CN104105638A - 具有高速低压涡轮部段的燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机包括非常高速的低压涡轮，使得由低压涡轮的出口面积乘以低压涡轮旋转速度的平方限定出的量比用于高压涡轮的相同参数为大约0.5～大约1.5之间的比值。

Description

具有高速低压涡轮部段的燃气涡轮发动机
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年2月29日提交的美国临时申请No. 61/604,653的优先权，并且是2012年1月31日提交的且题为“GAS TURBINE ENGINE WITH HIGH SPEED LOW PRESSURE TURBINE SECTION”的美国专利申请No.13/363,154的部分继续申请。
技术领域
本申请涉及燃气涡轮发动机，其中比起现有技术的发动机，低压涡轮部段相对于高压涡轮部段的速度和离心拉应力以更高的速度和离心拉应力旋转。
背景技术
燃气涡轮发动机是公知的，并且通常包括风扇，其输送空气到低压压缩器部段中。空气在低压压缩器部段中被压缩，并被传送到高压压缩器部段中。从高压压缩器部段，空气被引入燃烧部段中，在这里它与燃料混合并被点燃。该燃烧的产物向下游传送经过高压涡轮部段，然后经过低压涡轮部段。
传统上，在许多现有技术的发动机上，低压涡轮部段是直接驱动低压压缩器部段和风扇两者。由于燃料消耗随风扇直径相对于核心直径增大而改善，所以行业中的趋势是增大风扇直径。然而，随着风扇直径增大，高风扇叶片叶尖速度可能导致效率因可压缩性影响而降低。相应地，风扇速度，从而低压压缩器部段和低压涡轮部段(两者在历史上都是经由低压转轴联接至风扇)的速度，是设计约束。最近，在低压转轴(低压压缩器部段和低压涡轮部段)与风扇之间提出了齿轮减速器，以便允许风扇以不同的更理想的速度旋转。
发明内容
在一特定实施例中，一种燃气涡轮发动机具有风扇和与风扇处于流体连通的压缩器部段。所述压缩器部段包括第一压缩器部段和第二压缩器部段。燃烧部段与所述压缩器部段处于流体连通。涡轮部段与所述燃烧部段处于流体连通。所述涡轮部段包括第一涡轮部段和第二涡轮部段。所述第一涡轮部段和所述第一压缩器部段沿第一方向旋转。所述第二涡轮部段和所述第二压缩器部段沿相反的第二方向旋转。所述第一涡轮部段在第一出口点处具有第一出口面积，并以第一速度旋转。所述第二涡轮部段在第二出口点处具有第二出口面积，并以第二速度旋转，所述第二速度高于所述第一速度。第一性能量被定义为第一平方速度与第一面积的乘积。第二性能量被定义为第二平方速度与第二面积的乘积。所述第一性能量与所述第二性能量的比值在大约0.5～大约1.5之间。在所述风扇与被所述第一涡轮部段驱动的低转轴之间包括齿轮减速器，使得所述风扇以低于所述第一涡轮部段的速度旋转。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述比值高于或等于大约0.8。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述比值高于或等于大约1.0。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述齿轮减速器使所述风扇沿所述相反的第二方向旋转。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述齿轮减速器使所述风扇沿所述第一方向旋转。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述齿轮减速器是行星齿轮减速器。
在根据前一实施例的另一实施例中，齿轮减速比大于大约2.3。
在根据前一实施例的另一实施例中，齿轮比大于大约2.5。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述风扇输送一部分空气到涵道管道中，并且涵道比被定义为输送到所述涵道管道中的那部分空气除以输送到所述第一压缩器部段中的空气量，且所述涵道比大于大约6.0。
在根据前一实施例的另一实施例中，涵道比大于大约10.0。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述风扇具有26个或更少的叶片。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述第一涡轮部段具有至少3个级。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述第一涡轮部段具有高达6个级。
在根据前一实施例的另一实施例中，穿过所述第一涡轮部段的压力比大于大约5:1。
在再一实施例中，一种燃气涡轮发动机的涡轮部段具有第一和第二涡轮部段。所述第一涡轮部段在第一出口点处具有第一出口面积，并以第一速度旋转。所述第一涡轮部段具有至少三个级。所述第二涡轮部段在第二出口点处具有第二出口面积，并以第二速度旋转，所述第二速度快于所述第一速度。所述第二涡轮部段具有两个或更少的级。第一性能量被定义为第一平方速度与第一面积的乘积。第二性能量被定义为第二平方速度与第二面积的乘积。所述第一性能量与所述第二性能量的比值在大约0.5～大约1.5之间。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述第一和第二涡轮部段被设计成相对于彼此沿相反方向旋转。
在根据前一实施例的另一实施例中，穿过所述第一涡轮部段的压力比大于大约5:1。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述性能量的比值高于或等于大约0.8。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述比值高于或等于大约1.0。
