CN105864100A - 涡轮发动机组件及其制造方法 - Google Patents

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CN105864100A CN201511036172.5A CN201511036172A CN105864100A CN 105864100 A CN105864100 A CN 105864100A CN 201511036172 A CN201511036172 A CN 201511036172A CN 105864100 A CN105864100 A CN 105864100A
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G·J·范德默维
I·F·普伦蒂斯
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Abstract

提供了一种涡轮发动机组件。该组件包括构造为在第一旋转速度旋转的低压涡轮，以及联接到低压涡轮并且构造为以比第一旋转速度低的第二旋转速度旋转的风扇组件。风扇组件包括由复合材料制成且具有基于风扇组件的第二旋转速度选择的构造的风扇叶片。

Description

涡轮发动机组件及其制造方法
相关申请的交叉引用
本非临时申请按照35 U.S.C.§119(e)主张对在2014年11月21日提交的、名为″涡轮发动机组件及其制造方法″的美国临时专利申请No.62/082634的优先权的益处，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本公开大体涉及涡轮发动机并且，更具体地，涉及一种具有降低的风扇尖端速度的涡轮风扇，其使得能够使用改进的风扇组件结构。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机，诸如涡轮风扇，包括风扇、芯部发动机，以及动力涡轮。芯部发动机包括以连续流动关系联接在一起的至少一个压缩机、燃烧器、以及高压涡轮。更具体地，压缩机和高压涡轮通过轴联接以形成高压转子组件。进入芯部发动机的空气与燃料混合并被点燃以形成高能气流。高能气流流动穿过高压涡轮以可旋转地驱动高压涡轮，使得轴可旋转地驱动压缩机。气流在其流动穿过位于高压涡轮的后方的动力或低压涡轮时膨胀。低压涡轮包括具有联接到驱动轴的风扇的转子组件。低压涡轮通过驱动轴可旋转地驱动风扇。
许多现代商用的涡轮风扇制造为具有日益增大的旁通比以便于改进发动机效率。然而，增加涡轮风扇的旁通比会导致增加的风扇尺寸和风扇尖端速度。具有相对大的旁通比的涡轮风扇中的风扇叶片大体由金属材料制成以确保风扇叶片具有足够的强度以例如在增加的风扇尖端速度下经受外物撞击。由金属材料制成的风扇叶片通常重并且增加了涡轮发动机的重量。至少一些已知的风扇叶片是由复合材料制成，诸如碳纤维增强聚合物。然而，当与金属对应物相比时，由复合材料制成的风扇叶片通常具有减弱的强度和耐冲击性。因此，期望具有一种能够适应非金属的风扇叶片的涡轮风扇结构。
发明内容
在一方面中，提供了一种涡轮发动机组件。该组件包括构造为在第一旋转速度下旋转的低压涡轮，以及联接到低压涡轮且构造为在比第一旋转速度低的第二旋转速度下旋转的风扇组件。风扇组件包括由复合材料制造且具有基于风扇组件的第二旋转速度选择的构造的风扇叶片。
在另一方面中，提供了一种涡轮发动机组件。该组件包括构造成在第一旋转速度下旋转的低压涡轮，以及包括第一部分和第二部分的驱动轴。第一部分联接到低压涡轮。该组件还包括：风扇组件，其联接到驱动轴的第二部分；和变速箱，其在第一和第二部分之间沿驱动轴联接，使得风扇组件构造为以比第一旋转速度低的第二旋转速度旋转。风扇组件包括具有基于风扇组件的第二旋转速度选择的构造的风扇叶片。
在又一方面中，提供了一种制造涡轮发动机组件的方法。该方法包括将低压涡轮联接至驱动轴的第一部分，其中，低压涡轮构造为以第一旋转速度旋转。该方法还包括：将包括风扇叶片的风扇组件联接至驱动轴的第二部分；在第一和第二部分之间沿着驱动轴联接变速箱，使得风扇组件构造为以比第一旋转速度低的第二旋转速度旋转；以及基于风扇组件的第二旋转速度选择风扇叶片的构造。
