发明内容

为此，本发明涉及一种涡轮风扇发动机，其包括风扇，定位在风扇下游并使主要流道与次级流道分离的壳体，已被布置在主要流道中的压气机、燃烧室和涡轮，所述涡轮风扇发动机包括一种耦合到涡轮的差速传动装置，以及一种被构造成提供附加功率到由涡轮所提供的功率以驱动压气机的电源装置。

在本发明中，所谓的涡轮风扇发动机轴线是形成压气机和涡轮的旋转轴线的其对称轴线或准对称轴线。轴向方向对应于涡轮风扇发动机的轴线方向，并且径向方向是垂直于该轴线并与该轴线相交的方向。同样，轴向平面是一种包含涡轮风扇发动机轴线的平面，并且径向平面是垂直于该轴线的平面。圆周应理解为一种属于径向平面并且其中心属于涡轮风扇发动机的轴线的圆。切向方向或周向方向是与圆周相切的方向；它垂直于涡轮风扇发动机的轴线，但不穿过该轴线。

除非另有规定，参考轴向方向使用形容词“前”和“后”，应该理解的是，涡轮风扇发动机的入口定位在涡轮风扇发动机的前侧上，而其出口定位在后侧上。参考涡轮风扇发动机中气流的正常方向使用形容词“上游”和“下游”。

最后，除非另有规定，参考径向方向使用形容词“内(内部)”和“外(外部)”，因此沿径向方向，一个元件的内部部分与相同元件的外部部分相比更接近涡轮风扇发动机的轴线。

该涡轮风扇发动机被称为涡轮风扇发动机，因为它包括容纳主要流的主要流道以及容纳次级流的次级流道。使主要流道和次级流道分离的壳体有时称为内壳体。

如图所示，差速传动装置耦合到涡轮，即在涡轮和差速传动装置之间存在一种功能性的、可能永久性的连接。由于涡轮提供的机械能，差速传动装置可被构造成驱动风扇和/或压气机。差速传动装置是一种允许在至少一个输入部件(input)(在这种情况下为涡轮)和至少一个输出(output)(在这种情况下为风扇和/或压气机)之间修改速度和/或扭矩比的动力传动装置。在本发明的含义内，差速传动装置的传动比可小于1，在这种情况下其有时被称为减速系统(reduction system)，但根据什么部件被认为是输入部件或输出部件，差速传动装置的传动比也可以大于1，在这种情况下其有时被称为倍增系统。差速传动装置可以是机电或纯机械的。

涡轮风扇发动机可以是单转子涡轮风扇发动机。单转子涡轮风扇发动机包括单个旋转组件，其经由共同的运动系统将一个或多个压气机连接到一个或多个涡轮，这并不意味着所有部件都以相同的速度旋转，而相反它们的旋转是链接的。相反，双转子涡轮风扇发动机包括两个运动学独立的旋转组件，这些组件每个都经由其自身的运动系统连接其自身的压气机和涡轮，所述其自身的运动系统独立于另一组件的自身的运动系统。此后，为简明起见但不丧失通用性，将假定单轴包括一个压气机和一个涡轮。

与大多数(如果不是全部)基于双转子涡轮风扇发动机的当前发展不同，本发明提出了实施一种具有单轴的涡轮风扇发动机。这类架构允许大大地简化涡轮风扇发动机，例如由于抑制了诸如轴、轴承和支撑件等复杂构件，降低了其质量和成本。

此外，由于涡轮风扇发动机包括电源装置，所述电源装置被构造成提供附加功率到由涡轮提供的功率以驱动压气机，因此，根据速度，可以致使压气机在所需的工作范围中运行，而处于所讨论速度，特别地处于低速，的涡轮单独不允许在此范围中运行。因此，无论涡轮风扇发动机速度如何，涡轮风扇发动机的性能水平与其他现有的涡轮风扇发动机相当，或者具有与现有涡轮风扇发动机相比更好的性能/成本比。

在一些实施方式中，涡轮风扇发动机进一步包括一种被构造成根据涡轮的转速来控制电源装置的控制单元。因此，可根据涡轮风扇发动机的速度来控制电源装置。这允许精确地适配涡轮风扇发动机的参数并优化涡轮风扇发动机的运行。

