CN101037960A - 高压力比后部风扇 - Google Patents

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Abstract

燃气涡轮发动机(10)的风扇组件(30)包括配置在该燃气涡轮发动机(10)的核心(20)后面的一个涡轮转子(36)；安装在该转子(36)上的一排涡轮叶片(42)；和至少二排(62)(72)在轴向隔开的安装在该排涡轮叶片(42)上且与其一起转动的径向伸出的风扇叶片。每一个涡轮叶片(42)从该转子(36)延伸至叶尖(52)，涡轮叶片(42)从由该核心(20)产生的加压的燃烧气体流提取能量。

Description

高压力比后部风扇
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及燃气涡轮发动机的后部风扇。
背景技术
燃气涡轮发动机包括压缩机，它将加压的空气送至燃烧室。在燃烧室中，空气与燃料混合并点火，产生热的燃烧气体。这些气体向下游流动至一个或多个涡轮。该涡轮从气体提取能量，驱动该压缩机和提供有用的功—例如驱动飞行中的飞机。在一般包括配置在核心发动机前面的风扇的涡轮风扇发动机中，高压涡轮驱动该核心发动机的压缩机。低压涡轮配置在该高压涡轮的下游，用于驱动该风扇。
一些现有技术的发动机结构包括与涡轮转子作成一个整体的一个后部风扇级。这个“风扇在涡轮上”结构有几个潜在的优点，该结构不需要在前端风扇发动机中所需要的驱动轴。希望这种风扇连接涡轮的结构的设计的压力比(即风扇出口处的总压力与风扇入口处的总压力之比)大约为2.5或更大。遗憾的是，为了形成这个压力比。单一风扇级所需要的高的叶尖速度与接受的涡轮设计实践所要求的AN2和半径比约束矛盾。
因此，需要可获得高压力比的风扇连接涡轮(fan on trubine)的结构。
本发明概要
本发明可满足上述需要。根据一个方面，本发明提供了燃气涡轮发动机的风扇组件。该燃气涡轮发动机包括：配置在该燃气涡轮发动机的核心后面的一个涡轮转子；安装在该转子上的一排涡轮叶片；和安装在该排涡轮叶片上，与涡轮叶片一起转动的至少二排轴向隔开，径向延伸的风扇叶片。每一个涡轮叶片从该转子延伸至叶尖，该涡轮叶片从该核心产生的加压的燃烧气体流提取能量。
根据本发明的另一个方面，燃气涡轮发动机包括产生加压的燃烧气体流的核心，该核心按流动次序包括：压缩机，燃烧室和高压涡轮。另外，该燃气涡轮发动机还包括具有涡轮转子和配置在该核心后面的一个风扇组件；安装在所述转子上的一排涡轮叶片和安装在该排涡轮叶片上，与涡轮叶片一起转动的至少二排轴向隔开，径向延伸的风扇叶片。每一个涡轮叶片从该转子延伸至叶尖，所述涡轮叶片从燃烧气体提取能量。
附图简要说明
从下面结合附图的说明中可以很好地理解本发明。其中：
图1为根据本发明的一个方面制造的燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图2为图1所示的燃气涡轮发动机的一部分的放大图；和
图3为沿着图2的3-3线所取的图。
优选实施例说明
在附图中，相同的代号代表相同的零件。图1表示代表性的燃气涡轮发动机10。该发动机10具有一条纵向的中心线或轴线A和一个外部的静止的环形壳体12。该壳体12围绕该轴线A同心地和沿着该轴线A同轴地配置。发动机10具有高压压缩机14，燃烧室16和高压涡轮(“HPT”)18。它们按串联的流动关系排列，集中地形成核心20。可以设置前端压缩机转子(例如，低压压缩机，风扇或增压器)22。该转子22由低压涡轮24通过LP轴26驱动。在工作中，从压缩机14出来的加压空气，在燃烧室16中与燃料混合和点火，从而产生燃烧气体。通过轴28驱动该压缩机14的高压涡轮18和驱动该增压器22的低压涡轮24从这些气体中提取一些功。然后，燃烧气体流入配置在该核心20后面的一个后部风扇组件30中。该后部风扇组件30包括一个自由涡轮或驱动一个整体的后部风扇34的工作涡轮32。
