具有反向旋转涡轮机的涡轮发动机的改进结构
阅读说明：本技术 具有反向旋转涡轮机的涡轮发动机的改进结构 (Improved structure of turbine engine with counter-rotating turbine ) 是由 弗朗索瓦·加莱特 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：一种涡轮发动机(10)的反向旋转涡轮机(C),其围绕旋转轴线(X)延伸并且包括：内转子(22),其围绕所述旋转轴线(X)旋转,并且包括至少一个由第一轴(26)可旋转地支撑的内部活动叶片(220)；外转子(20),其围绕所述旋转轴线(X)在与所述内转子(22)相反的方向上旋转,并且包括由与所述第一轴(26)同轴的第二轴(24)可旋转地支撑的至少一个外部活动叶片(200),所述第一轴和所述第二轴(24、26)从所述涡轮机(C)的上游轴向延伸至下游,其中,所述第一轴(26)由布置在所述第一轴和所述涡轮机的上游壳体(60)之间的第一轴承(62)引导旋转,所述第二轴(24)由布置在所述第二轴(24)和所述涡轮机的上游壳体(60)之间的第二轴承(72)引导旋转。(A counter-rotating turbine (C) of a turbine engine (10), extending around a rotation axis (X) and comprising: an inner rotor (22) rotating about the axis of rotation (X) and comprising at least one inner movable blade (220) rotatably supported by a first shaft (26); an outer rotor (20) rotating about the axis of rotation (X) in a direction opposite to the inner rotor (22) and comprising at least one outer movable vane (200) rotatably supported by a second shaft (24) coaxial with the first shaft (26), the first and second shafts (24, 26) extending axially from upstream to downstream of the turbine (C), wherein the first shaft (26) is guided in rotation by a first bearing (62) arranged between the first shaft and an upstream housing (60) of the turbine, the second shaft (24) is guided in rotation by a second bearing (72) arranged between the second shaft (24) and the upstream housing (60) of the turbine.)
技术领域
本公开涉及涡轮发动机领域。更具体地，本公开涉及涡轮发动机的反向旋转涡轮机，以及包括这种涡轮机的涡轮发动机。
背景技术
沿着气体流动方向，从上游到下游，飞行器涡轮发动机通常包括风扇、低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮机和低压涡轮机。低压压缩机的转子由低压涡轮机的转子驱动，高压压缩机的转子由高压涡轮机的转子驱动。
为了提高发动机效率，飞行器涡轮发动机可以配备反向旋转涡轮机，而不是低压涡轮机。反向旋转涡轮机包括内转子，称为快转子，连接到第一涡轮轴，并被配置为以第一旋转方向旋转；以及外转子，称为慢转子，连接到第二涡轮轴，并被配置为以与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转。第一转子的叶片与第二转子的叶片交错排列。
