CN1854486A - 对转式涡轮机引擎及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

一种组装燃气轮机引擎(10)的方法，所述方法包括设置被构造以沿第一方向旋转的低压涡轮机内转子(42)、设置被构造以沿与第一旋转方向相反的第二方向旋转的低压涡轮机外转子(38)；以及将至少一个箔带轴承(100)连接到所述内转子和外转子中的至少一个上，从而有利于改进第一旋转部件以及第二旋转部件和不旋转部件中的至少一个之间的间隙控制。

Description

对转式涡轮机引擎及其组装方法
关于联邦政府资助的研究和开发的声明
根据任务指示(Task Order)NAS3-01135 Task Order #2，美国政府可对本发明拥有一定权利。
技术领域
本发明主要涉及航空器燃气轮机引擎，且更具体而言，涉及对转式燃气轮机引擎。
背景技术
至少一种已公知的燃气轮机引擎包括以串行流布置的前风扇组件、后风扇组件、用于压缩流动通过引擎的空气的高压压缩机、用于使燃料与压缩空气混合以使得混合物可被点燃的燃烧器和高压涡轮机。高压压缩机、燃烧器和高压涡轮机有时合起来被称作核心引擎。在操作中，核心引擎产生燃烧气体，所述燃烧气体被排向下游至对转式低压涡轮机，所述涡轮机从其中提取出能量以为前和后风扇组件提供动力。在至少一些已公知的燃气轮机引擎内，至少一个涡轮机沿与引擎内的其它旋转部件相比相反的方向旋转。
至少一种已公知的对转式低压涡轮机具有大于高压涡轮机排出部的半径的入口半径。入口半径增加的尺寸容纳低压涡轮机内的附加级。具体而言，至少一种已公知的对转式低压涡轮机包括具有可旋转地连接到前风扇组件上的第一数量的低压级的外部涡轮机和具有可旋转地连接到后风扇组件上的相等数量的级的内部涡轮机。
在引擎组装过程中，这种已公知的燃气轮机引擎进行组装以使得外部涡轮机以悬臂方式从涡轮机后框架中延伸出来。更具体而言，外部涡轮机的第一数量的级被分别连接在一起且被连接到旋转罩壳上，且外部涡轮机随后仅利用外部涡轮机的末级连接到涡轮机后框架上，以使得仅外部涡轮机的末级支承外部涡轮机旋转罩壳的组合重量。因此，为了给这种引擎提供必需的结构强度，外部涡轮机的末级通常远大于和重于外部涡轮机的其它级。正由于此，在操作过程中，与增加的重量和尺寸相关联的性能损失实际上可否定利用对转式低压涡轮机的优点。
发明内容
在一个方面中，提供了一种用于组装燃气轮机引擎的方法。所述方法包括设置被构造以沿第一方向旋转的低压涡轮机内转子、设置被构造以沿与第一旋转方向相反的第二方向旋转的低压涡轮机外转子以及将至少一个箔带轴承连接到内和外转子中的至少一个上以有利于改进第一旋转部件和第二旋转部件以及不旋转部件中的至少一个之间的间隙控制。
在另一个方面中，提供了一种转子组件。所述转子组件包括被构造以沿第一旋转方向旋转的内转子、被构造以沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转的外转子和被构造以支承内和外转子中的至少一个的箔带轴承。
在再一个方面中，提供了一种燃气轮机引擎。所述燃气轮机引擎包括低压对转式涡轮机，所述低压对转式涡轮机包括被构造以沿第一旋转方向旋转的内转子、被构造以沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转的外转子和被构造以支承内和外转子中的至少一个的箔带轴承。
附图说明
图1是典型燃气轮机引擎的一部分的横截面图；
图2是典型对转式低压涡轮机的一部分的横截面图；
图3是包括图2所示的典型箔带轴承的对转式低压涡轮机的后部的放大视图；
图4是沿视界B-B的箔带轴承组件100的侧视图；
图5是典型箔带轴承的侧视图；
图6是包括典型箔带轴承的对转式低压涡轮机的一部分的横截面图；