在一些实施方式中，电源装置包括一种被构造成驱动压气机旋转的电动机。在这些实施方式中，可以根据对功率的需要以非常灵活的方式控制电源装置，特别是在覆盖零功率到电源装置的最大估计功率的范围上连续地控制电源装置。

在一些实施方式中，电源装置包括一种被构造成由涡轮驱动的发电机。发电机可被构造成直接地或经由储电设备对上述的电动机供电。

事实上，在一些实施方式中，涡轮风扇发动机包括电连接到电动机或发电机的储电设备。因此，在例如以高速的某些飞行阶段中，涡轮可驱动发电机，使得过量的机械功率以电的形式存储在储电设备中。在例如以低速的其他飞行阶段中，可由涡轮和电动机驱动压气机，电动机从储电设备获取其能量。但是，其他变型也是可能的。例如，不是由涡轮驱动的发电机进行充电，储电设备可以通过涡轮风扇发动机外部的电源进行充电。

因此，在一些实施方式中，电源装置包括被构造成连接到外部电源的连接器。

在一些实施方式中，电源装置包括变速机械传动装置，其一方面耦合到压气机的轴，并且另一方面耦合到涡轮的轴。因此，变速机械传动装置允许从涡轮导出功率用于驱动压气机，例如根据涡轮风扇发动机的速度能够控制所述功率。变速机械传动装置可与压气机和/或涡轮连接或断开。变速机械传动装置可将固定或可变比例的涡轮功率传输到压气机。变速机械传动装置可包括以下元件的任一个：离合器、齿轮箱、变速器等。

在一些实施方式中，电源装置包括电磁传动装置，其一方面耦合到压气机的轴，并且另一方面耦合到涡轮的轴。例如，电磁传动装置可以是磁齿轮的传动装置。电磁传动装置具有许多优点，特别地无机械疲劳、无润滑、无机械接触损耗、无噪音,以及高效率。

在一些实施方式中，由电源装置提供的最大附加功率大于1.5兆瓦(MW)。这种附加最大功率用于补偿在涡轮风扇发动机的特定速度下涡轮不提供的功率。

在一些实施方式中，当涡轮的转速大于涡轮标称最大转速的95％时，电源装置被构造成停用。因此，可以将电源装置的尺寸仅限于在其作用有用的中等机械速度下运行，从而使其质量和复杂性最小化。例如，当涡轮的转速足以单独地以标称速度的至少50％、优选地至少70％的降低速度驱动压气机时，电源装置可被构造成被停用。相反地，当涡轮的转速不足以单独地以标称速度的至少50％、优选地至少70％的降低速度驱动压气机时，电源装置可被构造成启动。

本发明还涉及一种单转子涡轮风扇发动机，其包括风扇，定位在风扇下游并使主要流道与次级流道分离的壳体，布置在主要流道中的压气机、燃烧室和涡轮，所述涡轮风扇发动机包括一种耦合到涡轮的差速传动装置，其中，在次级流道和主要流道之间的旁通比大于或等于12。

在次级流道和主要流道之间的旁通比，更简单地称为旁通比(BPR)，是进入次级流道的空气流速与进入主要流道的空气流速之比。增加BPR允许提高涡轮风扇发动机的性能，因为基本上由风扇扫过并穿过次级流道的空气提供推力。

然而，增加BPR需要增加风扇的直径，这导致连带地增加了次级流道的横截面。

由于在次级流道和主要流道之间的旁通比大于或等于12，进一步改进了涡轮风扇发动机的性能。例如，对于在0.7马赫和0.9马赫之间的相应飞行器速度，可以在涡轮风扇发动机排气装置的亚音速喷射速度的范围内获得这类旁通比，优选地在喷射喷嘴的喉部处在0.8马赫和1马赫之间。

