具有低風扇壓力比的燃氣渦輪發(fā)動的制造方法
【專利摘要】一種渦扇發(fā)動機，包括：風扇可變面積噴嘴，其相對于風扇機艙沿軸向可移動，以在發(fā)動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積并調(diào)節(jié)風扇涵道空氣流的壓力比。
【專利說明】具有低風扇壓力比的燃氣渦輪發(fā)動機
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求2011年12月30日提交美國申請N0.13/340，761的優(yōu)先權，其是2007年7月27日提交的美國申請N0.11/829213的部分繼續(xù)申請。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機，并且更具體地涉及渦扇發(fā)動機，其具有可變幾何結構風扇出口導向葉片(FEGV)系統(tǒng)，用以改變其風扇涵道流動路徑面積。
[0003]常規(guī)燃氣渦輪發(fā)動機一般包括風扇部段和核心部段，其中風扇部段具有比核心部段的直徑大的直徑。風扇部段和核心部段設置成圍繞縱向軸線，并且被封閉在發(fā)動機機艙組件內(nèi)。燃燒氣體被釋放從核心部段穿過核心排氣噴嘴，而環(huán)形風扇涵道流，其設置在主核心排氣路徑的徑向外側，沿著風扇涵道流動路徑被釋放并穿過環(huán)形風扇排氣噴嘴。絕大部分推力由涵道流產(chǎn)生,而其余部分由燃燒氣體提供。
[0004]風扇涵道流動路徑是適于起飛和著陸條件以及巡航條件的折衷。沿著風扇涵道流動路徑的最小面積確定空氣的最大質(zhì)量流量。在發(fā)動機熄火條件期間，沿著涵道流動路徑的不充分流動面積可能導致顯著的流動溢出和相關聯(lián)的阻力。風扇機艙直徑通常定尺寸為使這些發(fā)動機熄火條件期間的阻力最小化，其導致風扇機艙直徑大于正常巡航條件時所需的，且在部分航空器任務期間具有小于最佳的阻力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本公開一示例性方面的燃氣渦輪發(fā)動機包括:核心機艙，其被限定成圍繞發(fā)動機中心線軸線；風扇機艙，其安裝成至少部分地圍繞所述核心機艙，以限定出風扇涵道空氣流路徑，來用于風扇涵道空氣流；和風扇可變面積噴嘴，其相對于所述風扇機艙沿軸向可移動，以在發(fā)動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積并調(diào)節(jié)風扇涵道空氣流的壓力比，風扇壓力比小于大約1.45，所述風扇涵道空氣流限定出大于大約六(6)的涵道比。
[0006]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機可以進一步包括:與所述風扇涵道流動路徑連通的多個風扇出口導向葉片，所述多個風扇出口導向葉片圍繞旋轉軸線是可旋轉的，以改變所述風扇涵道流動路徑。
[0007]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述多個風扇出口導向葉片可以是同時可旋轉的。附加地或替代地，所述多個風扇出口導向葉片可以安裝在中間發(fā)動機機匣結構內(nèi)。附加地或替代地，所述多個風扇出口導向葉片中的每個可以包括可樞轉部，其相對于固定部圍繞所述旋轉軸線是可旋轉的。
[0008]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述可樞轉部可以包括前邊緣活葉。
[0009]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機可以進一步包括:控制器，其是可操作的，以控制風扇可變面積噴嘴，來改變風扇噴嘴出口面積并調(diào)節(jié)所述風扇涵道空氣流的壓力比。[0010]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述控制器可以是可操作的，以在巡航飛行條件時降低所述風扇噴嘴出口面積。附加地或替代地，所述控制器可以是可操作的，以控制所述風扇噴嘴出口面積，來降低風扇不穩(wěn)定性。
[0011]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機可以進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心機艙內(nèi)的核心發(fā)動機驅(qū)動，以驅(qū)動所述風扇機艙內(nèi)的風扇，所述風扇限定出小于大約1150英尺/秒的校正風扇葉尖速度。
