CN104081024A - 具有反向旋转轴的齿轮传动涡扇发动机 - Google Patents

具有反向旋转轴的齿轮传动涡扇发动机 Download PDF

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Abstract

中间涡轮框架被包含到燃气涡轮发动机的涡轮部段中，处于高压涡轮与低压涡轮中间。高压和低压涡轮沿相反方向旋转。中间涡轮框架带有多个叶片，用以重新引导高压涡轮下游的流动，这是在它接近低压涡轮时。在另一特征中，功率密度被定义为推力除以涡轮部段的体积，并且功率密度为大约1.5lbf每立方英寸。

Description

具有反向旋转轴的齿轮传动涡扇发动机
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年1月31日提交美国临时专利申请No. 61/592,879的优先权。
技术领域
本申请涉及齿轮传动涡扇燃气涡轮发动机，其中低压和高压转轴(spool)相对于彼此反向旋转。
背景技术
燃气涡轮发动机是公知的，并且通常包括风扇，其将空气输送到压缩器部段中，并且向外作为涵道空气以提供推进力。压缩器中的空气被输送到燃烧部段中，在这里它与燃料混合并燃烧。该燃烧的产物向下游传送经过涡轮转子，从而驱动它们旋转。通常存在低压和高压压缩器，以及低压和高压涡轮。
高压涡轮通常驱动作为高转轴的高压压缩器，而低压涡轮驱动低压压缩器和风扇。历史上，风扇和低压压缩器以同一速度被驱动。
最近，齿轮减速器(gear reduction)已经被提供在低压转轴上，使得风扇和低压压缩器能以不同速度旋转。希望的是具有更有效的发动机，其具有更紧凑的涡轮来限制效率损失。
发明内容
在一特定实施例中，一种燃气涡轮发动机涡轮具有：高压涡轮，其被构造成与高压压缩器一起作为高压转轴沿第一方向围绕中心轴线旋转。低压涡轮被构造成与低压压缩器一起作为低压转轴沿第二方向围绕所述中心轴线旋转。中间涡轮框架支承所述高压涡轮，并包括支承所述高压涡轮的第一轴承、和在所述高压涡轮与所述低压涡轮之间的位置处支承所述第一轴承的撑杆。多个叶片关联于所述低压涡轮的第一级。所述多个叶片被包含到所述中间涡轮框架中。
在根据前一实施例的另一实施例中，功率密度大于或等于大约1.5并且小于或等于大约5.5 lbf/立方英寸。
在根据前一实施例的另一实施例中，风扇经由速度改变机构连接至所述低压转轴，并沿所述第一方向旋转。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述高压转轴还被推力轴承支承在所述高压压缩器处，并且通过第二撑杆相对于所述外部壳体得到支承，所述第二撑杆形成转轴的骑跨安装配置。
在根据前一实施例的另一实施例中，螺母从所述外部核心壳体固定多个撑杆。
在根据前一实施例的另一实施例中，支承腿部从所述叶片沿径向向内延伸，并连接至所述中间涡轮框架。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述腿部的径向内端在径向内侧位置处栓接至所述中间涡轮框架的一部分。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述径向内端在所述第一轴承的径向外侧。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述多个叶片被构造为单行。
在另一特定实施例中，一种燃气涡轮发动机具有风扇部段、压缩器部段和涡轮部段。所述涡轮部段具有体积。所述风扇部段、压缩器部段和涡轮部段被操作地连接以生成推力，使得以磅力表示的所述推力与以立方英寸表示的所述涡轮部段的体积的比值大于或等于大约1.5。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述比值大于或等于大约2.0，其再次以磅力除以立方英寸来表示。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述比值大于或等于大约4.0。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述比值大于或等于1.5并且小于或等于大约5.5。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述涡轮部段包括低压涡轮和高压涡轮。