图7是包括图6所示的典型箔带轴承的对转式低压涡轮机的前部的扩展视图；
图8是包括图6所示的典型箔带轴承的对转式低压涡轮机的后部的扩展视图；
图9是包括典型箔带轴承的对转式低压涡轮机的一部分的横截面图；
图10是图9所示的箔带轴承的端视图；
图11是包括典型箔带轴承的燃气轮机引擎的示意图；和
图12示出了包括图11所示的典型箔带轴承的燃气轮机引擎的一部分。
具体实施方式
图1是典型的燃气轮机引擎10的一部分的横截面图，所述燃气轮机引擎包括围绕纵向中心轴线16设置的前风扇组件12和后风扇组件14。在此使用的术语“前风扇”和“后风扇”以表示风扇12中的一个被轴向连接在另一风扇14的上游。在一个实施例中，风扇组件12和14被放置在如图所示的燃气轮机引擎10的前端处。在另一个可选的实施例中，风扇组件12和14被放置在燃气轮机引擎10的后端处。风扇组件12和14分别包括被放置在短舱18内的多排风扇叶片19。叶片19被连接到相应的转子盘21上，所述转子盘通过相应的风扇轴20被可旋转地连接到前风扇组件12上且通过风扇轴22被可旋转地连接到后风扇组件14上。
燃气轮机引擎10还包括在风扇组件12和14下游的核心引擎24。核心引擎24包括高压压缩机(HPC)26、燃烧器28和通过核心转子或轴32被连接到高压压缩机26上的高压涡轮机(HPT)30。在操作中，核心引擎24产生燃烧气体，所述燃烧气体向下游被引导至对转式低压涡轮机34，所述低压涡轮机从气体中提取出能量，从而通过风扇组件12和14的相应的风扇轴20和22为它们提供动力。
图2是对转式低压涡轮机34的一部分的横截面图。在典型实施例中，低压涡轮机34包括被连接到高压涡轮机30下游的核心引擎24上的固定外壳36(如图1所示)。低压涡轮机34包括被放置在外壳36的径向向内位置的径向外转子38。外转子38具有大体上的截锥形状且包括径向向内延伸的多个周向间隔一定距离的转子叶片40。叶片40被布置在轴向间隔一定距离的叶片排或级41中。尽管典型实施例仅示出了四个级41，但应该意识到在不影响在此描述的方法和设备的范围的情况下，外转子38可具有任何数量的级41。
低压涡轮机34还包括相对于外转子38大体上共轴对齐且与其径向向内对齐的径向内转子42。内转子42包括多个周向间隔一定距离的转子叶片44，所述转子叶片径向向外延伸且被布置在轴向间隔一定距离的排或级43中。尽管典型实施例仅示出了五个级，但应该意识到在不影响在此描述的方法和设备的范围的情况下，内转子42可具有任何数量的级。
在典型实施例中，从级43延伸出来的内转子叶片44与从级41中延伸出来的外转子叶片40轴向互相交叉，以使得内转子级43在相应的外转子级41之间延伸。叶片40和44因此被构造用于转子38和42的对转。
在典型实施例中，低压涡轮机34还包括转子支承组件45，所述转子支承组件包括在低压涡轮机外和内叶片40和44后部的固定环形尾部框架46。尾部框架46包括多个周向间隔一定距离的支柱47，所述支柱在它们的外端处被连接到环形外带48上，所述外带被连接到外壳36上，且所述支柱在它们的内端处被连接到环形内带或毂49上。尾部框架46还包括径向向内延伸的环形非结构性流路延伸部50。在典型实施例中，后支柱47被设置与低压涡轮机34的后端流动连通用以接收来自其中的燃气。
可旋转的后框架51被设置在外和内叶片40和44的后部和尾部框架46的上游。框架51被连接到外转子38的后端上用以与其一起旋转且用以有利于提供附加的刚性从而支承叶片40。后框架51包括多个周向间隔一定距离的支柱52，所述支柱被连接到径向外和内环形后带53和54上，以使得内后带54被固定地紧固到环形后支承轴55上用以与其一起旋转。轴55从尾部框架46中且向其上游径向向内延伸。外和内带53和54分别有利于将周向间隔一定距离的支柱52连接在一起以形成相对刚性的组件。因此，周向间隔一定距离的支柱52与外和内带53和54的组合有利于通过后箔带轴承100将负载从外转子38传递至外壳36。箔带轴承100可消除通过附加的后轴承/罩壳结构(未示出)而将负载从外转子38传递至尾部框架46的需要。
