專利名稱：帶有可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
地，本發(fā)明涉及具有軸流式正排量(positive displacement)氣體發(fā)生器、 蝸桿(worm)壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)以及渦輪的這種發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
按照向下游布置的關(guān)系，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通常具有風(fēng)扇段、 壓縮機(jī)段、燃燒段和渦輪段。渦輪段通常驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)段和風(fēng)扇段。燃 燒器段在由壓縮機(jī)壓縮的空氣流中燃燒燃料以給渦輪提供能量。航空 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可具有一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)軸(spool)。 壓縮才兒上游的 一個(gè)或兩個(gè)風(fēng)扇如同壓縮沖幾一樣由 一個(gè)或兩個(gè)渦4侖驅(qū) 動(dòng)。風(fēng)扇、壓縮機(jī)和渦輪通常包括徑向延伸的葉片。航空燃?xì)鉁u輪發(fā) 動(dòng)機(jī)的核心發(fā)動(dòng)機(jī)或氣體發(fā)生器通常包括高壓壓縮機(jī)、燃燒器以及給 多個(gè)渦輪提供高能流體的高壓渦輪，其中該多個(gè)渦輪給發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇 或多個(gè)風(fēng)扇提供動(dòng)力。連續(xù)軸流式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在廣泛的應(yīng)用范圍 內(nèi)使用，這在很大程度上歸功于所需特性的組合，諸如高比能的排出 氣流(每單位質(zhì)量的能量)、對(duì)于給定前部面積(frontal area)的高質(zhì)量流 速、連續(xù)并且接近平穩(wěn)的流體流以及在廣泛的操作條件內(nèi)的合理的效 率。希望具有輕重量并且高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)。 一種高效發(fā)動(dòng)機(jī)包括由可 反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪提供動(dòng)力的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇，諸如美國專利 No.6,763,653和No.6，763，654中所公開的。
軸流式氣體發(fā)生器在許多 ^f侖機(jī)械的應(yīng)用中尤其有用?；跍u輪 機(jī)械的氣體發(fā)生器在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)使用，這在很大程度上歸功于 所需特性的組合，諸如高比能的排出氣流(每單位質(zhì)量的能量)、對(duì)于
給定前部面積的高質(zhì)量流速、連續(xù)并且接近平穩(wěn)的流體流以及在廣泛 的操作條件內(nèi)的合理的熱效率。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的目標(biāo)是具有 輕重量并且高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)和氣體發(fā)生器。另 一個(gè)目標(biāo)是在氣體發(fā)生 器中裝有盡可能少的零件，p降低氣體發(fā)生器的制造、安裝、整修、 拆修和更換的成本。因此，希望具有氣體發(fā)生器的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)

發(fā)明內(nèi)容
按照向下游順序布置的關(guān)系，可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 包括可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段、正排量軸流式氣體發(fā)生器或蝸桿氣體發(fā)生 器、可操作地連接到可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段上的低壓渦輪。在發(fā)動(dòng)機(jī)的 一個(gè)實(shí)施例中，低壓渦輪為可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪。正排量軸流式氣 體發(fā)生器包括與出口軸向間隔開并且位于出口上游的進(jìn)口。分別具有 偏離的內(nèi)軸線和外軸線的內(nèi)主體和外主體乂人進(jìn)口延伸到出口 。內(nèi)主體 和外主體中的任一個(gè)或者兩者均可以轉(zhuǎn)動(dòng)。在發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例 中，內(nèi)主體可在外主體中繞內(nèi)軸^^轉(zhuǎn)動(dòng)。外主體不轉(zhuǎn)動(dòng)或可繞外軸線 轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)主體和外主體具有分別纏繞內(nèi)軸線和外軸線的相互嚙合的內(nèi) 螺旋葉片和外螺旋葉片。內(nèi)螺旋葉片和外螺旋葉片分別向外和向內(nèi)徑 向延伸。
螺旋葉片分別在第一、第二和第三^:中具有第一、第二和第三扭— 轉(zhuǎn)斜率。扭轉(zhuǎn)斜率定義為螺旋元件的截面沿著軸線在每單位距離上的 轉(zhuǎn)動(dòng)量。第一扭轉(zhuǎn)斜率小于第二扭轉(zhuǎn)斜率，第三扭轉(zhuǎn)斜率小于第二扭 轉(zhuǎn)斜率。燃燒段從第 一段的末端向下游軸向延伸通過第二段的至少一部分。
可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪的一個(gè)示范性實(shí)施例包括驅(qū)動(dòng)地連接到