本发明的第一技术方案提供了一种涡轮发动机组件，包括：低压涡轮，其构造为以第一旋转速度旋转；以及风扇组件，其联接到低压涡轮且构造为以比第一旋转速度低的第二旋转速度旋转，其中，风扇组件包括由复合材料制成且具有基于风扇组件的第二旋转速度选择的构造的风扇叶片。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括：驱动轴，其在低压涡轮与风扇组件之间联接；以及变速箱，其沿着驱动轴联接，使得当低压涡轮以第一旋转速度旋转时风扇组件以第二旋转速度旋转。
本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，风扇叶片的构造由包括如下性质中的至少一者的性质选择：风扇叶片的最大厚度、以及风扇叶片的质量。
本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，风扇叶片的质量比如果风扇组件构造成以第一旋转速度旋转时低。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，风扇叶片包括：发泡芯材结构；以及施加至发泡芯材结构的至少一个复合材料层。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，风扇组件构造为以第二旋转速度旋转，使得风扇叶片的风扇尖端速度小于大约1200英尺每秒。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，风扇组件包括构造成容纳风扇叶片的风扇毂，风扇叶片构造成选择性地绕从风扇毂延伸的径向轴线旋转。
本发明的第八技术方案提供了一种涡轮发动机组件，包括：低压涡轮，其构造成以第一旋转速度旋转；驱动轴，其包括第一部分和第二部分，第一部分联接至低压涡轮；风扇组件，其联接至驱动轴的第二部分；以及变速箱，其在第一和第二部分之间沿着驱动轴联接，使得风扇组件构造成以比第一旋转速度低的第二旋转速度旋转，其中，风扇组件包括具有基于风扇组件的第二旋转速度选择的构造的风扇叶片。
本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，风扇叶片的构造由包括如下性质中的至少一者的性质选择：用于制造风扇叶片的材料、风扇叶片的最大厚度、以及风扇叶片的质量。
本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，风扇叶片的质量比如果风扇组件构造为以第一旋转速度旋转时低。
本发明的第十一技术方案是在第九技术方案中，风扇叶片由复合材料制成。
本发明的第十二技术方案是在第八技术方案中，风扇叶片包括：发泡芯材结构；以及施加至发泡芯材结构的至少一个复合材料层。
本发明的第十三技术方案是在第八技术方案中，风扇组件构造为以第二旋转速度旋转，使得风扇叶片的风扇尖端速度小于大约1200英尺每秒。
本发明的第十四技术方案是在第八技术方案中，风扇组件包括构造成容纳风扇叶片的风扇毂，风扇叶片构造成选择性地绕从风扇毂延伸的径向轴线旋转的风扇叶片。
本发明的第十五技术方案提供了一种制造涡轮发动机组件的方法，该方法包括：将低压涡轮联接至驱动轴的第一部分，其中，低压涡轮构造为以第一旋转速度旋转；将包括风扇叶片的风扇组件联接至驱动轴的第二部分；在第一和第二部分之间沿着驱动轴联接变速箱，使得风扇组件构造为以比第一旋转速度低的第二旋转速度旋转；以及基于风扇组件的第二旋转速度选择风扇叶片的构造。
本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，选择风扇叶片的构造包括从包括如下性质中的至少一者的性质选择风扇叶片的构造：用于制造风扇叶片的材料、风扇叶片的最大厚度、以及风扇叶片的质量。
本发明的第十七技术方案是在第十六技术方案中，选择构造包括：由复合材料制造风扇叶片和/或当风扇组件构造为以第一旋转速度旋转时确定风扇叶片的第一质量；以及基于风扇组件的第二旋转速度将风扇叶片的质量从第一质量降低至第二质量。
本发明的第十八技术方案是在第十六技术方案中，选择构造包括由复合材料制造风扇叶片。
