用於燃氣渦輪發動機的保形入口裝置的製作方法

2023-05-14 07:33:06

專利名稱：用於燃氣渦輪發動機的保形入口裝置的製作方法
技術領域：
本發明大體涉及燃氣渦輪發動機，並且更具體地說，涉及用於這樣的發動機的入
口導管。
背景技術：
已知從航空器的燃氣渦輪發動機提取引氣(bleed air)以便執行輔助功能，諸如襟翼吹氣(flap blowing)、邊界層控制、推力矢量、升力增強以及航空器中的排氣冷卻。該航空器通常要求引氣流和壓力水平保持基本上恆定，即使發動機推力可變化超過最大值的大約20%到100%的範圍一取決於飛行的階段。供應引氣、同時保持推力水平的一種已知的方法是將「FLADE」級(FLADE是「葉片上的風扇」(fan on blade)的縮寫)結合到渦輪風扇發動機的傳統風扇中。FLADE級的每個葉片包括從傳統風扇葉片的尖端延伸的外部風扇葉片。將外部風扇葉片設直在包圍傳統風扇導管的外部導管內。在現有技術的設計中，使用同環(co-annular)的圓形導管將空氣從發動機的機身一體化平面(AIP)供應給FLADE級的入口。在大多數情況下，當主風扇以其設計的最大推力水平運行時，使用可變的入口導葉(IGV)調整FLADE風扇以便保持流速遠低於設計的最大值。與相同總氣流大小的傳統渦輪風扇發動機將需要的(入口直徑)相比，這些構件之間的操作的不同驅使更大的入口直徑。在正在設計新的飛行器(vehicle)的情況下，這種更大的直徑轉化為總的飛行器的大小和成本。在存在固定的安裝/機身的情況下，這種更大的直徑可阻止具有FLADE風扇級的發動機的利用。如果實施圓形的入口環狀空間約束，可用來實現類似直徑改進的唯一剩下的參數將會是主風扇的半徑比的減少或風扇設計的比氣流(specific airflow)的增加。風扇比流的增加將會顯著並且負面地影響風扇的性能。主風扇半徑比的降低將會要求超過已經在使用的現有技術水平的機械設計的顯著進步。因此，存在對於這樣的燃氣渦輪發動機入口裝置的需要其在傳統的大小限制內容納FLADE級。

發明內容
本發明解決了該需要，本發明提供了用於燃氣渦輪發動機的入口裝置，其具有由對FLADE級進行供給的外部導管包圍的用於傳統風扇的圓形導管。外部導管的前端是非圓形的，並且限定了適於使空氣流到FLADE級而同時保持外部尺寸與常規發動機相同的瓣區(lobe)。根據本發明的一方面，用於燃氣渦輪發動機的入口裝置包括適於包圍至少一排旋轉的風扇葉片的風扇導管，風扇導管具有圓形的前區，並且限定了第一入口平面；以及包圍風扇導管的外部導管。該外部導管包括在第一入口平面處的第一前區形狀，其是非圓形的，並且其與風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣可從中穿過的至少一個瓣區；以及在沿軸向位於前端下遊的第二入口平面處的第二前區形狀，其是圓形的，並且其與風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣可從中穿過的環狀空間。根據本發明的另一方面，一種燃氣渦輪發動機包括可操作以便產生加壓的燃燒氣體流的渦輪機芯部；低壓渦輪機軸，其可操作以便由芯部驅動並且包括沿軸向設置在芯部上遊的風扇，該風扇包括至少一排旋轉的風扇葉片；包圍風扇葉片的風扇導管，風扇導管具有圓形的前區，並且限定了第一入口平面；以及呈翼型件圈的形式、被風扇機械地驅動並且設置在包圍風扇導管的外部導管中的補充風扇。外部導管包括在第一入口平面處的第一前區形狀，其與風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣可從中穿過而進入到外部導管中的至少一個瓣區；以及在沿軸向位於第一入口平面下遊的第二入口平面處的第二前區形狀，其是圓形的，並且其與風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣可從中穿過而到達補充風扇的環狀空間。


通過參考結合附圖的圖而得到的隨後的描述，可最好地理解本發明，其中
圖1是燃氣渦輪發動機的示意性截面圖，燃氣渦輪發動機包括根據本發明構造的入口
裝置；
圖2是圖1的發動機的一部分的前視正視 圖3是沿著圖2的線3-3得到的截面 圖4是沿著圖2的線4-4得到的截面 圖5是在圖1中示出的發動機的一部分的透視 圖6是備選入口裝置的前視正視 圖7是沿著圖6的線7-7得到的截面圖；以及 圖8是沿著圖6的線8-8得到的截面圖。
