CN101903619A - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，该燃气涡轮发动机按照顺序流动的关系包括：第一压缩机(22、122、722)，所述第一压缩机(22、122、722)设置有至少一行压缩机叶片(27、127a、127b、127c、127d、727)；燃烧室(23)；和第一涡轮机(24、124)，所述第一涡轮机(24、124)设置有周向围绕所述第一涡轮机(24、124)分布的至少一行涡轮机叶片(28、128)，其中第一压缩机(22、122、722)和第一涡轮机(24、124)通过第一轴(29、129)刚性地旋转连接。本发明的特征在于，第一涡轮机(24、124)适于根据第一涡轮机(24、124)的转速影响通过燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)的气体流速，其中燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)还包括用于控制第一涡轮机(24、124)的转速的装置(33、133、733)。本发明还涉及一种用于控制轴流式燃气涡轮发动机内的气体流速的方法。

Description

燃气涡轮发动机
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮发动机和用于控制轴流式燃气涡轮发动机内气体流速的方法。特别地，本发明涉及一种布置用于驱动飞行器的燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机的燃料消耗一般在部分功率下比完全功率下更高，这由于部分功率运行下的较低的压力和温度比(压缩空气和入口空气之间)导致。如果燃气涡轮发动机能够在部分功率下以较高的压力和温度运行，则可潜在地实现明显的燃料消耗的节约(对于商用涡扇飞行器发动机大约5％)。已知的是将可变循环应用于例如飞行器涡喷发动机的轴流式燃气涡轮发动机有助于此目的。简言之，将可变循环应用于燃气涡轮发动机意味着一定的发动机的空气质量流量和压力比可适于不同的运行模式。可变循环燃气涡轮发动机的效果例如在US4287715，US 5806303和Lundbladh A和Avellan R的Potential of variablecycle engines for subsonic air transport，ISABE 2007-1156，2007中描述。
存在多种实现可变循环涡扇发动机的方式。两个最常见的方式是提供可变风扇流或可变核心流。当然，可变风扇流主要用于超音速飞行器。
大多数可变循环燃气涡轮发动机依赖于发动机的低压部分内的变化。一个例子是使用在换热循环中运行的可变低压涡轮机。然而，这要求庞大笨重并带有潜在的耐久性/可靠性缺点的换热器。
另一个例子是使用可变涡轮机冷却，其中涡轮机冷却和相关的损失在其中寻求最大效率的巡航阶段期间产生。然而，此构思不能给出完全的能量节约潜力，因为由于降低温度和压力导致的部分功率运行的主要低效性未被解决。
虽然可变核心流燃气涡轮发动机的理论非常诱人，但此构思在实施时仍存在问题。
为实现可变核心流，US 5806303建议将可变涡轮机定子叶片用于改变高压涡轮机区。然而，靠近燃烧区下游布置的可变叶片暴露于温度非常高的恶劣环境。因此，此解决方法的缺点是所涉及的部件的耐久性/可靠性成问题。
因此，在此领域内仍存在改进需要。
发明内容
本发明的任务是提供燃气涡轮发动机，特别是用于驱动飞行器的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机具有比传统燃气涡轮发动机更低的燃料消耗。此任务通过由权利要求1、24和28内包括的技术特征限定的设备和方法实现。从属权利要求系包括本发明的有利的实施例，另外的扩展和变化。
本发明涉及燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机按照顺序流动的关系包括：设置有至少一行压缩机叶片的第一压缩机；燃烧室；和设置有周向围绕其分布的至少一行涡轮机叶片的第一涡轮机，其中第一压缩机和第一涡轮机通过第一轴刚性地旋转连接。
本发明的燃气涡轮发动机的特征在于，第一涡轮机适于根据第一涡轮机的转速影响通过燃气涡轮发动机的气体流速，其中燃气涡轮发动机还包括用于控制第一涡轮机的转速的装置。
因此，本发明的燃气涡轮发动机使得可通过控制第一涡轮机的转速来改变通过发动机的气体流速。降低通过燃气涡轮发动机的流速的影响是总压力比，即燃烧室内的压力和燃气涡轮发动机的主进气口处的压力将增加。本发明因此将压力比和流速相互脱联，使得燃气涡轮发动机可用于实现可变循环发动机。燃气涡轮发动机，即例如涡扇发动机的发动机核心现在可例如以高流速和中压力比运行，以提供最大动力，或以低流速和高压力比运行，以在部分功率下提供最大效率(即，最小燃料消耗)。
在传统的燃气涡轮发动机中，气体流速和压力比随提供到燃烧室内的燃料量都增加。在本发明的燃气涡轮发动机中，在较低的燃料供给水平下也可达到较高的压力，即可使得压缩机在部分功率下在较高的运行线下运行。
