 низкого давления расположен один венец регулируемых направляющих лопаток 210 низкого давления. Внутренняя ступень 190 низкого давления включает в себя заднюю турбину 43 низкого давления, а внешняя ступень 192 низкого давления включает в себя переднюю турбину 40 низкого давления.
Задняя турбина 43 низкого давления включает в себя первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления, расположенные поперек проточного канала 28 турбины низкого давления, и соединена с возможностью привода с лопаточным венцом 13 переднего вентилятора посредством внутреннего вала 130 низкого давления. Передняя турбина 40 низкого давления включает в себя вторые лопаточные венцы 148 турбины низкого давления, расположенные поперек проточного канала 28 турбины низкого давления, и соединена с возможностью привода с лопаточным венцом 15 заднего вентилятора посредством внешнего вала 140 низкого давления. Поперек проточного канала 28 турбины низкого давления между венцами каждой пары первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления и между венцами каждой пары вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления, имеющихся соответственно в задней и передней турбинах 43 и 40 низкого давления, расположены нерегулируемые направляющие лопатки 212 статора.
В возможном конкретном варианте осуществления, изображенном на фиг.7 и 8, имеются четыре венца, каждый из которых представляет собой первый или второй лопаточный венец 138 или 148 турбины низкого давления.
Первые лопаточные венцы 138 турбины низкого давления расположены ниже по течению от вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления вдоль проточного канала 28 турбин низкого давления. Между первыми лопаточными венцами 138 турбины низкого давления и вторыми лопаточными венцами 148 турбины низкого давления расположен венец регулируемых направляющих лопаток 210 низкого давления. Между первыми соседними парами 218 первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления и между вторыми соседними парами 219 вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления поперек проточного канала 28 турбины низкого давления расположены венцы нерегулируемых или фиксированных направляющих лопаток низкого давления. Выше по течению от вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления и рядом с передним из них расположено вдоль оси сопло 220 турбины низкого давления.
В этом возможном конкретном варианте осуществления имеется одинаковое количество первых лопаточных венцов 138 турбины низкого давления и вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления. Более конкретно, в этом возможном конкретном варианте осуществления имеется 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 как установленные на первых турбинных дисках 238 ротора 200 турбины внутреннего вала низкого давления, а вторые лопаточные венцы 148 турбины низкого давления показаны как установленные на вторых турбинных дисках 248 ротора 202 турбины внешнего вала низкого давления. В альтернативном варианте первые и вторые лопаточные венцы 138 и 148 турбины низкого давления могут быть установлены соответственно на барабанах роторов 200 и 202 турбин внутреннего и внешнего валов низкого давления. Выше по течению от вторых лопаточных венцов 148 турбины низкого давления и рядом с передним из них расположено вдоль оси сопло 220 турбины низкого давления.
Можно использовать различные конфигурации турбины низкого давления. Количества первых и вторых лопаточных венцов турбин низкого давления могут быть одинаковыми или неодинаковыми, и возможно наличие трех, или четырех, или более как первых, так и вторых лопаточных венцов турбины низкого давления.
Сдвоенные передняя и задняя турбины 40 и 43 низкого давления со встречным вращением, не образующие встречно-штыревую структуру, и венец регулируемых направляющих лопаток 210 низкого давления помогают двигателю работать в пиковом или почти пиковом режиме, обеспечивая работу переднего вентилятора при большей степени сжатия в вентиляторе и с большей скоростью вращения, чем у заднего вентилятора, одновременно предотвращая существенное рассогласование мощности, выраженной в лошадиных силах, и скорости вращения между встречно вращающимися вентиляторами и роторами низкого давления. Это позволяет двигателю работать при разных отношениях скоростей и мощностей, выраженных в лошадиных силах, например, в случае, когда отношения скоростей и мощностей, выраженных в лошадиных силах, составляют 1,20 или более, что способствует достижению пикового кпд вентиляторов. Сдвоенные передняя и задняя турбины низкого давления со встречным вращением, не образующие встречно-штыревую структуру, также имеют легковесную конструкцию, а их опирание на статичные рамы двигателя не создает проблем.
