CN110199090B - 用于旋转涡轮框架的隔热结构 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种燃气涡轮发动机，其限定径向方向、周向方向、沿着纵向方向的轴向中心线，并且其中燃气涡轮发动机沿着纵向方向限定上游端和下游端。燃气涡轮发动机包括第一涡轮转子，第一涡轮转子包括：内护罩；外护罩，其沿径向方向在内护罩的外侧；至少一个连接翼型件，其至少部分地沿着径向方向联接内护罩和外护罩；以及外带，其沿径向方向在外护罩的外侧且至少部分地沿周向方向延伸，并且多个连接部件连接外护罩和外带。

Description

用于旋转涡轮框架的隔热结构
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机架构。更特别地，本主题涉及一种用于燃气涡轮发动机的涡轮区段。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括在燃烧区段的下游的涡轮区段，涡轮区段能够与压缩机区段一起旋转以使燃气涡轮发动机旋转并操作来产生功率，诸如推进推力。一般的燃气涡轮发动机设计标准通常包括必须平衡或折衷的相冲突的标准，包括在维持或减小重量、部件数量和/或包装(即发动机的轴向和/或径向尺寸)的同时提高燃料效率、操作效率和/或功率输出。
已知交错型涡轮区段利用在其之间没有导叶的旋转翼型件的连续级之间的相对高的流体速度。然而，已知的交错型涡轮区段限于交错的低压涡轮转子和中压涡轮转子。更进一步，已知的交错型涡轮区段受到来自交错型涡轮区段的内半径的轴向负荷、径向负荷、热负荷和/或机械负荷的限制，这可限制可在交错的第一涡轮转子中包括的级的数量。
因此，存在对于如下结构的需要：该结构可减小或移除由于轴向负荷、径向负荷、热负荷和/或机械负荷而引起的对交错的第一涡轮转子的尺寸和结构寿命的限制。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而显而易见，或可通过实践本发明而认识到。
本公开涉及一种燃气涡轮发动机，其限定径向方向、周向方向、沿着纵向方向的轴向中心线，并且其中燃气涡轮发动机沿着纵向方向限定上游端和下游端。燃气涡轮发动机包括第一涡轮转子，第一涡轮转子包括：内护罩；外护罩，其沿径向方向在内护罩的外侧；至少一个连接翼型件，其至少部分地沿着径向方向联接内护罩和外护罩；以及外带，其沿径向方向在外护罩的外侧且至少部分地沿周向方向延伸，并且多个连接部件联接外护罩和外带。
在一个实施例中，第一涡轮转子的连接部件从外护罩至少部分地沿切向延伸到外带。
在另一实施例中，连接部件限定靠近于外护罩的第一端、靠近于外带的第二端，以及在第一端与第二端之间的中间部分。至少一个连接部件限定第一厚度和第二厚度，第一厚度大致设置在第一端和/或第二端处，并且第二厚度大致设置在中间部分处。
在又一实施例中，连接部件限定靠近于外护罩的第一端、靠近于外带的第二端，以及在第一端与第二端之间的中间部分。至少一个连接部件大致在中间部分处限定蛇形结构。
在另外的另一实施例中，外带限定大体上围绕轴向中心线而同心的环形圈。
在一个实施例中，外护罩限定平台，该平台至少部分地沿着纵向方向延伸且至少部分地沿着周向方向延伸，并且连接部件从平台延伸到外带。
在另一实施例中，外带沿着内径的部分和/或沿着外径的部分限定一个或多个平衡平面。
在又一实施例中，外护罩和外带沿着径向方向在其之间一起限定辅助流路。
在另外的另一实施例中，一个或多个连接翼型件、内护罩和外护罩一起限定一体的结构。
在另外的又一实施例中，一个或多个连接翼型件、内护罩、外护罩、多个连接部件和外带一起限定一体的结构。
在多种实施例中，涡轮区段进一步包括沿着径向方向在外护罩的内侧延伸的多个外护罩翼型件。在一个实施例中，涡轮区段进一步包括从内护罩沿着径向方向向外延伸的多个内护罩翼型件。在另外的多种实施例中，发动机进一步包括沿着纵向方向在第一涡轮转子的一个或多个连接翼型件的上游的第二涡轮转子，其中第二涡轮转子包括沿径向方向向外延伸的多个第二涡轮翼型件。在一个实施例中，第一涡轮转子和第二涡轮转子在彼此之中交错。在另一实施例中，发动机从上游端到下游端以串行流布置限定第一涡轮转子的多个外护罩翼型件、第二涡轮转子的多个第二翼型件，以及第一涡轮转子的一个或多个连接翼型件。在另外的另一实施例中，发动机从上游端到下游端以串行流布置限定第一涡轮转子的多个外护罩翼型件、第二涡轮转子的多个第二翼型件、第一涡轮转子的一个或多个连接翼型件，以及从内护罩沿着径向方向向外延伸的多个内护罩翼型件。
