CN115750135A - 具有第三流的燃气涡轮发动机 - Google Patents

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CN115750135A
CN115750135A CN202211072518.7A CN202211072518A CN115750135A CN 115750135 A CN115750135 A CN 115750135A CN 202211072518 A CN202211072518 A CN 202211072518A CN 115750135 A CN115750135 A CN 115750135A
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turbine engine
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大卫·马里恩·奥斯迪克
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General Electric Co
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Abstract

一种限定中心线和周向方向的燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括：涡轮机，涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，涡轮机限定工作气体流动路径和风扇管道流动路径；初级风扇，初级风扇由涡轮机驱动，初级风扇限定初级风扇尖端半径R1和初级风扇毂半径R2；次级风扇，次级风扇位于初级风扇下游并由涡轮机驱动，来自初级风扇的气流的至少一部分被构造为绕过次级风扇，次级风扇限定次级风扇尖端半径R3和次级风扇毂半径R4，其中次级风扇被构造为在操作期间通过风扇管道流动路径提供风扇管道气流以生成风扇管道推力，其中风扇管道推力等于在标准日操作条件期间以额定速度操作燃气涡轮发动机期间的总发动机推力的％Fn3S；其中R1与R3的比等于
Figure DDA0003829594940000011
其中EFP在1.5和11之间，其中RqRPrim.‑Fan是R1与R2的比，并且其中RqRSec.‑Fan是R3与R4的比。

Description

具有第三流的燃气涡轮发动机
相关申请的交叉引用
本申请是根据35 U.S.C.§119(e)要求2021年9月3日提交的美国临时申请第63/240,796号的优先权的非临时申请，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种具有第三流的燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括风扇和涡轮机。涡轮机通常包括入口、一个或多个压缩机、燃烧器和至少一个涡轮。压缩机压缩空气，空气被引导到燃烧器，在燃烧器中空气与燃料混合。然后点燃混合物以生成热燃烧气体。燃烧气体被引导到涡轮，涡轮从燃烧气体中提取能量以为压缩机提供动力，并产生有用功来推动飞行中的飞行器。涡轮机机械地联接到风扇，用于在操作期间驱动风扇。
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公开的完整且有效的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的三流发动机的示意横截面视图。
图2A到2D是本公开的示例实施例的表。
图3是描绘根据本公开的各种示例实施例的第三流的半径比(R1对R3)与推力百分比的范围的曲线图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指代本公开的相似或类似部分。
本文使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或好于其他实施方式。此外，除非另有明确说明，否则本文描述的所有实施例都应视为示例性的。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，而后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
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”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
除非本文另有说明，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等既指直接联接、固定或附接，也指通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用。
如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言被应用于修饰可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生改变的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”、“大致”和“基本上”的术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在单个值、值范围和/或限定值范围的端点的1％、2％、4％、5％、10％、15％或20％的裕度内。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被识别并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。
