用於設置燃氣渦輪發動機的風扇驅動齒輪系統的齒輪比的方法與流程

2023-04-23 10:16:11

背景技術：

本公開涉及燃氣渦輪發動機，並且更具體地涉及用於設置燃氣渦輪發動機的風扇驅動齒輪系統的齒輪比的方法。

燃氣渦輪發動機可包括風扇部分、壓縮機部分、燃燒器部分和渦輪機部分。進入壓縮機部分的空氣被壓縮並被傳遞到燃燒器部分內，在那裡空氣與燃料混合併被點燃以產生高速廢氣氣體流。高速廢氣氣體流膨脹通過渦輪機部分以驅動壓縮機和風扇部分。除了別的變化以外，壓縮機部分可包括低壓和高壓壓縮機，並且渦輪機部分可包括低壓和高壓渦輪機。

通常，高壓渦輪機通過外軸杆驅動高壓壓縮機以形成高軸，並且低壓渦輪機通過內軸杆驅動低壓壓縮機以形成低軸。風扇部分也可由內軸杆驅動。直接驅動燃氣渦輪發動機可包括由低軸驅動的風扇部分，使得低壓壓縮機、低壓渦輪機、和風扇部分沿共同的方向以共同的速度旋轉。

減速設備，其可以是風扇驅動齒輪系統或其它的機構，可被用於驅動風扇部分，使得風扇部分可以不同於渦輪機部分的速度旋轉。這允許發動機的推進效率的整體增加。在這種發動機架構中，由渦輪機部分中之一驅動的軸杆提供了到減速設備的輸入，該減速設備以減小的速度驅動風扇部分，使得渦輪機部分和風扇部分可以更接近最優速度的速度旋轉。

儘管利用了變速機構的燃氣渦輪發動機通常被認為是能夠相對於傳統的發動機改善推進效率，但是燃氣渦輪發動機製造商繼續尋求對發動機性能的進一步改善，這包括對熱效率、傳輸效率和推進效率的改善。

技術實現要素：

根據本公開的一個示例性方面的燃氣渦輪發動機，除了別的以外，包括風扇部分，該風扇部分包括可繞著軸線旋轉的風扇和與該風扇連通的減速設備。減速設備包括帶有至少為1.5的星形齒輪比的星形驅動齒輪系統。風扇的風扇葉片尖端速度小於1400fps。

在前述燃氣渦輪發動機的另一非限定性實施例中，該減速設備包括至少為2.6的星形齒輪系統齒輪比。

在前述燃氣渦輪發動機任一個的另一非限定性實施例中，減速設備包括小於或等於4.1的系統齒輪比。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，包括大於約6.0的函道比。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，函道比在約11.0和約22.0之間。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，星形系統包括太陽齒輪、多個星形齒輪、齒圈、和齒輪架。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，多個星形齒輪中的每一個都包括至少一個軸承。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，齒輪架被固定而不能旋轉。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，低壓渦輪機被機械地附接到太陽齒輪。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，風扇部分被機械地附接到齒圈。

在前述燃氣渦輪發動機中任一項的另一非限定性實施例中，減速設備的輸入端可沿第一方向旋轉，而減速設備的輸出端可沿與第一方向相反的第二方向旋轉。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，低壓渦輪機部分與減速設備連通。該低壓渦輪機部分包括至少三個級且不多於四個級。

在前述燃氣渦輪發動機中任一個的另一非限定性實施例中，風扇的風扇葉片尖端速度大於1000fps。

根據本公開的另一示例性方面的改善燃氣渦輪發動機的性能的方法，除了別的以外，包括確定風扇部分的至少一個風扇葉片的風扇尖端速度邊界條件和確定低壓渦輪機的轉子的轉子邊界條件。應力水平利用低壓渦輪機的轉子和該至少一個風扇葉片中的約束來確定風扇部分和低壓渦輪機的旋轉速度是否會滿足期望數量的運行循環。