低压和高压涡轮沿相反方向旋转。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述低压涡轮通过齿轮减速器来驱动风扇，使得所述风扇与所述高压涡轮沿相同方向旋转。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述风扇部段输送一部分空气到涵道管道中并且输送一部分空气到所述压缩器部段中作为核心流，并具有大于6的涵道比。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述推力是海平面起飞平额定静推力。
在另一特定实施例中，一种燃气涡轮发动机具有风扇，其输送空气到低压压缩器中，以及到涵道管道中。低压压缩器压缩空气，并输送空气到高压压缩器中。来自高压压缩器的空气被输送到燃烧部段中，在这里它与燃料混合并点燃。燃烧的产物向下游传送经过高压涡轮，然后经过低压涡轮。高压涡轮被构造成与高压压缩器一起作为高压转轴围绕中心轴线沿第一方向旋转。低压涡轮被构造成与低压压缩器一起作为低压转轴围绕中心轴线沿相反于第一方向的第二方向旋转。风扇通过减速机构被低压涡轮驱动，使得风扇和低压压缩器以不同速度旋转。齿轮减速器为使得风扇沿第一方向旋转。中间涡轮框架包括第一轴承，其相对于燃气涡轮发动机的外部核心壳体支承高压涡轮。中间涡轮框架包括撑杆，其在高压涡轮的下游端与低压涡轮的上游端中间的位置处支承第一轴承。多个叶片定位在所述低压涡轮的第一级的上游，并且所述多个叶片被包含到所述中间涡轮框架中。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述叶片定位在撑杆的下游。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述高压转轴还被第二轴承支承在所述高压压缩器的上游端处，并且通过第二撑杆以骑跨安装配置相对于外部壳体被支承。
在根据前一实施例的另一实施例中，功率密度大于或等于大约1.5并且小于或等于大约5.5 lbf/立方英寸。
在根据前一实施例的另一实施例中，涵道比大于6。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述齿轮减速器的齿轮比大于或等于大约2.0:1，并且小于或等于大约3.5:1。
这些以及其它特征可以从以下附图和说明书中得到最佳的理解。
附图说明
图1示意性地示出了燃气涡轮发动机。
图2示意性地示出了一种类型的这种发动机的旋转特征。
图3是被包含到图2的发动机中的撑杆的详情。
图4是涡轮部段体积的详情。
具体实施方式
图1示意性地示出了燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机20在本文被公开为二转轴涡扇，其一般包含风扇部段22、压缩器部段24、燃烧器部段26和涡轮部段28。除其它系统或特征外，替代方案的发动机还可以包括例如三个转轴、增强器部段、或不同配置的部段。风扇部段22沿着涵道流动路径驱动空气，而压缩器部段24沿着核心流动路径驱动空气，以进行压缩并连通到燃烧器部段26中，然后膨胀穿过涡轮部段28。尽管在所公开的非限制性实施例中被描绘为涡扇燃气涡轮发动机，但是应该明白的是：本文所描述的构思并不局限于用于涡扇，因为教导可以应用于其它类型的涡轮发动机。
发动机20通常包括低速转轴30和高速转轴32，其安装成经由数个轴承系统38相对于发动机静态结构36围绕发动机中心纵向轴线A旋转。应该明白的是：可以替代地或附加地提供处于各个位置处的各个轴承系统38。
低速转轴30通常包括内轴40，其互连风扇42、低压压缩器44和低压涡轮46。内轴40通过齿轮传动结构48连接至风扇42，来以比低速转轴30低的速度驱动风扇42。高速转轴32包括外轴50，其互连高压压缩器52和高压涡轮54。燃烧器56配置在高压压缩器52与高压涡轮54之间。发动机静态结构36的中间涡轮框架57一般配置在高压涡轮54与低压涡轮46之间。中间涡轮框架57进一步支承涡轮部段28中的轴承系统38。内轴40和外轴50是同心的，并且围绕与它们的纵向轴线共线的发动机中心纵向轴线A经由轴承系统38旋转。