[0012]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機可以進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心機艙內(nèi)的核心發(fā)動機驅(qū)動，以驅(qū)動所述風扇機艙內(nèi)的風扇，所述齒輪系統(tǒng)限定出大于或等于大約2.3的齒輪減速比。
[0013]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機可以進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心機艙內(nèi)的核心發(fā)動機驅(qū)動，以驅(qū)動所述風扇機艙內(nèi)的風扇，所述齒輪系統(tǒng)限定出大于或等于大約2.5的齒輪減速比。
[0014]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機可以進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心發(fā)動機驅(qū)動以驅(qū)動所述風扇，所述齒輪系統(tǒng)限定出大于或等于2.5的齒輪減速比。
[0015]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述核心發(fā)動機可以包括低壓渦輪，其限定出大于大約五(5)的低壓渦輪壓力比。附加地或替代地，所述核心發(fā)動機可以包括低壓渦輪，其限定出大于五(5)的低壓渦輪壓力比。
[0016]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述風扇涵道空氣流可以限定出小于大約1.45的風扇壓力比。
[0017]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機涵道流可以限定出大于大約十(10)的涵道比。附加地或替代地，所述涵道流可以限定出大于十
(10)的涵道比。
[0018]在任一前述燃氣渦輪發(fā)動機實施例的再一非限制性實施例中，所述發(fā)動機可以進一步包括:與所述風扇涵道流動路徑連通的多個風扇出口導向葉片，所述多個風扇出口導向葉片圍繞旋轉軸線是可旋轉的，以改變所述風扇涵道流動路徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]從當前優(yōu)選實施例的以下詳細描述中，本發(fā)明的各個特征和優(yōu)點對本領域的技術人員將變得顯而易見。伴隨詳細描述的附圖可被簡要地描述如下:
圖1A是用于本發(fā)明的一示例性燃氣渦輪發(fā)動機實施例的一般示意性部分局部視圖； 圖1B是提供風扇可變面積噴嘴的FEGV系統(tǒng)的透視側方部分局部視圖；
圖2A是單個FEGV翼的剖視圖；
圖2B是示出為處于第一位置的圖2A中示出的FEGV的剖視圖；
圖2C是示出為處于旋轉位置的圖2A中示出的FEGV的剖視圖；
圖3A是單個FEGV翼的另一實施例的剖視圖；
圖3B是示出為處于第一位置的圖3A中示出的FEGV的剖視圖；
圖3C是示出為處于旋轉位置的圖3A中示出的FEGV的剖視圖；
圖4A是具有有條翼的單個FEGV的另一實施例的剖視圖； 圖4B是示出為處于第一位置的圖4A中示出的FEGV的剖視圖；并且 圖4C是示出為處于旋轉位置的圖4A中示出的FEGV的剖視圖。
【具體實施方式】
[0020]圖1示出了懸掛于發(fā)動機機艙組件N內(nèi)的發(fā)動機掛架P上的氣體渦扇發(fā)動機10的總括性部分局部示意圖，如設計成用于次音速操作的航空器特有的。
[0021]渦扇發(fā)動機10包括處于核心機艙12內(nèi)的核心部段，其容納低壓轉軸14和高壓轉軸24。低壓轉軸14包括低壓壓縮器16和低壓渦輪18。低壓轉軸14直接地或通過齒輪系22驅(qū)動風扇部段20。高壓轉軸24包括高壓壓縮器26和高壓渦輪28。燃燒器30配置在高壓壓縮器26與高壓渦輪28之間。低壓和高壓轉軸14、24圍繞發(fā)動機旋轉軸線A旋轉。