在前述方法的另一非限定性實施例中，減速設備連接風扇部分和低壓渦輪機並且包括至少為約1.5且不多於約4.1的星形齒輪比。

在前述方法中任一個的另一非限定性實施例中，風扇壓力比低於1.7。

在前述方法中任一個的另一非限定性實施例中，風扇壓力比低於1.48。

在前述方法中任一個的另一非限定性實施例中，函道比在約11和約22之間。

在前述方法中任一個的另一非限定性實施例中，所述至少一個風扇葉片的風扇葉片尖端速度小於1400fps。

在前述方法中任一個的另一非限定性實施例中，如果在轉子或至少一個風扇葉片中的應力水平過高而不能滿足期望數量的運行循環，那麼齒輪減速設備的齒輪比就被降低並且增加低壓渦輪機的級數。

在前述方法中任一個的另一非限定性實施例中，如果在轉子或至少一個風扇葉片中的應力水平過高而不能滿足期望數量的運行循環，那麼齒輪減速設備的齒輪比就被降低並且增加低壓渦輪機的環形面積。

本公開的各種特徵和優點將通過下面具體描述使本領域技術人員易於理解。所述具體描述的附圖可被簡要地描述如下。

附圖說明

圖1是示例燃氣渦輪發動機的示意橫截面視圖。

圖2說明了可被包含在燃氣渦輪發動機內的低速軸的一種構造的示意圖。

圖3說明了可被包含在燃氣渦輪發動機內的風扇驅動齒輪系統。

具體實施方式

圖1示意性地圖示了燃氣渦輪發動機20。燃氣渦輪發動機20為兩軸渦輪風扇發動機，其通常包括風扇部分22、壓縮機部分24、燃燒器部分26和渦輪機部分28。其它的發動機除了其它系統或特徵外還可包括增強器部分（未示出）。風扇部分22沿著函道流動路徑B驅動空氣，同時壓縮機部分24沿著核心流動路徑C驅動空氣以實現壓縮並傳送到燃燒器部分26內。在燃燒器部分26內產生的熱燃燒氣體被膨脹通過渦輪機部分28。儘管在所公開的非限定實施例中被示出為兩軸渦輪風扇燃氣渦輪發動機，應該理解的是，本文中描述的概念不限於兩軸渦輪風扇發動機，並且這些教導可延伸到其它類型的發動機，包括但不限於，三軸發動機架構。

燃氣渦輪發動機20通常包括低速軸30和高速軸32，它們被安裝成繞著發動機中心縱軸線A旋轉。低速軸30和高速軸32可通過若干軸承系統31相對於發動機靜止結構33被安裝。應該理解的是，替換地或附加地可提供其它的軸承系統31，並且軸承系統31的定位可在適合應用時而變化。

低速軸30通常包括內軸杆34，其將風扇36、低壓壓縮機38和低壓渦輪機39互連。內軸杆34可通過變速機構被連接到風扇36，該變速機構在示例性燃氣渦輪發動機20中被示出為齒輪傳動架構45，例如風扇驅動齒輪系統50（見圖2和3）。變速機構以比低速軸30更低的速度驅動風扇36。高速軸32包括外軸杆35，其將高壓壓縮機37和高壓渦輪機40互連。在這個實施例中，內軸杆34和外軸杆35在各種不同的軸向位置處由定位在發動機靜止結構33中的軸承系統31支撐。

燃燒器42在示例性燃氣渦輪機20被布置在高壓壓縮機37和高壓渦輪機40之間。中間渦輪機框架44可被大致布置在高壓渦輪機40和低壓渦輪機39之間。中間渦輪機框架44可支撐渦輪機部分28的一個或多個軸承系統31。中間渦輪機框架44可包括一個或多個在核心流動路徑C內延伸的翼型46。應該意識到，風扇部分22、壓縮機部分24、燃燒器部分26、渦輪機部分28和風扇驅動齒輪系統50的位置中的每一個都可被改變。例如，齒輪系統50可被定位在燃燒器部分26的後面或者設置是在渦輪機部分28的後面，並且風扇部分22可被定位在齒輪系統50的位置的前面或後面。