在多种其它实施例中，第一涡轮转子限定至少一个旋转级，该至少一个旋转级包括外护罩、内护罩、连接翼型件、外带和连接部件。在一个实施例中，第一涡轮转子将外护罩、内护罩、连接翼型件和隔热结构限定为至少一个级。
在另一实施例中，第一涡轮转子限定从外护罩沿着径向方向向内延伸的多个外护罩翼型件的至少一个级，以及从内护罩沿着径向方向向外延伸的多个内护罩翼型件的至少一个级。
在另外的另一实施例中，发动机进一步包括：风扇组件，其包括多个叶片；以及第一轴，其沿着纵向方向延伸，其中第一涡轮转子联接到第一轴并能够与第一轴一起旋转。
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。结合在本说明书中并构成其部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员而言完整且充分的公开，在附图中：
图1是根据本公开的方面的结合涡轮区段的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面视图；
图2是图1中显示的涡轮区段的实施例的示意性横截面视图；
图3是第一涡轮转子的示例性实施例的透视图；
图4是第一涡轮转子的另一示例性实施例的透视图；
图5是第一涡轮转子的示例性实施例的侧视图；
图6是第一涡轮转子的另一示例性实施例的侧视图；以及
图7是第一涡轮转子的又一示例性实施例的侧视图。
在本说明书和附图中对参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各示例作为本发明的阐释而非本发明的限制来提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中作出多种修改和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生另外的其它实施例。因而，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变化。
如本文中使用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”可被可互换地使用以将一个构件与另一构件区分开，并且并不旨在表示独立构件的位置或重要性。
用语“上游”和“下游”指代相对于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指代流体流自的方向，且“下游”指代流体流至的方向。除非另外陈述，否则“下游”和“上游”指代空气或得到的燃烧气体通过发动机的核心流路而从进入压缩机区段的入口通过来自涡轮区段的出口的流体流动的大体方向。
大体上提供了用于燃气涡轮发动机的第一涡轮转子的隔热结构的多种实施例。包括隔热结构的第一涡轮转子包括内护罩、沿径向方向在内护罩的外侧的外护罩，以及至少部分地沿着径向方向联接内护罩和外护罩的至少一个连接翼型件。第一涡轮转子进一步包括外带，其沿径向方向在外护罩的外侧且至少部分地沿周向方向延伸。多个连接部件联接外护罩和外带。
隔热结构的连接部件可从内护罩、连接翼型件和/或外护罩传递轴向负荷、径向负荷和/或热负荷，且将这些负荷一直传递到外带。外带可限定结构支承圈，转矩和/或热负荷从内护罩、连接翼型件和/或外护罩传递到该结构支承圈。在另外的多种实施例中，连接部件可减弱在外护罩与外带之间限定的辅助流路内的高温梯度。在多种实施例中，包括从外护罩到外带的连接部件的隔热结构可将热负荷、轴向负荷、径向负荷和机械负荷传递到外带，同时提供足够的径向刚度以支承用于交错型涡轮区段的悬垂或悬臂式第一涡轮转子。更进一步，外带可提供足够的刚度以减弱不合期望的振动模式、谐波或噪声，且/或大体上提升期望的发动机动态特性。
