CN110520611A - 具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮 - Google Patents

具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种燃气涡轮发动机，其限定纵向方向，径向方向和周向方向，以及沿纵向方向的上游端和下游端。燃气涡轮发动机包括涡轮区段和在涡轮区段内或下游的齿轮组件。涡轮区段包括沿纵向方向的第一旋转部件和第二旋转部件。第一旋转部件包括联接到径向延伸的转子的一个或多个连接翼型件，第二旋转部件包括内护罩，内护罩限定沿径向方向向内护罩外延伸的多个内护罩翼型件。第二旋转部件联接到连接到齿轮组件的输入附件的第二轴，并且第一旋转部件联接到齿轮组件的输出附件。输出附件使第一旋转部件以第一速度围绕轴向中心线旋转，并且其中第二旋转部件以第二速度绕轴向中心线旋转。

Description

具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮
技术领域
本主题大体涉及燃气涡轮发动机结构。更具体地，本主题涉及用于燃气涡轮发动机的减速齿轮组件和涡轮区段布置。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括在燃烧区段下游的涡轮区段，其可与压缩机区段一起旋转以旋转并且操作燃气涡轮发动机以产生动力，例如推进力。通用燃气涡轮发动机设计标准通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，同时保持或减少重量，部件数量和/或包装(即发动机的轴向和/或径向尺寸)。
传统的燃气涡轮发动机通常包括涡轮区段，其限定了与中压涡轮和/或低压涡轮串联流动布置的高压涡轮。另外，传统的燃气涡轮发动机涡轮区段通常包括固定翼型件和旋转翼型件(例如轮叶和叶片)的连续排列或连续级。固定翼型件或轮叶通常用于在穿过旋转翼型件或叶片之前引导或以其他方式调节燃烧气体流。固定翼型件通常需要从燃气涡轮发动机的其他区域(例如压缩机区段)引导的冷却空气以减轻来自燃烧气体的损坏。然而，将空气从压缩机区段引导到涡轮区段，从而绕过燃烧区段，通常消除了用于燃烧的能量，因此降低了燃气涡轮发动机的效率。
此外，传统的低压涡轮通常需要多个级来分配能量或工作以操作低压涡轮所驱动的风扇组件和/或压缩机。然而，多个级有助于燃气涡轮发动机的轴向和径向尺寸，从而有助于整个发动机和与其连接的飞行器的重量，并因此不利地影响燃料效率，发动机性能以及发动机和飞行器的效率。
已知的解决方案包括在风扇组件和发动机核心之间增加减速齿轮组件，这可以减少操作与其连接的风扇组件和压缩机所必需的涡轮区段的多个级的数量，并且通常可以提供发动机效率的一些净增加和燃料消耗的改善。然而，增加减速齿轮组件给涡轮发动机的设计和操作带来了新的复杂性和局限性。例如，已知的减速齿轮组件有大约100％量的扭矩或动力通过齿轮组件从低压涡轮串联引导，以驱动风扇组件。在这种已知的布置中，将大致全部量的扭矩或动力通过齿轮组件从低压涡轮引导到风扇组件需要复杂的齿轮组件设计，承受来自涡轮的基本上整个载荷的应力和载荷的增加的齿轮组件的重量，以及通常更大的齿轮组件的直径，从而保持或增加发动机的径向尺寸。
因此，需要一种可结合减速齿轮组件的发动机，同时减少或消除齿轮组件放置的不利影响，例如增加的涡轮发动机包装，例如增加的直径，轴向长度或两者，和/或低压涡轮动力到风扇组件的单点系统故障。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来学习。
本公开涉及一种燃气涡轮发动机，其限定纵向方向，径向方向和周向方向，以及沿纵向方向的上游端和下游端。燃气涡轮发动机包括涡轮区段和在涡轮区段内或下游的齿轮组件。涡轮区段包括沿纵向方向的第一旋转部件和第二旋转部件。第一旋转部件包括联接到径向延伸的转子的一个或多个连接翼型件，第二旋转部件包括内护罩，内护罩限定沿径向方向向内护罩外延伸的多个内护罩翼型件。第二旋转部件联接到连接到齿轮组件的输入附件的第二轴，并且第一旋转部件联接到齿轮组件的输出附件。输出附件使第一旋转部件以第一速度围绕轴向中心线旋转，并且其中第二旋转部件以第二速度绕轴向中心线旋转。
在各种实施例中，第一旋转部件的转子包括联接到齿轮组件的输出附件的壳体。在一个实施例中，壳体包括轴向部分和径向部分，径向部分连接到齿轮组件的输出附件。在另一个实施例中，壳体包括设置在齿轮组件上游的第一径向部分和设置在齿轮组件下游的第二径向部分。轴向部分联接第一径向部分和第二部分。在又一个实施例中，壳体的径向部分还联接到沿纵向方向延伸的第一轴。