“第一涡轮机适于根据第一涡轮机的转速影响通过燃气涡轮发动机的气体流速”意味着特别地不存在与第一涡轮机相关的定子。通常，这样的定子被考虑为形成涡轮机的部分，且定位在涡轮机转子的上游，用于使流入涡轮机转子的气体涡旋以增加涡轮机的功率输出。涡轮机入口定子通常布置为使得流动在发动机运行范围的大部分上被阻塞。这简化了压缩机和燃烧室内的发动机部件的流动设计。被阻塞的气流的流速不能被下游变化影响，所述下游变化例如为下游涡轮机转子的转速变化。相比之下，本发明的涡轮机允许气体在或多或少的方向上流入到涡轮机转子。被轴向引导的气流的流速被涡轮机转速的影响程度高于被涡旋(非阻塞)流动的影响程度。
在本发明的有利的实施例中，用于控制第一涡轮机的转速的装置包括布置在第一压缩机的至少一行压缩机叶片上游的可变空气流动引导装置，其中可变气流引导装置适于引导气流，以影响第一压缩机的转速。以此方式，也影响了第一涡轮机的转速，因为它们被轴向刚性地连接。
例如，引导装置可用于从向着第一压缩机的至少一行压缩机叶片的入口流动的略微的共涡旋过渡到略微的反涡旋。这意味着第一压缩机的转速，且因此第一轴和第一涡轮机的转速将降低。由于第一压缩机的布置，例如不存在传统的涡轮机入口定子，通过发动机的气体流速也将降低。
优选地，可变气流引导装置包括一组可变气流引导翼片。此类型的引导翼片是已知的，且因此容易适于本发明。
“可变气流引导装置适于引导气流以影响第一压缩机的转速”意味着所述装置可影响在发动机运行期间流过第一压缩机的气体的涡旋程度，或流向引导装置下游定位的至少一行压缩机叶片的气体的涡旋程度。本领域一般技术人员认识到，例如这意味着不应存在布置在引导装置和压缩机叶片之间的、明显降低了引导装置影响流向这些压缩机叶片的气体的涡旋的能力的任何其他部件。此能力在一些方式上类似于传统的可变压缩机引导翼片的能力。然而，这样的传统引导翼片主要用于控制压缩机稳定性，而本发明的引导装置以不同的方式被控制，用于控制第一压缩机的转速。
在本发明的有利的实施例中，第一涡轮机的至少一行涡轮机叶片纵向邻近燃烧室布置。这意味着涡轮机转子直接布置在燃烧室下游，且进一步阐明了无定子翼片(喷嘴叶片)或类似的气体偏转部件布置在燃烧室下游和第一涡轮机上游的区域内。因此，燃气涡轮发动机布置为避免在其运行期间在此区域内流动的气流的任何明显偏转。
在本发明的有利实施例中，燃气涡轮发动机包括通过第二轴刚性地旋转连接的第二压缩机和第二涡轮机，其中第二压缩机布置在燃烧室上游，其中第二轴相对于第一轴同心地布置，且其中第二涡轮机定位在第一涡轮机下游。以此方式，燃气涡轮发动机的效率和输出功率可增加。优选地，第二轴布置为在与第一轴相反的方向上旋转以增加效率。
在本发明的有利的实施例中，第二压缩机布置在第一压缩机上游。这样的设计使得可降低部件应力且使用更简单的轴承设备。
在本发明的有利的实施例中，第一压缩机包括布置为围绕第二压缩机旋转的壳体，所述壳体设置有多行在向内的方向上向第二压缩机突出的压缩机叶片，其中第一压缩机和第二压缩机重叠。这样的反向旋转的压缩机使得可使用更少的螺旋桨提供更高的压力比。
在本发明的有利的实施例中，第二压缩机在轴向方向上比第一压缩机延伸更长的距离，使得第一压缩机和第二压缩机仅部分地重叠。优选地，第二压缩机具有定位在第一压缩机的最上游行的压缩机叶片的上游的多行压缩机叶片。完全重叠的反向旋转压缩机难于在部分速度下运行，因为仅能提供一行可变引导翼片，即在入口处提供。通过将反向旋转的压缩机以部分重叠的方式布置，变得可为压缩机提供另外的(非入口)可变引导翼片行，如果希望较高的压力比则这对于压缩机的稳定性是重要的。
在此反向旋转的压缩机中，可变气流引导装置优选地定位在第一压缩机上游，且所述多行压缩机叶片定位在第一压缩机的最上游压缩机叶片行的上游。
在本发明的有利的实施例中，第一转子设备附接到定位在第一压缩机下游和燃烧室上游的第一支撑支架，其中第一转子设备包括第一压缩机，第一轴和第一涡轮机。在使用重叠的压缩机处，第一转子设备优选地也附接到定位在第一压缩机上游的第二支撑支架。这允许了不带有中间轴轴承的工作轴承设备。可变气流引导装置优选地附接到第二支撑支架。
优选地，与燃气涡轮发动机核心在第一压缩机上游处的半径相比，燃气涡轮发动机核心沿第一压缩机和第二压缩机所重叠的距离的半径变得更小。优选地，燃气涡轮发动机的半径在下游方向上观察在第二支撑支架处或周围减小。这样的设计允许第一压缩机上游的定子-转子级足够快地运行，即以明显高的马赫数运行，以提供每级的高压力比，而施加反向旋转的下游级被允许足够慢地旋转，以避免过度的冲击损失。
在本发明的有利的实施例中，第一涡轮机的涡轮机叶片具有至少60°的出口叶片角度。出口叶片角度应足够大以在叶片之间提供足够小的面积，以在涡轮机减速时充分降低流速。优选地，第一涡轮机的涡轮机叶片具有大约45°或更低的拱度。为最大化当第一涡轮机仅略微加载时的气流，例如通过合适地设定压缩机的可变入口导线翼片，涡轮机的外形应具有小量的拱度。
在本发明的有利的实施例中，用于控制第一涡轮机的转速的装置包括用于从第一轴获取机械动力的设备。此设备可替代可变气流引导装置，或与之组合使用。优选地，用于获取机械动力的设备包括连接到第一轴的发电机。
