CN104136721B - 涡轮发动机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种涡轮发动机包括轴，风扇，安装在轴上并且旋转地支撑风扇的至少一个轴承，联接以驱动风扇的风扇驱动齿轮系统，围绕所述至少一个轴承的轴承隔舱，以及与轴承隔舱外面的区域连通的增压空气的源。

Description

涡轮发动机及其操作方法

与相关申请的交叉引用

本公开是2010年2月19日提交的美国专利申请No.12/708,621的部分继续申请。

技术领域

本发明通常涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及一种用于向燃气涡轮发动机中的轴承隔舱和轴供应缓冲空气和通风空气的系统。

背景技术

在典型的多轴旁路喷气涡轮发动机中，一个轴支撑了低压压缩机和低压涡轮的转子，并且另一轴支撑了高压压缩机和高压涡轮的转子。通常，每个轴由轴承支撑，并且每个轴承由强制润滑系统润滑，强制润滑系统循环由泵喂给的润滑油。

在强制润滑系统中，从高压压缩机吸取高压空气并且导入轴承隔舱的油料密封件的外面以保持轴承隔舱的内部处于比其紧邻外界更低的压力。该压力差防止润滑油泄漏到轴承隔舱外面。特别地，利用了从高压压缩机吸取的高压缓冲空气，因为至少一个轴承隔舱位于高压环境中，在高压环境中来自低压压缩机的缓冲空气无法在低功率发动机工作条件下提供足够的隔舱增压。不幸地是，从高压压缩机吸取的缓冲空气太过热并且需要在更高功率发动机工作条件下冷却。因此，需要专用冷却器以降低缓冲空气的温度。该冷却器向发动机增添了额外的重量并且可以难以包装在特别是更小的发动机模型中。

发明内容

根据示例性实施方式的所公开的示例涡轮发动机包括轴，风扇，安装在轴上并且旋转地支撑风扇的至少一个轴承，联接以驱动风扇的风扇驱动齿轮系统，围绕至少一个轴承的轴承隔舱，以及与轴承隔舱外面的区域连通的增压空气的源。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，风扇驱动齿轮系统包括行星齿轮系。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，行星齿轮系具有大于或等于约2.3的齿轮减速比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，涡轮发动机、行星齿轮系具有大于或等于2.3的齿轮减速比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，行星齿轮系具有大于或等于约2.5的齿轮减速比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，行星齿轮系具有大于或等于2.5的齿轮减速比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，风扇关于旁路空气流和核心空气流限定了大于约十（10）的旁路比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，风扇关于旁路空气流和核心空气流限定了大于10.5:1的旁路比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，风扇关于旁路空气流和核心空气流限定了大于十（10）的旁路比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，风扇限定了小于约1.45的压力比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，风扇限定了小于1.45的压力比。

在前述涡轮发动机的另一实施方式中，核心压缩机区段是增压空气的源。

涡轮发动机包括轴、风扇、安装在轴上并且旋转地支撑风扇的至少一个轴承、联接以驱动风扇的风扇驱动齿轮系统、以及围绕至少一个轴承的轴承隔舱，根据示例性实施方式的操作涡轮发动机的所公开方法包括向轴承隔舱外面的区域提供增压空气以在轴承隔舱外面的区域与轴承隔舱的内部之间建立正压力差的步骤。

