CN101134508A - 用于涡轮风扇发动机的风扇排气喷管 - Google Patents

Abstract

在与燃气轮机动力设备相关的中心平面一侧上的风扇排气喷管的横截面流动面积大于风扇排气喷管在中心平面相对一侧上的对应流动面积，由此来补偿挂架对风扇气流的阻碍。

Description

用于涡轮风扇发动机的风扇排气喷管

技术领域

本发明大致涉及飞行器燃气轮机发动机，具体涉及涡轮风扇燃气轮机。

背景技术

公知涡轮风扇飞行器气涡轮发动机的工作方式。这种发动机包括风扇、压缩机、燃烧室以及涡轮机(压缩机、燃烧室及涡轮机构成“核心发动机(core engine)”)的串联布置。进入发动机入口的空气被发动机压缩机压缩。然后将压缩空气与发动机燃烧室内的燃油混合并引燃。燃烧的气油混合物经燃烧产生的高能产物然后进入涡轮机，混合物中的能量被获取以驱动压缩机及风扇。由涡轮机获取的超过驱动压缩机及风扇所需的能量从其核心发动机排气喷管离开发动机，由此产生驱动相关飞行器的推进力。由吸入大气空气并将该空气加速并通过风扇排气喷管排放的风扇会产生大得多的推进力。由风扇加速的空气的容积流量与从核心排气喷管排放的燃烧产物的容积流量的比率会高达5-10∶1或甚至更高。

随着飞行器燃气轮机的发展，已经需要其产生越来越大的推进力以驱动负载能力日益增大的大型商用运输飞行器，并需要其依赖尽可能少的燃油来工作以适应这种商用运输飞行器日益增大的航程需求。近来急剧上涨的航空燃油价格也使得减小现代商用燃气轮机飞行器发动机的燃油消耗的需求更加重要。

为了使这种飞行器燃气轮机有效地工作(即，减小产生给定推进力所需的燃油量)，需要在速度及方向两个方面精确地控制涡轮机与风扇两者的气流输出。通常，通过为额定发动机工作条件最佳地确定固定面积喷管尺寸或通过采用可变面积排气喷管(为了在整个工作条件范围上的最佳气流可对其面积进行调节)，而通过分别控制核心发动机以及风扇排气喷管的截面流动面积来实现对上述气流的速度的控制。排气喷管自身的几何形状对通过其的气流方向进行控制。

通过发动机的发动机舱的部件来功能性地限定风扇与核心发动机排气喷管两者。发动机舱包括核心罩，其为核心发动机提供在其周围延伸并在其下游端部终止于发动机排气喷管的空气动力学高效的覆盖层。该发动机舱还包括外部风扇罩，其围绕核心罩，包围风扇的叶片，并与核心罩一起限定了终止于风扇排气喷管的环形风扇管道。在此，核心罩与风扇罩彼此同心，即，该两部件分享共用纵向中心轴，使得风扇管道从风扇入口到风扇排气喷管在大部分区域都为精确的环形。

发动机与发动机舱通常通过挂架被安装至商用运输飞行器的机翼下方，挂架包括支撑梁，其大致从飞行器机翼的结构构件通过发动机舱风扇罩和核心罩延伸至发动机壳体。通常，该梁由使梁周围的气流空气动力学平顺的整流罩覆盖。因此，可以理解，必需使挂架延伸通过风扇罩与核心发动机罩之间的风扇管道。在安装梁上方的整流罩在某种程度上减小了因挂架所导致的对通过风扇管道的气流的扰动，且一直一来总是认为在风扇管道内挂架的存在的不利影响仅限于由挂架造成的对通过环形风扇道管的气流的阻碍。

发明内容

本发明发现，在风扇管道中因挂架造成的阻碍不仅不可避免地限制了风扇管道气流，由此减小了通过风扇管道的流率，还导致与通过风扇管道的气流相关联的推进力的方向偏移远离挂架。即，申请人已确定了因挂架在挂架所占据的管道部分中所造成的对通过风扇管道的气流的阻碍会导致风扇管道的在直径上相对的部分接收通过其的更大气流。在风扇导管这两个相对部分之间的风扇气流的不平衡会导致由风扇所产生的净推进力的方向偏移与发动机的中心纵轴线平行的方向。因为通常通过将由发动机产生的推进力的方向维持在与发动机的纵向中心线平行的方向来实现燃气轮机的最佳(最小)燃油消耗，故发动机的净推进力输出在矢量方向上的偏移将不可避免地劣化(增大)燃油消耗。

