CN113279879A - 具有核心排气和旁通流混合的涡轮风扇发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮发动机，发动机包括：核心涡轮发动机，其形成核心流路；可旋转的第一级叶片组件，其中，旁通空气流通道形成于第一级叶片组件的下游；以及护罩，其定位于旁通空气流通道处在核心涡轮发动机的径向外部，其中，第一流路形成于护罩的外部，空气的第一部分在护罩的外部处流动，并且其中，护罩和核心涡轮发动机在其间形成第二流路，核心流路与第二流路处于流体连通，以使空气的第二部分与燃烧气体的混合物在第二流路中流动。

Description

具有核心排气和旁通流混合的涡轮风扇发动机
技术领域
本主题大体上涉及用于涡轮风扇发动机的流混合结构。
背景技术
涡轮风扇发动机构造可以包括构造成使排出气体流与风扇旁通空气流混合的混合器组件。低旁通涡轮风扇发动机可以包括用以减少噪声或改善燃料消耗的混合器组件。然而，随着风扇旁通空气流增加，混合组件的有效性和/或推进效率降低，和/或如果维持或甚至提高推进效率，则发动机处的重量增加可能不可接受地增加燃料焚烧或燃料消耗。照此，已知的混合器组件可能在如下的方面不足：提供声响衰减和/或改善推进效率，同时针对更大的发动机(诸如，高旁通涡轮风扇发动机)而维持或减少燃料焚烧或燃料消耗。
照此，需要为涡轮风扇发动机提供声响衰减、燃料消耗以及燃料焚烧改善和/或重量减轻益处的结构。此外，在高旁通涡轮风扇发动机中，需要这样的结构。
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，或可以从描述中显而易见，或可以通过实践本发明而了解。
本公开的方面涉及一种燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机包括：核心涡轮发动机，其形成核心流路；可旋转的第一级叶片组件，其中，旁通空气流通道形成于第一级叶片组件的下游；以及护罩，其定位于旁通空气流通道处在核心涡轮发动机的径向外部。第一流路形成于护罩的外部，空气的第一部分在护罩的外部处流动，并且护罩和核心涡轮发动机在其间形成第二流路。核心流路与第二流路处于流体连通，以使空气的第二部分与燃烧气体的混合物在第二流路中流动。
本公开的另一方面涉及一种高旁通燃气涡轮发动机。高旁通燃气涡轮发动机包括：外壳，其环绕核心涡轮发动机，其中，核心涡轮发动机形成核心流路；风扇组件，其可相对于纵向中心线轴线旋转，风扇组件在外壳的径向外部的风扇组件的后部形成旁通空气流通道；以及分离器，其定位于旁通空气流通道中。第一流路形成于旁通空气流通道处在分离器的径向外部。第一流路从风扇组件接收旁通空气的第一部分。第二流路形成于分离器与外壳之间。第二流路从风扇组件接收旁通空气的第二部分。核心流路与第二流路处于流体连通，以使旁通空气的第二部分与燃烧气体的混合物在第二流路中流动。
参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成其部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的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能够实现的公开内容(包括其最佳模式)，在附图中：
图1提供根据本主题的各种实施例的示范性的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图；以及
图2提供根据本主题的各种实施例的示范性的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。
本说明书和附图中的参考字符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图示。每个示例通过解释本发明而非限制本发明的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员而将为明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，能够在本发明中作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征能够与另一实施例一起使用以产生再一另外的实施例。因而，期望本发明涵盖如归入所附权利要求及其等同形式的范围内的这样的修改和变型。
如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”以及“第三”可以被可互换地使用于将构件彼此区分开，并且不旨在表明各个构件的位置或重要性。
