緊湊型增壓排氣渦輪風扇發動機的製作方法
2023-05-04 13:29:56
專利名稱：緊湊型增壓排氣渦輪風扇發動機的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及燃氣渦輪發動機，並且特別涉及其中的排氣系統。
背景技術：
渦輪風扇式飛機發動機包括一個安裝在外周艙中的風扇，並由一個低壓渦輪(LPT)驅動。被引導通過風扇的空氣的裡面部分，進入一個中心發動機，在這裡，空氣在一個高壓壓縮機(HPC)中被加壓，並在燃燒室中與燃料相混合，用於產生熱的燃燒氣體。在一個高壓渦輪(HPT)中，從該燃燒氣體中獲取能量，用於驅動壓縮機。
風扇空氣的外面部分繞過中心發動機而穿過環形的旁通管道。從旁通管道排出的加壓的空氣提供發動機的大部分的推進力，用於為飛行中的飛機提供動力。
在大型渦輪風扇發動機中，通過在風扇之後、中心發動機的HPC之前設置一個低壓或增壓壓縮機，能夠產生額外的功率。典型地，所述增壓壓縮機包括多個軸向級，這些級能夠增大輸送到HPC的風扇空氣的增壓，該HPC也包括多個軸向級，能進一步增大提供給燃燒室的空氣的壓力。
典型的渦輪風扇式飛機發動機配置成在飛行全程中運行，該飛行全程包括怠速轉動、起飛、爬升、巡航、進場著陸、著陸，其中，發動機的功率輸出相應地變化。例如，增壓和高壓壓縮機的多個軸向級必需設計和運行以在整個運行範圍內獲得適當的失速餘量。對發動機的最大功率運行來說，壓縮機以適當的失速餘量在最大氣流和最大增壓時運行。
但是，在飛機進場著陸的飛行怠速運行中，發動機產生相對較低的功率，HPC需要相應較小的氣流量從其中通過。為了在這種部分功率條件下能保持發動機的高效運行，以及保持HPC中的適當的失速餘量，通常將一部分加壓的增壓壓縮機的空氣從發動機排出，並引入到風扇旁通管道中。
因此，通常在大型渦輪風扇式飛機發動機中包括了一個增壓排氣系統，當需要保持發動機的包括適當的壓縮機失速餘量在內的高效運行時，該增壓排氣系統選擇性地排出部分增壓器所排放的空氣。
典型的增壓排氣系統相對較大，並且相對複雜，其位於增壓器和高壓壓縮機之間。例如，渦輪風扇發動機包括一個設置在兩個壓縮機之間的風扇框架。該框架包括一排通過風扇旁通管道徑向向外延伸的支柱，用於支撐風扇艙。
該框架還包括一個具有一排流量瞬變管道的中心結構轂，該流量瞬變管道在支柱的內端之間交替，用於提供在增壓壓縮機的出口和HPC的入口之間的流動連續性。所述轂還包括一個或多個容納軸承的軸承支架，用於支撐將風扇與LPT相連接的風扇驅動軸。增壓壓縮機的轉子葉片也連接到風扇驅動軸。
在大型渦輪風扇發動機中，風扇框架也相應較大，並具有一個相應較大的中心轂，在中心轂中可以包括一個典型的增壓排氣系統。但是，排氣系統的設置相應地需要在輪轂中設置用於排出增壓空氣的入口孔。輪轂中還需要設置用於引導排出空氣進入風扇旁通管道中的相應出口的出口孔。
任何位於風扇框架的結構轂中的孔或開口都破壞了轂的結構完整性，並且相應地需要對轂進行增強，這通常又增加了風扇框架的尺寸和重量。排氣系統還需要多個入口閥或門，以及相應的致動機構，用於在發動機運轉過程中根據需要選擇性地打開和關閉該排氣門。
在大型的渦輪風扇發動機的典型的風扇框架中安裝的排氣系統，增加了發動機的製造成本，增大了發動機的重量，相應地降低了發動機的整體效率。
在高旁通渦扇飛機的燃氣渦輪發動機的不斷發展中，需要在不相應減小額定功率的情況下減小發動機的尺寸和重量。在一種正在開發的發動機中，風扇框架包括較小的中心轂，但該較小的中心轂中缺少用於引入常規的增壓排氣系統的可用空間。