环形中间框架60在外和内叶片40和44的上游且包括多个周向间隔一定距离的前支柱62，所述支柱被连接到径向外前带64和径向内前带66上。内前带66还被连接到从带66径向向内延伸的环轴68上。在典型实施例中，涡轮机中间框架60通过外前带64被固定地紧固到外壳36上。在典型实施例中，前支柱62被整流罩70罩住，所述整流罩有利于保护支柱62以避开流动通过引擎10的热燃气。在另一个实施例中，支柱62未被整流罩70罩住。
在典型实施例中，燃气轮机引擎10包括被设置在外转子38和罩壳36之间的多个箔带轴承100。在一个实施例中，第一数量的轴承102被设置在低压涡轮机34的后端104处，且第二数量的轴承106被设置在低压涡轮机34的前端108处。箔带轴承100有利于在操作加载过程中给低压涡轮机34提供结构支承。更具体而言，箔带轴承100在外转子38的外表面110周围周向间隔一定距离以有利于为低压涡轮机34提供旋转支承。更具体而言，和在典型实施例中，四个箔带轴承在低压涡轮机34后端104处的外周周围大致等距周向间隔开，且四个箔带轴承在低压涡轮机34前端108处的外周周围大致等距周向间隔开。因此，在典型实施例中，低压涡轮机34的重量被大约相等地分布燃气轮机引擎10周边周围，分别在前和后端108和104处。
图3是包括箔带轴承组件100的对转式低压涡轮机34的后部的放大视图。图4是沿视界B-B获取的箔带轴承组件100的侧视图。图5是典型箔带轴承101的侧视图。在典型实施例中，箔带轴承组件100包括支承构件122，所述支承构件利用多个紧固件124被固定地紧固到罩壳36上且利用至少一个紧固件126被可旋转地连接到箔带轴承101上。
在典型实施例中，箔带轴承101包括成对座圈130和至少一个箔片元件132。成对座圈130包括外座圈134和从外座圈134径向向内的内座圈136。箔片元件132在内座圈136和外座圈134之间延伸且分别包括多个柔顺的金属箔片132，所述金属箔片被分别紧固到外座圈134上以有利于内座圈136相对于外座圈134旋转，或如在本实施例中，有利于外座圈134相对于内座圈136旋转。在典型实施例中，箔带轴承101有利于减少操作负载对对转式低压涡轮机34的影响，同时还增强了转子之间的间隙控制和密封。进一步地，在燃气轮机引擎10内使用箔带轴承有利于降低燃气轮机引擎的制造成本，这是因为箔带轴承不需要润滑、没有DN速度限制，其中D被定义为轴承孔的直径，单位为毫米，且N被定义为轴承的最高速度，单位为转/分钟、不需要进行维护以及是自作用流体动力的“浮在空气上的”装置。
在典型实施例中，在引擎操作过程中，在低压涡轮机34的旋转过程中产生的径向力被传递至箔带轴承101。更具体而言，当低压涡轮机34旋转时，箔带轴承101的外表面138接触低压涡轮机34的外表面139，以有利于减少低压涡轮机34的径向运动。由于每个相应的箔带轴承101通过支承构件122被连接到外壳36上，因此低压涡轮机34相对于外壳36保持处在相对恒定的径向位置处。更具体而言，当低压涡轮机34在操作过程中径向向外受力时，由于箔带轴承101被附接到外壳36上，因此低压涡轮机34的任何径向运动被传递至罩壳36，以使得低压涡轮机34相对于外壳36被保持处在相对恒定的径向位置处。
图6是包括典型箔带轴承组件200的对转式低压涡轮机34的一部分的横截面图。图7是包括箔带轴承组件200的对转式低压涡轮机34的前部的放大视图。图8是包括箔带轴承组件200的对转式低压涡轮机34的后部的放大视图。
