CN107304688A - 具有气体轴承的旋转机器 - Google Patents

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Abstract

一种用于航空装置的旋转机器包括推力发生器。旋转机器还包括与推力发生器一起可旋转的旋转构件。此外，本公开内容的旋转机器包括多个气体轴承(100)，其中多个气体轴承(100)基本完全地支承旋转机器的旋转构件。

Description

具有气体轴承的旋转机器
技术领域
本主题大体上涉及具有一个或更多个气体轴承的旋转机器。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括布置成与彼此流动连通的风扇和核心。此外，燃气涡轮发动机的核心大体上包括成串流顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供至压缩机区段的入口，在该处，一个或更多个轴向压缩机逐渐压缩空气，直到其达到燃烧区段。燃料与压缩的空气混合且在燃烧区段内燃烧，以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段发送至涡轮区段。穿过涡轮区段的燃料气流驱动涡轮区段，且然后发送穿过排气区段，例如，至大气。
常规的燃气涡轮发动机包括转子组件，其具有轴、压缩机叶轮、涡轮、联接件、密封组，以及给定操作条件下的最佳操作所需的其它元件。这些转子组件具有由于重力生成恒定静力的质量，且例如还由于操作期间转子组件中的失衡而生成动态力。此燃气涡轮发动机包括在允许转子组件旋转的同时维持和支承这些力的轴承。
此外，包括在燃气涡轮发动机内的常规轴承是油润滑的轴承。为了容纳油，燃气涡轮发动机包括包绕各个轴承的槽，且还包括油泵、油管线和用于支承油润滑的轴承的其它特征。然而，包括这些支承特征可导致相对复杂且可能重的燃气涡轮发动机。因此，具有允许轴承构造的简化的一个或更多个特征的燃气涡轮发动机将是有益的。更具体而言，具有允许除去油润滑的轴承的一个或更多个特征的燃气涡轮发动机将是特别有用的。
发明内容
本发明的各方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明理解到。
在本公开内容的一个示例性实施例中，提供了一种用于航空装置的旋转机器。旋转机器包括推力发生器、与推力发生器一起可旋转的旋转构件，以及多个气体轴承。多个气体轴承基本完全支承旋转构件。
在本公开内容的另一个示例性实施例中，提供了一种涡轮机。涡轮机包括：包括压缩机的压缩机区段、包括涡轮的涡轮区段，以及包括压缩机部分和涡轮部分的转轴。压缩机部分定位在压缩机区段内，且附接到压缩机上且与压缩机一起可旋转，且涡轮部分定位在涡轮区段内，且附接到涡轮上且与涡轮一起可旋转。涡轮机还包括基本完全地支承压缩机和转轴的压缩机部分或涡轮和转轴的涡轮部分中的至少一者的多个气体轴承。
实施方案1. 一种用于航空装置的旋转机器，所述旋转机器包括：
推力发生器；
与所述推力发生器一起可旋转的旋转构件；以及
多个气体轴承，所述多个气体轴承基本完全地支承所述旋转构件。
实施方案2. 根据实施方案1所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器包括涡轮机，其中所述推力发生器包括所述涡轮机的压缩机区段和涡轮区段，以及其中所述压缩机区段包括压缩机，以及其中所述涡轮区段包括涡轮。
实施方案3. 根据实施方案2所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转构件包括附接到所述压缩机和所述涡轮上且与所述压缩机和所述涡轮一起可旋转的转轴，以及其中所述多个气体轴承基本完全地支承所述转轴。
实施方案4. 根据实施方案3所述的旋转机器，其特征在于，所述压缩机包括压缩机转子叶片的第一级和压缩机转子叶片的第二级，其中所述压缩机转子叶片的第一级和第二级经由连接器附接，其中所述多个气体轴承包括直接地支承所述转轴的气体轴承和直接地支承所述连接器的气体轴承。
实施方案5. 根据实施方案4所述的旋转机器，其特征在于，直接地支承所述连接器的所述气体轴承在所述压缩机转子叶片的第二级下游的位置处与所述压缩机区段空气流连通，且构造成从该压缩机区段接收工作气流。
实施方案6. 根据实施方案3所述的旋转机器，其特征在于，所述涡轮包括经由连接器附接的涡轮转子叶片的两个级，其中所述多个气体轴承包括直接地支承所述转轴的气体轴承，以及直接地支承所述连接器的气体轴承。
实施方案7. 根据实施方案2所述的旋转机器，其特征在于，所述涡轮为第一涡轮，其中所述涡轮区段还包括第二涡轮，其中所述压缩机为第一压缩机，其中所述压缩机区段还包括第二压缩机，其中所述旋转构件为第一旋转构件，其中所述涡轮机还包括附接到所述第二压缩机和所述第二涡轮上且与所述第二压缩机和所述第二涡轮一起可旋转的第二旋转构件，以及其中所述多个气体轴承基本完全地支承所述第二旋转构件、所述第二压缩机和所述第二涡轮。
实施方案8. 根据实施方案1所述的旋转机器，其特征在于，所述多个气体轴承包括径向支承轴承和止推轴承。
实施方案9. 根据实施方案1所述的旋转机器，其特征在于，所述多个气体轴承中的各个气体轴承均限定内表面，且构造成提供穿过所述内表面的工作气流来在所述内表面上产生薄膜。
实施方案10. 根据实施方案9所述的旋转机器，其特征在于，所述工作气体为来自所述涡轮机的所述压缩机区段的压缩空气。
实施方案11. 根据实施方案1所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器是电动风扇发动机，其中所述推力发生器包括风扇和电动机，其中所述电动机驱动所述风扇，以及其中所述旋转构件为与所述风扇或所述电动机中的一者或两者一起可旋转的轴。
