一种用于燃气涡轮发动机的风扇驱动齿轮系统及燃气涡轮发
动机
[0002] 本申请要求2012年5月31日提交的美国临时申请61/653,731的优先权。
背景技术
[0003]
燃气涡轮发动机通常包括风扇部分、
压缩机部分、
燃烧器部分和
涡轮机部分。进入压缩机部分的空气被压缩并被传递到燃烧部分内，在那里空气与
燃料混合并被点燃以产生高速废气气体流。高速废气气体流膨胀通过涡轮机部分以驱动压缩机和风扇部分。压缩机部分通常包括低压和
高压压缩机，并且涡轮机部分可包括低压和高压涡轮机。
[0004] 高压涡轮机通过外轴杆驱动高压压缩机以形成高轴，并且低压涡轮机通过内轴杆驱动低压压缩机以形成低轴。减速设备，例如周转齿轮组件，可被用于驱动风扇部分使得风扇部分可以不同于涡轮机部分的速度旋转，从而增加该发动机的整体推进效率。齿轮组件传输动
力时的效率是齿轮驱动风扇的开发中的一个应考虑因素。未通过齿轮箱传输的动力或
能量通常导致了热的生成，该热由润滑系统移除。生成的热越多，润滑系统就越大和越重。
[0005] 虽然
齿轮传动结构能提供改善的推进效率，但其它的因素，包括热移除和润滑在内，可能减损该改善的推进效率。因此，涡轮发动机制造商一直寻找对发动机性能的进一步改善，其中包括对热、传输和推进效率的改善。
发明内容
[0006] 根据本公开的示例性
实施例的用于燃气涡轮发动机的风扇驱动齿轮系统，除了其它可能的东西以外，还包括在风扇驱动涡轮机和风扇之间提供减速的齿轮系统，弹性地
支撑该齿轮系统的部分的座，和提供
润滑剂到该齿轮系统并移除由该齿轮系统产生的
热能的润滑系统，其中该润滑系统包括移除等于小于该齿轮系统的动力输入的约2％的热能的能力。
[0007] 在前述风扇驱动齿轮系统的另一个实施例中，其中该齿轮系统以大于约98％的效率将动力输入从风扇驱动涡轮机传输到风扇。
[0008] 在前述风扇驱动齿轮系统的任一个的另一实施例中，其中润滑系统包括移除等于小于该齿轮系统的动力输入的约1％的热能的能力。
[0009] 在前述风扇驱动齿轮系统中任一个的另一实施例中，其中润滑系统包括提供润滑剂流给齿轮系统的主润滑系统和响应于来自主润滑系统的润滑剂流的中断而提供润滑剂给齿轮系统的备用润滑系统。
[0010] 在前述风扇驱动齿轮系统中任一个的另一实施例中，其中所述座包括
载荷限制器，其限制了齿轮系统的响应于失衡条件的移动。
[0011] 在前述风扇驱动齿轮系统中任一个的另一实施例中，其中齿轮系统包括由风扇驱动涡轮机驱动的太阳齿轮，不能转动的齿轮架，被支撑在该齿轮架上的且由太阳齿轮驱动的多个星齿轮和围绕所述多个星齿轮的齿圈。
[0012] 在前述风扇驱动齿轮系统中任一个的另一实施例中，其中所述座包括在由风扇驱动涡轮机驱动的
输入轴和太阳齿轮之间的第一弹性联接，在固定结构和齿轮架之间的第二弹性联接。
[0013] 在前述风扇驱动齿轮系统中任一个的另一实施例中，其中齿轮系统包括由风扇驱动涡轮机驱动的太阳齿轮，能转动的齿轮架，被支撑在该齿轮架上的且由太阳齿轮驱动的多个行星齿轮和围绕所述多个行星齿轮的齿圈。
[0014] 在前述风扇驱动齿轮系统中任一个的另一实施例中，其中所述座包括在由风扇驱动涡轮机驱动的输入轴和太阳齿轮之间的第一弹性联接，和在固定结构和齿圈之间的第二弹性联接。
[0015] 根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机，除了其它可能的东西以外，还包括：包括能绕着轴线旋转的多个
风扇叶片的风扇、压缩机部分、与该压缩机部分
流体连通的燃烧器、与该燃烧器连通的风扇驱动涡轮机、在该风扇驱动涡轮机和风扇之间提供减速的齿轮系统，该齿轮系统以大于约98％的效率将动力输入从风扇驱动涡轮机传输到该风扇、弹性地支撑该齿轮系统的部分的座、以及提供润滑剂到该齿轮系统并从该齿轮系统移除由该齿轮系统产生的热能的润滑系统。