为了解决因在风扇管道中存在挂架引起的阻碍所导致的通过风扇管道的风扇气流的这种不平衡，根据本发明，使位于发动机中心平面一侧上的挂架延伸通过的风扇管道部分大于风扇管道在中心平面相对一侧的部分，由此以补偿挂架导致的对风扇气流的限制。在优选实施例中，在其下游部分处(即，位于风扇排气喷管处)两个风扇管道横截面积之间的面积差等于挂架相对于通过风扇管道的气流产生的横截面积。上述面积的差在挂架导致限制的情况下为最佳(最小)燃油消耗在本质上消除了由发动机产生的净推进力的方向偏移。

可以通过数种方式来实现增大风扇排气喷管在挂架延伸通过风扇管道的部分中的面积。例如，可以在罩的下游部分使风扇罩的中心纵轴线从发动机的纵向中心轴线朝向挂架偏移。或者，可以相对于发动机的中心线使发动机核心罩的纵向中心线偏移远离挂架，或者，如果间隙允许，且在挂架极大地占据了通过风扇管道的流动面积的情况下，可以使风扇罩向挂架偏移并使核心罩远离其。

估计在其风扇排气喷管处的风扇管道流动面积的不对称分配可带来对总燃料比耗高达约0.5％的提高，考虑到现代商用飞行器每年数百万加仑的燃油消耗，这意味着与这种发动机相关的工作成本的极大改善。

附图说明

图1是由采用根据本发明的风扇排气喷管类型的燃气轮机驱动的商用运输飞行器的部分正视平面图。

图2是沿图1的线2-2的方向所取的剖视侧视图。

图3是图2的动力设备的放大视图，其中其发动机舱部分被剖去以示出本发明的细部。

图4是图3所示的燃气轮机动力设备的后视图。

具体实施方式

参考图1及图2，由商用燃气轮机驱动的飞行器包括机翼10，其中通过挂架20将一个或更多燃气轮机动力设备15安装在机翼10的下方。如图3清楚所示，燃气轮机动力设备15包括燃气轮机25，其特征在于纵向中心轴线27位于发动机的水平(在正常工作条件下)中心面29中。如业界公知的方式，燃气轮机25包括壳体35，其包围压缩机40(未示出)、燃烧器45(未示出)、以及涡轮机50(也未示出)，这些部件的细节是界业公知的。还如业界所公知的，通过入口55进入压缩机40的空气在压缩机内被压缩，并进入燃烧器，与航空燃油混合并被引燃，燃烧产物(工作流体)流入涡轮机50，其从燃烧产物中获取能量以驱动压缩机并提供推进力以驱动飞行器。涡轮机还驱动风扇60，风扇60包括具有固定或可调节节距的叶片65。随着叶片65旋转，叶片吸入大气空气，并加速空气以提供绝大部分由发动机产生的可用推进力。通常，因为风扇的直径远大于核心发动机的直径，在现代涡轮风扇发动机中，通过风扇的容积流量比通过核心发动机的容积流量高出约5-10倍，在某些情况下甚至更高。

为了维持受控的气流(在动力设备外侧周围以及通过核心发动机)，由发动机舱70包围发动机及风扇，该发动机舱70包括围绕核心发动机的核心发动机罩75以及围绕核心罩外部布置的风扇罩80，该发动机舱70还限定有大致环形风扇管道85，其接收由风扇65加速的大气气流，该发动机舱70在风扇管道的下游端处终止于风扇排气喷管86。可在涡轮机排气喷管处设置尾锥87以使从涡轮机排放的工作流体流动平顺。

以业界公知的方式，发动机25及发动机舱70通过挂架20被固定至飞行器5的机翼10。挂架20在其一端固定至翼梁或飞行器其他合适的结构部件(未示出)，并在其另一端固定至发动机及发动机舱。挂架包括结构梁90以及整流罩95，结构梁90为发动机及发动机舱提供支撑，由此将其重量及工作(空气动力学)负载传递至飞行器的机翼，整流罩95为挂架提供平顺的空气动力学轮廓，由此在动力设备与飞行器一起运动通过空气时减小与围绕其的风扇气流相关的空气动力学损耗。