实施方案12. 根据实施方案11所述的旋转机器，其特征在于，所述电动风扇发动机是构造成安装到飞行器的后端上的边界层喷射风扇。
实施方案13. 一种涡轮机，包括：
包括压缩机的压缩机区段；
包括涡轮的涡轮区段；
包括压缩机部分和涡轮部分的转轴，所述压缩机部分定位在所述压缩机区段内且附接到所述压缩机上且与所述压缩机一起可旋转，所述涡轮部分定位在所述涡轮区段内且附接到所述涡轮上且与所述涡轮一起可旋转；
基本完全地支承所述压缩机和所述转轴的所述压缩机部分或所述涡轮和所述转轴的涡轮部分中的至少一者的多个气体轴承。
实施方案14. 根据实施方案13所述的涡轮机，其特征在于，所述多个气体轴承基本完全地支承所述压缩机和所述转轴的所述压缩机部分，其中所述压缩机包括压缩机转子叶片的第一级和压缩机转子叶片的第二级，其中所述压缩机转子叶片的第一级和第二级经由连接器附接，其中所述多个气体轴承包括直接地支承所述转轴的气体轴承和直接地支承所述连接器的气体轴承。
实施方案15. 根据实施方案14所述的涡轮机，其特征在于，直接地支承所述连接器的所述气体轴承在所述压缩机转子叶片的第二级下游的位置处与所述压缩机区段空气流连通，且构造成接收来自该压缩机区段的工作气流。
实施方案16. 根据实施方案13所述的涡轮机，其特征在于，所述多个气体轴承包括径向支承轴承和止推轴承。
实施方案17. 根据实施方案13所述的涡轮机，其特征在于，所述多个气体轴承中的各个气体轴承均限定内表面，且构造成提供穿过所述内表面的工作气流来在所述内表面上产生薄膜。
实施方案18. 根据实施方案3所述的涡轮机，其特征在于，所述多个气体轴承基本完全地支承所述涡轮和所述转轴的所述涡轮部分。
实施方案19. 根据实施方案18所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮包括经由连接器附接的涡轮转子叶片的两个级，其中所述多个气体轴承包括直接地支承所述转轴的气体轴承，以及直接地支承所述连接器的气体轴承。
实施方案20. 根据实施方案13所述的涡轮机，其特征在于，所述多个气体轴承基本完全地支承所述压缩机和所述转轴的所述压缩机部分，以及其中所述多个气体轴承基本完全地支承所述涡轮和所述转轴的所述涡轮部分。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
针对本领域的技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且开放的公开内容在参照附图的说明书中提出，在附图中：
图1为按照本公开内容的示例性实施例的气体轴承的轴向视图。
图2为沿图1的线2-2截取的图1的示例性气体轴承的截面侧视图。
图3为按照本公开内容的示例性实施例的喷嘴区段的透视图。
图4为按照本公开内容的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。
图5为图4的示例性燃气涡轮发动机的压缩机区段的示意性截面近视图。
图6为图4的示例性燃气涡轮发动机的涡轮区段的示意性截面近视图。
图7为按照本公开内容的示例性实施例的飞行器的侧视图。
图8为可并入图7的示例性飞行器的按照本公开内容的示例性实施例的电动风扇发动机的示意性截面侧视图。
零件列表
100 轴承组件
102 中心轴线
104 轴向开口
105 阻尼组件
106 轴承垫
108 内表面
110 壳体
112 气体入口
114 供应通道
116 柱
118 垫的中心
120 分送孔
122 轴承区段
124 第一流体阻尼腔
126 第二流体阻尼腔
128 外壁
130 内壁
132 外周
134 壳体的本体
136 外壁的半刚性部分
138 外壁的刚性部分
140 内壁的半刚性部分
142 内通道
144 外通道
200 喷嘴级
202 底座
204 喷嘴
206 外环
300 涡扇喷气发动机
302 纵向或轴向中心线
304 风扇区段
306 核心涡轮发动机
308 外壳
310 入口
312 低压压缩机
314 高压压缩机
316 燃烧区段
318 高压涡轮
320 低压涡轮
322 喷气排气区段
326 高压轴/转轴
328 低压轴/转轴
324 核心空气流动路径
340 风扇
342 叶片
344 毂
346 风扇壳或机舱
348 出口导向导叶
350 下游区段
352 旁通空气流通路
354 空气
356 入口
358 空气的第一部分
360 空气的第二部分
362 燃烧气体
364 涡轮转子叶片
366 涡轮转子叶片
368 风扇喷嘴排气区段
370 气体轴承
372 压缩机级
374 压缩机转子叶片
376 压缩机转子
378 旋转构件
380 连接器
370A 径向支承轴承
370B 轴向支承轴承
382 静止部件
384 涡轮级
386 涡轮转子叶片
388 涡轮转子
390 连接器
392 静止部件
400 飞行器
402 纵向中心线
404 前端
406 后端
408 等分线
410 机身
412 机翼
414 竖直定位面
416 水平稳定面
418 外表面
420 电动风扇发动机
422 喷气发动机
424 后发动机轴线
425 机舱
426 风扇
428 支承系统
430 风扇叶片
432 风扇轴
434 电动机
436 支承轴
438 第一端
440 第二端
442 附接臂
444 隔框
446 圆柱体部分
448 支承部件
450 后支承臂
452 支承环
454 尾锥。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。该详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标记用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文中所使用的，用语"第一"、"第二"和"第三"可互换使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示独立构件的位置或重要性。用语"上游"和"下游"是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体流自的方向，且"下游"是指流体流至的方向。