內軸杆34和外軸杆35是同心的並且通過軸承系統31繞發動機中心縱向軸線A旋轉，其與它們的縱向軸線共線。核心空氣流先被低壓壓縮機38壓縮接著被高壓壓縮機37壓縮，與燃料混合後在燃燒器42內燃燒，接著膨脹通過高壓渦輪機40和低壓渦輪機39。高壓渦輪機40和低壓渦輪機39響應於該膨脹旋轉驅動相應的高速軸32和低速軸30。

在非限定性實施例中，燃氣渦輪發動機20是高旁通齒輪傳動飛機發動機。在另一示例中，燃氣渦輪發動機20函道比大於約六（6：1）。齒輪傳動架構45可包括周轉齒輪系，例如行星齒輪系統、星形齒輪系統、或其它齒輪系統。齒輪傳動架構45能使低速軸30以更高的速度運行，這能增加低壓壓縮機38和低壓渦輪機39的運行效率，並且在更少數量的級中產生增加的壓力。

低壓渦輪機39的壓力比可以是在低壓渦輪機39的進口之前測得的壓力與在低壓渦輪機39的出口處並在燃氣渦輪發動機20的廢氣噴嘴之前的壓力的比。在一個非限定性實施例中，燃氣渦輪發動機20的函道比大於約十（10：1），風扇直徑顯著大於低壓壓縮機38的直徑，並且低壓渦輪機39具有大於約五（5：1）的壓力比。在另一非限定性實施例中，函道比大於11且小於22，或者大於13且小於20。不過，應該理解，上面的參數對齒輪傳動架構發動機或使用變速機構的其它發動機來說只是示例性的，並且本公開可應用於其它的燃氣渦輪發動機，包括直接驅動渦輪風扇。在一個非限定性實施例中，低壓渦輪機39包括至少一個級且不多於八個級，或者至少三個級且不多於六個級。在另一非限定性實施例中，低壓渦輪機39包括至少三個級且不多於四個級。

在示例性燃氣渦輪發動機20的這個實施例中，大量的推力是由旁通流動路徑B提供的，這是由於高函道比。燃氣渦輪發動機20的風扇部分22被設計用於特定的飛行條件——通常在約35000英尺的高度處以約0.8馬赫巡航。由於燃氣渦輪發動機20處於其最佳燃料消耗，這個飛行條件也被稱為桶巡航針對推力的燃料消耗（TSFC）。TSFC是每單位推力的燃料消耗的行業標準參數。

風扇壓力比是在沒有使用風扇出口引導定子葉片系統的情況下橫跨風扇部分22的葉片的壓力比。根據示例燃氣渦輪發動機20的一個非限定性實施例的低風扇壓力比小於1.45。在示例燃氣渦輪發動機20的另一個非限定性實施例中，風扇壓力比小於1.38且大於1.25。在另一個非限定性實施例中，風扇壓力比小於1.48。在另一個非限定性實施例中，風扇壓力比小於1.52。在另一個非限定性實施例中，風扇壓力比小於1.7。低修正風扇尖端速度是實際風扇尖端速度除以行業標準溫度修正，其中T代表以蘭金度為單位的周圍溫度。根據示例燃氣渦輪發動機20的一個非限定性實施例的低修正風扇尖端速度小於約1150fps（351m/s)。根據示例燃氣渦輪發動機20的另一個非限定性實施例的低修正風扇尖端速度小於約1400fps（427 m/s)。根據示例燃氣渦輪發動機20的另一個非限定性實施例的低修正風扇尖端速度大於約1000fps（305 m/s)。

圖2示意性地說明了燃氣渦輪發動機20的低速軸30。低速軸30包括風扇36、低壓壓縮機38和低壓渦輪機39。內軸杆34將風扇36、低壓壓縮機38和低壓渦輪機39互連。內軸杆34通過風扇驅動齒輪系統50被連接到風扇36。在這個實施例中，風扇驅動齒輪系統50可實現低壓渦輪機39和風扇36的反向旋轉。例如，風扇36沿第一方向D1旋轉，而低壓渦輪機39也沿與第一方向D1相反的第二方向D2旋轉。

