CN111473235B - 油清除系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于包括油箱和至少一个轴承室的气体涡轮引擎的油清除系统。该油清除系统包括至少一个主回油泵、歧管、辅回油泵、脱气器和过滤器单元。该至少一个主回油泵被构造成将油从至少一个轴承室泵送到歧管，同时将油的压力从起始压力提升至相对于起始压力升高的第一压力。该歧管被加压以使油大体上保持在所述第一压力下。该辅回油泵被构造成在第一压力下从歧管泵送油，以及在将油泵送到脱气器并通过过滤器单元到油箱之前，将油的压力提升至相对于第一压力升高的第二压力。

Description

油清除系统
技术领域
本公开涉及用于气体涡轮引擎的油清除系统、用于清除油的方法和气体涡轮引擎。
背景技术
气体涡轮引擎通常是全流动再循环系统，该系统需要在所有可预见的操作条件下对所有引擎轴承、齿轮和驱动花键进行充分润滑和冷却。
气体涡轮引擎中的润滑剂清除系统、更具体地为油清除系统(诸如回油泵)从引擎内的与在引擎运行期间需要持续润滑的引擎部件(通常为轴承)相邻的贮油槽区域除去润滑剂。
传统上，用于气体涡轮引擎的油过滤系统位于给油泵的排放侧或在将油返回油箱之前的回油泵的排放侧。
然而，对于一些气体涡轮引擎(例如，具有安装有芯的配件和/或安装有风扇箱的油箱的气体涡轮引擎)，在给油泵的排放侧上安装所需的油过滤系统可导致有关可用于安装过滤器的空间的问题。然而，另选地，尝试在给油泵的入口侧(例如，在油箱和泵入口之间)安装油过滤系统还降低了给油泵的入口压力，这是不可取的，因为这可能导致泵气蚀和损坏。
在回油泵的排放侧安装过滤系统可允许将过滤系统安装在油箱附近的风扇箱上。然而，如果这种构型用于具有极低轴承室压力(例如，与周围环境一样低的压力)的引擎，则需要回油泵从极低的入口压力提供高出口压力，这就需要在回油泵上的高的压升。此类高的压升是油泵气蚀的一个重要因素，其可导致回油泵的磨损和损坏。
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于包括油箱和至少一个轴承室的气体涡轮引擎的油清除系统，该系统包括：至少一个主回油泵、歧管、辅回油泵、脱气器和过滤器单元；该至少一个主回油泵被构造成将油从至少一个轴承室泵送到歧管，同时将油的压力提升至第一升高压力；其中歧管被加压以使油大体上保持在所述第一压力下；并且其中该辅回油泵被构造成在第一升高压力下从歧管泵送油，并且在将油泵送到脱气器并通过过滤器单元到油箱之前，将油的压力提升至第二升高压力。
在气体涡轮引擎中，诸如带有安装有芯的配件的引擎中，油过滤系统最好安装在油清除管路中(而不是安装在给油泵的排放侧)。这是因为在此类气体涡轮引擎中，优选将油过滤系统安装在油箱(其安装在气体涡轮引擎的风扇箱上，因为其通常比气体涡轮引擎的大多数其他部件更冷)上。然而，常规地，在给油泵的入口侧上安装油过滤系统降低了给油泵的入口压力。
相比之下，使用辅回油泵和至少一个主回油泵提供根据第一方面的两级油清除系统可提供一种油清除系统，该油清除系统从低入口压力提供高出口压力，同时防止辅回油泵和至少一个主回油泵中的任一者或两者中的气蚀(其中气蚀可由低入口压力和高出口压力引起)。
根据第一方面的两级油清除系统还可使高压降装置(例如，脱气器或过滤器单元)结合到气体涡轮引擎的油清除系统的油清除管路中，而不会对辅回油泵和至少一个主回油泵中的任一者或两者造成显著的气蚀损坏。高压降装置可安装在油清除系统中的不直接与该至少一个主回油泵流体连通的部分中。
该辅回油泵可包括单个泵单元。该辅回油泵的该单个泵单元可包括大容量泵单元。该单个泵单元可具有介于从5×10-5m3s-1到2.5×10-3m3s-1之间(介于从40英制加仑/小时到2000英制加仑/小时之间)的容量。另选地，该辅回油泵可包括多个泵单元。该多个泵单元中的每个泵单元可包括小容量泵单元。多个泵单元中的每个泵单元可具有的容量介于等量的大容量泵单元的容量的20％到80％之间，例如介于1×10-5m3s-1到2×10-3m3s-1之间(介于8英制加仑/小时到1600英制加仑/小时之间)。
辅回油泵的多个泵单元中的每个单元可被单独驱动。另选地，多个泵单元中的每个单元可与多个泵单元中的一个或多个其他泵单元任何组合被驱动。
第一升高压力可介于从103kN/m2到483kN/m2之间(介于从10psi到70psi之间)，并且第二升高压力可介于从379kN/m2到586kN/m2之间(介于从55psi到85psi之间)，第二升高压力大于第一升高压力。
辅回油泵和至少一个主回油泵中的每一者可有助于至少一个轴承室内的压力和第二升高压力之间的压差的20％至80％之间的油压增加。
脱气器可以是高压降脱气器。可通过脱气器实现介于从34kN/m2到207kN/m2之间(介于从5psi到30psi之间)的压降。过滤器单元可以是高压降过滤器单元。可通过过滤器单元实现介于从34kN/m2到207kN/m2之间(介于从5psi到30psi之间)的压降。
根据第二方面，提供了一种气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括根据第一方面的油清除系统。
气体涡轮引擎可以是飞行器气体涡轮引擎。
