專利名稱：整體的反向旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，更具體地，本發(fā)明涉及飛機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)已逐步發(fā)展成用于為各種形式的商用飛機(jī)和軍用飛機(jī)提供動(dòng)力的許多結(jié)構(gòu)。典型的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)包括串聯(lián)的流動(dòng)連通的風(fēng)扇、壓縮機(jī)、燃燒室、高壓渦輪(HPT)、以及低壓渦輪(LPT)。
空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中由風(fēng)扇和壓縮機(jī)加壓，并且與燃燒室中的燃料混合以產(chǎn)生熱燃燒氣體。從通過(guò)互連軸為壓縮機(jī)提供動(dòng)力的HPT(高壓渦輪)中的燃燒氣體中提取能量。從通過(guò)第二軸為風(fēng)扇提供動(dòng)力的LPT(低壓渦輪)中的燃燒氣體中提取補(bǔ)充能量。
風(fēng)扇通常布置在風(fēng)扇引擎機(jī)艙內(nèi)部，風(fēng)扇引擎機(jī)艙在圍繞核心發(fā)動(dòng)機(jī)的整流罩周圍限定了近似環(huán)形的旁路管道。風(fēng)扇葉片加壓的空氣被徑向分開，其中內(nèi)部部分被引導(dǎo)通過(guò)核心發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)，而外部部分被引導(dǎo)通過(guò)旁路管道，從而繞過(guò)核心發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)繞過(guò)核心發(fā)動(dòng)機(jī)的加壓風(fēng)扇空氣以及通過(guò)從核心發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱燃燒氣體產(chǎn)生推動(dòng)力。
根據(jù)繞過(guò)核心發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇空氣量，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)可為低旁路或高旁路的。為飛行中的商用飛機(jī)提供動(dòng)力的現(xiàn)代渦輪風(fēng)扇飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通常是具有安裝在風(fēng)扇引擎機(jī)艙內(nèi)部并由多級(jí)LPT提供動(dòng)力的較大的、單級(jí)風(fēng)扇葉片的高旁路的發(fā)動(dòng)機(jī)。HPT中可具有單級(jí)或多級(jí)并且與LPT的多級(jí)協(xié)作以使從燃燒氣體中提取的用于為風(fēng)扇和壓縮機(jī)提供動(dòng)力的能量最大化。
現(xiàn)代渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓縮機(jī)通常是由HPT的轉(zhuǎn)子或軸直接驅(qū)動(dòng)的多級(jí)軸向高壓壓縮機(jī)。在一些結(jié)構(gòu)中，多級(jí)、軸向增壓器或低壓壓縮機(jī)布置在風(fēng)扇和高壓壓縮機(jī)之間并與由LPT提供動(dòng)力的風(fēng)扇軸或轉(zhuǎn)子相連。
壓縮機(jī)和渦輪具有從通過(guò)相應(yīng)轉(zhuǎn)子或軸連接在一起的支撐轉(zhuǎn)子線軸或圓盤徑向向外延伸的多級(jí)或多排轉(zhuǎn)子葉片。每級(jí)或每排的轉(zhuǎn)子葉片通常都與上游排或級(jí)的定子翼片合作。
定子翼片和轉(zhuǎn)子葉片具有相應(yīng)的翼面結(jié)構(gòu)，它們協(xié)作用于加壓壓縮機(jī)中的空氣并且使渦輪中的燃燒氣體膨脹以從中提取能量。每個(gè)翼面部件在軸向相對(duì)的前端和尾端之間的跨度中都具有徑向延伸的通常為凹形的正壓側(cè)和與之相對(duì)的通常為凸形的負(fù)壓側(cè)。
翼面部件的額定曲率由在前端和尾端之間延伸的弧線表示。凹形正壓側(cè)和凸形負(fù)壓側(cè)具有能提供所需的壓力分布的特定結(jié)構(gòu)，從而使壓縮機(jī)中的空氣壓縮和渦輪中的氣體膨脹的效率最大化。
當(dāng)流體流在其通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲折路徑中轉(zhuǎn)向時(shí)，HPT和LPT的轉(zhuǎn)子通常沿相同方向旋轉(zhuǎn)或同步旋轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)和渦輪中的翼片和葉片的角定向或扭轉(zhuǎn)定向通常在翼面部件各排之間交替。
每個(gè)翼片和葉片排都具有有效地使流體流在氣動(dòng)載荷下轉(zhuǎn)向所需的相同的翼面部件總數(shù)。每行通常在其圓周周圍具有由每級(jí)的氣動(dòng)載荷要求和軸向從中穿過(guò)的流體流的轉(zhuǎn)向或扭轉(zhuǎn)指定的多個(gè)或許多翼面部件。
例如，單級(jí)高壓(HP)渦輪通常具有相同量的燃燒氣體排出渦旋，例如大約25o。相應(yīng)地，第一級(jí)低壓(LP)渦輪噴嘴具有以能夠有效地轉(zhuǎn)向來(lái)自HPT的高渦旋排出流的曲率或曲度為主要曲率或曲度的翼片。
