CN116696858A - 具有平衡腔的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮发动机，具有可绕轴线旋转的驱动轴、多级压缩机、涡轮区段、推力轴承和平衡腔。推力轴承设置在驱动轴和多级压缩机区段的至少一部分之间，并且旋转地支撑驱动轴。在涡轮发动机的操作期间，第一轴向力由驱动轴施加到推力轴承，并且第二轴向力由平衡腔在与第一轴向力相反的方向上施加到推力轴承。

Description

具有平衡腔的涡轮发动机

技术领域

本主题大体涉及涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于涡轮发动机的平衡腔。

背景技术

涡轮发动机(并且特别是燃气涡轮发动机)是旋转发动机，其从工作空气流中提取能量并在飞行器实施方式中提供推力的旋转发动机，该工作空气流串行地穿过压缩机区段(在压缩机区段中工作空气被压缩)、燃烧器区段(在燃烧器区段中燃料被添加到工作空气并点燃)、以及涡轮区段(在涡轮区段中燃烧的工作空气被膨胀并从工作空气中提取功以驱动压缩机区段以及其他系统)。驱动轴可以可操作地联接涡轮区段、压缩机区段和风扇区段，使得涡轮区段的旋转驱动压缩机区段和风扇区段。

至少一个推力轴承可以设置在涡轮区段和驱动轴之间，并且用于旋转地支撑驱动轴以及适应由来自发动机的推力在驱动轴上产生的前后轴向力。涡轮发动机内的平衡腔可以提供与推力相反的力，从而减小作用在推力轴承上的轴向力的总体大小。平衡腔接收来自压缩机区段的加压空气，其中压力与推力相反。

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可行的公开，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涡轮发动机的示意横截面视图，涡轮发动机包括多级压缩机区段。

图2是适用于图1的涡轮发动机内的多级压缩机区段的示意横截面视图，多级压缩机区段具有可旋转地支撑驱动轴的推力轴承，以及至少部分地位于推力轴承的轴向前方的平衡腔。

具体实施方式

本文公开的方面涉及涡轮发动机，涡轮发动机包括以轴向流动布置的多级压缩机区段和涡轮区段。多级压缩机区段可以包括与对应静止轮叶轴向相邻的至少两个旋转叶片。静止轮叶和轴向相邻的下游旋转叶片可以一起限定级。因此，如本文所用的术语“多级压缩机区段”可以指代包括两个或更多个级的压缩机区段。驱动轴可以将涡轮区段旋转地联接到多级压缩机区段。驱动轴可以绕轴线旋转。推力轴承可以相对于轴线径向地设置在驱动轴和多级压缩机区段的一部分之间。平衡腔可以流体地联接到多级压缩机区段的下游部分，并且包括来自下游部分的流体。在涡轮发动机的操作期间，涡轮发动机可以旋转驱动轴，该驱动轴可以旋转多级压缩机区段。涡轮端的总推力可以相对于轴线在驱动轴上施加前后轴向力，前后轴向力最终传递到推力轴承。平衡腔可以相对于轴线在推力轴承上施加后前轴向力。由平衡腔施加的后前力可以对抗和抵消推力轴承上的前后力。

如本文所述，平衡腔可以抵消或平衡推力轴承上的轴向力，该推力轴承旋转地支撑驱动轴的在涡轮区段轴向前方的一部分。在某些操作条件下，涡轮发动机会经受相对较高的轴向负载。如本文所述，平衡腔用于确保推力轴承能够在涡轮发动机的所有操作条件下继续旋转地支撑驱动轴而不会失效。为了说明的目的，将关于设置在涡轮发动机内的平衡腔来描述本公开，其中平衡腔设置在多级压缩机区段的一部分附近。然而，将理解的是，本文所述的本公开的方面不限于此，并且可以在其他发动机内具有普遍适用性。例如，本公开可适用于其他发动机或运载器中的平衡腔，并可用于在工业、商业和住宅应用中提供益处。

如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相反的方向，而术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“前”或“前方”表示在某物的前面，“后”或“后方”表示在某物的后面。例如，当用于流体流动时，前/前方可表示上游，后/后方可表示下游。

此外，如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体上下文中，径向是指沿在发动机的中心纵向轴线和发动机外周之间延伸的射线的方向。此外，如本文所用，术语“组”或一“组”元件可以是任意数量的元件，包括仅一个元件。

此外，如本文所用，术语“流体”或其迭代可以指燃气涡轮发动机内的任何合适流体，燃气涡轮发动机的至少一部分暴露于例如但不限于燃烧气体、环境空气、加压气流、工作气流或其任何组合。还进一步设想燃气涡轮发动机可以是其他合适的涡轮发动机，例如但不限于蒸汽涡轮发动机或超临界二氧化碳涡轮发动机。作为非限制性示例，术语“流体”可以指蒸汽涡轮发动机中的蒸汽，或指超临界二氧化碳涡轮发动机中的二氧化碳。