在一些实施方式中，差速传动装置包括一种被构造成修改涡轮和风扇之间的转速传动比的第一减速齿轮，以及一种被构造成修改涡轮和压气机之间的转速传动比的第二减速齿轮。

因此，风扇的旋转可以与压气机的旋转分离，这对于这两个部件允许具有不同的旋转速度。这允许在降低风扇转速的同时将压气机转速保持在一定水平。然而，风扇的转速制约了风扇叶片的径向外部(也称为叶片末端)的切向速度。叶片末端的速度必须满足某些限制条件，特别地保持例如小于或等于310米/秒(m/s)的亚音速。因此，能够降低风扇转速这一事实允许在等同的叶片末端速度下增加风扇的直径。结果仍然是涡轮风扇发动机的性能更好。

在一些实施方式中，第二减速齿轮耦合到第一减速齿轮的输出。

在一些实施方式中，第一减速齿轮是一种差速减速齿轮，其具有旋转地固定到涡轮的输入轮，旋转地固定到风扇的第一输出轮，旋转地固定到第二减速齿轮的输入轮的第二输出轮，并且第二减速齿轮是一种具有旋转地固定到压气机的输出轮的周转减速齿轮。

减速齿轮是一种允许修改在至少一个输入轮和至少一个输出轮之间的速度和/或扭矩比的装置。在本发明的含义内，减速齿轮的传动比可以小于1，但也可以大于1，这取决于什么部件被认为是输入部件或输出部件(减速齿轮通常是可逆传动装置)，在大于1的情况下该减速齿轮有时被称为倍增器。差速减速齿轮可以使三个轮的旋转相关联，例如一个输入轮和两个输出轮。周转减速齿轮可以使两个轮的旋转相关联，例如一个输入轮和一个输出轮。

差速减速齿轮和/或周转减速齿轮可被设计为周转轮系的形式。周转轮系通常具有也称为齿圈的外行星齿轮，以及也称为行星齿轮或太阳齿轮的内行星齿轮。太阳齿轮和齿圈通过一个或多个行星齿轮耦合，行星齿轮通过行星架耦合在一起。在本发明的含义内，通用意义上所谓的“轮”是齿圈、行星架或太阳齿轮的任一个。每个轮都可用作机械传动的输入部件或输出部件。

在这种情况下，经由第一减速齿轮将涡轮的旋转传输到风扇。结果是在涡轮和风扇之间的第一传动比，例如第一扭矩比。第一减速齿轮的第二输出轮驱动第二减速齿轮的输入轮，其输出驱动压气机。结果是在涡轮和压气机之间的第二传动比。因此，使用差速减速齿轮可以使风扇和压气机的旋转分离。为了限制涡轮风扇发动机的复杂性，周转减速齿轮可以与差速减速齿轮耦合，而非与涡轮直接耦合。

在一些实施方式中，第一减速齿轮的第一输出轮齿数与第一减速齿轮的输入轮齿数之比大于1。该比值可大于1.2，更优选地大于1.4。此外，该比值可小于1.8，更优选地小于1.6。该比值近似等于1.5。在正常运行的情况下，第一减速齿轮因此被构造成向风扇提供与提供到压气机的转速相比更低的转速。

在一些实施方式中，第二减速齿轮的齿圈齿数与第二减速齿轮的输出轮齿数之比大于2。对于周转齿轮系，可相对于涡轮风扇发动机的内壳体固定第二减速齿轮的齿圈。该比值允许相对于由第一减速齿轮在第二减速齿轮输入端处提供的速度来增加压气机的转速。该比值可大于5，更优选地大于6。此外，该比值可小于9，更优选地小于8。该比值近似等于7。

在一些实施方式中，第一减速齿轮的第一输出轮的齿数与第一减速齿轮的输入轮的齿数之比小于第二减速齿轮的齿圈齿数与第二减速齿轮的输出轮齿数之比。这是上述两个比值之比；在给出的示例中，还可以验证1.5小于7。在这种构造中，可以减小差速传动装置的不同轮的直径，并且可以限制差速传动装置的产品总体成本。

在一些实施方式中，第二减速齿轮的传动比大于3。传动比是输出轮转速与输入轮转速之比。对于行星齿轮，所考虑的行星架的转速对应于行星齿轮环绕太阳齿轮的转速，并且不对应于行星齿轮环绕其自身的转速。

