反向推力發動機的製作方法

2023-05-13 00:52:41 2

本發明主題總體涉及發動機，且更特別地，涉及旋轉式發動機，其中通過該發動機的至少一部分的空氣流是可反向的。

背景技術：

在一些風扇發動機(例如「槳扇」發動機)中，旋轉螺旋槳的軸線平行於燃氣發動機的軸線或與之共軸。在一些此類發動機中，螺旋槳可具有固定的槳距或可變的槳距。某些可變槳距燃氣渦輪發動機包括推力反向特徵，用於重新定向通過或圍繞發動機的空氣流，以產生反向動力或推力。通常，為了產生反向推力，要旋轉螺旋槳的槳距使得從發動機的後方或後部吸取空氣。隨著螺旋槳圍繞中心軸線旋轉，該反向空氣流在與正常操作相反的方向上提供了推力，即，從後向前而不是正常的從前向後。在反向推力期間，空氣在被吸入核心發動機壓縮機的典型前入口之前被迫圍繞發動機。在進入壓縮機入口後，空氣在相對正常的方向上流動，即，從前向後。儘管在反向推力期間空氣被提供到典型的位置中(壓縮機入口)，但是可能將顯著而不期望的漩渦或流暢畸變(flowdistortion)引入氣流。此外，由於大部分發動機主要是設計用於正常流(從前向後)的，因此現有的發動機典型地僅僅在那個方向上是流線形的。對發動機的不同支撐元件或者入口可能導致從後向前的氣流打旋，不利地影響壓縮機的性能，以及整個發動機的性能。

因此，一種改善的可反向燃氣渦輪發動機是期望的。尤其是，減少被引入到反向氣流中的流場畸變的量的燃氣渦輪發動機將會是有利的。

技術實現要素：

本發明的多個方面和優點將在以下說明中部分地闡述，或者可由該說明而顯而易見，或者可通過實踐本發明而獲悉。

在本發明公開的一個方面，提供了限定中心軸線和周向方向的推進器。推進器可包括核心發動機和核心殼體。核心發動機可包括沿中心軸線延伸的發動機軸。核心殼體可具有內表面和外表面。核心殼體可沿著圍繞推進器的周向方向，以及沿著從前端向後端的中心軸線延伸。核心殼體可限定主空氣流徑，該主空氣流徑在前端具有環形入口，並在後端具有排氣管。核心殼體還可限定從外表面入口到內表面出口延伸的反向流通道。

在本發明公開的另一方面，提供了限定中心軸線的發動機。該發動機可包括風扇區段、核心發動機和核心殼體。風扇區段可包括多個可變槳距風扇葉片，用於產生前向推力和反向推力。核心發動機可驅動地連接到風扇區段上。核心殼體可包圍核心發動機，並且至少部分地限定穿過核心發動機的主空氣流徑。核心殼體可沿中心軸線從前端向後端延伸。核心殼體也可在前端限定到主空氣流徑的環形入口，以及延伸穿過核心殼體到主空氣流徑的反向流通道，以在可變槳距風扇葉片產生反向推力時允許空氣流穿過其中。

在本發明公開的又另一個方面，提供了一種操作推進器的方法。該推進器可包括風扇區段、核心發動機和核心殼體，風扇區段具有多個可變槳距風扇葉片，用於產生前向推力和反向推力，核心發動機驅動地連接到風扇區段上。該方法可包括利用風扇區段產生反向推力，使得空氣流穿過反向流通道。反向流通道可穿過核心殼體限定。核心殼體可包圍核心發動機，並且至少部分地限定穿過核心發動機的主空氣流徑。核心殼體也可沿中心軸線從前端向後端延伸。核心殼體還可在前端限定到主空氣流徑的環形入口。

參考以下說明和所附權利要求，本發明的這些和其他特徵、方面以及優點將更好地理解。結合在說明書中並構成說明書一部分的附圖圖示了本發明的實施例，並且與說明一起用於解釋本發明的原理。