另外，鄰近風扇框架的部件具有安裝那些部件本身的有限的可用空間，而不具有引入適當的增壓排氣系統的額外因素。
因此，需要提供一種具有改進的增壓壓縮機排氣系統的渦輪風扇式飛機發動機，該排氣系統相對緊湊和簡單，並具有小的外形，以整體結合到發動機內的可用空間中。
發明內容
一種渦輪風扇發動機，包括一個安裝到風扇艙內的風扇框架上的風扇。一個增壓壓縮機連接到該風扇，並位於一個分流器內。一個增壓排氣系統布置在分流器內，該增壓排氣系統包括一個位於壓縮機出口處的入口以及一個連接到旁通管道並位於風扇之後的出口。
根據優選和示例性實施例，在以下結合附圖的詳細說明中，更加具體地描述了本發明及其更多的目的和優點，其中圖1是飛機渦扇燃氣渦輪發動機的部分示意性軸向剖視圖。
圖2是圖1的渦輪風扇發動機中所示的增壓排氣系統的放大的軸向剖視圖，其中顯示的是關閉的排氣閥。
圖3是圖2所示的排氣系統的進一步放大的軸向剖視圖，其中顯示的是打開的排氣閥。
圖4是穿過圖3所示的排氣系統的一部分並沿著線4-4的徑向剖視圖。
圖5是圖3所示的排氣系統的一部分並沿著線5-5的部分剖視、平面圖。
具體實施例方式
在圖1中示意性地顯示了一種渦輪風扇式飛機的燃氣渦輪發動機10，其配置成在飛行全程中，從起飛到巡航到著陸的典型的運行周期中，為飛行中的飛機(未示出)提供動力。該發動機是關於縱向或軸向中心線12軸對稱的，並適當地安裝到飛機的機翼或機身上。
發動機包括串聯流體連通的風扇14、增壓器或低壓壓縮機16、高壓壓縮機18、燃燒室20、高壓渦輪(HPT)22和低壓渦輪(LPT)24。HTP或第一渦輪22通過一個驅動軸連接到高壓或第二壓縮機18。並且，LPT或第二渦輪24通過另一個驅動軸連接到風扇14和增壓器或第一壓縮機16。
在典型操作中，空氣26被風扇14加壓，該空氣的裡面部分被引導通過一個第一壓縮機16，該壓縮機16進一步對空氣進行加壓。加壓的空氣隨後被引導到第二壓縮機18，該壓縮機18也進一步對空氣進行加壓。
加壓的空氣在燃燒室20中與燃料相混合，用於產生熱的燃燒氣體28，燃燒氣體28向下遊依次流過HPT22和LPT24。在這兩個渦輪中獲取能量，用於以常規方式給風扇14、增壓壓縮機16和高壓壓縮機18提供動力。
圖1所示的渦輪風扇發動機配置成高旁通運行，並且包括一個環繞風扇14並支撐在環形風扇框架32頂上的短的風扇艙30。增壓壓縮機16適於在風扇框架32前面連接到風扇14，並布置在環形分流器34的徑向內側，分流器34與風扇艙30的內表面徑向向內相間隔，以在它們之間限定環形風扇旁通管道36的前部。
分流器34是緊鄰風扇14之後的環繞增壓壓縮機16的金屬片殼體，其包括一個尖的前緣，該前緣將由風扇14加壓的風扇空氣26分成被引導通過增壓壓縮機的徑向內側流和被引導通過旁通管道36的徑向外側流。
圖1所示的基本的渦輪風扇發動機是以常規的結構和運行為飛行中的飛機提供動力。風扇14包括一排從支撐轉子盤徑向向外延伸的風扇葉片。
增壓壓縮機16包括多級，例如圖示的三級，所述級具有從支撐轉子盤或轉子徑向向外延伸的相應的壓縮機轉子葉片，該支撐轉子盤或轉子依次固定連接到風扇14的支撐盤，相應的驅動軸連接到LPT24的轉子盤。
相似地，高壓壓縮機18包括多排或多級由相應的驅動軸連接到HPT22的轉子盤上的壓縮機轉子葉片。
壓縮機16、18和渦輪22、24都具有安裝在各自的轉子葉片前的相應的定子葉片，轉子葉片和定子葉片相互配合在壓縮機中壓縮空氣流，而以常規方式在渦輪中使燃燒氣體膨脹。