根据第三方面，提供了一种包括根据第二方面的气体涡轮引擎的飞行器。
根据第四方面，提供了一种清除气体涡轮引擎中的油的方法，该方法包括以下步骤：使用至少一个主回油泵将油从至少一个轴承室泵送到歧管，该至少一个主回油泵将油的压力提升至第一升高压力；使用辅回油泵将油从歧管泵送到脱气器，该辅回油泵将油的压力提升至第二升高压力；以及经由过滤器单元将经加压的油排放到油箱。
利用根据第四方面的两级油清除方法使用辅回油泵和至少一个主回油泵来清除油可使得油清除系统从低入口压力提供高出口压力，同时防止辅回油泵和至少一个主回油泵中的任一者或两者中的气蚀(其中气蚀可由低入口压力和高出口压力引起)。
根据第四方面的两级油清除方法还可使高压降装置(例如，脱气器或过滤器单元)结合到气体涡轮引擎的油清除系统的油清除管路中，而不对辅回油泵和至少一个主回油泵中的任一者或两者造成显著的气蚀损坏。该高压降装置可安装在油清除系统中的不直接与至少一个主回油泵流体连通的部分中。
该辅回油泵可包括单个泵单元。该辅回油泵的单个泵单元可包括大容量泵单元。该单个泵单元可具有介于从5×10-5m3s-1到2.5×10-3m3s-1之间(介于从40英制加仑/小时到2000英制加仑/小时之间)的容量。另选地，该辅回油泵可包括多个泵单元。该多个泵单元中的每个泵单元可包括小容量泵单元。该多个泵单元中的每个泵单元可具有的容量介于等量的大容量泵单元的容量的20％到80％之间，例如介于1×10-5m3s-1到2×10-3m3s-1之间(介于8英制加仑/小时到1600英制加仑/小时之间)。
该辅回油泵的多个泵单元中的每个单元可被单独驱动。另选地，该多个泵单元中的每个单元可与多个泵单元中的一个或多个其他泵单元任何组合被驱动。
第一升高压力可介于103kN/m2到483kN/m2之间(介于10psi到70psi之间)。第二升高压力可介于379kN/m2到586kN/m2之间(介于55psi到85psi之间)。
该脱气器可以是高压降脱气器。可通过该脱气器实现介于从34kN/m2到207kN/m2之间(介于从5psi到30psi之间)的压降。该过滤器单元可以是高压降过滤器单元。可通过过滤器单元实现介于从34kN/m2到207kN/m2之间(介于从5psi到30psi之间)的压降。
如本文其他地方所述，本公开可涉及气体涡轮引擎。此类气体涡轮引擎可包括引擎核心，该引擎核心包括涡轮、燃烧器、压缩机和将该涡轮连接到该压缩机的芯轴。此类气体涡轮引擎可包括位于引擎核心的上游的(具有风扇叶片的)风扇。
本公开的布置结构可以特别但并非排他地有益于经由齿轮箱驱动的风扇。因此，该气体涡轮引擎可包括齿轮箱，该齿轮箱接收来自芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度来驱动风扇。至齿轮箱的输入可直接来自芯轴或者间接地来自芯轴，例如经由正齿轮轴和/或齿轮。芯轴可将涡轮和压缩机刚性地连接，使得涡轮和压缩机以相同的速度旋转(其中，风扇以更低的速度旋转)。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何合适的通用架构。例如，气体涡轮引擎可具有将涡轮和压缩机连接的任何所需数量的轴，例如一个轴、两个轴或三个轴。仅以举例的方式，连接到芯轴的涡轮可以是第一涡轮，连接到芯轴的压缩机可以是第一压缩机，并且芯轴可以是第一芯轴。该引擎核心还可包括第二涡轮、第二压缩机和将第二涡轮连接到第二压缩机的第二芯轴。该第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴可被布置成以比第一芯轴高的旋转速度旋转。
在此类布置结构中，第二压缩机可轴向定位在第一压缩机的下游。该第二压缩机可被布置成(例如直接接收，例如经由大致环形的管道)从第一压缩机接收流。
齿轮箱可被布置成由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如上述示例中的第一芯轴)来驱动。例如，该齿轮箱可被布置成仅由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如，在上面的示例中，仅第一芯轴，而不是第二芯轴)来驱动。另选地，该齿轮箱可被布置成由任何一个或多个轴驱动，该任何一个或多个轴例如为上述示例中的第一轴和/或第二轴。
该齿轮箱可以是减速齿轮箱(因为风扇的输出比来自芯轴的输入的旋转速率低)。可以使用任何类型的齿轮箱。例如，齿轮箱可以是“行星式”或“星形”齿轮箱，如本文别处更详细地描述。该齿轮箱可以具有任何期望的减速比(定义为输入轴的旋转速度除以输出轴的旋转速度)，例如大于2.5，例如在3到4.2、或3.2到3.8的范围内，例如，大约或至少3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1或4.2。例如，齿轮齿数比可以介于前一句中的任何两个值之间。仅以举例的方式，齿轮箱可以是“星形”齿轮箱，其具有在3.1或3.2到3.8的范围内的齿轮齿数比。在一些布置结构中，该齿轮齿数比可在这些范围之外。