交错型涡轮区段可在减小重量、部件数量和/或包装(例如径向和/或轴向尺寸)的同时提高燃料效率、操作效率和/或功率输出。例如，交错型涡轮区段可实现燃气涡轮发动机的增加的旁通比和/或总体压力比，从而相对于具有类似功率输出和/或包装的其它发动机而提高燃料效率、操作效率和/或功率输出。交错型涡轮区段可在维持或提高效率、性能或功率输出的同时进一步减少固定翼型件和/或旋转翼型件的数量，并从而减小发动机的包装和/或重量。更进一步，交错型涡轮区段可减小轴向流动面积与旋转速度的平方的乘积(该乘积被称为“AN2”)，同时另外减小涡轮区段的每级的平均作功系数。
现在参考附图，图1为根据本公开的方面的结合涡轮区段90的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机10(在本文中被称为“发动机10”)的示意性横截面视图，该示例性燃气涡轮发动机10显示为高旁通涡轮风扇发动机。尽管下文参考涡轮风扇发动机来进一步描述本公开，但本公开一般也可适用于包括下者的涡轮机：螺旋桨风扇、涡轮喷气、涡轮螺旋桨和涡轮轴燃气涡轮发动机，其包括船用和工业涡轮发动机和辅助功率单元。如在图1中显示的那样，发动机10具有纵向或轴向中心线轴线12，其延伸通过发动机10以用于参考目的。发动机10限定纵向方向L、径向方向R、沿着纵向方向L的上游端99和下游端98，以及周向方向C(在图3-图4中显示)。
大体上，发动机10可包括基本上管状的外壳体18，其限定环形入口20。外壳体18沿着纵向方向L以串行流布置包封压缩机区段21、燃烧区段26和交错型涡轮区段90(在本文中被称为“涡轮区段90”)或至少部分地使它们流通。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中显示的实施例中，发动机10限定双转轴式构造，其中压缩机区段21包括沿着纵向方向L成串行布置的第一压缩机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，并且第一涡轮转子110朝发动机10的下游端98联接到第一轴36。第一压缩机22和风扇组件14由第一涡轮转子110驱动。第二压缩机24联接到第二轴34，并且第二涡轮转子120朝发动机10的下游端98联接到第二轴34。第二压缩机24由第二涡轮转子120驱动。在多种实施例中，第一压缩机22限定低压(LP)压缩机，并且第二压缩机24限定高压(HP)压缩机。在另外的多种实施例中，第一涡轮转子110可限定LP涡轮30，并且第二涡轮转子120可限定HP涡轮28。
在其它实施例中，发动机10可限定三转轴式构造，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驱动第一压缩机22的IP涡轮，该第一压缩机22限定IP压缩机。限定LP涡轮30的第一涡轮转子110附接到风扇转子15，因而驱动风扇组件14。在这样的实施例中，作为限定HP涡轮28的第二涡轮转子120的补充或代替第二涡轮转子120，第三涡轮转子可设置成在第一涡轮转子110之中交错。
返回参考图1，风扇组件14包括联接到风扇转子15的多个风扇叶片42的至少一个级。多个风扇叶片42沿径向方向R联接到风扇转子15并从风扇转子15向外延伸。在多种实施例中，风扇转子15可沿着纵向方向L包括风扇叶片42的多个级。环形风扇壳体或机舱44沿周向包围风扇组件14的至少部分和/或外壳体18的至少部分。在一个实施例中，机舱44可由多个沿周向隔开的出口导叶或支柱46相对于外壳体18而支承。机舱44的至少部分可在外壳体18的外部部分(沿径向方向R)上延伸，以便在它们之间限定旁通空气流通路48。
在其它实施例中，风扇组件14可进一步包括功率或减速齿轮箱，其设置在风扇转子15与联接到涡轮区段90的第一轴36之间。齿轮箱可相对于风扇转子15经由第一轴36附接的涡轮区段90的涡轮转子而降低风扇转子15的旋转速度。
现在参考图2，大体上提供了发动机10的涡轮区段90的示例性实施例。涡轮区段90包括沿着纵向方向L延伸的第一涡轮转子110。第一涡轮转子110包括内护罩112、外护罩114，以及将内护罩112联接到外护罩114的至少一个连接翼型件116。外护罩114包括沿着径向方向R向内延伸的多个外护罩翼型件118。在多种实施例中，内护罩112可包括沿着径向方向R向外延伸的多个内护罩翼型件119。
