CN114517712A - 具有改善的vigv防护的气体涡轮引擎 - Google Patents

Abstract

本发明题为“具有改善的VIGV防护的气体涡轮引擎。”本发明本公开了一种气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括：风扇，该风扇围绕引擎主轴线旋转；核心管道；引擎核心；引擎区段定子（ESS），该ESS包括多个ESS轮叶并且在该风扇下游布置在该核心管道中；以及多个可变入口导向轮叶（VIGV），该多个VIGV适于围绕枢转轴线旋转并且在该ESS下游布置在该核心管道中。VIGV轮叶被布置成相对于该ESS轮叶成角度地旋转，使得该VIGV受到该ESS的防护，从而保护该VIGV免受结冰以及免受从该ESS轮叶的冰脱落。

Description

具有改善的VIGV防护的气体涡轮引擎

本公开涉及气体涡轮引擎，并且更具体地，涉及包括可经受结冰的部件诸如轮叶的气体涡轮引擎。

气体涡轮引擎通常用于为飞行器提供动力。气体涡轮引擎通常包括从前到后以轴流式串联的风扇、核心和排气喷嘴。该核心包括一个或多个压缩机、燃烧器和一个或多个涡轮。为引擎提供进气口。进入进气口的空气通过风扇加速以产生两股气流：通过核心管道进入压缩机中的第一气流（核心引擎气流）和提供推力的第二气流（旁路气流）。进入压缩机的空气被压缩、与燃料混合，然后馈送到发生空气/燃料混合物燃烧的燃烧器中。高温和高能排放流体继而被馈送到涡轮，在该涡轮处流体的能量被转化成机械能，以通过合适的互连轴驱动压缩机旋转。

具有多个ESS轮叶的引擎区段定子（ESS）通常设置在核心管道的入口处。ESS轮叶导向进入核心管道的气流。ESS轮叶可以是结构性的，即，可提供ESS以支撑内部壳体构件和外部壳体构件之间的负载；或者是非结构性的。此外，入口导向轮叶（IGV）可在ESS轮叶下游和压缩机上游设置在核心管道中，以进一步导向进入压缩机入口的气流。IGV可以是可变的（VIGV），即，可围绕径向枢轴旋转，以根据不同的引擎操作条件来调节气流。

在适当的大气条件下，部件的结冰可在引擎正在运行时（也就是说，在使用中）的任何时间发生。这包括在怠速下或在更高引擎速度下的地面行驶，以及飞行中的操作。在此类情况下，冰可积聚在ESS轮叶和IGV上。具体地讲，当引擎的设计使得风扇仅向空气赋予低温度上升时，存在结冰的风险，并且在较小程度上，较低风扇叶片旋转速度（诸如在大型和中型齿轮式气体涡轮引擎中）和风扇叶片的数量减少加剧了该风险。

附接到轮叶表面的冰可有效地改变轮叶的几何形状，使得即将到来的流呈现不符合设计规范的表面，并且增加了不必要的重量。这可最终导致较低的引擎效率和/或性能。此外，形成在轮叶上的冰可在已知为“脱落”的过程中从轮叶脱离，这可能引起冰撞击，该冰撞击可能损坏引擎的下游部件，特别是引擎的旋转部件。例如，从ESS轮叶和/或(V)IGV脱落的冰可撞击并损坏旋转下游压缩机叶片排。

已经开发出许多系统来试图减少轮叶上冰的形成或使由冰从轮叶脱落所造成的损坏最小化。

常规的防冰和除冰系统使用热空气或相关部件的电加热，该热空气从压缩机排出并且用管道输送到引擎的需要除冰的区域；有时使用两者的组合。其他已知系统已使用用管道输送的热油、微波或化学除冰装置。

已知的防冰和除冰系统的缺点在于，它们需要热空气的排出和管道输送形式的附加硬件，或加热元件及其相关联的控制系统，这增加了引擎的重量和复杂性。此外，对暖空气和加压空气或对电力的需要对引擎的整体效率和性能是有害的。

本公开寻求提供具有改善的VIGV防冰能力的气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎解决上述问题并克服已知技术的缺点。

