CN109386384A - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

一种飞行器燃气涡轮发动机（10）包括联接到风扇驱动涡轮（26）的风扇（16），所述风扇（14）配置成在使用时提供涵道流（B）和核心流（A）。所述发动机（10）包含将所述风扇（16）联接到所述风扇驱动涡轮（26）的减速齿轮箱（36）和核心压气机装置（18，20）。所述核心压气机装置（18，20）具有在由径向内壁和外壁（72，74）限定的核心气流通道（A）的上游端部处的核心入口（38），和设置在所述压气机装置（18，20）的上游端部处的至少一个第一压气机转子叶片（40）。所述核心入口（38）的所述径向内壁（72）限定第一直径（D入口），并且所述第一压气机转子叶片（40）的根部前边缘（84）限定第二直径（D压气机）。所述第一直径（D压气机）与所述第二直径（D压气机）的第一比率（D入口:D压气机）大于或等于1.4。

Description

燃气涡轮发动机
本公开涉及齿轮传动的飞行器燃气涡轮发动机。
飞行器燃气涡轮发动机通常包括燃气涡轮发动机核心和包封在风扇外罩内的核心驱动风扇。在使用时空气流过风扇，并且在下游分成两个气流-涵道流和核心流。在涵道流中的空气的质量流量与核心流的空气流量之间的比率称为涵道比。在次音速的飞行器速度下，出于高推进效率，期望大涵道比。
燃气涡轮发动机效率还可通过提高总压力比（OPR）来提高。高OPR引起高热力学效率，并且因此低燃料燃烧量。可通过增加压气机级的数量来实现高OPR。
通常，提供风扇来驱动涵道流，而提供一个或多个压气机来提供核心流。风扇通常定位在核心压气机的前方，并且因此有效地提供用于核心的附加压缩级。核心入口提供在风扇的根部（风扇下游）处。
存在用于飞行器燃气涡轮发动机的许多竞争性要求和参数。它们必须具有低燃料燃烧量，而且轻质并且具有小型尺寸。最近，已经在如美国专利申请2014186158中提出齿轮传动涡轮风扇。在齿轮传动涡轮风扇中，涡轮经由减速齿轮箱联接到风扇。这类减速齿轮箱引起具有大直径（并且因此高涵道比）的低速风扇（并且因此低风扇尖端速度），而且还具有高速涡轮（并且因此高涡轮尖端速度）。风扇速度与核心压气机和涡轮速度的这种解耦显著开放用于风扇和核心的设计空间。因此，在引入减速齿轮箱的情况下，常规燃气涡轮发动机核心和风扇的尺寸可是非最佳的。
根据第一方面，提供飞行器燃气涡轮发动机，包括：
联接到风扇驱动涡轮的风扇，风扇配置成在使用时提供涵道流和核心流；
将风扇联接到风扇驱动涡轮的减速齿轮箱；
核心压气机装置，核心压气机装置具有在由径向内壁和外壁限定的核心气流通道的上游端部处的核心入口，核心入口的径向内壁限定第一直径；其中；
核心压气机装置包括至少一个轴向最前压气机转子叶片，所述轴向最前压气机转子叶片的根部前边缘限定第二直径，其中第一直径与第二直径的第一比率大于或等于1.4。
第一比率可小于或等于3。在一个实施例中，第一比率R1可为1.5。在另一实施例中，第一比率R1为1.75。
第一轴向距离可由核心入口与轴向最前压气机转子叶片的根部前边缘之间的轴向距离来限定。第二比率可由第一轴向距离除以第一直径与第二直径之间的差值的比率来限定，可在0.8与1.5之间。第二比率可在1与1.5之间，并且可大于或等于1且小于或等于1.5。
第三比率可由在风扇根部处的前边缘处的直径与风扇的尖端的前边缘处的直径之间的比率来限定。第三比率可大于或等于0.2并且小于或等于0.4，并且可为大约0.25。
第四比率R4可由在风扇的尖端的前边缘处的直径与在第一核心压气机转子叶片的根部处的前边缘处的直径之间的比率来限定。第四比率可大于或等于3并且小于或等于6，并且可为大约4。
第五比率可由在风扇的尖端的前边缘处的直径与在核心入口处的直径之间的比率来限定。第五比率R5可大于或等于2.5并且小于或等于3.5，并且可为大约2.75。
第六比率（R6）可由在风扇的尖端的前边缘处的直径与在最前压气机转子叶片的尖端的前边缘处的直径之间的比率来限定。第六比率（R6）可大于或等于2.5和3.5，并且可为大约3。
核心压气机装置可包括在高压压气机的上游的低压压气机。低压压气机可通过低压轴直接地联接到风扇驱动涡轮。燃气涡轮发动机可包括通过高压轴联接到高压压气机的高压涡轮。
燃气涡轮发动机可具有涵道比，所述涵道比由穿过风扇并且围绕核心入口的空气质量流量与穿过核心入口的空气流量的比率来限定。涵道比可在13与25之间。