现在参看附图，其中相同的数字表示附图各处的相同元件，图1和图2绘出了按照本公开内容的示例性实施例的气体轴承100。具体而言，图1提供了按照本公开内容的示例性实施例的气体轴承100的侧视图；且图2提供了沿图1的线2-2截取的图1的示例性气体轴承100的示意性截面视图。在某些示例性实施例中，示例性气体轴承100可并入下文参照图5描述的示例性涡扇发动机300中。
如图所示，示例性气体轴承100大体上限定了轴向方向A1(和大体上沿轴向方向A1延伸的中心轴线102)、径向方向R1和周向方向C1(图1)。轴承100限定轴向开口104，且构造成支承轴向开口104内的例如涡扇发动机300的旋转构件145(见图2)。轴承100大体上包括一个或更多个轴承垫106，其各自限定用于支承旋转构件145的内表面108，以及附接到轴承垫106上或与轴承垫106整体结合形成的一个或更多个阻尼组件105。此外，示例性气体轴承包括包绕轴承100的外壁111，外壁附接到轴承100的阻尼组件105上或与其整体结合形成。
轴承100构造为"气体"轴承或无油/没有油的轴承，且因此轴承100大体上构造成在操作期间向一个或更多个轴承垫106的内表面108提供工作气体(例如，空气、压缩空气和燃烧气体等)的流，以产生与旋转构件145的分离，且提供低摩擦手段来支承此旋转构件145(未绘出)。
气体轴承大体上包括沿轴向方向A1的第一端，以及沿轴向方向A1的相对的第二端。如还绘出那样，气体轴承包括沿轴向方向A1在第一端处的气体入口112，以及从气体入口112延伸到柱116的供应通道114(图2)。如下文更详细论述那样，柱116构造成向轴承垫106提供来自供应通道114的工作气流。
此外，对于所示的示例性实施例，柱116构造为基本完全支承轴承垫106的支承部件。具体而言，如图所示，柱116朝轴承垫106延伸且支承轴承垫106。此外，对于所示的实施例，柱116基本位于轴承垫106的中心处。更具体而言，绘出的轴承垫106限定沿轴向方向A1以及沿周向方向C1的中心118，且柱116在轴承垫106的中心118附近至少部分地附接到轴承垫106上或与轴承垫106整体结合形成。然而，在其它实施例中，柱116可改为定位成从轴承垫106偏离中心。
在某些实施例中，轴承垫106可构造成在轴承100的操作期间分散和/或扩散工作气体来支承和/或润滑旋转构件145。以此方式，轴承100可提供流体静力加压的顺应性轴承垫106。例如，所示的示例性轴承垫106包括跨过轴承垫106设置的多个气体分送孔120，以提供轴向开口104内的均匀分布的压力场来用于支承和/或润滑旋转构件145。
所示的示例性多个气体分送孔120沿轴向方向A1基本均匀间隔开。然而，在其它实施例中，多个气体分送孔120可按其它适合的方式布置。此外，在某些实施例中，多个气体分送孔120可大体上具有大约2mil(大约50微米)到大约100mil(大约2,540微米)之间的范围中的直径，且更具体而言，在大约5mil(大约127微米)到大约20mil(大约508微米)之间。作为备选或此外，在一些实施例中，各个轴承垫106可具有足够高的气体渗透率来允许从柱116接收到的工作气体在轴向开口104内生成足够的压力来提供旋转构件145的支承和/或润滑。
此外，如图1中所示，轴承100包括沿轴承100的周向方向C1间隔开的多个区段122。各个区段122均可大体上包括轴承垫106(例如，以上文所述的相同方式构造)和阻尼组件105。因此，例如可在图1中最清楚看到那样，轴承100包括沿周向方向C1基本均匀间隔开的多个轴承垫106。各个轴承垫106均限定相应的内表面108，多个轴承垫106的内表面108一起限定沿周向方向C1的基本环形的支承表面，以及沿轴向方向A1(例如，见图2)的线性支承表面，以用于支承旋转构件145。
轴承垫106可由适于经得起轴承100的工作条件的任何材料制成。此外，在一些实施例中，轴承垫106可由具有足够低的孔隙度的材料制成，以防止例如涡轮机的操作期间在轴承垫106与旋转构件145之间产生的气体薄膜中的不稳定性，且还向气体膜区域提供了更均匀分布的气体输送。例如，在一些实施例中，轴承垫106可由多孔碳制成，诸如碳石墨、烧结的多孔陶瓷和烧结的多孔金属(诸如钴、镍或铁基合金)。
此外，在一些实施例中，轴承垫106和各个区段122的阻尼组件105可由单种连续材料整体结合形成。例如，在一些实施例中，各个轴承垫106均可与轴承100的相应区段122的阻尼组件105整体结合形成，使得轴承垫106和相应的区段122的阻尼组件105制造成形成单个一体部分。此外，在某些实施例中，形成两个或更多个区段122的多个轴承垫106和阻尼组件105可整体结合形成，或更进一步，形成轴承100的多个轴承垫106中的每一个和相应阻尼组件105可整体结合形成。
轴承垫106和阻尼组件105可经由适合便于形成下文所示和所述的一体部分的任何技术来制造。例如，在一些实施例中，轴承垫106和阻尼组件105可使用添加制造工艺制造(也称为快速原型设计、快速制造和3D打印)，诸如选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)、扩散粘结或选择性热烧结(SHS)。然而，应当认识到的是，在其它实施例中，一个或更多个轴承区段122，包括轴承垫106和相应的阻尼组件105，可由单种连续材料整体结合形成，且以任何其它适合的方式连结到单独形成的相邻轴承区段122上，诸如通过机械紧固手段。
