CN112483276A - 气体涡轮引擎 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括低压轴和高压轴；其中低压轴将风扇连接到风扇驱动涡轮，并且高压轴将高压涡轮连接到压缩机区段。低压轴和高压轴被布置成使得当在怠速下操作时，怠速轴速度比大于6.05。该怠速轴速度比是在怠速条件下高压轴的速度与低压轴的速度的比率。

Description

气体涡轮引擎
技术领域
本公开涉及气体涡轮引擎、在怠速下操作气体涡轮引擎的方法和设计气体涡轮引擎的方法。
背景技术
用于飞行器推进的涡轮风扇气体涡轮引擎的关键驱动因素是总体效率和动力输出或推力。气体涡轮引擎在巡航条件下花费大部分使用寿命，并且消耗最多的燃料。因此，针对巡航条件的设计可能是气体涡轮设计的重要驱动因素。然而，其他操作状态也会影响引擎的设计。
在怠速下，尤其是在较大的气体涡轮引擎中，气体涡轮不在许多部件已经被设计或优化的条件下操作。这会导致部件例如轴承和齿轮的磨损和热管理出现问题。例如，在低负载下，轴承可经历滑移和/或次优的油分配。随着引擎尺寸的增加，气体涡轮部件在怠速下经历更大的磨损和热管理问题。
因此，要解决的一般问题是如何提供对部件在怠速下的热负载和磨损的改进管理。
发明内容
根据第一方面，提供了一种气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括低压轴和高压轴；其中低压轴将风扇连接到风扇驱动涡轮，并且高压轴将高压涡轮连接到压缩机区段。低压轴和高压轴被布置成使得当在怠速下操作时，怠速轴速度比大于6.05。怠速轴速度比是在怠速条件下高压轴的旋转速度与低压轴的旋转速度的比率。
根据第二方面，提供了一种在怠速下操作气体涡轮引擎的方法，其中气体涡轮引擎包括低压轴和高压轴，并且其中低压轴将风扇连接到风扇驱动涡轮，并且高压轴将高压涡轮连接到压缩机区段。该方法包括以第一旋转速度操作第一轴并且以第二旋转速度操作第二轴，使得怠速轴速度比大于6.05。
根据第三方面，提供了一种设计气体涡轮引擎的方法，其中气体涡轮引擎包括低压轴和高压轴，并且其中低压轴将风扇连接到风扇驱动涡轮，并且高压轴将高压涡轮连接到压缩机区段。该方法包括将低压轴的旋转速度设置在怠速，并且将高压轴的旋转速度设置在怠速，使得怠速轴速度比大于6.05。该方法包括将低压轴连接到低压轴推力轴承，并且将高压轴连接到高压轴推力轴承。
怠速轴速度比可大于6.44。怠速轴速度比可小于9.0。怠速轴速度比可小于8.3。
怠速轴速度比可以是6.05、6.44、7、7.35、7.68、8.12、8.3、8.6或9。怠速轴速度比可以在上述值中的两个之间，例如大于6.05且小于8.12，或例如大于6.44且小于8.3。
风扇可以通过动力齿轮箱连接到风扇驱动涡轮。动力齿轮箱可提供齿轮传动架构。
动力齿轮箱可包括大于3.1的齿轮传动比。动力齿轮箱可包括小于3.8的齿轮传动比。动力齿轮箱可包括在3.2和3.7之间的齿轮传动比。
低压轴可以被支撑在推力轴承上。推力轴承可以与低压压缩机轴向对准。推力轴承可以在低压压缩机的轴向前方。推力轴承可以在动力齿轮箱的轴向前方或后方。
低压推力可以具有第一推力轴承和第二推力轴承。第一推力轴承可以在动力齿轮箱的前方。第二推力轴承可以在动力齿轮箱的后方。
高压轴可以支撑在推力轴承上。高压轴推力轴承可以与高压压缩机轴向对准，例如与高压压缩机的前向轴向位置或叶片轴向对准。高压推力轴承可以在高压压缩机的前方。
一个或多个推力轴承可以是滚珠轴承或滚柱推力轴承。
油到一个或多个轴承和/或部件的流动可以与高压轴的速度成比例。
油到所述一个或多个轴承和/或部件的流动可以由一个或多个泵供应。所述一个或多个泵可以机械地联结和/或驱离至高压轴。
气体涡轮引擎还可包括辅助齿轮箱。辅助齿轮箱可以被驱离高压轴。
高压轴可以将高压轴连接到高压压缩机。低压轴可将风扇驱动涡轮连接到风扇和低压压缩机。例如当存在动力齿轮箱时，低压压缩机可以以与风扇驱动涡轮相同的速度旋转。气体涡轮引擎可包括两个轴。气体涡轮引擎可包括少于三个轴。气体涡轮引擎可包括两个或更少的涡轮区段(例如，风扇驱动涡轮和高压涡轮)和两个或更少的压缩机区段(例如，高压压缩机和低压压缩机)。
怠速轴速度比可以是巡航轴速度比的三倍以上。怠速轴速度比可以是巡航轴速度比的四倍以上。巡航轴速度比可以是在巡航条件下高压轴的速度与低压轴的速度的比率。
风扇直径可大于230cm。风扇直径可小于400cm。风扇直径可在240cm至280cm之间。风扇直径可大于330cm。
气体涡轮引擎可具有大于180kN的推力。气体涡轮引擎可具有小于400kN的推力。气体涡轮引擎可具有在200kN至300kN之间的推力。气体涡轮可具有大于330kN的推力。
气体涡轮在巡航时可具有小于110Nkg-1s的比推力。气体涡轮在巡航时可具有小于90Nkg-1s的比推力。气体涡轮在巡航时可具有小于85Nkg-1s的比推力。气体涡轮在巡航时可具有小于100Nkg-1s的比推力。气体涡轮在巡航时可具有在100Nkg-1s和60Nkg-1s之间的比推力。
风扇可包括少于20个风扇叶片。风扇可包括18个风扇叶片。
气体涡轮引擎可具有大于12的旁路比率。气体涡轮引擎可具有小于18的旁路比率。气体涡轮引擎可具有在13至16之间的旁路比率。
有利地，通过增加怠速轴速度比，在怠速下，低压轴可在相对较低的速度下旋转和/或高压轴可在相对较高的速度下旋转(与较低的怠速轴速度比相比)。这可以在怠速下为部件例如轴承和齿轮提供更优化的条件。