在其他各种实施例中，第一轴沿纵向方向延伸并穿过齿轮组件。在一个实施例中，发动机限定了扭矩路径，该扭矩路径从第二旋转部件到第二轴到齿轮组件，并且经由壳体的连接到第一旋转部件的径向部分从齿轮组件到第一轴。在另一个实施例中，发动机还限定了经由第一旋转部件的径向部分从第一旋转部件到第一轴的扭矩路径。
在其他实施例中，发动机还包括风扇组件，风扇组件包括风扇转子，风扇组件和涡轮区段串联布置在风扇转子中，并且第一轴在上游端与风扇转子连接并可与之一起旋转。在一个实施例中，风扇组件还包括低压压缩机，并且上游端的第二轴与低压压缩机连接并可与之一起旋转。
在更多实施例中，第一旋转部件向第一轴提供约25％至约75％的扭矩。在另一个实施例中，第二旋转部件向第一轴提供约30％至约60％的扭矩。
在一个实施例中，发动机还包括排气框架，其中排气框架包括静态支撑结构，并且齿轮组件连接到排气框架的静态支撑结构。
在其他各种实施例中，齿轮组件限定复合齿轮箱。在一个实施例中，齿轮组件还限定了可逆旋转复合齿轮箱。
在一个实施例中，齿轮组件限定的齿轮比为约-1.5：1至约-3：1。
在另一个实施例中，齿轮组件限定的齿轮比范围为约-1.8：1至约-2.8：1。
在又一个实施例中，第二旋转部件以大于第一旋转部件的速度旋转。
在又一个实施例中，第一旋转部件沿第一方向旋转，第二旋转部件沿与第一方向相反的第二方向旋转。
在另一个实施例中，一起限定低压涡轮转子的第一和第二旋转部件一起限定在约3至10级之间的旋转翼型件。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征，方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可实现的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：
图1是根据本发明的一方面的结合有涡轮区段和减速齿轮组件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图；
图2是图1所示的涡轮区段和减速齿轮组件的实施例的示意性横截面图；
图3是具有图2中所示的减速齿轮组件的发动机的另一实施例的示意性横截面图；和
图4是具有图2中所示的减速齿轮组件的发动机的又一实施例的示意性横截面图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个例子在附图中示出。提供每个实施例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。
如本文所用，术语“第一”，“第二”和“第三”可互换使用以将一个组件与另一个组件区分开，并且不旨在表示各个组件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流出的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。除非另有说明，否则“下游”和“上游”是指空气或所产生的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进入并从涡轮区段通过出口出来的流体流动的大体方向。
大体提供一种具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮。具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮将减速齿轮组件结合到燃气涡轮发动机，同时减少或消除齿轮组件放置的不利影响，例如增加的涡轮发动机包装，例如直径或轴向长度，或两者，和/或减少或消除低压涡轮动力到风扇组件的单点系统故障。
具有多输入可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮大体包括：涡轮区段，其包括沿纵向方向的第一旋转部件和第二旋转部件；以及靠近涡轮区段的齿轮组件(即，在涡轮区段内或涡轮区段的下游)。第一旋转部件包括联接到径向延伸的转子的一个或多个连接翼型件。第二旋转部件包括内护罩，内护罩限定沿着径向方向向内护罩外延伸的多个内护罩翼型件。第二旋转部件联接到第二轴，第二轴连接到齿轮组件的输入附件。第一旋转部件联接到齿轮组件的一个或多个输出附件。
在各种实施例中，具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮发动机限定从第二旋转部件到第二轴到齿轮组件，并且经由第一旋转部件的第二径向部分从齿轮组件到第一轴的扭矩路径。发动机还可以限定经由第一旋转部件的第二径向部分从第一旋转部件到第一轴的扭矩路径。因此，扭矩路径从涡轮区段限定了从低压涡轮到风扇组件的基本并行的扭矩路径。在各种实施例中，第二旋转部件可以通过齿轮组件的输入附件将大约50％的扭矩分配给风扇转子，而其余部分通过第一轴从第一旋转部件分配到风扇组件，其中风扇组件联接到第一轴。