在如本文所述和/或所要求保护的任何气体涡轮引擎中，燃烧器可被轴向设置在风扇和一个或多个压缩机的下游。例如，在提供第二压缩机的情况下，燃烧器可直接位于第二压缩机的下游(例如在其出口处)。以另一个示例的方式，在提供第二涡轮的情况下，可将燃烧器出口处的流提供至第二涡轮的入口。该燃烧器可设置在一个或多个涡轮的上游。
该压缩机或每个压缩机(例如，如上所述的第一压缩机和第二压缩机)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子叶片，该排定子叶片可为可变定子叶片(因为该排定子叶片的入射角可以是可变的)。该排转子叶片和该排定子叶片可彼此轴向偏移。
该涡轮或每个涡轮(例如，如上所述的第一涡轮和第二涡轮)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子叶片。该排转子叶片和该排定子叶片可彼此轴向偏移。
每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。这些比率通常可称为毂部-尖端比率。毂部处的半径和尖端处的半径都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。
可在引擎中心线和风扇叶片的前缘处的尖端之间测量该风扇的半径。风扇直径(可能只是风扇半径的两倍)可大于(或大约为)以下中的任何一者：220cm、230cm、240cm、250cm(约100英寸)、260cm、270cm(约105英寸)、280cm(约110英寸)、290cm(约115英寸)、300cm(约120英寸)、310cm、320cm(约125英寸)、330cm(约130英寸)、340cm(约135英寸)、350cm、360cm(约140英寸)、370cm(约145英寸)、380cm(约150英寸)、390cm(约155英寸)、400cm、410cm(约160英寸)或420cm(约165英寸)。风扇直径可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
风扇的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如小于2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在220cm至300cm(例如230cm至270cm)范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在320cm至380cm范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1600rpm的范围内。
在使用气体涡轮引擎时，(具有相关联的风扇叶片的)风扇围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度U尖端移动。风扇叶片13对流所做的功导致流的焓升dH。风扇尖端负载可被定义为dH/U尖端 2，其中dH是跨风扇的焓升(例如1-D平均焓升)，并且U尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。在巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一者：0.28、0.29、0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4(本段中的所有单位为Jkg-1K-1/(ms-1)2)。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
根据本公开的气体涡轮引擎可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路管道的流的质量流率与穿过核心的流的质量流率的比率。在一些布置结构中，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一者：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5或20。该旁路比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。该旁路管道可以是基本上环形的。该旁路管道可位于引擎核心的径向外侧。旁路管道的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎的总压力比可被定义为风扇上游的滞止压力与最高压力压缩机出口处的滞止压力(进入燃烧器之前)之比。以非限制性示例的方式，如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