具体参看图2，如上文所述，各个轴承区段122均包括阻尼组件105。更具体而言，对于所示实施例，阻尼组件105至少部分地限定第一流体阻尼腔124和第二流体阻尼腔126。第一流体阻尼腔124定位在轴承垫106附近，且第二流体阻尼腔126与第一流体阻尼腔124间隔开，或更具体而言，沿径向方向R1与第一流体阻尼腔124间隔开。
对于所示实施例，各个轴承区段122的阻尼组件105均大体上包括第一外壁128和第二内壁130。对于所示实施例，内壁130和外壁128分别构造为蛇线形内壁130和蛇线形外壁128(即，沿多种方向延伸的壁)。例如，轴承垫106大体上限定外周132。蛇线形外壁128附接到轴承垫106上或与轴承垫106整体结合形成，在轴承垫106的外周132附近(或更确切地说，在轴承垫106的外周132处)，大体上沿轴向方向A1朝轴承垫106的中心118延伸，且随后沿轴向方向A1远离轴承垫106的中心118延伸回，与壳体110的本体134连接。类似地，对于所示实施例，内壁130在轴承垫106的中心118附近(或更确切地说，在轴承垫106的中心118处)附接到轴承垫106上或与轴承垫106整体结合形成，大体上沿径向方向R1远离轴承垫106延伸，且随后沿轴向方向A1远离轴承垫106的中心118延伸，也与壳体110的本体134连接。
此外，如示意性所示，外壁128大体上包括半刚性部分134和刚性部分138，且类似地，内壁130包括半刚性部分140。如图所示，外壁128至少部分地限定第一流体阻尼腔128，且至少部分地限定第二流体阻尼腔126。此外，轴承垫106至少部分地限定第一流体阻尼腔124，且内壁130至少部分地限定第二流体阻尼腔126。更具体而言，对于所示实施例，外壁128的半刚性部分136和轴承垫106一起限定第一流体阻尼腔124，且外壁128的刚性部分138和内壁130的半刚性部分140一起限定第二流体阻尼腔126。
应当认识到的是，如本文中所使用的，用语"半刚性"和"刚性"是相对用语。因此，描述为半刚性的轴承100的构件可构造为在描述为刚性的轴承的构件之前弯曲、屈曲或退让。此外，本文中描述为"半刚性"的轴承100的构件是指构造成在轴承100的正常操作期间弯曲、屈曲或退让的构件，同时引起较少破坏或没有破坏。
此外，对于所示实施例，第一流体阻尼腔124经由柱116的部分与第二流体阻尼腔126流体连通。具体而言，所示示例性柱116构造为由内壁130的一部分和外壁128的一部分形成的双壁柱116。因此，柱116在径向外端处由外壁128的刚性部分138和内壁130的半刚性部分140支承。此外，在径向内端处，由内壁130形成的柱116的部分附接到轴承垫106上(或甚至与轴承垫106整体结合形成)，且由外壁128形成的柱116的部分经由外壁128的半刚性部分136附接到轴承垫106上。
此外，内壁130限定用于向轴承垫106提供工作气体的内通道142，且外壁128和内壁130一起限定外通道144。如将认识到那样，对于所示实施例，外通道144与内通道142同心，且限定围绕内通道142的基本环形形状。此外，对于所示实施例，外通道144构造为空隙，使得第一流体阻尼腔124和第二流体阻尼腔126经由外通道144限制性流动连通。
此外，第一流体阻尼腔124、第二流体阻尼腔126和外通道144所有都密封在一起，且一起限定固定容积。在操作期间，第一流体阻尼腔124和第二流体阻尼腔126和外通道144分别完全填充有阻尼流体。例如，阻尼流体可为油，诸如热传递油，或作为备选，可为任何其它适合的流体，诸如任何适合的不可压缩的液体。轴承100构造为响应于作用在轴承垫106上的力将阻尼流体从第一流体阻尼腔124传递穿过外通道144/空隙，且至第二流体阻尼腔126。
在力作用于轴承垫106上时，诸如在由轴承100支承的旋转构件145大体上沿径向方向R1压在轴承垫106上时，形成阻尼组件105的壳体110的部分允许轴承垫106沿径向方向R1移动，以吸收此力。更具体而言，在支承轴承垫106的柱116向上移动(或沿径向向外)时，外壁128的半刚性部分136部分地变形(减小第一流体阻尼腔124的容积)，第一流体阻尼腔124内的阻尼流体的一部分被迫穿过构造为空隙的柱116的外通道144，且流入第二流体阻尼腔126中。同时，外壁128的刚性部分138保持基本静止，且内壁130的半刚性部分140部分地变形，以增大第二流体阻尼腔126的容积，且接受从第一流体阻尼腔124经由柱116的外通道144提供的阻尼流体的一部分。此移动吸收施加到轴承垫106上的力，且缓冲此移动。例如，外通道144/空隙的相对紧的间隙阻止轴承垫106沿径向方向R1的相对快速的移动。在没有施加到轴承垫106上的力的情况下，传递至第二流体阻尼腔126的阻尼流体可使流动方向反向，且经由柱116的外通道144流回第一流体阻尼腔124。
然而，应当认识到的是，在其它示例性实施例中，图1和2中所示的气体轴承可按任何其它适合的方式构造。例如，尽管图1和2中所示的示例性气体轴承构造为径向支承轴承，但在其它实施例中，气体轴承可改为构造成轴向支承轴承或止推轴承。
此外，按照本公开内容的示例性实施例的气体轴承可并入燃气涡轮发动机中，或可与另一个构件组合且并入燃气涡轮发动机中。例如，现在参看图3，按照本公开内容的示例性实施例的气体轴承绘制为整体结合到喷嘴级200中，诸如涡轮喷嘴级或压缩机喷嘴级。所示的示例性喷嘴级200包括底座202、多个喷嘴204和外环206。多个喷嘴204从底座202延伸至外环206，且沿周向方向(未示出)间隔开。如下文更详细所述，多个喷嘴204在安装于燃气涡轮发动机中时可定位在燃气涡轮发动机的核心空气流动路径324中。
底座202包括整体结合在其中的气体轴承100。气体轴承100可按与上文参照图1和2所述的示例性气体轴承100相同的方式构造，且因此相同的数字可表示相同的零件或构件。例如，整体结合到底座202中的气体轴承限定内表面108。显然，整体结合到所示喷嘴级200的底座202中的气体轴承可作用为旋转构件214的轴承100，以及旋转构件214的密封件。