例如，在怠速时，与动力操作相比(例如，最大起飞或巡航条件)，推力轴承将具有低负载，这是由于与动力操作相比，引擎在怠速下产生低轴向推力。
与高压轴上的推力轴承相比，低压轴上的一个或多个推力轴承在动力操作时与怠速下的轴承负载之间的差值将更大。这是因为一个或多个低压轴推力轴承在动力下反作用更多的轴向推力，因为它们反作用来自风扇的轴向推力。因此，低压轴上的一个或多个推力轴承在怠速下进一步操作偏离其设计的轴向负载，并且例如受到磨损和热管理(例如，由滑移和/或次优的油分配引起)的影响更大，受到怠速操作的影响更大。随着引擎尺寸的增加，这种效果也增加，因为在动力下的推力和怠速下的推力之间存在更大的差异。
因此，有利地，通过提供所要求保护的推力怠速轴速度比，改善了怠速操作对轴承的磨损和寿命的总体影响。例如，通过使低压轴相对于高压轴更慢地旋转，改善了怠速操作对低压轴上的一个或多个轴承的磨损和寿命(更多地受到怠速操作的影响)的影响。例如，较慢旋转的轴承不太可能在低负载时经历由于滑移和/或次优的油分配效应而引起的磨损。
此外，如果用于将油输送到轴承的泵被直接驱离高压轴，则通过增加怠速轴速度比，更大量的油可输送到轴承以管理怠速下来自轴承的热负载。
然而，如果油输送过高，则轴承内的油搅动会降低冷却效率。此外，由于轴承和散热器之间的温差较低，因此在较高的油流下冷却效率也降低。增加怠速轴速度比会降低低压轴速度，并且因此降低通过旁路的空气流，并且因此降低来自表面油冷却器的冷却。所要求保护的怠速轴速度比在怠速下提供最佳的冷却布置。
通过改进部件和轴承在怠速下的热管理和磨损管理条件，它们可以针对性能和重量进行优化。
速度的差异可以通过齿轮传动引擎(包括动力齿轮箱)和/或更大的风扇和/或轴的构型(例如，压缩机和/或涡轮叶片设计或布置结构)来实现，使得在怠速下实现速度比。所要求保护的怠速轴速度比对于所要求保护的气体涡轮参数可能是特别有利的。
对于给定的引擎，怠速下的轴速度的比率通常远大于其他操作条件(诸如巡航或爬升)下的轴速度的比率。怠速轴速度比可以大于巡航轴速度比。巡航轴速度比可以是巡航时高压轴速度与低速轴速度的比率。
怠速或怠速条件可被定义为在ISA海平面压力和温度条件+15℃下以最大起飞推力的约4％操作引擎。在怠速条件下，引擎可以在ISA海平面压力和温度条件+15℃下以最小稳态推力操作。
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导管)从第一压缩机接收流。
动力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。
该动力齿轮箱可以是减速齿轮箱(因为至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“恒星”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、3.10、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1或4.2。例如，齿轮传动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“恒星”齿轮箱，其具有在3.1或3.2到3.8的范围内的齿轮传动比。在一些布置结构中，该齿轮传动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轮叶，该排定子轮叶可为可变定子轮叶(因为该排定子轮叶的入射角可以是可变的)。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。
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轮叶。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。
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)，例如，在0.28到0.32的范围内。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)以下中的任何一个：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)，例如在240cm至280cm或330cm至380cm的范围内。
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240cm至280cm或250cm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330cm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1800rpm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)以下中的任何一个：0.28、0.29、0.30、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)，例如在0.28至0.31或0.29至0.3的范围内。