附圖說明

說明書中描述了針對本領域普通技術人員的本發明的完整而能夠實施的公開，包括其最佳模式，其引用了附圖，其中：

圖1提供了根據本發明公開的一個或更多實施例的示例性燃氣渦輪發動機的橫截面示意性視圖；

圖2是圖1的示例性燃氣渦輪發動機的放大的橫截面示意性視圖；以及

圖3提供了根據本發明公開的一個或更多實施例的示例性核心發動機殼體的透視視圖。

本說明書和附圖中參考標號的重複使用旨在代表本發明中相同或類似的特徵或元件。

標號部件

10燃氣渦輪發動機

12中心線(中心軸線)

14風扇區段

16核心渦輪發動機

18核心殼體

20(核心殼體的)前端

22(核心殼體的)後端

24(核心殼體的)外表面

26(核心殼體的)內表面

28環形核心入口

32噴氣排氣管

34lp壓縮機

36hp壓縮機

38燃燒區段

40hp渦輪

42lp渦輪

44噴氣排氣管噴嘴

46hp軸

48lp軸

50主空氣流徑

52可變槳距風扇

54風扇葉片

56風扇葉片盤

58動力齒輪箱

59氣流

60變槳距機構

62機艙

63整流罩入口

64風扇整流罩

65外涵排氣管

66出口導葉

68外涵氣流通道

70氣流

72氣流

74風扇出口定子葉片

76核心支柱

78內部靜止支架

80徑向支撐線

82反向流通道

84連續條帶

86外表面入口

88內表面出口

90反向氣流

92反向氣流

94反向氣流

96主動控制板

r徑向軸線

p1樞轉軸線

a軸向方向。

具體實施方式

現在將詳細參考本發明的實施例，其一個或更多示例在附圖中圖示。每個示例作為本發明的解釋而非本發明的限制提供。實際上，對於本領域技術人員將會明顯的是在本發明中可做出各種改型和變型而不背離本發明的範圍或精神。例如，作為一個實施例的一部分圖示並描述的特徵可結合另一實施例使用來產生又其他的實施例。因此，其意圖在於本發明覆蓋落入所附權利要求書及其等價物範圍內的此類改型和變型。

如本文中所用，術語「第一」、「第二」和「第三」可以可交換地使用來將一個部件與另一個相區分並且並不意圖表示單個部件的位置或重要性。

術語「上遊」和「下遊」指相對於流體路徑中流體流的相對方向。例如，「上遊」指流體從其流動的方向，而「下遊」指流體流向的方向。

本發明公開總體提供了構造成用於可反向氣流的燃氣渦輪發動機。和其他特徵一起，該燃氣渦輪發動機可構造成產生直接進入核心發動機的一股反向氣流，而不必使空氣唯一地經過中心核心入口。

現在轉向附圖，圖1圖示了推進器，其形成為根據本發明公開的一個示例性實施例的燃氣渦輪發動機。更具體地，對於圖1的實施例，燃氣渦輪發動機是高涵道比(high-bypass)渦扇噴氣發動機10，本文稱之為「渦扇發動機10」。如圖1中所示，渦扇發動機10限定了軸向方向a(平行於縱向中心線12從前向後延伸，提供用來參考)以及徑向方向r。渦扇發動機10也可限定周向地圍繞軸向方向a延伸的周向方向c(見圖3)。總體而言，渦扇10包括風扇區段14和設置在風扇區段14下遊的核心發動機16。儘管渦扇發動機10具有圖示的核心渦輪發動機16，但是設想了可提供另一種推進器。具體地，可提供具有另一種合適的核心發動機的推進器。例如，用於給發動機軸和風扇提供旋轉力的電子馬達、氫燃料電池、核發動機或另一種合適的發動機可作為附加或備選核心發動機實施例而提供。