[0022]發(fā)動機10是高涵道比結構航空器發(fā)動機。在一個所公開的非限制性實施例中，發(fā)動機10的涵道比大于大約六(6)，且一示例性實施例為大于大約十(10)，齒輪系22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18具有大于大約五(5)的壓力比。所公開實施例中的發(fā)動機10是高涵道比齒輪傳動渦扇航空器發(fā)動機，其中發(fā)動機10的涵道比大于十(10)，渦扇直徑顯著地大于低壓壓縮器16的直徑，并且低壓渦輪18具有大于五(5)的壓力比。低壓渦輪18的壓力比是如相對于排氣噴嘴之前的低壓渦輪18的出口處的壓力在低壓渦輪18的入口之前測得的壓力。齒輪系22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。然而，應該理解的是:以上參數(shù)只是一個齒輪傳動渦扇發(fā)動機的示例，并且本發(fā)明同樣適用于包括直接驅(qū)動渦扇的其它燃氣渦輪發(fā)動機。
[0023]空氣流進入風扇機艙34，其可以至少部分地環(huán)繞核心機艙12。風扇部段20將空氣流傳入核心機艙12中，用于被低壓壓縮器16和高壓壓縮器26壓縮。被低壓壓縮器16和高壓壓縮器26壓縮的核心空氣流在燃燒器30中與燃料混合，然后膨脹通過高壓渦輪28和低壓渦輪18。渦輪28、18被聯(lián)接成隨相應轉軸24、14 一起旋轉，以旋轉地驅(qū)動壓縮器26、16，并通過齒輪系22，響應于膨脹驅(qū)動風扇部段20。核心發(fā)動機排氣E通過核心噴嘴43離開核心機艙12，所述核心噴嘴43被限定在核心機艙12與尾部錐體32之間。
[0024]涵道流動路徑40被限定在核心機艙12與風扇機艙34之間。發(fā)動機10生成高涵道流配置，其具有這樣的涵道比，其中進入風扇機艙34的空氣流的大約80%變成涵道流B。涵道流B流通穿過大體環(huán)形的涵道流動路徑40，并且可以從發(fā)動機10穿過風扇可變面積噴嘴(FVAN) 42得到釋放，所述風扇可變面積噴嘴(FVAN) 42在風扇部段20下游的風扇機艙34的后段34S在風扇機艙34與核心機艙12之間限定出可變風扇噴嘴離開區(qū)域44。
[0025]參考圖1B，核心機艙12大體被支承在核心發(fā)動機機匣結構46上。風扇機匣結構48被限定成圍繞核心發(fā)動機機匣結構46，以支承風扇機艙34。核心發(fā)動機機匣結構46通過多個沿周向間隔開且沿徑向延伸的風扇出口導向葉片(FEGV) 50固定至風扇機匣48。風扇機匣結構48、核心發(fā)動機機匣結構46和在其間延伸的多個沿周向間隔開且沿徑向延伸的風扇出口導向葉片50通常是完整的單元，其常常被稱為中間機匣。應該明白的是:風扇出口導向葉片50可以為各種形式。所公開實施例中的中間機匣結構包括可變幾何結構風扇出口導向葉片(FEGV)系統(tǒng)36。
[0026]推力是密度、速度和面積的函數(shù)。這些參數(shù)中的一個或多個可被操控，以改變由涵道流B提供的推力的方向和量。由于高涵道比而由涵道流B提供顯著量的推力。發(fā)動機10的風扇部段20名義上被設計為用于特定飛行條件一通常巡航在大約0.8馬赫和大約35，000英尺。發(fā)動機處于其最佳燃料消耗的、0.8馬赫和35，000英尺的飛行條件一也稱為“急速巡航單位推力燃料消耗量(‘TSFC’)”一是被燃燒的燃料的Ibm除以發(fā)動機在該最小點處產(chǎn)生的推力的Ibf的工業(yè)標準參數(shù)?！暗惋L扇壓力比”是沒有風扇出口導向葉片(FEGV)系統(tǒng)36的情況下僅越過風扇葉片的壓力比。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?！暗托ＵL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)標準溫度校正[(Tambient度R) /518.7) 0.5]。如本文中根據(jù)一個非限制性實施例所公開的“低校正風扇葉尖速度”小于大約1150英尺/秒。
[0027]由于風扇部段20被有效地設計為特定的固定交錯角度來用于有效的巡航條件，F(xiàn)EGV系統(tǒng)36和/或FVAN 42被操作以調(diào)節(jié)風扇涵道空氣流量，使得風扇葉片的迎角或沖角被維持成接近設計沖角，以用于在其它飛行條件比如著陸和起飛時的有效發(fā)動機操作。FEGV系統(tǒng)36和/或FVAN 42可以被調(diào)節(jié)以響應于控制器C選擇性地調(diào)節(jié)涵道流B的壓力t匕。例如，在風車起動(windmill)或發(fā)動機熄火期間增大質(zhì)量流量,在著陸時消減推力。此夕卜，F(xiàn)EGV系統(tǒng)36將促進并在一些情況下替換FVAN 42，比如可變流量區(qū)域被利用來管理和最優(yōu)化風扇操作線，其提供可操作性裕度并允許風扇在峰值效率附近被操作，其能實現(xiàn)低風扇壓力比和低風扇葉尖速度設計；并且可變面積通過借助于改變?nèi)~片沖角來改善風扇葉片空氣動力學從而降低噪聲。FEGV系統(tǒng)36由此相對于性能和其它操作參數(shù)比如噪聲水平在一系列飛行條件內(nèi)提供最佳化的發(fā)動機操作。