图2和图3更详细地表示该后部风扇组件30。该后部风扇组件30包括一个轮毂成转子36，它带有在燕尾槽40中和从该槽径向伸出的多个复合叶片38。每一个复合叶片38包括一个涡轮叶片42，一个弧形的平台部分44和多个风扇叶片46。
在所示的例子中，包括涡轮叶片42，其平台部分44和相应的风扇叶片46的每一个复合叶片38可通过铸造，锻造，机械加工或通过从子零件制造(例如焊接，铜焊)作成一个整体零件。该复合叶片38也可作成由单个零件组成的一个机械组件。
每一个涡轮叶片42为具有前缘48，后缘50，叶尖52，根部54，凸形的低压侧56和凹入的压力侧58的一个翼面。该涡轮叶片42的形成作成可从该核心20出来的加压气体流中提取能量，使转子36转动。根据具体的应用，该涡轮叶片42可以带有与冷却空气源连接的内部通路(没有示出)，以降低该叶片的温度。
每一个平台部分44在轴向和圆周方向，从相应的涡轮叶片42伸出。该平台部分44互相靠紧，并集中地形成与该涡轮叶片42的叶尖52互相连接的一个环形平台60。
该风扇叶片46在圆周上分成几个称为“排”或“级”的组。一排62的第一风扇叶片46A径向从该平台60向外伸出。每一个第一风扇叶片46A为具有前缘和后缘，叶尖和根部和相反的压力与低压侧的一个翼面。
一排72第二风扇叶片46B从该平台60沿径向向外伸出，在该第一风扇叶片46A的下游。每一个第三风扇叶片46B为具有前缘和后缘，叶尖和根部和相反的压力与低压侧的一个翼面。
根据具体的应用不同，每一排62和72中的风扇叶片46的数目会改变。与现有技术的风扇在涡轮上的设计比较，该风扇叶片46的弦长缩短。为了保存所选择的排62和72的填充度比(solidity radio)，与现有技术的风扇在涡轮上的设计比较，在每一排62和72中，使用较大数目的风扇叶片46A和46B。这造成在每一个涡轮叶片42中带有二个或多个第一风扇叶片46A和二个或多个第二风扇叶片46B。在所示的例子中，三个第一风扇叶片46A和三个第二风扇叶片46B仅每一个平台部分44伸出，结果在每一个涡轮叶片42上总共有6个风扇叶片46。为了适应具体的应用，每一个涡轮叶片42可以使用较大或较小数目的风扇叶片46。
该风扇叶片46被具有内壁84和外壁86的一个环形壳体82包围。与该平台60配合，该外壁86的内表面形成旁通导管88的外边界，和该内壁84的外表面形成该旁通导管88的内边界。圆周上的一组翼面形状的风扇定子叶片90沿径向向内伸入该第一和二排62和72风扇之间的旁通导管88中，并可以所希望的角度，将从第一风扇叶片46A出来的空气流重新引导至第二风扇叶片46B中。
沿圆周径向延伸的一组翼面形状的入口导向叶片(“IGVs”)92可以配置在该风扇叶片46前面的旁通导管88中。IGVs 92或其一部分是可运动的，以改变相对于进入该旁通导管88的空气流的有效攻击角度。在发动机工作过程中，可以调节IGVs92，以调整通过后部风扇34的空气流。在FADEC，PMC控制，手动控制成其他已知形式的发动机控制(没有示出)下，利用适当的作动器94可使IGVs工作。
沿圆周径向延伸的一组翼面形状的出口导向叶片(“OGVs”)96也可配置在该旁通导管88中，在该风扇叶片46的后面。
上述的后部风扇组件30可以达到比现有技术的风扇在涡轮上设计较大的功输入，而不会增加附加的涡轮级的复杂性。例如，如果在设计的运转工况下，一个风扇级可以产生大约2.0的压力比，则上述的二级设计可以达到大约为3.5的压力比。在可从涡轮32得到足够的能量范围内，可以增加更多级的风扇叶片46。
以上说明了燃气涡轮发动机的一种高压力比的后部风扇。虽然说明了本发明的具体实施例，但技术经验丰富的人知道，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可作各种改进。因此本发明的优选实施例和实现本发明的最佳模式的上述说明只是为了说明的目的、不是限制。本发明由权利要求书确定。
零件清单
10    燃气涡轮发动机
12    外部静止环形壳体
14    高压压缩机
16    燃烧室
18    高压涡轮(“HPT”)
20    核心
22    前面压缩机转子/增压器
24    低压涡轮
26    LP轴
28    轴