所描繪的示例性核心發動機16通常包圍在大致管狀的外殼體或核心殼體18內。如圖所示，核心殼體18沿中心軸線12從前端20向後端22延伸，並且包括徑向向外外表面24和徑向向內內表面26。此外，核心殼體18限定在前端20處的環形核心入口28和在後端22處的噴氣排氣管32。外殼體或核心殼體18周向地設置在壓縮機區段、燃燒區段38、渦輪區段和噴氣排放噴嘴區段44周圍並以串行流的關係包圍它們，壓縮機區段包括旋轉增壓器或低壓(lp)壓縮機34和高壓(hp)壓縮機36，渦輪區段包括高壓(hp)渦輪40和低壓(lp)渦輪42。在圖示的實施例中，lp壓縮機34、hp壓縮機36、hp渦輪40以及lp渦輪42的每一個都從中心軸線12徑向地向外延伸。高壓(hp)發動機軸或捲筒46沿中心軸線12延伸並驅動地將hp渦輪40連接到hp壓縮機36上。低壓(hp)發動機軸或捲筒48也沿中心軸線12延伸並驅動地將lp渦輪42連接到lp壓縮機34上。壓縮機區段、燃燒區段38、渦輪區段以及噴嘴區段44一起限定穿過其中的主流徑或主空氣流徑50。

對於所描繪的實施例，風扇區段14包括具有多個風扇葉片54的可變槳距風扇52。如圖1中所示，風扇葉片54在基部附接到盤56上，跨越動力齒輪箱58通過lp軸48，風扇葉片54和盤56一起圍繞縱向中心軸線12而可旋轉。在可選實施例中，動力齒輪箱58包括用於將lp軸48的轉速逐步減低到更加有效的旋轉風扇速度的多個齒輪。然而，在其他實施例中，風扇葉片54和盤56可為由lp軸48驅動的方向。

另外，多個風扇葉片54每一個都可圍繞相應的槳距軸線p1通過變槳距機構60旋轉。變槳距機構60可包括用於改變相應風扇葉片54的每一個的槳距的一個或更多旋轉或線性致動器。在至少一個槳距位置上，風扇葉片54可起作用來圍繞核心發動機16使氣流反向，以下更詳細地進行了描述。

依然參考圖1的示例性實施例，盤56由可旋轉的前輪轂覆蓋，前輪轂空氣動力學地形成輪廓，以促進氣流穿過多個風扇葉片54。此外，示例性渦扇發動機10包括環形機艙組件62，環形機艙組件62周向地包圍風扇52和/或核心渦輪發動機16的至少一部分。機艙組件62通常包括風扇整流罩64。所描繪的示例性機艙62相對於核心發動機16由多個周向地分開的出口導葉66支撐。通常，出口導葉66可尺寸設置、成形並構造成減少對從前向後流動的流體或空氣的漩渦。在正常操作期間，流體或空氣具有極大減少程度的整體漩渦，這轉化成升高的發動機效率水平。在圖示實施例中，外涵氣流(bypassairflow)通道68限定在機艙組件62和核心發動機16之間。

在渦扇發動機10的正常操作期間，多個風扇葉片構造成產生前向推力。更特別地，一定體積的空氣59穿過機艙62的相關整流罩入口63和/或風扇區段14進入渦扇10。當該體積的空氣59穿過風扇葉片54時，如由箭頭70所示的第一部分空氣被引導或導入外涵氣流通道68並通過外涵排氣管65引出。如由箭頭72所示的第二部分空氣被引導或導入主空氣流徑50以在噴氣排氣管32處離開。

現在參考圖2，提供了圖1的示例性燃氣渦輪發動機10的一部分的放大視圖，包括壓縮機部分。如圖所示，在環形核心入口28處提供了包括多個風扇出口定子葉片74的噴嘴，環形核心入口28位於主空氣流徑50內並且在lp壓縮機34前面。通常，風扇出口定子葉片74圍繞中心軸線12(見圖3)在lp壓縮機34前面(同樣見圖3，其中若干葉片74的覆蓋區表示成虛線)設置成環形陣列。風扇出口定子葉片74可成形並構造成從由發動機10吹出的空氣去除漩渦。在圖2的示例性實施例中，定子葉片74以靜止的關係固定到核心殼體18上。此外，某些實施例的定子葉片74從核心殼體18的內表面26徑向向內延伸。定子葉片74的附加或者備選實施例可附接或安裝到發動機10的內部靜止支架78上。