具體實施例方式參考附圖，其中，貫穿各個視圖，相同的參考標號指代相同的元件，圖1示出了示範性的燃氣渦輪發動機的一部分，大體標示為10。發動機10具有縱向的中心線或軸線A，以及關於軸線A同心地並且沿著軸線A同軸地設置的外部固定環形外殼12。發動機10具有風扇14、壓縮機16、燃燒器18、高壓渦輪20以及以串行流動關係布置的低壓渦輪22。在操作中，來自壓縮機16的加壓空氣與燃料在燃燒器18中混合併且點燃，因此產生了加壓的燃燒氣體。通過經由外軸杆24驅動壓縮機16的高壓渦輪20從這些氣體中提取一些功。燃燒氣體然後流到低壓渦輪22中，其經由內軸杆26驅動風扇14。風扇14、內軸杆26以及低壓渦輪22被共同視為「低壓軸」或者「LP軸」的部分。風扇排放物的一部分流過壓縮機16、燃燒器18以及高壓渦輪20，它們共同被稱為發動機10的「芯部」28。風扇排放物的另一部分流過包圍芯部28的環形旁路導管30。示出的風扇14包括(以流的順序)一排不旋轉的風扇入口導葉或者「IGV」32、第一級旋轉的風扇葉片34、一排不旋轉的級間靜葉36以及第二級旋轉的風扇葉片38。旋轉的風扇葉片34和38被風扇導管39包圍。根據現有技術的實踐，風扇導管39在正視圖中是圓形的，並且緊密地圍繞(circumscribe)風扇葉片34和38的尖端，以便在發動機的運轉期間最小化來自穿過它們逸出的氣流的損失。風扇導管39可為傳統風扇殼體的一部分或與傳統風扇殼體是一體的。風扇導管39的前端限定了與上面所描述的AIP重合的第一入口平面「P1」。入口導葉32可具有它們相對於氣流的攻角(angle of attack),以及它們的通過使用已知類型的促動器40選擇性地改變的開口通流面積。可選地，級間靜葉36可具有它們相對於氣流的攻角，以及它們的通過使用已知類型的促動器42選擇性地改變的開口通流面積。風扇IGV32和級間靜葉36共同稱為風扇的定子組件。發動機10還包括補充風扇，其被稱為呈翼型件圈的形式、自環形圍罩46沿徑向向外延伸並且被風扇14驅動的「FLADE」級44 (在這種情況下，第二級36)。FLADE級44位於外部導管48中。外部導管48的前部包圍風扇導管39，並且在下面更詳細地描述。與風扇14的流束(flow stream)相比，FLADE級44以不同的流量和壓力比提供了額外的流束。取決於最終的風扇和FLADE壓力比選擇，還可使用可能在多於一個風扇葉片上具有FLADE級的其它風扇級數量。將FLADE級流的大小設置為以便提供足夠的引氣壓力和流，以用於已知類型(未示出)的所選擇的航空器的引氣驅動的系統。由促動器52操作的一排角度可變的FLADE入口導葉50可在打開位置和關閉位置之間移動，以便改變穿過FLADE級44的流量。外部導管48包括將流引到航空器引氣系統的一個或多個引氣出口 54。還可提供引氣閥56來選擇性地關閉引氣出口 54，並且引導FLADE級的流向下遊穿過外部導管48。排氣導管58設置在芯部28的下遊，並且接收來自芯部28和旁路導管30兩者的混合的空氣流。混合器60 (例如，瓣式的或者斜槽式的混合器)設置在芯部28和旁路導管30流束的結合處，以便促進兩束(流)的高效的混合。可選地，來自外部導管48的FLADE級的流可與芯部或者旁路流束混合。現在將參考圖2-5更詳細地描述外部導管48的前部。如上面所提到的，外部導管48包圍風扇導管39。外部導管48具有與第一入口平面Pl重合的前端49。第二入口平面「P2」沿軸向限定在第一入口平面Pl的下遊，並且正好在FLADE級44的上遊。雖然使用帶有FLADE級的發動機作為示例描述了本發明，本發明的原理同樣可適用於具有同環流束的其它發動機結構。沿著位於第一入口平面Pl中的至少一根軸線，外部導管48的前端49的前區形狀比風扇導管39的前端的前區形狀明顯更大，而沿著位於第一入口平面P2中的至少一根其它軸線，(前端49的前區形狀)被約束至與風扇導管39大致相同的尺寸。在圖2-5中示出的示例中，外部導管48具有帶有凸的圓角的大體為方形的前區，該形狀通過具有通過凸的彎曲70互相連接的相對的左邊緣62和右邊緣64以及相對的上邊緣66和下邊緣68來限定。在示出的特定示例中，各個邊緣62、64、66和68在單一的時鐘位置(例如12點，3點，6點和9點位置)處相切於風扇導管39的圓形形狀。因此，在那些時鐘位置處，外部導管48的前端49的通流面積為零。在風扇導管39的外部和各個彎曲70之間限定的開口區域代表空氣可流過其中的瓣區72。作為選擇，可提供一些開口區域包圍風扇導管39的整個圓周。