本发明也涉及用于控制轴流式燃气涡轮发动机内的气体流速的方法。本发明的方法包括如下步骤：控制涡轮机的转速，其中涡轮机适于根据涡轮机转速影响通过燃气涡轮发动机的气体流速。
在本发明的方法的有利的实施例中，所述方法包括如下步骤：调节布置在刚性地旋转连接到涡轮机的压缩机的至少一行压缩机叶片上游的可变气流引导装置。优选地，所述方法包括如下步骤：通过调节可变气流引导装置降低涡轮机的转速以增加气流的反涡旋或降低其共涡旋。
在本发明的方法的有利的实施例中，所述方法包括如下步骤：从刚性地旋转连接到涡轮机的轴获取机械动力。
本发明也涉及轴流式燃气涡轮发动机，包括：包括第一压缩机的第一转子设备，包括第二压缩机的第二转子设备，其中第一转子设备和第二转子设备同心地定位且布置为在相反的方向上旋转，且其中第一压缩机包括布置为围绕第二压缩机旋转的壳体，所述壳体设置有在向内的方向上向第二压缩机突出的多行压缩机叶片，其中第一压缩机和第二压缩机重叠。在本发明中，第二压缩机在燃气涡轮发动机的轴向方向上比第一压缩机延伸更长的距离，使得第一压缩机和第二压缩机仅部分地重叠。如上所述，这样的部分重叠的反向旋转的压缩机设备使得可为压缩机提供另外的(非入口)可变引导翼片的行，如果希望更高的压缩比则这对于压缩机的稳定性是重要的。设置有这样的压缩机设备的燃气涡轮发动机可用于多种应用。
附图说明
下面参考附图描述本发明，附图为：
图1在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机的第一优选实施例，
图2示出了图1中示出的涡轮机的涡轮机叶片的外形，
图3示出了传统涡轮机叶片的外形，
图4在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机的第二优选实施例，
图5在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机的第三优选实施例，
图6在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机的第四优选实施例，和
图7在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机的第五优选实施例。
具体实施方式
图1在示意图中示出了本发明的第一实施例。图1关注于最重要的零件，且以最简单的形式示出了本发明的燃气涡轮发动机1。压缩机22、燃烧室23和涡轮机24布置在燃气涡轮发动机1的发动机核心25内。外壳26限定了发动机核心25。压缩机22具有围绕其周向布置的一行压缩机叶片27，且涡轮机24具有围绕其周向布置的一行涡轮机叶片28。压缩机22和涡轮机24通过轴29运行地连接，所述轴29围绕纵向轴线或燃气涡轮发动机1的中心线20同心地布置。纵向轴线20在上游方向20a和下游方向20b内延伸。一组可变入口引导翼片33定位在压缩机叶片27的上游。
压缩机22、轴29和涡轮机24形成转子设备，所述转子设备通过轴承31附接到定位在压缩机22和燃烧室23之间的压缩机后支架(CRF)32且由其支撑。
涡轮机24的涡轮机叶片28的行定位在燃烧室23下游且纵向邻近燃烧室23。“纵向邻近”的表述意味着在所述的纵向邻近的部件之间不存在其他转子叶片行和/或定子翼片行。另一个表述方式是称之为：涡轮机叶片28的行直接定位在燃烧室23的下游。
可注意到的是图1仅示出了燃气涡轮发动机1的发动机核心25的上半部分。发动机核心25的布置在中心线20下方大致类似(镜像相反)。这对于此文献中相同类型的所有图都适用。
核心气流通过箭头30指示。在传统方式中，核心气流在通过压缩机22(和任何另外的压缩机)时被压缩，与燃料混合，且在燃烧室23内进行燃烧，且用于驱动燃烧室23下游的一个或数个涡轮机，所述涡轮机驱动其相应的压缩机或风扇。在传统方式中，涵道气流(空气流)可布置在核心限定构件26外侧。这对于本发明的所有部件都适用。
入口导向翼片33、压缩机22、轴29和涡轮机24的主要功能在图1中示出为使得可控制通过发动机核心25的气体流速。因此，可控制压缩比且因此将压缩机(多个压缩机)的运行在不同的运行线之间移动。这意味着发动机核心25可用于制成可变循环燃气涡轮发动机。通过控制轴29的转速来实现通过发动机核心25的气体流速的控制。
术语“气体流速”在此文献中意味着与轴向流速和滞点温度下的音速之间的比成比例的归一化气体流速。此归一化的气体流速既不等于流动速度(m/s)，也不等于质量流速(kg/s)。因为温度变化小于压力变化，可注意到本发明影响气体流速大于影响质量流速。也可以注意到，供给到燃烧室的燃料的量影响质量流速大于影响气体流速。
在图1中示出的燃气涡轮发动机和传统的燃气涡轮机之间存在设计上的重要差异。在传统的燃气涡轮发动机中，涡轮机(多个涡轮机)的主要目的是获取气流的尽可能多的能量且将其转化为机械(旋转)能量。为此目的，传统的燃气涡轮发动机设置有燃烧室和涡轮机转子之间的喷嘴叶片(定子翼片)，用于使得进入燃烧室的流动发生涡旋以增加涡轮机的动力输出，且设置有涡轮机叶片，所述涡轮机叶片与入口定子协作特别地适于生成涡轮机及其相应的轴的旋转。相比之下，在本文中所述的系统内，涡轮机24及其叶片28的主要目的不仅是生成涡轮机动力输出，而且是便于控制通过发动机核心25的气体流速。