所有方向引用(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、侧向、前、后、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前向、后向等)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别是关于本文描述的本公开的方面的位置、取向或用途的限制。除非另有说明，否则连接引用(例如，附接、联接、固定、紧固、连接和接合)将被广义地解释并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对移动。因此，连接引用不一定推断两个元件直接连接并且彼此具有固定关系。示例性附图仅用于说明的目的，并且在所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。

图1是用于飞行器的涡轮发动机10的示意横截面图。涡轮发动机10具有从前部14延伸到后部16的大致纵向延伸的轴线或发动机中心线12。涡轮发动机10以下游串行流动关系包括：风扇区段18，其包括风扇20；压缩机区段22，其包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；以及排气区段38。

风扇区段18包括围绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括围绕发动机中心线12径向设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成涡轮发动机10的发动机核心44，其生成燃烧气体。发动机核心44被核心壳体46包围，核心壳体46可以与风扇壳体40联接。

驱动轴51可以旋转地联接压缩机区段22，并且风扇区段18可以可操作地联接到涡轮区段32。涡轮区段32的旋转可以将旋转力传递到驱动轴51，其又可以传递到压缩机区段22或风扇区段18中的至少一个，以驱动压缩机区段22或风扇区段18。驱动轴51可以绕轴线旋转。在所示的涡轮发动机10中，驱动轴51可以绕发动机中心线12旋转。

驱动轴51可以包括单独的线轴。作为非限制性示例，驱动轴51可包括HP轴或线轴48，其绕涡轮发动机10的发动机中心线12同轴设置，将HP涡轮34驱动地连接到HP压缩机26。作为非限制性示例，驱动轴51可包括LP轴或线轴50，其绕涡轮发动机10的发动机中心线12同轴设置在较大直径的环形HP线轴48内，将LP涡轮36驱动地连接到LP压缩机24和风扇20。线轴48、50可以一起限定驱动轴51。线轴48、50可绕发动机中心线12旋转并且联接到多个可旋转元件，这些可旋转元件可共同限定转子。

LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，其中一组压缩机叶片56、58相对于对应的一组静态压缩机轮叶60、62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压穿过该级的流体流。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可以设置成环，并且可以相对于发动机中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，而对应的静态压缩机轮叶60、62定位在旋转叶片56、58的上游并邻近其。值得注意的是，图1中所示的叶片、轮叶和压缩机级的数量仅被选择用于说明的目的，并且其他数量也是可能的。

用于压缩机的一级的叶片56、58可以安装到盘61，盘61安装到HP线轴48和LP线轴50中的对应一个，其中每个级都具有其自己的盘61。用于压缩机的一级的轮叶60、62可以以周向布置安装到核心壳体46。

HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，其中一组涡轮叶片68、70相对于对应的一组静态涡轮轮叶72、74(也称为喷嘴)旋转，以从穿过该级的流体流中提取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可以设置成环，并且可以相对于发动机中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，而对应的静态涡轮轮叶72、74定位在旋转涡轮叶片68、70的上游并邻近其。值得注意的是，图1中所示的叶片、轮叶和涡轮级的数量仅被选择用于说明的目的，其他数量也是可能的。

用于涡轮的一级的涡轮叶片68、70可以安装到盘71，盘71安装到HP线轴48和LP线轴50中的对应一个，其中每个级具有专用盘71。用于压缩机的一级的轮叶72、74可以以周向布置安装到核心壳体46。

作为转子部分的补充，涡轮发动机10的静止部分(例如压缩机区段22和涡轮区段32中的静态轮叶60、62、72、74)也单独或统称为定子63。因此，定子63可以指代贯穿涡轮发动机10的非旋转元件的组合。

一组推力轴承可以旋转地支撑驱动轴51。作为非限制性示例，该组推力轴承可以至少包括前推力轴承90和后推力轴承92。前推力轴承90可以相对于发动机中心线12从后推力轴承92轴向向前定位。前推力轴承90可以相对于发动机中心线12径向地设置在驱动轴51和压缩机区段22之间。后推力轴承92可以相对于发动机中心线12径向地设置在驱动轴51和涡轮区段32之间。

在操作中，离开风扇区段18的气流被分开，使得一部分气流被引导到LP压缩机24中，LP压缩机24然后将加压气流76供应到HP压缩机26，HP压缩机26进一步加压空气。来自HP压缩机26的加压气流76与燃烧器30中的燃料混合并点燃，从而生成燃烧气体。HP涡轮34从这些气体中提取一些功，HP涡轮34经由驱动轴51驱动HP压缩机26。燃烧气体被排放到LP涡轮36中，LP涡轮36提取额外功来驱动LP压缩机24，并且排气最终经由排气区段38从涡轮发动机10排放。LP涡轮36的驱动驱动LP线轴50以旋转风扇20和LP压缩机24。