减速齿轮箱的减速比可在2:1与5:1之间。
发动机可配置成在使用时提供在40:1与80:1之间的总压力比。
低压压气机可配置成在使用时提供在2:1与4:1之间的压力比。
高压压气机可配置成在使用时提供在10:1与30:1之间的压力比。
风扇可配置成提供在1.1与1.5之间的风扇压力比。
低压压气机可包括在2与4之间的级，并且高压压气机可包括在8与12之间的级。
技术人员应了解，除其中相互排斥外，关于上述方面中的任一项描述的特征可在细节上作必要修改后应用于任何其它方面。此外，除其中相互排斥外，本文所描述的任何特征可应用于任何方面和/或与本文所描述的任何其它特征组合。
现将参考附图仅借助于实例描述实施例，其中：
图1为第一燃气涡轮发动机的截面侧视图；
图2为图1的燃气涡轮发动机的一部分的按比例调整的截面侧视图；并且
图3为图2的区域X的按比例调整的截面侧视图。
参考图1，以10大体上指示燃气涡轮发动机，其具有限定轴线方向的主要并且旋转的轴线12。发动机10包括（在轴流式系列中）进气口14、推进风扇16、低压压气机18、高压压气机20、燃烧设备22、高压涡轮机24、低压风扇驱动涡轮26和排气喷嘴28。外罩30大体上包围发动机10并且限定进口14。在燃烧设备15中，气流与燃料混合并且混合物燃烧。所得的热燃烧产品随后膨胀通过并且从而驱动高压涡轮24、低压涡轮26，之后通过喷嘴28排放以提供附加推进力。
燃气涡轮发动机10以常规方式工作，使得进入进口14的空气通过风扇16加速以产生两个气流：进入低压压气机18的第一气流和穿过外涵管道21的第二气流以提供推进力。高压压气机20压缩导向进入其的气流，随后将所述空气输送到燃烧设备22。
每个压气机18、20呈轴流式压气机的形式，具有一个或多个压气机级，每个压气机级包括旋转转子40和固定定子42。一般来说，压气机级的数量经选择，使得通过压气机提供期望总压力比（OPR）。在第一描述的实施例中，提供总共十三个压气机级，以便提供在巡航条件下大于40:1，和可能高达60:1或甚至高达80:1的高总压力比。低压压气机18提供这些级中的三个，而高压压气机20提供剩余十个。
类似地，为了吸收在核心废气流中的能量，期望高涡轮膨胀比。此外，每个涡轮24、26包括一个或多个涡轮级，每一级包括转子44和定子46。在此实施例中，高压涡轮24包括两个涡轮级，并且低压涡轮26包括四个涡轮级。
再次参考图1，高压压气机20通过高压轴32联接到高压涡轮24。类似地，低压压气机18通过低压轴34联接到低压涡轮26。低压轴34还经由减速齿轮箱36驱动推进风扇16。低压轴32和高压34为共轴的，其中低压轴34相对于高压轴32径向地朝内设置，并且相对于高压轴32向前和向后延伸。因此，轴32、34中的每一个围绕共用旋转轴线12旋转。
减速齿轮箱36相对于低压压气机18向前地设置，且配置成在较低旋转速度下将来自低压涡轮输入轴34的动力联接到输出风扇轴48。齿轮箱的减速比的一般在2:1与5:1之间，并且在此具体实例中的减速比为4:1。齿轮箱包含与多个行星齿轮52啮合的太阳齿轮50，所述行星齿轮52继而与环形齿轮54啮合。环形齿轮54保持固定，而行星齿轮旋转并且围绕太阳齿轮50环行，且通过行星架56保持。行星架56联接到风扇输入轴48，以便从而驱动风扇16。然而，应理解还已知其它类型的行星齿轮箱。举例来说，另一类型的行星齿轮箱为“星型”齿轮箱，其中行星架保持静止，并且环形齿轮旋转。在本申请中，环形齿轮将驱动风扇，其中将输入提供到太阳齿轮。
图2为示出图1的燃气涡轮发动机10的前一半的示意图，说明发动机10的各种相对比率。
风扇16经由风扇轴毂58安装到风扇输入轴48。风扇轴毂从在发动机10的前部端处的尖端60延伸，并且具有在向后方向上径向向外延伸的大体圆锥形状。风扇轴毂58随风扇输入轴48和风扇16旋转，因为风扇16附接到其。
发动机核心包括在风扇16下游的核心入口38，所述入口38限定核心主气流通道68的前上游端部。核心入口定子70（也称为发动机段定子，ESS）设置在核心入口38处，其将来自风扇16的空气流变得平直。
通道68在图3中更清晰地示出，并且由径向内壁72和径向外壁74限定。径向外壁74的上游端部限定分支76，其将来自风扇16空气流分成核心A流和涵道B流。入口38的轴向位置由入口定子70的根部前边缘84限定。在入口38的轴向位置处，径向内壁72限定核心入口直径D入口，所述直径为在入口38处在垂直于发动机轴线12的方向上的相对内壁72之间的距离。