本发明的第十九技术方案是在第十五技术方案中，还包括构造风扇组件为以第二旋转速度旋转，使得风扇叶片的风扇尖端速度小于大约1200英尺/秒。
本发明的第二十技术方案是在第十五技术方案中，联接风扇组件包括使风扇叶片的至少一部分尺寸确定为用于插入在风扇毂内，风扇叶片构造成选择性地绕从风扇毂延伸的径向轴线旋转。
附图说明
当参照附图阅读下列详细描述时本公开的这些和其它特征、方面以及优点将会变得更好理解，其中，遍及附图，相同的特征表示相同的部分，其中：
图1是示例性涡轮发动机组件的示意图。
图2是可与图1所示的涡轮发动机组件一起使用的示例性风扇组件的示意图。
图3是沿线3-3作出的可与图2所示的风扇组件一起使用的风扇叶片的剖视图。
图4是可与图1所示的涡轮发动机组件一起使用的备选风扇组件的示意图。
除非另外地陈述，在本文中提供的图示意图示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或更多个实施例的广泛种类的系统中。同样地，图示并不意图包括在本文中公开的实施例的实践需要的领域的普通技术人员公知的全部常规特征。
具体实施方式
本公开的实施例涉及涡轮发动机，诸如涡轮风扇，和其制造方法。更具体地，在本文中描述的涡轮发动机包括以第一旋转速度运行的低压涡轮，和联接到从低压涡轮延伸出的驱动轴的变速箱。驱动轴连接在低压涡轮和风扇组件之间，并且变速箱将风扇组件的旋转速度与低压涡轮解耦，使得风扇组件以比第一旋转速度低的第二旋转速度旋转。降低风扇组件的旋转速度使得风扇组件的构造被修改以提高涡轮发动机的性能。例如，降低风扇组件的旋转速度允许涡轮风扇的风扇叶片由复合材料制成，这有利于降低涡轮风扇的重量并且有利于降低在运行期间在风扇叶片与风扇毂之间的连接处的离心负载。同样地，可实施对风扇组件的进一步修改，例如采用可变节距风扇叶片，以增强涡轮发动机性能并增加用于涡轮发动机的部件结构选择。
如在本文中所使用的，术语“轴向”和“轴向地”意指大体平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和朝向。而且，术语″径向″和″径向地″意指大体垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和朝向。此外，如在本文中所使用的，术语″周向″和″周向地″意指绕涡轮发动机的中心线弓形地延伸的方向和朝向。还应当理解的是在本文中使用的术语″流体″包括流动的任何介质或材料，包括但不限于，空气、气体、液体以及蒸汽。
图1是包括风扇组件102、低压或增压压缩机104、高压压缩机106、以及燃烧器108的示例性涡轮发动机组件100的示意说明。风扇组件102、增压压缩机104、高压压缩机106、以及燃烧器108流连通地联接。涡轮发动机组件100还包括与燃烧器108流连通地联接的高压涡轮110和低压涡轮112。风扇组件102包括从转子盘116径向向外延伸的风扇叶片114的排列。低压涡轮112经由第一驱动轴118联接到风扇组件102和增压压缩机104，并且高压涡轮110经由第二驱动轴120联接到高压压缩机106。涡轮发动机组件100具有进气口122和排气口124。涡轮发动机组件100还包括中心线126，风扇组件102、增压压缩机104、高压压缩机106、以及涡轮组件110和112围绕其旋转。而且，减速变速箱128在风扇组件102和低压涡轮112之间沿第一驱动轴118联接。
在运行中，通过进气口122进入涡轮发动机组件100的空气穿过风扇组件102朝向增压压缩机104引导。压缩空气从增压压缩机104朝向高压压缩机106排放。高度压缩的空气从高压压缩机106朝向燃烧器108引导，与燃料混合，并且混合物在燃烧器108内燃烧。由燃烧器108产生的高温燃烧气体朝向涡轮组件110和112引导。低压涡轮112以第一旋转速度旋转，而变速箱128运行使得风扇组件102以比第一旋转速度低的第二旋转速度运行。在一个实施例中，第二旋转速度为，使得风扇叶片114的风扇尖端速度小于约1200英尺每秒。燃烧气体随后经由排气口124从涡轮发动机组件100排放。在备选实施例中，低压涡轮112和风扇组件102的旋转速度通过允许涡轮发动机组件100如在本文中描述地起作用的部件的任何机构或布置解耦。