如上所述，圖1所示的示例性的渦輪風扇發動機10具有改良的設計，用於在使尺寸最小化的同時使其額定功率最大化。特別的，與傳統的較大的風扇框架相比，新的風扇框架32相對緊湊，並布置在第一和第二壓縮機16、18之間的有限的可用空間內。
緊湊的風扇框架32具有一排通過風扇旁通管道36徑向向外延伸的中空的框架支柱38，用於支撐艙30，併合適地連接到其上。支柱38從環形的結構轂40向外延伸。
中心轂40包括一排在相應的支柱38的內端之間沿圓周方向設置的瞬變流動管道42。該轂還包括多個徑向向內延伸的環形的軸承支架44，後者依次安裝相應的軸承46，例如圖1所示的三個支架和三個軸承。風扇框架通過其轂旋轉地支撐風扇驅動軸48，驅動軸48同時連接到風扇14的轉子盤和增壓壓縮機16的轉子。
如圖1和2所示，發動機還包括一排布置在增壓壓縮機16的最後一級和風扇框架的轂40之間、並位於增壓壓縮機的環形出口52處的常規出口導向葉片(OGVs)50。該OGVs葉片50具有適當的翼面結構，用於當來自增壓壓縮機的空氣在流經瞬變管道42而進入高壓壓縮機18時，使其典型地形成漩渦。
一排瞬變管道42共同提供了一個分段的環狀部分，該環狀部分以相對閉合的接合方式，並且在最小化的可用空間中，將增壓壓縮機出口52與高壓壓縮機相連接。另外，圖2所示的位於瞬變管道42和旁通管道36之間的轂40的外部也相對較小和緊湊，缺少用於設置以上在背景技術部分描述的常規排氣系統的足夠體積。
因此，如圖1的示意性顯示和圖2的更具體的顯示，將一個小型或緊湊的增壓排氣系統或裝置54設置在分流器34後端的最大部分中。如圖2所示，分流器34的後端分叉，在這裡與風扇框架32相接觸，並提供一個環形腔56，緊湊的排氣系統54可以全部或大部分安裝在該腔56中。
更具體地，排氣系統54包括一個軸向布置在增壓壓縮機16和轂40之間、並與壓縮機出口52流體連通的排氣入口58。相應地，排氣系統還包括一個布置在分流器34的後端、支柱38前、並與旁通管道36流體連通的排氣出口60。
這樣，一部分來自增壓壓縮機16的加壓空氣，可以通過分流器34徑向向外排出，並被排入風扇旁通管道36中，以繞過中心發動機以及其中的高壓壓縮機18。排氣入口58適當地位於排氣壓縮機16的最後一排轉子葉片和OGVs 50之間，基本上不增大其間的間隔，也不會對壓縮機的性能產生不利的影響，而壓縮機出口52形成在所述間隔中。
為了控制排氣流，一個排氣閥62布置在分流器34內，並位於排氣入口58和排氣出口60之間，以選擇性地打開和關閉增壓壓縮機和旁通管道之間的排氣流。
圖2中，示出了在其軸向向前位置完全關閉的排氣閥62。圖3中，示出了在其軸向向後位置完全打開的排氣閥62。在這兩幅圖中，排氣入口58是與發動機中心線同軸的環形狹縫的優選形式，並由增壓壓縮機外殼的向後延伸部形成的前壁和支撐著OGVs 50的外圈的向前延伸部形成的後壁限定。
環形狹縫入口58從壓縮機出口52徑向向外延伸，並且包括一排沿圓周互相間隔布置的入口排氣葉片64。
相應地，排氣出口60限定在多個圍繞分流器34的後端沿圓周延伸的、並緊鄰支柱38前面的出口窗板66之間。窗板66將排氣出口60定位成相對於在排氣入口58中設置的排氣葉片64徑向向外，並與排氣葉片64徑向對齊。
相應地，閥62是圓柱形的，與發動機中心線同軸地安裝在排氣系統中，用於在排氣葉片64和排氣窗板66之間軸向平移。該閥徑向布置在葉片64和窗板66之間，用於當閥如圖2所示軸向向前移動到其關閉位置時可選擇地阻斷它們之間的排氣流，當閥如圖3所示向後移動到其打開位置時開啟它們之間的排氣流。