内护罩112和外护罩114各自大体上沿着纵向方向L延伸。内护罩112和/或外护罩114可各自至少部分地沿径向方向R延伸。在多种实施例中，内护罩112沿着纵向方向L从连接翼型件116朝下游端98延伸。在其它实施例中，外护罩114沿着朝燃烧区段26的纵向方向L从连接翼型件116朝上游端99延伸。
仍然参考图2，涡轮区段90可进一步包括第二涡轮转子120，其设置在第一涡轮转子110的一个或多个连接翼型件116的前方或上游99。第二涡轮转子120包括沿着径向方向R向外延伸的多个第二翼型件122。在多种实施例中，第二涡轮转子120设置在连接翼型件116的前方或上游99并且与第一涡轮转子110交错。例如，如图1中显示的那样，发动机10和涡轮区段90可从上游端99到下游端98以串行流布置限定第一涡轮转子110的多个外护罩翼型件118、第二涡轮转子120的多个第二翼型件122、第一涡轮转子110的一个或多个连接翼型件116，以及多个内护罩翼型件119的一个或多个级。在多种实施例中，涡轮区段90可限定沿着纵向方向L与多个第二翼型件122交替的多个外护罩翼型件118的多个重复。在一个实施例中，第一涡轮转子110可限定在一个与十个之间的旋转级，包括一个级和十个级。例如，第一涡轮转子110可将外护罩114、内护罩112、连接翼型件116和隔热结构100(在图3-图5中显示)限定为至少一个级。在另一实施例中，第一涡轮转子110可限定在三个与十个之间的旋转级，包括三个级和十个级。在一个实施例中，第二涡轮转子120可限定与第一涡轮转子110交错的至少一个旋转级。
尽管未在图1中显示，但发动机10可进一步包括第三涡轮转子，其联接到第二涡轮转子120且能够独立于第二涡轮转子120而旋转，并且与第一涡轮转子110交错。尽管未在图1中描绘，但应该理解的是，本文中描绘的第二涡轮转子120的一个或多个旋转级可备选地被限定为驱动发动机10中的第三压缩机的第三涡轮转子。
返回参考图1-图2，在发动机10的操作期间，如由箭头74示意性地指示的大量的空气通过机舱和/或风扇组件14的相关联的入口76进入发动机10。当空气74横穿风扇叶片42时，如由箭头78示意性地指示的空气的部分被引导或导送至旁通空气流通路48中，而如由箭头80示意性地指示的空气的另一部分被引导通过风扇组件14且通过入口20。当空气80朝燃烧区段26流过压缩机区段21时，空气80被逐步地压缩。
如由箭头82示意性地指示的现在的压缩空气流至燃烧区段26中，在燃烧区段26中，燃料被引入，与压缩空气82的至少部分混合，并被点燃以形成燃烧气体86。燃烧气体86流至涡轮区段90中，从而使涡轮区段90的第一涡轮转子110和第二涡轮转子120以及在多种实施例中的第三涡轮转子旋转，并支持压缩机区段21和/或风扇组件14中的相应联接的旋转部件的操作。
现在参考图3和图4，大体上提供了第一涡轮转子110上的隔热结构100的部分的示例性实施例。第一涡轮转子110包括内护罩112和沿径向方向R在内护罩112的外侧的外护罩114。至少一个连接翼型件116至少部分地沿径向方向R联接内护罩112和外护罩114。第一涡轮转子110进一步包括沿径向方向R在外护罩114的外侧的外带113。外带113至少部分地沿周向方向C延伸。多个连接部件105联接外护罩114和外带113。
隔热结构100大体上包括联接到外护罩114的多个连接部件105和外带113。隔热结构100可传递热负荷和机械负荷，诸如沿着轴向或纵向方向L的负荷、沿着径向方向R的负荷，和/或沿着纵向方向L、径向方向R和/或周向方向C的扭曲、弯曲、振动或扭转负荷。连接部件105可减弱沿着径向方向R在外护罩114与外带113之间限定的辅助流路69中的高温梯度。包括连接部件105和外带113的隔热结构可一起限定用于第一涡轮转子110的结构支承，其可实现悬垂或悬臂式外护罩114。隔热结构100可进一步使第一涡轮转子110能够与第二涡轮转子120交错，这可改进涡轮区段90的性能和/或效率、发动机10的性能、可操作性和/或效率，且/或减小发动机10的重量、部件数量和/或包装(例如纵向和/或径向尺寸)。在多种实施例中，隔热结构100可使额外的级能够在诸如限定高压(HP)涡轮的第二涡轮转子120的前方交错。在另外的多种实施例中，隔热结构100可提供结构支承，从而实现至少部分地沿着纵向方向L沿相反的方向延伸的悬垂或悬臂式外护罩114和内护罩112。