在二級(jí)HPT中，第二級(jí)HP葉片相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向中心軸通常具有相應(yīng)的曲度和角定向或扭曲度，以便于在HPT出口處幾乎達(dá)到零渦旋。相應(yīng)地，第一級(jí)LP噴嘴翼片具有適當(dāng)?shù)那群团で?，以有效地將燃燒氣體引導(dǎo)到第一級(jí)LP葉片。
由于通過(guò)多年研究和使用中的商業(yè)用途而在其各部件設(shè)計(jì)方面作出的許多改進(jìn)，當(dāng)前用于為飛行中的商用飛機(jī)提供動(dòng)力的現(xiàn)代渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)享有高操作效率。由于發(fā)動(dòng)機(jī)為飛機(jī)飛行提供動(dòng)力，所以發(fā)動(dòng)機(jī)本身的尺寸和重量連同操作的最大效率都是極為重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于噴氣燃料成本持續(xù)增加，所以在現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)于進(jìn)一步最大化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和減少燃料消耗的需求變得更具有挑戰(zhàn)性。
因此，期望提供一種在其渦輪級(jí)中的效率方面具有進(jìn)一步改進(jìn)的渦輪風(fēng)扇飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)包括串聯(lián)的流體連通的風(fēng)扇、壓縮機(jī)、燃燒室、單級(jí)高壓渦輪、以及低壓渦輪。低壓渦輪中的第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片與高壓渦輪中的轉(zhuǎn)子葉片以方向相反的方式定向以便反向旋轉(zhuǎn)。低壓渦輪中的第一級(jí)定子翼片具有可以在高壓和低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間直接承受渦旋作用的曲度和扭曲度。


下面將結(jié)合附圖根據(jù)優(yōu)選和示例性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明以及進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)作出更具體的描述，在附圖中圖1是安裝在飛機(jī)機(jī)翼上的飛機(jī)渦輪風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部分截面軸向圖。
圖2是圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪截面的放大視圖。
圖3是圖2所示渦輪中的示例性翼面部件沿線3-3的徑向平面圖。
圖4是圖2所示低壓渦輪中的第一級(jí)噴嘴和轉(zhuǎn)子葉片的放大視圖。
圖5是另一個(gè)實(shí)施例的第一級(jí)低壓渦輪噴嘴的與圖4相似的軸向截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中示意地示出了安裝在飛機(jī)機(jī)翼12上用于提供推進(jìn)力的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)10。發(fā)動(dòng)機(jī)包括串聯(lián)的流體連通的風(fēng)扇14、低壓或增壓壓縮機(jī)16、多級(jí)高壓軸流式壓縮機(jī)18、環(huán)形燃燒室20、高壓渦輪(HPT)22、以及多級(jí)低壓渦輪(LPT)24。
高壓壓縮機(jī)18通過(guò)第一軸或轉(zhuǎn)子26與HPT(高壓渦輪)22相連，風(fēng)扇14和增壓壓縮機(jī)16通過(guò)第二軸或轉(zhuǎn)子28與LPT(低壓渦輪)24相連，它們彼此同心，并且關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向或軸向中心軸30共軸。
風(fēng)扇引擎機(jī)艙32包圍風(fēng)扇14且向尾端延伸到近似環(huán)形的風(fēng)扇出口或噴嘴34的末端。芯整流罩(core cowl)36包圍壓縮機(jī)16、18、燃燒室20、HPT22和LPT24，并且具有在下游或尾端與風(fēng)扇出口34間隔的環(huán)形芯出口或噴嘴38。
風(fēng)扇引擎機(jī)艙32通過(guò)傳統(tǒng)的在它們之間徑向延伸的風(fēng)扇支架安裝在芯整流罩36的外側(cè)，其中引擎機(jī)艙和整流罩彼此徑向間隔以限定出終止于芯出口38前面或上游的風(fēng)扇出口34處的近似環(huán)形的旁路管道40。
除下文中修正和指明的以外，圖1所示的基本渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)10在結(jié)構(gòu)和操作上是傳統(tǒng)的。在操作期間，外界空氣42進(jìn)入風(fēng)扇引擎機(jī)艙的入口并且被風(fēng)扇14中風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片排加壓。之后空氣被徑向分離為穿過(guò)旁路通道40的外部部分和穿過(guò)低壓和高壓壓縮機(jī)16、18的內(nèi)部部分，其中壓縮機(jī)16、18進(jìn)一步壓縮空氣并且隨后供應(yīng)到燃燒室20中。燃料被加入到燃燒室中的加壓空氣中并且將其點(diǎn)燃以產(chǎn)生熱燃燒氣體44，在HPT22和LPT24中提取熱燃燒氣體44的能量。