如本文所用，“第三流”是指能够增加流体能量以产生少量总推进系统推力的非初级空气流。第三流的压力比可以高于初级推进流(例如，旁通或螺旋桨驱动的推进流)的压力比。推力可以通过专用喷嘴或通过将通过第三流的气流与例如进入公共喷嘴的初级推进流或核心空气流混合来产生。
在某些示例性实施例中，通过第三流的气流的操作温度可以低于发动机的最大压缩机排放温度，并且更具体地，可以低于350华氏度(例如低于300华氏度，例如低于250华氏度，例如低于200华氏度，并且至少与环境温度一样高)。在某些示例性实施例中，这些操作温度可以促进热传递至通过第三流和单独流体流的气流或从通过第三流和单独流体流的气流传递热量。此外，在某些示例性实施例中，在起飞条件下，或更具体地，在海平面以额定起飞功率、静态飞行速度、86华氏度环境温度操作条件下操作时，通过第三流的气流可以贡献少于总发动机推力的50％(并且至少例如总发动机推力的2％)。
此外，在某些示例性实施例中，通过第三流的气流的方面(例如，气流、混合或排气特性)，并且由此对总推力的上述示例性百分比贡献，可以在发动机操作期间被动地调整或通过使用发动机控制特征(例如燃料流动、电机功率、可变定子、可变入口导向轮叶、阀、可变排气口几何形状或流体特征)有目的地修改，以在广泛的潜在操作条件下调整或优化整体系统性能。
术语“盘负载”是指跨转子组件的多个转子叶片的平均压力变化，例如跨风扇的多个风扇叶片的平均压力变化。
术语“额定速度”是指发动机的操作条件，由此发动机在制造商额定的最大满负载操作条件下操作。
术语“标准日操作条件”是指海平面高度、59华氏度和60％相对湿度的环境条件。
术语“推进效率”是指包含在发动机燃料中的能量被转化为用于包含发动机的运载器的动能，以加速该运载器或弥补由于空气动力阻力或重力造成的损失的效率。
术语“旁通比”是指在发动机中绕过发动机的管道式入口的气流量与通过发动机的管道式入口的量之比。例如，在下文讨论的图1的实施例中，旁通比是指来自风扇152的流过风扇罩170的气流量比上来自风扇152的流过发动机入口182的气流量。
对于具有风扇叶片的风扇，术语“校正的尖端速度”是指在风扇叶片的外尖端处沿径向方向被校正为对应于标准日条件的风扇叶片的速度(即，如果上游温度对应于标准日条件，则是风扇叶片在其外尖端处旋转的速度)。
通常，涡轮风扇发动机包括相对大的风扇，以提供期望量的推力而不会使风扇叶片过载(即，不会使风扇的风扇叶片的盘负载增加超过某个阈值)，并因此维持涡轮风扇发动机的期望整体推进效率。传统涡轮风扇发动机设计实践是在发动机上提供大风扇，或者更确切地说大直径风扇，以便为涡轮风扇发动机提供尽可能多的总推力。在设计传统涡轮风扇发动机时，目标是最大化涡轮风扇发动机的推进效率。然而，包括这种大风扇的涡轮风扇发动机可能会导致例如将涡轮风扇发动机封装在飞行器上、相对较重的涡轮风扇发动机(尤其是对于管道式涡轮风扇发动机)等问题。此外，随着对涡轮风扇发动机提供更大推力的需求继续存在，对涡轮风扇发动机的热要求相应增加。
然而，本公开的发明人发现，对于具有初级风扇和次级风扇的三流涡轮风扇发动机，其中次级风扇是向发动机的第三流提供气流的管道式风扇，可以减少来自初级风扇的所需推力生成量，而次级风扇通过第三流提供差异。这样的构造可以维持涡轮风扇发动机的期望整体推进效率，或者出乎意料地实际上可以增加涡轮风扇发动机的超推进效率。
在几种不同类型的涡轮风扇发动机(包括下面参考图1描述的燃气涡轮发动机)的设计期间，发明人以以下方式进行：设计具有给定初级风扇特性、次级风扇特性和涡轮机特性的发动机；检查设计的涡轮风扇发动机的推进效率；重新设计具有不同初级风扇、次级风扇和涡轮机特性的涡轮风扇发动机；重新检查重新设计的涡轮风扇发动机的推进效率；等等。在研究/评估被认为是可行的以最好地满足任务要求的各种初级风扇特性、次级风扇特性和涡轮机特性的实践期间，发现在由第三流(如本文所限定)提供的总涡轮风扇发动机推力的百分比和涡轮风扇的初级风扇与次级风扇的相对尺寸，或更具体地，初级风扇与次级风扇的半径比之间存在一定关系。如本文所述，所得到的半径比与第三流推力的关系可以被认为是涡轮风扇发动机经由第三流维持或甚至提高期望推进效率的能力的指标，此外，还指示改进涡轮风扇发动机的封装问题和重量问题，以及热管理能力。
现在参考图1，提供了根据本公开的另一个示例实施例的燃气涡轮发动机的示意横截面视图。特别地，图1提供了具有转子组件的发动机，该转子组件具有单级非管道式转子叶片。以这种方式，转子组件在本文中可以被称为“非管道式风扇”，或整个发动机100可以被称为“非管道式发动机”。此外，图1的发动机包括从压缩机区段延伸到涡轮机上的转子组件流动路径的第三流，这将在下面更详细地解释。
作为参考，发动机100限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。此外，发动机100限定沿轴向方向A延伸的轴向中心线或纵向轴线112。一般来说，轴向方向A平行于纵向轴线112延伸，径向方向R在垂直于轴向方向A的方向上从纵向轴线112向外延伸和向内朝向纵向轴线112延伸，并且周向方向围绕纵向轴线112延伸三百六十度(360°)。发动机100例如沿轴向方向A在前端114和后端116之间延伸。