的上游低壓渦輪和下游低壓渦輪9可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 的更具體的實(shí)施例包括通過低壓內(nèi)軸驅(qū)動(dòng)地連接到上游風(fēng)扇級(jí)上的
下游低壓渦輪和通過低壓外軸驅(qū)動(dòng)地連接到下游風(fēng)扇級(jí)上的上游j氐 壓渦輪。
可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪的另 一個(gè)示范性實(shí)施例包括驅(qū)動(dòng)地連接
上的環(huán)形低壓內(nèi)筒(inner drum)和外筒(outer drum)。內(nèi)筒包括軸向間隔
隔開的多排周向間隔開且向內(nèi)徑向延伸的渦輪機(jī)葉片。向內(nèi)徑向延伸 的渦輪葉片與向外徑向延伸的渦輪葉片相互交錯(cuò)。可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇式
下游風(fēng)扇級(jí)上的環(huán)形低壓內(nèi)筒和通過低壓內(nèi)軸驅(qū)動(dòng)地連接到上游風(fēng) 扇級(jí)上的外筒。
在發(fā)動(dòng)機(jī)的另 一個(gè)實(shí)施例中，低壓渦輪為通過驅(qū)動(dòng)齒輪箱(諸如行 星齒輪箱)由單根低壓軸驅(qū)動(dòng)地連接到可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段上的單向 轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪。


圖1是帶有可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段和正排量軸流式氣體發(fā)生器或蝸
桿氣體發(fā)生器的示范性航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖。 圖2是圖1中所示的氣體發(fā)生器的示意性截面圖。 圖3是圖2中所示的氣體發(fā)生器的內(nèi)主體和外主體的螺旋部分的
示意性局部剖切透浮見圖。
圖4是圖3中所示的氣體發(fā)生器的內(nèi)主體和外主體之間嚙合的示
意性截面圖。
圖5是圖3中所示的氣體發(fā)生器的內(nèi)主體和外主體的螺旋部分的 示意性剖切透視圖。
圖6是通過圖4中的6-6線截取的內(nèi)主體和外主體的示意性截面圖。
圖7-10是處于不同的內(nèi)主體相對(duì)角位置的備選的內(nèi)主體和外主
體構(gòu)造的示意性截面圖。
圖11是具有圖7中所示的內(nèi)主體和外主體的正排量氣體發(fā)生器 的示意性截面圖。
圖12是表示圖2中所示的氣體發(fā)生器的循環(huán)的TS溫度-熵圖的 示意圖。
圖13是備選的示范性航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖，該航空燃 氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶有可反向轉(zhuǎn);動(dòng)的風(fēng)扇段和正排量軸流式氣體發(fā)生器 或蝸桿氣體發(fā)生器以及兩個(gè)相互交錯(cuò)的低壓渦輪。
圖14是短進(jìn)口過渡管的截面圖，該短進(jìn)口過渡管位于包含可反 向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇的風(fēng)扇段與圖1中所示的蝸桿氣體發(fā)生器之間。
圖15是短出口過渡管的截面圖，該短出口過渡管位于蝸桿氣體 發(fā)生器與圖1中所示的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪之間。
圖16是圖1中所示的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇的上游風(fēng)扇級(jí)的透視圖。
透視圖。
圖18是圖16中所示的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇的上游風(fēng)扇級(jí)的側(cè)面透碎見圖。
圖19是備選的示范性航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖，該航空燃 氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶有可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段和正排量軸流式氣體發(fā)生器 或蝸桿氣體發(fā)生器以及驅(qū)動(dòng)地連接到可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段上的單向 轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪。
附圖標(biāo)記
4 上游風(fēng)扇級(jí)
6 下游風(fēng)扇級(jí)
8 發(fā)動(dòng)才幾中心線
9外界空氣
10燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)
12內(nèi)主體 14外主體 15核心組件 16內(nèi)軸線
17內(nèi)螺旋葉片
18外軸線
19空腔
20進(jìn)口
21內(nèi)螺旋表面
22出口
23外螺旋表面
24第一段
26第二段
27外螺旋葉片
28第三段
34第一扭轉(zhuǎn)斜率
36第二扭轉(zhuǎn)斜率
38第三扭轉(zhuǎn)斜率
40燃燒段
41截面
43(多個(gè))圈
44兩個(gè)相鄰的牙頂(crest)
47內(nèi)螺旋邊緣
48外螺旋邊緣
50空氣進(jìn)氣(charge)
51內(nèi)輪轂
52上游端
53外殼54下游端
60內(nèi)主體瓣?duì)钗?lobe)
62密封點(diǎn)
64外主體瓣?duì)钗?br> 68三角形的內(nèi)主體截面
69橢圓形的內(nèi)主體截面
74轉(zhuǎn)速
76環(huán)行(orbit)速度 82齒輪箱 100蝸桿氣體發(fā)生器 112風(fēng)扇段
113上游風(fēng)扇葉片排(blade row)
115下游風(fēng)扇葉片排
117上游風(fēng)扇盤