现在参看图4，提供了按照本公开内容的示例性实施例的航空装置的旋转机器的示意性截面视图。例如，所示旋转机器可为用于飞行器的涡轮机。更具体而言，对于图4的实施例，涡轮机构造为燃气涡轮发动机，或更确切地说构造为高旁通涡扇喷气发动机300，本文中称为"涡扇发动机300"。如图4中所示，涡扇发动机300限定轴承方向A2(平行于为了参照提供的纵向中心线302延伸)、径向方向R2，以及围绕轴向方向A2延伸的周向方向C2(即，围绕轴向方向A2延伸的方向；未绘出)。大体上，涡扇300包括风扇区段304和设置在风扇区段304下游的核心涡轮发动机306。
绘出的示例性核心涡轮发动机306大体上包括基本管状的外壳308，其限定环形入口310。外壳308包围核心涡轮发动机306，且核心涡轮发动机306包括推力发生器。更具体而言，推力发生器包括成串流关系的：包括增压器或低压(LP)压缩机312和高压(HP)压缩机314的压缩机区段；燃烧区段316；包括高压(HP)涡轮318和低压(LP)涡轮320的涡轮区段；以及喷气排气喷嘴区段322。压缩机区段、燃烧区段316、涡轮区段和喷气排气喷嘴区段322一起限定核心空气流动路径324。然而，核心涡轮发动机306且更具体而言推力发生器可在其它实施例中具有用于生成推力和/或旋转能的任何其它适合的构造。高压(HP)轴或转轴326将HP涡轮318传动地连接到HP压缩机314上。低压(LP)轴或转轴328将LP涡轮320传动地连接到LP压缩机312上。因此，LP轴328和HP轴326各自为旋转构件，其在涡扇发动机300的操作期间围绕轴向方向A2旋转。
仍参看图4的实施例，风扇区段304还包括推力发生器，或更具体而言，风扇340具有大体上沿径向方向R向外延伸的多个风扇叶片342。如将认识到那样，多个风扇叶片342沿周向方向C2间隔开。风扇叶片342是通过LP轴328围绕纵轴线302一起可旋转的。此外，风扇340包括空气动力学地异型成促进穿过多个风扇叶片342的空气流的可旋转的前毂344，以及沿周向包绕风扇340和/或核心涡轮发动机306的至少一部分的环形风扇壳或外机舱346。示例性机舱346可由多个沿周向间隔开的出口导向导叶348关于核心涡轮发动机306支承。此外，机舱346的下游区段350在核心涡轮发动机306的外部上延伸，以便在它们之间限定旁通空气流通路352。
在涡扇发动机300的操作期间，一定量空气354经由机舱344的相关联的入口356和/或风扇区段304进入涡扇300中。当一定量空气354穿过风扇叶片342时，如由箭头358指出的空气354的第一部分被引导或发送到旁通空气流通路352中，且如由箭头360指出的空气354的第二部分被引导或发送到核心发动机流动路径324中，或更具体是到LP压缩机312中。空气的第一部分358与空气的第二部分360之间的比率通常称为涵道比。空气的第二部分360的压力然后在其发送穿过高压(HP)压缩机314且进入燃烧区段316中时进一步增大，在燃烧区段316中其与燃料混合且焚烧以提供燃烧气体362。
燃烧气体362发送穿过HP涡轮318，在该处，来自燃烧气体362的热能和/或动能的一部分经由联接到HP轴或转轴326上的HP涡轮转子叶片364的连续级获得，因此促使HP轴或转轴326旋转，由此支持HP压缩机314的操作。燃烧气体362然后发送穿过LP涡轮320，在该处，热能和动能的第二部分从燃烧气体362经由联接到LP轴或转轴328上的LP涡轮转子叶片366获得，因此促使LP轴或转轴328旋转，从而支持LP压缩机312的操作和/或风扇340的旋转。
燃烧气体362随后发送穿过核心涡轮发动机306的喷气排气喷嘴区段322来提供推力。同时，空气的第一部分358的压力在空气的第一部分358在其从涡扇300的风扇喷嘴排气区段368排出(也提供了推力)之前发送穿过旁通空气流通路352时显著增大。
图4中所示的示例性涡扇发动机300的各种旋转构件均由多个气体轴承370支承。显然，在某些示例性实施例中，一个或更多个示例性气体轴承370可按基本与上文参照图1和和2所述的示例性气体轴承100的相同方式构造。具体而言，如所述，涡扇发动机300包括LP轴328，其附接到压缩机区段的LP压缩机312和涡扇区段的LP涡轮320上且可与其一起旋转。多个气体轴承370基本完全支承LP轴328，以及LP压缩机312和LP涡轮320。此外，涡扇发动机300包括HP轴326，其附接到压缩机区段的HP压缩机314和涡轮区段的HP涡轮318上且可与其一起旋转。多个气体轴承370还基本完全支承HP轴326，以及HP压缩机314和HP涡轮318。显然，尽管示例性涡扇发动机300包括直接地支承LP压缩机312、LP涡轮320、HP压缩机314和HP涡轮318的多个气体轴承370，但在其它实施例中，多个气体轴承370可改为通过直接地支承LP轴328和HP轴326来基本完全地支承这些构件。
具体而言，现在还参看图5和6，提供了图4的示例性涡扇发动机300的近视图。图5提供了示例性涡扇发动机300的压缩机区段的近视图，且图6提供了示例性涡扇发动机300的涡轮区段的近视图。
具体参看图5，提供了低压(LP)压缩机312的近视图，LP压缩机312包括三个压缩机级372。各个压缩机级372包括核心空气流动路径324内的沿周向方向C2间隔开的多个压缩机转子叶片374。此外，各个压缩机转子叶片374均沿径向方向R2在内端处附接到相应的压缩机转子376上。
涡扇发动机300还包括压缩机区段内的附接到压缩机区段的一部分上且与其一起旋转的旋转构件378。旋转构件378在操作期间附接压缩机转子212的各种级，且驱动/旋转LP压缩机312。更具体而言，旋转构件378包括轴，对于所示实施例，其构造为LP轴328，以及在压缩机转子叶片374的各种级372之间延伸和连接压缩机转子叶片374的各种级372(即，压缩机转子叶片374的第一级、第二级和第三级372)的多个压缩机连接器380。