发动机100包括涡轮机120和定位在其上游的转子组件，也称为风扇区段150。通常，涡轮机120以串行流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。特别地，如图1所示，涡轮机120包括限定环形核心入口124的核心罩122。核心罩122进一步至少部分地包围低压系统和高压系统。例如，所示的核心罩122至少部分地包围和支撑增压或低压(“LP”)压缩机126，增压或低压(“LP”)压缩机126用于对通过核心入口124进入涡轮机120的空气加压。高压(“HP”)多级轴流式压缩机128从LP压缩机126接收加压空气，并进一步增加空气的压力。加压气流向下游流动到燃烧区段的燃烧器130，在燃烧器130中燃料被注入到加压气流中，并被点燃以提高加压空气的温度和能量水平。
应当理解，如本文所用，术语“高/低速”和“高/低压”相对于高压/高速系统和低压/低速系统可互换地使用。此外，应当理解，术语“高”和“低”在同一上下文中用于区分这两个系统，并不意味着暗示任何绝对速度和/或压力值。
高能燃烧产物从燃烧器130向下游流动到高压涡轮132。高压涡轮128通过高压轴136驱动高压压缩机128。在这点上，高压涡轮128与高压压缩机128驱动地联接。然后高能燃烧产物流向低压涡轮134。低压涡轮134通过低压轴138驱动低压压缩机126和风扇区段150的部件。在这点上，低压涡轮134与低压压缩机126和风扇区段150的部件驱动地联接。在该示例实施例中，LP轴138与HP轴136同轴。在驱动涡轮132、134中的每一个之后，燃烧产物通过涡轮机排气喷嘴140离开涡轮机120。
因此，涡轮机120限定在核心入口124和涡轮机排气喷嘴140之间延伸的工作气体流动路径或核心管道142。核心管道142是沿径向方向R大致定位在核心罩122内侧的环形管道。核心管道142(例如，通过涡轮机120的工作气体流动路径)可以被称为第二流。
风扇区段150包括风扇152，在本示例实施例中，风扇152是初级风扇。对于图1所示的实施例，风扇152是开式转子或非管道式风扇152。如所描绘的，风扇152包括风扇叶片154的阵列(图1中仅示出一个)。风扇叶片154例如绕纵向轴线112是可旋转的。如上所述，风扇152经由LP轴138与低压涡轮134驱动地联接。对于图1所示的实施例，例如在间接驱动或齿轮驱动构造中，风扇152经由减速齿轮箱155与LP轴138联接。
此外，风扇叶片154可以围绕纵向轴线112以相等间距布置。每个叶片154具有根部和尖端，以及限定在它们之间的跨度。此外，每个风扇叶片154限定沿径向方向R从纵向轴线12到尖端的风扇叶片尖端半径R1，以及沿径向方向R从纵向轴线12到基部的毂半径(或内半径)R2。此外，风扇152，或者更确切地说风扇152的每个风扇叶片154，限定等于R1除以R2的风扇半径比RqR。由于风扇150是发动机100的初级风扇，因此风扇152的风扇半径比RqR可以被称为初级风扇半径比RqRPrim.-Fan。
此外，每个叶片154限定中心叶片轴线156。对于该实施例，风扇152的每个叶片154可围绕它们各自的中心叶片轴线156例如彼此一致地旋转。提供一个或多个致动器158以促进这种旋转，并因此可用于改变叶片154围绕它们各自的中心叶片轴线156的螺距。
风扇区段150还包括风扇导向轮叶阵列160，该风扇导向轮叶阵列160包括围绕纵向轴线112设置的风扇导向轮叶162(图1中仅示出一个)。对于该实施例，风扇导向轮叶162不能绕纵向轴线112旋转。每个风扇导向轮叶162具有根部和尖端，以及限定在它们之间的跨度。风扇导向轮叶162可以如图1所示不被遮盖，或者替代地，可以被例如沿径向方向R与风扇导向轮叶162的尖端向外间隔开或附接到风扇导向轮叶162的环形护罩遮盖。
每个风扇导向轮叶162限定中心叶片轴线164。对于该实施例，风扇导向轮叶阵列160中的每个风扇导向轮叶162可绕它们各自的中心叶片轴线164例如彼此一致地旋转。提供一个或多个致动器166以促进这种旋转，并因此可用于改变风扇导向轮叶162绕它们各自的中心叶片轴线164的螺距。然而，在其他实施例中，每个风扇导向轮叶162可以固定或不能绕其中心叶片轴线164改变螺距。风扇导向轮叶162安装到风扇罩170。
如图1所示，除了非管道式风扇152之外，在风扇152的后面还包括管道式风扇184，使得发动机100包括管道式风扇和非管道式风扇，它们都用于在不通过涡轮机120的至少一部分(例如，对于所描绘的实施例，不通过HP压缩机128和燃烧区段)的情况下，通过空气的移动生成推力。管道式风扇可绕与风扇叶片154相同的轴线旋转。对于所描绘的实施例，管道式风扇184由低压涡轮134驱动(例如，联接到LP轴138)。在所描绘的实施例中，如上所述，风扇152可称为初级风扇，并且管道式风扇184可称为次级风扇。应当理解，这些术语“初级”和“次级”是方便的术语，并不暗示任何特定的重要性、权力等。
管道式风扇184包括多个风扇叶片(图1中未单独标记)。管道式风扇184的风扇叶片可以围绕纵向轴线112以相等间距布置。管道式风扇184的每个叶片具有根部和尖端，以及限定在它们之间的跨度。此外，管道式风扇184的每个风扇叶片限定沿径向方向R从纵向轴线12到尖端的风扇叶片尖端半径R3，以及沿径向方向R从纵向轴线12到基部的毂半径(或内半径)R4。此外，管道式风扇184，或者更确切地说管道式风扇184的每个风扇叶片，限定等于R3除以R4的风扇半径比RqR。由于管道式风扇184是发动机100的次级风扇，管道式风扇184的风扇半径比RqR可以被称为次级风扇半径比RqRSec.-Fan。
风扇罩170环形地包围核心罩122的至少一部分，并且大致沿径向方向R定位在核心罩122的至少一部分的外侧。特别地，风扇罩170的下游区段在核心罩122的前部分上延伸，以限定风扇流动路径或风扇管道172。根据该实施例，风扇流动路径或风扇管道172可以被理解为形成发动机100的第三流的至少一部分。