示例性的發(fā)動(dòng)機(jī)具有用于通過(guò)旁路管道40引入的加壓風(fēng)扇空氣42的高旁路比。單級(jí)風(fēng)扇14壓縮產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)大部分推進(jìn)力的穿過(guò)風(fēng)扇出口34的空氣。風(fēng)扇空氣的內(nèi)部部分在壓縮機(jī)中被進(jìn)一步壓縮以產(chǎn)生熱燃燒氣體，該熱燃燒氣體通過(guò)芯出口38排出以提供飛機(jī)飛行所需的附加推進(jìn)力。
發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于軸向中心軸線30軸對(duì)稱，其中全部風(fēng)扇葉片排從第二轉(zhuǎn)子28前端的支撐轉(zhuǎn)子盤徑向向外延伸。低壓和高壓壓縮機(jī)16、18包括相應(yīng)的定子翼片排和轉(zhuǎn)子葉片排，空氣通過(guò)這些排順序加壓直到最后一級(jí)。增壓壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)子葉片與第二軸28相連，而高壓壓縮機(jī)18的轉(zhuǎn)子葉片與第一轉(zhuǎn)子26相連。
圖2詳細(xì)示出了環(huán)形燃燒室20排出端下游的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部分。HPT22僅包括從支撐盤徑向向外延伸的單排或單級(jí)高壓(HP)轉(zhuǎn)子葉片46，其中支撐盤與第一轉(zhuǎn)子26相連。相應(yīng)地，HPT22還包括具有徑向安裝在外部環(huán)帶和內(nèi)部環(huán)帶之間的一排HP定子翼片48的單個(gè)渦輪噴嘴。
HPT22的葉片46和翼片48的翼面結(jié)構(gòu)為在相對(duì)的前端和尾端之間的弦中軸向延伸并在流徑的跨度上徑向延伸的通常為凹形的正壓側(cè)以及相對(duì)的通常為凸形的負(fù)壓側(cè)，其中燃燒氣體44朝后沿下游方向被軸向引導(dǎo)穿過(guò)所述流徑。
如圖3所示，單級(jí)HP葉片46具有弓形曲度，其相對(duì)于軸向軸30具有由銳角第一扭曲角A表示的角定向，用于在操作期間使排出的燃燒氣體44形成相應(yīng)的、非零或銳角渦旋。圖3表示實(shí)際扭轉(zhuǎn)角A，該角可在葉片尾邊緣的負(fù)壓側(cè)測(cè)量，或者可為相對(duì)于延伸穿過(guò)葉片中心的中弧線的角。
在一實(shí)例中，圖3所示的HP葉片排46在發(fā)動(dòng)機(jī)中沿第一方向、即從后向前看的順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，并且排出非零和大約25o的絕對(duì)扭轉(zhuǎn)角的燃燒氣體。必須在下游階段適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)較大的排出扭轉(zhuǎn)，以使不想要的壓力損失最小化。
在圖1中示意地示出了LPT24，并且在所示實(shí)施例中該LPT24包括四級(jí)，其與單級(jí)HPT22協(xié)作。圖2更詳細(xì)地示出了LPT24的四級(jí)，它們通常沿向下方向在尺寸和徑向高度上增加。
LPT24包括直接位于HP葉片46后面的第一級(jí)低壓(LP)渦輪噴嘴50，它們流體連通且在它們之間沒(méi)有中間支柱或整流罩地直接綜合在一起。第一級(jí)LP噴嘴50包括在環(huán)形外部環(huán)帶和內(nèi)部環(huán)帶54、56之間的跨度徑向延伸的一排第一級(jí)LP定子翼片52。第一級(jí)LP噴嘴50之后直接依次布置一排第一級(jí)LP轉(zhuǎn)子葉片58，如圖1所示該葉片固定連接在第二轉(zhuǎn)子28上。
由于圖2所示的LPT24包括四個(gè)實(shí)例級(jí)，每級(jí)都包括相應(yīng)的具有在外部環(huán)帶和內(nèi)部環(huán)帶之間徑向延伸的翼片52的定子噴嘴，外部環(huán)帶和內(nèi)部環(huán)帶適于支撐在發(fā)動(dòng)機(jī)包圍殼體的內(nèi)部。翼片52通常沿下游方向的級(jí)與級(jí)之間的徑向跨度增加。
在LPT每個(gè)噴嘴級(jí)之后都是相應(yīng)的一排轉(zhuǎn)子葉片58，該轉(zhuǎn)子葉片沿下游方向徑向尺寸也增加。每排葉片58通常都從支撐轉(zhuǎn)子盤徑向向外延伸，四個(gè)級(jí)的四個(gè)盤適于連接在一起，且還與公共的第二轉(zhuǎn)子28相連以在操作期間為風(fēng)扇14提供動(dòng)力。
如圖3所示，LP轉(zhuǎn)子葉片58方向與HP轉(zhuǎn)子葉片46相對(duì)，以反向旋轉(zhuǎn)與其相連的第一和第二轉(zhuǎn)子26、28。HPT22和LPT24中的轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)可以使LPT和HPT本身的空氣動(dòng)力效率增加，這有助于增加圖1所示的反向旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇飛行發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率。
穿過(guò)渦輪不同級(jí)的燃燒氣體的渦旋或角流動(dòng)方向由在燃燒氣體從燃燒室流到下游的流徑中的各個(gè)翼面的相應(yīng)角定向、輪廓和曲度形成。渦旋還受燃燒氣體沿著流徑流動(dòng)的速度或馬赫數(shù)影響，是包括軸向、切向和徑向的復(fù)雜三維流動(dòng)。