仍然参考图3和图4，连接部件105可从外护罩114至少部分地沿切向延伸到外带113。各连接部件105可限定靠近或邻近于外护罩114(例如，沿着外护罩114的外径)的第一端106。各连接部件105可进一步限定靠近或邻近于外带113(例如，沿着外带113的内径)的第二端108。各连接部件105可进一步在第一端106与第二端108之间限定中间部分107。
在多种实施例中，连接部件105中的一个或多个可限定多种厚度。例如，连接部件105中的一个或多个可限定大致设置在第一端106和/或第二端108处的第一厚度，以及设置在第一端106与第二端108之间的中间部分107的至少部分内的第二厚度。在另一示例中，连接部件105中的一个或多个的中间部分107可在第一端106与第二端108之间在厚度方面增大和/或减小。在另外的另一示例中，各连接部件105可在第一端106与第二端108之间限定不同的或交替的厚度。在多种实施例中，可采用多个厚度或限定来减弱沿着辅助流路69的热梯度，减弱不合期望的振动模式，如期望的那样提升结构刚性或柔性，且/或提升用于与第二涡轮转子120交错的第一涡轮转子110的结构支承。更进一步，外带113和/或连接部件105可提供足够的刚度以减弱不合期望的振动模式、谐波或噪声，且/或大体上提升期望的发动机动态特性。
在图3中显示的实施例中，连接部件105沿着大体上切向的方向从外护罩114大体上笔直地延伸到外带113。在图4中显示的实施例中，连接部件105至少部分地限定蛇形结构。例如，蛇形结构可在连接部件105中的一个或多个的中间部分107中限定波形。参考图3和图4，在一个实施例中，第一涡轮转子110的隔热结构100可限定多个连接部件105，多个连接部件105限定大体上笔直的中间部分107和部分蛇形的中间部分107的组合。例如，隔热结构100可限定大体上笔直的中间部分107和蛇形的中间部分107的交替组合。作为另一示例，隔热结构100可限定大体上笔直的中间部分107和蛇形的中间部分107的交替组合，以及多种厚度的中间部分107的交替组合。
图5-图7各自提供了沿着包括隔热结构100的第一涡轮转子110的纵向方向L的侧视图的示例性实施例。参考图3-图7，外护罩114可进一步限定平台115，平台115至少部分地沿着纵向方向L延伸(如图5-图7中显示的那样)并至少部分地沿着周向方向C延伸(如图3-图4中显示的那样)。连接部件105从平台115延伸到外带113。在多种实施例中，平台115可限定与外带113大体上同心且大体上平行而延伸的壁。大体上同心且大体上平行的平台115可提供表面，连接部件105基本上沿着径向方向R从该表面或抵靠着该表面来传递力或转矩。
参考图6中显示的隔热结构100的示例性实施例，连接部件105可大体上限定“C”形横截面。连接部件105可限定弹性性质，例如，至少沿着径向方向R压缩或拉伸。参考图7中显示的隔热结构100的示例性实施例，连接部件105可大体上限定弹簧(例如，诸如图7中显示的锯齿形横截面)。
现在参考图3-图7，在多种实施例中，外带113可限定大体上围绕发动机10的轴向中心线12(在图1中显示)而同心的环形圈。在一个实施例中，外带113限定实心环形圈。外带113可限定强度和材料性质，以用于吸收来自内护罩112、连接翼型件116、外带114和连接部件105的机械负荷和热负荷。在另一实施例中，外带113限定分节段的圈，其中多个节段经由机械紧固件(诸如但不限于螺栓、螺母、螺母板、螺钉、铆钉或销)或一个或多个连结过程(诸如焊接、锡焊或铜焊)而附连在一起。
在另外的多种实施例中，外带113可诸如沿着内径的部分(即，在辅助流路69内)和/或沿着外径的部分来限定一个或多个平衡平面。例如，外带113可限定如下的一个或多个位置：在该一个或多个位置上，重物附连(例如机械紧固件、连结过程或固持夹)到外带113上，以实现外带113和/或第一涡轮转子110的期望的静态和/或动态平衡。作为另一示例，外带113可限定如下的一个或多个位置：可从该一个或多个位置移除材料，以实现外带113和/或第一涡轮转子110的期望的静态和/或动态平衡。