[0016] 在前述燃气涡轮发动机的另一实施例中，其中润滑系统包括移除等于小于该齿轮系统的动力输入的约2％的热能的能力。
[0017] 在前述燃气涡轮发动机中任一个的另一实施例中，其中润滑系统包括移除等于小于该齿轮系统的动力输入的约1％的热能的能力。
[0018] 在前述燃气涡轮发动机中任一个的另一实施例中，其中润滑系统包括提供润滑剂流给齿轮系统的主润滑系统和响应于来自主润滑系统的润滑剂流的中断而提供润滑剂给齿轮系统的备用润滑系统。
[0019] 在前述燃气涡轮发动机中任一项的另一实施例中，其中齿轮系统包括由风扇驱动涡轮机驱动的太阳齿轮、不能旋转的齿轮架、支撑在该齿轮架上且由太阳齿轮驱动的多个星齿轮和围绕该多个星齿轮的齿圈，并且所述座包括在由风扇驱动涡轮机驱动的输入轴和太阳齿轮之间的第一弹性联接和在固定结构和齿轮架之间的第二弹性联接。
[0020] 在前述燃气涡轮发动机中任一项的另一实施例中，其中齿轮系统包括由风扇驱动涡轮机驱动的太阳齿轮、能旋转的齿轮架、支撑在该齿轮架上且由太阳齿轮驱动的多个行星齿轮和围绕该多个行星齿轮的齿圈，并且所述座包括在由风扇驱动涡轮机驱动的输入轴和太阳齿轮之间的第一弹性联接和在固定结构和齿圈之间的第二弹性联接。
[0021] 在前述燃气涡轮发动机中任一个的另一实施例中，其中所述座包括载荷限制器，其限制了齿轮系统的响应于失衡条件的移动。
[0022] 在前述燃气涡轮发动机中任一项的另一实施例中，其中齿轮系统包括具有大于约2.3的齿轮比的齿轮减速装置。
[0023] 在前述燃气涡轮发动机中任一项的另一实施例中，其中所述风扇传递一部分空气进入函道管道，并且函道比被定义为被传递进入函道管道内的空气部分除以被传递到压缩机部分内的空气量，该函道比大于约6.0。
[0024] 在前述燃气涡轮发动机中任一项的另一实施例中，其中跨过风扇的风扇压力比小于约1.5。
[0025] 在前述燃气涡轮发动机中任一项的另一实施例中，其中所述风扇具有26个或更少的叶片。
[0026] 虽然不同的示例具有图示中示出的具体的部件，但是本发明的实施例不限于这些特定的组合。可以将来自其中一个示例的一些部件或特征与来自另一个示例的特征或部件组合使用。
[0027] 可从下面的说明和
附图最佳地理解本文公开的这些和其它特征，附图是简要描述。
附图说明
[0028] 图1是示例燃气涡轮发动机的示意图。
[0029] 图2是包括星形周转齿轮传动结构的示例风扇驱动齿轮系统的示意图。
[0030] 图3是包括行星周转齿轮传动结构的示例风扇驱动齿轮系统的示意图。
具体实施方式
[0031] 图1示意地说明了示例性的燃气涡轮发动机20，其包括风扇部分22、压缩机部分24、燃烧器部分26和涡轮机部分28。另外的发动机可除了其它的系统和特征外还包括增强器部分（未示出）。风扇部分22沿着函道流动路径B驱动空气而压缩机部分24沿着核心流动路径C吸入空气，在那里空气被压缩并传输到燃烧器部分26。在燃烧器部分26中，空气与燃料混合并被点燃以产生高压废气气体流，该废气气体流膨胀通过涡轮机部分28，在那里能量被提取并被用于驱动风扇部分22和压缩机部分24。
[0032] 尽管所公开的非限定性实施例描述了
涡轮风扇燃气涡轮发动机，但应该理解，本文描述的概念不限于与涡轮风扇发动机一起使用，因为这些教导可被应用到其它类型的涡轮发动机；例如，包括三轴结构的涡轮发动机，其中三个轴绕着公共轴线同心地旋转并且其中低轴使低压涡轮机通过齿轮箱驱动风扇，中间轴使中等压力涡轮机能驱动压缩机部分的第一压缩机，而高轴使高压涡轮机能驱动压缩机部分的高压压缩机。
[0033] 示例发动机20通常包括低速轴30和高速轴32，它们安装成用于通过若干
轴承系统38相对于发动机静止结构36绕发动机中心纵向轴线A旋转。应当理解的是，可替换地或附加地在各种