因此，提供了气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括风扇，该风扇围绕引擎主轴线旋转并且生成核心气流和旁路气流；核心管道，核心气流跨过该核心管道流动；以及引擎核心。引擎核心包括压缩机，该压缩机用于压缩核心气流并且包括多个级，每个级包括一排转子叶片和一排定子轮叶，所述多个级中的第一级布置在压缩机的入口处；燃烧设备；以及通过轴连接到压缩机的涡轮。气体涡轮引擎还包括引擎区段定子（ESS），该ESS包括多个ESS轮叶并且在风扇下游布置在核心管道中，每个ESS轮叶包括ESS前缘和ESS后缘；以及适于围绕枢转轴线旋转并且在ESS下游和压缩机上游布置在核心管道中的多个可变入口导向轮叶（VIGV），每个可变入口导向轮叶（VIGV）包括VIGV前缘和VIGV后缘。中间跨度ESS前缘点布置在距引擎主轴线的第一半径处，并且中间跨度VIGV前缘点布置在距引擎主轴线的第二半径处，中间跨度ESS前缘点位于距中间跨度VIGV前缘点的轴向距离L处，其中第一半径和第二半径之间的差值ΔR与轴向距离L的比率ΔR/L包括在0.23和0.70之间，优选地在0.40和0.70之间，并且其中VIGV轮叶被布置成相对于ESS轮叶成角度地旋转，使得穿过相应的70%跨度ESS前缘点的第一纵向平面相对于穿过相应的70%跨度VIGV枢转轴线点的对应第二纵向平面旋转包括在0.1°和6°之间的旋转角度α。

在实施方案中，旋转角度α可包括在0.1°和5°之间、或在0.1°和4°之间、或在0.1°和3°之间、或在0.2°和6°之间、或在0.3°和6°之间、或在0.4°和6°之间、或在0.5°和6°之间、或在0.5°和5°之间。

在通过过冷云飞行期间或冷冻雾中的地面操作期间，过冷液态水的液滴被吸入引擎中，其中它们随后与旋转或静止表面碰撞并且可冷冻成冰。对于引擎核心管道，主要堆积部位是ESS轮叶前缘和压力表面、VIGV、核心分路器、以及核心分路器和VIGV之间的低压压缩机外齿圈管线。

液滴的较高惯性防止它们如同叶片或轮叶周围的空气一样快地转向，从而通向紧接在这些叶片或轮叶后面的区域，其中存在极低浓度的过冷液态水液滴。

本发明人已发现，可通过以下方式来防止VIGV结冰：将VIGV相对于ESS轮叶定位以使得VIGV位于这些低液滴浓度区域内（受到ESS的防护），从而保护VIGV免于冰积聚。

因为水滴（其在ESS或VIGV上粘着并形成冰）被风扇施加的离心力径向向外推动，所以存在朝向ESS和核心入口的外齿圈管线的集中效应，并且因此冰趋于在ESS轮叶和VIGV的外部跨度上形成，即介于40%和100%之间的跨度。因此，重要的是将VIGV的径向外部部分布置成受到ESS的防护。

在本公开中，上游和下游是相对于通过压缩机的气流而言的；并且前和后相对于气体涡轮引擎，即风扇位于引擎的前方而涡轮位于引擎的后方。

如本文所用，纵向平面是包含引擎主轴线的平面，或者换句话讲，穿过引擎主轴线并且从其径向延伸的平面。就此而言，第一纵向平面和第二纵向平面穿过引擎主轴线。

ESS可布置在核心管道的入口处。压缩机可被布置成紧接在多个VIGV下游。

轴向距离L可包括在80mm和650mm之间，例如在80mm和500mm之间，或在80mm和400mm之间，或在80mm和300mm之间，或在80mm和250mm之间，或在100mm和400mm之间，或在100mm和300mm之间，或在120mm和400mm之间，或在120mm和350mm之间，或在120mm和300mm之间，或在120mm和250mm之间，或在150mm和550mm之间。

