CN104169557A - 用于涡轮发动机的可变风扇入口导向叶片 - Google Patents

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加布里埃尔·L·萨丘
詹姆斯·W·诺里斯
史蒂文·J·西里卡
弗雷德里克·M·施瓦兹
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Abstract

一种涡轮发动机，包括：压缩器部段；燃烧器，其配置成与所述压缩器部段处于流体接收连通；涡轮部段，其配置成与所述燃烧器处于流体接收连通；和齿轮箱组件，其联接成由所述涡轮部段驱动。所述齿轮箱组件定位在处于所述压缩器部段之后的轴向位置处。

Description

用于涡轮发动机的可变风扇入口导向叶片
相关申请的交叉引用
本公开是2011年2月7日提交美国专利申请No. 13/022,456的部分继续申请，其是2007年5月11日提交的美国申请序列号11/719,143即现在的美国专利No. 7,882,694的分案申请。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明在执行美国空军合同F33657-03-C-2044时构想出。政府可以具有本发明中的一些权利。
背景技术
本发明涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及用于涡轮发动机比如叶尖涡轮发动机的可变风扇入口导向叶片。
常规涡扇类型的航空器燃气涡轮发动机通常包括前涵道风扇、低压压缩器、中间核心发动机和后低压涡轮，全都沿着同一纵向轴线定位。核心发动机的高压压缩器和高压涡轮由高压转轴互连。高压压缩器被可旋转地驱动，以将进入核心发动机的空气压缩至相对较高的压力。该高压空气然后在燃烧器中与燃料混合，在所述燃烧器中它被点燃以形成高能量气流。气流沿轴向向后流动以可旋转地驱动高压涡轮，其经由高压转轴可旋转地驱动高压压缩器。离开高压涡轮的气流膨胀穿过低压涡轮，其经由低压转轴可旋转地驱动涵道风扇和低压压缩器。
尽管是高效的，但是常规涡扇发动机以轴向流动关系进行操作。轴向流动关系导致相对较复杂的长形发动机结构，其长度相对于发动机直径来说是可观的。该长形形状可能复杂化或阻止发动机向特定应用中的组装。
燃气涡轮发动机中的最新改进是叶尖涡轮发动机(tip turbine engine)。叶尖涡轮发动机可以包括低压轴流压缩器，其引导核心空气流进入空心风扇叶片中。空心风扇叶片在旋转时作为离心压缩器进行操作。来自空心风扇叶片的压缩核心空气流在环形燃烧器中与燃料混合，在所述环形燃烧器中它被点燃以形成高能量气流，其驱动被集成到空心涵道风扇叶片的叶尖上的涡轮，以与之一起旋转，如以下美国专利申请公开号中一般地公开的：20030192303；20030192304；和20040025490。叶尖涡轮发动机提供等于或大于相同级别的常规涡扇发动机的推力-重量比，但是处于明显较短长度的封装内。
一些低涵道比常规涡轮发动机包括可变风扇入口导向叶片。可变风扇入口导向叶片各自包括可枢转地安装的活叶。活叶的后边缘都经由拨杆连接至围绕活叶的外周缘的同步环，使得同步环的旋转使活叶均匀地枢转。一般来说，高涵道比涡轮发动机(即涵道比大于三)不包括可变风扇入口导向叶片。
发明内容
根据一个非限制示例性实施例的涡轮发动机包括：压缩器部段；燃烧器，其配置成与所述压缩器部段处于流体接收连通；涡轮部段，其配置成与所述燃烧器处于流体接收连通；和齿轮箱组件，其联接成由所述涡轮部段驱动，所述齿轮箱组件定位在处于所述压缩器部段之后的轴向位置处。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件的轴向位置在所述涡轮部段之后。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮部段包括多个可旋转涡轮叶片和多个静态涡轮定子。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述压缩器部段包括轴流压缩器。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件是周转圆齿轮箱。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件安装在齿轮箱轴承上。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件被构造成提供速度降低。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件限定出大约3.34:1的减速比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件限定出大于或等于大约3.34:1的减速比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮部段被联接成通过所述齿轮箱组件驱动所述压缩器部段。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮发动机具有高涵道比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮发动机具有至少为五的涵道比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮发动机具有大于大约十(10)的涵道比。