圖3說明了被包含在燃氣渦輪發動機20內以能夠實現風扇36和低壓渦輪機39的反向旋轉的風扇驅動齒輪系統50的一個示例性實施例。在這個實施例中，風扇驅動齒輪系統50包括具有太陽齒輪52、圍繞太陽齒輪52設置的齒圈54、和多個星形齒輪56的星形齒輪系統，星形齒輪56具有定位在太陽齒輪52和齒圈54之間的軸頸軸承57。固定的齒輪架58承載星形齒輪56中的每一個並被附接到其上。在這個實施例中，固定的齒輪架58不旋轉並且被連接到燃氣渦輪發動機20的固定結構55。

太陽齒輪52從低壓渦輪機39接收輸入（見圖2）並且沿第一方向D1旋轉，由此沿著與第一方向D1相反的第二方向D2轉動多個星形齒輪56。該多個星形齒輪56的運動被傳輸到齒圈54，齒圈54沿著與太陽齒輪52的第一方向D1相反的第二方向D2旋轉。齒圈54被連接到風扇36以沿第二方向D2旋轉風扇36（見圖2）。

風扇驅動齒輪系統50的星形系統齒輪比通過測量齒圈54的直徑並將該直徑除以太陽齒輪52的直徑確定。在一個實施例中，齒輪傳動架構45的星形系統齒輪比是在1.5和4.1之間。在另一個實施例中，風扇驅動齒輪系統50的系統齒輪比是在2.6和4.1之間。當星形系統齒輪比低於1.5時，太陽齒輪52與星形齒輪56相比相對大得多。這種尺寸差減少了星形齒輪56能夠承載的載荷，這是因為星形齒輪軸頸軸承57的尺寸的減小。當星形系統齒輪比高於4.1時，太陽齒輪52與星形齒輪56相比相對小得多。這種尺寸差增加了星形齒輪56的軸頸軸承57的尺寸，但是減少了太陽齒輪52能夠承載的載荷，這是因為其齒的尺寸和數量都減小了。替換地，滾子軸承可被用來替代軸頸軸承57。

改善燃氣渦輪發動機20的性能開始於通過確定風扇36的至少一個風扇葉片的風扇尖端速度邊界條件以定義風扇葉片的尖端的速度。最大風扇直徑是基於從平衡發動機效率、通過旁通流動路徑B的空氣品質、和由風扇葉片的尺寸引起的發動機重量的增加得到的預計燃料燃燒確定的。

此後確定低壓渦輪機39的每一級的轉子的邊界條件以基於低壓渦輪機39和低壓壓縮機38的效率定義轉子尖端的速度和定義低壓渦輪機39中的轉子尺寸和級數。

利用關於轉子和風扇葉片中的應力水平的約束來確定風扇36和低壓渦輪機39的旋轉速度是否將滿足期望數量的運行壽命循環。如果在轉子或風扇葉片內的應力水平過高，那麼風扇驅動齒輪系統50的齒輪比可被降低並且可增加低壓渦輪機39的級數或低壓渦輪機39的環形面積。

儘管不同的非限定性實施例被示出為具有具體的部件，但是本公開的實施例不限於這些特定的組合。可以將來自非限定實施例中任一個的一些部件或特徵與來自其它非限定實施例中任一個的特徵或部件組合使用。

應當理解的是，在所有這些附圖中相同的參見數字指示對應的或類似的元件。還應該理解的是，儘管在這些示例性實施例中公開並說明了特定的部件布置，但是其它的布置也可受益於本公開的教導。

前面的描述應該被理解為是說明性的而不是限定性的。本領域技術人員將理解某些改進也落入本公開的範圍內。由於這些原因，應當研讀下面的權利要求以確定本公開的真實的範圍和內容。