上文提到的多个气体轴承370基本完全地支承LP压缩机312和LP轴328的压缩机部分。具体而言，多个气体轴承370均包括径向支承轴承370A，其附接到涡扇发动机300的静止部件382上且直接地支承LP轴328的沿轴向延伸部分。此外，多个气体轴承370包括轴向推力支承轴承370B，其也附接到涡扇发动机300的静止部件382上，且直接地支承LP轴328的沿径向延伸部分。径向支承轴承370A和轴向止推轴承370B各自位于核心空气流动路径324内侧，且与核心空气流动路径324分开。
此外，多个气体轴承370包括整体结合到喷嘴级200的底座202中的一个或更多个气体轴承370。具体而言，所示的示例性压缩机区段包括两个喷嘴级200，各个喷嘴级200均位于LP压缩机312的两个连续压缩机级372之间。此外，两个喷嘴级200中的各个均支承旋转构件378，或更确切地说直接地支承旋转构件378的压缩机连接器380，连接各个相应喷嘴级200位于其间的LP压缩机312的两个压缩机级372。
图5中所示的各个喷嘴级200可按类似于上文参照图3所述的示例性喷嘴级200的方式构造。例如，所示的各个喷嘴级200大体上包括底座202、多个喷嘴204和外环206。此外，多个喷嘴204沿周向方向C2间隔开，且从底座202经由核心空气流动路径324延伸至外环206。利用此构造，多个喷嘴204也可称为压缩机定子导叶。
此外，如所述，底座202包括气体轴承370。气体轴承370可按类似于上文所述的示例性气体轴承100的方式构造。例如，如上文所述，被包括在底座202内的轴承370可具有多个轴承垫106，其限定用于支承旋转构件378的内表面108(见图1和2)。在操作期间，气体轴承370可提供穿过内表面108的工作气流，以提供用于旋转构件378的低摩擦支承。更具体而言，喷嘴级200可构造成使得内表面108定位成与旋转构件378成紧密空隙关系，使得经由内表面108提供的空气流在内表面108与旋转构件378之间产生薄流体膜。
此外，整体结合到压缩机区段中的相应示例性喷嘴级200的底座202中的气体轴承370可与在相应的喷嘴级200位于其间的压缩机转子叶片374的两个级372下游的位置处的压缩机区段空气流连通，且构造成从该压缩机区段接收工作气流。因此，利用该构造，相应的气体轴承370可在高于压缩机转子叶片374的相应两级372的压力下使用工作气体，以生成或产生用于润滑旋转构件378的薄流体膜。利用此实施例，整体结合到相应的喷嘴级200的底座202中的气体轴承370还可用作压缩机转子叶片374的相应两级372之间，以及气体轴承370的内表面与旋转构件378之间的密封件。
现在具体参看图6，提供了涡扇发动机300的涡轮区段的示意性侧部近视图。类似于上文参照图5所述的示例性压缩机区段，所示的示例性涡轮区段大体上包括具有一个或更多个涡轮级384的涡轮。涡轮区段至少部分地限定核心空气流动路径324，且包括低压(LP)涡轮320。示例性LP涡轮320包括至少七个涡轮级384。然而，在其它实施例中，LP涡轮320可具有任何其它适合数目的涡轮级384。各个涡轮级384均包括核心空气流动路径324中的沿周向方向C2间隔开的多个涡轮转子叶片386。此外，各个涡轮转子叶片386均附接到相应的涡轮转子388上。涡扇发动机300还包括涡轮区段内的旋转构件378，其附接到涡轮区段的一部分上且与其一起可旋转。更具体而言，旋转构件378包括多个涡轮连接器390和LP轴328。涡轮连接器390附接涡轮转子384的各种级，且LP轴388将从穿过LP涡轮320的空气流获得的旋转能给予LP轴328的涡轮部分。LP轴328将LP涡轮320连接到上文参照图5所述的LP压缩机312上。
如上文所述，多个气体轴承370基本完全地支承LP涡轮320和LP轴328的涡轮部分。具体而言，多个气体轴承370均包括径向支承轴承370A，其附接到涡扇发动机300的静止部件392上，且直接地支承涡轮区段内的LP轴328的沿轴向延伸的部分。此外，多个气体轴承370包括轴向推力支承轴承370B，其也附接到涡扇发动机300的静止部件392上，且直接地支承涡轮区段内的LP轴328的沿径向延伸的部分。径向支承轴承370A和轴向止推轴承370B各自位于核心空气流动路径324内侧，且与核心空气流动路径324分开。
此外，正如上文参照图5所述的示例性压缩机区段，对于所示的示例性LP涡轮320，包括LP轴328和涡轮连接器390的旋转构件378由按照本公开内容的示例性实施例的并入喷嘴级200的底座202中的一个或更多个气体轴承370支承。具体而言，所示示例性涡轮区段包括整体结合到相应的喷嘴级200中的三个气体轴承370。所示示例性喷嘴级200各自位于LP涡轮320的两个连续涡轮级384之间。
仍参看图6，具有整体结合到其中的示例性气体轴承370的所示各个喷嘴级200还可按类似于上文参照图4所述的示例性喷嘴级200的方式构造。例如，所示的各个喷嘴级200大体上包括底座202、多个喷嘴204和外环206。此外，多个喷嘴204沿周向方向C2间隔开，且从底座202经由核心空气流动路径324延伸至外环206。利用此构造，多个喷嘴204也可称为涡轮定子导叶。
此外，如所述，底座202包括并入其中的气体轴承370。气体轴承370可按类似于上文所述的示例性气体轴承100的方式构造。例如，如上文所述，包括在底座202内的轴承370可具有多个轴承垫106，其限定用于支承旋转构件378的内表面108。在操作期间，气体轴承370可提供穿过内表面108的工作气流，以提供用于旋转构件378的低摩擦支承。更具体而言，喷嘴级200可构造成使得内表面108定位成与旋转构件378成紧密空隙关系，使得经由内表面108提供的空气流在内表面108与旋转构件378之间产生薄流体膜。