很明显通过风扇管道85的大量风扇气流将在风扇管道的上部受到挂架95的阻碍。长久以来都认为在风扇管道的上部中因挂架造成的对风扇空气的阻碍会在发动机及挂架运动通过大气空气时产生极大的阻力。但是，根据本发明，已经确定在现有燃气轮机动力设备中对通过风扇管道的风扇气流的流动限制还会导致通过风扇管道下部(远离挂架)的空气的容积流率比通过风扇管道上部的空气的容积流率更大。即，与挂架相关的对风扇管道内的气流的阻碍会导致风扇气流从风扇管道的上部向其下部的净迁移。如上所述，为使效率最大化，应当平行于发动机的中心线来导向由风扇及核心发动机两者产生的推进力。已经确定通过风扇管道下部的较大的气流会使由发动机产生的净推进力的方向从轴向方向偏离，由此会降低发动机效率，导致发动机的燃油消耗比围绕整个风扇管道的均匀风扇气流增大。

根据本发明，为了补偿挂架在风扇管道上部中的气流限制，风扇排气喷管在其上部(朝向挂架)(即发动机的水平中心平面上方的部分)的横截面气流面积被增大超过风扇排气喷管位于发动机中心平面下方(远离挂架)的面积。对风扇排气喷管的上部的增大减小了因关联于挂架的阻碍而导致风扇气流向喷管下部迁移的趋势，由此修正了否则会造成的由发动机产生的净推进力的竖直偏移。

可以数种不同方式来增大风扇排气喷管的上部面积。例如，可以使风扇罩的下游部分从与核心发动机同心的位置向上(朝向挂架)偏移。即，可以使风扇罩的纵向中心线的下游部分从核心发动机位于图3中100表示的位置的中心线竖直向上(朝向挂架)偏移。通过使核心罩75向下偏移(远离挂架)使得其纵轴线110从发动机的纵向中心线向下偏移，也可实现使风扇排气喷管的上部位置的流动面积增大。在本发明使用尾锥的情况下，应当使核心罩的最下游端与核心发动机及尾锥对称，由此不会使核心发动机产生的推进力的方向竖直偏移。

风扇排气喷管的两个部分之间的横截面积之间的差，以及由此风扇罩及核心罩的竖直偏移量(为了实现增大风扇管道上部的面积)当然将取决于发动机的推力额定值及旁通比、挂架的尺寸以及核心发动机及风扇的工作参数。通常，发动机越大，挂架部分地阻碍通过风扇管道上部的风扇气流的面积也越大，因此相较于较小的发动机的情况，需要更大地增加风扇管道面积。虽然，在优选实施例中，通过使风扇管道从核心发动机的中心线朝向挂架偏移和相对于发动机中心线使核心罩偏移远离挂架来实现对风扇管道上部中流动面积的增大，可以理解取决于发动机的发动机舱与挂架的相对结构，可通过仅使上述部件其中一者偏移远离发动机的中心线来实现需要的对风扇排气喷管面积的增大。

虽然在常规情况下出于使围绕其的空气动力学负载均衡的目的，示出的风扇管道以及核心罩的横截面大致为环形，但为了其他目的，也可以使这些部件的横截面不同于环形。还应理解，尽管在示意性(优选)实施例中挂架从飞行器的机翼下方的位置支撑发动机，但相对于飞行器本发明还可采用其他动力设备结构。例如，本发明可被用于动力设备安装在飞行器机翼上方或安装在机身侧面的飞行器中。

因此，虽然参考了具体优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本领域的技术人员可提出这里描述的那些改变示例以及其他改变示例及修改示例，且所附权利要求意在涵盖落入本发明的实质精神及范围内的上述任何改变示例及修改示例。

已经对本发明进行了描述，要求保护的内容见所附权利要求。

Claims (17)

1.一种燃气轮机动力设备，包括核心燃气轮机，所述核心燃气轮机具有与其相关的纵向中心线，所述核心燃气轮机驱动风扇并被布置在发动机舱内，所述风扇在所述发动机工作期间从其排放气流，