在圖2所示的渦輪中的反向旋轉(zhuǎn)將通過(guò)第一級(jí)LP噴嘴50的具體結(jié)構(gòu)和定向進(jìn)行說(shuō)明。具體地，第一級(jí)LP噴嘴50從HPT22開始高度沿徑向增加，其結(jié)構(gòu)可以有效地將高旋渦燃燒氣體從HPT直接引導(dǎo)到第一級(jí)LP葉片58，并且減少壓力損失。
每個(gè)第一級(jí)LP翼片52都具有弓形曲度，其銳角第二扭轉(zhuǎn)角B在定向或方向上與第二級(jí)HP葉片46的第一扭轉(zhuǎn)角A相對(duì)應(yīng)。通過(guò)這種方式，來(lái)自HPT的高排出渦旋可有效地傳送到LP轉(zhuǎn)子葉片。
相應(yīng)地，第一級(jí)LP葉片58具有銳角第三扭轉(zhuǎn)角C，其方向與第一級(jí)LP翼片52的扭轉(zhuǎn)角B相對(duì)，以實(shí)現(xiàn)第一和第二轉(zhuǎn)子26、28的反向轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖3中，第二級(jí)HP葉片46的相應(yīng)凸形負(fù)壓側(cè)朝上，以實(shí)現(xiàn)第一轉(zhuǎn)子26從前向后看的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，第一級(jí)LP葉片58的凸形負(fù)壓側(cè)朝下，以實(shí)現(xiàn)第二轉(zhuǎn)子28從前向后看的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
由于需要較少的流動(dòng)轉(zhuǎn)向，所以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的兩個(gè)轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)可以使第一級(jí)LP翼片52氣動(dòng)地卸載或減少其載荷。我們發(fā)現(xiàn)在具有用于HPT和LPT的共同旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，第一級(jí)LP噴嘴中的第一級(jí)LP翼片52的曲率和曲度可近似減少。
此外，反向旋轉(zhuǎn)渦輪還可以使渦輪葉片數(shù)量減少。例如，與共同旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)相比，圖3所示的HP葉片46的葉片總數(shù)在反向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中充分減少。并且，與相應(yīng)的共同旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相比，第一級(jí)LP翼片52的翼片總數(shù)在反向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中可充分減少。
這些協(xié)作部件的葉片和翼片的具體數(shù)量通過(guò)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)要達(dá)到的推進(jìn)力和所需效率進(jìn)行控制，但是在第一級(jí)LP翼片52的數(shù)量減少百分之五十或更多時(shí)，HP葉片46的數(shù)量充分減少大約百分之十。
翼面部件數(shù)量的減少相應(yīng)地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性、重量和成本，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有附加的優(yōu)點(diǎn)。然而主要優(yōu)點(diǎn)是增加了氣動(dòng)效率。
LPT轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)使得第一級(jí)LP噴嘴50的效率充分增加，從而相應(yīng)地增加包括HP葉片46的HPT22的效率。因此，HPT22的氣動(dòng)協(xié)作和LPT24的反向旋轉(zhuǎn)使得效率協(xié)同增加，同時(shí)相應(yīng)地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性和重量。
由于如圖2所示，高度在HPT22和LPT24之間徑向增加，以及如圖3所示從單級(jí)HPT22排出的燃燒氣體具有較大的排出渦旋，所以當(dāng)燃燒氣體徑向膨脹時(shí)，第一級(jí)LP噴嘴50在渦輪效應(yīng)中起到重要作用。由于LPT轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)操作充分減少了第一級(jí)LP噴嘴50的轉(zhuǎn)向需求，所以其氣動(dòng)載荷也減少，從而相應(yīng)地優(yōu)先減少翼片52與徑向外部環(huán)帶54相連處的軸向?qū)挾取?br> 通常，增加第一級(jí)LP噴嘴50的半徑可以減少其內(nèi)部燃燒氣體的渦旋，而增加穿過(guò)LP噴嘴的流動(dòng)面積可以增加渦旋。然而穿過(guò)LP噴嘴的面積不能過(guò)度增加，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致流動(dòng)分離和渦輪效率損失。