该传动比可大于6，更优选地大于7。此外，该传动比可小于10，更优选地小于9。该传动比可近似等于8。

在一些实施方式中，风扇在巡航速度下的压缩比在1.3和1.45之间。根据通常的定义，所谓的风扇压缩比是在风扇输入端(input)的给定质量空气的体积-平均总压与在风扇输出端的相同质量空气的体积-平均总压之比。相对低的压缩比允许提高涡轮风扇发动机的性能。

在一些实施方式中，在15500转/分的转速下，压气机的压缩比大于或等于25。这种压缩比适用于压气机和涡轮的空气动力学。例如，压气机可包括至少八级动叶片，优选地至少九级或十级。

在一些实施方式中，爬升顶部的总压比大于或等于30。总压比或OPR是压气机输出端的空气总压力与风扇输入端的空气总压力之比。被称为“爬升顶点”的点是完成上升的高度的点，通常计算该点，使得上升尽可能经济和短。高OPR允许提高涡轮风扇发动机的气体发生器的热效率，因此提高其性能。在30到40之间的OPR看起来不如在双转子涡轮风扇发动机中有利，但这通过简单性、可操作性和成本的巨大改进所补偿。

此外，除非另有说明，当涡轮风扇发动机在国际民用航空组织(ICAO)手册第7488/3号文件第3版规定的标准大气中静止时，以及在海平面静止时，测量了本发明中提及的数量值。

本发明还涉及一种涡轮风扇发动机，其包括风扇，压气机，燃烧室，被构造成经由第一减速齿轮驱动风扇旋转并且经由第二减速齿轮驱动压气机旋转的涡轮，其中，第一减速齿轮的输出端(output)通过减速轴与第二减速齿轮的输入端(input)旋转地耦合，减速轴由一种布置在第一减速齿轮和第二减速齿轮之间的轴承支撑。

因此，可以理解的是，上述轴承可轴向地布置在第一减速齿轮和第二减速齿轮之间。可以相对于涡轮风扇发动机的固定壳体支撑该轴承，特别地相对于燃烧室固定该轴承。

由于由布置在第一减速齿轮和第二减速齿轮之间的轴承支撑该减速轴，涡轮风扇发动机具有良好的动态状况，即在运行速度下的良好机械和气动行为，以及定位在运行速度以外的主要自然振动模式，即能够对涡轮风扇发动机造成损坏。此外，所述轴承允许适当地保持第一减速齿轮和第二减速齿轮，同时避免或限制在这两个减速齿轮之间的动态耦合。

在一些实施方式中，轴承是滚柱轴承。因此，所述轴承允许减速轴的轴向移动。

在一些实施方式中，轴承由所述壳体支撑。由于轴承由内壳体支撑，可以简化轴承的支撑结构，这限制了涡轮风扇发动机质量的增加，简化了其通用结构并改进了其性能。

在一些实施方式中，所述轴承径向地布置在压气机轴、涡轮轴和减速轴外侧。这允许进一步优化涡轮风扇发动机的动态状况。

在一些实施方式中，减速轴是第一减速齿轮和第二减速齿轮共用的行星架。

除了刚才提到的特征之外，根据单独地或以技术上可能组合考虑的以下之中的特征，所提出的涡轮风扇发动机可包括一个或多个其他轴承：

–布置在风扇轴和壳体之间的风扇轴承。风扇轴承相对于壳体支撑该风扇轴；

–布置在压气机轴和壳体之间的压气机轴承。也称为第一压气机轴承的该压气机轴承相对于壳体支撑该压气机轴；

–布置成支撑减速轴的第二轴承，例如滚柱轴承。使用两个滚柱轴承以支撑减速器这一事实避免了静态不确定性；

–布置在压气机轴和涡轮轴之间的轴间轴承，例如滚柱轴承。轴间轴承可径向地布置在压气机轴和涡轮轴之间，并彼此相对地支撑这两个轴；

–布置在压气机轴和压气机下游的结构构件之间的压气机轴承，所述结构件例如可以是燃烧室的壳体或定位在压气机和燃烧室之间的扩散器。也称为第二压气机轴承的压气机轴承相对于结构件支撑该压气机轴。