換句話說，在第一入口平面Pl處瓣區72可彼此隔離，或者在第一入口平面Pl處它們可彼此互相連接。在第二入口平面P2處，外部導管48的前區在正視圖中是圓形的，並且緊密地圍繞FLADE級44的葉片的尖端。在第一入口平面Pl和第二入口平面P2之間，外部導管48漸縮，並且從前端形狀轉變成FLADE入口形狀，或者換句話說，瓣區72逐漸消失(沿軸向從前到後移動，混合成圓形的形狀)，使得在第二入口平面P2處在外部導管48和風扇導管39之間限定了環狀空間。在圖4和圖5中最好地看出該漸縮。特別指出的是，從非圓形轉變成圓形發生在第一入口平面Pl的尾部，並且還可提供FLADE級的流需要的額外的通流面積，同時保持至少一個尺寸基本上相同，好像FLADE級44是不存在的一樣(即在第一入口平面Pl處的總的發動機尺寸超過風扇導管39僅增加了外部導管48的壁厚)。在示出的實例中，外部導管48的前部通過入口轉接器80限定。入口轉接器80是單獨的構件，其具有與第一入口平面Pl重合的前端，以及後端，該後端包括環形的沿徑向向外延伸的凸緣82，使得該凸緣可被聯接到位於外部導管48剩餘部分的前端處的匹配的凸緣84。凸緣82和84可永久地或可拆卸地彼此連結。如本文所使用的，術語「永久地連結」意指在發動機10的正常壽命期間不會以正常以及合理的方式意圖被分離的裝置和方法，例如焊接或者粘結。如本文所使用的，術語「可拆卸地連結」意指意圖在發動機10的正常壽命期間分離的裝置和方法(例如，螺紋緊固件或者機械互鎖連結)。外部導管48在入口轉接器80和該外部導管48的剩餘部分之間的結合平面處在正視圖中是圓形的。通過僅僅提供不同的入口轉接器80，此結構允許單個基本的發動機10在發動機10的結構沒有大的改變的情況下與不同的機身結構配合。圖6-8示出了用於與發動機10—起使用的備選的外部導管148的前部。外部導管148與上面描述的外部導管48在構造上相似，但具有不同的形狀。它具有與第一入口平面Pl重合的前端149。在圖6-8中示出的示例中，外部導管148具有大體上為橢圓的前區。橢圓短軸(minor axis)的頂點162在12點鐘和6點鐘位置處接觸風扇導管39的圓形形狀。在那些時鐘位置處，外部導管148的前端149的通流面積為零。因此，在那些時鐘位置處，外部導管148的前端149的通流面積為零。橢圓長軸(major axis)的頂點164與風扇導管39的外部間隔開，使得空氣可從中流過的瓣區172限定在風扇導管39和外部導管148之間，例如在3點鐘位置和9點鐘位置處。作為選擇，可提供圍繞風扇導管39整個圓周的一些開口區域。換句話說，瓣區172在第一入口平面Pl處可彼此隔離，或者在第一入口平面Pl處它們可彼此互相連接。在第二入口平面P2處，外部導管148的前區在正視圖中是圓形的，並且緊密地圍繞FLADE級44的尖端。在第一入口平面Pl和第二入口平面P2之間，外部導管148漸縮，並且從前端形狀轉變成FLADE入口形狀，或者換句話說，瓣區172逐漸消失(沿軸向從前到後移動，混合成圓形的形狀)，使得在第二入口平面P2處在外部導管148和風扇導管39之間限定了環狀空間。在圖8中最好地看出該漸縮。特別指出的是，從非圓形轉變成圓形發生在第一入口平面Pl的尾部，並且還可提供FLADE級的流需要的額外的通流面積，同時保持至少一個尺寸基本上相同，好像FLADE級44是不存在的(即在第一入口平面Pl處的總發動機尺寸超過風扇導管39僅增加了外部導管148的壁厚度)。雖然上面已經描述了在第一入口平面Pl處的兩種特定的前區形狀的示例，可使用外部導管的、與風扇導管協作而限定了至少一個瓣區的任何形狀或者結構。作為示例，瓣區可通過使用彼此不同心的兩個同樣的形狀(例如兩個圓形的區域，一個自另一個橫向地偏移)限定。可在第一入口平面處根據需要提供任意數量、形狀或者布置的瓣區，以便適合特定的實施例。與現有技術相比，本文所描述的入口導管裝置具有若干好處。它允許機身採用具有固定高度、固定寬度的混流渦輪風扇(「MFTF」)發動機通道的現有機身/發動機組合，並且用具有相同風扇高度和寬度的FLADE級的發動機對該MFTF發動機進行改型。隨著發動機的骨架開始收縮成頸狀，可從發動機艙的側面或者角落牽拉FLADE流，並且然後使其改變方向到圓周型式的進一步的尾部。備選地，如果正在設計新的機身，對於給定的發動機的流量，與傳統的圓柱形的入口相比，本發明允許機身製造者(airframer)減少需要的飛行器的總體尺寸。減小的尺寸導致降低的機身重量、阻力和成本。前面已經描述了用於燃氣渦輪發動機的入口導管裝置。雖然已經描述了本發明的特定實施例，但對本領域技術人員將顯而易見的是，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下可對它做出各種修改。因此，提供本發明的優選實施例的上述描述和用於實踐本發明的最佳模式來僅用於說明的目的，而不是用於限制的目的，本發明由權利要求限定。