所述发动机舱包括围绕所述风扇的风扇管道以及布置在所述风扇管道内部并围绕所述核心发动机的核心罩，

所述风扇管道与所述核心罩的下游部分在两者之间限定有风扇喷管，所述风扇喷管具有布置在所述发动机的中心平面的一侧上的第一部分，并具有布置在所述发动机的所述中心平面的相对侧上的相对部分，

相较于所述风扇管道的所述相对部分，所述风扇管道的所述第一部分具有更大的横截面流动面积。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机动力设备，其中，所述中心平面在静止时水平地定向。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机动力设备，其中，通过挂架安装并支撑所述燃气轮机动力设备，所述挂架的一部分在所述风扇管道与所述核心罩之间延伸，并部分地限制所述风扇管道的流动面积，被所述挂架限制的流动面积的量与所述风扇喷管的所述第一部分与所述相对部分之间的面积差基本相等。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机动力设备，其中，所述风扇管道具有与其相关的纵向中心线，所述风扇管道位于其下游部分的纵向中心线从所述核心发动机的所述纵向中心线朝向所述挂架偏移。

5.根据权利要求3所述的燃气轮机动力设备，其中，所述核心罩具有与其相关的纵向中心线，所述核心罩位于其下游部分的纵向中心线从所述发动机的所述纵向中心线在远离所述挂架的方向上偏移。

6.根据权利要求3所述的燃气轮机动力设备，其中，所述风扇管道与核心罩每一者均具有与其相关的纵向中心线，并且因为所述风扇管道与所述核心罩纵向中心线其中至少一者在其下游部分处偏移远离所述发动机的所述纵向中心线而导致所述上风扇喷管部分与下风扇喷管部分之间面积的差。

7.一种发动机舱，适于在其中容纳燃气轮机，所述发动机舱包括：

风扇管道；以及

核心发动机罩，其被径向地布置在所述风扇管道内侧，所述风扇管道与所述核心发动机罩的下游部分在两者之间限定有风扇喷管；

所述风扇喷管的第一部分布置在所述发动机的中心平面布置有所述挂架的一侧，所述第一部分具有比所述风扇排气喷管的第二部分更大的流动面积，所述第二部分布置在与布置有所述挂架的一侧相对的所述中心平面的相对一侧。

8.如权利要求7所述的发动机舱，其中，所述中心平面在静止时水平定向。

9.如权利要求7所述的发动机舱，其中，所述燃气轮机具有与其相关的纵向轴线，部分地在所述风扇管道与所述核心发动机罩之间延伸的挂架，所述风扇排气喷管的所述第一与第二部分之间的横截面积的差与所述挂架在所述风扇管道与所述核心发动机罩之间延伸的部分的面积中与从所述风扇排放的气流正交的分量基本相等。

10.如权利要求9所述的发动机舱，其中，所述风扇管道的特征在于通过其的纵向轴线，所述风扇管道的纵向轴线至少部分地从所述发动机中心平面向所述挂架偏移。

11.如权利要求9所述的发动机舱，其中，所述核心发动机罩的特征在于通过其的纵向轴线，所述核心发动机罩的纵向轴线至少部分地远离所述挂架以及所述发动机中心平面偏移。

12.如权利要求9所述的发动机舱，其中，所述风扇管道以及所述核心罩每一者均具有通过其的纵向中心轴线，所述风扇管道以及核心罩的纵向中心轴线其中至少一者在其下游部分处远离所述发动机中心平面偏移。

13.如权利要求12所述的发动机舱，其中，所述风扇管道的所述下游部分的纵向中心轴线在朝向所述挂架的方向上从所述发动机的所述中心平面偏移。

14.如权利要求12所述的发动机舱，其中，所述核心罩的所述下游部分的纵向中心轴线在远离所述挂架的方向上从所述发动机的所述中心平面偏移。

15.如权利要求12所述的发动机舱，其中，所述风扇管道的所述下游部分的纵向中心轴线在朝向所述挂架的方向上从所述发动机的所述中心平面偏移，并且所述核心罩的所述下游部分的纵向中心轴线在远离所述挂架的方向上从所述发动机的所述中心平面偏移。

16.如权利要求7所述的发动机舱，其中，所述风扇管道在其下游端处横截面大致为圆形。

17.如权利要求7所述的发动机舱，其中，所述核心罩在其下游端处横截面大致为圆形。

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