图2是可与(图1所示的)涡轮发动机组件100一起使用的风扇组件102的示意说明，并且图3是沿着线3-3作出的可与风扇组件102一起使用的风扇叶片114的剖视图。在示例性实施例中，风扇组件102包括风扇叶片114和尺寸确定为容纳风扇叶片114的风扇毂130。如上所述，涡轮发动机组件100运行，使得低压涡轮112以第一旋转速度旋转，并且使得风扇组件102以低于第一旋转速度的第二旋转速度运行。风扇叶片114和风扇毂130具有基于风扇组件102的旋转速度选择的构造。更具体地，降低风扇组件102的旋转速度允许风扇叶片114和风扇毂130具有与如果风扇组件102以第一旋转速度运行不同的构造。例如，风扇叶片114的构造由包括如下性质中的至少一者的多种性质选择：用于制造风扇叶片114的材料、风扇叶片114的最大厚度Tmax(图3所示)、以及风扇叶片114的质量。
在一个实施例中，风扇叶片114至少部分地由复合材料制成。如在本文中所使用的，术语″复合材料″意指包括支撑在粘合剂或主材料中的诸如纤维或颗粒的加固材料的材料。示例性复合材料包括嵌入在诸如环氧树脂的树脂材料中的含碳(例如，石墨)纤维。至少一些复合材料是商业上可获得的并且包括在浸渍有树脂的板中单向对准的纤维，从而形成预浸渍材料(即″预浸料坯″)。预浸料坯材料可形成为部分形状，并且经由高压浸出工序或压模工序固化以形成轻质、刚性、且相对均质的物体。
风扇叶片114包括发泡芯材结构132和作用至发泡芯材结构132的复合材料的至少一层134。发泡芯材结构132具有大体对应于风扇叶片114的形状的弧形翼型件形状。发泡芯材结构132由具有比复合材料更低密度的聚合泡沫材料制成。示例性聚合泡沫材料包括但不限于，具有复合材料的密度的大约40％的密度的弹性聚氨酯泡沫。同样地，由复合材料和聚合泡沫材料制造风扇叶片114有利于将风扇组件102的重量降低高达大约20％。此外，以较慢的第二旋转速度运行风扇组件102允许利用当与金属风扇叶片相比具有降低的强度和耐冲击性的风扇叶片114。在备选实施例中，风扇叶片114由当与如果风扇组件102以第一旋转速度运行使用的风扇叶片相比具有减小的尺寸的金属材料制成。
参照图3，在示例性实施例中，最大厚度Tmax在风扇叶片114的压力侧136与吸引侧138之间限定，并被限定为风扇叶片114的最厚部分。具有较大的相对最大厚度Tmax的风扇叶片114有利于干扰降低发动机性能的引导穿过风扇组件102的空气流。同样地，以较慢的第二旋转速度运行风扇组件102允许风扇叶片114以减小的尺寸制成，更具体地，具有减小的最大厚度Tmax以有利于不干扰引导穿过风扇组件102的空气流。
图4是可以与(图1所示的)涡轮发动机组件100一起使用的风扇组件102的联接布置140的示意说明。在示例性实施例中，风扇组件102包括风扇叶片114的排列和尺寸设计为容纳风扇叶片114的风扇毂142。更具体地，风扇叶片114包括翼型件144，并且经由联接布置140联接到风扇毂142。联接布置140包括从翼型件144延伸的联接构件，以及绕风扇毂142在不同的周向位置处间隔开的多个开口148。开口148尺寸确定为容纳联接构件146的至少一部分，并且尺寸确定为使得风扇叶片114被允许在其中自由地旋转。此外，风扇叶片114沿从风扇毂142延伸的径向轴线150大体同轴地延伸。联接构件146联接到致动机构(未示出)，该致动机构有利于选择性地围绕径向轴线150旋转风扇叶片114以修改风扇叶片114的节距。
如上所述，与如果风扇组件102以第一旋转速度运行相比，以较慢的第二旋转速度运行风扇组件102允许使用较轻重量的风扇叶片114。使用较轻重量的风扇叶片114降低了在涡轮发动机组件100的运行期间通过风扇叶片114在风扇毂142上产生的离心负载的量。同样地，当与例如用于与固定节距叶片一起使用的标准楔形榫头联接机构相比时，可使用在风扇毂142与风扇叶片114之间的可致动的且更复杂的联接布置，例如联接布置140。