进入的空气可以通过风扇管道入口176进入风扇管道172，并且可以通过风扇排气喷嘴178离开以产生推进推力。风扇管道172是沿径向方向R大致定位在核心管道142外侧的环形管道。风扇罩170和核心罩122连接在一起，并由多个基本上径向延伸、周向间隔开的静止支柱174(图1中仅示出一个)支撑。静止支柱174可以各自在空气动力学上成形为引导空气由此流动。除了静止支柱174之外的其他支柱可用于连接和支撑风扇罩170和/或核心罩122。在许多实施例中，风扇管道172和核心管道142可以在核心罩122的相对侧(例如，相对的径向侧)至少部分地共同延伸(大致轴向地)。例如，风扇管道172和核心管道142可以各自直接从核心罩122的前缘144延伸，并且可以在核心罩的相对径向侧大致轴向地部分地共同延伸。
发动机100还限定或包括入口管道180。入口管道180在发动机入口182和核心入口124/风扇管道入口176之间延伸。发动机入口182大致限定在风扇罩170的前端，并且沿轴向方向A定位在风扇152和风扇导向轮叶阵列160之间。入口管道180是环形管道，其沿径向方向R定位在风扇罩170的内侧。沿入口管道180向下游流动的空气通过核心罩122的分流器或前缘144分流(不一定均匀)进入核心管道142和风扇管道172。入口管道180沿径向方向R比核心管道142宽。入口管道180沿径向方向R也比风扇管道172宽。
在发动机100以操作条件操作期间，发动机100生成总推力FnTotal。操作条件可以是在标准日操作条件期间发动机100以额定速度操作。总推力是第一流推力Fn1S(例如，由风扇罩170和核心罩122上方的气流生成的、由风扇152生成的初级风扇推力)、第三流推力Fn3S(例如，由通过风扇排气喷嘴178离开的通过风扇管道172的气流生成的、至少部分地由管道式风扇184生成的推力)、以及第二流推力Fn2S(例如，由通过排气喷嘴140离开的通过核心管道142的气流生成的推力)的总和。
值得注意的是，对于所描绘的实施例，发动机100包括一个或多个特征以增加第三流推力Fn3S的效率。特别地，发动机100还包括入口导向轮叶186的阵列，其定位在管道式风扇184上游和发动机入口182下游的入口管道180中。入口导向轮叶186的阵列围绕纵向轴线112布置。对于该实施例，风扇入口导向轮叶186不能绕纵向轴线112旋转。每个入口导向轮叶186限定中心叶片轴线(为清楚起见未标记)，并且可绕它们各自的中心叶片轴线例如彼此一致地旋转。提供一个或多个致动器188以促进这种旋转，并因此可用于改变入口导向轮叶186绕它们各自的中心叶片轴线的螺距。然而，在其他实施例中，每个入口导向轮叶186可以绕其中心叶片轴线固定或不能绕其中心叶片轴线俯仰。
此外，在管道式风扇184的下游和风扇管道入口176的上游，发动机100包括出口导向轮叶190的阵列。与入口导向轮叶186的阵列一样，出口导向轮叶190的阵列不能绕纵向轴线112旋转。然而，对于所描绘的实施例，与入口导向轮叶186的阵列不同，出口导向轮叶190的阵列被构造为固定螺距出口导向轮叶。
此外，应当理解，对于所描绘的实施例，风扇管道172的风扇排气喷嘴178还被构造为可变几何形状排气喷嘴。以这种方式，发动机100包括用于调节可变几何形状排气喷嘴的一个或多个致动器192。例如，可变几何形状排气喷嘴可以被构造为改变总横截面面积(例如，喷嘴在垂直于纵向轴线112的平面中的面积)，以调节基于一个或多个发动机操作条件(例如，通过风扇管道172的气流的温度、压力、质量流率等)生成的推力量。也可以采用固定几何形状排气喷嘴。
位于管道式风扇184上游的入口导向轮叶186的阵列、位于管道式风扇184下游的出口导向轮叶190的阵列和排气喷嘴178的组合可以导致在一个或多个发动机操作条件期间更有效地生成第三流推力Fn3S。此外，通过在入口导向轮叶186和排气喷嘴178的几何形状中引入可变性，发动机100能够在相对广泛的发动机操作条件(包括起飞和爬升(通常需要最大总发动机推力FnTotal)以及巡航(通常需要较少量的总发动机推力FnTotal))下生成更有效的第三流推力Fn3S。
仍然参考图1，在示例性实施例中，通过风扇管道172的空气可以比涡轮机120中使用的一种或多种流体相对更冷(例如，更低的温度)。这样，一个或多个热交换器200可以定位成与风扇管道172热连通。例如，一个或多个热交换器200可以设置在风扇管道172内，并用于冷却来自核心发动机的一种或多种流体(其中空气通过风扇管道172)，作为用于从流体(例如，压缩机引气、油或燃料)中去除热量的资源。
尽管未描绘，但热交换器200可以是在风扇管道172中大致延伸360度(例如，至少300度，例如至少330度)的环形热交换器。以这种方式，热交换器200可以有效地利用通过风扇管道172的空气，以冷却发动机100的一个或多个系统(例如，润滑油系统、压缩机引气、电气部件等)。热交换器200使用通过管道172的空气作为散热器，并且相应地增加热交换器200下游且离开喷嘴178的空气的温度。
如前所述，发明人在涡轮风扇发动机设计(即，设计具有各种不同初级风扇特性和次级风扇特性(物理特性和操作特性)的涡轮风扇发动机(管道式和非管道式涡轮风扇发动机)并且评估整体推进效率)过程中意外地发现，在由第三流(如本文限定)提供的总涡轮风扇发动机推力的百分比和涡轮风扇的初级风扇与次级风扇的相对尺寸之间存在显著关系。如本文所述，所得到的半径比与第三流推力的关系可以被认为是涡轮风扇发动机经由第三流维持或甚至提高期望推进效率的能力的指标，此外，还指示改进涡轮风扇发动机的封装问题和重量问题，以及热管理能力。