按照本公开内容的一个或更多个示例性方面的燃气涡轮发动机可允许较简单、较轻且廉价的燃气涡轮发动机。更具体而言，通过包括用于基本完全地支承各种旋转构件、涡轮和/或压缩机中的一个或更多个的多个气体轴承，燃气涡轮发动机可省去油润滑的轴承，以及所有相关联的支承结构(例如，槽、油泵、油管线等)。
然而，应当认识到的是，在其它实施例中，燃气涡轮发动机可按任何其它适合的方式构造。例如，在其它实施例中，除本文所述的气体轴承370之外，可使用一个或更多个油润滑的轴承。此外或作为备选，压缩机区段和/或涡轮区段可包括任何适合数目的喷嘴级200，且不限于并入本文所述的示例性压缩机和涡轮区段中的喷嘴级200的数目。此外，还应当认识到的是，在又一些示例性实施例中，本公开内容的各方面可并入任何其它适合的燃气涡轮发动机或涡轮机中。例如，在其它示例性实施例中，本公开内容的各方面例如可并入涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机或涡轮喷气发动机。
现在参看图7，提供了按照本公开内容的示例性实施例的航空装置的左舷视图。所示的示例性航空装置是飞行器400。如图7中所示，飞行器400限定延伸穿过其间的纵向中心线402、竖直方向V、前端404和后端406。此外，飞行器400限定在飞行器400的前端404与后端406之间延伸的等分线408。如本文中所使用的，"等分线"是指沿飞行器400的长度延伸的中点线，未考虑飞行器400的附件(诸如，下文所述的机翼412和稳定器)。
此外，飞行器400包括从飞行器400的前端404朝飞行器400的后端406纵向地延伸的机身410，以及一对机翼412。如本文中所使用的，用语"机身"大体上包括飞行器400的全部本体，诸如飞行器400的尾翼。飞行器400还包括竖直稳定器414和一对水平稳定器416。机身410还包括外表面或表皮418。然而，应当认识到的是，在本公开内容的其它示例性实施例中，此外或作为备选，飞行器400可包括例如稳定器的任何其它适合的构造，其可或可不沿竖直方向V或水平方向直接地延伸。
图7的示例性飞行器400包括多个旋转机器。具体而言，示例性飞行器400包括一对飞行器发动机，其中至少一个安装到一对机翼412中的各个上，以及电动风扇发动机420。对于所示实施例，飞行器发动机构造为以翼下构造悬置于机翼412下方的涡扇喷气发动机422。此外，电动风扇发动机420构造为摄入和消耗形成飞行器400的机身410上的边界层的空气。因此，后发动机构造为"边界层摄入风扇"。此外，电动风扇发动机420沿等分线408在翼412和/或喷气发动机422后方的位置处安装到飞行器400上，使得等分线408延伸穿过其间。具体而言，对于所示实施例，电动风扇发动机420在后端406处固定地连接到机身410上，使得电动风扇发动机420并入后端406处的尾部区段中或与其混合。因此，电动风扇发动机420构造为"后风扇"。然而，应当认识到的是，在各种其它实施例中，电动风扇发动机420可作为备选定位在后端406的任何适合的位置处，或在飞行器400上的别处。
显然，在各种实施例中，喷气发动机422可按类似于上文参照图4至6所述的示例性涡扇发动机300的方式构造。此外，在某些实施例中，喷气发动机422可向一个或更多个发电机(未示出)提供机械能。一个或更多个发电机可将由喷气发动机422提供的机械能转变成电能，且此电能继而又可提供至电动风扇发动机420。
现在参看图8，提供了图7的电动风扇发动机420的示意性截面侧视图。如图所示，电动风扇发动机420限定沿延伸穿过其间来用于参照的纵向中心线轴线424延伸的轴向方向A2，以及径向方向R3和周向方向C3(即，围绕轴向方向A3延伸的方向，未示出)。
大体上，电动风扇发动机420包括围绕中心线轴线424可旋转的风扇426、围绕风扇426的一部分延伸的机舱425，以及结构支承系统428。风扇426包括多个风扇叶片430和风扇轴432。多个风扇叶片430附接到风扇轴432上，且大体上沿周向方向C3间隔开。
在某些示例性实施例中，多个风扇叶片430可以以固定方式附接到风扇轴432上，或作为备选，多个风扇叶片430可旋转地附接到风扇轴432上。例如，多个风扇叶片430可附接到风扇轴432上，使得多个风扇叶片430中的各个的桨距可通过桨距改变机构(未示出)例如一齐地变化。改变多个风扇叶片430的桨距可提高电动风扇发动机420的效率，且/或可允许电动风扇发动机420实现期望的推力分布。就此示例性实施例而言，电动风扇发动机420可称为可变桨距风扇。
风扇轴432机械地联接到至少部分地位于飞行器400的机身410内的动力源上，其在所示实施例中构造为电动机434。电动机434可接收来自储能装置或发电机中的一者或两者的动力，发电机将来自例如喷气发动机422的机械能转变成电能。显然，电动风扇发动机420还可包括将电动机434机械地联接到风扇轴432上的变速箱(未示出)。
如上文简要所述，电动风扇发动机420还包括用于将电动风扇发动机420安装到飞行器400上的结构支承系统428。结构支承系统428大体上从飞行器400的机身410延伸穿过风扇轴432，且至电动风扇发动机420的机舱425。更具体而言，结构支承系统428大体上包括在第一端438与第二端440之间延伸的支承轴436。显然，如本文中所使用的，用语"支承轴"大体上是指任何结构部件，诸如支承横梁或杆。在第一端438处，支承轴436经由支承轴436的多个前附接臂442附接到飞行器400的机身410上。例如，支承轴436的第一端438处的支承轴436的多个前附接臂442可附接到飞行器400的机身410的隔框444上。
支承轴436从第一端438沿向后方向延伸穿过风扇轴432的至少一部分。对于所示实施例，支承轴436包括延伸穿过风扇轴432的中心的圆柱体部分446，支承轴436的圆柱体部分446与风扇轴432同心。