在典型实施例中，低压涡轮机34包括在低压涡轮机后端104处的第一箔带轴承组件202。轴承组件202包括箔带轴承204和利用多个紧固件208被固定地紧固到罩壳36上的支承构件206。支承构件206被可旋转地连接到径向外转子38的外周周围，以使得箔带轴承204限定径向外转子38的界线。
在另一个典型实施例中，燃气轮机引擎10包括被设置在低压涡轮机前端108处的第二箔带轴承组件210。在典型实施例中，轴承组件210包括箔带轴承212和支承构件214，所述支承构件利用多个紧固件216被固定地紧固到罩壳36上且被可旋转地连接在径向外转子38的外周周围，以使得箔带轴承212限定径向外转子38的界线。
在典型实施例中，箔带轴承204和212分别包括成对座圈230和至少一个箔片元件232。成对座圈230包括外座圈234和从外座圈234径向向内的内座圈236。箔片元件232在内座圈236和外座圈234之间延伸。具体而言，箔带轴承204和212分别包括多个顺性的金属箔片232，所述金属箔片被分别连接到内座圈236和/或外座圈234的至少一个上以有利于内座圈236相对于外座圈234旋转。在另一个实施例中，箔带轴承204和212不包括内座圈236，而是分别包括多个顺性的金属箔片232，所述金属箔片被连接到被摩擦连接到罩壳36上的外座圈234上。在典型实施例中，箔带轴承204和212有利于减少操作负载对对转式低压涡轮机34的影响，同时还增强了转子之间的间隙控制和密封。进一步地，在燃气轮机引擎10内使用箔带轴承有利于降低燃气轮机引擎的制造成本，这是因为箔带轴承不需要润滑、没有DN速度限制、不需要进行维护且是自作用流体动力“浮在空气上的”装置。
在典型实施例中，在引擎操作过程中，在低压涡轮机34的旋转过程中产生的径向力被传递至箔带轴承204和212。具体而言，当低压涡轮机34旋转时，箔带轴承204和212的外表面240接触低压涡轮机34的外表面244，以有利于减少低压涡轮机34的径向运动。由于每个相应的箔带轴承204和212通过支承构件206被连接到外壳36上，因此低压涡轮机34相对于外壳36被保持处在相对恒定的径向位置处。更具体而言，当低压涡轮机34在操作过程中径向向外受力时，由于箔带轴承204和212被分别附接到外壳36上以使得内座圈236和/或金属箔片232中的至少一个限定低压涡轮机34的外表面的界线，因此低压涡轮机34的任何径向运动被传递至罩壳36以使得低压涡轮机34相对于外壳36被保持处在相对恒定的径向位置处。
图9是包括典型箔带轴承300的对转式低压涡轮机34的一部分的横截面图。图10是箔带轴承300的端视图。在典型实施例中，箔带轴承300为在轴20和22之间延伸的差动箔带轴承。更具体而言，箔带轴承300包括第一或朝向外的箔片组合件310、中心座圈312和第二或朝向内的箔片组合件314。在操作中，箔带轴承300有利于减少当燃气轮机引擎10在操作加载过程中运行时可发生的轴20和22之间的轴偏转。
在典型实施例中，箔带轴承300有利于减少操作负载对对转式低压涡轮机34的影响，同时还增强了转子之间的间隙控制和密封。进一步地，利用燃气轮机引擎10内的箔带轴承有利于降低燃气轮机引擎的制造成本，这是因为箔带轴承不需要润滑、没有DN速度限制、不需要进行维护且是自作用流体动力“浮在空气上的”装置。
图11示意性地示出了包括至少一个箔带轴承400的燃气轮机引擎10。图12示出了包括箔带轴承400的燃气轮机引擎10的一部分。在一个实施例中，高压涡轮机30被连接到高压涡轮机转轴(spool)410上，所述高压涡轮机转轴通过支架414被连接到低压涡轮机级1的喷嘴组件412上。箔带轴承400在支架414和高压涡轮机转轴410之间延伸。更具体而言，箔带轴承400具有内径和/或宽度420，所述内径和/或宽度被选择性地形成一定尺寸以使箔带轴承400能够限定高压涡轮机转轴410的外周界线。因此，轴承400有利于为高压涡轮机30提供支承。