如将理解的，更高和更低的第三流推力改变涡轮风扇发动机的封装能力和涡轮风扇发动机的散热器能力。例如，来自通过第三流的气流的增加的推力通常意味着通过第三流的更多气流(以质量流率为基础)，这反过来意味着这种气流的热容量更大。此外，发明人发现从第三流提供的推力太小，涡轮风扇发动机可能不必大(并因此更难以包装)和重，并且进一步可能无法提供期望量的散热器能力。如果通过第三流提供过多推力，则发动机可能无法充分利用可以由初级风扇生成的相对有效的推力。
上述关系可以是涡轮风扇发动机的旁通比的函数，其通常受合理发动机温度(包括操作温度，例如排气温度(EGT))限制。例如，如鉴于前述教导将理解的，初级风扇的半径相对于次级风扇的半径，以及在操作期间由通过第三流的气流生成的总涡轮风扇发动机推力的百分比，每一个都部分地是旁通比的函数，并且共同表征上述关系中的平衡。
架构的许多方面决定了涡轮风扇发动机的旁通比。例如，旁通比部分地是初级风扇的校正尖端速度相对于次级风扇的校正尖端速度以及相应初级风扇和次级风扇的特定推力的函数。初级风扇和次级风扇的特定推力又分别是初级风扇和次级风扇的压力比以及初级风扇和次级风扇上的盘负载(也称为功率负载)的函数。这些因素也影响上述关系中的平衡，如下面将参考有效风扇参数EFP更详细地描述。
如上所述，本公开的发明人发现了被构造为由通过第三流的气流提供的发动机推力的百分比与初级风扇和次级风扇的半径比之间的关系，其可导致涡轮风扇发动机维持或甚至提高期望推进效率，同时还改进涡轮风扇发动机的封装问题和重量问题，并且还提供期望热管理能力。
利用这种关系，发明人发现结合初级风扇和次级风扇并限定第三流的合适或可行的涡轮风扇发动机设计的数量能够满足推进效率要求，并且包装、重量和散热器要求可以大大减少，从而有助于在开发涡轮风扇发动机时更快速地选择要考虑的设计。在完全开发特定技术、集成和系统要求之前，这样的益处可以更深入地了解给定涡轮风扇发动机的要求。它避免了后期的重新设计。期望关系由以下方程式(1)表示：
方程式(1)：
Figure BDA0003829594920000091
其中，R1是初级风扇的尖端半径，R2是初级风扇的毂半径，R3是次级风扇的尖端半径，R4是次级风扇的毂半径，RqRPrim.-Fan是R1与R2的比，RqRSec.-Fan是R3与R4的比，％Fn3S是通过第三流的推力相对于发动机的总推力的百分比(例如，对于图1的实施例，Fn3S除以FnTotal)，EFP被称为有效风扇参数。就方程式(1)而言，％Fn3S是在标准日操作条件期间以额定速度操作发动机时限定的。
EFP是初级风扇的校正尖端速度、次级风扇的校正尖端速度、初级风扇的盘负载和次级风扇的盘负载的函数。通过考虑初级风扇和次级风扇的校正尖端转速，EFP考虑到具体发动机构造(例如，齿轮传动、直接驱动等)等因素，这些因素可能对具有期望推进效率的涡轮风扇发动机的尖端半径比(R1与R3)和通过第三流的推力百分比(％Fn3S)之间的关系产生一定影响。上面更详细地描述了对EFP的这些促成因素与涡轮风扇发动机的尖端半径比(R1与R3)和通过第三流的推力百分比(％Fn3S)的关系。
Rl/R3的值和由方程式(1)限定的发动机的影响特性的对应值列于表1中：
Figure BDA0003829594920000111
图2A至图2D和图3示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的燃气涡轮发动机，示出了尖端半径比与通过第三流的推力百分比之间的关系。特别地，图2A至2D提供了包括对应于图3中绘制的若干燃气涡轮发动机的数值的表。图3是根据本公开的一个或多个示例性实施例的燃气涡轮发动机的曲线图，示出了尖端半径比(R1与R3；Y轴)与通过第三流的推力百分比(％Fn3S；X轴)之间的关系。
值得注意的是，在图3中，提供了第一范围和第二范围。第一范围可以对应于1.5和11之间的EFP，其中％Fn3S等于约2％和约50％之间。这可以导致发动机具有期望推进效率。
第二范围可以对应于约2.5和约4的EFP，其中％Fn3S等于约5％和约20％之间。这可以导致发动机具有更优选的推进效率。
如将从本文的描述理解的，提供了燃气涡轮发动机的各种实施例。这些实施例中的某些实施例可以是非管道式单转子燃气涡轮发动机或管道式涡轮风扇发动机。管道式涡轮风扇发动机的示例可在2020年3月6日提交的美国专利申请第16/811,368号(公开为美国专利申请公开第2021/0108597号)中找到(图10，第[0062]段等；包括围绕旋转元件20的翼型件叶片21和围绕静止元件30的轮叶31的环形风扇壳体13；并且包括第三流/风扇管道73(如图10所示，在整个申请中广泛描述))。下面讨论这些实施例中的一个或多个的各种附加方面。这些示例性方面可以与以上关于附图讨论的示例性燃气涡轮发动机中的一个或多个组合。
例如，在本公开的一些实施例中，发动机可以包括位于环形管道中(例如第三流中)的热交换器。热交换器可以在燃气涡轮发动机的周向方向上基本连续地延伸(例如，至少约300度，例如至少约330度)。
在这些实施例中的一个或多个中，在巡航操作模式期间的巡航高度下，风扇(例如，非管道式单转子或前初级风扇)的阈值功率或盘负载可以在25马力/平方英尺(hp/ft2)或更大的范围内。在发动机的特定实施例中，在巡航操作模式期间的巡航高度下，本文提供的结构和方法生成在80hp/ft2和160hp/ft2之间或更高的功率负载，这取决于发动机是开式转子还是管道式发动机。
在各种实施例中，本公开的发动机应用于巡航高度高达大约65,000ft的运载器。在某些实施例中，巡航高度在大约28,000ft和大约45,000ft之间。在又一些实施例中，巡航高度表示为基于海平面处的标准气压的飞行高度，其中巡航飞行条件在FL280和FL650之间。在另一个实施例中，巡航飞行条件在FL280和FL450之间。在又一些实施例中，巡航高度至少基于大气压力来限定，其中基于大约14.70psia的海平面压力和大约59华氏度的海平面温度，巡航高度在大约4.85psia和大约0.82psia之间。在另一个实施例中，巡航高度在大约4.85psia和大约2.14psia之间。应当理解，在某些实施例中，由压力限定的巡航高度范围可以基于不同的参考海平面压力和/或海平面温度来调整。