结构支承系统428还包括从结构支承轴436延伸至机舱425的一个或更多个结构部件448。具体而言，对于所示实施例，结构支承轴436包括多个后支承臂450和圆柱形支承环452。多个后支承臂450从支承轴436的圆柱体部分446延伸至圆柱形支承环452，且一个或更多个结构部件448附接到圆柱形支承环452上。此外，对于所示实施例，一个或更多个结构部件448包括附接到支承轴436的第二端440(即，圆柱形支承环452)上的多个沿周向间隔开的结构部件448。一个或更多个结构部件448可向机舱425以及例如电动风扇发动机420的尾锥454提供结构支承。
对于图8中所示的实施例，多个结构部件448基本沿径向方向R3延伸至机舱425，以向机舱425提供结构支承。此外，在至少某些示例性实施例中，结构部件448可各自构造为出口导向导叶。如果构造为出口导向导叶，则结构部件448可构造成将空气流引导穿过电动风扇发动机420。
然而，应当认识到的是，所示示例性结构支承系统428仅通过举例方式提供，且在其它示例性实施例中，可提供任何其它适合的结构支承系统428。例如，在其它示例性实施例中，结构部件448可改为限定关于径向方向R3的角，且还可沿周向方向C3均匀或不均匀地间隔开。此外，支承轴436可具有任何其它适合的构造。例如，在其它示例性实施例中，支承轴436可完全由圆柱体部分形成，使得圆柱体部分在前端处直接安装到飞行器400的机身410上。类似地，在其它实施例中，支承轴436可不包括后附接臂450或圆柱形支承环452中的一者或两者。例如，在某些示例性实施例中，一个或更多个结构部件448可直接地附接到支承轴436的圆柱体部分446上。此外，在又一些实施例中，支承系统428可包括附加的支承特征，例如，静止支承特征，其位于风扇轴432的径向内侧，且例如在支承轴436内，或在别处，以用于向结构部件448和机舱425提供期望量的支承。
仍参看图8的示例性实施例，支承轴436的圆柱体部分446支承风扇轴432的旋转。更具体而言，对于所示实施例，轴承组件设在支承轴436的本体部分446与风扇轴432之间。所示示例性轴承组件大体上包括用于基本完全支承电动风扇发动机420的旋转构件的多个气体轴承。更具体而言，所示示例性轴承组件包括前气体轴承456和后气体轴承458。前气体轴承456和后气体轴承458基本完全地支承电动风扇发动机420的风扇轴432。前气体轴承456和后气体轴承458可按任何适合的方式构造。例如，在某些示例性实施例中，前气体轴承456和后气体轴承458可按与上文参照图1和2所述的示例性气体轴承100基本相同的方式构造。还应当认识到的是，尽管图8中所示的示例性气体轴承456,458构造为径向支承轴承，但此外或作为备选，电动风扇发动机420可包括一个或更多个轴向支承气体轴承(例如，止推轴承)。
本书面描述使用了实例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括并非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结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于航空装置的旋转机器，所述旋转机器包括：
推力发生器；
与所述推力发生器一起可旋转的旋转构件；以及
多个气体轴承(100)，所述多个气体轴承(100)基本完全地支承所述旋转构件。
2.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器包括涡轮机，其中所述推力发生器包括所述涡轮机的压缩机区段和涡轮区段，以及其中所述压缩机区段包括压缩机，以及其中所述涡轮区段包括涡轮。
3.根据权利要求2所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转构件包括附接至所述压缩机和所述涡轮且与所述压缩机和所述涡轮一起可旋转的转轴，以及其中所述多个气体轴承(100)基本完全地支承所述转轴。
4.根据权利要求3所述的旋转机器，其特征在于，所述压缩机包括压缩机转子叶片的第一级和压缩机转子叶片的第二级，其中所述压缩机转子叶片的第一级和第二级经由连接器附接，其中所述多个气体轴承(100)包括直接地支承所述转轴的气体轴承(100)和直接地支承所述连接器的气体轴承(100)。
5.根据权利要求4所述的旋转机器，其特征在于，直接地支承所述连接器的所述气体轴承(100)在所述压缩机转子叶片的第二级下游的位置处与所述压缩机区段空气流连通，且构造成接收来自该压缩机区段的工作气流。
6.根据权利要求3所述的旋转机器，其特征在于，所述涡轮包括经由连接器附接的涡轮转子叶片的两个级，其中所述多个气体轴承(100)包括直接地支承所述转轴的气体轴承(100)，以及直接地支承所述连接器的气体轴承(100)。
7.根据权利要求2所述的旋转机器，其特征在于，所述涡轮为第一涡轮，其中所述涡轮区段还包括第二涡轮，其中所述压缩机为第一压缩机，其中所述压缩机区段还包括第二压缩机，其中所述旋转构件为第一旋转构件，其中所述涡轮机还包括附接至所述第二压缩机和所述第二涡轮且与所述第二压缩机和所述第二涡轮一起可旋转的第二旋转构件，以及其中所述多个气体轴承(100)基本完全地支承所述第二旋转构件、所述第二压缩机和所述第二涡轮。
8.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述多个气体轴承(100)包括径向支承轴承(100)和止推轴承(100)。
9.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述多个气体轴承(100)中的各个气体轴承(100)均限定内表面(108)，且构造成提供穿过所述内表面(108)的工作气流来在所述内表面(108)上产生薄膜。
10.根据权利要求9所述的旋转机器，其特征在于，所述工作气体为来自所述涡轮机的所述压缩机区段的压缩空气。
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