差值ΔR可包括在60mm和280mm之间，例如在60mm和260mm之间，或在60mm和240mm之间，或在60mm和230mm之间，或在70mm和280mm之间，或在70mm和260mm之间，或在70mm和240mm之间，或在70mm和230mm之间，或在75mm和280mm之间，或在75mm和260mm之间，或在75mm和240mm之间，或在75mm和230mm之间。

ESS可包括40个至80个ESS轮叶，优选地为40个至60个。

VIGV的数量介于40和80之间，优选地介于40和60之间。

气体涡轮引擎可包括相等数量的ESS轮叶和VIGV。

ESS前缘可以不沿着径向方向线性地延伸。

VIGV的枢转轴线可以是基本上径向的。

由于VIGV的枢转轴线可沿着径向方向延伸，而ESS前缘可沿着曲线延伸，因此以不同跨度高度穿过ESS前缘点和VIGV枢转轴线点的对应纵向平面的之间的角度可沿着跨度改变。

例如，在90%跨度处，旋转角度α1（即，在穿过相应的90%跨度ESS前缘点的纵向平面与穿过相应的90%跨度VIGV枢转轴线点的纵向平面之间形成的角度）可小于或大于在70%跨度处的旋转角度α。例如，在90%跨度处的旋转角度α1可小于在70%跨度处的旋转角度α，并且可在0.05°至5°的范围内，例如在0.2°至5°的范围内，或在0.2°至4°的范围内。在另选的实施方案中，在90%跨度处的旋转角度α1可大于在70%跨度处的旋转角度α，并且可在0.2°至6°的范围内，例如在0.2°至5°的范围内，或在0.4°至5°的范围内。

例如，在50%跨度处，旋转角度α2（即，在穿过相应的50%跨度ESS前缘点的纵向平面与穿过相应的50%跨度VIGV枢转轴线点的纵向平面之间形成的角度）可小于或大于在70%跨度处的旋转角度α。例如，在50%跨度处的旋转角度α2可小于在70%跨度处的旋转角度α，并且可在0.05°至5°的范围内。在另选的实施方案中，在50%跨度处的旋转角度α2可大于在70%跨度处的旋转角度α，并且可在0.2°至6°的范围内。

气体涡轮引擎还可包括在ESS和VIGV之间布置在核心管道中的撑条。例如，气体涡轮引擎可包括一个或多个撑条。一个或多个撑条可在ESS下游布置在核心管道中。一个或多个撑条可在压缩机上游，特别是在VIGV上游布置在核心管道中。在包括一个或多个撑条的实施方案中，轴向距离L可包括在300mm和650mm之间，例如在350mm和650mm之间，或在400mm和650mm之间，或在450mm和650mm之间，或在300mm和600mm之间、或在350mm和600mm之间、或在400mm和600mm之间、或在450mm和600mm之间、或在300mm和550mm之间、或在350mm和550mm之间、或在400mm和550mm之间。此外，差值ΔR可包括在100mm和280mm之间，例如在120mm和280mm之间，或在140mm和280mm之间，或在160mm和280mm之间，或在100mm和260mm之间，或在120mm和260mm之间、或在140mm和260mm之间、或在160mm和260mm之间、或在100mm和240mm之间、或在120mm和240mm之间、或在140mm和240mm之间、或在160mm和240mm之间。

压缩机可以是第一压缩机，涡轮可以是第一涡轮，并且轴可以是第一轴。引擎核心还可包括第一压缩机下游的第二压缩机、第一涡轮上游的第二涡轮以及将第二涡轮与第二压缩机连接的第二轴。在存在多于一个压缩机的情况下，第一压缩机可以是核心管道中最上游的压缩机。

本公开在大型和中型齿轮式气体涡轮引擎中可能是特别有利的，其中结冰和冰脱落是特别关注的。

因此，气体涡轮引擎还可包括减速齿轮箱，该减速齿轮箱接收来自轴的输入并且将驱动输出到风扇，以便以比轴更低的旋转速度来驱动风扇。

齿轮箱的减速比可包括在3.1和3.8之间，优选地在3.1和3.7之间，更优选地在3.2和3.6之间。

气体涡轮引擎的特征可在于风扇，该风扇的直径包括在240cm和400cm之间，优选地在240cm和380cm之间，优选地在300cm和390cm之间，更优选地在330cm和380cm之间，甚至更优选地在335cm和360cm之间。