加压气流76的一部分可以作为引气77从压缩机区段22中抽出。引气77可以从加压气流76中抽出并提供给需要冷却的发动机部件。进入燃烧器30的加压气流76的温度显著增加。因此，由引气77提供的冷却对于在升高的温度环境中操作这种发动机部件是必要的。

离开风扇区段的气流的剩余部分，旁通气流78，绕过LP压缩机24和发动机核心44，并通过风扇排气侧84处的静止轮叶排(更具体地，出口导向轮叶组件80，包括多个翼型件导向轮叶82)离开涡轮发动机10。更具体地，邻近风扇区段18使用周向的一排径向延伸的翼型件导向轮叶82，以对旁通气流78施加一些方向控制。

由风扇20供应的一些空气可以绕过发动机核心44，并用于冷却涡轮发动机10的部分，尤其是热部分，和/或用于冷却飞行器的其他方面或为飞行器的其他方面提供动力。在涡轮发动机的情况下，发动机的热部分通常在燃烧器30的下游，尤其是涡轮区段32，其中HP涡轮34是最热的部分，因为它直接位于燃烧区段28的下游。其他冷却流体源可以是但不限于从LP压缩机24或HP压缩机26排放的流体。

图2是适合用作图1的涡轮发动机10的压缩机区段22的多级压缩机区段100的示意横截面视图。多级压缩机区段100可以旋转地联接到驱动轴102，驱动轴102可以旋转地联接到多级压缩机区段100下游的涡轮区段(例如，涡轮区段32)。驱动轴102可以绕轴线104旋转。推力轴承106可以旋转地支撑驱动轴102，并且位于驱动轴102的一部分和多级压缩机区段100的一部分之间。作为非限制性示例，推力轴承106可以位于驱动轴102的一部分和多级压缩机区段100的静态部分之间。平衡腔108可以相对于轴线104至少部分地位于推力轴承106的轴向前方。平衡腔108可以流体地联接到来自多级压缩机区段100的一部分的加压流体。平衡腔108可以可操作地联接到推力轴承106(例如，平衡腔108的壁可以可操作地联接到推力轴承106)。在涡轮发动机的操作期间可以生成推力，其进而在驱动轴102上施加前后轴向力。前后轴向力最终可以传递到推力轴承106以限定第一轴向力110。平衡腔108可以相对于轴线104在推力轴承106上施加后前轴向力。作为非限制性示例，平衡腔108可以在推力轴承106上施加第二轴向力112，其抵消、对抗或以其他方式平衡第一轴向力110。可以设想，第一轴向力110可以大于第二轴向力112，使得平衡腔108仅减小跨推力轴承经受的总轴向力。或者，第一轴向力110可以与第二轴向力112相等但幅度相反，使得推力轴承保持轴向平衡。

推力轴承106可以设置在驱动轴102的一部分和多级压缩机区段100的对应部分之间。作为非限制性示例，推力轴承106可以设置在驱动轴102的一部分和多级压缩机区段100的静止部件101之间。推力轴承106可以在驱动轴102和多级压缩机区段100的至少一部分之间径向延伸。推力轴承106可以是任何合适的轴承，例如但不限于滚子轴承、滚珠轴承、双滚珠轴承、圆锥滚子轴承、箔/气体轴承、轴颈轴承、球面轴承或其任何组合。

多级压缩机区段100可以包括LP压缩机114和相对于轴线104轴向设置在LP压缩机114下游的HP压缩机116。与图1的LP压缩机24相似，LP压缩机114可以包括一组静止LP压缩机轮叶117和旋转地联接到驱动轴102的一组旋转LP压缩机叶片118。与图1的HP压缩机26相似，HP压缩机116可以包括一组静止HP压缩机轮叶120和旋转地联接到驱动轴102的一组旋转HP压缩机叶片122。每个旋转LP压缩机叶片118和旋转HP压缩机叶片122可以相对于轴线104分别轴向设置在对应静止LP压缩机轮叶117或静止HP压缩机轮叶120的下游，并且限定多级压缩机区段100的对应级。

增压器区段124可以由LP压缩机114的下游级限定。作为非限制性示例，增压器区段124可以是LP压缩机114的最远轴向下游级。

平衡腔108可以包括限定第一流体160的第一加压流体。如整个平衡腔108中的点所指示的，第一流体160可以分散在整个平衡腔108中。平衡腔108可以相对于轴线104从LP的至少一部分径向向内定位。作为非限制性示例，平衡腔108可以相对于轴线104从增压器区段124径向向内定位。平衡腔108可以设置在燃烧区段轴向前方的多级压缩机区段100的任何部分内。此外，推力轴承106可以沿驱动轴102沿多级压缩机区段100的任何合适部分(例如，沿图1的HP线轴48或LP线轴50)设置。因此，平衡腔108可以至少部分地沿驱动轴102的任何部分定位。如图所示，平衡腔108是单个平衡腔108。然而，应当理解，平衡腔108可以包括在彼此流体联接的多个平衡腔108内。作为非限制性示例，平衡腔108可以是一组多个平衡腔108中的一个平衡腔108，该组多个平衡腔108相对于轴线104彼此径向、轴向或周向间隔开。