术语“前部”和“后部”指推进系统或车辆内的相对位置，并且指推进系统或车辆的正常操作姿态。例如，关于推进系统，前部指更接近推进系统入口的位置，并且后部指更接近推进系统喷嘴或排气部的位置。
术语“上游”和“下游”指相对于流体途径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指流体流自的方向，并且“下游”指流体流至的方向。
除非上下文清楚地另外规定，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数引用。
如在本文中在整个说明书和权利要求中使用的近似语言适用于对能够可获准地变更的任何定量表示进行修改，而不导致改变相关的基本功能。因此，以诸如“大约”、“近似地”和“基本上”之类的一个或多个术语修改的值将不限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以与用于测量该值的仪器的精度或用于构建或制造构件和/或系统的方法或机器的精度相对应。例如，近似语言可以指处于10%裕度内。
在此并且在整个说明书和权利要求中，范围限制被组合和/或互换，除非上下文或语言另外指示，否则这样的范围被标示，并且包括其中所包含的所有子范围。例如，本文中所公开的所有范围都包括端点，并且端点可独立地彼此组合。
提供了如下的涡轮风扇发动机(诸如，高旁通涡轮风扇发动机)的实施例：可以关于已知的涡轮风扇发动机或高旁通燃气涡轮发动机而改善声响衰减并且减少比燃料消耗并且改善燃料焚烧。本文中所提供的发动机的实施例包括位于旁通空气流通道处的旁通管道分离器护罩。在某些实施例中，旁通护罩围绕核心涡轮发动机的外壳定位，以提供一定体积的旁通空气流/燃烧气体混合通道，在该通道处，提高推进效率，使噪声和声响衰减，和/或理想地维持重量，以便进一步允许改善的比燃料消耗和/或燃料焚烧。在本文中所提供的各种实施例中，发动机包括某些范围和/或比率的至少与旁通护罩对应的风扇旁通比、质量流量比和/或压力比，以便供应提供先前对于涡轮风扇发动机(诸如，高旁通涡轮风扇发动机)而未知的益处的径向间距和/或长度或其它结构。
现在参考附图，其中，在所有图中，同样的数字指示相同的元件，图1是根据本公开的示范性的实施例的大体上直流式的涡轮风扇发动机的示意性横截面视图。图2是根据本公开的另一示范性的实施例的逆流式涡轮风扇发动机的示意性横截面视图。如图1-2中所示出的，燃气涡轮发动机10(在下文中，“发动机10”)的实施例限定轴向方向A(与被提供以供参考的纵向中心线12平行而延伸)和径向方向R。大体上，发动机10包括风扇区段14和设置于自风扇区段14起的下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示范性的核心涡轮发动机16大体上包括限定环形入口20的基本上管状的外壳18。外壳18以串行流关系包围：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24中的一个或多个；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30中的一个或多个；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或转轴34使HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36使LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22。在发动机10的其它实施例中，额外的转轴可以设成使得发动机10可以被描述为多转轴式发动机(例如，驱动地连接到中压涡轮和中压压缩机的中压转轴)。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括风扇38，风扇38具有多个风扇叶片40，风扇叶片40以间隔开的方式联接到盘42。如所描绘的，风扇叶片40大体上沿着径向方向R从盘42向外延伸。风扇叶片40和盘42可通过LP轴36而一起围绕纵向轴线12旋转。在一些实施例中，可以包括具有多个档位的动力变速箱，以便将LP轴36的旋转速度成比例地调整成更高效的旋转风扇速度。还在某些实施例中，风扇叶片40可操作地联接到构造成调整一个或多个风扇叶片40的桨距的可变桨距装置。