30    后部风扇组件
32    自由涡轮/工作涡轮
34    整体的后部风扇
36    轮毂/转子
38    复合叶片
40    燕尾槽
42    涡轮叶片
44    弧形平台部分
46    第一风扇叶片
46B   第二风扇叶片
48    前缘
50    后缘
52    叶尖
54    根部
56    凸形的低压侧
58    凹入的压力侧
60    环形平台
62    排
72    排
82    环形壳体
84    内壁
86    外壁
88    旁通导管
90    风扇定子叶片
92    入口导向叶片(“IGVs”)
94    作动器
96    出口导向叶片(“OGVs”)。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机(10)的风扇组件(30)，包括：
一个被配置在该燃气涡轮发动机(10)的核心(20)后面的涡轮转子(36)；
一排安装在该转子(36)的涡轮叶片(42)；每一个涡轮叶片(42)从转子(36)延伸至叶尖(52)，该涡轮叶片(42)从该核心(20)产生的加压的燃烧气体流中提取能量；和
安装在该排涡轮叶片(42)上与该叶片一起转动的至少二排(62)，(72)轴向间隔的径向延伸的风扇叶片；和
配置在该第一(62)和第二排(72)风扇叶片之间的多个定子叶片(90)。
2.如权利要求1所述的风扇组件(30)，其特征为，该风扇叶片配置在一个环形的旁通导管(88)中。
3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，每一个涡轮叶片(42)包括一个弧形的平台部分44；该平台部分44互相靠紧，限定一个环形平台(82)。
4.如权利要求1所述的风扇组件(30)，其特征为，每一个涡轮叶片(42)装有：
至少二个沿圆周间隔从该涡轮叶片(42)的叶尖(52)伸出径向延伸的第一风扇叶片；和
至少二个沿圆周间隔在该第一风扇叶片下游的位置上从该涡轮叶片(42)的叶尖(52)伸出的径向延伸的第二风扇叶片46A。
5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，在预定的运转工况下，该风扇组件(30)的压力比约大于2.5。
6.一种燃气涡轮发动机(20)，包括：
一个用于产生加压的燃烧气体流的核心(20)，按顺序流动次序包括一个压缩机，一个燃烧室16和一个高压涡轮；和
一个风扇组件(30)，包括：
一个配置在该核心(20)后面的涡轮转子；
一排安装在所述转子(36)上的涡轮叶片(42)，每个涡轮叶片(42)从转子(36)延伸至叶尖(52)，所述涡轮叶片(42)从燃烧气体提取能量；
至少二排(62，22)轴向间隔的安装在该排涡轮叶片上与其一起转动的径向伸出的风扇叶片，和
配置在第一(62)和第二排(72)风扇叶片之间的多个定子叶片(90)。
7.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，该风扇叶片配置在一个环形的旁通导管(88)中。
8.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，每一个涡轮叶片(42)包括一个弧形平台部分44，该平台部分44互相靠紧，形成一个环形平台(82)。
9.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，每一个涡轮叶片(42)装有：
至少二个沿圆周间隔从涡轮叶片(42)的叶尖(52)伸出的径向延伸的第一风扇叶片46A；和
至少二个沿圆周间隔在该第一风扇叶片下游位置上从该涡轮叶片(42)的叶尖(52)伸出的径向延伸的第二风扇叶片。
10.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征为，在预定的运转工况下，该风扇组件(30)的压力比约大于2.5。
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