具有高速低壓渦輪部段的燃氣渦輪發(fā)動的制造方法
【專利摘要】一種燃氣渦輪發(fā)動機包括非常高速的低壓渦輪，使得由低壓渦輪的出口面積乘以低壓渦輪旋轉速度的平方限定出的量比用于高壓渦輪的相同參數(shù)為大約0.5～大約1.5之間的比值。
【專利說明】具有高速低壓渦輪部段的燃氣渦輪發(fā)動機
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請要求2012年2月29日提交的美國臨時申請No. 61/604,653的優(yōu)先權，并且是 2012 年 1 月 31 日提交的且題為 "GAS TURBINE ENGINE WITH HIGH SPEED LOW PRESSURE TURBINE SECTION"的美國專利申請No. 13/363, 154的部分繼續(xù)申請。
【技術領域】
[0002] 本申請涉及燃氣渦輪發(fā)動機，其中比起現(xiàn)有技術的發(fā)動機，低壓渦輪部段相對于 高壓渦輪部段的速度和離心拉應力以更高的速度和離心拉應力旋轉。
【背景技術】
[0003] 燃氣渦輪發(fā)動機是公知的，并且通常包括風扇，其輸送空氣到低壓壓縮器部段中。 空氣在低壓壓縮器部段中被壓縮，并被傳送到高壓壓縮器部段中。從高壓壓縮器部段，空氣 被引入燃燒部段中，在這里它與燃料混合并被點燃。該燃燒的產物向下游傳送經過高壓渦 輪部段，然后經過低壓渦輪部段。
[0004] 傳統(tǒng)上，在許多現(xiàn)有技術的發(fā)動機上，低壓渦輪部段是直接驅動低壓壓縮器部段 和風扇兩者。由于燃料消耗隨風扇直徑相對于核心直徑增大而改善，所以行業(yè)中的趨勢是 增大風扇直徑。然而，隨著風扇直徑增大，高風扇葉片葉尖速度可能導致效率因可壓縮性影 響而降低。相應地，風扇速度，從而低壓壓縮器部段和低壓渦輪部段（兩者在歷史上都是經 由低壓轉軸聯(lián)接至風扇）的速度，是設計約束。最近，在低壓轉軸（低壓壓縮器部段和低壓 渦輪部段）與風扇之間提出了齒輪減速器，以便允許風扇以不同的更理想的速度旋轉。
【發(fā)明內容】
[0005] 在一特定實施例中，一種燃氣渦輪發(fā)動機具有風扇和與風扇處于流體連通的壓縮 器部段。所述壓縮器部段包括第一壓縮器部段和第二壓縮器部段。燃燒部段與所述壓縮器 部段處于流體連通。渦輪部段與所述燃燒部段處于流體連通。所述渦輪部段包括第一渦輪 部段和第二渦輪部段。所述第一渦輪部段和所述第一壓縮器部段沿第一方向旋轉。所述第 二渦輪部段和所述第二壓縮器部段沿相反的第二方向旋轉。所述第一渦輪部段在第一出口 點處具有第一出口面積，并以第一速度旋轉。所述第二渦輪部段在第二出口點處具有第二 出口面積，并以第二速度旋轉，所述第二速度高于所述第一速度。第一性能量被定義為第一 平方速度與第一面積的乘積。第二性能量被定義為第二平方速度與第二面積的乘積。所述 第一性能量與所述第二性能量的比值在大約〇. 5?大約1. 5之間。在所述風扇與被所述第 一渦輪部段驅動的低轉軸之間包括齒輪減速器，使得所述風扇以低于所述第一渦輪部段的 速度旋轉。
[0006] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述比值高于或等于大約0. 8。
[0007] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述比值高于或等于大約1.0。
[0008] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述齒輪減速器使所述風扇沿所述相反的第 二方向旋轉。
[0009] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述齒輪減速器使所述風扇沿所述第一方向 旋轉。
[0010] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述齒輪減速器是行星齒輪減速器。
[0011] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，齒輪減速比大于大約2. 3。
[0012] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，齒輪比大于大約2. 5。