核心空气流C被低压压缩器44压缩然后被高压压缩器52压缩，与燃烧器56中的燃料混合并燃烧，然后膨胀穿过高压涡轮54和低压涡轮46。中间涡轮框架57包括真实翼59，其处于核心空气流路径中，并用作入口定子叶片，以使流体转向来恰当地供给低压涡轮的第一叶片。涡轮46、54响应于膨胀而旋转地驱动相应的低速转轴30和高速转轴32。
发动机20具有涵道空气流B，并且在一个示例中为高涵道比齿轮传动航空器发动机。涵道比可以被定义为输送到涵道管道中的空气量除以输送到核心流中的量。在再一示例中，发动机20的涵道比大于大约六(6)，且一示例性实施例为大于十(10)，齿轮传动结构48是周转圆(epicyclic)齿轮系，比如行星齿轮系统或其它齿轮系统，其齿轮减速比大于大约2.3，并且低压涡轮46具有大于大约5的压力比。在一个所公开的实施例中，发动机20的涵道比大于大约十(10:1)，风扇直径显著大于低压压缩器44的直径，并且低压涡轮46和低压涡轮具有大于大约5:1的压力比。低压涡轮46的压力比是在低压涡轮46的入口之前测得的总压力相比于在排气喷嘴之前的低压涡轮46的出口处的压力。齿轮传动结构48可以是周转圆齿轮系，比如行星齿轮系统或其它齿轮系统，其齿轮减速比大于大约2.5:1。然而，应该理解的是：以上参数只是齿轮传动结构发动机的一个实施例的示例，并且本发明适用于包括直接驱动型涡扇的其它燃气涡轮发动机。
由于高涵道比而由涵道流B提供最大的推力量。发动机20的风扇部段22被设计为用于特定飞行状态--通常巡航在大约0.8马赫和大约35,000英尺。发动机处于其最佳燃料消耗量的、0.8马赫和35,000英尺的飞行状态--也称为“急速巡航单位推力燃料消耗量(‘TSFC’)”--是每小时燃烧的燃料的lbm除以发动机在该最小点处产生的推力的lbf的工业标准参数。“低风扇压力比”是在风扇出口导向叶片(FEGV)系统之前仅穿过风扇叶片的压力比。如本文中根据一个非限制性实施例所公开的低风扇压力比小于大约1.45。“低修正风扇叶尖速度”是实际风扇叶尖速度(单位为英尺/秒)除以工业标准温度修正量[(Tram °R)/518.7)^0.5]。如本文中根据一个非限制性实施例所公开的“低修正风扇叶尖速度”在相同巡航点处小于大约1150英尺/秒。
图2示出了发动机120的细节，其可以一般具有图1的发动机20的特征。风扇122定位在低压压缩器124的上游，所述低压压缩器124在高压压缩器126的上游。燃烧器128定位在高压压缩器的下游。第一撑杆(strut)57/38安装轴承来支承高压涡轮32。中间涡轮框架，其还包含空气转动叶片59，定位在高压涡轮的下游端，并支承轴承来支承高压涡轮130的尾端和高压转轴132。低压涡轮134定位在中间涡轮框架142的下游。低压转轴136通过低压涡轮134驱动低压压缩器124。速度改变机构48使风扇122以不同于低压压缩器134的速度旋转。在本发明的实施例中，速度改变机构的速度输入对输出比高于或等于2.0:1，并且高达小于或等于13:1。齿轮还使风扇122相对于低压压缩器124沿相反方向旋转。在该实施例中，风扇通常具有小于26个的叶片，并且低压涡轮具有至少三个级，并且高达六个级。高压涡轮如所示通常具有一个或两个级。
在该特定实施例中，低压压缩器124和低压涡轮134沿一个方向旋转，而高压涡轮130、高压压缩器126和风扇122沿相反方向旋转。
通过这种配置，有必要重新引导高压涡轮134下游接近低压涡轮134的第一级的流体。
图3示出了中间涡轮框架142的特定实施例。如所示，核心发动机的外部壳体152通过压锁螺母(press nut)170安装撑杆150。应该明白的是：它们是多个沿周向间隔开的撑杆150。撑杆150向内延伸至支承结构154和155，其支承轴承300。如所示，高轴232还被处于高压压缩器126前方的撑杆140支承在另一轴承上。140处的撑杆和轴承可以组合以保持由高压缩器和高涡轮生成的净转子轴向载荷，并且是推力轴承。 140处的撑杆和轴承与142处的撑杆和轴承的组合一起以所谓的“骑跨安装”方式保持高转轴，其中高转轴仅被支承在这两个结构之间。
叶片158定位成处于低压涡轮134的第一级的上游。虽然示出了单个叶片158，但是应该明白的是：其应为多个沿周向间隔开的叶片158。叶片重新引导高压涡轮142下游的流动，这是在它接近低压涡轮134的第一级时。如能够理解的，由于两个涡轮部段130和134沿相反方向旋转，所以从LPT效率观点来说希望使该流动被真实翼精确地重新引导，而不仅仅是流线型形状。因此，穿过142的撑杆的截面将具有带弧面的空气转向翼的形状，并且不存在其它翼来将空气流恰当地对齐到低压涡轮134中。