不使用任何中技支柱或整流罩而直接綜合LP噴嘴50的排出端和HPT22具有可以避免它們之間不需要的壓力損失的優(yōu)點(diǎn)。LPT和HPT的效率不僅受到其翼片和葉片結(jié)構(gòu)的影響，還受翼面部件之間、外部和內(nèi)部流動(dòng)邊界之間流徑的三維結(jié)構(gòu)、以及轉(zhuǎn)子葉片和它們包圍的渦輪殼之間的徑向間隙或縫隙的影響，其中渦輪殼適于支撐在包圍的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上。
如圖3和4所示，每個(gè)翼片52都包括近似凹形的正壓側(cè)60，以及圓周相對(duì)的、在環(huán)帶54、56之間的跨度徑向延伸的通常為凸形的負(fù)壓側(cè)62。這兩側(cè)還在相對(duì)的前后邊緣64、66之間的弦上軸向延伸。
如圖4所示，外部環(huán)帶54沿下游方向向外傾斜成銳傾斜角J。相應(yīng)地，內(nèi)部環(huán)帶56也沿下游方向徑向向外傾斜成銳傾斜角K。外部環(huán)帶的傾斜優(yōu)選地大于或多于內(nèi)部環(huán)帶56的傾斜，以與HP和LP轉(zhuǎn)子葉片之間的徑向高度差以及LPT膨脹燃燒氣體以從中提取能量的需求一致。
如上所述，在燃燒氣體向下游流動(dòng)穿過(guò)流徑時(shí)，其旋渦或轉(zhuǎn)向角受布置在流徑中的各個(gè)葉片、翼片或翼面部件以及其三維結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)流徑的半徑以及面積增加時(shí)，燃燒氣體在軸向和徑向膨脹面積，同時(shí)影響燃燒氣體的絕對(duì)旋渦角。通常，流徑較高的半徑可用于減少旋渦，而流動(dòng)面積的增加會(huì)增加旋渦，因此必須在獲得所需旋渦量和使渦輪氣動(dòng)效率最大化之間實(shí)現(xiàn)平衡。
如圖3所示，單個(gè)LP翼片52具有相應(yīng)的弓形壓力和負(fù)壓側(cè)，在其前后邊緣之間具有相應(yīng)量的弓形曲度。每個(gè)翼片的角定向通過(guò)相對(duì)于中心軸線30的銳扭轉(zhuǎn)角B和它們相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角C控制，其中選擇扭轉(zhuǎn)角B以與下游第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片58最大化協(xié)作。
圖4中虛線是表示后邊緣在傳統(tǒng)的共同旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的第一級(jí)渦輪噴嘴的典型的垂直定向的垂直或徑向線。傾斜環(huán)帶54、56限定噴嘴中燃燒氣體流徑的外邊界，偏向率(divergence ratio)通過(guò)DL限定，DL表示前后邊緣64、66在外部環(huán)帶54處的徑向跨度或高度差除以從前邊緣64到后邊緣66的各個(gè)軸向位置處的環(huán)帶54、56之間的L表示的平均徑向跨度或長(zhǎng)度。
經(jīng)驗(yàn)證明該偏向率表示低壓渦輪的氣動(dòng)效率。在第一級(jí)渦輪噴嘴具有垂直后邊緣的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一實(shí)例中，偏向率大約為0.40。在傳統(tǒng)的共同旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，偏向率的值等于相應(yīng)低壓渦輪的異常氣動(dòng)效率。
然而，為了簡(jiǎn)化這種傳統(tǒng)的具有垂直后邊緣的第一級(jí)渦輪噴嘴的尺寸比例，盡管渦輪噴嘴的尺寸比例小，也將相似的偏向率應(yīng)用于上述反向旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，除非該偏向率的值導(dǎo)致LPT中過(guò)度氣動(dòng)損失。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)穿過(guò)第一級(jí)LP噴嘴50的流徑的徑向向外傾斜量具有使燃燒氣體主要沿徑向膨脹的優(yōu)點(diǎn)，而第一級(jí)LP噴嘴的其他改進(jìn)可以進(jìn)一步增加上述LPT和HPT的氣動(dòng)效率。
具體地，圖4所示翼片的后邊緣66從內(nèi)部環(huán)帶56向前傾向或傾斜銳傾斜角T，例如大約6°，其相應(yīng)的在傾斜后邊緣66和向外傾斜的外部環(huán)帶54的連接處形成傾斜度。圖4所示的LP噴嘴的這個(gè)簡(jiǎn)單改進(jìn)使得外部環(huán)帶54處的徑向跨度DL差減少，從而相應(yīng)的降低與平均徑向跨度長(zhǎng)度L相除的偏向率，達(dá)到低于傳統(tǒng)的大約0.4的值。在噴嘴的各個(gè)實(shí)施例中該偏向差可小于或等于0.4，以額外增加LPT的氣動(dòng)效率。
在圖2所示的反向旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例中，偏向率可減少到大約0.2，降低了百分之五十。相應(yīng)的，由于傾斜的第一級(jí)LP噴嘴50導(dǎo)致LPT的氣動(dòng)效率增加，從而使與其協(xié)作的HPT的效率相應(yīng)的增加。翼片后邊緣66的向前傾斜，相對(duì)于內(nèi)部環(huán)帶56處的軸向投影寬度M，可降低翼片52在外部環(huán)帶54處的軸向投影寬度N。
相應(yīng)的，翼片前邊緣64還以其他傳統(tǒng)方式從內(nèi)部環(huán)帶56向前傾斜，后邊緣的傾斜與前邊緣的傾斜一致或相匹配。給定前邊緣64的傾斜度，后邊緣66的向前傾斜減少了軸向?qū)挾萅，從而相應(yīng)的減少外部環(huán)帶54處前后邊緣之間的徑向高度差DL，并相應(yīng)的降低基于翼片52平均徑向跨度或長(zhǎng)度得出的偏向率。