[0013] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述風扇輸送一部分空氣到涵道管道中，并 且涵道比被定義為輸送到所述涵道管道中的那部分空氣除以輸送到所述第一壓縮器部段 中的空氣量，且所述涵道比大于大約6. 0。
[0014] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，涵道比大于大約10. 0。
[0015] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述風扇具有26個或更少的葉片。
[0016] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述第一渦輪部段具有至少3個級。
[0017] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述第一渦輪部段具有高達6個級。
[0018] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，穿過所述第一渦輪部段的壓力比大于大約 5:1。
[0019] 在再一實施例中，一種燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪部段具有第一和第二渦輪部段。所 述第一渦輪部段在第一出口點處具有第一出口面積，并以第一速度旋轉。所述第一渦輪部 段具有至少三個級。所述第二渦輪部段在第二出口點處具有第二出口面積，并以第二速度 旋轉，所述第二速度快于所述第一速度。所述第二渦輪部段具有兩個或更少的級。第一性 能量被定義為第一平方速度與第一面積的乘積。第二性能量被定義為第二平方速度與第二 面積的乘積。所述第一性能量與所述第二性能量的比值在大約〇. 5?大約1. 5之間。
[0020] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述第一和第二渦輪部段被設計成相對于彼 此沿相反方向旋轉。
[0021] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，穿過所述第一渦輪部段的壓力比大于大約 5:1。
[0022] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述性能量的比值高于或等于大約0. 8。
[0023] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述比值高于或等于大約1.0。
[0024] 在根據(jù)前一實施例的另一實施例中，所述第一渦輪部段具有高達六個級。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1示出了燃氣渦輪發(fā)動機。
[0026] 圖2示意性地示出了低和高轉軸以及風扇驅動器的配置。
[0027] 圖3示意性地示出了替代方案的驅動配置。
【具體實施方式】
[0028] 圖1示意性地示出了燃氣渦輪發(fā)動機20。燃氣渦輪發(fā)動機20在本文被公開為二 轉軸渦扇，其一般包含風扇部段22、壓縮器部段24、燃燒器部段26和渦輪部段28。除其它 系統(tǒng)或特征外，替代方案的發(fā)動機還可以增強器部段（未示出）。風扇部段22沿著涵道流 動路徑B驅動空氣，而壓縮器部段24沿著核心流動路徑C驅動空氣，以進行壓縮并連通到 燃燒器部段26中，然后膨脹穿過渦輪部段28。盡管在所公開的非限制性實施例中被描繪為 渦扇燃氣渦輪發(fā)動機，但是應該明白的是：本文所描述的構思并不局限于用于渦扇，因為教 導可以應用于其它類型的渦輪發(fā)動機，其包括三轉軸結構。
[0029] 發(fā)動機20通常包括低速轉軸30和高速轉軸32,其安裝成經由數(shù)個軸承系統(tǒng)38相 對于發(fā)動機靜態(tài)結構36圍繞發(fā)動機中心縱向軸線A旋轉。應該明白的是：可以替代地或附 加地提供處于各個位置處的各個軸承系統(tǒng)38。