在本文中描述的涡轮发动机组件和方法涉及涡轮发动机，诸如涡轮风扇，其对低速风扇组件起到杠杆作用以允许具有有利于改进发动机性能的特征的风扇叶片的使用。例如，风扇组件构造为以比低压涡轮低的旋转速度旋转。降低风扇组件的旋转速度降低了风扇叶片的强度和耐冲击性要求，这使得风扇叶片由例如轻质材料制成。此外，风扇组件的构造可被增强以改进发动机性能。
尽管在一些图中而不在其它图中示出了本公开的各种实施例的具体特征，但这仅仅是为了便利性。根据本公开的实施例的原理，图示的任何特征可以是参考的和/或结合任何其它图示的任何特征。
本书面说明使用实例以公开包括最佳模式的本公开的实施例，并且还允许本领域技术人员实践本公开的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。在本文中描述的实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它实例具有不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同形式的结构元件，那么这样的其它实例被认为在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机组件，包括：
低压涡轮，其构造为以第一旋转速度旋转；以及
风扇组件，其联接到所述低压涡轮且构造为以比所述第一旋转速度低的第二旋转速度旋转，其中，所述风扇组件包括由复合材料制成且具有基于所述风扇组件的所述第二旋转速度选择的构造的风扇叶片。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机组件，还包括：
驱动轴，其在所述低压涡轮与所述风扇组件之间联接；以及
变速箱，其沿着所述驱动轴联接，使得当所述低压涡轮以所述第一旋转速度旋转时所述风扇组件以所述第二旋转速度旋转。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机组件，其中，所述风扇叶片的构造由包括如下性质中的至少一者的性质选择：所述风扇叶片的最大厚度、以及所述风扇叶片的质量。
4.根据权利要求3所述的涡轮发动机组件，其中，所述风扇叶片的质量比如果所述风扇组件构造成以所述第一旋转速度旋转时低。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机组件，其中，所述风扇叶片包括：
发泡芯材结构；以及
施加至所述发泡芯材结构的至少一个所述复合材料层。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机组件，其中，所述风扇组件构造为以所述第二旋转速度旋转，使得所述风扇叶片的风扇尖端速度小于大约1200英尺每秒。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机组件，其中，所述风扇组件包括构造成容纳所述风扇叶片的风扇毂，所述风扇叶片构造成选择性地绕从所述风扇毂延伸的径向轴线旋转。
8.一种涡轮发动机组件，包括：
低压涡轮，其构造成以第一旋转速度旋转；
驱动轴，其包括第一部分和第二部分，所述第一部分联接至所述低压涡轮；
风扇组件，其联接至所述驱动轴的所述第二部分；以及
变速箱，其在所述第一和第二部分之间沿着所述驱动轴联接，使得所述风扇组件构造成以比所述第一旋转速度低的第二旋转速度旋转，其中，所述风扇组件包括具有基于所述风扇组件的所述第二旋转速度选择的构造的风扇叶片。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机组件，其中，所述风扇叶片的构造由包括如下性质中的至少一者的性质选择：用于制造所述风扇叶片的材料、所述风扇叶片的最大厚度、以及所述风扇叶片的质量。
10.根据权利要求8所述的涡轮发动机组件，其中，所述风扇组件构造为以所述第二旋转速度旋转，使得所述风扇叶片的风扇尖端速度小于大约1200英尺每秒。
CN201511036172.5A 2014-11-21 2015-11-20 涡轮发动机组件及其制造方法 Pending CN105864100A (zh)

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