以已知的方式，第一涡轮轴特别地由安装在第一轴和设置在反向旋转涡轮机上游的上游涡轮机壳体或TVF(涡轮机叶片框架)壳体之间的轴承定心和引导，第二涡轮轴由安装在第二轴和设置在反向旋转涡轮机下游的下游涡轮机壳体或TRF(涡轮机后框架)壳体之间的另一个轴承定心并引导。
然而，这种结构有一些缺点。特别地，引导第二轴的轴承的位置迫使第二轴非常长，并因此承受显著的弯曲应力。然而，第二轴相对于第一轴的显著弯曲会导致转子之间出现间隙，或者改变已经存在的间隙。此外，第一轴和第二轴的轴承由不同的结构(第一轴的上游壳体和第二轴的下游壳体)承载，这些壳体因膨胀、扭曲或陀螺效应引起的局部变形会产生这些轴的不同位移，因此转子的不同部分之间出现间隙。例如，第一转子和第二转子之间的相对位移会导致第一转子的叶片与第二转子的耐磨轨道之间出现间隙。这种间隙由转子的不同变形引起，可能导致影响涡轮发动机性能的泄漏。
此外，这些反向旋转涡轮机的已知结构涉及到外转子容纳在外部壳体中，因此，后者的温度很高。事实上，这种外部壳体的存在对于承载涡轮机的上游壳体和下游壳体都是必要的，从而确保上游机壳和下游机壳之间的结构联系。该外转子被包在外部壳体中的事实限制了为该转子安装冷却装置的可能性，或为叶片安装测量装置的可能性，如内窥镜。因此，需要一种反向旋转涡轮机结构，使其能够克服上述至少部分缺陷。
发明内容
本公开涉及一种涡轮发动机的反向旋转涡轮机，其围绕旋转轴延伸并且包括：
内转子，其被配置为围绕所述旋转轴线旋转，并且包括至少一个由第一轴可旋转地支撑的内部活动叶片，
外转子，其被配置为围绕所述旋转轴线在与所述内转子相反的方向上旋转，并且包括由与所述第一轴同轴的第二轴可旋转地支撑的至少一个外部活动叶片，所述第一轴和所述第二轴从涡轮机的上游轴向延伸至下游，
其中所述第一轴由布置在所述第一轴和涡轮机上游壳体之间的第一轴承引导旋转，所述第二轴由布置在所述第二轴和涡轮机上游壳体之间的第二轴承引导旋转。
在本公开中，术语“内”和“外”以及术语“内部”和“外部”及其派生词是根据涡轮机的径向方向考虑的。同样，术语“上游”和“下游”是根据涡轮发动机中气体沿旋转轴的流动方向来考虑的。
第一轴和第二轴可以是管状的，并且是同轴的，同时沿旋转轴线延伸。“设置在第一轴和涡轮机的上游壳体之间”，可以理解为第一轴承以及因此第一轴由上游壳体承载，第一轴承的外端或外环固定到上游壳体，第一轴承的内端或内环固定到第一轴。
“设置在第二轴和涡轮机的上游壳体之间”，可以理解第二轴承以及因此第二轴可能间接地由上游壳体承载。换句话说，由第二轴施加的应力，例如弯曲应力，被传递到上游壳体，而第二轴承的外端或外环不必与上游壳体直接接触。“可能间接地”理解为可以在上游壳体和第二轴承之间插入另一个元件，该元件可能是例如第一轴和第一轴承。此外，第二轴承的内端或内环固定在第二轴上。
因此，第一轴承和第二轴承最终都由同一个壳体承载，也就是说由上游壳体承载。因此，例如在涡轮机运行期间由于上游壳体的膨胀而导致的变形被共同传递到两个轴承中的每一个，使得它们同时彼此位移。一个壳体相对于另一个壳体不存在差异位移，从而限制了转子的不同部分之间的间隙出现或改变的风险，该风险例如由第一转子和第二转子之间的相对位移引起。由转子的不同变形引起的这些间隙的限制因此允许限制出现泄漏的风险，并提高涡轮发动机的效率和性能。
此外，轴承都由上游壳体承载，现有技术中通常存在于涡轮机上的下游壳体不再需要承载第二轴承，因此可以被删除。这允许最小化涡轮机的质量。
在一些实施方式中，至少一个内部活动叶片由从第一轴承悬臂的第一轴的一部分可旋转地支撑，并且至少一个外部活动叶片由从第二轴承悬臂的第二轴的一部分可旋转地支撑。
“悬臂式”应理解为内部叶片在位于第一轴承下游的位置处由第一轴承载，而外部叶片在位于第二轴承下游的位置处由第二轴承载。换句话说，假设两个轴承由上游壳体承载，第一轴和第二轴对内转子和外转子的支撑在两个轴承的下游沿着旋转轴线形成。
在一些实施方式中，第二轴承设置在第二轴和第一轴之间。
换言之，第二轴承的外端固定于第一轴，而第一轴承的内端固定于第一轴。也就是说，第一轴承和第二轴承分别设置固定在第一轴壁的两侧，均由上游壳体承载。