[0030] 低速轉軸30通常包括內軸40,其互連風扇42、低壓（或第一）壓縮器部段44和 低壓（或第一）渦輪部段46。內軸40通過齒輪傳動結構48連接至風扇42,來以比低速轉 軸30低的速度驅動風扇42。高速轉軸32包括外軸50,其互連高壓（或第二）壓縮器部段 52和高壓（或第二）渦輪部段54。燃燒器56配置在高壓壓縮器部段52與高壓渦輪部段 54之間。發(fā)動機靜態(tài)結構36的中間渦輪框架57 -般配置在高壓渦輪部段54與低壓渦輪 部段46之間。中間渦輪框架57進一步支承渦輪部段28中的軸承系統(tǒng)38。如本文中所使 用的，高壓渦輪部段經受比低壓渦輪部段更高的壓力。低壓渦輪部段是為風扇42提供動力 的部段。內軸40和外軸50是同心的，并且圍繞與它們的縱向軸線共線的發(fā)動機中心縱向 軸線A經由軸承系統(tǒng)38旋轉。高和低轉軸可共同旋轉或反向旋轉。
[0031] 核心空氣流C被低壓壓縮器部段44壓縮然后被高壓壓縮器部段52壓縮，與燃燒 器56中的燃料混合并燃燒，然后膨脹穿過高壓渦輪部段54和低壓渦輪部段46。中間渦輪 框架57包括翼59,其處于核心空氣流路徑中。渦輪部段46、54響應于膨脹而旋轉地驅動相 應的低速轉軸30和高速轉軸32。
[0032] 發(fā)動機20在一個示例中為高涵道比齒輪傳動航空器發(fā)動機。涵道比是輸送到涵 道路徑B中的空氣量除以進入核心路徑C中的空氣量。在再一示例中，發(fā)動機20的涵道比 大于大約六（6)，且一示例性實施例為大于十（10)，齒輪傳動結構48是周轉圓（epicyclic) 齒輪系，比如行星齒輪系統(tǒng)或其它齒輪系統(tǒng)，其齒輪減速比大于大約2. 3,并且低壓渦輪部 段46具有大于大約5的壓力比。在一個所公開的實施例中，發(fā)動機20的涵道比大于大約 十（10:1)，風扇直徑顯著大于低壓壓縮器部段44的直徑，并且低壓渦輪部段46具有大于大 約5:1的壓力比。在一些實施例中，高壓渦輪部段可以具有兩個或更少的級。相比之下，低 壓渦輪部段46在一些實施例中具有3?6個級。此外，低壓渦輪部段46的壓力比是在低 壓渦輪部段46的入口之前測得的總壓力相比于在排氣噴嘴之前的低壓渦輪部段46的出口 處的總壓力。齒輪傳動結構48可以是周轉圓齒輪系，比如行星齒輪系統(tǒng)或其它齒輪系統(tǒng)， 其齒輪減速比大于大約2. 5:1。
[0033] 當希望風扇與低壓渦輪部段沿相同方向旋轉時，則可以采用行星齒輪系統(tǒng)。另一 方面，如果希望風扇沿與低壓渦輪部段的旋轉方向相反的方向旋轉，則可以采用星型齒輪 減速器。本領域的技術人員將意識到可用于燃氣渦輪發(fā)動機設計者的相對于齒輪減速器的 各種選項。然而，應該理解的是：以上參數(shù)只是齒輪傳動結構發(fā)動機的一個實施例的示例， 并且本發(fā)明適用于包括直接驅動型渦扇的其它燃氣渦輪發(fā)動機。
[0034] 由于高涵道比而由涵道流B提供顯著的推力量。發(fā)動機20的風扇部段22被設計 為用于特定飛行狀態(tài)一通常巡航在大約〇. 8馬赫和大約35, 000英尺。發(fā)動機處于其最佳 燃料消耗量的、〇. 8馬赫和35, 000英尺的飛行狀態(tài)一也稱為"急速巡航單位推力燃料消耗 量（'TSFC'）"。 TSFC是每小時燃燒的燃料的lbm除以發(fā)動機在該飛行狀態(tài)時生成的推 力的lbf的比率的工業(yè)標準參數(shù)。"低風扇壓力比"是在風扇出口導向葉片之前僅穿過風扇 葉片的總壓力的比值。如本文中根據(jù)一個非限制性實施例所公開的低風扇壓力比小于大約 1.45。"低修正風扇葉尖速度"是實際風扇葉尖速度（單位為英尺/秒）除以工業(yè)標準溫度 修正量[(環(huán)境空氣溫度° R)/518. 7Γ0. 5]。如本文中根據(jù)一個非限制性實施例所公開的 "低修正風扇葉尖速度"小于大約1150英尺/秒。此外，風扇42可以具有26個或更少的葉 片。
[0035] 出口面積400在圖1和圖2中被示為在用于高壓渦輪部段54的出口位置處。用 于低壓渦輪部段的出口面積被限定在用于低壓渦輪部段的出口 401處。如圖2中所示，渦 輪發(fā)動機20可以是反向旋轉的。這意味著：低壓渦輪部段46和低壓壓縮器部段44沿一個 方向旋轉，而包括高壓渦輪部段54和高壓壓縮器部段52的高壓轉軸32沿相反方向旋轉。 齒輪減速器48可以被選擇成使得風扇42與如圖2中所示的高轉軸32沿相同方向旋轉。
【權利要求】
