CN109538352B - 外鼓转子组件和燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种包括第一外鼓和第二外鼓的用于燃气涡轮发动机的外鼓转子组件。每个外鼓限定彼此邻近的沿径向延伸的凸缘。多个外鼓翼型件在凸缘处从第一外鼓与第二外鼓之间沿径向向内延伸。本申请还提供一种燃气涡轮发动机。

Description

外鼓转子组件和燃气涡轮发动机
技术领域
本申请大体上涉及燃气涡轮发动机架构。更具体而言，本申请涉及一种外鼓转子组件。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括涡轮区段，所述涡轮区段在燃烧区段的下游，可随压缩机区段旋转以旋转和操作燃气涡轮发动机产生动力，例如推进力。一般燃气涡轮发动机设计标准常常包括必须平衡或折衷的冲突标准，包括提高燃料效率、操作效率和/或动力输出，同时维持或减少重量、零件数量和/或封装(即发动机的轴向和/或径向尺寸)。
已知叉指式压缩机和涡轮区段利用了其间没有轮叶的旋转翼型件的连续级之间的相对较高的流体速度。然而，已知的叉指式压缩机和涡轮区段由来自叉指式压缩机和涡轮区段的内半径的轴向、径向、热和/或机械负载限制，这可限制可包括在叉指式外鼓转子中的级的数量。更进一步，已知叉指式涡轮区段限于相互交叉低压涡轮转子和中压涡轮转子。
因此，需要一种结构，其可减少或去除轴向、径向、热和/或机械负载引起的对外鼓转子尺寸和结构寿命的限制。
发明内容
本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
本申请提供一种包括第一外鼓和第二外鼓的用于燃气涡轮发动机的外鼓转子组件。每个外鼓限定彼此邻近的沿径向延伸的凸缘。多个外鼓翼型件在凸缘处从第一外鼓与第二外鼓之间沿径向向内延伸。
在各种实施例中，外鼓转子组件还包括联接到多个外鼓翼型件的内径上的盘。在一个实施例中，盘限定第一保持壁，第一保持壁沿径向延伸，沿纵向设置在多个外鼓翼型件附近。第一保持壁提供沿纵向保持多个外鼓翼型件。在另一个实施例中，盘限定沿纵向至少部分地延伸穿过其间的冷却通路。在又一些实施例中，外鼓转子组件还包括联接到盘上的保持环。保持环限定壁，壁沿周向且沿径向延伸，沿纵向邻近多个外鼓翼型件。保持环提供沿纵向保持多个外鼓翼型件。在又一个实施例中，盘限定沿纵向延伸的多个槽口，多个外鼓翼型件设置成穿过槽口。多个槽口提供沿周向和径向保持多个外鼓翼型件。在又一些实施例中，盘是一体式环形结构。
在各种实施例中，多个外鼓翼型件分别相对于轴向中心线成角沿径向延伸。在一个实施例中，多个外鼓翼型件的外径向端相对于多个外鼓翼型件的内径向端沿纵向在上游。
在另一个实施例中，多个外鼓翼型件、第一外鼓和第二外鼓分别限定开口，机械紧固件延伸穿过开口。机械紧固件将多个外鼓翼型件、第一外鼓和第二外鼓联接在一起。
在各种实施例中，每个外鼓翼型件限定沿径向向外且至少部分地沿周向延伸的翼型件凸缘。在一个实施例中，翼型件凸缘以及第一外鼓和第二外鼓的凸缘分别限定开口，机械紧固件设置成穿过开口。机械紧固件将多个外鼓翼型件保持到外鼓转子组件上。在另一个实施例中，第一外鼓设置在翼型件凸缘的上游侧上，且第二外鼓设置在翼型件凸缘的下游侧上。
在又一些实施例中，外鼓转子组件还包括联接到外鼓转子组件上的可旋转的转矩框架。转矩框架包括分别围绕轴向中心线环形地限定的内护罩和外护罩，以及沿径向延伸且联接到内护罩和外护罩上的结构构件。在一个实施例中，转矩框架联接到第一外鼓或第二外鼓的第二凸缘上。
技术方案1.一种用于燃气涡轮发动机的外鼓转子组件，所述外鼓转子组件包括：第一外鼓和第二外鼓，其中每个外鼓限定邻近彼此的沿径向延伸的凸缘；以及在所述凸缘处从所述第一外鼓与所述第二外鼓之间沿径向向内延伸的多个外鼓翼型件。
技术方案2.根据技术方案1所述的外鼓转子组件，还包括：联接到所述多个外鼓翼型件的内径上的盘。
技术方案3.根据技术方案2所述的外鼓转子组件，其中所述盘限定沿所述径向延伸的第一保持壁，所述第一保持壁沿纵向设置在所述多个外鼓翼型件附近，其中所述第一保持壁提供沿所述纵向保持所述多个外鼓翼型件。
技术方案4.根据技术方案2所述的外鼓转子组件，其中所述盘限定至少部分地沿所述纵向延伸穿过其间的冷却通路。
技术方案5.根据技术方案2所述的外鼓转子组件，还包括：联接到所述盘上的保持环，其中所述保持环限定壁，所述壁沿周向和沿所述径向延伸，沿所述纵向邻近所述多个外鼓翼型件，其中所述保持环提供沿所述纵向保持所述多个外鼓翼型件。
技术方案6.根据技术方案2所述的外鼓转子组件，其中所述盘限定沿纵向延伸的多个槽口，所述多个外鼓翼型件设置成穿过所述槽口，其中所述多个槽口提供沿周向和所述径向保持所述多个外鼓翼型件。
技术方案7.根据技术方案2所述的外鼓转子组件，其中所述盘是一体式环形结构。
技术方案8.根据技术方案2所述的外鼓转子组件，其中所述多个外鼓翼型件分别相对于轴向中心线成角沿所述径向延伸。