具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮通常可以为发动机提供减速齿轮组件的益处，例如降低的风扇转子转速，增加的旁通比，降低的风扇压力比，降低的风扇组件噪音，降低的燃料消耗和/或提高的发动机效率，同时进一步减少或减轻减速齿轮组件的有害影响，例如由于通过齿轮组件传递的扭矩或动力的大小而增加的齿轮组件直径和/或重量。
另外，具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮发动机可以通过提供涡轮和齿轮组件布置来进一步提高发动机效率和性能，该涡轮和齿轮组件布置允许三轴发动机配置在与对比的双轴齿轮配置基本相同的轴向长度内。因此，具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮可通过以更理想的操作速度操作低压涡轮转子，通过以更理想的操作速度操作风扇组件，以及以基本上独立于低压涡轮转子的速度操作增压器或中压压缩机(例如低压涡轮转子不成比例)来进一步提高发动机效率和性能。
在包括叉指式涡轮区段的各种实施例中，反向旋转涡轮发动机可以在减少重量，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/或动力输出。例如，叉指式涡轮区段可使得风扇组件能够以增加的旁通比操作和/或使得燃气涡轮发动机能够以增加的总压力比操作，从而相对于具有类似动力输出和/或包装的其他发动机提高燃料效率，操作效率和/或动力输出。叉指式涡轮区段可以进一步减少固定和/或旋转翼型件的数量，从而减少发动机的包装和/或重量，同时保持或提高效率，性能或动力输出。更进一步地，相对于包含减速齿轮组件的发动机，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(乘积为“AN2”)，同时另外降低涡轮区段的每级的平均工作因数。
现在参照附图，图1是示例性燃气涡轮发动机10(本文中称为“发动机10”)的示意性横截面图，示出为高旁通涡轮风扇发动机，其结合了根据本发明的一方面的涡轮区段90的示例性实施例。尽管下面参考涡轮风扇发动机进一步描述，但是本公开一般也适用于涡轮机械，包括螺旋桨，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，包括船用和工业涡轮发动机和辅助动力单元。如图1所示，发动机10具有纵向或轴向中心轴线12，其延伸穿过其中以用于参考目的。发动机10限定纵向方向L，径向方向R，以及沿纵向方向L的上游端99和下游端98。
通常，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以串联流动布置或至少部分流动地包围压缩机区段21，燃烧区段26和叉指式涡轮区段90(这里称为“涡轮区段90”)。在图1所示的实施例中，压缩机区段21限定了串联布置的高压压缩机(HPC)24和中压压缩机(IPC)22。
风扇组件14设置在压缩机区段21的前部或上游99处。风扇组件14包括风扇转子15。风扇转子15包括一个或多个风扇级41，其中每个风扇级41限定多个叶片42，叶片42联接到风扇转子15并在径向方向R上从风扇转子15向外延伸。在如图1所示的一个实施例中，风扇转子15限定多个叶片42的单个风扇级或单个周向相邻的布置。在各种其他实施例中，风扇组件14可以进一步限定多个级41。风扇转子15一起可绕轴向中心线12旋转。环形风扇壳体或机舱44周向地围绕风扇组件14的至少一部分和/或外壳体18的至少一部分。在一个实施例中，机舱44可以通过多个周向间隔开的出口导向轮叶或支柱46相对于外壳体18被支撑。机舱44的至少一部分可以在外壳体18的外部(沿径向方向R)上延伸，以便在它们之间限定旁路气流通道48。
在发动机10运行期间，如图1-4中所示，由箭头74示意性地示出的一定体积的空气通过机舱和/或风扇组件14的相关入口76进入发动机10。当空气74穿过风扇组件14的叶片42时，由箭头78示意性指示的一部分空气被引导或引入到旁路气流通道48中，而由箭头80示意性指示的另一部分空气被引导或穿过风扇组件14。当空气80流过压缩机区段21朝向燃烧区段26时，空气80逐渐被压缩。
如箭头82示意性所示，现在压缩的空气流入燃烧区段26，在燃烧区段26中引入燃料，与至少一部分压缩空气82混合，并点燃以形成燃烧气体86。燃烧气体86流入涡轮区段90，使涡轮区段90的旋转构件旋转并支撑压缩机区段21和/或风扇组件14中的相应联接的旋转构件的操作。
