Газотурбинный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности с биротативным вентилятором
Газотурбинный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности содержит биротативный вентилятор, роторы которого соединены через промежуточную шестерню с простым соосным редуктором. На переднем по потоку воздуха роторе вентилятора установлена ведомая шестерня внешнего зацепления редуктора. На заднем по потоку воздуха роторе вентилятора установлена ведомая шестерня внутреннего зацепления. Промежуточная шестерня редуктора включает заднюю и переднюю по потоку части с разным числом зубьев. Защищаются соотношения между числом зубьев задней по потоку воздуха части промежуточной шестерни редуктора, числом зубьев шестерни внутреннего зацепления, числом зубьев передней по потоку воздуха части промежуточной шестерни редуктора и числом зубьев шестерни внешнего зацепления, а также величина отношения среднего диаметра по телам качения заднего подшипника промежуточной шестерни к среднему диаметру по телам качения переднего подшипника промежуточной шестерни. Изобретение повышает надежность и снижает шум газотурбинного двигателя сверхвысокой степени двухконтурности с биротативным вентилятором за счет снижения нагрузок на подшипники качения, а также благодаря приводу биротативного вентилятора через редуктор с фиксированным передаточным числом от турбины низкого давления к переднему и заднему роторам вентилятора. 2 ил.
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.