仍然参考图1-2的示范性实施例，盘42被前机舱或机头罩48覆盖，前机舱或机头罩根据空气动力学而设定轮廓，以推动空气流通过多个风扇叶片40。另外，示范性的风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，环形风扇壳或外机舱周向地环绕核心涡轮发动机16的至少一部分和/或风扇38。应当意识到，机舱50可以构造成由多个周向地隔开的出口导向导叶或第一支柱52相对于核心涡轮发动机16支撑。然而，在其它实施例中，出口导向导叶或第一支柱52定位于旁通空气流通道56处，以理想地调节来自风扇组件14的流(例如，声响、推力向量等等)。
旁通空气流通道56大体上包括位于风扇叶片40的后部或下游的如下的区域：来自风扇叶片40的空气不会越过该区域进入核心涡轮发动机16。在某些实施例中，机舱50的下游区段或后端54可以遍及核心涡轮发动机16的外部部分而延伸，以便包封核心涡轮发动机16的外壳18与机舱50之间的旁通空气流通道56。在某些实施例中，发动机10可以包括高旁通比无管道式风扇发动机(例如，桨扇或无管道式转子发动机)，其中风扇叶片40并非被风扇护罩150径向地环绕。
在发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关联的入口60而进入发动机10。随着该一定体积的空气58越过风扇叶片40，如箭头62所指示的空气58的第一部分被指引或导引至旁通空气流通道56中，并且如箭头64所指示的空气58的第二部分被指引或导引至核心流路44中并且被指引或导引通过LP压缩机22。空气的第一部分62与空气的第二部分64之间的比率一般被称为旁通比或风扇旁通比。然后，随着空气的第二部分64越过高压(HP)压缩机24被导引通过核心流路44并且导引至燃烧区段26(其中，空气的第二部分64与燃料混合并且焚烧，以提供燃烧气体66)中，空气的第二部分64的压力增加。
燃烧气体66通过HP涡轮28被导引通过核心流路44，其中，来自燃烧气体66的热能和/或动能的部分经由相继的多级的联接到外壳18的HP涡轮定子导叶68和联接到HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片70而提取，因而致使HP轴或转轴34旋转，由此支持HP压缩机24的操作。然后，燃烧气体66通过LP涡轮30被导引通过核心流路44，其中，热能和动能的第二部分经由相继的多级的联接到外壳18的LP涡轮定子导叶72和联接到LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74而从燃烧气体66提取，因而致使LP轴或转轴36旋转，由此支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
参考图1，燃烧气体66随后被导引通过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时地，随着空气的第一部分62在其从发动机10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导引通过旁通空气流通道56，空气的第一部分62的压力基本上增加，从而也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30以及喷气排气喷嘴区段32至少部分地形成用于将燃烧气体66导引通过核心涡轮发动机16的热气路径78。
参考图2，在某些实施例中，核心涡轮发动机16构造为反向流路。在这样的实施例中，空气的第二部分64被导引通过环形入口20并且通过LP压缩机22。核心流路44沿着第一方向(其沿着轴向方向A，诸如，与越过风扇区段14的空气的第一部分62同向)延伸。然后，核心流路44沿着第二方向(其沿着与第一方向相反的轴向方向A)(例如，经压缩空气流64相对于越过风扇区段14的空气流62而反向)弯曲或以其它方式延伸。空气流64在第二压缩机(诸如，限定轴向压缩机和/或离心压缩机的HP压缩机24)处进一步被压缩。空气64进一步诸如上文中所描述的那样被提供到燃烧区段66和一个或多个涡轮28、30。
返回参考图1-2，将意识到，尽管关于具有双转轴式核心涡轮发动机16的发动机10进行了描述，但本主题能够可适用于具有三转轴式核心涡轮发动机16(例如，低压转轴、中压转轴以及高压转轴)的燃气涡轮发动机构造。另外或备选地，如在本文中进一步描述的，本主题可以特别地应用于高旁通比涡轮风扇或桨扇发动机，诸如从而限定等于或大于10的风扇旁通比(即，流向旁通空气流通道56的流相对于经由环形入口20而流向核心涡轮发动机16的流的比率)。应当进一步意识到，发动机10的各种实施例进一步包括诸如但不限于电机、变速箱、辅助变速组件、泄放系统、致动器、控制器等等的系统和子系统，并且为了清楚起见而省略。