Настоящее изобретение описано с помощью иллюстраций. Очевидно, что употреблявшаяся терминология предназначена для описательных целей и не носит ограничительный характер. Хотя выше описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, счищающиеся предпочтительными и возможными, на их основании специалисты в данной области техники смогут создать другие очевидные модификации изобретения, отличающиеся от вышеупомянутых, поэтому следует учесть, что все такие модификации находятся в рамках объема притязаний изобретения.
1. Узел газотурбинного двигателя, содержащий ступень (33) высокого давления, включающую в себя турбину (24) высокого давления, соединенную с возможностью привода с компрессором (18) высокого давления посредством вала (27) высокого давления и вращающуюся вокруг осевой линии (8) двигателя, турбину (26) низкого давления, имеющую проточный канал (28) турбины низкого давления и расположенную позади упомянутой ступени (33) высокого давления, при этом турбина (26) низкого давления имеет турбины (41 и 42) со встречным вращением внутреннего и внешнего валов низкого давления, при этом турбина (26) низкого давления имеет внутренний и внешний валы (130 и 140) низкого давления, соответственно, которые, по меньшей мере, частично расположены с возможностью вращения коаксиально с упомянутой ступенью (33) высокого давления и радиально внутри нее, при этом турбина (41) внутреннего вала низкого давления включает в себя первые лопаточные венцы (138) турбины низкого давления, расположенные поперек проточного канала (28) турбины низкого давления, и соединена с возможностью привода с лопаточным венцом (13) переднего вентилятора посредством внутреннего вала (130) низкого давления, при этом турбина (42) внешнего вала низкого давления включает в себя вторые лопаточные венцы (148) турбины низкого давления, расположенные поперек проточного канала (28) турбины низкого давления, и соединена с возможностью привода с лопаточным венцом (15) заднего вентилятора посредством внешнего вала (140) низкого давления, вспомогательный компрессор (16) с единственным направлением вращения, имеющий, по меньшей мере, один вращающийся первый венец лопаток (116) вспомогательного компрессора, соединенный с возможностью привода с внешним валом (140) низкого давления и расположенный вдоль оси позади и ниже по течению от лопаточного венца (15) заднего вентилятора, и по меньшей мере, один венец регулируемых направляющих лопаток (210) турбины низкого давления, расположенный поперек проточного канала (28) турбины низкого давления между турбинами (41 и 42) внутреннего и внешнего валов низкого давления.
2. Узел по п.1, дополнительно содержащий входной канал (19) двигателя внутреннего контура, ведущий к компрессору (18) высокого давления, при этом вспомогательный компрессор (16) оперативно расположен целиком внутри входного канала (19) двигателя внутреннего контура для направления, по существу, всего воздуха (31) из вспомогательного компрессора в компрессор (18) высокого давления.
3. Узел по п.2, дополнительно содержащий передний и задний венцы направляющих лопаток (122 и 126) вспомогательного компрессора, расположенные вдоль оси соответственно впереди и позади первого венца лопаток (116) вспомогательного компрессора (16).
4. Узел по п.2, дополнительно содержащий второй венец лопаток (117) вспомогательного компрессора и передний и задний венцы направляющих лопаток (122 и 126) вспомогательного компрессора, расположенные вдоль оси соответственно впереди и позади первого и второго венцов лопаток (116 и 117) вспомогательного компрессора (16), и, по меньшей мере, один средний венец направляющих лопаток (124) вспомогательного компрессора, расположенный вдоль оси между каждой парой упомянутых венцов лопаток вспомогательного компрессора.