向前傾斜的翼片52可以更好地輔助燃燒氣體44穿過(guò)第一級(jí)LP噴嘴50的徑向向外的流動(dòng)，以及更好地輔助燃燒氣體在翼片之間軸向流動(dòng)時(shí)的徑向膨脹。由于外部環(huán)帶54徑向向外傾斜，向前傾斜的后邊緣66降低后邊緣和外部環(huán)帶之間的傾斜度，從而輔助燃燒氣體流的軸向流動(dòng)。
較窄的翼片52相應(yīng)的從噴嘴中去除材料，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。此外，向前傾斜的后邊緣66增加與第一級(jí)LP葉片58前邊緣的間隔，從而降低那里的氣動(dòng)翼尖損失以及降低下游葉片排的噴嘴尾流激勵(lì)(wake excitation)。
然而，翼片52變窄可以相應(yīng)的降低第一級(jí)LP噴嘴的氣動(dòng)載荷能力，該氣動(dòng)載荷能力是必須另外注意的。對(duì)于給定的氣動(dòng)載荷量，在傳統(tǒng)的共同旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中使用圖4所示的向前傾斜的噴嘴時(shí)，需要增加翼片52的數(shù)量。然而，盡管翼片數(shù)量以及隨之而來(lái)的重量增加，但是由于提高了向前傾斜的噴嘴翼片的氣動(dòng)效率，所以也可以獲得凈效率。
在圖2所示的反向旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)中，HPT和LPT之間的渦旋協(xié)作的改進(jìn)使得可以使用較窄的向前傾斜翼片52，甚至使翼片量降低。作為主要部件的LPT氣動(dòng)效率的改進(jìn)以及HPT效率的增加經(jīng)計(jì)算分析后確認(rèn)能顯著提高反向旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
在圖4中，清楚地示出了翼片52在前后邊緣64、66之間的軸向?qū)挾容^窄或較細(xì)，該寬度基本上小于翼片或外部和內(nèi)部環(huán)帶54、56之間流徑的平均徑向長(zhǎng)度L。雖然HPT和LPT的翼片和葉片都設(shè)計(jì)用于提取能量，但是由于它們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)中的相對(duì)位置以及它們分別連接在壓縮機(jī)18上使得其尺寸和結(jié)構(gòu)基本不同，其中驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)18相對(duì)高速旋轉(zhuǎn)，而驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇相對(duì)低速旋轉(zhuǎn)。在應(yīng)用于LPT中時(shí)第一級(jí)LP翼片52必須較窄，并且在半徑增加的HPT22排出端執(zhí)行不同的流動(dòng)分布。
翼片52在內(nèi)部環(huán)帶56處的軸向?qū)挾萂傳統(tǒng)地與發(fā)動(dòng)機(jī)的推力狀態(tài)相匹配，且相應(yīng)的比翼片徑向跨度或長(zhǎng)度窄。相應(yīng)的，向前傾斜的翼片后邊緣66可以減少翼片靠近外部環(huán)帶54的軸向?qū)挾萅，形成相應(yīng)地在外部和內(nèi)部環(huán)帶處較窄的翼片。該外寬度N近似小于傳統(tǒng)噴嘴的外寬度，并且只是稍微大于內(nèi)寬度M或通常等于內(nèi)寬度。
在圖4所示的第一級(jí)噴嘴50的實(shí)例中，具有一個(gè)內(nèi)部環(huán)帶56，其作為終端的后端靠近翼片后邊緣66，其中翼片后邊緣66位于設(shè)置在那里的弓形整流帶的小距離范圍內(nèi)。相應(yīng)的，外部環(huán)帶54作為終端的后端朝后與后邊緣66之間具有軸向間隔，外部環(huán)帶的后端垂直或通常徑向與內(nèi)部環(huán)帶56的后端對(duì)齊。
外部和內(nèi)部環(huán)帶的后端位置靠近下游的第一級(jí)LP葉片58，以保持它們之間流徑的持續(xù)性。然而，翼片52可方便地在外部環(huán)帶54處向前傾斜，以增加上述的氣動(dòng)效率。
此外，LP噴嘴50的外部和內(nèi)部環(huán)帶54、56具有相應(yīng)的前端，都是從翼片52開始向前，以與HP葉片46一起限定出無(wú)阻礙的整體過(guò)渡通道68。通道68增加HP葉片46和翼片52之間的徑向高度，其中它們之間的無(wú)阻礙軸向空間S大于外部和內(nèi)部寬度N、M之間的翼片額定或平均軸線寬度。
例如，環(huán)帶54、56在翼片52前方的軸向空間或范圍可以等于那些較窄翼片52的平均徑向跨度或長(zhǎng)度L。通過(guò)這種方式，兩個(gè)環(huán)帶54、56向前的空間在HP葉片46和第一級(jí)LP翼片52之間提供無(wú)阻礙的過(guò)渡管道68。
該無(wú)阻礙管道使得來(lái)自HPT的較大排出渦旋在與LP翼片嚙合之前混合并膨脹，而不會(huì)在其中產(chǎn)生不希望的壓力損失。并且，來(lái)自HPT的氣流可直接被引導(dǎo)穿過(guò)LP噴嘴，而沒(méi)有任何使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜的中間支柱或整流罩。
例如，后支架70位于圖2所示LPT24的后方，且包括一排安裝在外部和內(nèi)部支撐環(huán)之間的支柱72。該支柱從LPT徑向延伸穿過(guò)排氣流徑。