引擎的比推力可被定义为引擎的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，本文中描述和/或要求保护的引擎的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110Nkg-1s、105Nkg-1s、100Nkg-1s、95Nkg-1s、90Nkg-1s、85Nkg-1s或80Nkg-1s。比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何期望的最大推力。仅以非限制性示例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可产生至少为(或大约为)以下中的任何一者的最大推力：160kN、170kN、180kN、190kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN或550kN。最大推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15℃(环境压力101.3kPa，温度30℃)、引擎静止时的最大净推力。
在使用中，高压涡轮的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为TET，可在燃烧器的出口处测量，例如紧接在可被称为喷嘴导向叶片的第一涡轮叶片的上游。在巡航时，该TET可至少为(或大约为)以下中的任何一者：1400K、1450K、1500K、1550K、1600K或1650K。巡航时的TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。引擎在使用时的最大TET可以是，例如，至少为(或大约为)以下中的任何一者：1700K、1750K、1800K、1850K、1900K、1950K或2000K。最大TET可在由前一句中的任意两个值界定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。可以例如在高推力条件下发生最大TET，例如在最大起飞(MTO)条件下发生最大TET。
本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或基于铝的材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他物料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体(诸如铝锂合金)。
如本文所述和/或所要求保护的风扇可包括中央部分，风扇叶片可从该中央部分例如沿径向方向延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部(或盘状部)中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部/盘状部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央部分一体地形成。此类布置结构可被称为整体叶盘或整体叶环。可使用任何合适的方法来制造此类整体叶盘或整体叶环。例如，风扇叶片的至少一部分可由块状物来加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可能或可能不设有可变面积喷嘴(VAN)。此类可变面积喷嘴可允许旁路管道的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有VAN的引擎。
如本文所述和/或要求保护的气体涡轮的风扇可具有任何期望数量的风扇叶片，例如14、16、18、20、22、24或26个风扇叶片。
如本文所用，巡航条件可指气体涡轮引擎所附接的飞行器的巡航条件。此类巡航条件通常可被定义为巡航中期的条件，例如飞行器和/或引擎在爬升顶点和下降起点之间的中点(就时间和/或距离而言)处所经历的条件。
仅以举例的方式，巡航条件下的前进速度可为从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如0.75至0.85、例如0.76至0.84、例如0.77至0.83、例如0.78至0.82、例如0.79至0.81、例如大约0.8马赫、大约0.85马赫或0.8至0.85。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于在以下范围内的高度处的标准大气条件：10000m至15000m，例如在10000m至12000m的范围内，例如在10400m至11600m(约38000英尺)的范围内，例如在10500m至11500m的范围内，例如在10600m至11400m的范围内，例如在10700m(约35000英尺)至11300m的范围内，例如在10800m至11200m的范围内，例如在10900m至11100m的范围内，例如大约11000m。巡航条件可对应于在这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于：前进马赫数为0.8；压力23000Pa；以及温度为-55℃。
如本文中任何地方所用，“巡航”或“巡航条件”可指空气动力学设计点。此类空气动力学设计点(或ADP)可对应于风扇被设计用于操作的条件(包括例如马赫数、环境条件和推力要求中的一者或多者)。例如，这可能指风扇(或气体涡轮引擎)被设计成具有最佳效率的条件。