排氣入口58和排氣出口60設計成使它們的空氣動力學效率最大化，用於高效地從增壓壓縮機中排出加壓的空氣，並將其排出到風扇旁通管道36中。如圖3和4所示，排氣入口優選地分成內部狹縫58和周圍的環形外部狹縫68。
內部狹縫58直接圍繞壓縮機出口52，並具有軸向弓形輪廓，該弓形輪廓將排出空氣的方向從最初的軸向向後轉變成徑向向外。內部狹縫58限定一個基本上平齊地安裝到壓縮機出口52的外流道邊緣的勺形入口，狹縫58的後壁具有尖的前緣，用於有效地從壓縮機出口吸取排出的空氣。
外部狹縫68同軸地圍繞內部狹縫58，並從內部狹縫58徑向向外直線延伸，並與內部狹縫58徑向對齊。外部狹縫68包括一排相應的外部排氣葉片70，後者優選地指向或對著相應的安裝在內部狹縫58中的內部葉片64。
在圖2所示的優選實施例中，例如，內部狹縫58可以在一個環形部件中形成，並在其後端適當地栓接到轂40上，在其前端栓接到增壓壓縮機16的外殼上。外部狹縫68可以在另一個環形部件中形成，通常在其後端只栓接到轂40上，並直接位於內部狹縫58的頂上。可以在兩個狹縫58、68的框架之間嵌入一個適當的密封環，用於密封這兩個框架，也相對於風扇框架的轂40的前表面密封容納外部狹縫68的外部框架。
如圖2和5所示，圓柱形閥62連接到多個常規的線性致動器72，以選擇性地軸向平移該閥。例如，兩個致動器72可以具有連接到協調環74的輸出杆，環74被多個連杆76依次連接到圓柱形閥62的後端。
四個連杆76可以環繞閥62的圓周等角度布置，通過穿過轂40的前表面的對應的小孔延伸，並通常與協調環74的前表面連接。兩個致動器72可以等間距布置，並適當地安裝到轂40的內部或者空間允許的後端的外部。
由於入口狹縫58、68具有相對較小的軸向長度，因此閥62的軸向行程相應較小，而致動器72的軸向行程也相應較小。因此，致動器72、協調環74和連杆76的尺寸可以做得很小，以安裝在風扇框架的轂40外部並位於風扇旁通管道36下面的小包圍層內。
如上所述，內部狹縫58可以方便地形成一個環，並且可以方便地栓接到增壓壓縮機16的後端和風扇框架的轂40的前表面之間的位置。例如，內部狹縫58可以與支撐OGVs 50的外圈一起在它的後端整體形成。內部狹縫58的前端可以與環繞增壓轉子葉片的最後一級的環形殼或罩一起整體地形成。
相應地，外部狹縫68可以方便地形成一個整體環孔或圓筒，其後端安裝到轂40上，並且在其前端簡單地支撐或懸臂支撐在內部狹縫58的頂上，它們之間有合適的密封環。
此外，圓柱形閥62環繞外部狹縫68同心地安裝在分流器腔56的有限空間內的三環緊湊、層壓組件中。圓柱形閥62包括一個在外部狹縫68的前端與一個合適的P形密封(P-seal)相接合的末梢前端，以及一個後部臺階和另一個當閥關閉時與外部狹縫68的後部臺階相接合的P形密封。這樣，當關閉而完全阻止從增壓壓縮機16排出任何空氣時，閥62適當地密封在外部排氣葉片70的頂上。
由於只在部分功率時才需要從增壓壓縮機排氣，例如在飛行怠速轉動過程中，所以排氣系統將在發動機運行周期的大部分時間保持關閉，這段時間產生的任何排氣洩漏，都將相應地減小發動機的效率。
當閥62如圖3所示打開時，增壓排氣可以以簡單的和空氣動力學的有效方式實現。例如，在分流器腔56的有限範圍內，排氣入口58緊密地連接到排氣出口60。相對地，內部狹縫入口58和葉片64具有軸向弓形輪廓，以平滑的、空氣動力學的有效變向或彎曲，將最初的軸向向後的壓縮機氣流26變向成徑向向外，並進入直的、徑向向外延伸的外部狹縫68。