技术方案9.根据技术方案8所述的外鼓转子组件，其中所述多个外鼓翼型件的外径向端相对于所述多个外鼓翼型件的内径向端沿所述纵向在上游。
技术方案10.根据技术方案1所述的外鼓转子组件，其中所述多个外鼓翼型件、所述第一外鼓和所述第二外鼓分别限定开口，机械紧固件延伸穿过所述开口，其中所述机械紧固件将所述多个外鼓翼型件、所述第一外鼓和所述第二外鼓联接在一起。
技术方案11.根据技术方案1所述的外鼓转子组件，其中每个外鼓翼型件限定沿所述径向向外且至少部分地沿所述周向延伸的翼型件凸缘。
技术方案12.根据技术方案11所述的外鼓转子组件，其中所述翼型件凸缘以及所述第一外鼓和所述第二外鼓的凸缘分别限定开口，机械紧固件设置成穿过所述开口，其中所述机械紧固件将所述多个外鼓翼型件保持到所述外鼓转子组件上。
技术方案13.根据技术方案11所述的外鼓转子组件，其中所述第一外鼓设置在所述翼型件凸缘的上游侧上，并且所述第二外鼓设置在所述翼型件凸缘的下游侧上。
技术方案14.根据技术方案1所述的外鼓转子组件，还包括：联接到所述外鼓转子组件上的可旋转的转矩框架，其中所述转矩框架包括分别围绕轴向中心线环形地限定的内护罩和外护罩，以及沿所述径向延伸且联接到所述内护罩和所述外护罩上的结构构件。
技术方案15.根据技术方案14所述的外鼓转子组件，其中所述转矩框架联接到所述第一外鼓或所述第二外鼓中的第二凸缘上。
技术方案16.一种燃气涡轮发动机，包括：外鼓转子组件，所述外鼓转子组件包括：限定第一外鼓和第二外鼓的环形外鼓转子组件，其中每个外鼓限定邻近彼此的沿径向延伸的凸缘；以及在所述凸缘处从所述第一外鼓与所述第二外鼓之间沿径向向内延伸的多个外鼓翼型件。
技术方案17.根据技术方案16所述的燃气涡轮发动机，其中所述外鼓转子组件还包括：联接到所述多个外鼓翼型件的内径上的盘，所述盘可与所述外鼓转子组件一起旋转。
技术方案18.根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，还包括：联接到所述盘上的保持环，其中所述保持环限定壁，所述壁沿周向和沿所述径向延伸，沿所述纵向邻近所述多个外鼓翼型件，其中所述保持环提供沿所述纵向保持所述多个外鼓翼型件。
技术方案19.根据技术方案16所述的燃气涡轮发动机，其中所述外鼓转子组件还包括：联接到所述外鼓转子组件上的可旋转的转矩框架，其中所述转矩框架包括分别围绕轴向中心线环形地限定的内护罩和外护罩，以及沿所述径向延伸且联接到所述内护罩和所述外护罩上的结构构件。
技术方案20.根据技术方案19所述的燃气涡轮发动机，其中所述多个外鼓翼型件和所述结构构件中的一个或多个的外径向端相对于内径向端沿所述纵向在上游。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整和启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：
图1是根据本申请的方面的并有涡轮区段的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机的横截面示意视图；
图2是图1中所示的涡轮区段的一个实施例的横截面示意视图；
图3-5是图1-2中大体上提供的外鼓转子组件的部分的示例性实施例的立体图；
图6是图1-2中大体上提供的外鼓转子组件的转矩框架的示例性实施例的立体图；以及
图7是图1中所示的涡轮区段的另一个实施例的横截面示意视图。
在本说明书和图中参考标号的重复使用意图表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，在图中说明本发明的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。
如本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，而并非意欲表示个别部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流的相对方向。举例来说，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是指流体流到的方向。除非另外陈述，否则“下游”和“上游”是指空气流体流或所得燃烧气体通过发动机的核心流动路径从压缩机区段中的入口穿过涡轮区段的出口的大体方向。
除非另外规定，否则术语“低”、“中”、“高”或其相应比较级(例如更，如适用)各自是指发动机内的相对速度。举例来说，“低涡轮”或“低速涡轮”限定低于“高涡轮”或“高速涡轮”的转速。替代地，除非另外规定，否则前述术语可以其最高级理解。举例来说，“低涡轮”可以是指涡轮区段内最低最大转速涡轮，且“高涡轮”可以是指涡轮区段内最高最大转速涡轮。提及的中速是指低速与高速之间的最大转速。
大体上提供了用于燃气涡轮发动机的外鼓转子组件的各种实施例。外鼓转子组件包括外鼓转子，以及从环形外鼓转子组件向内延伸的多个外鼓翼型件。内盘大体上联接到多个外鼓翼型件上，以向外鼓转子组件的多个外鼓翼型件和外鼓转子提供径向支承。外鼓转子组件向外鼓转子组件提供轴向和周向支承。