在各种实施例中，风扇组件14形成可相对于纵向中心线轴线12而旋转的最前部或第一级叶片组件。发动机10包括：第一级叶片组件；压缩机区段，其包括一个或多个压缩机22、24；以及涡轮区段，其包括相对于核心流路44而以相继的串行流布置共同定位的一个或多个涡轮28、30。核心涡轮发动机16包括形成核心流路出口144的核心流路44。
在某些实施例中，环形风扇壳或外机舱50形成环绕第一级叶片组件的风扇护罩150。限定风扇护罩150的环形风扇壳或外机舱50围绕核心涡轮发动机16的被外壳18环绕的至少一部分沿着纵向方向L延伸。旁通管道分离器或护罩250围绕核心涡轮发动机16的如下的至少一部分沿着纵向方向L延伸：其中，核心涡轮发动机16被外壳18环绕。护罩250定位于旁通空气流通道56中在风扇组件14的后部或下游。护罩250定位于从环绕核心涡轮发动机16的外壳18起的沿着径向方向R的外部。护罩250进一步定位于风扇叶片40的径向地位于最外面的末梢的沿着径向方向R的内部(即，护罩250定位于比多个风扇叶片40的直径更小的直径内)。在某些实施例中，护罩250径向地定位于外壳18与风扇护罩150之间。
旁通空气流通道56被护罩250分隔(例如，平分)成位于护罩250的径向外部的第一流路156和位于护罩250的径向内部的第二流路256。在某些实施例中，第一流路156在风扇护罩150与护罩250之间延伸。旁通空气流通道56被护罩250分隔成在核心涡轮发动机16的外壳18与护罩250之间延伸的第一流路156和第二流路256。在发动机10的操作期间，旁通空气或空气的第一部分62在通过第一流路156的第一旁通流部分162与通过第二流路256的第二旁通流部分262之间被分隔。核心流路出口144和第二流路256与护罩250的径向内部处于流体连通。在某些实施例中，核心流路出口144和第二流路256在核心涡轮发动机16的外壳18与护罩250之间处于流体连通。
在各种实施例中，护罩250和外壳18或核心涡轮发动机16处于相对于纵向中心线轴线12同中心的布置。在某些实施例中，风扇护罩150至少通过第一支柱52而定位成与外壳18基本上同中心的布置。护罩250通过第二支柱152而定位成与外壳18基本上同中心的布置。第二支柱152从外壳18延伸到护罩250。在各种实施例中，第二支柱152包括比风扇叶片40更小的径向翼展，以便将护罩250定位成处于或小于风扇叶片40的径向翼展。在某些实施例中，第二支柱152是喷气排气喷嘴区段32的一部分。还在某些实施例中，第二支柱152在涡轮28、30中的一个或多个的后部从核心发动机16延伸。在一些实施例中，第二支柱152是位于涡轮之间或位于涡轮中间的框架静止支撑组件的一部分。
在各种实施例中，护罩250的前端252定位于旁通空气流通道56内。在某些实施例中，第二流路256在护罩250的前端252处形成第二流路入口257。第二流路入口257形成于核心涡轮发动机16的外壳18与护罩250之间。第二流路入口257与旁通空气流通道56处于流体连通。在各种实施例中，第二流路入口257位于核心涡轮发动机16的外壳18与风扇护罩150之间的旁通空气流通道56中。
在诸如关于图1而描绘的某些实施例中，护罩250的后端254定位于风扇护罩后端54的沿着轴向方向A的后部。在一些实施例中，护罩后端254在核心流路出口144的后部或同一平面轴向地延伸。在诸如图2中所描绘的其它实施例中，护罩后端254定位于风扇护罩后端54的沿着轴向方向A的同一平面或前部。
参考图1，外壳18可以在涡轮28、30的后部或下游至少部分地形成排气混合器146。在某些实施例中，排气混合器146在排气喷嘴区段32处定位于外壳18处。燃烧气体66诸如通过核心流路出口144而自核心流路44从核心涡轮发动机16排出。在各种实施例中，核心发动机16的后端包括排气混合器146，在排气混合器处，来自核心流路44的燃烧气体66与位于护罩250的径向内部之间的第二旁通流部分262混合。
还在各种实施例中，核心流路出口144定位于护罩250的下游端或后端254的前部或上游。在各种实施例中，排气混合器146包括用以推动风扇旁通流66的第二旁通流部分262与燃烧排出气体66的混合的叶状结构或轮廓结构。
参考图1-2，在发动机10的操作期间，第二旁通流部分262从上游端或前端252流过第二流路256并且流过下游端或后端254。在第二流路256中，风扇旁通空气62的第二旁通流部分262在外壳18与护罩250之间被导引或流动。风扇旁通空气62的第二旁通流部分262与从核心流路44离开的燃烧气体66混合。燃烧气体66通过定位于护罩250的后端254的前部或上游的核心流路出口144而离开核心流路44。护罩250与外壳18之间的第二流路256的体积对应于第二流路256处的风扇旁通气体与来自核心流路44的燃烧排出气体66的质量流量比。在诸如图1中所描绘的某些实施例中，核心流路出口144定位于包括一个或多个涡轮28、30的涡轮区段的后部。在诸如图2中所描绘的其它实施例中，核心流路出口144定位于包括一个或多个压缩机22、24的压缩机区段的径向外部。在另外的各种实施例中，核心流路出口144定位于核心涡轮发动机16的外壳18的径向外部。