现在参考图2，通常提供发动机10的涡轮区段90的示例性实施例。涡轮区段90包括沿着纵向方向L与第二旋转部件120相互交叉的第一旋转部件110。第一旋转部件110包括联接到径向延伸的转子115的一个或多个连接翼型件116。第二旋转部件120包括内护罩112，内护罩112限定沿着径向方向R向内护罩112外延伸的多个内护罩翼型件117。在各种实施例中，内护罩112和/或外护罩114由限定轴向或纵向流动路径的多个毂，盘或鼓形成或限定，例如通过发动机10从上游端99到下游端98的压缩空气82和燃烧气体86的核心流动路径70的一部分。
在各种实施例中，第一旋转部件110还包括外护罩114，外护罩114限定沿着径向方向R向外护罩114内延伸的多个外护罩翼型件118。外护罩118可以联接到一个或多个连接翼型件116并向前或向上游99延伸。多个外护罩翼型件118可以向外护罩114内延伸，与从第二旋转部件120的内护罩112沿径向方向R延伸的多个内护罩翼型件117相互交叉。在各种实施例中，第二旋转部件120设置在第一旋转部件110的一个或多个连接翼型件116的上游，并且与从第一旋转部件110延伸的多个外护罩翼型件118相互交叉。
在一个实施例中，第一旋转部件110和第二旋转部件120可以一起限定至少三级旋转翼型件(例如，连接翼型件116，第二旋转部件120和第一旋转部件110的外护罩翼型件118)。在另一个实施例中，第一和第二旋转部件110,120一起限定三级和十级或三排和十排之间的旋转翼型件。
发动机10还包括齿轮组件45，齿轮组件45在涡轮区段90内，例如沿径向方向R在其内侧，或沿纵向方向L在涡轮区段90的下游。例如，齿轮组件45可以朝向涡轮区段90的下游端98设置。作为另一个例子，齿轮组件45设置在排气框架150内、在涡轮区段90的下游。齿轮组件45包括输入附件47和输出附件49。第二轴121连接到输入附件47并且向齿轮组件45提供动力。第二旋转部件120联接到第二轴121并且向齿轮组件45提供动力。第一旋转部件110联接到齿轮组件45的一个或多个输出附件49。一个或多个输出附件49使第一旋转部件110以第一速度围绕轴向中心线12旋转。第二旋转部件120联接到第二轴121并且以第二速度绕轴向中心线12旋转。在各种实施例中，第二旋转部件120旋转的第二速度大于第一旋转部件110旋转的第一速度。
仍然参照图2，发动机10进一步包括第一轴36，第一轴36沿纵向方向L延伸并沿径向方向R从齿轮组件45的上游端99向齿轮组件45的下游端98延伸通过齿轮组件45。第一旋转部件110的转子115联接到第一轴36。在各种实施例中，第一旋转部件110的转子115可旋转地联接到齿轮组件45的一个或多个输出附件49。在一个实施例中，转子115限定壳体124，壳体124大致围绕齿轮组件45并且联接到第一轴36。在各种实施例中，壳体124包括轴向部分126和一个或多个径向部分125,127。在一个实施例中，第一径向部分125至少部分地沿径向方向R从转子115延伸到齿轮组件45的上游端99。第一径向部分125联接到齿轮组件45的一个或多个输出附件49。在另一个实施例中，第二径向部分127至少部分地沿径向方向R从齿轮组件45的下游端98延伸到第一轴36。第二径向部分127朝向齿轮组件45的下游端98联接到齿轮组件45的一个或多个输出附件49。
在一个实施例中，例如图2所示，壳体124的轴向部分126可以至少部分地在纵向方向L上连接第一径向部分125和第二径向部分127。在各种实施例中，第一径向部分125，第二径向部分127和/或轴向部分126可各自限定大致环形结构，该结构通常围绕轴向中心线12同心。
在各种实施例中，第二旋转部件120可以限定从第二轴121延伸到内护罩112的径向延伸的转子部分128。第二旋转部件120的转子部分128可旋转地联接到第二轴121。在各种实施例中，内护罩112和转子部分128可以限定整体结构。在一个实施例中，内护罩翼型件117还可以与转子部分128和内护罩112一起限定整体结构。在另一个实施例中，转子部分128限定了毂，多个内部护罩翼型件117安装在该毂中。
关于图2示出和描述的发动机10可以限定扭矩路径,该扭矩路径从第二旋转部件120到第二轴121，从第二轴121到齿轮组件45的输入附件47以及从齿轮组件45的一个或多个输出附件49到第一旋转部件110的壳体124(例如在图2中的第二径向部分127处所示)，以及从旋转部件110到第一轴36。此外，发动机10可以限定经由第一旋转部件110的第二径向部分127从第一旋转部件110到第一轴36的扭矩路径。在进一步包括第一旋转部件110的轴向部分126的一个实施例中，扭矩路径可以被限定为从第一旋转部件110通过壳体124(例如通过轴向部分126)到第二径向部分127，并且到第一轴36。