本说明书大体上提供的外鼓转子组件的各种实施例允许减小外鼓转子组件的半径。外鼓转子组件可进一步改善相对于外鼓转子组件的各种转速的一个或多个自然频率的裕度，包括最大转速。更进一步，本说明书大体上提供的外鼓转子组件可允许外鼓转子组件在第二涡轮转子(例如，高速或高压涡轮转子)前方或上游悬臂或悬伸，以便避免需要或去除燃烧区段与涡轮转子之间的涡轮轮叶组件。
叉指式压缩机或涡轮区段可提高燃料效率、操作效率和/或功率输出，同时减小重量、零件数和/或封装(例如，径向和/或轴向尺寸)。例如，叉指式压缩机或涡轮区段可允许增大燃气涡轮发动机的旁路比和/或总体压力比，从而相对于类似功率输出和/或封装的其它发动机，提高燃料效率、操作效率和/或功率输出。叉指式压缩机或涡轮区段还可减少静止和/或旋转翼型件的数量，且因此减小发动机的封装和/或重量，同时保持或改进效率、性能或功率输出。更进一步地，叉指式涡轮区段可以减小轴向流动面积和转速的平方的乘积(该乘积被称为“AN2”)，同时另外降低涡轮区段的每个级的平均功系数。
现在参考附图，图1是根据本申请的方面的结合有涡轮区段90的示例性实施例的示出为高旁路涡轮风扇发动机的示例性燃气涡轮发动机10(本说明书中被称作“发动机10”)的示意性横截面视图。尽管下文进一步参考涡轮风扇发动机进行描述，但本申请还可应用到一般来说包括螺旋桨风扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机的涡轮机械，包括船舶和工业涡轮发动机和辅助电力单元。如图1所示出，发动机10具有出于参考目的在其中延伸穿过的纵向或轴向中心线轴线12。发动机10限定纵向L、径向R以及沿着纵向L和周向C的上游端99和下游端98(图3-4中所示)。
一般来说，发动机10可包括限定环形入口20的基本上管状的外部壳体18。外部壳体18包覆或以沿纵向L的串行流动布置至少部分地流过压缩机区段21、燃烧区段26和叉指式涡轮区段90(本说明书中被称作“涡轮区段90”)。风扇组件14大体上设置在压缩机区段21的前方或上游99。在图1中所示的实施例中，发动机10限定双转轴构造，其中压缩机区段21包括沿纵向L以交错或相互交叉布置的第一压缩机22和第二压缩机24。风扇组件14和第一压缩机22朝发动机10的上游端99联接到第一轴36上，且第一涡轮转子100朝发动机10的下游端98联接到第一轴36上。第一压缩机22和风扇组件14由第一涡轮转子100驱动。第二压缩机24联接到第二轴34上，且第二涡轮转子120朝发动机10的下游端98联接到第二轴34上。第二压缩机24由第二涡轮转子120驱动。在各种实施例中，第一压缩机22限定低压(LP)压缩机，且第二压缩机24限定高压(HP)压缩机。在其它各种实施例中，第一涡轮转子100可限定低速涡轮30，且第二涡轮转子120可限定高速涡轮28。
在其它实施例中，发动机10可限定三转轴构造，其中压缩机区段21限定包括风扇转子15的风扇组件14，以及第一压缩机22和第二压缩机24。第三涡轮转子可限定中速涡轮，中速涡轮驱动限定IP压缩机的第一压缩机。限定低速涡轮30的第一涡轮转子100附接到风扇转子15上，因此驱动风扇组件14。在此实施例中，除限定高速涡轮28的第二涡轮转子120外或替代第二涡轮转子，第三涡轮转子可相互交叉设置在第一涡轮转子100中。
回头参看图1，风扇组件14包括联接到风扇转子15上的多个风扇叶片42的至少一级。多个风扇叶片42沿径向R联接到风扇转子15上且从风扇转子15向外延伸。在各种实施例中，风扇转子15可包括沿纵向L的多级风扇叶片42。环形风扇壳体或机舱44沿周向包绕风扇组件14的至少一部分和/或外部壳体18的至少一部分。在一个实施例中，机舱44可相对于外部壳体18由多个圆周地隔开的出口引导轮叶或撑杆46支承。机舱44的至少一部分可在外部壳体18的外部部分上方(在径向R上)延伸，以便在其间限定旁路空气流通路48。
在其它实施例中，风扇组件14还可包括设置在风扇转子15与联接到涡轮区段90上的第一轴36之间的减速组件。减速组件可减小风扇转子15相对于涡轮区段90的涡轮转子的转速，风扇转子15经由第一轴36附接到涡轮区段上。
现在参看图2，大体上提供发动机10的涡轮区段90的示例性实施例。涡轮区段90包括沿纵向L成交错布置(即，相互交叉)的第一涡轮转子100和第二涡轮转子120。第一涡轮转子100包括围绕轴向中心线12沿周向延伸的环形外鼓转子组件110。外鼓转子组件110沿纵向L延伸，且至少部分地包绕第二涡轮转子120。
外鼓转子组件110限定第一外鼓121和第二外鼓131。第一外鼓121和第二外鼓131分别限定凸缘142，该凸缘沿径向R延伸，且沿纵向L在彼此附近。因此，第一外鼓121和第二外鼓131分别沿纵向L限定外鼓转子组件110的部分。第一外鼓121和第二外鼓131中的每个大体上围绕轴向中心线12环形地延伸。