因此，应当理解，这种构造的发动机可以被构造为在以额定速度操作期间生成至少约25,000磅且小于约80,000的推力，例如在以额定速度操作期间生成约25,000和50,000磅之间的推力，例如在以额定速度操作期间生成约25,000和40,000磅之间的推力。
在各种示例性实施例中，风扇可包括十二(12)个风扇叶片。从负载的角度来看，这样的叶片数可以允许减小每个叶片的跨度，使得初级风扇的总直径也可以减小(例如，在一个示例性实施例中减小到约12英尺)。也就是说，在其他实施例中，风扇可以具有任何合适的叶片数和任何合适的直径。在某些合适的实施例中，风扇包括至少八(8)个叶片。在另一个合适的实施例中，风扇可以具有至少十二(12)个叶片。在又一个合适的实施例中，风扇可以具有至少十五(15)个叶片。在又一个合适的实施例中，风扇可以具有至少十八(18)个叶片。在这些实施例中的一个或多个中，风扇包括二十六(26)个或更少叶片，例如二十(20)个或更少叶片。
此外，在某些示例性实施例中，转子组件可以限定至少10英尺(例如至少11英尺、例如至少12英尺、例如至少13英尺、例如至少15英尺、例如至少17英尺、例如高达28英尺、例如高达26英尺、例如高达24英尺、例如高达18英尺)的转子直径(或风扇直径)。
在各种实施例中，应当理解，发动机包括可以小于、等于或大于1:1的轮叶数量与叶片数量的比。例如，在特定实施例中，发动机包括十二(12)个风扇叶片和十(10)个轮叶。在其他实施例中，轮片组件包括比风扇叶片更多的轮叶数量。例如，在特定实施例中，发动机包括十(10)个风扇叶片和二十三(23)个轮叶。例如，在某些实施例中，发动机可以包括在1:2和5:2之间的轮叶数量与叶片数量的比。该比可以基于包括轮叶尺寸在内的多种因素进行调整，以确保为来自初级风扇的气流去除期望量的旋流。
此外，在某些示例性实施例中，在发动机包括第三流和中风扇(前初级风扇之后的管道式风扇)的情况下，比R1/R2可以在约1和10之间，或2和7之间，或至少约3.3、至少约3.5、至少约4且小于或等于约7，其中R1是初级风扇的半径，R2是中风扇的半径。
应当理解，发动机(例如本文描绘和描述的单非管道式转子发动机)的各种实施例可以允许等于或高于0.5马赫的正常亚音速飞行器巡航高度操作。在某些实施例中，发动机允许在巡航高度在0.55马赫和0.85马赫之间的正常飞行器操作。在仍然特定实施例中，发动机允许在0.75马赫和0.85马赫之间的正常飞行器操作。在某些实施例中，发动机允许转子叶片尖端速度等于或小于750英尺/秒(fps)。在其他实施例中，巡航飞行条件下的转子叶片尖端速度可以是650至900fps，或700至800fps。
如在巡航飞行条件下跨风扇叶片测量的，风扇组件的风扇的风扇压力比(FPR)可以为1.04至1.20，或在一些实施例中为1.05至1.1，或在一些实施例中小于1.08。
为了使燃气涡轮发动机与具有上述特性的风扇一起操作以限定上述FPR，可以提供齿轮组件以降低风扇组件相对于驱动轴(例如联接到低压涡轮的低压力轴)的转速。在一些实施例中，输入转速与输出转速的齿轮比大于4.1。例如，在特定实施例中，齿轮比在4.1到14.0的范围内，在4.5到14.0的范围内，或在6.0到14.0的范围内。在某些实施例中，齿轮比在4.5到12的范围内，或在6.0到11.0的范围内。因此，在一些实施例中，风扇可以被构造为在巡航飞行条件下以700到1500rpm的转速旋转，而动力涡轮(例如，低压涡轮)被构造为在巡航飞行条件下以2,500到15,000rpm的转速旋转。在特定实施例中，风扇可以被构造为在巡航飞行条件下以850到1,350rpm的转速旋转，而动力涡轮被构造为在巡航飞行条件下以5,000到10,000rpm的转速旋转。
关于燃气涡轮发动机的涡轮机，压缩机和/或涡轮可以包括各种级数。如本文所公开，级数包括特定部件(例如，压缩机或涡轮)中的转子或叶片级数。例如，在一些实施例中，低压压缩机可以包括1到8级，高压压缩机可以包括8到15级，高压涡轮可以包括1到2级，和/或低压涡轮(LPT)可以包括3到7级。特别地，LPT可以具有4级，或4到7级。例如，在某些实施例中，发动机可以包括一级低压压缩机、11级高压压缩机、两级高压涡轮、以及4级或4到7级之间的LPT。作为另一示例，发动机可包括三级低压压缩机、10级高压压缩机、两级高压涡轮和7级低压涡轮。
核心发动机通常被封装在限定核心直径(Dcore)的一半的外壳中，核心直径可以被认为是距中心线轴线(R的基准)的最大范围。在某些实施例中，发动机包括从纵向(或轴向)前端到纵向后端的长度(L)。在各种实施例中，发动机限定提供减小的安装阻力的L/Dcore比。在一个实施例中，L/Dcore至少为2。在另一实施例中，L/Dcore至少为2.5。在一些实施例中，L/Dcore小于5、小于4和小于3。在各种实施例中，应当理解，L/Dcore是用于单个非管道式转子发动机。
减小的安装阻力可以进一步提供改进的效率，例如改进的燃料消耗率。附加地或替代地，减小的阻力可以提供在巡航高度下以上述马赫数操作的巡航高度发动机和飞行器。仍然特定的实施例可以提供这样的益处，其中借助于位于发动机的环形管道中的结构，叶片组件和轮叶组件之间的相互作用噪声降低，和/或由发动机生成的总噪声降低。