风扇区段126可以设置在多级压缩机区段100的上游。与图1的风扇区段18相似，风扇区段126可以包括至少一个旋转风扇叶片128。至少一个旋转风扇叶片128可以旋转地联接到驱动轴102。作为非限制性示例，至少一个旋转风扇叶片128可以选择性地旋转地联接到驱动轴102，使得风扇区段126可以选择性地与驱动轴102联接或分离。

平衡腔108可以流体地联接到多级压缩机区段100。作为非限制性示例，平衡腔108可以流体地联接到HP压缩机116。平衡腔入口管线130可以将HP压缩机116流体地联接到平衡腔108。作为非限制性示例，平衡腔入口管线130可以沿HP压缩机116的第一级和第四级或在HP压缩机116的第一级和第四级之间流体地联接。作为非限制性示例，平衡腔入口管线130可以流体地联接到HP压缩机116的1.5级(例如，在HP压缩机116的第二级的旋转HP压缩机叶片122和静止HP压缩机轮叶120之间)。平衡腔入口管线130示出为流体地联接到HP压缩机116相对于轴线104的径向外部分。然而，如虚线中的平衡腔入口管线130所示，平衡腔入口管线130还可以或替代地流体地联接到HP压缩机116相对于轴线104的径向内部分。如本文所述，平衡腔入口管线130可以是本文所述的两个平衡腔入口管线130中的任一个。或者，平衡腔入口管线130可以是流体地联接到HP压缩机116相对于轴线104的径向外部分和HP压缩机116相对于轴线104的径向内部分的两个平衡腔入口管线130。

平衡腔入口管线130可以包括至少一个部件，该至少一个部件被构造为影响流过平衡腔入口管线130并进入平衡腔108的流体(例如，来自HP压缩机116的加压空气)的特性。作为非限制性示例，平衡腔入口管线130可以包括热交换器132。热交换器132可以流体地联接到冷却剂(例如，环境气流、制冷剂等)，该冷却剂的温度低于平衡腔入口管线130内的流入热交换器132的流体的温度。热交换器132可以通过将热量从流体传递到冷却剂中来有效地冷却流体。作为非限制性示例，平衡腔入口管线130可以包括颗粒分离器134，颗粒分离器134被构造为从流入颗粒分离器134的流体中去除或以其他方式滤除一个或多个颗粒。

回收腔136可以流体地联接到平衡腔108。回收腔136可以包括限定第二流体162的第二加压流体(例如，来自平衡腔108的加压空气或第一加压流体)。第二流体162可以分散在整个回收腔136中，如回收腔136内的点所指示的。回收腔136被构造为从平衡腔108捕获或以其他方式回收加压流体，并将加压流体传送到涡轮发动机的其他部分。然而，应当理解，回收腔136可以与平衡腔108一体形成，使得平衡腔108可以将平衡腔108内的加压流体的至少一部分传送到涡轮发动机10的另一部分。回收腔136可以相对于轴线104至少部分地从平衡腔108径向向外定位。回收腔136可以相对于轴线104从增压器区段124径向向内定位。密封件138可以设置在回收腔136和平衡腔108之间，并且限定回收腔136和平衡腔108之间的流体联接。作为非限制性示例，密封件138可以是活塞密封件。然而，应当理解，密封件138可以是任何其他合适的密封件，例如但不限于迷宫式密封件、刷式密封件、非接触式密封件或其任何组合。

回收腔136可以流体地联接到排出管线140。如图所示，排出管线140可以包括两个分支。两个分支中的一个流体地联接到分流阀142。两个分支中的另一个流体地联接到LP压缩机114下游的多级压缩机区段100的一部分。作为非限制性示例，排出管线140可以流体地联接到LP压缩机114下游和HP压缩机116上游的多级压缩机区段100的一部分。分流阀142可以选择性地将排出管线140流体地联接到涡轮管线144或旁通管线146中的至少一个。作为非限制性示例，涡轮管线144可以流体地联接到涡轮区段或排气区段(例如，图1的排气区段38)中的至少一个。旁通管线146可以流体地联接到涡轮发动机的被引导远离或以其他方式绕过涡轮发动机的燃烧区段的部分。作为非限制性示例，涡轮发动机可以包括旁通管线146流体地联接到其的次级流动路径148。次级流动路径148可以流体地联接到推力反向器、涡轮发动机的下游部分(例如，涡轮区段或排气区段)中的至少一个或以其他方式形成其一部分，或者以其他方式流体地联接到涡轮发动机的外部部分。