[0028]參考圖2A，每個風扇出口導向葉片50包括相應的翼部52，其由前邊緣56與后邊緣58之間的外翼壁表面54限定出。外翼壁54通常具有形成壓力側的大體凹狀的部分和形成吸入側的大體凸狀的部分。應該明白的是:由外翼壁表面54限定出的相應翼部52可以是大體等同的或者被分別定制以使流動特性最優(yōu)化。
[0029]每個風扇出口導向葉片50安裝成圍繞葉片縱向旋轉軸線60。葉片旋轉軸線60通常橫切于發(fā)動機軸線A，或與發(fā)動機軸線A成角度。應該明白的是:多個支承撐桿61或其它這類構件可以定位成穿過翼部52，以在核心發(fā)動機機匣結構46與風扇機匣結構48之間提供固定的支承結構。旋轉軸線60可以定位在翼截面的幾何重心(CG)周圍。致動器系統(tǒng)62(示意性地示出；圖1A)，僅用于示例，同步環(huán)進行操作以旋轉每個風扇出口導向葉片50，來選擇性地改變風扇噴嘴喉部面積(圖2B)。同步環(huán)可以定位在例如中間機匣結構中，比如在核心發(fā)動機機匣結構46或風扇機匣48 (圖1A)中的任一者或兩者內(nèi)。
[0030]操作中，F(xiàn)EGV系統(tǒng)36與控制器C通信，以旋轉風扇出口導向葉片50，并有效地改變風扇噴嘴出口面積44。包括發(fā)動機控制器或航空器飛行控制系統(tǒng)的其它控制系統(tǒng)也可以是可用于本發(fā)明的。風扇出口導向葉片50在標稱位置與旋轉位置之間的旋轉選擇性地改變風扇涵道流動路徑40。也就是說，通過調(diào)節(jié)風扇出口導向葉片50，改變了喉部面積(圖2B)和突出面積(圖2C)。通過調(diào)節(jié)風扇出口導向葉片50(圖2C)，涵道流B得到增大，以用于特定飛行條件，比如在發(fā)動機熄火條件期間。由于更少的涵道流將圍繞風扇機艙34的外部溢出，所以用以避免流動分離所需的風扇機艙的最大直徑可以得到減小。這將從而在正常巡航條件期間減小風扇機艙阻力，并降低機艙組件的重量。相反地，通過閉合FEGV系統(tǒng)36以相對于給定涵道流減小流動面積，發(fā)動機推力被顯著地消減，從而最小化或消除推力反向器要求，并進一步減小重量和封裝要求。應該明白的是:其它配置以及本質(zhì)上無窮的中間位置同樣可用于本發(fā)明。
[0031 ] 通過調(diào)節(jié)FEGV系統(tǒng)36，其中所有風扇出口導向葉片50同時移動，發(fā)動機推力和燃料經(jīng)濟性在每個飛行階段內(nèi)得到最大化。通過分離地只調(diào)節(jié)特定的風扇出口導向葉片50以提供不對稱的風扇涵道流動路徑40，發(fā)動機涵道流可以被選擇性地導引成提供(僅用于示例)配平平衡、推力受控操作、增強的地面操作和短跑道性能。
[0032]參考圖3A，另一實施例的FEGV系統(tǒng)36’包括多個風扇出口導向葉片50’，其各自包括固定翼部66F和相對于固定翼部66F樞轉的樞轉翼部66P。樞轉翼部66P可以包括前邊緣活葉，其通過如以上所描述的致動器系統(tǒng)62’是可致動的，以改變喉部面積(圖3B)和突出面積(圖3C)。
[0033]參考圖4A，另一實施例的FEGV系統(tǒng)36’ ’包括多個有縫風扇出口導向葉片50’ ’，其各自包括固定翼部68F以及樞轉和滑動翼部68P，其相對于固定翼部68F樞轉和滑動，以形成槽縫70，改變喉部面積(圖4B)和突出面積(圖4C)，大體如以上描述的。該有條葉片方法不僅增大流動面積而且還提供附加的益處，其在風扇出口導向葉片50’’上存在負沖角時，允許空氣流從風扇出口導向葉片50’’的高壓凸狀側去往風扇出口導向葉片50’’的較低壓力凹狀側,這延遲流動分離。
[0034]前面的描述是示例性的，而不是通過其中的限制來進行限定。鑒于以上教導，本發(fā)明的許多修改和變型是可能的。本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)被公開，然而，本領域的技術人員將意識到的是:某些修改將進入本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，應明白的是:在所附權利要求書的范圍內(nèi)，可以通過與具體描述所不同的其它方式來實施本發(fā)明。因此，應該研究后附權利要求書來確定本發(fā)明的真實范圍和內(nèi)容。