后支架的內(nèi)部環(huán)適于支撐軸承74，軸承74又支撐第一和第二轉(zhuǎn)子26、28的后端，而第一和第二轉(zhuǎn)子26、28又支撐HPT22和LPT24的轉(zhuǎn)子葉片46、58。
渦輪轉(zhuǎn)子葉片46、58具有徑向外翼尖，其間隔地靠近并包圍支撐在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的渦輪罩。翼尖和罩之間的間隙或縫隙保持很小，大約幾毫英寸，以使流過(guò)的氣流最小化，增加渦輪的效率。
由于LPT24的級(jí)數(shù)很少，所以第一級(jí)LP噴嘴50結(jié)構(gòu)上可沒(méi)有任何中間支架或支柱，隨著位于其中的綜合LP噴嘴和過(guò)渡通道的效率增加，通過(guò)將轉(zhuǎn)子26、28安裝在后支架70上以保持較小的翼尖間隙。
然而，圖5示出了第一級(jí)LP噴嘴的可選擇實(shí)施例，其包括具有多個(gè)支柱78的中間支架76，其中支柱延伸穿過(guò)由80表示的一些第一級(jí)LP翼片，以支撐第一轉(zhuǎn)子26的后端，第一轉(zhuǎn)子又支撐HPT22的轉(zhuǎn)子葉片46。
在該實(shí)施例中，一些LP翼片80在軸向上大于外端和內(nèi)端之間的寬度N、M，在圓周上較厚以容納穿過(guò)其徑向延伸的支柱78。圖5示出了翼片80和穿過(guò)其延伸的支柱78的雙截面(superimposed cross section)，該翼片還具有弓形曲度和銳扭轉(zhuǎn)角，以使穿過(guò)噴嘴的廢氣流轉(zhuǎn)向。
整體的過(guò)渡通道68軸向延伸以分隔前方的HP葉片46和翼片52，它們之間的間隔S小于翼片80的額定或平均軸向?qū)挾?，其中支?8安裝在翼片80中。然而，由于中間支架需要的支柱數(shù)量比氣動(dòng)載荷和轉(zhuǎn)向所需的翼片數(shù)要少，所以較寬的翼片80與圖4所示較窄的翼片52繞著LP噴嘴的圓周交替布置。
與后支架70類似，中間支架76可以是傳統(tǒng)地具有適當(dāng)?shù)妮S承的結(jié)構(gòu)，以獨(dú)立地支撐兩個(gè)轉(zhuǎn)子26、28；以及從那徑向向外延伸的轉(zhuǎn)子葉片。在該實(shí)施例中由于中間支架76軸向位于HPT和LPT之間，用于提供支撐以精確地保持HP葉片的葉片翼尖間隙與實(shí)際應(yīng)用中一樣小，所以增加了HPT的效率，并且補(bǔ)充了整體的第一級(jí)LP噴嘴50獲得的效率。另外，后支架可用于獨(dú)立地支撐LP葉片以及保持它們之間的小翼尖間隙。
在上述第一級(jí)LP噴嘴的各個(gè)實(shí)施例中，向前傾斜的后邊緣需要進(jìn)行權(quán)衡。傾斜的后邊緣會(huì)減少翼片在相應(yīng)氣動(dòng)載荷下用于轉(zhuǎn)向流體流的有效表面面積。因此，向前傾斜的噴嘴具有最好的效用和增加反向旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪氣動(dòng)效率的最好能力。
在雙軸渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，HPT和下游的LPT的性能如上所述相互關(guān)聯(lián)，并且影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)性能。HPT和LPT轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)使得具有增加氣動(dòng)效率的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的新結(jié)構(gòu)。
具體的，第一級(jí)LP噴嘴可顯著地影響LPT的性能以及布置在其上游的HPT的性能。由于第一級(jí)LP噴嘴本身結(jié)合其下游的LPT的級(jí)，以及結(jié)合布置在上游的HPT，其中在它們之間具有和沒(méi)有整體中間支架，所以這些部件的設(shè)計(jì)改進(jìn)使效率互相提高。
由于渦輪中翼面部件量減少，所以這種協(xié)同作用還可以明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。此外，向前傾斜的第一級(jí)LP噴嘴可減少發(fā)動(dòng)機(jī)的整體長(zhǎng)度，其還能協(xié)同降低較短的第一級(jí)LP噴嘴和LPT的下游級(jí)之間的結(jié)合點(diǎn)內(nèi)的包括各個(gè)其他部件的發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。
雖然這里已經(jīng)說(shuō)明了本發(fā)明優(yōu)選和示意性的實(shí)施例，但是通過(guò)這里的教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很明顯的看出本發(fā)明的其他改進(jìn)，因此權(quán)利要求書包括這些位于本發(fā)明構(gòu)思和范圍內(nèi)的改進(jìn)。
部件列表10渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)12機(jī)翼14風(fēng)扇16增壓壓縮機(jī)18軸向壓縮機(jī)20環(huán)形燃燒室22高壓渦輪(HPT)