1. 一種燃氣渦輪發(fā)動機，包括： 風扇； 壓縮器部段，其與所述風扇處于流體連通，所述壓縮器部段包括第一壓縮器部段和第 二壓縮器部段； 燃燒部段，其與所述壓縮器部段處于流體連通； 渦輪部段，其與所述燃燒部段處于流體連通； 其中，所述渦輪部段包括第一渦輪部段和第二渦輪部段；所述第一渦輪部段和所述第 一壓縮器部段沿第一方向旋轉，并且其中所述第二渦輪部段和所述第二壓縮器部段沿相反 的第二方向旋轉； 其中，所述第一渦輪部段在第一出口點處具有第一出口面積，并以第一速度旋轉； 其中，所述第二渦輪部段在第二出口點處具有第二出口面積，并以第二速度旋轉，所述 第二速度高于所述第一速度； 其中，第一性能量被定義為第一平方速度與第一面積的乘積； 其中，第二性能量被定義為第二平方速度與第二面積的乘積； 其中，所述第一性能量與所述第二性能量的比值在大約0. 5?大約1. 5之間；并且 其中，在所述風扇與被所述第一渦輪部段驅動的低轉軸之間包括齒輪減速器，使得所 述風扇以低于所述第一渦輪部段的速度旋轉。
2. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述比值高于或等于大約0. 8。
3. 如權利要求7所述的發(fā)動機，其中，所述比值高于或等于大約1. 0。
4. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述齒輪減速器使所述風扇沿所述相反的第二 方向旋轉。
5. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述齒輪減速器使所述風扇沿所述第一方向旋 轉。
6. 如權利要求5所述的發(fā)動機，其中，所述齒輪減速器是行星齒輪減速器。
7. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述齒輪減速器的齒輪比大于大約2. 3。
8. 如權利要求7所述的發(fā)動機，其中，所述齒輪比大于大約2. 5。
9. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述風扇輸送一部分空氣到涵道管道中，并且 涵道比被定義為輸送到所述涵道管道中的那部分空氣除以輸送到所述第一壓縮器部段中 的空氣量，且所述涵道比大于大約6. 0。
10. 如權利要求9所述的發(fā)動機，其中，所述涵道比大于大約10.0。
11. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述風扇具有26個或更少的葉片。
12. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述第一渦輪部段具有至少三個級。
13. 如權利要求12所述的發(fā)動機，其中，所述第一渦輪部段具有高達六個級。
14. 如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，穿過所述第一渦輪部段的壓力比大于大約 5:1。
15. -種燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪部段，包括： 第一渦輪部段； 第二渦輪部段； 其中，所述第一渦輪部段在第一出口點處具有第一出口面積，并以第一速度旋轉，所述 第一渦輪部段具有至少3個級； 其中，所述第二渦輪部段在第二出口點處具有第二出口面積，并以第二速度旋轉，所述 第二速度快于所述第一速度，所述第二渦輪部段具有2個或更少的級； 其中，第一性能量被定義為第一平方速度與第一面積的乘積； 其中，第二性能量被定義為第二平方速度與第二面積的乘積；并且 其中，所述第一性能量與所述第二性能量的比值在大約〇. 5?大約1. 5之間。
16. 如權利要求15所述的渦輪部段，其中，所述第一和第二渦輪部段被設計成相對于 彼此沿相反方向旋轉。
17. 如權利要求15所述的渦輪部段，其中，穿過所述第一渦輪部段的壓力比大于大約 5:1。
18. 如權利要求15所述的渦輪部段，其中，所述性能量的所述比值高于或等于大約 0· 8。
19. 如權利要求18所述的渦輪部段，其中，所述比值高于或等于大約1. 0。
20. 如權利要求15所述的渦輪部段，其中，所述第一渦輪部段具有高達六個級。
【文檔編號】F02K3/02GK104105638SQ201380007451
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年1月21日 優(yōu)先權日:2012年1月31日
【發(fā)明者】G.L.蘇丘, F.M.施瓦斯, W.K.阿克曼, D.B.庫普拉蒂斯 申請人:聯(lián)合工藝公司