在前述方法的另一实施方式中，风扇驱动齿轮系统包括行星齿轮系。

在前述方法的另一实施方式中，行星齿轮系具有大于或等于约2.3的齿轮减速比。

在前述方法的另一实施方式中，包括从核心压缩机区段提供增压空气的步骤。

尽管不同示例具有在说明书中示出的具体部件，但是本发明的实施方式并非限定于那些特定组合。可能的是使用来自一个示例的一些部件或特征与另一示例的特征或部件相组合。

可以从以下说明书和附图最佳地理解本文所公开的这些和其他特征，以下是附图简要说明。

附图说明

图1是具有由附加变速箱驱动的离心压缩机的燃气涡轮发动机的示意性局部剖视图。

图2是图1的燃气涡轮发动机的缓冲器和通风空气系统的示意图。

具体实施方式

本申请描述了用于燃气涡轮发动机的轴承隔舱和轴的新的增压和通风系统。特别地，本申请描述了一种用于向燃气涡轮发动机的轴承隔舱和/或轴提供缓冲和/或通风空气的组件和方法。所描述的燃气涡轮发动机包括将来自燃气涡轮发动机的低压压缩机区段和/或风扇区段的排出空气压缩的专用离心压缩机。被压缩空气输送至发动机核心以缓冲轴承隔舱和/或通风一个或多个轴。离心压缩机比传统的轴向压缩机阵列更高效地将排出空气压缩至更高压力，因为其避免了在压缩机壳处的传统的轴向压缩机阵列所经历的动能损失和节流损失。通过采用离心压缩机，空气从风扇区段和/或低压压缩机区段吸取并且压缩至所需的最优压力和温度，由此无需在冷却器内冷却。该布置也减小了如前所述在低功率发动机工作条件下轴承隔舱增压不足的可能性。离心压缩机的流速和压力比需求足够低以允许可以安装在诸如发动机核心的各种位置处的紧凑设计，并且允许离心压缩机集成作为由变速箱所驱动的附件。

图1示出了燃气涡轮发动机10的一部分的示意性局部剖视图。燃气涡轮发动机10具有轴承隔舱12A和12B，容纳支撑轴14A和14B的抗摩擦轴承。燃气涡轮发动机10限定在发动机中心线CL周围，多个发动机区段围绕中心线旋转。在图1中，仅示出了燃气涡轮发动机10的一部分，包括转子区段16、风扇区段18、低压压缩机（LPC）区段20、和高压压缩机（HPC）区段22。燃气涡轮发动机10示出为具有双转子布置的高旁路比涡扇发动机，其中风扇区段18和LPC 20通过转子16、风扇驱动齿轮系统15和轴14A连接至低压涡轮区段（未示出），而高压压缩机区段22通过第二轴14B连接至高压涡轮区段（未示出）。燃气涡轮发动机、特别是涡扇发动机的通常结构和工作在本领域是已知的，并且因此无需在此讨论细节。然而，应该注意的是，图1中仅借由示例而非限制示出了发动机10。本发明也适用于各种其他燃气涡轮发动机配置结构，例如诸如不具有风扇驱动齿轮系统的涡扇发动机以及涡轮旋桨发动机。

在一个示例中，燃气涡轮发动机10是高旁路齿轮传动体系架构的飞行器发动机。在一个所公开的非限制性实施方式中，发动机10具有大于约六（6）至十（10）的旁路比，风扇驱动齿轮系统15是行星齿轮系并且包括具有大于约2.3或大于约2.5的齿轮减速比的行星齿轮系统或其他齿轮系统，以及发动机10的低压涡轮具有大于约5的压力比。在一个所公开的实施方式中，发动机10旁路比大于约十（10:1）或者大于约10.5:1，风扇转子24直径明显大于压缩机区段20/22的低压压缩机的直径，并且低压涡轮具有大于约5:1的压力比。在一个示例中，行星齿轮系具有大于约2.3:1或者大于约2.5:1的齿轮减速比。然而，应该理解的是，上述参数仅是齿轮传动体系架构发动机的一个示例性实施方式，并且本发明适用于包括直接驱动涡扇的其他燃气涡轮发动机。