權利要求
1.一種用於燃氣渦輪發動機的入口裝置，包括 適於包圍至少一排旋轉的風扇葉片的風扇導管，所述風扇導管具有圓形的前區，並且限定了第一入口平面；以及 包圍所述風扇導管的外部導管，所述外部導管包括 在所述第一入口平面處的第一前區形狀，其與所述風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣能夠從中穿過的至少一個瓣區；以及 在沿軸向位於所述第一入口平面端下遊的第二入口平面處的第二前區形狀，其是圓形的，並且其與所述風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣能夠從中穿過的環狀空間。
2.根據權利要求1所述的入口裝置，其特徵在於，所述瓣區在所述第一入口平面彼此隔離。
3.根據權利要求1所述的入口裝置，其特徵在於，所述外部導管的第一前區形狀為具有通過凸的曲線彎曲互相連接的線性邊的矩形形式。
4.根據權利要求1所述的入口裝置，其特徵在於，所述外部導管的第一前區形狀為橢圓。
5.根據權利要求1所述的入口裝置，其特徵在於，所述外部導管包括 限定所述第一前區形狀和第二前區形狀的入口轉接器；以及 可拆卸地聯接到所述入口轉接器的尾部部分。
6.根據權利要求5所述的入口裝置，其特徵在於，所述入口轉接器和所述外部導管的尾部部分通過匹配的凸緣連結。
7.一種燃氣渦輪發動機,包括 可操作以便產生加壓燃燒氣體流的渦輪機芯部； 可操作以便被所述芯部驅動、並且包括沿軸向設置在所述芯部上遊的風扇的低壓渦輪機軸，所述風扇包括至少一排旋轉的風扇葉片； 包圍所述風扇葉片的風扇導管，所述風扇導管具有圓形的前區，並且限定了第一入口平面；以及 補充風扇，其呈翼型件圈的形式，被所述風扇機械地驅動，並且設置在包圍所述風扇導管的外部導管中，其中，所述外部導管包括 在所述第一入口平面處的第一前區形狀，其與所述風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣能從中穿過而進入到所述外部導管中的至少一個瓣區；以及 在沿軸向位於所述第一入口平面下遊的第二入口平面處的第二前區形狀，其是圓形的，並且其與所述風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣能從中穿過而到達所述補充風扇的環狀空間。
8.根據權利要求7所述的發動機，其特徵在於，所述外部導管的瓣區在所述第一入口平面處彼此隔離。
9.根據權利要求7所述的發動機，其特徵在於，所述外部導管的第一前區形狀為具有通過凸的曲線彎曲互相連接的線性邊的矩形形式。
10.根據權利要求7所述的發動機，其特徵在於，所述外部導管的第一前區形狀為橢圓。
11.根據權利要求7所述的發動機，其特徵在於，所述外部導管包括限定所述第一前區形狀和第二前區形狀的入口轉接器；以及 可拆卸地聯接到所述入口轉接器的尾部部分。
12.根據權利要求11所述的入口裝置，其特徵在於，所述入口轉接器和所述外部導管的尾部部分通過匹配的凸緣連結。
全文摘要
本發明涉及一種用於燃氣渦輪發動機的保形入口裝置。一種用於燃氣渦輪發動機的入口裝置包括適於包圍至少一排旋轉的風扇葉片的風扇導管，該風扇導管具有圓形的前區，並且限定了第一入口平面；以及包圍風扇導管的外部導管，該外部導管包括在第一入口平面處的第一前區形狀，其與風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣可從中穿過的至少一個瓣區；以及在沿軸向位於前端下遊的第二入口平面處的第二前區形狀，其是圓形的，並且其與風扇導管的外部以協作的方式限定了空氣可從中穿過的環狀空間。
文檔編號F02C7/04GK103032173SQ201210368979
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月27日 優先權日2011年9月30日
發明者B.F.鮑威爾, T.A.特斯梅特, C.B.斯潘塞 申請人:通用電氣公司