Газотурбинный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности с биротативным вентилятором

Газотурбинный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности с биротативным вентилятором

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к двухконтурным газотурбинным двигателям авиационного применения.

Известен газотурбинный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности с редукторным приводом однорядного вентилятора (US 6622473, F02K 3/12, 2003 г.).

Недостатком такой конструкции является пониженный коэффициент полезного действия двигателя и высокий уровень шума, генерируемого однорядным вентилятором из-за высоких окружных скоростей рабочих лопаток вентилятора.

Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности с приводом биротативного вентилятора от биротативной турбины (ЕР 1340903, F02K 3/072, 2003 г.).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность двигателя из-за повышенных напряжений в проходящих через газогенератор высоконагруженных валах биротативной турбины, а также повышенный уровень шума, генерируемого биротативным вентилятором. Из-за неизбежных допусков при изготовлении лопаточных машин от двигателя к двигателю меняется соотношение оборотов переднего и заднего роторов биротативного вентилятора. Кроме того, меняется соотношение оборотов в зависимости от режимов работы двигателя, что приводит к неконтролируемому повышению уровня шума на некоторых двигателях.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности путем снижения нагрузок на подшипники качения, а также в снижении шума газотурбинного двигателя сверхвысокой степени двухконтурности за счет привода биротативного вентилятора через редуктор с фиксированным передаточным числом от турбины низкого давления к переднему и заднему роторам вентилятора.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном двигателе сверхвысокой степени двухконтурности с биротативным вентилятором, согласно изобретению роторы биротативного вентилятора соединены через промежуточную шестерню с простым соосным редуктором, на переднем по потоку воздуха роторе вентилятора установлена ведомая шестерня внешнего зацепления редуктора, а на заднем по потоку воздуха роторе вентилятора - ведомая шестерня внутреннего зацепления, при этом промежуточная шестерня редуктора включает заднюю и переднюю по потоку части с разным числом зубьев, причем (Z₄·Z₁)/(Z₃·Z₂)=1,01...1,2 и D/d=1,1...3, где

Z₁ - число зубьев задней по потоку воздуха части промежуточной шестерни редуктора;

Z₂ - число зубьев шестерни внутреннего зацепления;

Z₃ - число зубьев передней по потоку воздуха части промежуточной шестерни редуктора;

Z₄ - число зубьев шестерни внешнего зацепления;

D - средний диаметр по телам качения заднего подшипника промежуточной шестерни;

d - среднее диаметр по телам качения переднего подшипника промежуточной шестерни.

Соединение роторов биротативного вентилятора с простым соосным редуктором через промежуточную шестерню, а также установка на переднем по потоку воздуха роторе вентилятора ведомой шестерни внешнего зацепления редуктора, а на заднем по потоку воздуха роторе вентилятора - ведомой шестерни внутреннего зацепления позволяет получать фиксированные передаточные числа от силовой турбины низкого давления к переднему и к заднему роторам биротативного вентилятора с постоянным соотношением оборотов этих роторов, независимо от режима работы двигателя, что исключает неконтролируемое повышение уровня шума вентилятора.

Фиксированные передаточные числа от силовой турбины низкого давления к переднему и заднему роторам биротативного вентилятора позволяют выполнить вентилятор с большей частотой вращения заднего ротора вентилятора, чем переднего, что позволяет снизить общий уровень шума вентилятора, так как передний ротор вентилятора из-за меньшей частоты вращения генерирует меньший уровень шума из-за меньших окружных скоростей вращения, а задний ротор вентилятора с большей частотой вращения экранирован с передней стороны двигателя передним ротором вентилятора с его рабочими лопатками, а с задней стороны двигателя - выхлопным соплом наружного контура.

Общая же степень повышения давления в вентиляторе при этом сохранится. Ее уменьшение в переднем роторе парируется за счет повышения ее в заднем роторе вентилятора.

Выражение (Z₄·Z₁)/(Z₃·Z₂) является отношением передаточных чисел от переднего ротора вентилятора к заднему.

При (Z₄·Z₁)/(Z₃·Z₂)<1,01 повышается уровень шума, генерируемого биротативным вентилятором, из-за увеличения окружных скоростей переднего ротора вентилятора.

При (Z₄·Z₁)/(Z₃·Z₂)>1,2 повышается уровень шума вентилятора из-за увеличения окружных скоростей заднего ротора вентилятора.

Окружные усилия на передней и задней частях промежуточных шестерней направлены в противоположные стороны и в значительной мере парируют друг друга, что существенно снижает нагрузку на передний подшипник качения, на котором установлена ось промежуточных шестерен. Задний подшипник качения промежуточных шестерен разгружается в значительно меньшей степени, поэтому задний подшипник выполняется больших размеров по сравнению с передним.

При D/d<1,1 снижается надежность газотурбинного двигателя из-за повышенных напряжений в заднем подшипнике промежуточной шестерни.

При D/d>3 излишне возрастает вес редуктора и газотурбинного двигателя в целом из-за повышения габаритов и веса заднего подшипника качения промежуточных шестерен.