外鼓转子组件110还包括沿径向R向内延伸的多个外鼓翼型件118。多个外鼓翼型件118围绕轴向中心线12设置成周向布置。外鼓翼型件118在凸缘142处进一步设置在第一外鼓121与第二外鼓131之间。在各种实施例中，多个外鼓翼型件118分别在第一外鼓121与第二外鼓131之间联接到外鼓转子组件110上。
在一个实施例中，外鼓翼型件118、第一外鼓121和第二外鼓131分别限定开口126，机械紧固件延伸穿过该开口(例如，带螺母的螺栓或拉杆、螺钉、铆钉、销等)。机械紧固件将多个外鼓翼型件118中的每个联接到第一外鼓121和第二外鼓131上。
在其它实施例中，外鼓翼型件118可经由连结工艺(如但不限于焊接、钎焊、锡焊或结合)来联接到外鼓转子组件110上。
尽管外鼓转子组件110在图2中绘制为涡轮区段90的一部分，但应认识到，本说明书所述的外鼓转子组件110还可应用于叉指式压缩机区段21，如图1中大体上所示。例如，在一个实施例中，第一压缩机22包括外鼓转子组件110，其将多个外鼓翼型件118设置成与第二压缩机24成交错布置。
现在参看图3-4，大体上提供了外鼓转子组件110的部分的立体图。图3大体上绘出了设置在第一外鼓121与第二外鼓131之间的多个外鼓翼型件118。图4大体上绘出了多个外鼓翼型件118。参看图2-4，外鼓翼型件118可分别限定沿径向R且至少部分地沿周向C延伸的翼型件凸缘144。每个外鼓翼型件118的每个翼型件凸缘144可设置成相邻的周向布置，以限定沿纵向L设置在第一外鼓121与第二外鼓131之间的沿径向延伸的壁。开口126可限定为穿过翼型件凸缘144，以将外鼓翼型件118保持到外鼓转子组件110上(例如，经由机械紧固件)。应认识到，开口126延伸穿过第一外鼓121处的每个凸缘142、外鼓翼型件118处的翼型件凸缘144和第二外鼓131处的凸缘142，以便允许机械紧固件提供外鼓转子组件110的鼓121、131和翼型件118的轴向或纵向、径向和周向的保持。
在一个实施例中，翼型件凸缘144分别限定接头145，每个相邻翼型件118的每个相邻翼型件凸缘144嵌入接头处或沿周向C至少部分地重叠。在各种实施例中，接头145可限定但不限于燕尾部、舌榫、沟槽、盒、搭接等。大体上，接头145允许每对翼型件凸缘144沿周向C至少部分地重叠彼此。
在各种实施例中，外鼓转子组件110限定设置在翼型件凸缘144的上游侧上(例如，朝上游端99)的第一外鼓121，以及设置在翼型件凸缘144的下游端上(例如，朝下游端98)的第二外鼓131。
现在参看图3-4，外鼓转子组件110还包括盘150，该盘联接到多个外鼓翼型件118的内半径端149上。在各种实施例中，盘150限定一体式环形结构，以便向多个外鼓翼型件118提供沿径向R的结构支承。在一个实施例中，盘150限定转子的环形盘。在另一个实施例中，盘150限定网状盘，如，包括颈部和开孔部分。盘150还向多个外鼓翼型件118提供切向或周向支承。
在各种实施例中，盘150围绕轴向中心线12环形地延伸，且设置在多个外鼓翼型件118的内半径向端149处。在一个实施例中，盘150和外鼓翼型件118一起限定一体式结构。在另一个实施例中，盘150、外鼓翼型件118以及第一外鼓121和第二外鼓131中的一个或多个一起限定一体式结构。
在又一些实施例中，如，图2中所示，盘150可限定至少部分地沿纵向L延伸穿过其间的冷却通路153。在一个实施例中，冷却通路153至少部分地沿周向延伸。在另一个实施例中，冷却通路153限定穿过盘150的蛇形结构。在又一个实施例中，冷却通路153至少部分地沿径向R限定。冷却通路153的各种实施例可进一步限定在设置于发动机10的涡轮区段90中的盘150中，以便向外鼓转子组件110的内半径端149提供冷却。
在一个实施例中，盘150限定沿纵向L延伸的多个槽口155。多个外鼓翼型件118设置成穿过每个槽口155，所述槽口限定为穿过盘150。每个槽口155大体上与彼此分立，沿周向布置。在各种实施例中，槽口155和外鼓翼型件118一起限定燕尾接头。多个槽口155提供沿周向C和径向R保持多个外鼓翼型件118。
现在参看图5，大体上提供了外鼓转子组件110的一部分的另一个立体图。在图5中大体上所示的实施例中，盘150限定沿径向R延伸的第一保持壁152。第一保持壁152沿纵向L设置在多个外鼓翼型件118的内半径端149附近。第一保持壁152提供沿纵向L保持多个外鼓翼型件118。
在一个实施例中，第一保持壁152限定为沿周向C与彼此分开的多个分立的壁。在各种实施例中，第一保持壁152限定对应于穿过盘150设置的外鼓翼型件118的量的分立第一保持壁152的量。
仍参看图5，外鼓转子组件110还包括联接到盘150上的保持环160。保持环150限定沿周向C和沿径向R延伸，沿纵向L邻近多个外鼓翼型件118的壁。保持环160提供沿纵向L保持多个外鼓翼型件118。