另外，如圖4所示的排氣葉片64、70在圓周方向也是適當的彎曲或呈弓形，用於在增壓器排出空氣被徑向向外排入風扇旁通管道36中時，使其產生漩渦。或者，根據特定應用的需要，葉片可以以其它方式構造，從而使氣流產生漩渦或變直。
相應地，排氣出口60中的窗板66具有在向後方向徑向向外延伸的軸向弓形輪廓，用於將來自外部狹縫68的徑向排氣流再次變向為軸向向後，以高效地與向後流過旁通管道36的風扇旁通氣流混合。
如圖2中最初顯示的那樣，圓柱形閥62相對較薄，具有小的外形，便於安裝在向後的分流器腔56中並位於排氣入口58的頂上。閥62需要簡單的軸向平移以打開或關閉排氣流路。如上所述，適當的致動裝置包括安裝在轂40中的致動器72、協調環74和連杆76，轂40中的空間允許當需要時選擇性地平移環形閥62。致動器72可以以常規方式連接到發動機控制系統。
儘管致動器72可以被用於激勵打開和激勵關閉滑閥62，閥62仍然優選地用沿圓周間隔布置的多個軸向螺栓78安裝到風扇框架32上。所述螺栓穿過滑閥62的後部徑向法蘭而延伸，並適當地固定連接到轂40的特別構造的環形法蘭中。
四個螺栓78可以彼此等角度間隔布置，每個螺栓具有一個同心地安裝在其上的相應的壓縮彈簧80，以施加偏壓來關閉閥62，使其位於排氣葉片64、70的頂上。
圖2示出了伸長的壓縮彈簧80，其在滑閥62上施加一個向前的力，以在位於外部狹縫68的頂上關閉閥，並壓緊相應的密封。
圖3和5示出了致動器72的動作，致動器向後拉連杆76，以使閥62從排氣葉片的頂部向後移動，而壓縮彈簧80在閥和支撐結構的相應法蘭之間被壓縮。
上述公開的增壓排氣系統的獨特的優點是其相對簡單的結構和緊湊的尺寸，使其能方便地安裝在分流器腔56的後部、並緊鄰風扇框架前提供的較小的可用空間中。排氣入口58、68和協同操作的排氣閥62可以方便地形成環形或圓柱形結構，這些結構徑向嵌套在一起，形成一個緊湊的組件。排氣閥62的軸向行程相對較小，可以被安裝在發動機內允許空間中的任何適當的致動機構所驅動。
在圖2所示的示例性實施例中，四個連杆76可以通過環繞風扇框架轂40的小通孔延伸，並可以方便地被小的致動器72協調地驅動，而通過協調環74使致動器72協調。
因此，框架轂40不需要與大型渦輪風扇發動機內的常規排氣系統中所使用的相應的多個排氣門或閥相配合的多個相對大的孔。因此，轂保持了結構完整性，並且相對較小，重量輕，不需要加強以容納常規的排氣閥或門。
此外，與常規排氣系統中的多個不相關瓣閥所需的致動系統不同，環形閥62的致動系統相對簡單，並具有相對較少的零件。
儘管這裡參照本發明的優選和示例性實施例進行了描述，但從本教導來看，本發明的其它修改對本領域技術人員來說是顯而易見的，因此，需要在附加的權利要求中保護落入本發明本質精神和範圍內的所有這些修改。
因此，需要由美國的專利證書保護的是在以下權利要求中限定和區分的發明。
權利要求