此设计差异的例子是涡轮机24不与任何入口定子相关；涡轮机24无定子。因此，在图1中示出的例子中，不存在布置在涡轮机叶片28上游的入口定子。以此方式，气体将在大程度上当到达涡轮机叶片28时在轴向方向上流动。通过将燃气涡轮发动机以此方式布置，降低了涡轮机24生成旋转动力的能力，但另一方面允许涡轮机24的转速对于经过涡轮机24的气体流速产生影响。
定位在涡轮机24的上游的通常考虑为形成涡轮机的部分的传统涡轮机入口定子将流动在切向方向上再引导，即使流动向涡轮机转子叶片涡旋以尽可能有效地旋转涡轮机，且生成被阻塞的气流。气流变得被阻塞点下游的转子不能影响气体流速。此外，如果流动在轴向上比在切向上更多地引导，则即使流动不被阻塞，但下游转子影响气体流速的能力增加。
图1中示出的发动机1和大多数传统燃气涡轮机之间的另外的设计差异是涡轮机叶片28的外形。图2示出了涡轮机叶片28的外形。轴向引导的气流的方向通过箭头30指示。图3示出了使用在燃气涡轮发动机内的典型涡轮机叶片28b的外形。如通过涡轮机定子再引导的部分切向地引导的气流的方向通过箭头30b指示。通过比较图2和图3，可见不同类型的涡轮机叶片28a、28b的外形不同。
图3中示出的传统的涡轮机叶片28b的外形设计为当流动已受到明显的切向偏转(通过涡轮机定子实现)时是有效的。这样的传统涡轮机叶片28b明显拱度，且可允许通过仅明显较大的流动而不考虑流动入口速度或角度。原理上，此叶片28b可使用在本发明中，但当第一涡轮机24的转速变化时，气流变化的程度，即最大气体流速和最小气体流速之间的比将相对小。
涡轮机叶片28的外形设计为便于控制气体流速，因为所述外形提供了很小的阻挡以允许高的最大气体流速。出口叶片角度β(见图2)应足够大，以用于提供叶片28之间的足够小的面积，以当涡轮机24减速时充分地降低流速。假定如果轴29在燃气涡轮发动机1运行期间停止，则通过涡轮机24即通过叶片28的行的有效流动面积对置为围绕涡轮机24的环形发动机核心25面积乘以cos(β)(假定叶片28的长度大于等于叶片28之间的距离)。如果涡轮机24自由运行，即涡轮机24以适于气流而使得在涡轮机叶片28和气流之间不存在(或存在仅很小量)能量传递的速度运行，且如果涡轮机叶片28薄且直，则有效流动面积接近环形核心面积。通过发动机核心25的气体流速因此可通过改变涡轮机24/涡轮机轴29的转速而改变。至少在理论上，气体流速可在最大1到cos(β)之间变化，这通过在以上所述的端点(停止和自由运行)之间改变涡轮机轴29的速度来实现。理论上，如果希望至少为2的变化因数，则β必须至少为60°(因为cos(60°)＝0.5)。优选地，涡轮机叶片28的出口叶片角度β甚至更大。
为在涡轮机24仅略微加载时通过合适地设定压缩机的可变入口引导翼片33来最大化气体流速，涡轮机叶片28的外形应具有低的拱度量和小的厚度，即比图3中示出的叶片28b更低的拱度和更小的厚度。合适的拱度是大约45°或更低，但这也取决于应用。
图1中示出的发动机1和大多数传统燃气涡轮机之间的另外的差异，尽管此差异更体现为功能差异而非涉及特征差异，是定位在压缩机叶片27上游的可变入口引导翼片33的组，所述引导翼片33布置为将气流引导为影响压缩机22的转速，且因此影响轴29和涡轮机24的转速。引导翼片33主要用于降低气体流速，以将压缩机22的运行移动到更高的运行线，即在给定的气体流速下更高的运行压力。为降低气体流速，可变入口引导翼片33被控制为增加入口流动到所关注的压缩机级的反涡旋(与降低共涡旋相同)，即在此例子中到单行压缩机叶片27。增加此入口流动的反涡旋具有使压缩机22将更多的功(能量)添加到相同转速的气流的影响。增加的功将导致压缩机22比相应的涡轮机24吸收通过轴29提供的更大的转矩。因此，整个转子设备，即压缩机22、轴29和涡轮机24将减速。在此较低的转速下，无定子压缩机24可不再接收相同量的气流，且因此对压缩机节流，以提供压力更高且流速更低的流动。此改变因此将压缩机22的运行线升高。
可变压缩机引导翼片，即可变压缩机定子也是已熟知的。然而，在本发明的燃气涡轮发动机中，可变入口引导翼片33和其他实施例中相应的引导翼片以与传统运行不同的方式运行，这将赋予其另外的功能。差异大致在于在一定的转子转速下引导翼片33所定位的角度。传统地，这样的定子在高转速或全转速下设计在打开的位置，且在较低的转速下设置在关闭的共涡旋的位置。在本发明中，涉及本发明的定子，例如可变入口引导翼片33在任何转子速度下设计在打开的位置或反涡旋位置。本发明的功能主要是控制压缩机的稳定性，且本发明的燃气涡轮机优选地也设置有实现稳定性功能的可变引导翼片。替代地，涉及本发明的可变引导翼片构件的功能主要是控制引导翼片下游的压缩机级内的能量传输。
图1中示出的压缩机22和/或涡轮机24可以具有多极类型，即它们可包括多个叶片行。重要的是定位在至少一行压缩机叶片上游的可变引导翼片33和至少第一行涡轮机叶片-即定位在最上游的涡轮机叶片行能够如上所述地影响气体流速。
图1中示意性地示出的燃气涡轮发动机1可以非常好地设置有另外的涡轮机、轴和压缩机，以增加效率和输出动力，或驱动外部载荷或推进风扇，例如形成涡扇发动机。