在使用中，本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可在本文别处定义的巡航条件下操作。此类巡航条件可通过飞行器的巡航条件(例如，巡航中期条件)来确定，至少一个(例如2个或4个)气体涡轮引擎可以安装在该飞行器上以提供推进推力。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征或参数可应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：
图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；
图2是气体涡轮引擎的上游部分的特写截面侧视图；
图3是用于气体涡轮引擎的齿轮箱的局部剖视图；
图4示出了用于气体涡轮引擎的油系统的常规布置结构；
图5示出了根据本公开的一个实施方案的用于气体涡轮引擎的油系统的布置结构；
图6示出了通过气体涡轮引擎的常规油系统的压力变化的示意图；并且
图7示出了通过根据本公开的气体涡轮引擎的油系统的压力变化的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图讨论本公开的方面和实施方案。其它方面和实施方案对于本领域的技术人员而言是显而易见的。
图1示出了具有主旋转轴线9的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇23，该推进式风扇产生两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、低压涡轮19和核心排气喷嘴20。短舱21围绕气体涡轮引擎10并限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路管道22。风扇23经由轴26和周转齿轮箱30附接到低压涡轮19并由该低压涡轮驱动。
在使用中，核心气流A由低压压缩机14加速和压缩，并被引导至高压压缩机15中以进行进一步的压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过核心排气喷嘴20排出之前通过高压涡轮17和低压涡轮19膨胀，从而驱动该高压涡轮17和该低压涡轮19以提供一些推进推力。高压涡轮17通过合适的互连轴27来驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。周转齿轮箱30是减速齿轮箱。
图2中示出了齿轮传动风扇气体涡轮引擎10的示例性布置结构。低压涡轮19(参见图1)驱动轴26，该轴26联接到周转齿轮布置结构30的太阳轮或太阳齿轮28。在太阳齿轮28的径向向外处并与该太阳齿轮相互啮合的是多个行星齿轮32，该多个行星齿轮通过行星架34联接在一起。行星架34约束行星齿轮32以同步地围绕太阳齿轮28进动，同时使每个行星齿轮32绕其自身轴线旋转。行星架34经由连杆36联接到风扇23，以便驱动该风扇围绕引擎轴线9旋转。在行星齿轮32的径向向外处并与该行星齿轮相互啮合的是齿圈或环形齿轮38，其经由连杆40联接到固定支撑结构24。
需注意，本文中使用的术语“低压涡轮”和“低压压缩机”可分别表示最低压力涡轮级和最低压力压缩机级(即，不包括风扇23)，和/或通过在引擎中具有最低旋转速度的互连轴26(即，不包括驱动风扇23的齿轮箱输出轴)连接在一起的涡轮级和压缩机级。在一些文献中，本文中提到的“低压涡轮”和“低压压缩机”可被另选地称为“中压涡轮”和“中压压缩机”。在使用此类另选命名的情况下，风扇23可被称为第一或最低压力的压缩级。
在图3中以举例的方式更详细地示出了周转齿轮箱30。太阳齿轮28、行星齿轮32和环形齿轮38中的每一者包括围绕其周边以用于与其他齿轮相互啮合的齿。然而，为清楚起见，图3中仅示出了齿的示例性部分。示出了四个行星齿轮32，但是对本领域的技术人员显而易见的是，可以在要求保护的发明的范围内提供更多或更少的行星齿轮32。行星式周转齿轮箱30的实际应用通常包括至少三个行星齿轮32。
在图2和图3中以举例的方式示出的周转齿轮箱30是行星式的，其中行星架34经由连杆36联接到输出轴，其中齿圈38被固定。然而，可使用任何其他合适类型的周转齿轮箱30。以另一个示例的方式，周转齿轮箱30可以是星形布置结构，其中行星架34保持固定，允许环形齿轮(或齿圈)38旋转。在此类布置结构中，风扇23由环形齿轮38驱动。以另一个另选示例的方式，齿轮箱30可以是差速齿轮箱，其中环形齿轮38和行星架34均被允许旋转。
应当理解，图2和图3中所示的布置结构仅是示例性的，并且各种另选方案都在本公开的范围内。仅以举例的方式，可使用任何合适的布置结构来将齿轮箱30定位在引擎10中和/或用于将齿轮箱30连接到引擎10。以另一个示例的方式，齿轮箱30与引擎10的其他部件(诸如输入轴26、输出轴和固定结构24)之间的连接件(诸如图2示例中的连杆36、40)可具有任何期望程度的刚度或柔性。以另一个示例的方式，可使用引擎的旋转部件和固定部件之间(例如，在来自齿轮箱的输入轴和输出轴与固定结构诸如齿轮箱壳体之间)的轴承的任何合适的布置结构，并且本公开不限于图2的示例性布置结构。例如，在齿轮箱30具有星形布置结构(如上所述)的情况下，技术人员将容易理解，输出连杆和支撑连杆以及轴承位置的布置结构通常不同于图2中以举例的方式示出的布置结构。