在各种实施例中，第一旋转部件110沿第一方向161旋转，第二旋转部件120沿与第一方向161相反的第二方向162旋转。第一旋转部件110和经由第一轴36联接第一旋转部件110的齿轮组件45的输出附件49沿第一方向161旋转，而经由第二轴121联接到齿轮组件45的输入附件47的第二旋转组件120沿第二方向162旋转。这样，在图2所示的实施例中，齿轮组件45被配置为可逆减速齿轮组件。
在各种实施例中，齿轮组件45限定多个齿轮，其中输入附件47以大于输出附件49的速度或者大于从齿轮组件45接收动力的第一轴36的速度旋转。这样，第二旋转部件120以大于第一旋转部件110的速度旋转。另外，第二旋转部件120在与第一旋转部件110相反的方向上以大于第一旋转部件110的速度旋转。
在各种实施例中，齿轮组件45限定复合齿轮箱。在一个实施例中，齿轮组件45限定了可逆旋转复合齿轮箱。在发动机10的更多实施例中，齿轮组件45限定了约-1.5：1至约-3：1的齿轮比范围。例如，在齿轮组件45限定可逆旋转复合齿轮组件的一个实施例中，针对连接到输出附件49并且在与联接到输入附件47的第二轴121相反的方向上旋转的第一旋转部件110(包括壳体124和第一轴36)的每次旋转，连接到输入附件47的第二轴121旋转大约1.5次。在其他实施例中，齿轮组件45限定了约-1.8：1至约-2.8：1的齿轮比范围。
仍参照图2，发动机10还可包括设置在第一旋转部件110和第二旋转部件120的后部或下游98的排气框架150。排气框架150限定沿径向方向R延伸的一个或多个排气轮叶152。排气框架150还包括沿径向方向R向内延伸的静态支撑结构154。支撑结构154通常限定静态环形壳体，其限定一个或多个紧固位置。齿轮组件45在支撑结构154处联接到排气框架150。在各种实施例中，齿轮组件45和支撑结构154一起经由第一旋转部件110的第二径向部分127将扭矩或动力从第二旋转部件120通过齿轮组件45传递到第一轴36。
在各种实施例中，排气框架150还包括从外部视图和环境条件覆盖或掩盖排气框架150内的齿轮组件45的盖子。相比于前部安装的通常移除风扇组件以接近齿轮组件的齿轮组件配置(例如在风扇组件或LPC内)，可以移除盖子以提供向齿轮组件45，第一轴36或具有后部安装齿轮组件45的、在发动机10的无阻碍的后外部附近的其他部件的相对快速的进入。
返回参考图2，在各种实施例中，第一旋转部件110和第二旋转部件120一起限定低压涡轮(LPT)转子。在这样的实施例中，第一轴36限定了低压(LP)轴，其与风扇组件14的风扇转子15连接并可与之一起旋转。风扇组件14由第一旋转部件110和第二旋转部件120共同驱动。通过布置发动机10使得第一旋转部件110直接联接到联接到风扇转子15的第一轴36，并且通过将第二旋转部件120布置成联接到在输出附件49处联接到第一轴36的齿轮组件45，在一个实施例中，第一旋转部件110传递大约25％至大约75％的动力或扭矩用于风扇组件14的旋转。在另一个实施例中，第二旋转部件120传递大约30％至大约60％的动力或扭矩用于风扇组件14的旋转，其中，第二旋转部件120通过齿轮组件45将动力或扭矩传递到第一轴36到风扇组件14。另外，由于相对大的流动路径速度，减小的翼型件数量(即，旋转部件之间移除的固定轮叶)和/或LPT转子的纵向尺寸减小，使第一旋转部件110和第二旋转部件120相互交叉以限定LPT转子获得效率和性能的益处。
现在参照图3，通常提供发动机10的另一实施例的示意性横截面图，其中压缩机部分21还包括低压压缩机(LPC)16。第二轴121可以向前或朝向上游端99延伸，以在上游端99处将LPC 16连接到第二轴121。在下游端98处，第二轴121连接到齿轮组件45的输入附件47。这样，除了提供动力或扭矩以驱动LPC 16之外，第二旋转部件120还可以向齿轮组件45提供动力或扭矩以驱动风扇转子15。在各种实施例中，LPC 16可以以与风扇转子15大致成比例的速率旋转，这取决于齿轮组件45的齿轮比。
现在参照图1和图3，涡轮区段90还包括第三旋转部件130，其设置在第一旋转部件110的一个或多个连接翼型件116的前方或上游99处。第三旋转部件130包括沿径向方向R向外延伸的多个第三翼型件132。在一个实施例中，第三旋转部件130设置在第一和第二旋转部件110,120的前方或上游99处。
现在参照图3和图4中所示的涡轮区段90的示例性实施例，第一旋转部件110的外护罩114进一步沿着纵向方向L向连接翼型件116的前方或上游99延伸。外护罩114还包括沿径向方向R向内延伸并交叉在第三旋转部件130(例如从第三旋转部件130沿径向方向R向外延伸的多个第三旋转翼型132)中的多个外护罩翼型件118。