图4示出了本发明的燃气涡轮发动机的第二实施例。在此情况中，燃气涡轮发动机100包括两个反向旋转的转子设备，即布置为在相反的方向上旋转的转子设备。第一转子设备包括通过第一轴129运行地连接的第一压缩机122和第一涡轮机124。此第一转子设备对应于图1中示出的转子设备。第二转子设备包括通过第二轴229运行地连接的第二压缩机222和第二涡轮机224。两个轴129、229围绕中心线20同心地布置。
类似于图1，外壳26封闭了所述部件且限定了发动机核心25。围绕纵向轴线20的设备也类似。
第一转子设备通过轴承131附接到压缩机后支架(CRF)32(第一转子设备的后部/下游部分)，且附接到压缩机中支架(CMF)32b(第一转子设备的前部/上游部分)。第二转子设备通过轴承231附接到涡轮机中支架(TMF)32c(第二转子设备的后部/下游部分)，且附接到压中间外壳(IMC)32d(第二转子设备的前部/上游部分)。因此，反向旋转的转子设备通过在下游方向上排序的四个支架支撑：IMC、CMF、CRF和TMF。IMC 32d位于第二压缩机222下游。CMF 32b位于第一压缩机122上游且大致在沿第二压缩机222的下游的中途处。CRF 32位于燃烧室23和第一压缩机122之间。TMF 32c位于第二涡轮机224的下游。
第一转子设备的涡轮机部分类似于在图1中所示的涡轮机，即第一涡轮机124具有围绕其周向布置的一行涡轮机叶片128。由于以上所述的原因，涡轮机叶片128定位为纵向邻近燃烧室23，即燃烧室23和第一涡轮机124的叶片128之间不存在定子翼片或转子叶片。
第一压缩机122具有四行周向布置的压缩机叶片127a、127b、127c、127d。第一行上游叶片127a用于支撑旋转壳体或套122b，所述壳体或套122b保持了随后的下游压缩机叶片127b、127c、127d。旋转壳体122b布置为围绕第二压缩机222的下游部分旋转，其中气体意图于在旋转壳体122b和第二压缩机222之间流动。压缩机叶片127a、127b、127c、127d因此从旋转壳体122b在向内的方向上向第二压缩机222突出。
第一压缩机122从CRF 32仅部分地沿第二压缩机222向上游延伸，使得两个压缩机122、222仅部分地重叠。第一组可变入口引导翼片133在第一压缩机122的上游，即在第一压缩机122的所有行压缩机叶片127的上游以可移动摆片(flap)的形式定在CMF 32b上。
第二压缩机222与第一压缩机122相比进一步向上游延伸，且在CMF 32b的下游和上游设置有多行压缩机叶片227，即多个压缩机级。在CMF 32b和CRF 32之间，三组或三行第二压缩机叶片227的每个定位在两行第一压缩机叶片127a、127b、127c、127d之间。第二组可变入口引导翼片233定位在第一压缩机222的上游。一组可变(非入口)引导翼片233b也定位在CMF 32b上游两行压缩机叶片227之间。这两组引导翼片233、233b的用于是允许稳定和有效的部分速度运行。
第二涡轮机224的主要用于是生成旋转能量(可用于多种用途)，且因此第二涡轮机224的涡轮机叶片228具有在图3中示出的直线外形。定子翼片(未示出)定位在第一涡轮机124和第二涡轮机128之间。
类似于相对于图1所描述，第一涡轮机124及其叶片128的主要目的是除生成涡轮机动力输出外，便于控制通过发动机核心25的气体流速。第一涡轮机124因此与图1中的涡轮机24以相同方式设计。
第一压缩机122和第二压缩机222都用于在气体(空气)的发动机核心25的下游路途上压缩所述气体(空气)。
第一组可变入口引导翼片133、第一压缩机122、第一轴129和第一涡轮机124的主要功能是类似于关于图1所述的情况，使得可控制通过发动机核心25的气体流速。这具有相同的效果，且以与以上所述相同的方式执行，即入口引导翼片133用于影响对于压力比有影响的第一转子设备的转速。
图4中示出的燃气涡轮发动机100使用完全反向旋转的涡轮机和压缩机以使用更少的螺旋桨来提供高压力比。反向旋转的第一压缩机122和第二压缩机222仅部分地重叠，使得意图用于第一压缩机122的可变入口引导翼片133大约位于第二压缩机222下方中途。通过将反向旋转的压缩机122、222布置为带有部分的或中途的重叠，如下两个问题得以解决：1)无定子涡轮机124可部提供与带有定子的涡轮机相同量的功，重叠允许了高压力比。2)完全重叠的反向旋转压缩机难于在部分速度下运行，因为仅能提供一行可变引导翼片，即在入口处。通过将反向旋转的压缩机以部分重叠的方式布置，变得可为压缩机提供另外的(非入口)可变引导翼片的行，如果希望更高的压缩比则这对于压缩机的稳定性是重要的。