在各种实施例中，保持环160和盘150分别限定开口127，机械紧固件设置成穿过该开口来将保持环160联接到盘150上。在其它实施例中，保持环160经由连结工艺(例如，焊接、钎焊、锡焊等)联接到盘150上。保持环160和保持壁152一起提供沿纵向L将外鼓翼型件118保持到盘150上。槽口155(如限定燕尾接头)提供外鼓翼型件118与盘150的周向和径向保持。
盘150可大体上用作圆柱形箍或鼓，提供结构支承来反应于来自外鼓翼型件118、第一外鼓121和第二外鼓131的径向负载。第一外鼓121和第二外鼓转子131提供结构支承来反应于或传递转矩和轴向/纵向负载。限定在外鼓翼型件118的内半径端149处的盘150可进一步改善外鼓转子组件110在其振荡状态下的响应谱。例如，盘150可改善一个或多个自然振动频率和第一涡轮转子100的最大转速之间的裕度。
应认识到，尽管本申请内容包括第一外鼓121和第二外鼓131，但一个或多个附加外鼓可包括在串联布置中(如，图1、2和7中大体上所示)，以限定联接在第一外鼓121与第二外鼓131之间的多个外鼓翼型件118的多个级。
现在参看图1-5，在发动机10操作期间，由箭头74示意性地指示的一定体积的空气通过机舱和/或风扇组件14的相关联入口76进入发动机10。当空气74穿过风扇叶片42时，如由箭头78所示意性指示的空气的一部分被导向或导引进旁路空气流通路48中，而如由箭头80所示意性指示的空气的另一部分被导向穿过风扇组件14且穿过入口20。空气80在其朝向燃烧区段26流动通过压缩机区段21时被逐渐压缩。
如箭头82示意性地指示，经压缩空气现流动到燃烧区段26中，在所述燃烧区段26中引入燃料，与经压缩空气82的至少部分混合，且经点燃以形成燃烧气体86。燃烧气体86流动到涡轮区段90中，使得涡轮区段90的第一涡轮转子100和第二涡轮转子120(和各种实施例中的第三涡轮转子)旋转且支持压缩机区段21和/或风扇组件14中分别联接的旋转构件的操作。
现在参看图2和6，第一涡轮转子100还包括联接到外鼓转子组件110上的转矩框架101。在各种实施例中，第一外鼓121或第二外鼓131限定沿径向R且至少部分地沿周向延伸的第二凸缘146，转矩框架101联接到第二凸缘上。在各种实施例中，如图2中大体上所示，转矩框架101联接到第二外鼓131的下游端上。在其它实施例中，转矩框架101联接到第一外鼓121的上游端上。在又一些其它的实施例中，转矩框架101限定在第一外鼓121与第二外鼓131之间，使得外鼓转子组件110在转矩框架101的上游和下游延伸。
现在参看图6，大体上提供了转矩框架101的示例性实施例。转矩框架101包括内护罩112和沿径向R在内护罩112外的外护罩114。至少一个结构构件116至少部分地沿径向R联接内护罩112和外护罩114。在各种实施例中，如图1和7中大体上所示，内鼓转子111可联接到转矩框架101的内护罩112上，且沿纵向L延伸。
在各种实施例中，外鼓翼型件118和结构构件116分别限定翼型件，其限定压力侧、吸力侧、前缘和后缘。限定翼型件的结构构件116大体上构造为允许转矩框架101的旋转。例如，转矩框架101、作为外鼓转子组件110的一部分构造成沿轴向中心线12旋转，如，沿第一在第一速度下与第一外鼓121、第二外鼓131和内鼓转子111(图7)共同旋转。
内鼓转子111可联接到转矩框架101的内半径端149上，且沿纵向L(例如，朝下游端98)延伸。在各种实施例中，内鼓转子111可包括沿纵向L联接到彼此上的多个环形或网状盘。例如，内鼓转子111可包括多个一体的叶片转子或叶片盘，包括附接到其上且沿径向R向外延伸穿过流径70的翼型件。
现在参看图7，大体上提供了涡轮区段90的另一个示例性实施例的示意性横截面视图。在大体上示出的实施例中，外鼓翼型件118、结构构件116或两者可限定相对于轴向中心线12和径向R的倾斜角109。在一个实施例中，如图7中所示，限定倾斜角109，其中结构构件116、外鼓翼型件118的外半径端151、或两者设置在结构构件116、外鼓翼型件118的内半径、或两者上游。例如，倾斜角109可相对于轴向中心线12限定为大约90度或更大。在另一个实施例中，倾斜角109相对于轴向中心线12小于大约180度。在其它各种实施例中，倾斜角109可相对于轴向中心线12成大约90度或垂直。
在图2中所示的实施例中，外鼓翼型件118、结构构件116或两者可限定钝或前倾斜角109，其中结构构件116从内护罩112朝上游端99延伸(即，结构构件116、外鼓翼型件118的径向内端149、或两者比径向外端151在更下游)。钝或前倾斜角109可在涡轮区段90的旋转期间抵消或弥补转矩框架101上的离心负载。钝倾斜角109可允许外鼓翼型件118、结构构件116或两者在发动机10的操作期间抵消或弥补轴向负载，如，归因于包括转矩框架101以及外鼓转子110和内鼓转子111中的一个或多个的第一涡轮转子100的旋转。钝倾斜角109还可允许结构构件116抵消或弥补由穿过核心流径70的燃烧气体86的流动引起的轴向负载。