因此，本公开延伸到具有齿轮箱类型(例如星形或行星齿轮)、支撑结构、输入和输出轴布置结构以及轴承位置中的任何布置结构的气体涡轮引擎。
可选地，齿轮箱可驱动附加的和/或另选的部件(例如，中压压缩机和/或增压压缩机)。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选构型。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外的示例的方式，图1中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴18、20，这意味着穿过旁路管道22的流具有自己的喷嘴18，该喷嘴与核心排气喷嘴20分开并沿径向位于该核心排气喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，穿过旁路管道22的流和穿过核心11的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前(或上游)混合或组合。一个或两个喷嘴(无论是混合的还是分流的)可具有固定的或可变的面积。虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子(其中风扇级未被短舱围绕)或例如涡轮螺旋桨引擎。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。
气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴系限定，包括轴向(与旋转轴线9对准)、径向(在图1中从下到上的方向)和周向(垂直于图1视图中的页面)。轴向、径向和周向相互垂直。
图4示出了用于气体涡轮引擎(例如，相对于图1到图3所述的气体涡轮引擎)的油清除系统100的常规布置结构，该油清除系统100包括轴承室105、110、115、120，以及安装在油清除系统100的主油清除管路165中(即，在给油泵195的入口侧)的脱气器170和过滤器单元175。轴承室105、110、115、120中的每个轴承室为低压轴承室。通过相应的回油泵125、130、135、140从每个低压轴承室105、110、115、120中清除油。每个回油泵125、130、135、140将从相应轴承室105、110、115、120清除的油的压力从低压升高至高压。通过每个回油泵125、130、135、140清除的油输出至连接到相应的回油泵125、130、135、140的油清除管路145、150、155、160。回油泵125、130、135、140下游的油清除管路145、150、155、160各自送入到主油清除管路165中。因此，来自油清除管路145、150、155、160中的每个油清除管路的油被引导至主油清除管路165。主油清除管路165中的油被引导至脱气器170并通过该脱气器。来自脱气器170的油输出继而被引导至过滤器单元175并通过该过滤器单元。来自过滤器单元175的油输出排放到油箱190中。
在图4所示的常规布置结构中，油清除系统100的回油泵125、130、135、140需要产生高出口压力以引起在脱气器170和过滤器单元175上的高压降。然而，轴承室105、110、115、120是低压轴承室，因此回油泵125、130、135、140的入口压力低。使用提供给回油泵125、130、135、140的低输入压力从回油泵125、130、135、140提供高出口压力可造成回油泵125、130、135、140中的显著气蚀损坏，从而导致回油泵寿命短。
图5示出了根据本公开的一个实施方案的用于气体涡轮引擎的油清除系统200。油清除系统200包括轴承室205、210、215、220。轴承室205、210、215、220中的每个轴承室为低压轴承室。通过相应的主回油泵225、230、235、240从低压轴承室205、210、215、220中的每个低压轴承室清除油。主回油泵225、230、235、240中的每个主回油泵将从相应轴承室205、210、215、220清除的油的压力从低压提升至第一升高压力(中压)。第一升高压力或中压为介于轴承室205、210、215、220中的油的低压与引起在位于主回油泵225、230、235、240下游的部件上的压降所需的油的压力之间的中间压力。
通过每个主回油泵225、230、235、240清除的油被输出至连接到相应的主回油泵225、230、235、240的油清除管路245、250、255、260。主回油泵225、230、235、240下游的油清除管路245、250、255、260各自送入到主油清除管路265中。因此，来自每个油清除管路245、250、255、260的油被引导至主油清除管路265。
主油清除管路265中的油继而被引导至歧管280。对歧管280加压以使歧管280中的油大体上保持在第一升高压力或中压。
来自歧管280的油被引导至辅回油泵285。辅回油泵285将来自歧管280的油压从第一升高压力或中压提升至第二升高压力(高压)。第二升高压力或高压为高到足以引起位于辅回油泵285下游的部件上的压降的压力。来自辅回油泵285中的油输出被引导至脱气器270并通过该脱气器。来自脱气器270的油输出被引导至过滤器单元275并通过该过滤器单元。来自过滤器单元275的油输出排放到油箱(290)。