位置提供各种轴承系统38。
[0034] 低速轴30通常包括连接风扇42和低压（或第一）压缩机部分44到低压（或第一）涡轮机部分46的内轴杆40。内轴杆40通过变速设备驱动风扇42，例如齿轮传动结构48，从而以比低速轴30低的速度驱动风扇42。高速轴32包括将高压（或第二）压缩机部分52和高压（或第二）涡轮机部分54互连的外轴杆50。内轴杆40和外轴杆50是同心的且通过轴承系统38绕发动机中心纵向轴线A旋转。
[0035] 燃烧器56被布置在高压压缩机52和高压涡轮机54之间。在一个示例中，高压涡轮机54包括至少两个级，从而提供双级高压涡轮机54。在另一个实施例中，高压涡轮机54仅包括单个级。在本文所用时，“高压”压缩机或涡轮机经历比对应的“低压”压缩机或涡轮机更高的压力。
[0036] 示例低压涡轮机46具有大于约5的压力比。该示例低压涡轮机46的压力比是在低压涡轮机46的进口之前相对于在废气
喷嘴之前的低压涡轮机46的出口处测量的压力测量的。
[0037] 发动机静止结构36的涡轮机中间的
框架58被大致布置在高压涡轮机54和低压涡轮机46之间。涡轮机中间的框架58还支撑在涡轮机部分28内的轴承系统38以及设置进入低压涡轮机46的空气流。
[0038] 核心空气流C由低压压缩机44压缩接着由高压压缩机52压缩，在燃烧器56内与燃料混合并被点燃以产生高速废气气体，该废气气体接着被膨胀通过高压涡轮机54和低压涡轮机46。涡轮机中间的框架58包括
定子叶片60，其在核心空气流路径内并且起到低压涡轮机46的进口引导定子叶片的作用。将涡轮机中间的框架58的定子叶片60利用为低压涡轮机46的进口引导定子叶片减少了低压涡轮机46的长度，而不增加涡轮机中间的框架58的轴向长度。减少或消除在低压涡轮机46内的定子叶片的数量缩短了涡轮机部分28的轴向长度。
因此，燃气涡轮发动机20的紧凑性得到提高并且可实现了更高的动力
密度。
[0039] 在一个示例中公开的燃气涡轮发动机20是高函道齿轮传动
飞行器发动机。在另一个示例中，燃气涡轮发动机20包括大于约六（6）的函道比，在一个示例实施例中大于约十（10）。示例齿轮传动结构48是周转齿轮系，例如行星齿轮系统，星形齿轮系统和其它已知的齿轮系统，带有大于约2.3的齿轮减速比。
[0040] 在一个公开的实施例中，燃气涡轮发动机20包括了大于约十（10：1）的函道比并且风扇直径显著大于低压压缩机44的外直径。不过，应该理解，上面的参数在包括齿轮传动结构的燃气涡轮发动机的一个实施例中仅是示例性的并且本公开可应用于其它的燃气涡轮发动机。
[0041] 显著量的推力由因高函道比产生的函道流B提供。发动机20的风扇部分22被设计用于特定的飞行条件——通常在约35000英尺以约0.8
马赫巡航。0.8马赫和35000英尺的飞行条件，由于发动机处于其最佳的燃料消耗—也称为“桶巡航推力比燃料消耗（TSFC）”，是处于最小点的每小时燃烧的燃料磅
质量（lbm）除以发动机产生的推力的磅力（lbf）的行业标准参数。
[0042] “低风扇压力比”是仅跨过风扇叶片的压力比，不包括风扇出口导流叶片（FEGV）系统。本文公开的根据一个非限制性实施例的低风扇压力比是小于约1.50。在另一个非限定性实施例中，低风扇压力比小于约1.45。
[0043] “低修正风扇尖端速度”是以ft/sec为单位的实际风扇尖端速度除以行业标准
温度修正 。本文公开的根据一个非限制性实施例的“低修正风扇尖端速度”是小于约1150ft/秒。
[0044] 示例燃气涡轮发动机包括风扇42，该风扇42在一个非限定性实施例包括少于约26个的风扇叶片。在另一个非限定性实施例中，风扇部分22包括少于约20个的风扇叶片。另外，在一个公开的实施例中，低压涡轮机46包括不多于约6个的涡轮机