由于高旁路比而由旁路流B提供了巨大量的推力。发动机10的风扇设计用于特定飞行条件－通常在约0.8M和约35,000英尺下巡航。发动机处于其最佳燃料消耗的0.8M和35,000英尺的飞行条件－也已知为“bucket cruise TSFC”- 是燃烧的燃料磅质量（lbm）除以由处于该最小点处发动机产生的磅推力(lbf)的工业标准参数。“低风扇压力比”是单独在风扇叶片之上的压力比。根据一个非限制性实施方式在本文所公开的低风扇压力比小于约1.45。“低校正风扇尖端速度”是以英尺/秒为单位的实际风扇尖端速度除以[（环境温度度数R（ Tambient deg R））/518.7）^0.5 ]的工业标准温度校正系数。根据一个非限制性实施方式在本文所公开的“低校正风扇尖端速度”小于约1150英尺/秒。

除了风扇区段18、低压压缩机区段20和高压压缩机区段22之外，燃气涡轮发动机10还包括风扇转子24，外部壳26，旁路导管27，内部风扇壳28，中间壳30，附件变速箱32，离心压缩机34，以及径向驱动轴36。内部风扇导管28和中间壳30限定了核心隔舱38。

空气在穿过风扇24之后进入涡轮发动机10的风扇区段18，在此处空气被分为主要空气Ar流和旁路空气AB流。旁路空气AB在外部壳26里面并且沿着内部风扇壳28流动，并且最终排出旁路导管27和发动机10。风扇24径向的布置在外部壳26的里面，并且通过轴14和风扇驱动齿轮系统15而由低压涡轮（未示出）旋转以加速穿过风扇区段18的旁路空气AB，由此产生了发动机10的推力输出的绝大部分。

引导主要空气Ar（也已知为气体路径空气）首先穿过低压压缩机区段20（部分地被中间壳30约束）并且随后穿过高压压缩机区段22。如图1所示，附件变速箱32连接至中间壳30并且远离低压压缩机区段20而自发动机中心线CL径向向外的延伸。如本领域已知的，图1中的附件变速箱32的位置是借由示例并且不是限制。在其他实施方式中，附件变速箱32可以布置在外部壳26、内部风扇壳28上，或者在包括了燃气涡轮发动机10的核心内的其他位置中。附件变速箱32连接至并且驱动离心压缩机34。更具体地，附件变速箱32将扭矩从径向驱动轴36传递至离心压缩机34。径向驱动轴36联接至附件变速箱32并且延伸进入轴承隔舱12B（具体地称为高转子推力轴承隔舱）以与轴14B联接并且传输来自轴14B的扭矩。

附件变速箱32通常驱动了各种发动机附件，包括发电机（未示出）和主发动机油系统，主发动机油系统用于润滑包括轴承的发动机部件。附件变速箱32特别适用于驱动布置在核心隔舱38内的离心压缩机34。通气口或其他已知的装置从风扇区段18和/或低压压缩机区段20排出处于更低压力下的空气。该排出空气引导至离心压缩机34，在此处被压缩至更高压力。因此，引导至离心压缩机34的较低压力的排出空气可以包括旁路空气AB或主要空气Ar或者两者的混合。需要的话，主要空气Ar可以从低压压缩机区段20的不同级吸出。

离心压缩机34以本领域已知的方式工作以将较低压排出空气压缩到更高压力。离心压缩机的工作引起了压力差，将更高压力的空气A循环至包括前方轴承隔舱12A和12B以及更多后方隔舱（图2）的所有轴承隔舱以用作缓冲空气。除了用作用于轴承隔舱的缓冲空气之外或者替代用作用于轴承隔舱的缓冲空气，更高压力的空气A可以用作通风空气以本领域已知的方式对轴14通风。

在轴承隔舱12A和12B内部与更高压力空气A之间的压力差，以及轴承隔舱密封件的配置结构，允许更高压力空气A迁移跨过轴承隔舱密封件而进入轴承隔舱12A和12B。更高压力空气A跨过密封件的迁移有助于防止腐蚀性和可燃的润滑油泄漏至轴承隔舱12A和12B外面。离心压缩机34的利用允许更高压力空气A压缩至所需最优压力和温度以向轴承隔舱12A和12B提供足够的增压以便防止油料从此处泄漏。将空气A压缩至所需最优温度和压力消除了在冷却器内对空气A冷却的需求，由此减轻了发动机10的重量并且在发动机10内提供了更多设计空间。