在根据前一实施例的另一实施例中，所述第一涡轮部段具有高达六个级。
附图说明
图1示出了燃气涡轮发动机。
图2示意性地示出了低和高转轴以及风扇驱动器的配置。
图3示意性地示出了替代方案的驱动配置。
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增强器部段(未示出)。风扇部段22沿着涵道流动路径B驱动空气，而压缩器部段24沿着核心流动路径C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，其包括三转轴结构。
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(或第一)压缩器部段44和低压(或第一)涡轮部段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(或第二)压缩器部段52和高压(或第二)涡轮部段54。燃烧器56配置在高压压缩器部段52与高压涡轮部段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部段54与低压涡轮部段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。如本文中所使用的，高压涡轮部段经受比低压涡轮部段更高的压力。低压涡轮部段是为风扇42提供动力的部段。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。高和低转轴可共同旋转或反向旋转。
核心空气流C被低压压缩器部段44压缩然后被高压压缩器部段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部段54和低压涡轮部段46。中间涡轮框架57包括翼59，其处于核心空气流路径中。涡轮部段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在一个示例中为高涵道比齿轮传动航空器发动机。涵道比是输送到涵道路径B中的空气量除以进入核心路径C中的空气量。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，并且低压涡轮部段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部段44的直径，并且低压涡轮部段46具有大于大约5:1的压力比。在一些实施例中，高压涡轮部段可以具有两个或更少的级。相比之下，低压涡轮部段46在一些实施例中具有3～6个级。此外，低压涡轮部段46的压力比是在低压涡轮部段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部段46的出口处的总压力。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。
当希望风扇与低压涡轮部段沿相同方向旋转时，则可以采用行星齿轮系统。另一方面，如果希望风扇沿与低压涡轮部段的旋转方向相反的方向旋转，则可以采用星型齿轮减速器。本领域的技术人员将意识到可用于燃气涡轮发动机设计者的相对于齿轮减速器的各种选项。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提供显著的推力量。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’)”。 TSFC是每小时燃烧的燃料的lbm除以发动机在该飞行状态时生成的推力的lbf的比率的工业标准参数。“低风扇压力比”是在风扇出口导向叶片之前仅穿过风扇叶片的总压力的比值。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[(环境空气温度°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”小于大约1150英尺/秒。此外，风扇42可以具有26个或更少的叶片。
出口面积400在图1和图2中被示为在用于高压涡轮部段54的出口位置处。用于低压涡轮部段的出口面积被限定在用于低压涡轮部段的出口401处。如图2中所示，涡轮发动机20可以是反向旋转的。这意味着：低压涡轮部段46和低压压缩器部段44沿一个方向旋转，而包括高压涡轮部段54和高压压缩器部段52的高压转轴32沿相反方向旋转。齿轮减速器48可以被选择成使得风扇42与如图2中所示的高转轴32沿相同方向旋转。
另一实施例在图3中示出。在图3中，风扇与低压转轴30沿相同方向旋转。为了实现该旋转，齿轮减速器48可以是行星齿轮减速器，其将使风扇42沿相同方向旋转。通过任一配置，并且通过如以上给出的其它结构，包括各种量和操作范围，能向低压转轴提供非常高的速度。常常通过观看作为用于涡轮部段的出口面积乘以其相应的平方速度的性能量，来评估低压涡轮部段和高压涡轮部段的操作。该性能量(“PQ”)被定义为：
公式1： PQltp = (Alpt x Vlpt 2)
公式2： PQhpt = (Ahpt x Vhpt 2)
其中，Alpt是低压涡轮部段在其出口处(例如，401处)的面积，其中Vlpt是低压涡轮部段的速度，其中Ahpt是高压涡轮部段在其出口处(例如，400处)的面积，并且其中Vhpt是低压涡轮部段的速度。
因此，用于低压涡轮部段的性能量比用于高压涡轮部段的性能量的比值为：
公式3： (Alpt x Vlpt 2)/(Ahpt x Vhpt 2) = PQltp/ PQhpt
在根据以上设计制造的一个涡轮实施例中，低压和高压涡轮部段的面积分别为557.9in2(平方英寸)和90.67in2。此外，低压和高压涡轮部段的速度分别为10179rpm和24346rpm。因此，使用以上的公式1和2，用于低压和高压涡轮部段的性能量为：