密封件138可以设置在轴线104和密封件138的径向向内部分之间的第一径向距离。增压器区段124可以设置在轴线104和增压器区段124的径向向内部分之间的第二径向距离。第一距离可以小于第二距离。平衡腔108、回收腔136和密封件138可以绕轴线104周向延伸。换言之，平衡腔108、回收腔136和密封件138可以限定涡轮发动机的连续环形部件。或者，平衡腔108、回收腔136或密封件138中的至少一个可以是分段的(例如，它们分别是多个平衡腔108、回收腔136或密封件138中的一个)或不跨轴线104的整个圆周延伸。

虽然未示出，但是应当理解，涡轮发动机可以包括附加平衡腔。作为非限制性示例，涡轮发动机可以包括涡轮区段内的涡轮平衡腔，该涡轮平衡腔被构造为在涡轮推力轴承上施加相反轴向力，该涡轮推力轴承旋转地支撑驱动轴102的后部分。换言之，如本文所述的涡轮发动机可以包括平衡腔108以及附加平衡腔，诸如现有技术中描述的那些。

在涡轮发动机的操作期间，涡轮区段可以向驱动轴102施加旋转力，驱动轴102又可以旋转多级压缩机区段100的至少一部分，并且选择性地旋转风扇区段126的至少一部分。随着风扇区段126旋转，入口气流150可以被吸入涡轮发动机中。入口气流150可以由围绕涡轮发动机的环境气流限定。未被风扇区段126吸入的环境气流的剩余部分可以作为外部气流152围绕涡轮发动机流动，其最终可以与排气区段下游的排出流体汇合。排出流体和外部气流152可以一起限定涡轮发动机的总推力。

一旦经过风扇区段126，入口气流150可以在至少两个方向上分支。入口气流150的第一部分可以分支进入多级压缩机区段100以在主流动路径内限定初级气流154，该主流动路径延伸通过多级压缩机区段100、涡轮区段并最终延伸出排气区段。第二部分可以流入次级流动路径148并限定次级气流156。作为非限制性示例，次级气流156可以流体地联接到推力反向器，在此次级气流156可以在与外部气流152相反的方向上离开涡轮发动机。作为非限制性示例，次级气流156可以流体地联接到涡轮发动机的下游部分(例如，涡轮区段、燃烧区段或排气区段)，在此次级气流156可以冷却涡轮发动机的下游部分内的各种部件。作为非限制性示例，次级气流156可以流体地联接到外部气流152并与外部气流152汇合，使得次级气流156可以用于生成涡轮发动机的总推力的至少一部分。当初级气流154流过LP压缩机114时，初级气流154可以被压缩或以其他方式加压，并限定压缩的初级气流158。压缩的初级气流158可以流入HP压缩机116，在此压缩的初级气流158被进一步压缩或以其他方式加压。

初级气流154可以由第一压力限定，而压缩的初级气流158可以由大于第一压力的第二压力限定。应当理解，第一压力和第二压力可以分别沿相应LP压缩机114和HP压缩机116的级变化。

平衡腔108可以通过平衡腔入口管线130流体地联接到压缩的初级气流158，以在平衡腔108内限定第一流体160。然而，在流入平衡腔108之前，平衡腔入口管线130内的压缩的初级气流158可以经由热交换器132被加热，或者经由颗粒分离器134被过滤。第一流体160可以由第二压力限定。平衡腔108内的第一流体160的至少一部分可以流入回收腔136，以将第二流体162限定在小于第二压力的第三压力。设想密封件138可以在高压区域和低压区域之间被偏置，使得流体仅从高压区域流向低压区域。换言之，密封件138可以被偏置，使得流体仅从平衡腔108流入回收腔136，因为第一流体160的压力高于第二流体162的压力。

第二流体162可以从回收腔136直接排出到增压器区段124中。因此，第二流体162可以从回收腔136排出到增压器区段，并且经由排出管线140排出，在排出管线140处第二流体162可以排出回到多级压缩机100(例如，LP压缩机114的下游和HP压缩机116的上游)，或选择性地经由旁通管线146排出到次级流动路径148中的至少一个，或经由涡轮管线144排出到涡轮区段的下游或涡轮区段内。

涡轮发动机的总推力可以在驱动轴102上施加前后轴向力，前后轴向力最终可以作为第一轴向力110至少部分地传递到推力轴承。第二流体162的压力足以将第二轴向力112施加在推力轴承上，其部分地抵消(例如，相等但幅度相反)第一轴向力110。因此，可以减小跨推力轴承106经受的总轴向力。进一步设想，至少一部分压缩的初级气流158可以流体地联接到涡轮平衡腔入口管线164(该涡轮平衡腔入口管线164可以设置在涡轮发动机的涡轮区段中)，并且用于平衡或抵消从驱动轴102施加在涡轮区段中的推力轴承上的轴向力。