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导管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)以下中的任何一个：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)，例如在12至16的范围、或13至15的范围、或13至14的范围内。该旁路导管可以是基本上环形的。该旁路导管可位于核心引擎的径向外侧。旁路导管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)，例如在50至70的范围内。
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。该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)，例如在80Nkg-1s至100Nkg-1s，或85Nkg-1s至95Nkg-1s的范围内。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)以下中的任何一个的最大推力：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)。仅以举例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可能够产生在330kN至420kN，例如350kN至400kN范围内的最大推力。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，例如刚好在自身可被称为喷嘴导向轮叶的第一涡轮轮叶的上游。在巡航时，该TET可至少为(或大约为)以下中的任何一个：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)以下中的任何一个：1700K、1750K、1800K、1850K、1900K、1950K或2000K。最大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)，例如在1800K至1950K的范围内。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、冰或其他材料的)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在径向上延伸。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。此类布置结构可以称为叶片盘状部或叶片环。可以使用任何合适的方法来制造此类叶片盘状部或叶片环。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导管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，巡航条件具有常规含义并且将易于被技术人员理解。因此，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，技术人员将立即识别巡航条件是指该气体涡轮引擎被设计用于附接到飞行器的引擎在给定任务(其在行业中可被称为“经济任务”)的中间巡航的操作点。就这一点而言，中间巡航是飞行器飞行周期中的关键点，在该点处，在上升最高点和开始降落之间燃烧的总燃料的50％已燃烧(其在时间和/或距离方面可近似于上升最高点和开始降落之间的中点)。因此，巡航条件定义气体涡轮引擎的操作点，该操作点在考虑提供给该飞行器的引擎数量的情况下，提供将确保气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器在中间巡航时的稳态操作(即，保持恒定的高度和恒定的马赫数)的推力。例如，如果引擎被设计为附接到具有两个相同类型的引擎的飞行器上，则在巡航条件下，引擎提供该飞行器在中间巡航时稳态运行所需的总推力的一半。
换句话讲，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，巡航条件被定义为在中间巡航大气条件(在中间巡航高度下由根据ISO 2533的国际标准大气定义)下提供指定推力的引擎的操作点(需要在给定中间巡航马赫数下，与飞行器上的任何其他引擎相结合，提供气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的稳态操作)。对于飞行器的任何给定气体涡轮引擎而言，中间巡航推力、大气条件和马赫数是已知的，因此在巡航条件下，引擎的操作点是明确定义的。
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的范围内。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件的一部分。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(根据国际标准大气ISA)：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，巡航条件可对应于提供在前进马赫数0.8下的已知的所需推力水平(例如，在30kN至35kN范围内的值)和在38000ft(11582m)的高度下的标准大气条件(根据国际标准大气)的引擎的操作点。仅以另一个示例的方式，巡航条件可对应于提供在前进马赫数0.85下的已知的所需推力水平(例如，在50kN到65kN范围内的值)和在35000ft(10668m)的高度下的标准大气条件(根据国际标准大气)的引擎的操作点。