图5在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机500的第三优选实施例。第三实施例与图4中示出的第二实施例的差异在于，发动机核心25的半径在下游方向上在CMF 32b处或周围观察时减小。换言之，发动机核心25的半径，即纵向轴线20和外壳26之间的距离，与发动机核心25在第一压缩机122的上游的半径相比，沿着定位有第一压缩机122且施加了反向旋转的距离的半径变得更小。此涉及允许CMF 32b和第一压缩机122上游的定子-转子级足够快的运行，即以足够高的马赫数运行，以提供每级的高压力比，而施加了反向旋转处的CMF 32b的下游级被允许足够慢地运行以避免过度的冲击损失。此现象即使以恒定的发动机核心半径(图4)也部分地被解决，因为温度通过降低了后(下游)级的马赫数的压缩机(多个压缩机)升高，但半径改变可允许更加最优的情况。半径降低的另外的优点是后级将具有比恒定半径设计情况更低的毂端半径比和更长的叶片。这降低了罩和尖端处的流动损失以及尖端泄漏，且因此增加了级的效率。
发动机核心半径应在压缩机部分的上游部分和下游部分之间具有多大的差异取决于应用。
图6在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机600的第四优选实施例。一般地，旋转壳体122b(见图4)的应力限制了用于多级反向旋转机器的反向旋转的转子的速度。为避免此情况，可使用单级反向旋转的压缩机。在此情况中，可使用不带有压缩机中支架(CMF)32b的更简单的轴承设备。图6示出了此类型的燃气涡轮发动机的例子。
在图6中，可变入口引导翼片33、第一转子设备(即第一压缩机22、第一轴29和第一涡轮机24)及其附接点、发动机核心外壳26等类似于在图1中所示的部件。类似于图4和图5中示出的实施例，图6中示出的实施例包括第二压缩机622和带有涡轮机叶片628的第二涡轮机624。第一压缩机22和第二压缩机622在此例子中反向旋转，但不重叠。第二压缩机622放置在第一压缩机22的上游且在IMC 632d处和TMF 632c处类似于在图4中所示附接到外壳26。在图6中示出的燃气涡轮发动机600以与以上所述的相同的原理方式工作。
图7在示意图中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机700的第五优选实施例。所述第五优选实施例是图6中示出的实施例的变体，且部件很大程度上相同。在此例子中，第一反向旋转压缩机722是双级压缩机，包括另外的压缩机叶片727的行，所述第一压缩机722具有传统的构造而不带有任何旋转壳体(与图4中示出的实施例对比)。另外的可变引导翼片733定位在压缩机叶片27、727的行之间。
在图4至图7中示出的燃气涡轮发动机也可以非常好地设置有例如另外的压缩机叶片和涡轮机叶片的行，涡轮机行之间的定子以及另外的涡轮机，轴和压缩机，例如将低压(LP)压缩机和LP涡轮机连接的LP轴。
应指出的是所示出的图是示意性的。例如，图4和图5中示出的壳体122b已被赋予远大于外壳26的厚度，以示出壳体122b是分开的相对于外壳26可旋转移动的部分。然而，壳体122b也可视作外壳26的形成部分，因为这两个外壳部件一起限定了发动机核心25。另外，可变引导翼片通过已知的方式直接或间接地附接到外壳26。
两个压缩机“重叠”这一表达方式意味着压缩机的至少一个具有至少两行分别定位在另一个压缩机的压缩机叶片的行的上游和下游的压缩机叶片。
本发明一般地可应用于轴流式燃气涡轮发动机，即应用于布置为驱动飞行器的燃气涡轮发动机以及布置为其他用于的燃气涡轮发动机。
本发明不通过以上所述的实施例限制，而是可通过多种方式在权利要求的范围内修改。例如，用于控制第一涡轮机24、124的转速的装置不必包括影响相应的压缩机22、122的转速的可变气流引导装置。替代地或组合地，用于控制转速的装置可包括用于从相应的轴29、129获取机械动力的设备。这样的设备的例子是联接到轴29、129的发电机，所述发电机可用于产生电力同时使轴/涡轮机的旋转减速。
附图示出了用于反向旋转的转子的工作轴承设备而无中间轴轴承。这是优点，因为避免了轴承中的高的相对转速。然而，本发明不要求转子设备通过以上所述的方式附接到轴承和支撑支架。

Claims (33)

1.燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，所述燃气涡轮发动机按照气体流动的顺序包括：
第一压缩机(22、122、722)，所述第一压缩机(22、122、722)设置有围绕所述第一压缩机(22、122、722)周向分布的至少一行压缩机叶片(27、127a、127b、127c、127d、727)；
燃烧室(23)；和
第一涡轮机(24、124)，所述第一涡轮机(24、124)设置有围绕所述第一涡轮机(24、124)周向分布的至少一行涡轮机叶片(28、128)，
其中，所述第一压缩机(22、122、722)和所述第一涡轮机(24、124)通过第一轴(29、129)刚性地旋转连接，
其特征在于，
所述第一涡轮机(24、124)适于根据所述第一涡轮机(24、124)的转速来影响通过所述燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)的气体流速，