在另一个实施例中，高压涡轮机30被连接到高压涡轮机转轴410上，所述涡轮机转轴通过支架414被可旋转地连接到涡轮机中间框架60上。箔带轴承400在支架414和高压涡轮机转轴410之间延伸。更具体而言，箔带轴承400具有内径和/或宽度420，所述内径和/或宽度被选择性地形成一定尺寸以使箔带轴承400能够限定高压涡轮机转轴410的外周的界线且因此有利于为高压涡轮机30提供支承。在再一个实施例中，燃气轮机10内的每个相应的滚柱轴承被箔带轴承替换。
上述箔带轴承***提供了一种用于改进对转式低压涡轮机转子的间隙控制的有成本效益和高度可靠的方法。此外，由于对转式低压涡轮机转子的尺寸原因，操作负载可影响燃气轮机引擎的操作。因此，制造包括箔带轴承的燃气轮机引擎有利于减小操作负载对对转式低压涡轮机的影响，同时还增强了转子之间的间隙控制和密封。进一步地，在燃气轮机引擎内使用箔带轴承有利于降低燃气轮机引擎的制造成本，这是因为箔带轴承不需要润滑、没有DN速度限制，其中D被定义为轴承孔的直径，单位为毫米，且N被定义为轴承的最高速度，单位为转/分钟、不需要进行维护以及是自作用流体动力的“浮在空气上的”装置。
此外，箔带轴承可被用以在操作加载过程中补充现有的常规带油轴承，和/或用以消除对润滑剂、吹扫装置、排出***以及集油箱加压和穿过对转式低压涡轮机模块的通风口的需要。当箔带轴承被用于具有对转式涡轮机的燃气轮机引擎中时，常规和差动轴承均被去除。在此描述的方法和***进一步有利于能够利用两个主框架支承三转子设计，且消除了对常规涡轮机后框架的需要，因此在所有条件下最优化了转子支架，同时降低了***重量、成本和复杂性。
以上详细地描述了燃气轮机***的典型实施例。燃气轮机***不限于在此描述的具体实施例，相反地，所述***的部件可独立地且与在此描述的其它部件分离地使用。每个气路部件还可与其它气路部件结合使用。
尽管已经根据各种具体实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将意识到可使用在技术方案的精神和范围内的变型实施本发明。
零件表
  10   燃气轮机引擎
  12   前风扇组件
  14   后风扇组件
  16   中心轴线
  18   短舱
  19   风扇叶片
  20   风扇轴
  21   转子盘
  22   风扇轴
  24   核心引擎
  26   高压压缩机(HPC)
  28   燃烧器
  30   高压涡轮机(HPT)
  32   核心转子或轴
  34   低压涡轮机
  36   外壳
  38   外转子
  40   外转子叶片
  41   叶片排或级
  42   内转子
  43   叶片排或级
  44   内转子叶片
  45   转子支承组件
  46   尾部框架
  47   周向间隔一定距离的支柱
  48   外带
  49   内带或毂
  50   流路延伸部
  51   后框架
  52   周向间隔一定距离的支柱
  53   外后带
  54   内后带
  55   环形后支承轴
  60   涡轮机中间框架
  62   周向间隔一定距离的前支柱
  64   径向外前带
  66   径向内前带
  68   环轴
  70   整流罩
  100   箔带轴承组件
  101   箔带轴承
  102   轴承
  104   压力涡轮机后端
  106   轴承
  108   压力涡轮机前端
  110   外表面
  122   支承构件
  124   紧固件
  126   紧固件
  130   成对座圈
  132   箔片元件
  134   外座圈
  136   内座圈
  138   外表面
  139   外表面
  200   箔带轴承组件
  202   第一箔带轴承组件
