[发明专利]压缩机系统

说明书

技术领域

本发明涉及压缩机系统。

具体地，本发明涉及用于涡轮机的风扇和低压压缩机系统。

背景技术

涡轮机器，特别是燃气涡轮发动机，可以包括，串联连接的风扇、增压压缩机和高压压缩机，其将压缩空气递送至涡轮机器的核心，例如，燃烧器单元，燃料和空气在该燃烧器单元中燃烧，并且排放至一系列的涡轮，从而驱动风扇和压缩机单元，以及提供推力。图1展示了这样的设置，其摘自专利号为7624581的美国专利。

响应对更大的燃料效率的需求，已经产生了旁通比较高且总压力比较高的燃气涡轮发动机。下一代发动机继续此趋势，这会导致风扇和核心发动机的最佳设计参数之间矛盾增加。旁通比较高时，最佳风扇压力比相对较低，这导致转速较低且风扇轴扭矩较高。连接至风扇轴的增压级转动更慢，并且要更多级以实现想要的压力比，或要求半径增加，半径增加会影响增大风扇毂线，且导致风扇尖直径增加和在发动机重量和阻力上的不良后果。为了使这些影响最小化，希望在核心发动机实现最大压力比，但是这要求非常先进的空气动力学技术，高温材料和先进的冷却技术，以实现可以适应高扭矩风扇轴的紧凑的核心设计。

已经提出齿轮传动的风扇发动机，以解决增压器空气动力学问题和风扇轴扭矩较高的问题，但要求齿轮系能够应付风扇和增压器非常高的功率水平以及在实现令人满意的重量、可靠性、成本和油系统热管理伴随而来的困难。

齿轮传动的风扇装置提供风扇，该风扇通过，例如，低压轴，经由齿轮箱驱动，以使低压涡轮的转速比风扇更高，降低低压涡轮的重量，且降低低压涡轮的空气动力学负载。与常规涡轮风扇相比，在相同的短舱公称直径中，这样的设置可以提供较高的旁通比。齿轮传动的风扇设置为通过其齿轮箱传递非常高的功率，这必然是物质上的设计，因此给发动机增加相当大的重量和成本，且因此抵消低压涡轮的优点。

在两轴涡轮风扇中，将增压压缩机直接连接至风扇轴使得增压器以与风扇相同的速度转动，这也是已知的。在较高的旁通比下，增压器的叶片速度是非常低的，且可能要求许多级以实现所需的压力比。为了在这样的构造中实现可接受的增压器空气动力学负载，可能要求若干增压级(booster stage)，并且每个增压级必须达到足够的叶片速度，这要求每个增压级的直径相当大。这些设计特征都增加组合发动机的总体尺寸，导致额外的重量和空气动力学阻力。驱动风扇和增压器的轴的尺寸还必须能处理增压器和风扇的扭矩负载，进一步增加这些设计变化的重量和尺寸。

专利号为8209952的美国专利描述了可替换的装置，其展示于图2中。使用专利号为8209952的美国专利的附图标记，风扇级51通过低压轴64连接至低压涡轮103。设置中间速度增压器54，其通过行星式齿轮系56驱动。行星式齿轮系使压缩机增压级54相对于风扇级51反向转动。这样的结构可导致所要求的增压级的数量较小或降低增压级的直径，但如果较先进的发动机热力循环要求较高的增压器压力比，该结构在风扇轴上提供额外的负载，这要求用额外的材料增强所述轴以适应所述负载，因此增加总重量并且对核心发动机的机械设计产生不利影响。

相对于风扇以固定的齿轮比转动的增压压缩机在非设计条件下的空气动力学匹配差，且通常要求大量的空气在非设计条件下流入旁通管中，以避免激增。这降低发动机在非设计条件下的总效率。

因此，非常想要这样的系统：该系统为相同或较小的增压压缩机直径和增压级数量，提供比常规设置增加的压缩比，并且使发动机低压轴上的负载保持最小。也非常想要这样的系统：该系统以这样的转速驱动增压压缩机，该转速为风扇的速度和高压压缩机的速度的函数，特别是如果该函数可以优化以匹配压缩机的空气动力学性能，那么这样的系统是非常理想的。

发明内容

根据本发明，提供下文中所阐述的装置和系统。本发明的其它特征将在从属权利要求和下文的描述中变得清楚。

因此，可以提供用于涡轮机的风扇和增压压缩机系统，其包括：第一轴和第二轴；风扇，所述风扇包括连接至所述第二轴的叶片组；以及增压压缩机，所述增压压缩机包括压缩机转子叶片组；其中所述第一轴连接至行星式齿轮单元的第一输入部件；所述第二轴连接至所述行星式齿轮单元的第二输入部件，并且所述增压压缩机连接至所述行星式齿轮单元的输出部件，藉此所述增压压缩机可通过所述第一和第二轴驱动。