仍然参考图3-图5，隔热结构100和/或第一涡轮转子110的至少部分可限定一体地形成的结构。该结构可由多种过程(诸如但不限于增材制造或3D打印)形成。一体地形成的结构可另外或备选地包括一个或多个铸造、锻造和/或机加工过程。在一个实施例中，一个或多个连接翼型件116、内护罩112和外护罩114可一起限定一体的结构。在另一实施例中，一个或多个连接翼型件116、内护罩112、外护罩114、多个连接部件105和外带113一起限定一体的结构。在另外的其它实施例中，连接翼型件116、内护罩112、外护罩114、连接部件105和/或外带113中的一个或多个可独立于一个或多个一体地限定的结构或与其结合而经由一个或多个机械紧固件和/或连结过程来彼此附连。
包括隔热结构100、第一涡轮转子110、第二涡轮转子120或其独立的级的涡轮区段90可由适合于燃气涡轮发动机热区段的陶瓷基体复合(CMC)材料和/或金属形成，诸如但不限于镍基合金、钴基合金、铁基合金或钛基合金，其中的各种可包括但不限于铬、钴、钨、钽、钼和/或铼。可使用增材制造或3D打印或铸造、锻造、机加工或由3D打印模具形成的铸件或其组合来形成涡轮区段90或其部分或其部分的组合。可使用紧固件(诸如螺母、螺栓、螺钉、销或铆钉)或使用连结方法(诸如焊接、粘接、摩擦或扩散粘接等)或紧固件和/或连结方法的组合来机械地连结涡轮区段90或其部分。第一涡轮转子110和/或第二涡轮转子120(包括其独立的级)可构造为安装到筒或毂中的独立的叶片，或一体叶片转子(IBR)或叶片盘，或其组合。
本文中显示和描述的涡轮区段90可通过在维持或减小重量、部件数量和/或包装的同时提供改进的燃料效率、操作效率和/或功率输出来对现有的涡轮区段进行改进。在(一个或多个)第二涡轮转子120之中交错的多个外护罩翼型件118可通过移除各旋转构件之间的固定翼型件的级来减小包装并减少部件数量。另外，涡轮区段90可在不向发动机10添加重量或大小(例如，轴向长度)的情况下提供与减速齿轮箱相当的效率益处。作为在燃烧区段26的下游的第一级的第一涡轮转子110可通过移除对燃烧区段26的设计约束(其可为燃烧器热点的原因)来进一步改进发动机效率。此外，涡轮区段90可通过降低对冷却空气的需求来改进发动机10的效率，大体上从压缩机区段21中提取冷却空气，并且通常认为冷却空气从发动机10移除潜在的推进能量。
更进一步，包括外带113和连接部件105的隔热结构100可响应于轴向负荷、径向负荷、扭转负荷、热负荷或其它机械负荷来提供结构支承，其可实现与第二涡轮转子120的多个级交错的悬垂或悬臂式外护罩114。此外，隔热结构100的结构支承可使外护罩114能够在限定HP涡轮的第二涡轮转子120的前方或上游悬垂。备选地，隔热结构100可使外护罩114能够在前方或上游悬垂，以将多个外护罩翼型件118设置成紧接地在燃烧区段26的下游(即代替第一涡轮导叶或喷嘴)。
在多种实施例中，隔热结构100可使第一涡轮转子110能够限定至少一个旋转级。在一个实施例中，第一涡轮转子110可限定单个级，其包括外护罩114、内护罩112、连接翼型件116、外带113和连接部件105。在另一实施例中，第一涡轮转子110可限定翼型件的至少2个级，其包括连接翼型件116的级、外护罩翼型件118的一个或多个级。在另外的另一实施例中，第一涡轮转子110可限定翼型件的至少3个级，其包括连接翼型件116的级、外护罩翼型件118的一个或多个级，以及内护罩翼型件119的一个或多个级。在多种实施例中，隔热结构100提供热梯度的减弱，从而减轻辅助流路69内的气体87的有害影响。
在图1-图5中显示且在本文中描述的系统可在维持或减小重量、部件数量和/或包装(例如，径向和/或轴向尺寸)的同时减少燃料消耗、提高可操作性、提高发动机性能和/或功率输出。本文中提供的系统可允许在相对于具有类似功率输出的其它燃气涡轮发动机而维持或减小包装的同时针对现有的燃气涡轮发动机构造(诸如，涡轮风扇发动机)增加旁通比和/或总体压力比。本文中描述的系统可有助于改进旁通比和/或总体压力比，并从而提高总体的燃气涡轮发动机效率。本文中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)来提高总体的燃气涡轮发动机效率。另外，本文中提供的系统可通过减少旋转翼型件和/或固定翼型件(例如叶片和/或导叶)的数量来减小燃气涡轮发动机的包装和重量，因而提高效率。