  204   箔带轴承
  206   支承构件
  208   紧固件
  210   第二箔带轴承组件
  212   箔带轴承
  214   支承构件
  216   紧固件
  230   成对座圈
  232   箔片元件
  234   外座圈
  236   内座圈
  240   外表面
  244   外表面
  300   箔带轴承
  310   朝向外的箔片组合件
  312   中心座圈
  314   朝向内的箔片组合件
  400   箔带轴承
  410   高压涡轮机转轴
  412   喷嘴组件
  414   支架
  420   内径和/或宽度

Claims (10)

1、一种转子组件(45)，包括：
被构造以沿第一旋转方向旋转的内转子(42)；
被构造以沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转的外转子(38)；和
被构造以支承所述内和外转子中的至少一个的箔带轴承(100)。
2、根据权利要求1所述的转子组件(45)，其中所述外转子(38)被连接在外壳(36)的径向内部，且包括多个轴向间隔一定距离的外叶片(40)的排(41)，所述外叶片从所述外壳径向向内延伸，且所述内转子(42)被连接在所述外转子的径向内部且包括多个轴向间隔一定距离的内叶片(44)的排(43)，所述内叶片径向向内延伸以使得所述内叶片与所述外叶片轴向互相交叉。
3、根据权利要求1所述的转子组件(45)，其中所述箔带轴承(100)被连接到所述外转子(38)上，以使得所述箔带轴承限定所述外转子的界线。
4、根据权利要求1所述的转子组件(45)，进一步包括在所述外转子(38)的外周周围沿周向间隔大致相等距离的多个箔带轴承(102)。
5、根据权利要求1所述的转子组件(45)，进一步包括：
被连接到所述内转子(42)上的第一轴(22)和第一风扇(14)；
被连接到所述外转子(38)上的第二轴(20)和第二风扇(12)；和
被设置在所述第一和第二轴之间的差动箔带轴承(300)。
6、一种燃气轮机引擎(10)，包括：
低压对转式涡轮机(34)，包括被构造以沿第一旋转方向旋转的内转子(42)，被构造以沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转的外转子(38)；和
被构造以支承所述内和外转子中的至少一个的箔带轴承(100)。
7、根据权利要求6所述的燃气轮机引擎(10)，其中所述外转子(38)被连接在外壳(36)的径向内部，且包括多个轴向间隔一定距离的外叶片(40)的排(41)，所述外叶片从所述外壳径向向内延伸，且所述内转子(42)被连接在所述外转子的径向内部且包括多个轴向间隔一定距离的内叶片(44)的排(43)，所述内叶片径向向内延伸以使得所述内叶片与所述外叶片轴向互相交叉。
8、根据权利要求6所述的燃气轮机引擎(10)，其中所述箔带轴承(100)被连接到所述外转子(38)上，以使得所述箔带轴承限定所述外转子的界线。
9、根据权利要求6所述的燃气轮机引擎(10)，进一步包括：
被连接到所述内转子(42)上的第一轴(22)和第一风扇(14)；
被连接到所述外转子(38)上的第二轴(20)和第二风扇(12)；和
被设置在所述第一和第二轴之间的差动箔带轴承(300)。
10、根据权利要求6所述的燃气轮机引擎(10)，进一步包括：
高压涡轮机转轴(410)；
低压涡轮机(34)级1的喷嘴(412)中的至少一个和涡轮机中间框架(60)；和
连接在所述低压涡轮机级1的喷嘴中的至少一个和所述涡轮机中间框架之间以使得所述箔带轴承支承高压涡轮机(30)的箔带轴承(400)。
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