公式1： PQltp = (Alpt x Vlpt 2) = (557.9 in2)(10179 rpm)2 = 57805157673.9 in2 rpm2
公式2： PQhpt = (Ahpt x Vhpt 2) = (90.67 in2)(24346 rpm)2 = 53742622009.72 in2 rpm2
并且使用以上的公式3，用于低压涡轮部段对高压涡轮部段的比值为：
比值= PQltp/ PQhpt = 57805157673.9 in2 rpm2/53742622009.72 in2 rpm2 =1.075。
在另一实施例中，比值为大约0.5，并且在另一实施例中，比值为大约1.5。在PQltp/PQhpt比值在0.5-1.5范围中的情况下，实现了非常有效的总体燃气涡轮发动机。更具体地，高于或等于大约0.8的PQltp/PQhpt比值更有效。进一步更具体地，高于或等于1.0的PQltp/PQhpt比值进一步更有效。作为这些PQltp/PQhpt比值的结果，特别地，涡轮部段可被制造成远小于现有技术中的，在直径和轴向长度上都如此。另外，总体发动机的效率被极大地提高。
低压压缩器部段也通过该配置得到改善，并且表现为更类似高压压缩器部段而不是传统的低压压缩器部段。它比现有技术更有效，并且能以更少的级提供更多的功。低压压缩器部段可以在半径上被做得更小并在长度上被做得更短，同时对实现发动机的总压力比设计目标贡献更多。另外，作为结合齿轮减速器在低压涡轮部段和低压压缩器部段中的效率提高的结果，风扇的速度可得到最佳化，以提供最大的总体推进效率。
虽然已经参考一个实施例公开了本发明，但是应该明白的是：某些变型将进入本发明的范围内。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 (20)

1. 一种燃气涡轮发动机，包括：
风扇；
压缩器部段，其与所述风扇处于流体连通，所述压缩器部段包括第一压缩器部段和第二压缩器部段；
燃烧部段，其与所述压缩器部段处于流体连通；
涡轮部段，其与所述燃烧部段处于流体连通；
其中，所述涡轮部段包括第一涡轮部段和第二涡轮部段；所述第一涡轮部段和所述第一压缩器部段沿第一方向旋转，并且其中所述第二涡轮部段和所述第二压缩器部段沿相反的第二方向旋转；
其中，所述第一涡轮部段在第一出口点处具有第一出口面积，并以第一速度旋转；
其中，所述第二涡轮部段在第二出口点处具有第二出口面积，并以第二速度旋转，所述第二速度高于所述第一速度；
其中，第一性能量被定义为第一平方速度与第一面积的乘积；
其中，第二性能量被定义为第二平方速度与第二面积的乘积；
其中，所述第一性能量与所述第二性能量的比值在大约0.5～大约1.5之间；并且
其中，在所述风扇与被所述第一涡轮部段驱动的低转轴之间包括齿轮减速器，使得所述风扇以低于所述第一涡轮部段的速度旋转。
2. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述比值高于或等于大约0.8。
3. 如权利要求7所述的发动机，其中，所述比值高于或等于大约1.0。
4. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述齿轮减速器使所述风扇沿所述相反的第二方向旋转。
5. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述齿轮减速器使所述风扇沿所述第一方向旋转。
6. 如权利要求5所述的发动机，其中，所述齿轮减速器是行星齿轮减速器。
7. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述齿轮减速器的齿轮比大于大约2.3。
8. 如权利要求7所述的发动机，其中，所述齿轮比大于大约2.5。
9. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述风扇输送一部分空气到涵道管道中，并且涵道比被定义为输送到所述涵道管道中的那部分空气除以输送到所述第一压缩器部段中的空气量，且所述涵道比大于大约6.0。
10. 如权利要求9所述的发动机，其中，所述涵道比大于大约10.0。
11. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述风扇具有26个或更少的叶片。
12. 如权利要求1所述的发动机，其中，所述第一涡轮部段具有至少三个级。
13. 如权利要求12所述的发动机，其中，所述第一涡轮部段具有高达六个级。
14. 如权利要求1所述的发动机，其中，穿过所述第一涡轮部段的压力比大于大约5:1。
15. 一种燃气涡轮发动机的涡轮部段，包括：
第一涡轮部段；
第二涡轮部段；
其中，所述第一涡轮部段在第一出口点处具有第一出口面积，并以第一速度旋转，所述第一涡轮部段具有至少3个级；
其中，所述第二涡轮部段在第二出口点处具有第二出口面积，并以第二速度旋转，所述第二速度快于所述第一速度，所述第二涡轮部段具有2个或更少的级；
其中，第一性能量被定义为第一平方速度与第一面积的乘积；
其中，第二性能量被定义为第二平方速度与第二面积的乘积；并且
其中，所述第一性能量与所述第二性能量的比值在大约0.5～大约1.5之间。
16. 如权利要求15所述的涡轮部段，其中，所述第一和第二涡轮部段被设计成相对于彼此沿相反方向旋转。
17. 如权利要求15所述的涡轮部段，其中，穿过所述第一涡轮部段的压力比大于大约5:1。
18. 如权利要求15所述的涡轮部段，其中，所述性能量的所述比值高于或等于大约0.8。
19. 如权利要求18所述的涡轮部段，其中，所述比值高于或等于大约1.0。
20. 如权利要求15所述的涡轮部段，其中，所述第一涡轮部段具有高达六个级。
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