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，以便以比芯轴更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。

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、3.2、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）。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、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4（所有值都是无量纲的）。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气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的引擎数量的情况下，提供将确保该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。

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。

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是核心管道的纵向截面；

图5是沿图4的箭头6a-6a和6b-6b截取的核心管道的示意性前视图，以示出具有相应的第一纵向平面和第二纵向平面以及对应的旋转角度的ESS轮叶和VIGV；并且

图6是具有ESS轮叶和对应VIGV的核心管道的示意性等轴视图，示出了穿过70%跨度VIGV枢转轴线点的第一纵向平面和穿过相应的70%跨度ESS前缘点的对应第二纵向平面。

图1示出了具有主旋转轴线或引擎主轴线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并且限定旁路导管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。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。

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和低压涡轮17、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中示出了齿轮式风扇气体涡轮引擎10的示例性布置。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。

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。

图4示出了核心气流A通过其进入气体涡轮引擎10的核心11的入口管道50。入口管道50限定在内壁64和外壁66之间，该外壁设置在内壁64的径向外侧。内壁64的径向外表面65与外壁66的径向内表面67之间的环形间距限定包含核心气流A的核心管道。

在入口管道50中，以流式串联布置具有多个轮叶54的引擎区段定子（ESS）52、一排可变入口导向轮叶（VIGV）58、以及低压压缩机14的具有多个第一叶片62的第一转子60。任选地，撑条56可在ESS和低压压缩机14的第一转子60之间，例如在ESS和VIGV 58之间布置在入口管道50中。在ESS为结构性的情况下，即如果提供ESS 52以支撑内壁64和外壁66之间的负载，则可省略撑条56。

一般来讲，内壁64和外壁66的特征在于弯曲轮廓，并且从ESS 52朝向引擎主轴线9向内延伸到VIGV 58。

ESS轮叶54和VIGV将进入入口管道50的空气适当地朝向压缩机入口引导，例如以改善引擎性能并避免在第一叶片62处的流分离。

ESS轮叶54围绕引擎主轴线9周向均匀地间隔开，并且具有带有ESS前缘72和ESS后缘74的翼面轮廓。翼面轮廓在弦向方向上从前缘延伸到后缘，并且在展向方向上从径向向内的第一端延伸到径向向外的第二端。就此而言，ESS前缘72从对应于0%跨度的径向向内第一点71延伸到对应于100%跨度的径向向外第二点73。点71可被称为0%跨度ESS前缘点71，并且点73可被称为100%跨度ESS前缘点73。

中间跨度ESS前缘点PLE1在50%跨度处被限定在ESS前缘72上，在内壁64和外壁66之间的中间，或换句话讲，在0%跨度ESS前缘点71和100%跨度ESS前缘点73之间的中间。中间跨度ESS前缘点PLE1布置在距引擎主轴线9的第一半径R1处。

VIGV 58围绕引擎主轴线9周向均匀地布置成紧接在低压压缩机14的第一转子60上游。VIGV 58可围绕相应的径向或几乎径向的枢转轴线80旋转，例如借助于本身已知并且因此未详细示出的旋转机构。在典型的布置中，VIGV排中的每个单独的轮叶通常在轮叶翼面区段的径向内端和外端处支撑在两个轴颈轴承中。轴颈轴承允许轮叶翼面围绕其展向轴线旋转或枢转。该轴线通常相对于压缩机或引擎主轴线9是径向的或几乎径向的。

VIGV 58具有VIGV前缘76和VIGV后缘78，并且在弦向方向上从VIGV前缘76延伸到VIGV后缘78，并且在展向方向上从径向向内的第一端延伸到径向向外的第二端。就此而言，VIGV前缘76从对应于0%跨度的径向向内第一点75延伸到对应于100%跨度的径向向外第二点77。点75可被称为0%跨度VIGV前缘点75，并且点77可被称为100%跨度VIGV前缘点77。