应当意识到，第二流路256的体积从护罩250的前端252延伸。在各种实施例中，该体积进一步延伸到护罩250的后端254。在某些实施例中，该体积延伸到护罩250的后端254在核心流路出口144的后部。在各种实施例中，该体积延伸到后端254。在某些实施例中，该体积在后端254的前部延伸到核心流路出口144。在各种实施例中，核心流路出口144定位于护罩250的后端254的前部或上游，以便提供如下的体积：在该体积处，旁通流262的第二部分和燃烧气体66被混合，以便诸如本文中所描述的那样减少噪声并且改善发动机效率和/或性能。
在操作期间，诸如，在最大功率(例如，起飞)条件下，对于发动机10的某些实施例，质量流量比处于0.5与5.0之间。例如，质量流量比是第二流路256处的风扇旁通空气62的第二旁通流部分262与从核心流路44进入第二流路256的燃烧气体66的比率。在一个实施例中，第二流路256的体积对应于护罩250与外壳18相对于旁通空气流通道56的径向间距。在某些实施例中，第二流路256的体积对应于风扇护罩150距外壳18的径向间距相对于护罩250距外壳18的径向间距。
照此，质量流量比及其范围对应于护罩250相对于核心涡轮发动机16的外壳18的结构。在某些实施例中，质量流量比对应于护罩250相对于多个风扇叶片40的直径的结构。还在某些实施例中，质量流量比对应于护罩250相对于旁通空气流通道56的结构。还在各种实施例中，质量流量比对应于风扇护罩150相对于护罩250的结构。在这样的各种实施例中，质量流量比进一步对应于离开核心流路44至第二流路256的燃烧气体的体积。还在某些实施例中，质量流量比对应于风扇护罩150相对于护罩250和流路出口144的结构。在各种实施例中，质量流量比对应于提供比燃烧气体(例如，燃烧气体66)的第二质量流量更大五倍的第二旁通空气流部分262的第一质量流量的结构。在其它实施例中，质量流量比对应于提供燃烧气体的第二质量流量的0.5倍的第二旁通空气流部分262的第一质量流量的结构。还在各种实施例中，质量流量比的范围小于或等于3.0。还在另一实施例中，质量流量比的范围小于2.5。又在另一实施例中，质量流量比的范围小于2.3。还在另一实施例中，质量流量比的范围大于1.0。还又在其它实施例中，质量流量比的范围大于1.3。
还在本文中所提供的发动机10的额外或备选的实施例中，在发动机10的操作期间，核心发动机16的外壳18与护罩250之间的体积对应于0.8与1.4之间的第二流路256处的风扇旁通气体(例如，旁通空气的第二部分262)与来自核心流路44的燃烧排出气体的压力比。在一些实施例中，压力比小于1.2。在其它实施例中，压力比大于1.0。
应当意识到，第二旁通空气流部分262与燃烧气体的压力比和/或质量流量比的范围提供先前在本领域中未知的特定益处。在某些实例中，比本文中所提供的那些范围更小的范围可能不理想地去除与风扇旁通空气和燃烧气体的混合相关联的益处。在其它实例中，比本文中所提供的那些范围更大的范围可能导致不理想地高或重的重量的风扇护罩150和/或护罩250。益处的损失可能包括推进效率、燃料焚烧或比燃料消耗(SFC)的不期望的降低。另外或备选地，对于具有大于或等于6的风扇旁通比的涡轮风扇发动机，本文中所提供的范围可以提供改善的推进效率、燃料焚烧或SFC。在某些实施例中，对于具有大于或等于10的风扇旁通比的涡轮风扇发动机，本文中所提供的范围可以提供改善的推进效率。
应当意识到，在某些实施例中，风扇护罩150包括第一可调整区域喷嘴。还在某些实施例中，护罩250包括第二可调整区域喷嘴。照此，在各种实施例中，发动机10可以包括致动器、门、液压系统或气动系统或提供风扇护罩150与护罩250之间的第一区域和/或护罩250与核心涡轮发动机16的外壳18之间、护罩250与核心涡轮发动机16的外壳18之间的第二区域的致动、移动或调整的其它构件。包括可调整区域喷嘴的风扇护罩150和/或护罩250的各种实施例包括在本文中所提供的压力比和/或质量流量比中的一个或多个内调整相应的区域。