根据另一非限制示例性实施例的涡轮发动机包括：压缩器部段；燃烧器，其配置成与所述压缩器部段处于流体接收连通；涡轮部段，其配置成与所述燃烧器处于流体接收连通；和齿轮箱组件，其联接成由所述涡轮部段驱动，所述齿轮箱组件定位在处于所述涡轮部段之后的轴向位置处。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮部段包括多个可旋转涡轮叶片和多个静态涡轮定子。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述压缩器部段包括轴流压缩器。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件是周转圆齿轮箱。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件安装在齿轮箱轴承上。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件被构造成提供速度降低。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件限定出大约3.34:1的齿轮减速比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述齿轮箱组件限定出大于或等于3.34:1的齿轮减速比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮部段被联接成通过所述齿轮箱组件驱动所述压缩器部段。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮发动机具有高涵道比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮发动机具有至少为五的涵道比。
在前述涡轮发动机的再一实施例中，所述涡轮发动机具有大于或等于大约十(10)的涵道比。
尽管不同示例具有在说明中示出的特定部件，但是本发明的实施例并不局限于那些特定组合。能够将来自一个示例的部件或特征的一部分与另一示例的特征或部件结合使用。
从以下说明和附图中，本文所公开的这些以及其它特征可得到最佳的理解，以下是简要描述。
附图说明
可在结合附图考虑时通过参考以下详细描述来理解本发明的其它优点，附图中：
图1是叶尖涡轮发动机的局部剖切透视图。
图2是沿着发动机中心线的图1的叶尖涡轮发动机的纵截面图和发动机控制器的示意图。
具体实施方式
图1示出了叶尖涡轮发动机(TTE)类型的燃气涡轮发动机10的总体透视局部截面图。发动机10包括外机舱12、旋转固定静态外支承结构14旋转固定静态内支承结构16。多个风扇入口导向叶片18安装在静态外支承结构14与静态内支承结构16之间。每个风扇入口导向叶片优选包括可枢转活叶(flap)18A。头锥20优选沿着发动机中心线A定位，以改善进入轴流压缩器22中的空气流，所述轴流压缩器22围绕发动机中心线A安装在头锥20后。
风扇涡轮转子组件24安装成用于在轴流压缩器22之后围绕发动机中心线A的旋转。风扇涡轮转子组件24包括多个空心风扇叶片28，用以提供来自轴流压缩器22的压缩空气流的内部离心压缩，以分配至位于旋转固定静态外支承结构14内的环形燃烧器30。
涡轮32包括多个叶尖涡轮叶片34(示出了两级)，其相对于多个叶尖涡轮定子36可旋转地驱动空心风扇叶片28，所述多个叶尖涡轮定子36从旋转固定静态外支承结构14沿径向向内延伸。环形燃烧器30沿轴向设置在涡轮32的前方，并与涡轮32连通。
参考图2，旋转固定静态内支承结构16包括分流器(splitter)40、静态内支承壳体42和静态外支承壳体44，其定位成同轴于所述发动机中心线A。
轴流压缩器22包括轴流压缩器转子46，其安装成用于在静态内支承壳体42上通过后轴承组件47和前轴承组件48旋转。多个压缩器动叶片52从轴流压缩器转子46沿径向向外延伸。固定的压缩器机匣50安装在分流器40内。轴流压缩器22包括多个入口导向叶片51(示出了一个)。出于以下说明的原因，不必向轴流压缩器22提供可变入口几何结构。因此，入口导向叶片51是固定的，由此降低轴流压缩器22的重量和复杂性。
多个压缩器静叶片54从压缩器机匣50沿径向向内延伸，处于压缩器动叶片52的级之间。压缩器动叶片52和压缩器静叶片54沿周向围绕轴流压缩器转子46分级地配置(在本示例中示出了三级的压缩器动叶片52和压缩器静叶片54)。
风扇入口导向叶片活叶18A的旋转位置由致动器55控制，所述致动器55安装在机舱12内，处于风扇入口导向叶片18之一的径向外侧以及涵道空气流路径的径向外侧。致动器55可以是液压、电动机或线性致动器，或者任何其它类型的适当致动器。致动器55经由扭矩杆56操作地连接至风扇入口导向叶片活叶18A，所述扭矩杆56取道穿过入口导向叶片18之一。在分流器40内，扭矩杆56经由扭矩杆杠杆58联接至同步环57。同步环57围绕发动机中心线A是可旋转的。同步环57经由拨杆59联接至可变导向叶片活叶18a的轴63。多个可变导向叶片18和活叶18a(只有一个被示出)设置成沿周向围绕发动机中心线A，并且各自以相同方式连接至同步环57。致动器55通过致动器杆60联接至扭矩杆56。