在其它实施例中，如图2中大体上提供，结构构件116和/或外护罩翼型件118可分别限定大体上垂直或锐倾斜角109，其中结构构件116和/或外护罩翼型件118中的一个或多个大体上从轴向中心线12沿径向向外或朝上游端99延伸(即，翼型件116、118的径向内端大致等于径向外端或比径向外端在更上游)。
如本说明书进一步所述，转矩框架101构造成从燃烧气体86提取功或能量，以允许转矩框架101、第一外鼓转子121、第二外鼓转子131和内鼓转子111的旋转。更进一步，转矩框架101，如结构构件116，构造成传递来自发动机10的核心流径70内的燃烧气体86的反应负载，如，沿纵向L的负载。结构构件116还沿径向R和周向C从内护罩112，和附接到该内护罩上的内鼓转子111，以及外护罩114，和附接到该外护罩上的外鼓转子121、131传递负载。
仍参看图6中提供的转矩框架101的示例性实施例，外带113联接到外护罩114上，且沿径向R设置在外侧。外带113至少部分地沿周向C延伸。在各种实施例中，外带113围绕转矩框架101的外护罩114环形地延伸。联接到外护罩114上的外带113还提供结构支承，如限定包绕外护罩112的环形环，外鼓转子121、131联接到该外护罩上且沿纵向L延伸。在其它各种实施例中，转矩框架101还包括连接构件105，该连接构件至少部分地沿径向延伸，以将外护罩114联接到外带113上。连接构件105还可将负载从内护罩112和内鼓转子111、结构构件116和外护罩114和外鼓转子121、131传递至外带113。
在各种实施例中，第二外鼓131联接到转矩框架101的外带113上，如，在第二外鼓131的下游端处。外鼓转子组件110或更确切地说是外鼓转子121、131可大体上沿纵向L从外带113悬臂或悬伸。外鼓转子组件110的盘150可衰减非期望的振动模式。此外，转矩框架101，如，包括连接构件105，还可衰减非期望的振动模式，以便允许外鼓转子组件110的高速旋转。更进一步，盘150还可允许外鼓转子组件110在第二涡轮转子120前方或上游悬伸，以便消除燃烧区段26与涡轮区段90的涡轮转子之间的涡轮轮叶喷嘴的存在或需要。
转矩框架101可限定外鼓转子110的结构支承，这可允许外鼓转子组件110悬伸或悬臂。连接构件105可限定构造成衰减非期望的发动机动力的弹簧性质。连接构件105还可提供结构构件116的径向增长、移动或位移，同时外带113提供结构刚度。连接构件105可传递热和机械负载，如，沿轴向或纵向L的负载、沿径向R的负载，和/或沿纵向L、径向R和/或周向C的扭转、弯曲、振动或扭力负载。更进一步，连接构件105可衰减外护罩114与外鼓转子组件110之间限定的涡轮区段90的次级流径内的高温度梯度。
在各种实施例中，在发动机10的操作期间，外鼓转子组件110包括一个或多个盘150，从外护罩114到外带113的连接构件105可将热、轴向、径向和机械负载传递至外带113，同时提供足够的径向刚度来支承叉指式涡轮区段90或压缩机区段21的悬伸或悬臂式外鼓转子组件110。更进一步，外带113可提供足够的刚度来衰减非期望的振动模式、谐波或噪音，和/或大体上促进期望的发动机动力。
外鼓转子组件110或其部分或部分组合可使用增材制造或3D打印或浇铸、锻造、机械加工或由经3D打印的模具形成铸件，或其组合来形成。外鼓转子组件110或其部分，如，多个外鼓转子118的级、第一外鼓121、第二外鼓131、盘150和转矩框架101中的一个或多个，以及其它部分可使用紧固件(如，螺母、螺栓、螺钉、销或铆钉)或使用连结方法(如，焊接、结合、摩擦或扩散结合等)或紧固件和/或连结方法的组合机械地连结。
本说明书大体上所述的外鼓转子组件110的实施例还可允许外鼓转子组件110与第二涡轮转子120相互交叉，包括在第二涡轮转子120前方或上游(例如，高压或高速涡轮转子)，以允许外鼓转子组件110(例如，作为低速涡轮转子)，或更确切地说，多个外鼓翼型件118的至少一级在燃烧区段26下游不远。因此，环150、转矩框架101或其组合可消除燃烧区段26下游的第一涡轮轮叶或喷嘴的需要或存在，因此改善了涡轮区段90的性能和/或效率、发动机10性能、可操作性和/或效率，且/或减小发动机10的重量、零件数量和/或封装(例如，纵向和/或径向尺寸)。在其它各种实施例中，转矩框架101可提供结构支承，以允许悬伸或悬臂式外鼓转子组件110和内鼓转子111至少部分地在相反上沿纵向L延伸。
通过提供改进的燃料效率、运行效率和/或功率输出，同时维持或减小重量、零件数量和/或封装，本说明书中图示和描述的涡轮区段90和压缩机区段21可改进现有的涡轮区段。在第二涡轮转子120、第二压缩机24或两者中相互交叉的多个外鼓翼型件118可通过去除每个旋转部件之间的静止翼型件级来减小封装和减少零件数量。
另外，涡轮区段90可提供与减速变速箱相当的效率益处，而不增加发动机10的重量或尺寸(例如轴向长度)。例如，作为燃烧区段26下游的第一级的涡轮区段90中的外鼓转子组件110还可通过去除对可能解决燃烧器热点的燃烧区段26的设计约束来改善发动机效率。此外，涡轮区段90可通过减少对冷却空气的需求来改善发动机10效率，冷却空气大体上从压缩机区段21提取，且通常认作是从发动机10去除潜在的推进能量。