圖2的圖示實施例還包括圍繞中心軸線12設置成環形陣列的多個核心支柱76(見圖1)。核心支柱76定位在環形入口28和風扇出口定子葉片74的後面，儘管支柱76可能比風扇出口定子葉片74少得多。如圖所示，核心支柱76從核心殼體18的內表面26徑向地向內延伸。可選地，核心支柱76可形成為具有翼型件形狀，以最小化主空氣流徑50中漩渦的引入。在一些實施例中，核心支柱76還從內表面26穿過核心殼體18徑向地向外延伸至外表面24。核心支柱76通常從靜止支架78支撐核心殼體18。在可選實施例中，核心支柱76可進一步附接或安裝到發動機的靜止支架78上。

燃氣渦輪發動機的某些實施例將包括與外涵出口導葉66軸向地對齊的一個或更多核心支柱76。可選地，每個核心支柱76都可以與不同的對應外涵出口導葉66對齊。如圖2中所示，一些實施例的核心支柱76和外涵出口導葉66徑向地延伸以剛性地支撐整個燃氣渦輪機實施例。在圖示的實施例中，核心支柱76和外涵出口導葉66大致軸向地且周向地對齊。核心支柱76和外涵出口導葉66一起形成從風扇整流罩64(見圖1)延伸到發動機的內部靜止支架78的剛性徑向支撐線80。

如圖2和3中所示，圖3提供了核心發動機16的透視視圖，反向流通道82穿過示例性實施例的核心殼體18限定。可選地，可圍繞中心軸線12周向地設置多個反向流通道82。儘管反向流通道82被示出為具有通常圓形的橫截面孔，但是可提供其他合適的形狀。在圖示實施例中，除了反向流通道82，核心殼體18的外表面24基本上是不中斷的。連續條帶84在每個反向流通道82之間軸向地延伸，從而最小化由核心殼體18賦予外涵氣流的不利漩渦。在一些這樣的實施例中，外核心殼體18形成為從前端20向後端22連續地延伸的單件式整流罩。儘管核心殼體可由若干組成構件組裝，但組成構件可直接附接到彼此之上以形成大致單一的結構，其中每個反向流通道82都從限定在外表面24內的開口向限定在內表面26內的開口延伸。

如圖2中圖示的那樣，每個反向流通道82都通常沿徑向方向r從核心殼體18的外表面24向核心殼體18的內表面26延伸。穿過外表面24限定至少一個外表面入口86。可選地，穿過出口導葉66可部分地或完全地限定內表面出口88。在一些實施例中，穿過內表面26限定至少一個內表面出口88。在圖2的示例性實施例中，外表面入口86定位在外涵出口導葉66的後面，而內表面出口88定位在風扇出口定子葉片74的後面。在某些實施例中，內表面出口88可部分地或完全地穿過支柱74限定。

如以上所述，在正常或前向推力操作期間，風扇葉片54可圍繞核心發動機16從前向後吸取空氣58(見圖1)。然而，如圖2中所示，在反向推力操作期間，風扇葉片54如箭頭90所示從後向前吸取空氣。換言之，反向推力操作將要求空氣90從發動機的後面部分例如圖1的外涵排氣管65向前朝風扇葉片54吸取。在反向推力操作期間，反向氣流90可能分成多個部分。由箭頭92指示的一部分可被引入反向流通道82。由箭頭94指示的另一部分可進一步向前行進至核心殼體18的前端20(見圖1)。在一些實施例中，氣流部分92可從外涵氣流通道68被引導並向下遊引導至lp壓縮機34。具體地，氣流92可在穿過內表面出口88進入lp壓縮機34之前進入外表面入口86。反向推力操作期間穿過外表面入口86吸取的氣流92將不受在外涵出口導葉66處引入的不利漩渦的影響。在某些實施例中，內表面出口88定位在核心支柱76的後面。有利的是，從核心支柱76或在核心支柱76前面的任何位置引入的漩渦在反向推力操作期間將被類似地最小化。