На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинного двигателя сверхвысокой степени двухконтурности с редукторным приводом биротативного вентилятора, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Газотурбинный двигатель 1 сверхвысокой степени двухконтурности состоит из биротативного вентилятора 2, простого соосного редуктора 3, компрессора низкого давления 4, компрессора высокого давления 5, камеры сгорания 6, турбины высокого давления 7 и турбины низкого давления 8, соединенной валом 9 с редуктором 3 на его входе.

На входе в двигатель 1 установлен воздухозаборник 10; установленные за воздухозаборником 10 передний 11 и задний 12 по потоку воздуха 13 роторы вентилятора 2 валами 14 и 15 соответственно соединены с редуктором 3 на его выходе.

Рабочие лопатки 16 и 17 переднего 11 и заднего 12 соответственно роторов вентилятора 2 размещены в канале 18 наружного контура, на выходе из которого установлено сопло наружного контура 19.

Простой соосный редуктор 3 состоит из установленной на валу 9 силовой турбины низкого давления 8 ведущей шестерни внешнего зацепления 20 с числом зубьев Z, которая находится в зацеплении с задней по потоку частью 21 промежуточной шестерни внешнего зацепления с числом зубьев Z₁, которая находится в свою очередь в зацеплении с ведомой шестерней внутреннего зацепления 22 с числом зубьев Z₂. Шестерня 22 установлена на валу заднего ротора 12 биротативного вентилятора 2 и приводит его во вращение.

Задняя по потоку часть 21 промежуточной шестерни установлена шлицами 23 на одной оси 24 с передней по потоку частью 25 промежуточной шестерни с числом зубьев Z₃, которая находится в зацеплении с ведомой шестерней внешнего зацепления 26 с числом зубьев Z₄, установленной на валу 14 переднего ротора 11 биротативного вентилятора 2 и служащей для его привода во вращение в противоположную от ротора 12 сторону.

Неподвижная ось 24 передней и задней частей 25 и 21 промежуточной шестерни с числом зубьев Z₃ и Z₁ соответственно установлена в корпусе 27 редуктора 3 на переднем 28 и заднем 29 подшипниках с телами качения 30 и 31 соответственно.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе газотурбинного двигателя 1 сверхвысокой степени двухконтурности уровень шума, генерируемого биротативным вентилятором 2 со стороны воздухозаборника 10, минимален, так как передний ротор 11 вентилятора 2 вращается с минимальными окружными скоростями на всех режимах работы двигателя. Для получения необходимой степени сжатия задний ротор 12 вентилятора 2 вращается с большей по отношению к переднему ротору окружной скоростью, однако задний ротор 12 экранирован со стороны воздухозаборника рабочими лопатками 16 переднего ротора 11, что снижает уровень шума от ротора 12 со стороны воздухозаборника 10. С задней стороны ротор 12 экранирован выхлопным соплом наружного контура 19, что также снижает уровень генерируемого шума от заднего ротора 12 вентилятора.

Пониженная окружная скорость переднего ротора 11 по отношению к заднему ротору 12 обеспечивается с помощью простого соосного редуктора 3, обеспечивающего постоянные передаточные числа от силовой турбины низкого давления 8 к роторам 11 и 12 биротативного вентилятора 2.

Необходимая мощность на вращение роторов 11 и 12 вентилятора 2 поступает в редуктор 3 от турбины 8 через ведущую шестерню 20 на заднюю часть 21 промежуточной шестерни, что приводит к повышенным нагрузкам на задний подшипник качения 29 по сравнению с передним подшипником качения задней 21 и передней 25 по потоку частями промежуточной шестерни.

Выполнение заднего подшипника качения 29 с увеличенным средним диаметром D по телам качения 31 по отношению к среднему диаметру d по телам качения 30 переднего подшипника 28 позволяет обеспечить необходимый ресурс подшипника 29 и редуктора 3, что повышает надежность двигателя 1.

Газотурбинный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности с биротативным вентилятором, отличающийся тем, что роторы биротативного вентилятора соединены через промежуточную шестерню с простым соосным редуктором, на переднем по потоку воздуха роторе вентилятора установлена ведомая шестерня внешнего зацепления редуктора, а на заднем по потоку воздуха роторе вентилятора - ведомая шестерня внутреннего зацепления, при этом промежуточная шестерня редуктора включает заднюю и переднюю по потоку части с разным числом зубьев, причем (Z₄·Z₁)/(Z₃·Z₂)=1,01...1,2 и D/d=1,1...3,

где Z₁ - число зубьев задней по потоку воздуха части промежуточной шестерни редуктора;

Z₂ - число зубьев шестерни внутреннего зацепления;

Z₃ - число зубьев передней по потоку воздуха части промежуточной шестерни редуктора;

Z₄ - число зубьев шестерни внешнего зацепления;

D - средний диаметр по телам качения заднего подшипника промежуточной шестерни;

d - средний диаметр по телам качения переднего подшипника промежуточной шестерни.