参照图4所示的实施例，涡轮区段90可将第三旋转部件130限定为一个或多个级，其中第一旋转部件110的外护罩114在第三旋转部件130的前方或上游99延伸，其中多个外护罩翼型件118与第三旋转部件130相互交叉。这样，在图4所示的示例性实施例中，涡轮区段90沿着纵向方向L从上游99到下游98以串联流动布置限定第一、二、三、四级，第一级限定第三旋转部件130，第二级限定第一旋转部件110，第三级限定第三旋转部件130，以及第四级限定第一旋转部件110的连接翼型件116。
在一个实施例中，第三旋转部件130可以限定IPT组件30的IPT转子，其中作为IPT转子的第三旋转部件130与中间压力(IP)轴35驱动地联接并且可与之旋转。IP轴35连接到IPC 22，其由涡轮区段90的第三旋转部件130驱动旋转。
在图4所示的实施例中，发动机10和涡轮区段90还可包括设置在第一旋转部件110，第二旋转部件120和第三旋转部件130的前方或上游99的第四旋转部件。在各种实施例中，第四旋转部件可以限定HPT转子。
仍然参照图4，涡轮区段90还可包括涡轮轮叶组件140，涡轮轮叶组件140设置在一个或多个连接翼型件116的前方或上游99处。涡轮轮叶组件140可以以周向布置限定多个固定翼型件(即轮叶)。在一个实施例中，涡轮轮叶组件140沿纵向方向L设置在多个外护罩翼型件118的前方或上游99处。例如，涡轮轮叶组件140可以朝向燃烧区段26的下游端98限定第一涡轮轮叶或喷嘴68。在其他实施例中，涡轮轮叶组件140设置在第四旋转部件和其他旋转部件(例如第一旋转部件110，第二旋转部件120和第三旋转部件130)之间。在其他实施例中，涡轮轮叶组件140可沿纵向方向L限定在第三旋转部件130之间。例如，代替第一旋转部件110从连接翼型件116向前或上游延伸，涡轮轮叶组件140可设置在两个第三旋转部件130级之间。
参照图1-4，在各种实施例中，第三旋转部件130可以在与第一旋转部件110相反的方向上旋转(即，反向旋转)。例如，第一旋转部件110可以被配置为在第一方向161上旋转，并且第二旋转部件120和第三旋转部件130可以被配置为在与第一方向161相反的第二方向162上旋转。在其他实施例中，第三旋转部件130可以以同向旋转布置配置，其中第一旋转部件110和第三旋转部件130在第一方向161上旋转。在各种实施例中，第四旋转部件可被配置为在第一方向161或第二方向162上旋转，与第一旋转部件110同向旋转或反向旋转。
这里示出和描述的发动机10和涡轮区段90可以通过提供改进的燃料效率，操作效率和/或动力输出，同时保持或减少重量，部件数量和/或包装来改进现有的涡轮区段。在第二和/或第三旋转部件120,130之间相互交叉的第一旋转部件110的多个外护罩翼型件118可以通过去除每个旋转部件之间的固定翼型件的各级来减少包装并减少部件数量。另外，相比于减速齿轮组件，涡轮区段90可以提供效率益处，而不会增加发动机10的重量或尺寸(例如轴向长度)。此外，涡轮区段90可以通过降低对冷却空气的需求来改善发动机10的效率，其中冷却空气通常从压缩机区段21中提取并且通常被认为是从发动机10移除了潜在的推进能量。
现在参照图1-4所示和所述的实施例，涡轮区段90的每个级可以构造成安装在鼓或毂中的独立叶片，或整体式叶片转子(IBR)或叶片盘，或其组合。叶片，毂或叶片盘可由陶瓷基质复合(CMC)材料和/或适用于燃气涡轮发动机热区段的金属形成，例如但不限于镍基合金，钴基合金，铁基合金或钛基合金，它们中的每一种可包括但不限于铬，钴，钨，钽，钼和/或铼。例如，在一个实施例中，多个外护罩翼型件118的至少一部分限定陶瓷或CMC材料。例如，第一旋转部件110的多个外护罩翼型件118的第一级101和/或第三级103可以限定陶瓷或CMC材料。
涡轮区段90或其部分或其部分的组合，包括内护罩112，外护罩114，连接翼型件116，多个外护罩翼型件118和/或多个内护罩翼型件117，可以使用增材制造或3D打印，铸造，锻造，机加工或由3D打印模具形成的铸件或其组合形成。涡轮区段90或其部分，例如各级转子110,120,130，外护罩114，内护罩112和其他部分可以使用紧固件机械地连接，例如螺母，螺栓，螺钉，销，或铆钉，或使用连接方法，例如焊接，粘合，摩擦或扩散粘合等，或紧固件和/或连接方法的组合。
图1-4中所示和本文所述的系统和方法可以减少燃料消耗，增加可操作性，增加发动机性能和/或动力输出，同时保持或减少重量，部件数量和/或包装(例如径向和/或轴向尺寸)。本文提供的系统和方法可允许相对于现有燃气涡轮发动机配置(例如涡轮风扇)增加高旁通比和/或总压力比，同时相对于具有类似动力输出的其他燃气涡轮发动机保持或减少包装。本文描述的系统和方法可以提高旁通比和/或总压力比，从而提高整体燃气涡轮发动机效率。本文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HPT或IPT轮叶)来提高整体燃气涡轮发动机效率。另外，本文提供的系统可以通过将类似动力输出的燃气涡轮发动机的旋转和/或固定翼型件数量(例如叶片和/或轮叶)减少大约40％或更多来减少燃气涡轮发动机的包装和重量，从而提高效率。