更进一步，在图1-图5中显示且在本文中描述的系统可减小燃气涡轮发动机的流动面积与旋转速度的平方的乘积(该乘积在本文中被称为“AN2”)。例如，关于图1-图5显示和描述的发动机10可相对于常规的齿轮涡轮风扇发动机构造而大体上减小AN2。大体上，诸如通过减小旋转速度和/或流动面积而降低AN2会增大所需的平均级作功系数(即，在旋转翼型件的各级上的平均所需负荷)。然而，本文中描述的系统可通过使第一旋转构件110在第二旋转构件120的一个或多个级之中交错同时还朝涡轮区段90的下游端98限定非交错型涡轮结构(即，内护罩112和多个内护罩翼型件119)来降低AN2，同时还降低平均级作功系数并维持涡轮区段90的轴向长度(与具有类似推力输出和包装的发动机相比)。因此，第一旋转构件110可增加翼型件的旋转级的数量，同时减小平均级作功系数，并因此减小AN2，同时减轻用以产生类似的AN2值的在轴向长度上的增加。第一旋转构件110可进一步减小AN2，同时另外相对于具有类似功率输出和/或包装的燃气涡轮发动机的涡轮区段而减少涡轮区段90中的旋转翼型件和固定翼型件的总体数量。
此外，在图1-图5中显示且在本文中描述的系统可通过使第一旋转构件110在限定高速涡轮28的第二旋转构件120的前方或上游99交错，来进一步改进发动机效率、减少翼型件数量、减小发动机重量和/或缓和燃烧区段设计约束。例如，将第一旋转构件110的第一级限定为紧接地在燃烧区段26的下游98而在其之间没有第一涡轮导叶或喷嘴导叶，以及将第一旋转构件110限定成与第二旋转构件120成反向旋转，可与固定的第一涡轮导叶或喷嘴导叶对比而减小总体燃烧热点对第一旋转构件110的第一级的影响。因此，本文中描述的涡轮区段90和发动机10可通过降低热点或燃烧型式因素的重要性来移除对燃烧区段26的设计的约束，从而有利于其它设计标准，诸如减少排放、改进贫燃熄火(LBO)和/或高空重新点火、改进横跨操作包线的部分或全部的总体可操作性，或增加操作包线。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何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，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机限定径向方向、周向方向、沿着纵向方向的轴向中心线，并且其中所述燃气涡轮发动机沿着所述纵向方向限定上游端和下游端，所述燃气涡轮发动机包括：
第一涡轮转子，其包括：内护罩；外护罩，其沿所述径向方向在所述内护罩的外侧；至少一个连接翼型件，其至少部分地沿着所述径向方向联接所述内护罩和所述外护罩；以及外带，其沿所述径向方向在所述外护罩的外侧且至少部分地沿所述周向方向延伸，并且此外，其中多个连接部件联接所述外护罩和所述外带。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮转子的所述连接部件从所述外护罩至少部分地沿切向延伸到所述外带。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述连接部件限定靠近于所述外护罩的第一端、靠近于所述外带的第二端以及在所述第一端与所述第二端之间的中间部分，并且其中至少一个连接部件限定第一厚度和第二厚度，所述第一厚度大致设置在所述第一端和/或第二端处，并且所述第二厚度大致设置在所述中间部分处。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述连接部件限定靠近于所述外护罩的第一端、靠近于所述外带的第二端以及在所述第一端与所述第二端之间的中间部分，并且其中至少一个连接部件大致在所述中间部分处限定蛇形结构。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述外带限定大体上围绕所述轴向中心线而同心的环形圈。