风扇涡轮转子组件24包括风扇轮毂64，其支承多个空心风扇叶片28。每个风扇叶片28包括导流器部段66、空心风扇叶片部段72和扩散器部段74。导流器部段66接收来自轴流压缩器22大体平行于发动机中心线A的空气流，并将空气流从轴向空气流方向转向径向空气流方向。空气流径向地传递通过风扇叶片部段72内的核心空气流通路80，在这里空气流被离心地压缩。从核心空气流通路80，空气流再次被扩散器部段74扩散和转向朝向轴向空气流方向而趋向环形燃烧器30。优选地，空气流在发动机10中沿轴向向前方扩散，然而，空气流可以替代地沿另一方向传递。
叶尖涡轮发动机10可以可选地在风扇涡轮转子组件24之后包括齿轮箱组件90，使得风扇涡轮转子组件24经由齿轮箱组件90可旋转地驱动轴流压缩器22。在所示实施例中，齿轮箱组件90提供比值为3.34比1的速度增大。齿轮箱组件90是周转圆齿轮箱(epicyclic gearbox)，比如如所示的行星齿轮箱，其安装成用于在静态内支承壳体42与静态外支承壳体44之间的旋转。齿轮箱组件90包括：太阳齿轮92，其旋转轴流压缩器转子46；和行星架94，其随风扇涡轮转子组件24旋转。多个行星齿轮93各自接合太阳齿轮92和旋转固定的环形齿轮95。行星齿轮93安装至行星架94。齿轮箱组件90安装成用于通过齿轮箱前轴承96和齿轮箱后轴承98在太阳齿轮92与静态外支承壳体44之间的旋转。齿轮箱组件90可以替代地或附加地逆转旋转方向，并且/或者可以提供旋转速度的降低。
多个出口导向叶片108定位在静态外支承壳体44与旋转固定的排气机匣106之间，以将组合空气流引导出发动机10。排气混合器110混合来自涡轮叶片34的空气流与穿过风扇叶片28的涵道空气流。
上游压力传感器130测量风扇叶片28上游的压力，而下游压力传感器132测量风扇叶片28下游的压力。旋转速度传感器134安装成相邻于风扇叶片28，以确定风扇叶片28的旋转速度。旋转速度传感器134可以是近距离传感器，其检测每个风扇叶片28的通过来计算旋转速率。
叶尖涡轮发动机10的控制由全权限数字发动机控制器(FADEC)112和燃料控制器114提供，两者均安装成远离叶尖涡轮发动机10(即在机舱12外)，并分别通过单个配线线束116和单个燃料线118连接至叶尖涡轮发动机10。FADEC 112包括电源120，比如蓄电池、燃料电池或其它电力生成装置。FADEC 112包括CPU 122和存储器124，用于基于来自上游压力传感器130、下游压力传感器132和旋转速度传感器134的输入，执行控制算法，以生成去往叶尖涡轮发动机10和燃料控制器114的控制信号。控制信号可以包括用于控制风扇入口导向叶片18的活叶18A的位置的信号、发送至燃料控制器114用以指示应该被供应的燃料量的命令以及用于控制叶尖涡轮发动机10的其它必需信号。
燃料控制器114还包括电源138，比如蓄电池、燃料电池或其它电力生成装置。燃料控制器114包括至少一个燃料泵140，用于控制经由燃料线118向叶尖涡轮发动机10的燃料供应。
操作期间，核心空气流进入轴流压缩器22，在这里它被压缩器动叶片52压缩。来自轴流压缩器22的压缩空气进入导流器部段66处于大体平行于发动机中心线A的方向，然后被导流器部段66转向而沿径向向外穿过空心风扇叶片28的核心空气流通路80。空气流在空心风扇叶片28中通过空心风扇叶片28的旋转进一步被离心地压缩。从核心空气流通路80，空气流被扩散器部段74转向和扩散而在发动机10中沿轴向向前方进入环形燃烧器30中。来自空心风扇叶片28的压缩核心空气流在环形燃烧器30中与燃料混合并被点燃，以形成高能量气流。
高能量气流在围绕风扇涡轮转子组件24的外周缘安装的多个叶尖涡轮叶片34之上膨胀，以驱动风扇涡轮转子组件24，其进而直接地或经由可选齿轮箱组件90可旋转地驱动轴流压缩器22。风扇涡轮转子组件24沿轴向向后释放风扇涵道空气，以在排气机匣106中与来自涡轮32的核心空气流合并。
FADEC 112基于来自上游压力传感器130、下游压力传感器132和旋转速度传感器134的信号中的信息，通过改变风扇入口导向叶片活叶18A来控制涵道空气流和冲击角度。传感器130、132、134指示叶尖涡轮发动机10的当前操作状态。FADEC 112确定用于叶尖涡轮发动机10的所需操作状态，并且生成控制信号，来将叶尖涡轮发动机10带向所需操作状态。这些控制信号包括用于改变风扇入口导向叶片18的控制信号。
在叶尖涡轮发动机10的起动期间闭合风扇入口导向叶片活叶18A会降低起动器功率要求，同时维持核心空气流。操作期间，FADEC 112通过改变风扇入口导向叶片活叶18A来控制轴流压缩器22的可操作性和稳定性裕度。在叶尖涡轮发动机10中，风扇叶片28经由齿轮箱90(或替代地直接地)以固定速率联接至轴流压缩器22。因此，通过闭合风扇入口导向叶片活叶18A来减慢风扇叶片28的旋转会使轴流压缩器22的旋转减慢。此外，可控地减慢风扇叶片28的旋转还会降低在风扇叶片28中趋向燃烧器30的核心空气流的离心压缩，其从而降低燃烧器30的输出以及涡轮32用其旋转的作用力。通过明显地改变主推进器的速度-流量关系，燃烧器温度关系以允许控制主压缩器操作线的方式发生改变。这由压缩器出口校正流量与高压涡轮入口校正流量之间的关系来驱动。在典型燃气涡轮发动机中，高压涡轮通常被扼流，并以恒定的入口校正流量进行操作。这与流量通常正比于速度并且燃烧器温度比通常为恒定的事实的组合驱动主压缩器以要求某种可变的几何结构或放气来维持稳定性。通过使用风扇可变入口导向叶片18改变风扇速度-流量特性，能明显地改变燃烧器温度比，由此在无需压缩器可变几何结构或放气的情况下控制主压缩器操作线并建立稳定性。
图1和2是一般比例图。所示出的叶尖涡轮发动机10是高涵道比涡轮发动机，涵道比为5.0。在一个公开的非限制性实施例中，发动机10限定出大于大约六(6)的涵道比，且一个示例性实施例为大于大约十(10)。