在一些实施方式中，第一轴承和第二轴承沿旋转轴线基本上彼此成一直线设置。
也就是说，第一轴承和第二轴承基本上布置在垂直于旋转轴线的同一径向平面上。因此，来自上游壳体的变形应力更有效地从第一轴承传递到第二轴承，应力的路径被最小化。因此，第一轴的位移，例如弯曲，将产生第二轴的基本相同的位移。因此进一步限制了内转子和外转子之间的位移差的风险。
在一些实施方式中，第一轴承和第二轴承沿旋转轴线基本上布置在涡轮机的中间平面处。
中间平面或几何中心表示涡轮机总长度沿旋转轴线的中心。根据这种配置，涡轮机对陀螺效应不太敏感。换句话说，第一轴承和第二轴承的这个位置允许确保第一轴和第二轴的弯曲运动(导致转子绕垂直于涡轮机旋转轴线的轴线旋转)将在叶片顶部产生主要轴向位移，并产生少量径向位移，因此，内外转子之间的间隙很少出现或改变。
此外，第二轴承设置在涡轮机的中间平面并由上游壳体承载，而不再由下游壳体承载，因此可以减小第二轴的长度。因此，第二轴所承受的弯曲应力被最小化，从而进一步限制了转子之间的间隙的出现，或者已经存在的间隙的改变。
在一些实施方式中，涡轮机包括至少部分地围绕外转子的外壳，外壳从涡轮机的上游端轴向延伸到设置在涡轮机下游端上游的位置。
在一些实施方式中，外壳从涡轮机的上游端轴向延伸，延伸长度小于涡轮机长度的50％，优选小于30％，更优选小于15％。
考虑到第一轴承和第二轴承均由上游壳体承载的事实，现有技术中通常存在于涡轮机上的下游壳体不再需要承载第二轴承，因此可以被删除。此外，不再需要有外壳来承载下游壳体并在整个长度上围绕外转子。因此，外转子的下游部分不再增加。因此，可以设置冷却装置来直接冷却该下游部分，并且可以更容易地设置测量装置，例如内窥镜。也可以在转子和定子之间安装密封装置，如迷宫密封或分段径向密封，从而限制涡轮机的泄漏。
在一些实施方式中，涡轮机包括润滑装置，其配置为通过上游壳体输送和排放润滑流体，并通过润滑流体润滑至少第一轴承和第二轴承。
由于第一轴承和第二轴承彼此相邻，因此可以简化润滑装置，特别是通过缩短后者。实际上，只需一个润滑回路即可共同润滑第一轴承和第二轴承。为此，第一轴和第二轴可包括允许润滑流体在第一轴承和第二轴承之间流动的孔。
在一些实施方式中，第一轴承和第二轴承是滚珠轴承。
在一些实施方式中，第一轴承和第二轴承是滚柱轴承。滚子轴承可以更有效地抵消不同的膨胀。
本公开还涉及一种涡轮发动机，其包括根据前述实施方式中任一项所述的涡轮发动机。
附图说明
通过阅读以下通过非限制性实施例给出的本发明的各种实施方式的详细描述，将更好地理解本发明及其优点。该描述参考了附图，其中：
图1表示根据现有技术的具有反向旋转风扇的涡轮发动机的工作原理的总视图，
图2表示根据本公开的低压涡轮机的示意图。
具体实施方式
参照图1，具有反向旋转风扇的涡轮发动机10包括纵向轴线X-X。沿涡轮发动机中气体流动方向，从上游到下游(黑色箭头表示)，涡轮发动机10主要包括三部分：上游模块A(或风扇部分)、中间模块B(或高压体)和下游模块C(或低压涡轮机部分)。
涡轮发动机的三个部分A、B和C是模块化的，也就是说，它们各自形成单个组件，并且各自可以通过与涡轮发动机的其他部件分离来更换。
以本身众所周知的方式，高压体B包括用于产生燃烧气体的气体发生器。该气体发生器包括压缩机12、燃烧室14和高压涡轮机16。
由压缩机12压缩的空气在燃烧室14中在燃烧之前与燃料混合。由此产生的燃烧气体驱动高压涡轮机16的活动叶片，其本身通过高压轴18驱动压缩机12。涡轮发动机10中燃烧气体的循环从上游到下游沿轴向发生。
低压涡轮机部分C包括第一环形转子或外转子20。该外转子20包括涡轮的一排外活动叶片200，其径向向内延伸并且彼此轴向间隔开。
低压涡轮机部分C还包括第二环形转子或内转子22。该内转子22包括涡轮机的一排内活动叶片220，其径向向外延伸并且彼此轴向间隔开。内转子和外转子22、20的涡轮机叶片200、220相对于彼此交替布置，使得内转子和外转子22、20相互嵌套。
外转子20的活动涡轮机叶片200由第一低压轴24可旋转地支撑。同样，内转子22的活动涡轮机叶片220由围绕第一轴24同轴设置的第二低压轴26可旋转地支撑。低压轴24、26从涡轮发动机10的上游到下游轴向延伸。内转子20和外转子22被外壳50包围。