具有可逆减速齿轮组件45的反向旋转涡轮发动机10通常限定从第一旋转部件110到齿轮组件45的一个或多个输出附件49到第一轴36到风扇组件14的风扇转子15，以及从第二旋转部件120到第二轴121到齿轮组件45的输入附件47，以及从齿轮组件45的一个或多个输出附件49到第一轴36到风扇转子15的扭矩路径。因此，扭矩路径从涡轮转子限定了从低压涡轮(统称为第一旋转部件110和第二旋转部件120)到风扇组件14的基本并行的扭矩路径。在各种实施例中，低压涡轮转子可以通过齿轮组件45将来自低压涡轮转子的约50％扭矩经由第二旋转部件120分配到风扇组件14，而其余部分通过第一旋转部件110从低压涡轮转子直接通过第一轴36分配到风扇组件14，其中风扇组件14联接到第一轴36。
这里描述和示出的发动机10，其中大约50％的动力或扭矩通过齿轮组件45传递，因此可以将齿轮组件45限定成比已知的整体驱动涡轮风扇配置更小，已知的整体驱动涡轮风扇配置中基本上100％的LPT转子动力和扭矩从LPT转子串联地传递到风扇组件，包括风扇或LPC转子的一个或多个极。更进一步地，由于相比于具有类似推力输出和/或尺寸，旁通比，总压力比或风扇压力比的齿轮传动发动机配置，该齿轮组件45传递较少的动力或扭矩，因此齿轮组件45受到较小的磨损和应力，因此可以降低与齿轮传动涡轮风扇配置相关的故障风险。此外，由于齿轮组件45传递较小的动力或扭矩，齿轮组件45尺寸的减小使得齿轮传动发动机配置的优点能够在不增加发动机直径的情况下实现。
具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮通常可以为发动机提供减速齿轮组件的益处，例如降低的风扇转子转速，增加的旁通压力比，增加的风扇压力比，降低的风扇组件噪音，降低的燃料消耗和/或提高的发动机效率，同时进一步减少或减轻减速齿轮组件的有害影响，例如由于通过齿轮组件传递的扭矩或动力的大小而增加的齿轮组件直径和/或重量。
另外，具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮发动机可以通过提供涡轮和齿轮组件布置来进一步提高发动机效率和性能，该涡轮和齿轮组件布置允许三轴发动机配置在与对比的双轴齿轮配置基本相同的轴向长度内。因此，具有可逆减速齿轮组件的反向旋转涡轮可通过以更理想的操作速度操作低压涡轮转子，通过以更理想的操作速度操作风扇组件，以及以基本上独立于低压涡轮转子的速度操作增压器或中压压缩机(例如低压涡轮转子不成比例)来进一步提高发动机效率和性能。
更进一步地，相对于包含前部安装齿轮组件(例如，在风扇组件附近或内部)的燃气涡轮发动机，图1-4中示出并在此描述的系统可以减少流动面积与燃气涡轮发动机转速的平方的乘积(此处乘积为“AN2”)。通常，降低AN2，例如通过降低旋转速度和/或流动面积，增加了所需的平均级工作因数(即旋转翼型件的每个级上的平均所需载荷)。然而，这里描述的系统和方法可以降低AN2，同时还通过使第一旋转部件110在第二旋转部件120的一个或多个级之间相互交叉来降低平均级工作因数并保持涡轮区段90的轴向长度(相比于具有类似推力输出和包装的发动机)。因此，第一旋转部件110可以增加翼型件的旋转级数量，同时减小平均级工作因数，并因此减小AN2，同时减轻轴向长度的增加以产生类似的AN2值。第一旋转部件110可以进一步减小AN2，同时另外相对于具有类似动力输出和/或包装的燃气涡轮发动机减少涡轮区段90中的涡轮区段的旋转和固定翼型件的总量。
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他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

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纵向方向、径向方向和周向方向，以及沿着所述纵向方向的上游端和下游端，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括：
涡轮区段，所述涡轮区段包括沿着所述纵向方向的第一旋转部件和第二旋转部件，其中所述第一旋转部件包括联接到径向延伸的转子的一个或多个连接翼型件，并且其中所述第二旋转部件包括内护罩，所述内护罩限定沿着所述径向方向向所述内护罩外延伸的多个内护罩翼型件；和