设想在涡轮发动机的正常操作期间，风扇区段126可以与驱动轴102分离或至少部分地分离，以确保风扇区段126以最佳旋转速度操作。当风扇区段126联接到驱动轴102时，由涡轮发动机的总推力生成的至少一部分前后轴向力可以传递到或通过风扇区段126。然而，当分离时，作为不再施加到风扇区段126的前后轴向力的一部分，跨推力轴承106经受更大的前后轴向力。这又增加了施加在推力轴承106上的总第一轴向力110。设想由平衡腔108产生的第二轴向力112可以足以在所有操作条件下(包括当风扇区段126至少部分地与驱动轴102分离时)至少部分地抵消第一轴向力110。

本公开的益处包括压缩机区段中的推力轴承，该推力轴承具有比传统压缩机区段中的传统推力轴承更长的飞行时间。如本文所用，术语“飞行时间”或“机翼时间”可以指特定部件在必须从涡轮发动机中移除并更换，或以其他方式修理之前可以具有的总时间量或使用量。例如，传统压缩机区段不包括平衡腔。因此，传统压缩机区段中的传统推力轴承将通过驱动轴的旋转力经受不受限制的(例如，不受阻碍的)轴向负载，随着时间的推移，这将磨损传统推力轴承。然而，如本文所述的涡轮发动机包括靠近平衡腔定位的推力轴承，这可以通过相反的轴向力抵消或以其他方式减小来自驱动轴的推力轴承上的轴向力。与传统压缩机区段中的传统推力轴承相比，可以设想平衡腔的使用可以将沿推力轴承经受的总轴向力降低10-35％。相对于传统推力轴承的飞行时间，这最终增加了推力轴承的总飞行时间。

与传统压缩机区段中的传统推力轴承相比，进一步的益处包括推力轴承被构造为在涡轮发动机的更宽操作条件范围下操作。如上所述，传统压缩机区段不包括平衡腔。因此，如本文所述，在所有操作条件期间，跨传统推力轴承经受的总轴向力将高于跨推力轴承经受的总轴向力。反过来，这意味着如果推力轴承和传统推力轴承相同，那么在高负载条件(例如，风扇区段的分离)下，与如本文所述的推力轴承相比，传统推力轴承将经受更大的总轴向力。帮助确保传统推力轴承不会失效的一种方法是增加传统推力轴承的尺寸或材料特性，从而增加传统推力轴承的总成本和占地面积。如本文所述，推力轴承可以承受涡轮发动机的操作条件，而不必增加推力轴承的尺寸或材料特性。

此外，与包括传统推力轴承的传统涡轮发动机相比，来自驱动轴的跨推力轴承的轴向力的抵消可以允许涡轮发动机的增加的操作。设想驱动轴的旋转力可以随着驱动轴的旋转速度增加而增加。驱动轴的旋转速度越高，压缩机区段旋转得越快，这又进一步包括或加压初级气流。这最终提高了涡轮发动机的整体效率或功率输出。换言之，这增加了涡轮发动机的总推力。然而，增加总推力的一个缺点是施加在推力轴承上的轴向力更高。然而，如本文所述的平衡腔可用于至少部分地对抗增加的轴向负载。至少部分地对抗增加的轴向负载有助于确保涡轮发动机能够在驱动轴具有相对高旋转速度的条件下操作。此外，随着压缩机区段中的初级气流的压力增加，平衡腔内的流体压力增加。这意味着平衡腔施加在推力轴承上的轴向力也增加。因此，由平衡腔施加在推力轴承上的轴向力可以至少部分地随涡轮发动机的操作条件而变化。这最终导致与传统涡轮发动机相比，涡轮发动机具有增加的功率输出。

与用于传统涡轮发动机的传统平衡腔相比，本公开的进一步益处包括更有效的平衡腔。例如，传统平衡腔(例如，设置在涡轮区段内的平衡腔)可以从压缩机区段或涡轮区段吸取流体，以生成所需的轴向力。这会导致传统涡轮发动机的1％到2％燃料燃烧损失。换言之，与没有传统平衡腔的传统涡轮发动机相比，包括传统平衡腔可以使涡轮发动机的燃料效率降低1％到2％。然而，如本文所述的平衡腔从压缩机区段抽取流体并将其至少一部分再循环(例如，通过回收腔)返回通过涡轮发动机，以用于生成推力或冷却涡轮发动机的部件。这又增加了平衡腔相对于传统平衡腔的效率。如本文所述的平衡腔可导致涡轮发动机的0.06％到0.12％的燃料燃烧损失。