在一些實施例中，反向流通道82限定穿過核心殼體18的弓形流徑。如圖2中所示，外表面入口86被引向外涵氣流通道68的後面部分，例如圖1的外涵排氣管65。因此，反向氣流90可有利地以相對穩定的流量進入反向流通道82。穿過反向流通道82，弓形流徑逐步向主空氣流徑50的方向重新引導氣流。在圖示的實施例中，內表面出口88被引向上遊lp壓縮機34。在反向推力操作期間，與被吸取穿過反向流通道82的空氣一起，發動機的某些實施例還將如由箭頭94所示從環形核心入口28吸取空氣進入lp壓縮機34。來自反向流通道82的氣流92可用於使氣流場對於來自環形核心入口28的氣流94大致均勻。

反向流通道82可構造成用於被動或主動用途。被動用途實施例將通常一直保持打開。例如，在正常發動機操作期間，跨反向流通道82的壓差通常會不足以重新引導大部分的空氣穿過外涵氣流通道68從前向後流動。相反，主動用途實施例可包括一個或更多機械鉸接或電子鉸接的主動控制板96或其他控制閥結構，來選擇性地阻塞反向流通道82。例如，可移動主動控制板96可在正常發動機操作期間基本上阻塞內表面出口88，同時在反向推力操作期間讓反向流通道82不阻塞。一個或更多致動器可選擇性地迫使主動控制板96進入或離開反向流通道82。

可選地，控制器(未圖示)可以可操作地連接到主動控制板96上，以開始它的移動。控制器可包括獨立的處理器和存儲單元。可選地，控制器可包括全權數字發動機控制(fadec)，或者另一種合適的發動機控制單元。處理器可包括數位訊號處理器(dsp)，專用集成電路(asic)，現場可編程門陣列(fpga)或其他可編程邏輯裝置，離散門或電晶體邏輯，離散硬體部件或它們的任何組合，它們被設計並編程以執行本文描述的功能或者引起本文描述的功能的執行。處理器也可包括微處理器，或者前述裝置的組合(例如，dsp和微處理器的組合，多個微處理器，與dsp核心相互協調的一個或更多微處理器，或者任何其他此類構造)。

另外，存儲裝置通常可包括存儲元件，包括但不限於，計算機可讀取介質(例如隨機存取存儲器(ram))，計算機可讀取非易失性介質(例如，快閃記憶體，eeprom，nvram或fram)，只讀式緊湊光碟(cd-rom)，磁光碟(mod)，數字多功能光碟(dvd)，和/或其他合適的存儲元件。存儲器可儲存處理器可存取的信息，包括可由處理器執行的指令。例如，指令可為軟體或者任意指令集，其在由處理器執行時，導致處理器執行操作。對於某些實施例，指令包括配置成操作主動控制板96的軟體包。

通常還提供用來操作推進器的方法。具體地，推進器可包括上述的一個或更多實施例。在一些這樣的實施例中，該方法可包括利用風扇區段產生反向推力，使得空氣流穿過反向流通道進入核心發動機。例如，可使得可變槳距風扇葉片樞轉至反向流位置並旋轉以從發動機的後面部分例如外涵排氣管向前朝風扇葉片吸取空氣。風扇可由連接的核心發動機驅動。至少一部分空氣可從反向流通道被吸取到核心發動機的主空氣流徑中。另一部分空氣被從核心殼體的前端處的環形入口吸入核心發動機的主空氣流徑中。可選地，在正常流動例如非反向推力期間，其中空氣被向後朝發動機的後面部分推動，可將控制板致動到反向流通道中，基本上防止氣流穿過其中。

此書面說明書使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且也使得任何本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造並使用任何裝置或系統以及執行任何所結合的方法。本發明可授予專利的範圍由權利要求書限定，並且可包括本領域技術人員想到的其他示例。此類其他示例如果包括不異於權利要求的字面語言的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的字面語言沒有實質性區別的等同結構元件，則此類其他示例意在落入權利要求的範圍內。