齿轮组件，所述齿轮组件在所述涡轮区段内或下游，其中所述第二旋转部件联接到连接到所述齿轮组件的输入附件的第二轴，并且其中所述第一旋转部件联接到所述齿轮组件的输出附件，并且进一步其中，所述输出附件使所述第一旋转部件以第一速度围绕轴向中心线旋转，并且其中所述第二旋转部件以第二速度围绕所述轴向中心线旋转。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述转子包括联接到所述齿轮组件的所述输出附件的壳体。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述壳体包括轴向部分和径向部分，并且其中所述径向部分联接到所述齿轮组件的所述输出附件。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述壳体包括设置在所述齿轮组件的上游的第一径向部分和设置在所述齿轮组件的下游的第二径向部分，并且其中所述轴向部分联接所述第一径向部分和所述第二部分。
5.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述壳体的所述径向部分进一步联接到沿着所述纵向方向延伸的第一轴。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述第一轴沿着所述纵向方向延伸并穿过所述齿轮组件。
7.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述发动机限定扭矩路径，所述扭矩路径从所述第二旋转部件到所述第二轴到所述齿轮组件，并且经由所述壳体的联接到所述第一旋转部件的所述径向部分从所述齿轮组件到所述第一轴。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述发动机进一步限定经由所述第一旋转部件的所述径向部分从所述第一旋转部件到所述第一轴的所述扭矩路径。
9.根据权利要求5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，所述风扇组件包括风扇转子，其中所述风扇组件和所述涡轮区段串联布置，并且其中所述第一轴在所述上游端与所述风扇转子连接并能够与所述风扇转子一起旋转。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述风扇组件进一步包括低压压缩机，并且其中所述上游端处的所述第二轴与所述低压压缩机连接并能够与所述低压压缩机一起旋转。
11.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述第一旋转部件向所述第一轴提供约25％至约75％之间的扭矩。
12.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述第二旋转部件向所述第一轴提供约30％至约60％之间的扭矩。
13.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括：
排气框架，其中所述排气框架包括静态支撑结构，并且其中所述齿轮组件联接到所述排气框架的所述静态支撑结构。
14.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述齿轮组件限定复合齿轮箱。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述齿轮组件进一步限定可逆旋转复合齿轮箱。
16.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述齿轮组件限定约-1.5：1至约-3：1的齿轮比。
17.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述齿轮组件限定约-1.8：1至约-2.8：1的齿轮比范围。
18.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述第二旋转部件以大于所述第一旋转部件的速度旋转。
19.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述第一旋转部件沿着第一方向旋转，并且所述第二旋转部件沿着与所述第一方向相反的第二方向旋转。
20.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中一起限定所述低压涡轮转子的所述第一旋转部件和所述第二旋转部件一起限定约3和10级之间的旋转翼型件。
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