这样，主回油泵225、230、235、240无需将来自轴承室205、210、215、220的油的压力提升至足够高的压力，以充分引起位于主回油泵225、230、235、240下游的油系统200的部件(即，脱气器270、过滤器单元275)上的压降。通过利用加压歧管280来使由主回油泵225、230、235、240从轴承室205、210、215、220收集的油保持在主回油泵225、230、235、240所提供的第一升高压力下，减小了主回油泵225、230、235、240的入口压力和出口压力之间所需的压差。引起脱气器270和过滤器单元275上的压降所需的剩余的油压增加由辅回油泵285来提供。
因此，对主回油泵225、230、235、240和辅回油泵285二者造成气蚀损坏的风险大大降低，同时仍提供可从低入口压力提供高出口压力的有效且稳健的油清除系统200。油清除系统200还能够对主油清除管路265中的油进行有效脱气和过滤，同时降低对主回油泵225、230、235、240和辅回油泵285两者造成气蚀损伤的风险。
在上述实施方案中，辅回油泵285包括单个单元。辅回油泵285可具有介于从5×10-5m3s-1到2.5×10-3m3s-1之间(介于从40英制加仑/小时到2000英制加仑/小时之间)的容量。在另选的实施方案中，辅回油泵285可包括多个单元。在一些实施方案中，辅回油泵285的多个单元中的每个单元可被单独驱动。在其它实施方案中，辅回油泵285的多个单元中的每个单元可与辅回油泵285的多个单元中的一个或多个其他单元的任何组合驱动。
在上述实施方案中，气体涡轮引擎包括多个轴承室205、210、215、220。油清除系统200包括等量的多个主回油泵225、230、235、240。在另选的实施方案中，气体涡轮引擎可包括单个轴承室，并且可仅包括单个主回油泵。在其它实施方案中，轴承室的数量可不等于主回油泵的数量。例如，油清除系统可包括数量上大于或小于气体涡轮引擎中的轴承室的数量的主回油泵。每个主回油泵可具有相同的泵容量或可具有不同的容量，这取决于每个主回油泵从其中清除油的特定轴承室。每个主回油泵必须具有足够大的容量以满足油通过每个主回油泵从中清除油的轴承室的流量。主回油泵的容量之和(或者如果仅存在一个主回油泵，则为该主回油泵的容量)约等于辅回油泵285的多个泵单元的容量之和(或者如果辅回油泵285仅包括单个单元，则为辅回油泵285的单个单元的容量)。
在上述实施方案中，主回油泵225、230、235、240中的每个主回油泵为齿轮泵、叶片泵和转子泵中的一者。在另选的实施方案中，主回油泵225、230、235、240中的一个或多个主回油泵可为活塞泵和离心泵中的一者。
在上述实施方案中，辅回油泵285为齿轮泵、叶片泵和转子泵中的一者。在另选的实施方案中，辅回油泵可为活塞泵和离心泵中的一者。
图6示出了通过图4所示的常规布置的油清除系统的各种部件的压力变化的示例性示意图。
低压轴承室105可具有介于约6.895kN/m2和13.790kN/m2之间(介于1psia和2psia之间，其中psia为以psi为单位的绝对压力)的低绝对压力。回油泵125可使从轴承室105清除的油的压力增加至介于约379kN/m2和586kN/m2之间(介于55psia和85psia之间)，赋予回油泵125上介于约372kN/m2和579kN/m2之间的压升(介于54psid和84psid之间，其中psid为以psi为单位的压差，例如，轴承室的低压与油在通过回油泵之后的升高压力之间的压力差)。用于提高从轴承室105清除的油的压力的从低入口压力的高的压升，诸如由回油泵125执行的压升，可导致对回油泵125的损坏，例如气蚀损坏。
经回油泵125加压的油继而通过脱气器170，并且随后通过过滤器单元175。经加压的油可经历在除气器170和过滤器单元175上的介于约207kN/m2和276kN/m2之间(介于30psid和40psid之间)的总压力降低。然后将经脱气和过滤后的油引导至油箱190，其中油可具有介于约172kN/m2和310kN/m2之间(介于10psig和30psig之间，其中psig为以psi为单位的相对于大气压的压力)的压力。
图7示出了通过根据如图5所示的本公开的一个实施方案的油清除系统的布置结构的各种部件的压力变化的示例性示意图。应当指出的是，所指示的压力值仅为示例性的，并且用于示出本公开的两级油清除系统背后的概念。
低压轴承室205可具有介于约6.895kN/m2和13.790kN/m2之间(介于1psia和2psia之间)的低绝对压力。回油泵225将从轴承室205清除的油的压力增加到第一升高压力，并且将清除的油引导至经加压的歧管280。辅助回油泵285随后将歧管280中的油的压力增加到第二升高压力。第二升高压力可介于379kN/m2和586kN/m2之间(介于55psia和85psia之间)，赋予主回油泵225和辅回油泵285两者上介于约372kN/m2和579kN/m2之间(介于54psid和84psid之间)的总压升。
