[发明专利]压缩机系统

说明书

一种用于涡轮机(10)的压缩机系统，包括联接到低压涡轮(34)的低压轴(36)，以及联接到高压涡轮(32)的高压轴(38)。压缩机系统可包括由低压涡轮(34)经由低压轴(36)驱动的风扇(12)、增压压缩机(16)和齿轮单元(40)。低压轴(36)可以联接到齿轮单元(40)的第一输入构件(42)。高压轴(38)可以联接到齿轮单元(40)的第二输入构件(44)。中间转子(41)可以联接到齿轮单元(40)的输出构件(46)。中间转子包括增压压缩机(16)和电动机‑发电机(43)的可旋转元件(16、43a)。

技术领域

本公开涉及压缩机系统。

特别地，本公开涉及用于涡轮机的风扇和低压压缩机系统。

背景技术

涡轮机械，特别是燃气涡轮发动机，可以包括顺序排列的风扇、增压压缩机和高压压缩机，它们将增压空气输送到涡轮机械的核心，例如燃烧室单元，在该涡轮机械的核心，燃料和空气燃烧并且被排到一系列涡轮机以驱动风扇和压缩机组，以及提供推力。

响应于对更高燃料效率的需求，已经生产出具有更高旁通比和更高总压力比的燃气涡轮发动机。这导致风扇和核心发动机的最佳设计参数之间的冲突增加。在较高的旁通比下，最佳风扇压力比相对较低，这导致较低的转速和较高的风扇轴转矩。联接到风扇轴的增压级更慢地旋转并且需要更多级来实现期望的压力比或者需要更大的半径，这会影响风扇轮毂线并且导致风扇尖端直径增大而对发动机重量和阻力产生不利影响。为了最小化这些影响，需要在核心发动机中实现最大压力比，但这需要非常先进的空气动力学技术、高温材料和先进的冷却技术，以实现可容纳高扭矩风扇轴的紧凑型核心设计。

在双轴涡轮风扇发动机中，已知将增压压缩机直接附接到风扇轴，使得增压器以与风扇相同的速度旋转。在较高的旁通比下，增压器的叶片速度非常低并且可能需要许多级来实现所需的压力比。为了在这种配置中实现可接受的增压空气动力学负载，可能需要几个增压级，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对较大。这两种设计特征都增加了所生产的发动机的整体尺寸，这导致额外的重量和空气动力学阻力。还必须调整驱动风扇和增压器的轴的尺寸以处理增压器和风扇的扭矩负载，从而进一步增加这种设计变更的重量和尺寸。

在欧洲专利申请EP2728140A2中描述了一种替代的布置，如图1所示。使用欧洲专利申请EP2728140A2的附图标记，风扇级36通过低压轴56联接到低压涡轮。传动装置44设置具有来自低压轴56和高压轴40的输入。中速增压器24联接到传动装置44的输出。传动装置44的输出取决于低压轴和高压轴之间的转速差。因此，低压轴和高压轴中的一个提供从由另一个提供给传动装置的“输入”的“减少”。这样的配置可能导致至少一个轴上的额外负载，这需要用额外的材料来加强轴以承受负载，并因此增加总重量并且不利地影响核心发动机机械设计。

另外，这种压缩机系统所附接的所有燃气涡轮发动机的共同之处是需要在发动机启动时旋转压缩机系统的可旋转元件。这可以使用联接到发动机壳体外部的起动电动机完成，并通过轴和齿轮箱连接到高压滑阀。虽然这实现了起动发动机的目标，但起动电动机和齿轮箱在发动机的正常操作期间不起作用，从而增加了发动机结构的额外重量和尺寸。

在欧洲专利申请EP2728140A2(如上面所提到的)中还描述了一种替代的布置，如图2所示。使用欧洲专利申请EP2728140A2的附图标记，电机68设置在发动机的中心壳体内。该示例与图1所示的示例的不同之处在于，电机68是由传动装置44的输出而不是增压压缩机24驱动的。在该示例中，增压器24由高压轴40驱动。虽然该示例提供了减轻起动电动机组件的重量的解决方案，但是对向电动机68和风扇提供输入的低压轴56施加额外的负载，并且还对必须驱动增压压缩机24和高压压缩机的高压轴54施加额外的负载。

因此，亟需一种系统，其与传统布置相比，对于相同或更低的增压压缩机直径和相同或更低的增压级数量，可以提供更大的压缩比，其在低压轴和高压轴之间分担增压压缩机的负载要求，并提供重量轻和尺寸小的起动电动机布置。

发明内容