此外，应当理解，功率负载和/或转子叶片尖端速度的范围可以对应于某些结构、核心尺寸、推力输出等，或核心发动机处的其他结构。然而，如前所述，在本文提供的一个或多个结构在本领域中可能已知的情况下，应当理解，至少由于部分基于利益与损失的冲突、期望操作模式或本领域中的其他形式的教导的原因，本公开可以包括先前不知道组合的结构的组合。
尽管以上在上述实施例中描述为无护罩或开式转子发动机，但应理解，本文提供的本公开的方面可以应用于有护罩或管道式发动机、部分管道式发动机、后风扇发动机或其他燃气涡轮发动机构造，包括用于船舶、工业或航空推进系统的构造。本公开的某些方面可适用于涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。然而，应该理解的是，本公开的某些方面可以解决可能是无护罩或开式转子发动机特有的问题，例如但不限于与齿轮比、风扇直径、风扇速度、发动机的长度(L)、发动机的核心发动机(Dcore)的最大直径、发动机的L/Dcore、期望巡航高度和/或期望操作巡航速度或其组合有关的问题。
该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本公开的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
进一步方面由以下条项的主题提供：
一种限定中心线和周向方向的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：涡轮机，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，所述涡轮机限定工作气体流动路径和风扇管道流动路径；初级风扇，所述初级风扇由所述涡轮机驱动，所述初级风扇限定初级风扇尖端半径R1和初级风扇毂半径R2；次级风扇，所述次级风扇位于所述初级风扇下游并由所述涡轮机驱动，来自所述初级风扇的气流的至少一部分被构造为绕过所述次级风扇，所述次级风扇限定次级风扇尖端半径R3和次级风扇毂半径R4，其中所述次级风扇被构造为在操作期间通过所述风扇管道流动路径提供风扇管道气流以生成风扇管道推力，其中所述风扇管道推力等于在标准日操作条件期间以额定速度操作所述燃气涡轮发动机期间的总发动机推力的％Fn3S；其中R1与R3的比等于
Figure BDA0003829594920000151
其中EFP在1.5和11之间，其中RqRPrim.-Fan是R1与R2的比，并且其中RqRSec.-Fan是R3与R4的比。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述R1与R3的比在约2和约10之间，例如在约2和约7之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述R1与R3的比在约3和约5之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，EFP在约2.5和约4之间，并且其中％Fn3S大于或等于约5％且小于或等于约20％。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，RqRPrim.-Fan在0.2和0.4之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，RqRPrim.-Fan在0.25和0.35之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，RqRSec.-Fan在0.2和0.7之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，RqRSec.-Fan在0.35和0.5之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，EFP在A2和B2之间，其中所述初级风扇在标准日操作条件期间以所述额定速度操作所述燃气涡轮发动机期间限定初级风扇校正尖端速度，其中所述次级风扇在标准日操作条件期间以所述额定速度操作所述燃气涡轮发动机期间限定次级风扇校正尖端速度，其中所述初级风扇校正尖端速度在500英尺/秒和2,000英尺/秒之间，并且其中所述次级风扇校正尖端速度在500英尺/秒到2,000英尺/秒之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，％Fn3S在1％和50％之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，％Fn3S在3％和30％之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，％Fn3S在5％和20％之间。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述风扇管道流动路径限定出口，并且其中所述燃气涡轮发动机进一步包括：可变几何形状部件，所述可变几何形状部件与所述次级风扇相关联，其中所述可变几何形状部件是定位成紧邻所述次级风扇上游的可变入口导向轮叶级、位于所述风扇管道流动路径的所述出口处的可变排气喷嘴、或两者。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述初级风扇是非管道式风扇。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机限定旁通气流通道，其中所述初级风扇被构造为将初级风扇气流的第一部分提供给所述旁通气流通道，并且将所述初级风扇气流的第二部分提供给所述次级风扇，并且其中所述次级风扇被构造为将次级风扇气流的第一部分作为所述风扇管道气流提供给所述风扇管道流动路径，并且将所述次级风扇气流的第二部分提供给所述工作气体流动路径。