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，中间巡航条件)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。
根据一个方面，提供了一种飞行器，该飞行器包括如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎。根据该方面的飞行器为气体涡轮引擎已被设计用于附接到的飞行器。因此，根据该方面的巡航条件对应于飞行器的中间巡航，如本文其他部分所定义的。
根据一个方面，提供了一种操作如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎的方法。该操作可在如本文其他部分所定义的巡航条件(例如，就推力、大气条件和马赫数而言)下进行。
根据一个方面，提供了一种操作包括如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎的飞行器的方法。根据该方面的操作可包括(或可以是)在飞行器的中间巡航处的操作，如本文其他部分所定义的。
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。
具体实施方式
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并限定旁路导管22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路导管22。风扇23经由低压轴26和周转动力齿轮箱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，从而驱动高压涡轮和低压涡轮以提供一些推进推力。高压涡轮17通过高压轴27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。
低压轴26支撑在轴承例如轴承40和42上。高压轴27也支撑在轴承例如轴承44上。
在怠速条件下，高压轴27以比低压轴26更快的速度旋转。下面的表1示出了三种引擎构型的轴速度。
Figure BDA0002625140460000121
表1–引擎1、2和3在怠速和巡航时的轴速度
高压轴27和低压轴26两者支撑在推力轴承和滚柱轴承上。在图1中，低压轴26具有两个推力轴承40和42，齿轮传动布置结构30的任一侧(前方和后方)各一个。在其他示例中，低压轴上可能只有一个推力轴承(例如，推力轴承40或推力轴承42)。在其他示例中，第二推力轴承40可在齿轮布置结构30的后方，例如通过齿轮布置结构30的径向内侧的轴连接至风扇。在其他示例中，第一推力轴承42可以在齿轮布置结构30的前方。高压轴27支撑在推力轴承44上。低压轴26支撑在滚柱轴承46上，并且高压轴支撑在滚柱轴承48上。在图1的示例中，推力轴承是滚柱轴承，然而在其他示例中，推力轴承可以是能够反作用轴向推力的不同类型，例如滚柱推力轴承或滚针推力轴承。
与滚柱轴承46、48相比，推力轴承40、42、44在动力操作和怠速之间的轴承负载差异更大。推力轴承40和42将是最高负载的轴承，因为它们反作用来自风扇23和低压涡轮19的轴向推力。动力操作可以是当气体涡轮产生轴向推力用于向前推进时，例如在最大起飞或巡航时。与高压轴27上的推力轴承40相比，低压轴26上的推力轴承40、42在动力操作和怠速之间的轴承负载差异更大。通过提供所要求保护的怠速轴速度比，每个轴承在怠速下在更优化的条件下操作。
动力输出装置(未示出)可以从高压轴27以常规方式获取动力，例如以便为辅助齿轮箱提供动力。一个或多个泵可以以常规方式由高压轴27驱动。每个轴承需要供油以用于热管理和润滑。泵向轴承供油。该一个或多个泵的输出可与高压轴27的速度成比例。泵可以将油泵送到一个或多个轴承，例如轴承40、42、44、46或48中的一个或多个轴承。该一个或多个泵中的每一个泵可将油供应到一个或多个轴承，例如两个、三个、四个或五个轴承，或例如同一轴承室中的轴承。例如，在一种布置结构中，五个泵各自向一个轴承提供油。在另一种布置结构中，存在三个泵，由此这些泵中的两个泵向两个轴承提供油，并且第三个泵向一个轴承提供油。在另一种布置结构中，一个泵向所有轴承提供油。
齿轮传动风扇气体涡轮引擎10在图2中示出。低压涡轮19(参见图1)驱动低压轴26，该低压轴联接到周转齿轮布置结构30的太阳轮或太阳齿轮28。低压轴26支撑在轴承例如轴承40和42上。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，其中环形齿轮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可以是恒星布置结构，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具有恒星布置结构(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(例如恒星或行星齿轮)、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，这意味着穿过旁路导管22的流具有自己的喷嘴18，该喷嘴与核心引擎喷嘴20分开并径向地在该核心引擎喷嘴的外部。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，穿过旁路导管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，包括轴向方向(与旋转轴线9对准)、径向方向(在图1中从下到上的方向)和周向方向(垂直于图1视图中的页面)。轴向方向、径向方向和周向方向相互垂直。