其中，所述燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)还包括用于控制所述第一涡轮机(24、124)的转速的装置(33、133、733)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述用于控制所述第一涡轮机(24、124)的转速的装置包括布置在所述第一压缩机(22、122、722)的至少一行压缩机叶片(27、127a、127b、127c、127d、727)上游的可变气流引导装置(33、133、733)，其中，所述可变气流引导装置(33、133、733)适于引导气流，以影响所述第一压缩机(22、122、722)的转速。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述可变气流引导装置包括一组可变气流引导翼片(33、133、733)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述第一涡轮机(24、124)的至少一行叶片(28、128)在纵向上邻近所述燃烧室(23)布置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括通过第二轴(229、629)刚性地旋转连接的第二压缩机(222、622)和第二涡轮机(224、624)，其中，所述第二压缩机(222、622)布置在所述燃烧室(23)上游，其中，所述第二轴(229、629)相对于所述第一轴(29、129)同心地布置，所述第二涡轮机(224、624)定位在所述第一涡轮机(24、124)下游。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述第二轴(229、629)布置为相对于所述第一轴(29、129)以相反方向旋转。
7.根据权利要求5或6所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述第二压缩机(622)布置在所述第一压缩机(22)上游。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述第一压缩机(122)包括布置为围绕所述第二压缩机(222)旋转的壳体(122b)，所述壳体(122b)设置有朝着所述第二压缩机(122)向内突出的多行压缩机叶片(127a、127b、127c、127d)，其中，所述第一压缩机(122)和所述第二压缩机(222)重叠。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第二压缩机(222)在轴向方向上比所述第一压缩机(122)延伸更长的距离，从而所述第一压缩机和第二压缩机仅部分地重叠。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述第二压缩机(222)具有多行压缩机叶片(227)，所述多行压缩机叶片(227)定位在所述第一压缩机(122)的最上游行的压缩机叶片(127a)的上游。
11.根据权利要求2和10所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述可变气流引导装置(133)定位在所述第一压缩机(122)的上游且定位在所述多行压缩机叶片(227)的下游，所述多行压缩机叶片(227)定位在所述第一压缩机(122)的最上游行的压缩机叶片(127a)上游。
12.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，第一转子设备附接到第一支撑支架(32)，所述第一支撑支架(32)定位在所述第一压缩机(22、122、722)的下游且定位在所述燃烧室(23)的上游，其中，所述第一转子设备包括所述第一压缩机(22、122、722)、所述第一轴(29、129)和所述第一涡轮机(24、124)。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述第一转子设备还附接到第二支撑支架(32b)，所述第二支撑支架(32b)定位在所述第一压缩机(122)的上游。
14.根据权利要求11和13所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述可变气流引导装置(133)附接到所述第二支撑支架(32b)。
15.根据权利要求8至11中任一项所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，与燃气涡轮发动机核心(25)在所述第一压缩机(122)上游处的半径相比，所述燃气涡轮发动机核心(25)沿所述第一压缩机(122)和所述第二压缩机(222)所重叠的距离处的半径更小。
16.根据权利要求13和15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，在下游方向上观察时，所述燃气涡轮发动机核心(25)的半径在所述第二支撑支架(32b)处或周围减小。
17.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮机(24、124)的涡轮机叶片(28、128)具有至少60°的出口叶片角度(β)。