本公开的进一步益处包括设置在压缩机区段内的平衡腔。由于各种原因，传统涡轮发动机不包括压缩机平衡腔。首先，如果传统涡轮发动机在压缩机区段中包括传统平衡腔(例如，在涡轮区段中发现的平衡腔)，那么压缩机的材料将不得不升级。这是由于为了使平衡腔起作用，平衡腔必须从相对高温区域吸入空气并将其输送到平衡腔中，该平衡腔设置在相对于高温区域的相对低温区域内。低温区域没有额定(例如，能够承受)来自高温区域的空气。因此，传统涡轮发动机需要增加低温区域的材料特性，以更好地承受高温。然而，如本文所述的平衡腔可以包括沿平衡腔入口管线设置的一个或多个冷却元件(例如，热交换器)。这降低了提供给平衡腔的空气的温度，因此无需改变压缩机区段的材料以承受相对高温空气。其次，如果传统涡轮发动机在压缩机区段中包括传统平衡腔(例如，在涡轮区段中发现的平衡腔)，则来自平衡腔的空气将无法在不会对涡轮发动机产生不利影响的情况下排出。例如，传统涡轮平衡腔设置在排气区段或LP涡轮附近。因此，传统涡轮平衡腔可以将传统涡轮平衡腔内的流体排出到LP涡轮或排气区段中而没有不利影响。如果将这种相同布置放置在压缩机区段中(例如，平衡腔将直接排出到LP压缩机)，则压缩机区段的效率将受到不利影响。然而，如本文所述的平衡腔排出到回收腔，该回收腔选择性地将回收腔内的流体排出到能够接受来自平衡腔的流体的位置(例如，旁通管线、涡轮管线、HP压缩机等)，而不会产生不利影响。

此外，包括设置在压缩机区段内的平衡腔提供了附加益处。首先，涡轮发动机的结构在压缩机区段内产生了附加空间，可用于封装平衡腔。在传统涡轮发动机中，这个空间是未使用的。其次，涡轮区段内设置的传统平衡腔需要两个密封件(一个密封件沿外直径设置，一个密封件沿内直径设置)，以便正常起作用。然而，如本文所述的平衡腔仅需要沿平衡腔的外直径设置的单个密封件。与传统平衡腔相比，这又导致减轻的重量、附加的可用空间和更低的泄漏损失。

在尚未描述的范围内，各个方面的不同特征和结构可以根据需要组合使用或彼此替代使用。没有在所有示例中示出的一个特征并不意味着被解释为其不能有，而是为了描述的简洁而这样做。因此，可以根据需要混合和匹配不同方面的各种特征以形成新方面，无论新方面是否被明确描述。本文描述的特征的所有组合或排列都被本公开覆盖。

该书面描述使用示例来描述本文描述的本公开的方面，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的方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的各方面的可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。如果这些其他示例具有与权利要求的文字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文字语言没有实质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：

一种涡轮发动机，包括：驱动轴，所述驱动轴能够绕轴线旋转；多级压缩机区段，所述多级压缩机区段包围所述驱动轴并由所述驱动轴驱动；涡轮区段，所述涡轮区段包围所述驱动轴并可操作地联接到所述驱动轴；推力轴承，所述推力轴承设置在所述驱动轴和所述多级压缩机区段的至少一部分之间，并且旋转地支撑所述驱动轴；以及平衡腔，所述平衡腔相对于所述轴线至少部分地位于所述推力轴承的轴向上游，并且流体地联接到所述多级压缩机区段的多级中的至少一级；其中，在所述涡轮发动机的操作期间，第一轴向力由所述驱动轴相对于所述轴线在前后方向上施加到所述推力轴承，并且第二轴向力由所述平衡腔在与所述第一轴向力相反的方向上施加。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述多级压缩机区段进一步包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有处于第一压力的第一气流，所述第二部分在所述第一部分的下游，具有处于第二压力的第二气流，所述第二压力高于所述第一压力，并且其中所述平衡腔流体地联接到所述第二部分，使得所述第二气流的至少一部分被供应到所述平衡腔。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述平衡腔相对于所述轴线从所述第一部分径向向内定位。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述第一部分是低压压缩机，并且所述第二部分是高压压缩机。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述低压压缩机包括沿所述低压压缩机的下游部分多级设置的增压器区段，并且其中，所述平衡腔相对于所述轴线从所述增压器区段径向向内定位。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述平衡腔在所述高压压缩机的第一级和第四级之间流体地联接到所述高压压缩机。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述增压器区段是所述低压压缩机的最远轴向下游级。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括平衡腔入口管线，所述平衡腔入口管线流体地联接所述平衡腔和所述第二部分相对于所述轴线的径向向内部分或径向向外部分。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括：热交换器，所述热交换器热联接到所述平衡腔入口管线，并且被构造为在第二流体进入所述平衡腔之前冷却所述第二流体的至少一部分；以及颗粒分离器，所述颗粒分离器流体地联接到所述平衡腔入口管线，并且被构造为在来自所述第二部分的流体进入所述平衡腔之前过滤所述流体。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括流体地联接到所述平衡腔的回收腔。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述回收腔相对于所述轴线从所述平衡腔径向向外设置。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括：主流动路径，所述主流动路径具有初级气流并延伸通过所述多级压缩机区段和所述涡轮区段；以及次级流动路径，所述次级流动路径具有次级气流并设置在所述多级压缩机区段的上游；其中所述回收腔被构造为将流体从所述回收腔排出到增压器区段、所述涡轮区段的下游或下游部分、所述次级流动路径或大气中的至少一个。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括排出管线，所述排出管线将所述回收腔流体地联接到所述增压器区段、所述涡轮区段、所述次级流动路径或大气中的至少一个。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述排出管线将所述回收腔流体地联接到所述增压器区段、所述涡轮区段和所述大气，并且选择性地流体地联接到所述多级压缩机区段或所述次级流动路径。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述次级流动路径包括气流，所述气流被构造为冷却所述涡轮发动机的下游部分，提供所述涡轮发动机的反向推力，或有助于所述涡轮发动机的推力。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括设置在所述平衡腔和所述回收腔之间的密封件。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中所述多级压缩机区段进一步包括增压器区段，并且其中所述密封件相对于所述轴线与所述增压器区段径向间隔开。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，所述增压器区段和所述密封件都绕整个所述轴线周向延伸，并且其中第一半径限定在所述增压器区段的径向最内部分和所述轴线之间，并且小于所述第一半径的第二半径限定在所述密封件的径向最内部分和所述轴线之间。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括流体地联接到所述平衡腔的回收腔，其中所述平衡腔和所述回收腔各自绕整个所述轴线周向延伸。