本文中所提供的发动机10的实施例大体上提供风扇旁通空气62与来自核心涡轮发动机16的排出气体的部分高旁通流混合。风扇旁通空气的第一部分162从风扇旁通通道56未混合地离开。风扇旁通空气的第二部分262与作为从第二流路256排出的经混合气体366的单一流的位于第二流路256的径向内部的燃烧气体66的至少部分混合。本文中所提供的发动机10的实施例包括为高旁通燃气涡轮发动机(例如，高旁通涡轮风扇发动机)提供非预期益处(诸如，改善的、风扇旁通气体与排出气体的混合、改善的比燃料消耗、改善的燃料焚烧、改善的推进效率和/或改善的噪声消除)的护罩250和核心流路出口144的组合。本文中所提供的结构、比率或比率范围可以进一步允许优于对于低旁通涡轮风扇发动机的那些结构、比率或比率范围的在高旁通涡轮风扇发动机的方面的一种或多种前面提到的改善，诸如但不限于克服与增加的重量、增加的SFC或燃料焚烧、增加的噪声或降低的推进效率相关联的损失。
另外或备选地，应当意识到，低旁通涡轮风扇发动机大体上提供与高旁通涡轮风扇发动机对照而更高的燃料消耗。照此，本文中所提供的发动机10的实施例(包括本文中所提供的特定范围或比率)可以允许并且进一步改善典型地与高旁通涡轮风扇发动机相关联的声响、推力输出以及比燃料消耗益处，同时减轻或排除与排气混合器或护罩的重量相关联的有害作用。
应当意识到，在本文中所提供的发动机10的各种实施例中，先前在本领域中未知的压力比和/或质量流量比的一个或多个有益的范围对应于风扇护罩150、护罩250、护罩250与外壳18之间的体积、风扇护罩150与外壳之间的体积、风扇护罩150与护罩250之间的体积、来自护罩入口257和护罩后端254、核心流路出口144的轴向尺寸或它们的组合。本文中所提供的一个或多个结构可以允许在发动机10的操作期间的非预期益处。在某些示范性的实施例中，与本文中所公开的压力比和/或质量流量比中的一个或多个对应的发动机10的操作可以进一步对应于发动机的最大操作条件(例如，起飞条件)。在其它示范性的实施例中，与本文中所公开的压力比和/或质量流量比中的一个或多个对应的发动机10的操作可以进一步对应于发动机的中等功率操作条件(例如，巡航条件)或更大功率操作条件(例如，爬升条件)，诸如在飞行器的着陆-起飞(LTO)循环中理解的那样。
在一些实施例中，发动机10的构件(诸如，风扇护罩150、护罩250和/或外壳18)可以由具有高温能力或它们与金属或金属合金的组合的复合材料(诸如，聚合物基体复合物(PMC)材料或陶瓷基体复合物(CMC)材料)形成。复合材料大体上包括嵌入于基体材料(例如，聚合物或陶瓷基体材料)中的纤维增强材料。增强材料用作复合材料的承载组分，而复合材料的基体用来使纤维粘合在一起并且充当介质，外部施加的应力由该介质传递并且分配到纤维。
PMC材料典型地通过以树脂(预浸料)浸渍织物或单向带且随后固化而制备。在浸渍之前，织物可以被称为“干燥”织物，并且典型地包括两个或更多个纤维层(铺层)的堆叠。纤维层可以由各种各样的材料形成，这些材料的非限制性示例包括碳(例如，石墨)、玻璃(例如，玻璃纤维)、聚合物(例如，Kevlar®)纤维以及金属纤维。纤维增强材料能够按相对短的短切纤维(在长度上大体上小于两英寸，并且更优选地小于一英寸)或长连续纤维的形式使用，其中的后者通常用于生产编织织物或单向带。PMC材料能够通过使干燥纤维分散到模具中并且然后使基体材料围绕增强纤维流动或通过使用预浸料而生产。例如，多层预浸料可以堆叠成对于该部分的适当的厚度和取向，并且然后，树脂可以固化并且凝固，以提供纤维增强复合物部分。用于PMC基体材料的树脂能够大体上分类为热固性塑料或热塑性塑料。热塑性树脂大体上归类为聚合物，其能够在加热时反复地软化和流动并在由于物理变化而非化学变化而充分冷却时硬化。热塑性树脂的值得注意的示例性分类包括尼龙、热塑性聚酯、聚芳醚酮以及聚碳酸酯树脂。已设想用于在航空应用中使用的高性能热塑性树脂的具体示例包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)以及聚苯硫醚(PPS)。形成对照的是，热固性树脂一旦完全地固化成硬质刚性固体，在加热时就不会经历显著软化，而是相反地，在充分加热时热分解。热固性树脂的值得注意的示例包括环氧树脂、双马来酰亚胺树脂(BMI)以及聚酰亚胺树脂。