通道68与低压压气机18的入口连通。低压压气机18的第一轴向最前转子40限定在前部端处的前边缘78、在径向外端处的尖端80和在径向内端处的根部82。低压压气机第一转子内径D压气机由在前边缘78处的第一压气机转子叶片40的根部82限定。
发动机10的特征参数为第一比率R1，核心入口直径D入口与第一转子内径D压气机之间的D入口:D压气机。此比率大于或等于1.5，并且在此实施例中为大约1.5。通常，第一比率R1在1.5与3之间，并且在一些实施例在1.5与1.75之间。因此，相较于先前发动机，在此发动机10中，入口比第一压气机40的根部显著地进一步径向向外定位。这是多种因素的结果。
如上文所论述，发动机10包括将低压涡轮26联接到风扇16的减速齿轮箱36。因此，风扇16以相对缓慢的速度旋转，允许大风扇尖端直径而不导致过度尖端速度，从而相对于先前设计降低噪声并且提高效率。然而，考虑到低旋转速度和大风扇直径，需要相对大的轴毂直径（即在风扇叶片的根部处的轴毂的直径），因为在风扇叶片的根部处的圆周速度低。因此，限定大压气机入口直径D入口。
同时，低压压气机18通过轴34直接地联接到低压涡轮26。因此，低压压气机18相对于风扇16以高得多的速度旋转，并且因此可适应相对较小直径的低压压气机，对应地具有较低重量）。这导致相对高的D入口:D压气机比率。
方便地，此设计还在低压压气机18与风扇16之间提供大空间，其中可安装齿轮箱36。因此，可采用高效行星齿轮箱36，而无由于空间约束引起的显著设计折中。
其它特征参数还定义为发动机架构的结果。风扇16限定在前侧处的前边缘62、在邻近轴毂58的叶片的径向内端处的叶片根部64和在邻近外罩30的叶片的径向外端处的叶片尖端66。风扇叶片直径D风扇由通过风扇叶片16的风扇叶片尖端66的扫掠限定。第一压气机转子叶片直径D叶片类似地由通过压气机转子轮叶40的尖端80扫掠的直径限定。比率D风扇:D叶片由D风扇的值除以D叶片的值来限定。此比率为涵道比和齿轮箱减速比的函数，并且因此为齿轮传动涡轮风扇的重要特征。直径D风扇:D叶片一般在2.5与3.5之间，并且在此实施例中为大约3:1。
类似地，轴向入口通道68距离A入口由在核心入口38与在前边缘78处第一压气机转子叶片40的根部82之间的平行于发动机纵向轴线12的距离来限定。比率A入口:（D入口-D压气机）由A入口的值除以入口直径D入口与第一转子内径D压气机之间的差值来限定。在本公开中，比率A入口:（D入口-D压气机）在0.8与1.2之间。相对低的比率A入口:（D入口-D压气机）提供于本公开中，对应于相对短的入口通道68和相对于压气机直径的相对高的入口直径。因此，提供相对“陡峭”的入口通道68。
风扇还具有相对低的尖端与轴毂比率D尖端:D根部，其由在前边缘62处从尖端到尖端66的风扇16的直径除以在前边缘62处的风扇轴毂58的直径限定，所述比率在3:1与5:1之间，并且在所描述的实施例中为大约4:1。这部分是齿轮传动架构的结果，因为使风扇相对地缓慢运动导致在低直径处的缓慢圆周速度。
类似地，风扇尖端直径D尖端除以核心入口直径D入口之间的比率D尖端:D入口在2.5与3.5之间，并且在所描述的实施例中为大约2.75。
另一比率D尖端:D压气机由在风扇16的尖端的前边缘处的直径D尖端的值和在第一转子叶片的根部处的前边缘处的直径来限定。第四比率可在4与6之间，并且可为大约5。此比率使发动机核心尺寸与发动机风扇直径相关，并且鉴于高涵道比和减速齿轮比率，在此发动机中特别高。
发动机10设计用于大型宽体民用飞行器的相对高推力典型发动机。举例来说，发动机10可具有在50,000与100,000 lbs推力之间的推力范围，并且具有涵道比13:1和25:1。
因此，鉴于以上参数，本发明的燃气涡轮发动机具有高效率、短长度和低重量。
设想具有在以上范围内的参数和尺寸的其它实施例。另外的实施例的R1与R6的比率的具体实例在下表1中给出：
实例 R<sub>1</sub> R<sub>2</sub> R<sub>3</sub> R<sub>4</sub> R<sub>5</sub> R<sub>6</sub> 在巡航时的压缩比
1 1.50 1.28 3.83 4.14 2.77 2.89 55
2 1.48 1.17 3.92 4.13 2.79 2.89 66