推力是密度、速度和面积的函数。低压力比涡扇是所需的，以用于它们的高推进效率。由于高涵道比而由涵道流提供显著量的推力。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英尺的飞行条件--也称为“急速巡航单位推力燃料消耗量(‘TSFC’)”--是被燃烧的燃料的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”是仅越过风扇叶片的压力比。
依据专利法规和法理的规定，以上描述的示例性构造应看作代表本发明的优选实施例。然而，应该指出的是：本发明可被实施成不同于具体图示和描述的那样，而不背离其精神或范围。方法步骤的字母数字编号是为了便于在从属权利要求中引用，而不是表示所需执行顺序，除非另有指明。

Claims (25)

1. 一种涡轮发动机，包括：
压缩器部段；
燃烧器，其配置成与所述压缩器部段处于流体接收连通；
涡轮部段，其配置成与所述燃烧器处于流体接收连通；和
齿轮箱组件，其联接成由所述涡轮部段驱动，所述齿轮箱组件定位在处于所述压缩器部段之后的轴向位置。
2. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件的轴向位置在所述涡轮部段之后。
3. 如权利要求2所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮部段包括多个可旋转涡轮叶片和多个静态涡轮定子。
4. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述压缩器部段包括轴流压缩器。
5. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件是周转圆齿轮箱。
6. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件安装在齿轮箱轴承上。
7. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件被构造成提供速度降低。
8. 如权利要求7所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件限定出大约3.34:1的减速比。
9. 如权利要求7所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件限定出大于或等于大约3.34:1的减速比。
10. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮部段被联接成通过所述齿轮箱组件驱动所述压缩器部段。
11. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机具有高涵道比。
12. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机具有至少为五的涵道比。
13. 如权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机具有大于大约十(10)的涵道比。
14. 一种涡轮发动机，包括：
压缩器部段；
燃烧器，其配置成与所述压缩器部段处于流体接收连通；
涡轮部段，其配置成与所述燃烧器处于流体接收连通；和
齿轮箱组件，其联接成由所述涡轮部段驱动，所述齿轮箱组件定位在处于所述涡轮部段之后的轴向位置。
15. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮部段包括多个可旋转涡轮叶片和多个静态涡轮定子。
16. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述压缩器部段包括轴流压缩器。
17. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件是周转圆齿轮箱。
18. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件安装在齿轮箱轴承上。
19. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件被构造成提供速度降低。
20. 如权利要求19所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件限定出大约3.34:1的齿轮减速比。
21. 如权利要求19所述的涡轮发动机，其中，所述齿轮箱组件限定出大于或等于3.34:1的齿轮减速比。
22. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮部段被联接成通过所述齿轮箱组件驱动所述压缩器部段。
23. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机具有高涵道比。
24. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机具有至少为五(5)的涵道比。
25. 如权利要求11所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机具有大于或等于大约十(10)的涵道比。
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