示范性的CMC材料可以包括碳化硅(SiC)、硅、二氧化硅或氧化铝基体材料以及它们的组合。陶瓷纤维可以嵌入于基体内，该基体为诸如氧化稳定的增强纤维，该氧化稳定的增强纤维包括如蓝宝石和碳化硅那样的单丝(例如，Textron的SCS-6)、以及粗纱和纱线(其包括碳化硅(例如，Nippon Carbon的NICALON®、Ube Industries的TYRANNO®和DowCorning的SYLRAMIC®)、硅酸铝(例如，3M的Nextel 440和480))、以及短切晶须和纤维(例如，3M的Nextel 440和SAFFIL®)、以及任选地陶瓷颗粒(例如，Si、Al、Zr、Y的氧化物以及它们的组合)和无机填料(例如，叶蜡石、硅灰石、云母、滑石、蓝晶石以及蒙脱石)。例如，在某些实施例中，可以包括陶瓷耐火材料涂层的纤维束形成为增强带，诸如，单向增强带。可以将多个带铺叠在一起(例如，作为铺层)，以形成预成形构件。纤维束可以在形成预成形件之前或在形成预成形件之后用浆料成分浸渍。然后，预成形件可以经历热处理(诸如，固化或烧尽)，以产生预成形件中的大量炭残留物，并且可以经历随后的化学处理(诸如，利用硅来进行的熔渗)，以得到由具有期望的化学成分的CMC材料形成的构件。在其它实施例中，CMC材料可以形成为例如碳纤维布而非形成为带。
在本文中所示出且描述的各种实施例中，风扇护罩150、护罩250和/或外壳18包括至少一个复合物壁。护罩150、250和/或外壳18的复合物壁的复合材料优选地是重量轻且强度高的材料，诸如，PMC材料或CMC材料。如在下文中更详细地描述的，风扇护罩150、护罩250和/或外壳18的示范性的复合物壁具有铺层铺叠件，其周向地变化，以致于一个区域中的铺层铺叠件的至少一个铺层的取向不同于邻接的区域中的铺层的取向。周向地变化的铺层铺叠件设计成引导在大的所施加的负载期间(诸如，在叶片脱落事件期间)引起的应变(例如，在操作期间的一个或多个旋转的翼型件(诸如，被风扇护罩150周向地环绕的风扇叶片40或位于被护罩250径向地环绕的一个或多个涡轮28、30处的一个或多个旋转的翼型件)的拆卸)，并且周向地变化的铺层铺叠件设计成阻止起因于叶片穿透、振动等等而造成的裂缝。在叶片脱落事件期间，高度地有益的是，阻止并且引导裂缝传播，以保留风扇护罩150和/或护罩250的至少一个负载路径。另外或备选地，风扇护罩150、护罩250和/或外壳18的复合物结构可以容许质量流量比、压力比和/或旁通比的一个或多个有益的范围。此外或备选地，可以实现本文中所描述的一个或多个益处，同时进一步提供围绕涡轮28、30的容纳结构，由此允许护罩250处的重量增益通过外壳18或一个或多个其它护罩、壳体、框架或环绕涡轮28、30的可旋转构件的其它结构处的重量减轻而偏移。照此，可以实现本文中所描述的一个或多个益处，同时减轻或排除与发动机10处的重量或其它性能损失有关的有害作用。
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(包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书定义，并且可以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的范围内。
本发明的另外的方面由下文的条款的主题提供：
1. 一种燃气涡轮发动机，发动机包括：核心涡轮发动机，其形成核心流路；可旋转的第一级叶片组件，其中，旁通空气流通道形成于第一级叶片组件的下游；以及护罩，其定位于旁通空气流通道处在核心涡轮发动机的径向外部。第一流路形成于护罩的外部，空气的第一部分在护罩的外部处流动，并且护罩和核心涡轮发动机在其间形成第二流路。核心流路与第二流路处于流体连通，以使空气的第二部分与燃烧气体的混合物在第二流路中流动。
2. 本文中的任何条款的发动机，其中，核心涡轮发动机和可旋转的第一级叶片组件一起形成大于或等于6的旁通比。
3. 本文中的任何条款的发动机，其中，第二流路处的体积对应于空气的第二部分与燃烧气体的质量流量比，并且其中，质量流量比处于0.5与5.0之间。
4. 本文中的任何条款的发动机，其中，质量流量比小于3.0。
5. 本文中的任何条款的发动机，其中，质量流量比大于0.8。
6. 本文中的任何条款的发动机，其中，第二流路处的体积对应于第二流路处的空气的第二部分与来自核心流路的燃烧气体的压力比，并且其中，压力比处于0.8与1.4之间。
7. 本文中的任何条款的发动机，其中，压力比小于1.2。
8. 本文中的任何条款的发动机，其中，压力比大于1.0。
9. 本文中的任何条款的发动机，其中，护罩和核心涡轮一起形成在旁通空气流通道中定位成处于流体连通的第二流路入口。
10. 本文中的任何条款的发动机，发动机包括径向地环绕第一级叶片组件的风扇护罩，其中，旁通空气流通道形成于壳与核心涡轮发动机之间。
11. 本文中的任何条款的发动机，其中，护罩后端沿着风扇护罩后端的轴向方向定位于后部。
12. 本文中的任何条款的发动机，其中，护罩后端沿着核心流路出口的轴向方向定位于后部。
13. 本文中的任何条款的发动机，其中，核心涡轮发动机包括定位于护罩后端的前部的核心流路出口，其中，核心流路出口构造成使燃烧气体流出到第二流路。