应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可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 (15)

1.一种气体涡轮引擎，所述气体涡轮引擎包括低压轴和高压轴；其中
所述低压轴将风扇连接到风扇驱动涡轮，并且所述高压轴将高压涡轮连接到压缩机区段；其中
所述低压轴和所述高压轴被布置成使得当在怠速下操作时，怠速轴速度比大于6.05；其中
所述怠速轴速度比是在怠速条件下所述高压轴的速度与所述低压轴的速度的比率。
2.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述怠速轴速度比大于6.44。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气体涡轮引擎，其中所述怠速轴速度比小于9.0，并且可选地小于8.3。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的气体涡轮引擎，其中风扇通过动力齿轮箱连接到所述风扇驱动涡轮，并且可选地：
所述动力齿轮箱包括大于3.1，并且可选地小于3.8，并且进一步可选地在3.2和3.7之间的齿轮传动比。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的气体涡轮引擎，其中所述低压轴支撑在推力轴承上，并且其中所述推力轴承与低压压缩机轴向对准。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的气体涡轮引擎，其中所述低压轴支撑在推力轴承上，并且其中所述推力轴承在所述低压压缩机的轴向前方，并且在所述动力齿轮箱的轴向前方或后方。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的气体涡轮引擎，其中油到一个或多个轴承和/或部件的流动与所述高压轴的所述速度成比例。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的气体涡轮引擎，其中所述怠速轴速度比是巡航轴速度比的三倍以上，并且可选地其中所述怠速轴速度比是所述巡航轴速度比的四倍以上；并且其中
所述巡航轴速度比是在巡航条件下所述高压轴的所述速度与所述低压轴的所述速度的比率。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的气体涡轮引擎，其中：
风扇直径大于230cm，并且可选地小于400cm，并且进一步可选地在240cm和280cm之间；以及/或者
所述气体涡轮引擎具有大于180kN，并且可选地小于400kN，并且进一步可选地在200kN和300kN之间的推力；以及/或者
所述气体涡轮引擎在巡航时具有小于110Nkg-1s，并且可选地小于90Nkg-1s，并且进一步可选地在100Nkg-1s和60Nkg-1s之间的比推力；以及/或者
所述风扇包括少于20个风扇叶片；以及/或者
所述气体涡轮引擎具有大于12，并且可选地小于18，并且进一步可选地在13和16之间的旁路比率。
10.一种在怠速下操作气体涡轮引擎的方法，其中所述气体涡轮引擎包括低压轴和高压轴，并且其中所述低压轴将风扇连接到风扇驱动涡轮，并且所述高压轴将高压涡轮连接到压缩机区段；所述方法包括：
以第一速度操作第一轴并且以第二速度操作第二轴，使得怠速轴速度比大于6.05。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述怠速轴速度比大于6.44，并且可选地小于9.0，并且可选地小于8.3。
12.一种设计气体涡轮引擎的方法，其中所述气体涡轮引擎包括低压轴和高压轴，并且其中所述低压轴将风扇连接到风扇驱动涡轮，并且所述高压轴将高压涡轮连接到压缩机区段；所述方法包括：
将所述低压轴的速度设置在怠速，并且将所述高压轴的速度设置在怠速，使得怠速轴速度比大于6.05；以及
将所述低压轴连接到低压轴推力轴承，并且将所述高压轴连接到高压轴推力轴承。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述怠速轴速度比大于6.44，并且可选地小于9.0，并且可选地小于8.3。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述低压轴推力轴承与低压压缩机轴向对准。
15.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中风扇通过动力齿轮箱连接到所述风扇驱动涡轮，其中所述低压轴推力轴承在所述低压压缩机的轴向前方，并且在所述动力齿轮箱的轴向前方或后方。
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