主回油泵225和辅回油泵285中的每一者可对总压升的比例做出贡献。例如，主回油泵225和辅回油泵285中的每一者可对在两个回油泵级所需的总压升的约20％至约80％之间的比例做出贡献。如果在两个回油泵级上所需的总压升介于379kN/m2和586kN/m2之间(介于54psi和84psi之间)，则主回油泵225和辅回油泵285中的每一者可提供介于从69kN/m2到483kN/m2之间(介于从10psi到70psi之间)的压升。主回油泵225可提供为递送至主回油泵225的输入压力的10倍到70倍之间的输出压力。
主回油泵225和辅回油泵285中的每一者对总压升的贡献可根据油清除系统200的操作条件进行修改。例如，在操作期间可实时地修改主回油泵225和辅回油泵285中的每一者的压升和泵容量，以适应操作条件的变化。主回油泵225和辅回油泵285中的每一者可包括可控变速传动装置，以能够在操作期间修改泵上的泵容量和压升。这是为了确保第一升高压力允许主回油泵225使用轴承室205中的油的低入口压力安全操作(例如，不存在气蚀损坏的风险)，同时确保辅回油泵285的容量不足以使歧管280中的压力(即，第一升高压力)降至低于可接受水平的压力。如果歧管280中的压力降低得太多，则辅回油泵285也可能由于辅回油泵285上的过大压升而引起的气蚀而具有损坏的风险。主回油泵225和辅回油泵285之间的操作关系可为固定的，在这种情况下，主回油泵225和辅回油泵285中每一者的速度(从而泵容量和压升)的变化可彼此相同或互成比例。另选地，主回油泵225的速度和辅回油泵285的速度可彼此独立地改变，从而允许主回油泵225和辅回油泵285之间的不同的容量分离。
经主回油泵225和辅回油泵285加压的油继而通过脱气器270，并且随后通过过滤器单元275。经加压的油可经历在除气器270和过滤器单元275上的介于约207kN/m2和276kN/m2之间(介于30psid和40psid之间)的总压力降低。然后将经脱气和过滤后的油引导至油箱290，其中油可具有介于约172kN/m2和310kN/m2之间(介于10psig和30psig之间)的压力。
应当理解，本公开不限于上述实施方案，并且在不脱离本文所述的概念的情况下可以进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (14)

1.一种用于包括油箱和至少一个轴承室的气体涡轮引擎的油清除系统，所述系统包括：
至少一个主回油泵、歧管、辅回油泵、脱气器和过滤器单元；
所述至少一个主回油泵被构造成将油从所述至少一个轴承室泵送到所述歧管，同时将所述油的压力从起始压力提升至相对于所述起始压力升高的第一压力；
其中所述歧管被加压以将所述油大体上保持在所述第一压力下；并且
其中所述辅回油泵被构造成在所述第一压力下从所述歧管泵送油，以及在将所述油泵送到所述脱气器并通过所述过滤器单元到所述油箱之前，将所述油的压力从所述第一压力提升至相对于所述第一压力升高的第二压力。
2.根据权利要求1所述的油清除系统，其中所述辅回油泵为或包括单个泵单元。
3.根据权利要求1所述的油清除系统，其中所述辅回油泵为或包括多个泵单元。
4.根据权利要求3所述的油清除系统，其中所述多个泵单元中的每个泵单元被单独驱动。
5.根据权利要求3所述的油清除系统，其中所述多个泵单元中的每个泵单元与所述多个泵单元中的一个或多个其他泵单元联合被驱动。
6.根据权利要求1所述的油清除系统，其中所述第一压力介于从10psi到70psi之间，并且所述第二压力的范围介于从55psi到85psi之间，所述第二压力大于所述第一压力。
7.一种气体涡轮引擎，所述气体涡轮引擎包括：
根据权利要求1所述的油清除系统；
油箱；和
至少一个轴承室。
8.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求7所述的气体涡轮引擎。
9.一种清除气体涡轮引擎中的油的方法，所述方法包括以下步骤：
使用至少一个主回油泵将油从至少一个轴承室泵送到歧管，所述主回油泵被构造成将所述油的压力从起始压力提升至相对于所述起始压力升高的第一压力；
使用辅回油泵将所述油从所述歧管泵送到脱气器，所述辅回油泵将所述油的压力从所述第一压力提升至相对于所述第一压力升高的第二压力；以及
经由过滤器单元将经加压的油排放到油箱。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述辅回油泵包括单个泵单元。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述辅回油泵包括多个泵单元。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个泵单元中的每个泵单元被单独驱动。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个泵单元中的每一者与所述多个泵单元中的一个或多个其他泵单元联合被驱动。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一压力介于从10psi到70psi之间，并且所述第二压力介于从55psi到85psi之间，所述第二压力大于所述第一压力。
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