本说明书中所描述且在图1-7中所示出的系统可减少燃料消耗、提高可操作性、提高发动机性能和/或功率输出，同时维持或减小重量、零件数量和/或封装(例如径向和/或轴向尺寸)。本说明书中所提供的系统可允许相比诸如涡轮风扇的现有燃气涡轮发动机构造的增大高旁路比和/或总压力比，同时相对于具有类似功率输出的其它燃气涡轮发动机维持或减小封装。本说明书中所描述的系统可促进提高旁路比和/或总压力比且由此提高燃气涡轮发动机的总效率。本说明书提供的系统可通过减少或消除需要冷却空气的固定翼型件(例如喷嘴导叶)来增加总体燃气涡轮发动机效率。此外，本说明书提供的系统可通过减少旋转和/或静止翼型件的数量(例如，叶片和/或轮叶)来减小燃气涡轮发动机的封装和重量，因此提高效率。
更进一步，本说明书中所描述且在图1-7中所示出的系统可减小流动面积与燃气涡轮发动机的转速的平方的乘积(乘积在本说明书中被称作“AN2”)。例如，关于图1-7示出和描述的发动机10相对于常规的齿轮传动的涡轮风扇构造可大体上减小AN2。一般来说，例如通过减小转速和/或流动面积而减小AN2增加了所需的平均级功系数(即旋转翼型件的每个级上所需平均负载量)。然而，本说明书中所描述的系统可减小AN2，同时还通过在第二涡轮转子120的一个或多个级中相互交叉第一涡轮转子100且限定朝向涡轮区段90的下游端98的非交叉的涡轮结构(即，内护罩111)来减小平均级功系数同时维持涡轮区段90的轴向长度(与具有类似推力输出和封装的发动机比较)。因此，第一涡轮转子100和第二涡轮转子120可一起增大翼型件的旋转级的量同时减小平均级功系数，且因此减小AN2，同时减轻轴向长度增大来产生类似的AN2值。第一涡轮转子100可进一步减小AN2，同时额外减少相对于具有类似动力输出和/或封装的燃气涡轮发动机的涡轮区段在涡轮区段90中旋转和静止的翼型件的总数量。
此外，图1-7中所示且本说明书所述的系统通过使第二旋转部件120的前方或上游99的第一涡轮转子100相互交叉来限定高速涡轮28，可进一步改善发动机效率，减少翼型件数量，减小发动机重量和/或减轻燃烧区段设计约束。例如，将第一涡轮转子100的第一级限定为紧邻燃烧区段26的下游98，而在其之间没有第一涡轮轮叶或喷嘴导叶，并且限定第一涡轮转子100与第二旋转部件120反向旋转，与固定的第一涡轮轮叶或喷嘴导叶相比，可减少总体燃烧热点对第一涡轮转子100的第一级的影响。这样，本说明书描述的涡轮区段90和发动机10可以通过去加重热点或燃烧模式因子来移除对燃烧区段26设计的约束，以有利于其他设计标准，诸如减少排放物，改善贫油熄火(LBO)和/或高度重新点火，可提高部分或全部操作范围的整体可操作性，或增加操作范围。
更进一步，图1-7中所示和本说明书所述的系统可允许第一压缩机22和第二压缩机24的相互交叉，以便去除或消除对旋转级之间的静止轮叶的需要，从而减少零件数量、发动机封装(如，轴向和/或径向尺寸····)和重量，且改善发动机10性能和效率。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳方式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (19)

1.一种用于燃气涡轮发动机的外鼓转子组件，所述外鼓转子组件限定径向方向，周向方向和纵向方向，所述外鼓转子组件包括：
第一外鼓和第二外鼓，所述第一外鼓包括第一径向延伸凸缘，所述第二外鼓包括与所述第一径向延伸凸缘相邻的第二径向延伸凸缘，以及
多个外鼓翼型件，所述多个外鼓翼型件包括第一外鼓翼型件和第二外鼓翼型件，所述第一外鼓翼型件和所述第二外鼓翼型件彼此相邻，从所述第一外鼓处的第一径向延伸凸缘与所述第二外鼓处的第二径向延伸凸缘之间沿径向向内延伸，
其中，所述第一外鼓翼型件和所述第二外鼓翼型件分别包括沿着所述径向方向并且至少部分沿着所述周向方向向外延伸的第一翼型件凸缘和第二翼型件凸缘，
其中，所述第一翼型件凸缘和所述第二翼型件凸缘位于所述第一外鼓处的所述第一径向延伸凸缘与所述第二外鼓处的所述第二径向延伸凸缘之间，
其中，所述第一翼型件凸缘和所述第二翼型件凸缘在所述周向方向上并排布置，
其中，所述第一翼型件凸缘的第一侧和所述第二翼型件凸缘的第二侧在接头处彼此接合，
其中，所述接头由所述第一翼型件凸缘的第一周向接头延伸部和所述第二翼型件凸缘的第二周向接头延伸部形成，所述第一周向接头延伸部在所述第一翼型件凸缘的下游端朝所述第二翼型件凸缘延伸，所述第二周向接头延伸部在所述第二翼型件凸缘的上游端朝所述第一翼型件凸缘延伸，
其中，所述第一周向接头延伸部和所述第二周向接头延伸部在所述纵向方向上彼此重叠，使得所述第一周向接头延伸部和所述第二周向接头延伸部在所述纵向方向上彼此接触。
2.根据权利要求1所述的外鼓转子组件，还包括：
联接到所述多个外鼓翼型件的内径上的盘。