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：热交换器，所述热交换器定位成与所述风扇管道流动路径热连通。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：入口导向轮叶阵列，所述入口导向轮叶阵列定位成紧邻所述次级风扇的上游。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：出口导向轮叶阵列，所述出口导向轮叶阵列定位成紧邻所述次级风扇的下游和所述风扇管道的上游。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：可变几何形状排气喷嘴，所述可变几何形状排气喷嘴位于所述风扇管道的出口处。
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：风扇罩，所述风扇罩围绕位于所述初级风扇下游的所述次级风扇，所述风扇罩部分地限定位于所述初级风扇下游的发动机入口；其中所述涡轮机进一步包括至少部分地围绕所述压缩机区段、所述燃烧区段和所述涡轮区段的核心罩，并且其中所述风扇管道限定在所述核心罩和所述风扇罩之间。
一种限定中心线和周向方向的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：涡轮机，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，所述涡轮机限定工作气体流动路径和风扇管道流动路径；初级风扇，所述初级风扇由所述涡轮机驱动，所述初级风扇限定初级风扇尖端半径R1和初级风扇毂半径R2；次级风扇，所述次级风扇位于所述初级风扇下游并由所述涡轮机驱动，来自所述初级风扇的气流的至少一部分被构造为绕过所述次级风扇，所述次级风扇限定次级风扇尖端半径R3和次级风扇毂半径R4，其中所述次级风扇被构造为在操作期间通过所述风扇管道流动路径提供风扇管道气流以生成风扇管道推力，其中所述风扇管道推力等于在标准日操作条件期间以额定速度操作所述燃气涡轮发动机期间的总发动机推力的％Fn3S；其中R1与R3的比在2和7之间；可选地在3和7之间；可选地在4和7之间；可选地在5和7之间。

Claims (10)

1.一种限定中心线和周向方向的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括：
涡轮机，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，所述涡轮机限定工作气体流动路径和风扇管道流动路径；
初级风扇，所述初级风扇由所述涡轮机驱动，所述初级风扇限定初级风扇尖端半径R1和初级风扇毂半径R2；
次级风扇，所述次级风扇位于所述初级风扇下游并由所述涡轮机驱动，来自所述初级风扇的气流的至少一部分被构造为绕过所述次级风扇，所述次级风扇限定次级风扇尖端半径R3和次级风扇毂半径R4，其中所述次级风扇被构造为在操作期间通过所述风扇管道流动路径提供风扇管道气流以生成风扇管道推力，其中所述风扇管道推力等于在标准日操作条件期间以额定速度操作期间的总发动机推力的％Fn3S；
其中R1与R3的比等于
Figure FDA0003829594910000011
其中EFP在1.5和11之间，其中RqRPrim.-Fan是R1与R2的比，并且其中RqRSec.-Fan是R3与R4的比。
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R1与R3的比在约2和约10之间。
3.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R1与R3的比在约3和约7之间。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，EFP在约2.5和约4之间，并且其中％Fn3S大于或等于约5％且小于或等于约20％。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，RqRPrim.-Fan在0.2和0.4之间。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，RqRPrim.-Fan在0.25和0.35之间。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，RqRSec.-Fan在0.2和0.7之间。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，RqRSec.-Fan在0.35和0.5之间。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，EFP在A2和B2之间，其中所述初级风扇在标准日操作条件期间以所述额定速度操作所述燃气涡轮发动机期间限定初级风扇校正尖端速度，其中所述次级风扇在标准日操作条件期间以所述额定速度操作所述燃气涡轮发动机期间限定次级风扇校正尖端速度，其中所述初级风扇校正尖端速度在500英尺/秒和2,000英尺/秒之间，并且其中所述次级风扇校正尖端速度在500英尺/秒到2,000英尺/秒之间。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，％Fn3S在1％和50％之间。
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