如在该实施例中示出的，叶片158被包含到中间涡轮框架142中。如所示，腿部160沿径向向内延伸，并且在162处被栓接至中间涡轮框架142的一部分164。腿部160的径向内端在轴承156的径向外侧。
通过将真实的空气转向叶片158包含到框架142中，而不是流线型撑杆和在撑杆之后的定子叶片行，组合涡轮部段的总长度和体积得到降低，因为叶片158发挥三个功能：流线化支承撑杆150，防止撑杆和服务于轴承的任何油管暴露于热，以及第三将流动精确地转向到LPT 134中，使得它以正确的流动角度进入旋转的翼。此外，通过将这些特征包含在一起，涡轮部段的总体组件和配置还在体积上进一步减小。
以上特征相对于现有技术实现或多或少紧凑的涡轮部段体积，包括高和低压涡轮，可选择一系列的材料。作为一个示例，通过改变用于形成低压涡轮的材料，可通过使用更昂贵且更不常见的工程材料来减小体积，或者替代地，可利用较低价格的材料。在三个示例性实施例中，低压涡轮的第一旋转叶片可为定向凝固铸造叶片、单晶铸造叶片或空心的内冷式叶片。通过增加低压涡轮速度，所有三个实施例都将改变涡轮体积，以显著地小于现有技术。
由于紧凑的涡轮部段，功率密度，其可以被定义为所生成的单位为磅力(pounds force)的推力除以整个涡轮部段的体积，可以被最佳化。涡轮部段的体积可以由高压涡轮中的第一涡轮叶片的入口到低压涡轮中的最后一个旋转翼的出口来限定出，并且可以用立方英寸来表示。 发动机的平额定(flat rated)海平面起飞状态时的静推力除以涡轮部段体积被定义为功率密度。海平面起飞平额定静推力可以被定义为lbs(磅)力，而体积可以是从高压涡轮中的第一涡轮叶片140的环形入口到低压涡轮中最后一个转子部段的下游端的环形出口的体积。最大推力可以为海平面起飞推力“SLTO推力”，其通常被定义为由涡扇在海平面处生成的平额定静推力。
涡轮部段的体积V可以从图4得到最佳理解。如所示，撑杆150在高压涡轮部段130与低压涡轮部段134中间(intermediate)。体积V由虚线示出，并且从内周缘I延伸到外周缘O。内周缘在一定程度上由转子的流动路径以及由叶片的内平台流动路径限定出。外周缘由定子叶片和沿着流动路径的外空气密封结构限定出。体积从叶片400的最上游端通常为其前边缘延伸，并延伸到低压涡轮部段134中的最后一个旋转翼的最下游边缘401。通常，这将为该翼的后边缘。
所公开的燃气涡轮发动机中的功率密度远高于现有技术中的。以下示出八个示例性发动机，其包含如在本申请中给出的涡轮部段和总体发动机驱动系统和结构，并且可在如下的表I中找到：
表1
发动机 推力SLTO(lbf) 起自入口的涡轮部段体积 推力/涡轮部段体积(lbf/in^3)
1 17,000 3,859 4.4
2 23,300 5,330 4.37
3 29,500 6,745 4.37
4 33,000 6,745 4.84
5 96,500 31,086 3.1
6 96,500 62,172 1.55
7 96,500 46,629 2.07
8 37,098 6,745 5.50
因此，在实施例中，功率密度将大于或等于大约1.5 lbf/in^3。更具体地，功率密度将大于或等于大约2.0 lbf/in^3。
进一步更具体地，功率密度将大于或等于大约3.0 lbf/in^3。
更具体地，功率密度大于或等于大约4.0 lbf/in^3。
此外，在实施例中，功率密度小于或等于大约5.5 lbf/in^3。
以所公开的结构制成、并且包括如在本申请中给出的涡轮部段、并且具有来自本申请中的权利要求的范围的变型的发动机因此相对于它们的信任容量提供非常高效的操作、以及增加的燃料效率和轻重量。
尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员将意识到某些修改将进入本申请的范围内。因此，应该研究后附权利要求书来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (23)

1. 一种燃气涡轮发动机涡轮，包括：
高压涡轮，其被构造成与高压压缩器一起作为高压转轴沿第一方向围绕中心轴线旋转；
低压涡轮，其被构造成与低压压缩器一起作为低压转轴沿第二方向围绕所述中心轴线旋转；