根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括位于所述涡轮区段内的涡轮平衡腔，其中所述涡轮平衡腔流体地联接到所述多级压缩机区段的一部分。

一种多级压缩机区段，包括：驱动轴，所述驱动轴能够绕轴线旋转；推力轴承，所述推力轴承设置在所述驱动轴和所述多级压缩机区段的至少一部分之间，并且旋转地支撑所述驱动轴；以及平衡腔，所述平衡腔相对于所述轴线至少部分地位于所述推力轴承的轴向上游，并且流体地联接到所述多级压缩机区段的多级中的至少一级；其中，在所述多级压缩机区段的操作期间，第一轴向力由所述驱动轴相对于所述轴线在前后方向上施加到所述推力轴承，并且第二轴向力由所述平衡腔在与所述第一轴向力相反的方向上施加。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机，其特征在于，包括：

驱动轴，所述驱动轴能够绕轴线旋转；

多级压缩机区段，所述多级压缩机区段包围所述驱动轴并由所述驱动轴驱动；

涡轮区段，所述涡轮区段包围所述驱动轴并可操作地联接到所述驱动轴；

推力轴承，所述推力轴承设置在所述驱动轴和所述多级压缩机区段的至少一部分之间，并且旋转地支撑所述驱动轴；以及

平衡腔，所述平衡腔相对于所述轴线至少部分地位于所述推力轴承的轴向上游，并且流体地联接到所述多级压缩机区段的多级中的至少一级；

其中，在所述涡轮发动机的操作期间，第一轴向力由所述驱动轴相对于所述轴线在前后方向上施加到所述推力轴承，并且第二轴向力由所述平衡腔在与所述第一轴向力相反的方向上施加。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述多级压缩机区段进一步包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有处于第一压力的第一气流，所述第二部分在所述第一部分的下游，具有处于第二压力的第二气流，所述第二压力高于所述第一压力，并且其中所述平衡腔流体地联接到所述第二部分，使得所述第二气流的至少一部分被供应到所述平衡腔。

3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述平衡腔相对于所述轴线从所述第一部分径向向内定位。

4.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述第一部分是低压压缩机，并且所述第二部分是高压压缩机。

5.根据权利要求4所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述平衡腔在所述高压压缩机的第一级和第四级之间流体地联接到所述高压压缩机。

6.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述低压压缩机包括沿所述低压压缩机的下游部分多级设置的增压器区段，并且其中，所述平衡腔相对于所述轴线从所述增压器区段径向向内定位。

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述增压器区段是所述低压压缩机的最远轴向下游级。

8.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，进一步包括平衡腔入口管线，所述平衡腔入口管线流体地联接所述平衡腔和所述第二部分相对于所述轴线的径向向内部分或径向向外部分。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于，进一步包括：

热交换器，所述热交换器热联接到所述平衡腔入口管线，并且被构造为在第二流体进入所述平衡腔之前冷却所述第二流体的至少一部分；以及

颗粒分离器，所述颗粒分离器流体地联接到所述平衡腔入口管线，并且被构造为在来自所述第二部分的流体进入所述平衡腔之前过滤所述流体。

10.一种多级压缩机区段，其特征在于，包括：

驱动轴，所述驱动轴能够绕轴线旋转；

推力轴承，所述推力轴承设置在所述驱动轴和所述多级压缩机区段的至少一部分之间，并且旋转地支撑所述驱动轴；以及

平衡腔，所述平衡腔相对于所述轴线至少部分地位于所述推力轴承的轴向上游，并且流体地联接到所述多级压缩机区段的多级中的至少一级；

其中，在所述多级压缩机区段的操作期间，第一轴向力由所述驱动轴相对于所述轴线在前后方向上施加到所述推力轴承，并且第二轴向力由所述平衡腔在与所述第一轴向力相反的方向上施加。