24 低壓渦輪(LPT)26 第一轉(zhuǎn)子28 第二轉(zhuǎn)子30 中心軸線32 風(fēng)扇引擎機(jī)艙34 風(fēng)扇出口36 芯整流罩38 芯出口40 旁路管道42 空氣44 燃燒氣體46HP轉(zhuǎn)子葉片48HP定子翼片50 第一級(jí)LP渦輪噴嘴52 定子翼片54 外部環(huán)帶56 內(nèi)部環(huán)帶58 LP轉(zhuǎn)子葉片60 正壓側(cè)62 負(fù)壓側(cè)64 前邊緣66 后邊緣68 過(guò)渡通道70 后支架72 支柱74 支撐軸承76 中間支架78 支柱80 翼片82 定子噴嘴
權(quán)利要求
1.一種渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，包括由低壓渦輪(24)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇(14)、以及位于所述風(fēng)扇(14)后方并且由單級(jí)高壓渦輪(22)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)(18)，該單級(jí)高壓渦輪(22)位于所述低壓渦輪(24)的前方，并且旋轉(zhuǎn)方向與其相反；所述低壓渦輪(24)包括直接位于所述高壓渦輪后方的第一級(jí)定子噴嘴(50)，并且包括在相對(duì)端處連接到徑向向外傾斜的外部和內(nèi)部環(huán)帶(54，56)上的一排翼片(52，80)；每一所述翼片(52)在其前邊緣和后邊緣(64，66)之間具有弓形曲度，并且具有使得在所述高壓渦輪(22)和所述低壓渦輪(24)之間引導(dǎo)的燃燒氣體(44)中形成渦旋的銳扭轉(zhuǎn)角；以及所述后邊緣(66)從所述內(nèi)部環(huán)帶(56)向前傾斜，從而在所述外部環(huán)帶(54)處具有傾斜度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述外部和內(nèi)部環(huán)帶(54，56)從所述翼片(52)向前延伸，以限定出無(wú)阻礙的且整體的過(guò)渡通道(68)，該通道在所述高壓葉片(46)和所述翼片(52)之間的徑向高度增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述傾斜環(huán)帶(54，56)的偏向率通過(guò)所述外部環(huán)帶(54)處的所述前后邊緣(64，66)之間的徑向跨度差除以所述環(huán)帶處的所述前邊緣(64)到所述后邊緣(66)之間的平均徑向跨度來(lái)限定，所述比例小于0.4。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述翼片后邊緣(66)從所述內(nèi)部環(huán)帶(56)向前傾斜，從而在所述外部環(huán)帶(54)處具有傾斜度；以及所述翼片前邊緣(64)也從所述內(nèi)部環(huán)帶(56)向前傾斜，并且所述后邊緣與所述前邊緣的傾斜一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述外部環(huán)帶(54)傾斜度比所述內(nèi)部環(huán)帶(56)要大。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述翼片(52)在所述前后邊緣(64，66)之間的軸向?qū)挾容^窄，且所述寬度小于所述外部和內(nèi)部環(huán)帶(54，56)之間的徑向長(zhǎng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述翼片(52)在所述外部和內(nèi)部環(huán)帶(54，56)處都相應(yīng)的較窄。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述過(guò)渡通道軸線延伸以分隔向前的所述高壓葉片(46)和所述翼片(52)，它們之間的間隔大于所述翼片(52)的額定寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于還包括位于所述低壓渦輪(24)后方的后支架(70)，其包括支撐所述第一和第二轉(zhuǎn)子(26，28)后端的軸承(74)，轉(zhuǎn)子(26，28)又支撐所述高壓渦輪(22)和低壓渦輪(24)的所述轉(zhuǎn)子葉片(46，48)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于還包括中間支架(76)，其包括多個(gè)延伸穿過(guò)所述第一級(jí)低壓翼片(80)的支柱(78)，用于支撐所述第一轉(zhuǎn)子(26)的后端，轉(zhuǎn)子(26)又支撐所述HPT(22)的所述轉(zhuǎn)子葉片(46)。
全文摘要
一種渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，其包括串聯(lián)的流體連通的風(fēng)扇(14)、壓縮機(jī)(18)、燃燒室(20)、單級(jí)高壓渦輪(22)、以及低壓渦輪(24)。低壓渦輪(24)中的第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片(58)與高壓渦輪(22)中的轉(zhuǎn)子葉片(46)以方向相反的方式定向以便反向旋轉(zhuǎn)。低壓渦輪(24)中的第一級(jí)定子翼片(52)具有的曲度和扭曲度便于在高壓和低壓渦輪(22，24)的轉(zhuǎn)子葉片(46，58)之間直接承受渦旋作用。
文檔編號(hào)F02C3/067GK1900508SQ20061012855
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者T·O·莫尼茨, S·M·卡森, R·J·奧爾蘭多, C·-P·李, D·G·徹里 申請(qǐng)人:通用電氣公司