14. 权利要求1的发动机，发动机包括：第一支柱，其定位于旁通空气流通道处在第一级叶片组件的后部；和第二支柱，其使位于核心涡轮发动机的径向外部的护罩连接。
15. 一种高旁通涡轮风扇燃气涡轮发动机，高旁通燃气涡轮发动机包括：外壳，其环绕核心涡轮发动机，其中，核心涡轮发动机形成核心流路；风扇组件，其可相对于纵向中心线轴线而旋转，风扇组件在位于外壳的径向外部的风扇组件的后部形成旁通空气流通道；以及分离器，其定位于旁通空气流通道中。第一流路形成于旁通空气流通道处在分离器的径向外部。第一流路从风扇组件接收旁通空气的第一部分。第二流路形成于分离器与外壳之间。第二流路从风扇组件接收旁通空气的第二部分。核心流路与第二流路处于流体连通，以使旁通空气的第二部分与燃烧气体的混合物在第二流路中流动。
16. 本文中的任何条款的发动机，其中，核心流路包括反向流路。
17. 本文中的任何条款的发动机，其中，核心流路出口定位于第二流路中在核心涡轮发动机的压缩机区段的径向外部。
18. 本文中的任何条款的发动机，其中，来自第二流路入口的第二流路处的体积对应于第二流路处的空气的第二部分与来自核心流路的燃烧气体的压力比，并且其中，在高旁通涡轮风扇发动机的操作期间，压力比处于0.8与1.4之间。
19. 本文中的任何条款的发动机，其中，第二流路处的体积对应于通过第一流路的空气的第一部分与通过第二流路的空气的第二部分的质量流量比，并且其中，在高旁通涡轮风扇发动机的操作期间，质量流量比处于0.5与5.0之间。
20. 本文中的任何条款的发动机，其中，第二流路入口在旁通空气流通道中定位成处于流体连通，并且其中，核心流路出口定位于护罩后端的前部，并且其中，在高旁通涡轮风扇发动机的操作期间，第二流路包括对应于0.8与1.4之间的压力比、0.5与5.0之间的质量流量比或两者的体积。
21. 任何前文的条款的发动机，其中，质量流量比大于0.8。
22. 任何前文的条款的发动机，包括大于或等于10的风扇旁通比。
23. 任何前文的条款的发动机，护罩包括复合材料。
24. 任何前文的条款的发动机，风扇护罩包括复合材料。
25. 任何前文的条款的发动机，外壳包括复合材料。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，所述发动机包括：
核心涡轮发动机，所述核心涡轮发动机形成核心流路；
可旋转的第一级叶片组件，其中，旁通空气流通道形成于所述第一级叶片组件的下游；以及
护罩，其定位于所述旁通空气流通道处在所述核心涡轮发动机的径向外部，其中，第一流路形成于所述护罩的外部，空气的第一部分在所述护罩的外部处流动，并且其中，所述护罩和所述核心涡轮发动机在其间形成第二流路，所述核心流路与所述第二流路处于流体连通，以使空气的第二部分与燃烧气体的混合物在所述第二流路中流动。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述可旋转的第一级叶片组件和所述核心涡轮发动机一起形成大于或等于6的旁通比。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述第二流路处的体积对应于所述空气的第二部分与燃烧气体的质量流量比，并且其中，所述质量流量比处于0.5与5.0之间。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述质量流量比小于3.0。
5.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述质量流量比大于0.8。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述第二流路处的体积对应于所述第二流路处的所述空气的第二部分与来自所述核心流路的燃烧气体的压力比，并且其中，所述压力比处于0.8与1.4之间。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述压力比小于1.2。
8.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述压力比大于1.0。
9.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述护罩和所述核心涡轮一起形成在所述旁通空气流通道中定位成处于流体连通的第二流路入口。
10.根据权利要求1所述的发动机，所述发动机包括：
风扇护罩，其径向地环绕所述第一级叶片组件，其中，所述旁通空气流通道形成于所述壳与所述核心涡轮发动机之间。
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