18.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮机(24、124)的涡轮机叶片(28、128)具有大约45°或更小的拱度。
19.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮机(24、124)的涡轮机叶片(28、128)具有比所述第二涡轮机(224、624)的涡轮机叶片(228、628)更小的拱度和更小的厚度。
20.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述用于控制所述第一涡轮机(24、124)的转速的装置包括用于从所述第一轴(29、129)获取机械动力的设备。
21.根据权利要求20所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述用于获取机械动力的设备包括连接到所述第一轴(29、129)的发电机。
22.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，外壳(26)限定所述燃气涡轮发动机的发动机核心(25)，所述第一涡轮机(24、124)定位在所述发动机核心(25)内。
23.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机是布置用于驱动飞行器的涡扇发动机。
24.用于控制轴流式燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)内的气体流速的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
控制涡轮机(24、124)的转速，其中，所述涡轮机(24、124)适于根据所述涡轮机(24、124)的转速影响通过所述燃气涡轮发动机(1、100、500、600、700)的气体流速。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
调节可变气流引导装置(33、133、733)，所述可变气流引导装置(33、133、733)布置在刚性地旋转连接到所述涡轮机(24、124)的压缩机(22、122、722)的至少一行压缩机叶片(27、127a、127b、127c、127d、727)的上游。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
通过调节所述可变气流引导装置(33、133、733)来增大气流的反涡旋或减小气流的共涡旋，从而降低所述涡轮机(24、124)的转速。
27.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
从刚性地旋转连接到所述涡轮机(24、124)的轴(29、129)获取机械动力。
28.轴流式燃气涡轮发动机(100、500)，包括：
第一转子设备，包括第一压缩机(122)，和
第二转子设备，包括第二压缩机(222)，
其中，所述第一转子设备和第二转子设备同心地定位，且布置成在相反的方向上旋转，并且
其中，所述第一压缩机(122)包括布置成围绕所述第二压缩机(222)旋转的壳体(122b)，所述壳体(122b)设置有朝着所述第二压缩机(222)向内突出的多行压缩机叶片(127a、127b、127c、127d)，其中，所述第一压缩机(122)和所述第二压缩机(222)重叠，
其特征在于，
所述第二压缩机(222)在所述燃气涡轮发动机(100、500)的轴向方向上比所述第一压缩机(122)延伸更长的距离，从而所述第一压缩机和第二压缩机仅部分地重叠。
29.根据权利要求28所述的燃气涡轮发动机(100、500)，其特征在于，所述第二压缩机(222)具有多行压缩机叶片(227)，所述多行压缩机叶片(227)定位在所述第一压缩机(122)的最上游行的压缩机叶片(127a)的上游。
30.根据权利要求28或29所述的燃气涡轮发动机(100、500)，其特征在于，所述第一转子设备附接到第一支撑支架(32)，所述第一支撑支架(32)定位在所述第一压缩机(122)的下游。
31.根据权利要求29或30所述的燃气涡轮发动机(100、500)，其特征在于，所述第一转子设备还附接到第二支撑支架(32b)，所述第二支撑支架(32b)定位在所述第一压缩机(122)的上游并且定位在所述第二压缩机(222)的多行压缩机叶片(227)的下游。
32.根据权利要求28至31中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，与内部定位有所述叶片设备的发动机核心(25)在所述第一压缩机(122)上游处的半径相比，所述发动机核心(25)沿所述第一压缩机(122)和所述第二压缩机(222)所重叠的距离处的半径变得更小。
33.根据权利要求31和32所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发动机核心(25)的半径在下游方向上观察在所述第二支撑支架(32b)处或周围减小。
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