转子，其被示意地标记为34。在另一个非限定性实施例中，低压涡轮机46包括约3个涡轮机转子。在风扇叶片42的数量和低压涡轮机转子的数量之间的比在约3.3和约8.6之间。示例低压涡轮机46提供驱动动力以旋转风扇部分22并因此在低压涡轮机46中的涡轮机转子34的数量和在风扇部分22中的叶片42的数量的关系公开了具有提高的动力传输效率的示例燃气涡轮发动机20。
[0045] 示例燃气涡轮发动机包括润滑系统98。润滑系统98提供润滑剂流给燃气涡轮发动机的旋转部件，包括轴承系统38和齿轮传动结构48。润滑系统98还用于实现移除在各种不同的轴承系统和齿轮传动结构48中的热。
[0046] 示例润滑系统98包括在燃气涡轮发动机的正常运行条件下提供润滑的主系统80。还包括备用系统82以补充主润滑系统80的操作。润滑系统90的大小和重量与其从齿轮传动结构48移除热的能量直接相关。对热移除的要求越高，润滑系统98就变得越大和越重。由齿轮传动结构48产生的热的量因此是在风扇驱动齿轮系统的构造中重要的应考虑因素。
[0047] 参照图2并继续参照图1，示例齿轮传动结构48是风扇驱动齿轮系统70的一部分。示例齿轮传动结构48包括齿轮部件65，该齿轮部件65包括由风扇驱动涡轮机46驱动的太阳齿轮62。在这个示例中，风扇驱动涡轮机是低压涡轮机46。太阳齿轮62进而驱动通过轴颈轴承安装在齿轮架74上的中间齿轮64。齿轮架74被固定到静止发动机结构36并且因此中间齿轮64不围绕太阳齿轮62作圆圈运动。中间齿轮64与联接到风扇轴杆68的齿圈66互相
啮合并驱动齿圈66以驱动风扇42。
[0048] 齿轮组件65被弹性地安装使得其可被与可能干扰齿轮62、64和66之间的对齐的振动的且瞬间的运动隔离开。在这个示例中，弹性座76支撑齿轮架74并且吸收了在齿轮组件65和发动机静止结构36之间的相对运动。该示例弹性座76包括适应在风扇驱动齿轮系统70的正常操作期间发生的偏转的
弹簧率。
[0049] 通过风扇驱动涡轮机46的内轴杆40的动力输入被通过弹性联接72传输。弹性联接72还包括弹簧率，其允许定义量的偏转和错位以使得齿轮组件65的部件不被驱动得不对齐。
[0050] 尽管一些相对运动由弹性联接72和弹性座76补偿，但是超过期望限制的运动可有害地影响在齿轮之间的啮合接合并且因此提供了载荷限制设备78作为齿轮箱安装结构的一部分。载荷限制设备78约束了齿轮箱65的运动。限制器78还提供了对齿轮箱65上的失衡载荷作出反应的止挡。因此，限制器阻止了径向失衡载荷和/或扭曲过载荷损害燃气涡轮发动机20。
[0051] 示例风扇驱动齿轮系统70由润滑系统98支撑。润滑系统98可实现齿轮62、64和66以及支撑这些齿轮的旋转的轴承的润滑和冷却。期望尽可能快地循环润滑剂以
维持期望的温度。升高的温度为有害地影响通过齿轮箱65的动力传输效率。
[0052] 在这个示例中，润滑系统98包括通过由线88示意说明的多个
导管提供进出齿轮箱65的期望的润滑剂流的主系统80。主油系统80还传输热，由箭头92示意地表示，远离齿轮箱
65以维持期望的温度。
[0053] 润滑系统98还包括备用油系统82，其响应于来自主油系统80的润滑剂流的暂时中断而提供油流给齿轮箱65。
[0054] 示例齿轮箱65以及整个齿轮传动结构48的效率是相对于向风扇轴杆68的由箭头96示意指示的动力输出的通过轴杆40的由箭头94示意地指示的动力输入的函数。与动力输出96的量相比的动力输入94是对齿轮箱效率的体现。示例齿轮箱65以大于约98％的效率运行。在另一公开的示例中，示例齿轮箱65以高于约99％的效率运行。