中间跨度VIGV前缘点PLE2在50%跨度处被限定在VIGV前缘76上，在内壁64和外壁66之间的中间，或换句话讲，在0%跨度VIGV前缘点75和100%跨度VIGV前缘点77之间的中间。中间跨度VIGV前缘点PLE2布置在距引擎主轴线9的第二半径R2处。第一半径R1通常大于第二半径R2，并且R1与R2之间的差值ΔR包括在60mm和280mm之间，优选地在150mm和260mm之间。在一个实施方案中，R1与R2之间的差值ΔR为例如200mm。

中间跨度ESS前缘点PLE1与中间跨度VIGV前缘点PLE2轴向相距轴向距离L。例如，轴向距离L包括在300mm和650mm之间，优选地在450mm和650mm之间。在一个实施方案中，轴向距离L为例如500mm。第一半径R1和第二半径R2之间的差值ΔR与轴向距离L的比率ΔR/L包括在0.23和0.70之间，优选地在0.40和0.70之间。在一个实施方案中，比率ΔR/L例如等于0.45。

VIGV 58被布置成相对于ESS轮叶54围绕引擎主轴线9成角度地旋转旋转角度α，使得VIGV 58相对于ESS轮叶54定位在受防护的位置，以减少接触VIGV的水滴并因此减少冰积聚。具体地讲，VIGV 58被定位成使得VIGV 58的径向外部部分受到防护。径向外部部分可被限定为VIGV 58在40%和100%跨度高度之间的部分。

将参考图5和图6进一步描述ESS轮叶54和VIGV 58的相互布置。

图5是沿图4的箭头6a-6a和6b-6b截取的入口管道50的示意性简化前视图，以示出ESS轮叶54和对应的VIGV 58。实际上，图5示出了在穿过在ESS前缘72上的70%跨度处限定的点90的第一横向平面处截取的第一横截面6a-6a，以及在穿过在枢转轴线80上的70%跨度处限定的点92的第二横向平面处截取的第二横截面6b-6b。点90可被称为70%跨度ESS前缘点90，并且点92被称为70%跨度VIGV枢转轴线点92。

为简单起见，并未示出核心管道50的所有ESS轮叶54和VIGV 58。

图5进一步示出了穿过相应的70%跨度ESS前缘点90的第一纵向平面LP1和穿过相应的70%跨度VIGV枢转轴线点92的第二纵向平面LP2。

第一纵向平面LP1和第二纵向平面LP2穿过引擎主轴线9。

每个第一纵向平面LP1相对于对应的第二纵向平面LP2成角度地旋转旋转角度α。

对于每个第一纵向平面LP1，对应的第二纵向平面LP2被限定为顺时针方向上的相邻第二纵向平面LP2，如从引擎的前部所见，即如图5所示。类似地，对于每个ESS轮叶54，对应的VIGV 58被限定为顺时针方向上的相邻VIGV 58，如从引擎的前部所见。

ESS轮叶54和VIGV 58具有包括在40和80之间的相同数量，例如48、或54、或60，并且当ESS轮叶54和VIGV 58两者围绕引擎主轴线9均匀地成角度地布置时，对于每对ESS轮叶58和对应的VIGV 58，旋转角度α是相同的。

必须注意，VIGV 58可围绕相应的枢转轴线80旋转，并且因此VIGV前缘76相对于ESS前缘72移动，而枢转轴线80不移动。因此，对于任何跨度高度，ESS前缘72和枢转轴线80的相互位置不改变，即使VIGV旋转。换句话讲，第一纵向平面LP1与第二纵向平面LP2之间的旋转角度α不取决于VIGV旋转，并且不随VIGV围绕枢转轴线80的旋转而变化。

此外，应当指出的是，由于ESS轮叶的大致3D形状，和/或枢转轴线80的不完全径向取向，穿过ESS前缘72和VIGV枢转轴线80上的不同跨度高度处（即，在不同于70%的跨度高度处）的点的对应纵向平面之间的旋转角度可随跨度高度而变化，但不会随着VIGV旋转。