来自高压体B的燃烧气体穿过低压涡轮机部分C。因此这些燃烧气体沿相反方向可旋转地驱动内转子20和外转子22的涡轮机叶片200、220。因此，第一低压轴24和第二低压轴26也以反向旋转的方式旋转。
风扇部分A位于涡轮发动机10的上游。整流罩28环形地围绕该风扇部分A。整流罩28由间隔件30支撑，间隔件30从涡轮发动机径向向内延伸。
风扇部分A包括安装在上游风扇轴34上的第一排风扇叶片32，该上游风扇轴34连接到第一低压轴24的上游端。
风扇部分A还包括第二排风扇叶片36，其在第一排风扇叶片32的下游轴向间隔开并且安装在连接到第二低压轴26的一个上游端的后风扇轴38上。
第一排和第二排风扇叶片32、36因此沿相反的方向旋转，例如由相应的箭头F1和F2表示。因此，这种带有反向旋转风扇的配置为涡轮发动机提供了高效率，而单位消耗相对较低。
风扇叶片32、36实际上从上游34和下游38风扇轴径向延伸到整流罩28。它们设置在空气循环通道中，该空气循环通道供应通向高压体B的压缩机12的初级流路40和次级旁通流路42。
在其上游端，第一低压轴24经由第一滚动轴承44和设置在第一滚动轴承下游的第二滚动轴承46可旋转地支撑第二低压轴26。
第一滚动轴承44为滚珠型以承受轴向载荷，而第二滚动轴承46为滚柱型以承受涡轮发动机的径向载荷。
在其下游端，第一低压轴24由安装在第一轴24和涡轮机的下游壳体70(或TRF壳体，或排气壳体)之间的轴承72定心和引导。此外，在其下游端，第二低压轴26由安装在第二轴26和涡轮机的上游壳体60(或TVF壳体)之间的轴承62定心和引导。轴承62和72可以是滚柱轴承或滚珠轴承。
说明书的其余部分参考图2描述了本公开的反向旋转涡轮机的轴承的布置，特别是涡轮发动机10的低压涡轮机C的轴承的布置。然而，该实施方式不限于这种低压涡轮机，还可以适用于涡轮发动机的其他元件，例如高压涡轮机。
根据该实施方式，第一和第二低压轴24、26的轴承62和72相对于它们参照图1描述的位置沿旋转轴线X轴向位移。更具体地，轴承62总是安装在第二轴26和涡轮机的上游壳体60之间。然而，根据该构造，轴承72也安装在第一轴24和涡轮机的上游壳体60之间。换句话说，轴承62和72都由同一个上游壳体60承载。
特别地，轴承72设置在第一轴24和第二轴26之间。因此，轴承72是轴间轴承，其外端固定在沿一个方向旋转的第二轴26上，而其内端固定在与第一轴24相反的方向旋转的第一轴24上。
此外，轴承62和72可以彼此成一直线设置，也就是说，沿径向方向彼此基本对齐。换句话说，它们可以沿着轴线X基本上设置在相同的轴向位置。优选地，该位置对应于涡轮机C的几何中心。更具体地，当涡轮机C在沿轴线X位于最上游的叶片和位于最下游的叶片之间轴向延伸长度L时，轴承62和72沿轴线X布置在距位于最上游的叶片基本上等于L/2的距离处。在图2的示例中，内转子22包括四个叶片220，而外转子20包括设置在内叶片220之间的三个叶片200。因此，轴承62和72布置在与内转子20的中心叶片200基本相同的轴向位置处。
根据该构造，第一轴24比根据参照图1呈现的构造短。因此，第一轴24所承受的弯曲应力被最小化。
轴承62和72均由上游壳体60承载，下游壳体70不再需要承载轴承72，因此可以省略，以最小化涡轮机C的质量。同样，与参考图1描述的涡轮机不同，外壳50仅在涡轮长度L小于50％、优选小于30％、更优选小于15％的部分上轴向延伸。因此，外转子20的下游部分不再被外壳50包围。因此，外转子20达到的温度将低于后者完全被外壳50包围的构造，从而限制故障风险。此外，可以更容易地设置冷却装置(未表示)，以便直接冷却该下游部分。此外，这种构造使外部转子更容易接近。因此，可以更容易地检查后者，例如通过内窥镜，而无需拆卸发动机。
尽管已经参照具体的示例性实施例对本发明进行了描述，但显而易见的是，在不偏离权利要求书所定义的本发明的一般范围的情况下，可以对这些示例进行修正和改变。特别地，可以在附加实施例中组合不同图示/提及实施例的个别特征。因此，应在说明性而非限制性的意义上考虑说明书和附图。
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