3.根据权利要求2所述的外鼓转子组件，其中所述盘限定沿所述径向延伸的第一保持壁，所述第一保持壁沿纵向设置在所述多个外鼓翼型件附近，其中所述第一保持壁提供沿所述纵向保持所述多个外鼓翼型件。
4.根据权利要求2所述的外鼓转子组件，其中所述盘限定至少部分地沿所述纵向延伸穿过其间的冷却通路。
5.根据权利要求2所述的外鼓转子组件，还包括：
联接到所述盘上的保持环，其中所述保持环限定壁，所述壁沿周向和沿所述径向延伸，沿所述纵向邻近所述多个外鼓翼型件，其中所述保持环提供沿所述纵向保持所述多个外鼓翼型件。
6.根据权利要求2所述的外鼓转子组件，其中所述盘限定沿纵向延伸的多个槽口，所述多个外鼓翼型件设置成穿过所述槽口，其中所述多个槽口提供沿周向和所述径向保持所述多个外鼓翼型件。
7.根据权利要求2所述的外鼓转子组件，其中所述盘是一体式环形结构。
8.根据权利要求2所述的外鼓转子组件，其中所述多个外鼓翼型件分别相对于轴向中心线成角沿所述径向延伸。
9.根据权利要求8所述的外鼓转子组件，其中所述多个外鼓翼型件的外径向端相对于所述多个外鼓翼型件的内径向端沿所述纵向在上游。
10.根据权利要求1所述的外鼓转子组件，其中所述多个外鼓翼型件、所述第一外鼓和所述第二外鼓分别限定开口，机械紧固件延伸穿过所述开口，其中所述机械紧固件将所述多个外鼓翼型件、所述第一外鼓和所述第二外鼓联接在一起。
11.根据权利要求1所述的外鼓转子组件，其中所述第一翼型件凸缘和所述第二翼型件凸缘以及所述第一外鼓和所述第二外鼓的凸缘分别限定开口，机械紧固件设置成穿过所述开口，其中所述机械紧固件将所述多个外鼓翼型件保持到所述外鼓转子组件上。
12.根据权利要求1所述的外鼓转子组件，其中所述第一外鼓设置在所述第一翼型件凸缘的上游侧上，并且所述第二外鼓设置在所述第二翼型件凸缘的下游侧上。
13.根据权利要求1所述的外鼓转子组件，还包括：
联接到所述外鼓转子组件上的可旋转的转矩框架，其中所述转矩框架包括分别围绕轴向中心线环形地限定的内护罩和外护罩，以及沿所述径向延伸且联接到所述内护罩和所述外护罩上的结构构件。
14.根据权利要求13所述的外鼓转子组件，其中所述转矩框架联接到所述第一外鼓或所述第二外鼓中的第二凸缘上。
15.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机限定径向方向，周向方向和纵向方向，包括：
外鼓转子组件，所述外鼓转子组件包括第一外鼓，所述第一外鼓包括第一径向延伸凸缘；
第二外鼓，所述第二外鼓包括与所述第一径向延伸凸缘相邻的第二径向延伸凸缘；以及
多个外鼓翼型件，所述多个外鼓翼型件从所述第一外鼓处的所述第一径向延伸凸缘和第二外鼓处的所述第二径向延伸凸缘之间沿径向向内延伸，
其中，所述多个外鼓翼型件包括彼此相邻的第一外鼓翼型件和第二外鼓翼型件，
其中，所述第一外鼓翼型件和所述第二外鼓翼型件分别包括沿着所述径向方向并且至少部分沿着所述周向方向向外延伸的第一翼型件凸缘和第二翼型件凸缘，
其中，所述第一翼型件凸缘和所述第二翼型件凸缘位于所述第一外鼓处的所述第一径向延伸凸缘与所述第二外鼓处的所述第二径向延伸凸缘之间，
其中，所述第一翼型件凸缘和所述第二翼型件凸缘在所述周向方向上并排布置，
其中，所述第一翼型件凸缘的第一侧和所述第二翼型件凸缘的第二侧在接头处彼此接合，
其中，所述接头由所述第一翼型件凸缘的第一周向接头延伸部和所述第二翼型件凸缘的第二周向接头延伸部形成，所述第一周向接头延伸部在所述第一翼型件凸缘的下游端朝所述第二翼型件凸缘延伸，所述第二周向接头延伸部在所述第二翼型件凸缘的上游端朝所述第一翼型件凸缘延伸，
其中，所述第一周向接头延伸部和所述第二周向接头延伸部在所述纵向方向上彼此重叠，使得所述第一周向接头延伸部和所述第二周向接头延伸部在所述纵向方向上彼此接触。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其中所述外鼓转子组件还包括：
联接到所述多个外鼓翼型件的内径上的盘，所述盘可与所述外鼓转子组件一起旋转。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，还包括：
联接到所述盘上的保持环，其中所述保持环限定壁，所述壁沿周向和沿所述径向延伸，沿所述纵向邻近所述多个外鼓翼型件，其中所述保持环提供沿所述纵向保持所述多个外鼓翼型件。
18.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其中所述外鼓转子组件还包括：
联接到所述外鼓转子组件上的可旋转的转矩框架，其中所述转矩框架包括分别围绕轴向中心线环形地限定的内护罩和外护罩，以及沿所述径向延伸且联接到所述内护罩和所述外护罩上的结构构件。
19.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其中所述多个外鼓翼型件和所述结构构件中的一个或多个的外径向端相对于内径向端沿所述纵向在上游。
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