3 1.73 1.06 3.67 4.57 2.64 3.01 51
可应用本公开的其它燃气涡轮发动机可具有替代配置。借助于实例，这类发动机可具有替代数量的互连轴（例如三个）和/或替代数量的压气机和/或涡轮。此外，发动机可包括设置在传动系统中的从涡轮到压气机和/或风扇的齿轮箱。
应理解，本发明不限于上述实施例，并且可在不脱离本文中所描述的概念的情况下进行各种修改和改进。除其中相互排斥外，可独立或与任何其它特征组合地采用任何特征，并且本公开延伸到并且包含本文中所描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (20)

1.一种飞行器燃气涡轮发动机，包括：
联接到风扇驱动涡轮的风扇，所述风扇配置成在使用时提供涵道流和核心流；
将所述风扇联接到所述风扇驱动涡轮的减速齿轮箱；
核心压气机装置，所述核心压气机装置具有在由径向内壁和外壁限定的核心气流通道的上游端部处的核心入口，所述核心入口的所述径向内壁限定第一直径；其中；
所述核心压气机装置包括轴向最前压气机转子叶片，所述轴向最前压气机转子叶片的根部前边缘限定第二直径，其中所述第一直径与所述第二直径的第一比率大于或等于1.4。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述第一比率小于或等于3。
3.根据权利要求2所述的发动机，其中所述第一比率为1.5。
4.根据权利要求1所述的发动机，其中所述第一比率为1.75。
5.根据权利要求1所述的发动机，其中第一轴向距离由所述核心入口与所述轴向最前压气机转子叶片的所述根部前边缘之间的轴向距离来限定，第二比率由所述第一轴向距离除以所述第一直径与所述第二直径之间的差值的比率来限定，其中所述第二比率大于或等于0.8，并且小于或等于1.5。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中所述第二比率大于或等于0.8，并且小于或等于1.2。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中第三比率由在所述风扇的根部处的所述前边缘处的直径与在所述风扇的尖端的前边缘处的直径之间的比率来限定，其中所述第三比率大于或等于0.2并且小于或等于0.4。
8.根据权利要求7所述的发动机，其中所述第三比率为大约0.25。
9.根据权利要求1所述的发动机，其中第四比率由在所述风扇的尖端的所述前边缘处的直径与在第一核心压气机转子叶片的所述根部处的所述前边缘处的直径之间的比率来限定，其中所述第四比率大于或等于3并且小于或等于6，并且可为大约4。
10.根据权利要求1所述的发动机，其中第五比率由在所述风扇的所述尖端的所述前边缘处的直径与在所述核心入口处的直径之间的比率来限定，其中所述第五比率大于或等于2.5并且小于或等于3.5，并且可为大约2.75。
11.根据权利要求1所述的发动机，其中第六比率由在所述风扇的所述尖端的所述前边缘处的直径与在所述最前压气机转子叶片的所述尖端的前边缘处的直径之间的比率来限定，其中所述第六比率大于或等于2.5和3.5，并且可为大约3。
12.根据权利要求1所述的发动机，其中所述核心压气机装置包括在高压压气机上游的低压压气机。
13.根据权利要求12所述的发动机，其中所述低压压气机通过低压轴直接地联接到所述风扇驱动涡轮。
14.根据权利要求1所述的发动机，其中涵道比由穿过所述风扇并且围绕所述核心入口的空气质量流量与穿过所述核心入口的空气流量的比率来限定，其中所述涵道比大于或等于13并且小于或等于25。
15.根据权利要求1所述的发动机，其中所述齿轮箱的减速比在2:1与5:1之间。
16.根据权利要求1所述的发动机，其中所述发动机配置成在使用时提供在40:1与80:1之间的总压力比。
17.根据权利要求12所述的发动机，其中所述低压压气机配置成在使用时提供在2:1与4:1之间的压力比。
18.根据权利要求12所述的发动机，其中所述高压压气机配置成在使用时提供在10:1与30:1之间的压力比。
19.根据权利要求1所述的发动机，其中所述风扇配置成提供在1.31与1.5之间的风扇压力比。
20.根据权利要求12所述的发动机，其中所述低压压气机包括在2与4之间的级，并且所述高压压气机可包括在8与12之间的级。
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