5. Узел по п.1, дополнительно содержащий, по меньшей мере, одну соседнюю пару одного из первых лопаточных венцов (138) турбины низкого давления и одного из вторых лопаточных венцов (148) турбины низкого давления, а также венец регулируемых направляющих лопаток (210) низкого давления, расположенный поперек проточного канала (28) турбины низкого давления между венцами упомянутой соседней пары.
6. Узел по п.1, дополнительно содержащий входной канал (19) двигателя внутреннего контура, ведущий к компрессору (18) высокого давления, причем входной канал (19) двигателя внутреннего контура имеет делитель (39) входного канала, причем делитель (39) входного канала расположен в осевом и радиальном направлениях рядом с вспомогательным компрессором (16) и ниже по течению от него для деления воздуха (31) вспомогательного компрессора, поступающего из вспомогательного компрессора на первую и вторую части (135 и 137) воздуха вспомогательного компрессора, и делитель (39) входного канала расположен с обеспечением направления первой части (135) воздуха вспомогательного компрессора во входной канал (19) двигателя внутреннего контура, а второй части (137) воздуха вспомогательного компрессора - вокруг входного канала (19) двигателя внутреннего контура.
7. Узел по п.6, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один венец лопаток (216) вспомогательного компрессора, окруженный делительным бандажом (17), имеющим делитель (9) на передней кромке, причем делитель (9) на передней кромке оперативно расположен рядом с лопаточным венцом (15) заднего вентилятора и ниже по течению от него для деления проточного воздуха (23) вентилятора, выходящего от лопаточного венца (15) заднего вентилятора, на первую часть (35) проточного воздуха вентилятора, попадающую в вспомогательный компрессор (16), и вторую часть (37) воздуха вентилятора вокруг вспомогательного компрессора (16).
8. Узел по п.7, дополнительно содержащий передний и задний венцы направляющих лопаток (222 и 224) вспомогательного компрессора, расположенные соответственно впереди и позади лопаток (216) вспомогательного компрессора.
9. Узел по п.8, дополнительно содержащий задний венец направляющих лопаток (224) вспомогательного компрессора, имеющих радиально внутренние части (225) направляющих лопаток, расположенные внутри входного канала (19) двигателя внутреннего контура, и радиально внешние части (227) направляющих лопаток, расположенные между делительным бандажом (17) и бандажом (36) входного канала двигателя внутреннего контура, который включает в себя делитель (39) входного канала.
10. Узел по п.1, дополнительно содержащий первые лопаточные венцы (138) турбины низкого давления, образующие встречно-штыревую структуру с вторыми лопаточными венцами (148) турбины низкого давления.
11. Узел по п.10, дополнительно содержащий входной канал (19) двигателя внутреннего контура, ведущий к компрессору (18) высокого давления, при этом вспомогательный компрессор (16) оперативно расположен целиком внутри входного канала (19) двигателя внутреннего контура для направления, по существу, всего воздуха (31) из этого вспомогательного компрессора в компрессор (18) высокого давления.
12. Узел по п.1, дополнительно содержащий турбины (41 и 42) со встречным вращением внутреннего и внешнего валов низкого давления, соответственно являющиеся сдвоенными задней и передней турбинами низкого давления, не образующими встречно-штыревую структуру, причем венец регулируемых направляющих лопаток (210) низкого давления расположен вдоль оси между передней и задней турбинами (40 и 43) низкого давления.
13. Узел по п.12, дополнительно содержащий первые лопаточные венцы (138) турбины низкого давления, имеющиеся в задних турбинах низкого давления, имеющих один венец регулируемых лопаток статора, расположенный вдоль оси между венцами каждой пары вторых лопаточных венцов (148) турбины низкого давления и расположенный поперек проточного канала (28) турбины низкого давления, и вторые лопаточные венцы (148) турбины низкого давления, имеющиеся в передних турбинах низкого давления, имеющих один венец регулируемых лопаток статора, расположенный вдоль оси между венцами каждой пары первых лопаточных венцов (138) турбины низкого давления и расположенный поперек проточного канала (28) турбины низкого давления.