1.一種渦輪風扇發動機(10)，包括同軸布置並串聯流體連通的風扇(14)、第一壓縮機(16)、第二壓縮機(18)、燃燒室(20)、第一渦輪(22)和第二渦輪(24)；環繞所述第一壓縮機(16)並位於所述風扇(14)後面的分流器(34)；環繞所述風扇(14)和所述分流器(34)的發動機艙(30)，該發動機艙(30)與所述分流器(34)相間隔，以在它們之間限定旁通管道(36)；布置在所述第一壓縮機(16)後面的風扇框架(32)，該風扇框架包括一排從布置在所述第一和第二壓縮機(16，18)之間的環形轂(40)徑向向外通過所述旁通管道(36)延伸的支柱(38)；以及布置在所述分流器(34)內的增壓排氣系統(54)，該系統包括一個布置在所述第一壓縮機(16)和轂(40)之間的排氣入口(58)和一個布置在所述分流器(34)後端並位於所述支柱(38)前的排氣出口(60)。
2.如權利要求1所述的發動機，其中所述排氣系統還包括一個布置在所述分流器(34)內並位於所述排氣入口(58)和排氣出口(60)之間的閥(62)，以選擇性地打開和關閉所述第一壓縮機(16)和所述旁通管道(36)之間的排氣流。
3.如權利要求2所述的發動機，還包括一排布置在所述第一壓縮機(16)和所述轂(40)之間的出口導向葉片(50)，並且所述排氣入口(58)布置在所述第一壓縮機(16)和所述葉片(50)之間。
4.如權利要求3所述的發動機，其中所述第一壓縮機(16)包括一個位於所述葉片(50)前的出口(52)；所述排氣入口(58)包括一個從所述壓縮機出口(52)徑向向外延伸的環形狹縫，並包括一排沿圓周間隔布置的入口排氣葉片(64)；所述排氣出口(60)包括多個圍繞所述分流器(34)的所述後端沿圓周延伸的窗板(66)，其位於所述排氣葉片(64)的徑向外側；所述閥(62)徑向布置在所述排氣葉片(64)和窗板(66)之間，用於選擇性地阻斷排氣流。
5.如權利要求4所述的發動機，其中所述閥(62)是圓柱形的，並安裝在所述排氣系統(54)中，用於在所述排氣葉片(64)和窗板(66)之間軸向平移。
6.如權利要求5所述的發動機，還包括多個與所述閥(62)相連接的致動器(72)，用於選擇性地軸向移動所述閥(62)。
7.如權利要求6所述的發動機，其中所述排氣入口分為內部和外部狹縫(58，68)；所述內部狹縫(58)圍繞所述壓縮機出口(52)，並具有軸向弓形輪廓；所述外部狹縫(68)圍繞所述內部狹縫(58)，並從內部狹縫(58)徑向向外延伸；所述內部和外部狹縫(58，68)具有在其中的相應的排氣葉片(64，70)。
8.如權利要求7所述的發動機，其中所述入口狹縫(58)具有徑向向外延伸的軸向弓形輪廓；所述排氣葉片(64，70)在所述軸向弓形狹縫(58)中沿圓周彎曲；所述窗板(66)具有軸向弓形輪廓。
9.如權利要求8所述的發動機，其中所述閥(62)用多個軸向螺栓(78)安裝到所述風扇框架(32)上，所述螺栓(78)上有壓縮彈簧(80)，以施加偏壓在所述排氣葉片(64，70)的頂上關閉閥(62)。
10.如權利要求8所述的發動機，其中當位於所述排氣葉片(64，70)頂上時，所述閥(62)密封地關閉，以防止從所述壓縮機(16)排氣。
全文摘要
一種渦輪風扇發動機(10)，包括一個安裝到風扇艙(30)內的風扇框架(32)上的風扇(14)。一個增壓壓縮機(16)連接到該風扇(14)，並位於一個分流器(34)內。一個增壓排氣系統(54)布置在分流器(34)內，該增壓排氣系統(54)包括一個位於壓縮機出口(54)處的入口(58)以及一個連接到旁通管道(36)並位於風扇(14)之後的出口(60)。
文檔編號F02C9/18GK1987066SQ20061006416
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月21日 優先權日2005年12月21日
發明者T·O·莫尼茨 申請人:通用電氣公司