图2示出了在燃气涡轮发动机10内提供缓冲空气和通风空气的系统39的示意图。系统39包括低压位置40，低压外部管线或内部通道42，高压外部管线或内部通道44，计量装置46，结构48A-48E，被密封件空腔13A-13F环绕的轴承隔舱12A-12D，以及第二空气流50。

附件变速箱32联接至并且用作驱动离心压缩机34。通气口或其他已知的装置从燃气涡轮发动机10内低压位置40以较低压力排出空气。在一个实施方式中，位置40包括风扇区段18（图1）和/或低压压缩机区段20（图1）。排出空气引导作为流过低压外部管线或内部通道42至离心压缩机34的空气流，操作离心压缩机以将低压排出空气压缩至更高压力。在离心压缩机34中压缩的更高压力空气通过高压外部管线和内部通道44而循环远离离心压缩机34。更高压力空气流分支为数个流，被引导穿过一个或多个计量装置46，诸如阀或节流孔，其根据需要对空气流节流。在图2所示实施方式中，更高压力空气流被引导穿过结构48A－48E。结构48A－48E可以不同地包括支柱和/或正面中心本体的其他部分、中间壳或者燃气涡轮发动机10的中间涡轮框架。更高压力空气流穿过结构48A－48E以向围绕了轴承隔舱12A－12D的密封件空腔13A－13F提供缓冲空气以及向轴14（图1）提供通风空气。在所示实施方式中，第二空气流50从密封件空腔13C随着通风空气沿着轴14A的内直径而连续。第二空气流50也向密封件空腔13F提供了缓冲空气，缓冲了朝向燃气涡轮发动机10后侧的轴承隔舱12D。

尽管已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是可以做出各种改变并且可以将其元件替换为等同元件而不会脱离本发明的范围。此外，可以做出许多修改以使特定情形或材料适用本发明教导而不会脱离本发明的基本范围。因此，本发明并非意在限于所公开的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (7)

1.一种涡轮发动机，包括：

轴；

风扇；

至少一个轴承，其安装在所述轴上并且旋转地支撑所述风扇；

风扇驱动齿轮系统，其被联接以驱动所述风扇；

围绕所述至少一个轴承的轴承隔舱；以及

增压空气的源，其与轴承隔舱外面的区域连通，

其特征在于：

所述风扇驱动齿轮系统包括行星齿轮系，其中，所述行星齿轮系具有大于或等于2.3的齿轮减速比；以及

所述风扇关于旁路空气流和核心空气流限定了大于十的旁路比。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述行星齿轮系具有大于或等于2.5的齿轮减速比。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其中，所述风扇关于旁路空气流和核心空气流限定了大于10.5:1的旁路比。

4.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其中，所述风扇限定了小于1.45的压力比。

5.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，包括核心压缩机区段，并且所述核心压缩机区段供应空气给离心压缩机。

6.一种操作涡轮发动机的方法，所述方法包括：

在燃气涡轮发动机中，该燃气涡轮发动机包括轴、风扇、安装在所述轴上并且旋转地支撑所述风扇的至少一个轴承、联接以驱动所述风扇的风扇驱动齿轮系统和围绕所述至少一个轴承的轴承隔舱，提供增压空气给所述轴承隔舱外面的区域以在所述轴承隔舱外面的区域与所述轴承隔舱的内部之间建立正压力差，

其特征在于：

所述风扇驱动齿轮系统包括行星齿轮系，其中，所述行星齿轮系具有大于或等于2.3的齿轮减速比；以及

所述风扇关于旁路空气流和核心空气流限定了大于十的旁路比。

7.根据权利要求6所述的方法，包括从核心压缩机区段提供所述增压空气。