中间涡轮框架，其用于支承所述高压涡轮，所述中间涡轮框架包括支承所述高压涡轮的第一轴承、和在所述高压涡轮与所述低压涡轮之间的位置处支承所述第一轴承的撑杆；和
多个叶片，其关联于所述低压涡轮的第一级，所述多个叶片被包含到所述中间涡轮框架中。
2. 如权利要求1所述的发动机，包括：功率密度，其大于或等于大约1.5，并且小于或等于大约5.5 lbf/立方英寸。
3. 如权利要求1所述的发动机，其中，风扇经由速度改变机构连接至所述低压转轴，并沿所述第一方向旋转。
4. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述高压转轴还被推力轴承支承在所述高压压缩器处，并且通过第二撑杆相对于所述外部壳体得到支承，所述第二撑杆形成转轴的骑跨安装配置。
5. 如权利要求1所述的发动机，其中，螺母从所述外部核心壳体固定多个撑杆。
6. 如权利要求1所述的发动机，其中，支承腿部从所述叶片沿径向向内延伸，并连接至所述中间涡轮框架。
7. 如权利要求6所述的发动机，其中，所述腿部的径向内端在径向内侧位置处栓接至所述中间涡轮框架的一部分。
8. 如权利要求7所述的发动机，其中，所述径向内端在所述第一轴承的径向外侧。
9. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述多个叶片被构造为单行。
10. 一种燃气涡轮发动机，包括：
风扇部段、压缩器部段和涡轮部段；
所述涡轮部段具有体积；并且
所述风扇部段、压缩器部段和涡轮部段被操作地连接以生成推力，使得以磅力表示的所述推力与以立方英寸表示的所述涡轮部段的体积的比值大于或等于大约1.5。
11. 如权利要求10所述的发动机，其中，所述比值大于或等于大约2.0，其再次以磅力除以立方英寸来表示。
12. 如权利要求11所述的发动机，其中，所述比值大于或等于大约4.0。
13. 如权利要求10所述的发动机，其中，所述比值大于或等于1.5并且小于或等于大约5.5。
14. 如权利要求10所述的发动机，其中，所述涡轮部段包括低压涡轮和高压涡轮，并且所述低压涡轮和高压涡轮沿相反方向旋转。
15. 如权利要求14所述的发动机，其中，所述低压涡轮通过齿轮减速器来驱动风扇，并且使得所述风扇与所述高压涡轮沿相同方向旋转。
16. 如权利要求10所述的发动机，其中，所述风扇部段输送一部分空气到涵道管道中并且输送一部分空气到所述压缩器部段中作为核心流，并具有大于6的涵道比。
17. 如权利要求10所述的发动机，其中，所述推力是海平面起飞平额定静推力。
18. 一种燃气涡轮发动机，包括：
风扇，所述风扇将空气输送到低压压缩器中，以及到涵道管道中，低压压缩器压缩空气并将空气输送到高压压缩器中，来自所述高压压缩器的空气被输送到燃烧部段中，在这里它与燃料混合并被点燃，并且燃烧的产物传送到下游经过高压涡轮，然后经过低压涡轮；
所述高压涡轮被构造成与所述高压压缩器一起作为高压转轴围绕中心轴线沿第一方向旋转，所述低压涡轮被构造成与所述低压压缩器一起作为低压转轴围绕所述中心轴线沿相反于所述第一方向的第二方向旋转；
所述风扇通过减速机构被所述低压涡轮驱动，并使得所述风扇和所述低压压缩器以不同速度旋转，并且所述齿轮减速器为使得所述风扇旋转沿所述第一方向旋转；
用于所述高压涡轮的中间涡轮框架，所述中间涡轮框架包括相对于所述燃气涡轮发动机的外部核心壳体支承所述高压涡轮的第一轴承，所述中间涡轮框架包括在所述高压涡轮的下游端与所述低压涡轮的上游端中间的位置处支承所述第一轴承的撑杆；和
多个叶片，其定位在所述低压涡轮的第一级的上游，并且所述多个叶片被包含到所述中间涡轮框架中。
19. 如权利要求18所述的发动机，其中，所述叶片定位在所述撑杆的下游。
20. 如权利要求18所述的发动机，其中，所述高压转轴还通过第二轴承被支承在所述高压压缩器的上游端，并且以骑跨安装配置通过第二撑杆相对于外部壳体被支承。
21. 如权利要求18所述的发动机，具有功率密度，该功率密度大于或等于大约1.5并且小于或等于大约5.5 lbf/立方英寸。
22. 如权利要求18所述的发动机，具有大于6的涵道比。
23. 如权利要求18所述的发动机，其中，所述齿轮减速器的齿轮比大于或等于大约2.0:1，并且小于或等于大约3.5:1。
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