【權利要求】
1.一種燃氣渦輪發(fā)動機，包括: 核心機艙，其被限定成圍繞發(fā)動機中心線軸線； 風扇機艙，其安裝成至少部分地圍繞所述核心機艙，以限定出風扇涵道空氣流路徑，來用于具有大于大約六(6)的涵道比的風扇涵道空氣流；和 風扇可變面積噴嘴，其相對于所述風扇機艙沿軸向可移動，以在發(fā)動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積并調(diào)節(jié)風扇涵道空氣流的壓力比，風扇壓力比小于大約1.45。
2.如權利要求1所述的發(fā)動機，進一步包括:與所述風扇涵道流動路徑連通的多個風扇出口導向葉片，所述多個風扇出口導向葉片圍繞旋轉軸線是可旋轉的。
3.如權利要求2所述的發(fā)動機，其中，所述多個風扇出口導向葉片是同時可旋轉的。
4.如權利要求2所述的發(fā)動機，其中，所述多個風扇出口導向葉片被安裝在中間發(fā)動機機匣結構內(nèi)。
5.如權利要求2所述的發(fā)動機，其中，所述多個風扇出口導向葉片中的每個包括可樞轉部，其相對于固定部圍繞所述旋轉軸線是可旋轉的。
6.如權利要求5所述的發(fā)動機，其中，所述可樞轉部包括前邊緣活葉。
7.如權利要求1所述的發(fā)動機，進一步包括:控制器，其是可操作的，以控制風扇可變面積噴嘴，來改變風扇噴嘴出口面積并調(diào)節(jié)所述風扇涵道空氣流的壓力比。
8.如權利要求7所述的發(fā)動機，其中，所述控制器是可操作的，以在巡航飛行條件時降低所述風扇噴嘴出口面積。
9.如權利要求7所述的發(fā)動機，其中，所述控制器是可操作的，以控制所述風扇噴嘴出口面積，來降低風扇不穩(wěn)定性。
10.如權利要求1所述的組件，進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心機艙內(nèi)的核心發(fā)動機驅(qū)動，以驅(qū)動所述風扇機艙內(nèi)的風扇，所述風扇限定出小于大約1150英尺/秒的校正風扇葉尖速度。
11.如權利要求1所述的發(fā)動機，進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心機艙內(nèi)的核心發(fā)動機驅(qū)動，以驅(qū)動所述風扇機艙內(nèi)的風扇，所述齒輪系統(tǒng)限定出大于或等于大約2.3的齒輪減速比。
12.如權利要求1所述的發(fā)動機，進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心機艙內(nèi)的核心發(fā)動機驅(qū)動，以驅(qū)動所述風扇機艙內(nèi)的風扇，所述齒輪系統(tǒng)限定出大于或等于大約2.5的齒輪減速比。
13.如權利要求1所述的發(fā)動機，進一步包括:齒輪系統(tǒng)，其由所述核心發(fā)動機驅(qū)動以驅(qū)動所述風扇，所述齒輪系統(tǒng)限定出大于或等于2.5的齒輪減速比。
14.如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述核心發(fā)動機包括低壓渦輪，其限定出大于大約五(5)的低壓渦輪壓力比。
15.如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述核心發(fā)動機包括低壓渦輪，其限定出大于五(5)的低壓渦輪壓力比。
16.如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述風扇涵道空氣流限定出大于大約十(10)的涵道比。
17.如權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述風扇涵道空氣流限定出大于十(10)的涵道比。
18.如權利要求17所述的發(fā)動機，進一步包括:與所述風扇涵道流動路徑連通的多個風扇出口導向葉片，所 述多個風扇出口導向葉片圍繞旋轉軸線是可旋轉的。
【文檔編號】F02C6/00GK104011358SQ201280065386
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權日:2011年12月30日
【發(fā)明者】P.G.史密斯, S.S.奧赫斯, F.M.施瓦斯 申請人:聯(lián)合工藝公司