[0055] 所公开的效率是被具体传输到风扇轴杆68以旋转风扇42的动力94的量的体现。未通过齿轮箱65传输的动力以热被损失并且减少了风扇驱动齿轮系统70的整体效率。在输入动力94和输出动力96之间的任何差导致了热的产生。因此，在这个示例中，在输入动力94和输出动力96之间的在1-2％之间的差产生热。换句话说，在输入动力94的1％和2％之间被转换成热能，这个热能必须由润滑系统98容纳以维持工作润滑剂温度在操作极限内。
[0056] 示例润滑系统98可实现等于或小于来自低压涡轮机46的输入动力94的约2％的热能的移除。在示例风扇驱动齿轮系统70的另一非限定性实施例中，齿轮箱65的效率大于约99％使得来自低压涡轮机46的动力输入的仅1％被转换为必须由润滑系统98处理的热能。
[0057] 如应意识到的，处理和移除热能的能力越大，润滑系统98就越大且越重。在这个示例中，主油系统包括容纳在齿轮箱65内生成的热92的换热器90。换热器90是润滑系统98的一个元件的示例，其是与移除热能的期望能力成比例的。如意识到的，其它元件，例如润滑剂
泵、导管尺寸以及润滑系统98内的整体润滑剂量，也将在大小和重量方面有所增加以提供增强的冷却能力。因此，期望增加动力传输效率以减少所要求的润滑系统98的整体热转移能力。
[0058] 在这个示例中，示例齿轮箱65的高效率能实现相对小且轻的润滑系统98。示例润滑系统98包括了能够容纳由不多于输入动力94的约2％生成的热能的特征。换句话说，润滑系统98具有的整体最大能力能移除等于不超过由低压涡轮机46提供的输入动力的约2％的热能。
[0059] 移除热能的能力的量越大就导致了润滑系统98的大小和重量方面的整体增加。要求移除多于输入动力94的约2％的润滑系统需要更大的润滑系统98，而该润滑系统98可能有害地影响整体发动机效率并减损由风扇速度的减少所提供的推进效率。
[0060] 参照图3并继续参照图1，公开了另一示例周转齿轮箱85，该齿轮箱包括行星构造。在行星构造中，行星齿轮84被支撑在齿轮架86上，该齿轮架可绕发动机轴线A旋转。太阳齿轮62保持由内轴杆40和低压涡轮机46驱动。齿圈66被安装到固定结构36使得其不绕该轴线旋转。因此，太阳齿轮62的旋转在齿圈66内驱动行星齿轮84。行星齿轮84被支撑在可旋转的齿轮架86上，齿轮架进而驱动风扇轴杆68。在这个构造中，风扇轴杆68和太阳齿轮62沿共同方向旋转，而行星齿轮84各自沿与太阳齿轮62相反的方向旋转但是全都绕着太阳齿轮62沿与太阳齿轮62的旋转相同的方向旋转。
[0061] 在图3中示出的示例行星齿轮箱包括齿圈66，该齿圈由弹性座76支撑。弹性座76允许齿轮箱85的一些移动以维持在齿轮62、84、66的啮合齿之间的期望对齐。限制器78阻止行星齿轮箱85的超过期望极限的移动以防止由径向失衡和/或扭曲载荷引起的潜在的损害。
[0062] 示例低压涡轮机46输入动力94以驱动齿轮箱85。如在前面的示例中一样，示例齿轮箱85传输多于输入动力94的约98％作为输出动力96到风扇
驱动轴杆68。在另一示例中，齿轮箱85传输多于输入动力94的约99％作为输出动力96到风扇驱动轴杆68。
[0063] 在输入动力94和输出动力96之间的差被转换为热能，该热能由润滑系统98移除。在这个示例中，润滑系统98具有移除不多于由来自低压涡轮机46的输入动力94的约2％产生的热92的能力。在另一示例中。润滑系统98具有移除由不多于输入动力94的约1％生成的热92的能力。因此，由示例齿轮箱85提供的效率使润滑系统98的尺寸能够不减损由以单独的且更接近最优速度转动风扇部分22和低压涡轮机46所实现的推进效率。
[0064] 因此，示例风扇驱动齿轮系统可通过限制以热能形式的损失，并由此使得能够利用更低能力和大小的润滑系统来实现推进效率的改善和实现。
[0065] 虽然已经公开的示例实施例，但是本领域技术人员将认识到某些改进也在本公开的范围内。由此，应当研读下面的
权利要求以确定本公开的范围和内容。