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述外护罩限定平台，所述平台至少部分地沿着所述纵向方向延伸且至少部分地沿着所述周向方向延伸，并且其中所述连接部件从所述平台延伸到所述外带。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述外带沿着内径的部分和/或沿着外径的部分限定一个或多个平衡平面。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述外护罩和所述外带沿着所述径向方向在其之间一起限定辅助流路。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，一个或多个所述连接翼型件、所述内护罩和所述外护罩一起限定一体的结构。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，一个或多个所述连接翼型件、所述内护罩、所述外护罩、所述多个连接部件和所述外带一起限定一体的结构。
11.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，涡轮区段进一步包括多个外护罩翼型件，其沿着所述径向方向在所述外护罩的内侧延伸。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮区段进一步包括多个内护罩翼型件，其从所述内护罩沿着所述径向方向向外延伸。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：
沿着所述纵向方向在所述第一涡轮转子的一个或多个所述连接翼型件的上游的第二涡轮转子，其中所述第二涡轮转子包括沿所述径向方向向外延伸的多个第二涡轮翼型件。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮转子和所述第二涡轮转子在彼此之中交错。
15.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发动机从所述上游端到所述下游端以串行流布置限定所述第一涡轮转子的所述多个外护罩翼型件、所述第二涡轮转子的所述多个第二翼型件，以及所述第一涡轮转子的一个或多个所述连接翼型件。
16.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发动机从所述上游端到所述下游端以串行流布置限定所述第一涡轮转子的所述多个外护罩翼型件、所述第二涡轮转子的所述多个第二翼型件、所述第一涡轮转子的一个或多个所述连接翼型件，以及从所述内护罩沿着所述径向方向向外延伸的多个内护罩翼型件。
17.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮转子限定至少一个旋转级，所述至少一个旋转级包括所述外护罩、所述内护罩、所述连接翼型件、所述外带和所述连接部件。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮转子将所述外护罩、所述内护罩、所述连接翼型件和隔热结构限定为至少一个级。
19.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一涡轮转子限定从所述外护罩沿着所述径向方向向内延伸的多个外护罩翼型件的至少一个级，以及从所述内护罩沿着所述径向方向向外延伸的多个内护罩翼型件的至少一个级。
20.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：
风扇组件，其包括多个叶片；以及
第一轴，其沿着所述纵向方向延伸，其中所述第一涡轮转子联接到所述第一轴并能够与所述第一轴一起旋转。
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GR01 Patent grant
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