图6示出了核心管道50的实施方案的细节的等轴视图，该核心管道具有布置在内壁64和外壁66之间的ESS轮叶54和对应VIGV 58。图6的实施方案不包括撑条56。

图6还示出了穿过ESS轮叶54的70%跨度ESS前缘点90的第一纵向平面LP1和穿过VIGV 58的70%跨度VIGV枢转轴线点92的第二纵向平面LP2。当从引擎的前面观察时，第二纵向平面LP2沿顺时针方向围绕引擎主轴线9从第一纵向平面LP1旋转旋转角度α。在实施方案中，旋转角度α包括在0.1°和6°之间，例如2°、或2.5°、或3°。

第一纵向平面LP1沿着第一线94与内壁64相交，并且沿着第二线96与外壁66相交。第一线94和第二线96两者在图6中均示出为虚线。

第二纵向平面LP2沿着第三线98与内壁64相交，并且沿着第四线100与外壁66相交。第三线98和第四线100两者在图6中均示出为虚线。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离如所附权利要求中描述的本发明的范围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 (11)

1.一种气体涡轮引擎，所述气体涡轮引擎包括：

-风扇，所述风扇围绕引擎主轴线旋转并且生成核心气流和旁路气流；

-核心管道，所述核心气流跨过所述核心管道流动；

-引擎核心，所述引擎核心包括：

-压缩机，所述压缩机用于压缩所述核心气流并且包括多个级，每个级包括一排转子叶片和一排定子轮叶，所述多个级中的第一级布置在所述压缩机的入口处；

-燃烧设备；以及

-涡轮，所述涡轮通过轴连接到所述压缩机；

-引擎区段定子（ESS），所述ESS包括多个ESS轮叶并且在所述风扇下游布置在所述核心管道中，每个ESS轮叶包括ESS前缘和ESS后缘；以及

-适于围绕枢转轴线旋转并且在所述ESS下游和所述压缩机上游布置在所述核心管道中的多个可变入口导向轮叶（VIGV），每个可变入口导向轮叶（VIGV）包括VIGV前缘和VIGV后缘，

其中中间跨度ESS前缘点PLE1布置在距所述引擎主轴线的第一半径R1处，并且中间跨度VIGV前缘点PLE2布置在距所述引擎主轴线的第二半径R2处，所述中间跨度ESS前缘点PLE1位于距所述中间跨度VIGV前缘点PLE2的轴向距离L处，

其中所述第一半径R1和所述第二半径R2之间的差值ΔR与所述轴向距离L的比率ΔR/L包括在0.23和0.70之间，优选地在0.40和0.70之间，并且

其中所述VIGV轮叶被布置成相对于所述ESS轮叶成角度地旋转，使得穿过相应的70%跨度ESS前缘点的第一纵向平面相对于穿过相应的70%跨度VIGV枢转轴线点的对应第二纵向平面旋转包括在0.1°和6°之间的旋转角度α。

2.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述枢转轴线是基本上径向的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，其中所述ESS包括40个至80个ESS轮叶，优选地为40个至60个。

4.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，其中所述VIGV的数量介于40和80之间，优选地介于40和60之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，还包括撑条，所述撑条在所述ESS和所述VIGV之间布置在所述核心管道中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，其中所述压缩机是第一压缩机，所述涡轮是第一涡轮，并且所述轴是第一轴，所述引擎核心还包括所述第一压缩机下游的第二压缩机、所述第一涡轮上游的第二涡轮以及将所述第二涡轮与所述第二压缩机连接的第二轴。

7.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，还包括减速齿轮箱，所述减速齿轮箱接收来自所述轴的输入并将驱动输出至所述风扇，以便以比所述轴低的旋转速度来驱动所述风扇。

8.根据前述权利要求所述的气体涡轮引擎，其中所述齿轮箱具有包括在3.1和3.8之间、优选地在3.1和3.7之间、更优选地在3.2和3.6之间的减速比。

9.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，其中所述风扇具有包括在240cm和400cm之间、优选地在300cm和390cm之间、更优选地在330cm和380cm之间、甚至更优选地在335cm和360cm之间的直径。

10.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，其中所述轴向距离L包括在80mm和650mm之间，优选地在150mm和550mm之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的气体涡轮引擎，其中所述差值包括在60mm和280mm之间，优选地在75mm和260mm之间。

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