118核心發(fā)動(dòng)才幾
119下游風(fēng)扇盤
120低壓渦輪(LPT)
121可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪(LPT)
122上游低壓渦輪
124下游〗氏壓渦輪
126上游低壓渦輪葉片
130下游風(fēng)扇葉片
132低壓外軸
133高壓轉(zhuǎn)軸
134低壓外轉(zhuǎn)軸
142下游低壓渦輪葉片
150上游風(fēng)扇葉片
152低壓內(nèi)軸
154低壓內(nèi)轉(zhuǎn)軸 155內(nèi)筒 156外筒
158向內(nèi)徑向延伸的渦輪葉片
160向外徑向延伸的渦輪葉片
180進(jìn)口過渡管
182外部進(jìn)口彎曲部
184內(nèi)部進(jìn)口彎曲部
186外部進(jìn)口轉(zhuǎn)向?qū)~
188內(nèi)部進(jìn)口轉(zhuǎn)向?qū)~
190出口過渡管
192外部出口彎曲部
194內(nèi)部出口彎曲部
196外部出口轉(zhuǎn)向?qū)~
198內(nèi)部出口轉(zhuǎn)向?qū)~
200(多個(gè))末端
202風(fēng)扇進(jìn)口
212翼形件(airfoil)
220單向轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪
222單根低壓軸
224驅(qū)動(dòng)齒輪箱
232前緣
234后緣
236凸形吸入側(cè)
238凹形壓力側(cè)
246風(fēng)扇葉片平臺(tái)
274輪轂
276進(jìn)口風(fēng)扇葉片末端半徑
頁
278進(jìn)口輪轂半徑
A扭轉(zhuǎn)斜率
CD軸向距離
N 內(nèi)主體瓣?duì)钗锏腲:目
M 外主體瓣?duì)钗锏臄?shù)目
Wcmb 蝸桿核心循環(huán)輸入的功
Wcmp 循環(huán)的壓縮階段
Wtmb 蝸桿核心循環(huán)絕熱地吸取的功
Qcmb循環(huán)的等容燃燒階段
WB 布雷頓(Brayton)循環(huán)的凈功 WC 蝸桿核心循環(huán)的凈功
具體實(shí)施例方式
顯示在圖1中的是環(huán)繞發(fā)動(dòng)機(jī)中心線8的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇式燃?xì)?渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10中的軸流式正排量氣體發(fā)生器或蝸桿氣體發(fā)生器100 的示范性實(shí)施例。發(fā)動(dòng)機(jī)10的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段112包括可反向 轉(zhuǎn)動(dòng)的上游風(fēng)扇級(jí)4和下游風(fēng)扇級(jí)6(在圖16-18中進(jìn)一步說明)，并接 收外界空氣9的進(jìn)口空氣流。上游風(fēng)扇級(jí)4和下游風(fēng)扇級(jí)6包括分別 安裝到上游風(fēng)扇盤117和下游風(fēng)扇盤119上的上游風(fēng)扇葉片排113和 下游風(fēng)扇葉片排115。風(fēng)扇段112的下游是核心發(fā)動(dòng)才幾118，即蝸桿 氣體發(fā)生器100。
蝸桿氣體發(fā)生器100將熱氣排出到給可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的上游風(fēng)扇級(jí)4 和下游風(fēng)扇級(jí)6提供動(dòng)力的低壓渦輪(LPT)120中。圖1和圖13中所 示的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪(LPT) 120是可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦4侖 (LPT)121。蝸桿氣體發(fā)生器IOO基本上是高壓轉(zhuǎn)軸133。可反向轉(zhuǎn)動(dòng) 的LPT 121由蝸桿氣體發(fā)生器IOO排出到可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的LPT 121中的 熱氣提供動(dòng)力。如圖1所示，按照向下游順序布置的關(guān)系，可反向轉(zhuǎn)
動(dòng)的LPT 121分別具有上游低壓渦輪122和下游低壓渴輪124。下游 低壓渦輪124在上游低壓渦輪122的下游。燃燒氣體從氣體發(fā)生器100 中排出到具有成排的上游低壓渦輪葉片126的上游低壓渦輪122中。 上游低壓渦輪葉片126通過低壓外軸132驅(qū)動(dòng)地連接到下游風(fēng)扇級(jí)6 的下游風(fēng)扇葉片排115的下游風(fēng)扇葉片130上，以形成環(huán)繞發(fā)動(dòng)機(jī)中 心線8的低壓外轉(zhuǎn)軸134。
燃燒氣體從上游低壓渦輪122中排出出到具有成排的下游低壓渦 輪葉片142的下游低壓渦輪124中。下游低壓渦輪葉片142通過低壓 內(nèi)軸152驅(qū)動(dòng)地連接到上游風(fēng)扇級(jí)4的上游風(fēng)扇葉片排113的上游風(fēng) 扇葉片150上，以形成環(huán)繞發(fā)動(dòng)機(jī)中心線8的低壓內(nèi)轉(zhuǎn)軸154。于是， 下游低壓渦輪124通過低壓內(nèi)軸152驅(qū)動(dòng)地連接到上游風(fēng)扇級(jí)4上，' 上游低壓渴輪122通過低壓外軸132驅(qū)動(dòng)地連接到下游風(fēng)扇級(jí)6上。
可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪(LPT)121的備選實(shí)施例顯示在圖13中。 圖13中所示的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪121包括通過低壓內(nèi)軸152驅(qū) 動(dòng)地連接到上游風(fēng)扇級(jí)4上的環(huán)形外筒156。外筒156包括軸向間隔 開的多排周向間隔開且向內(nèi)徑向延伸的渦輪葉片158?？煞聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)的 低壓渦輪121還包括通過低壓外軸132驅(qū)動(dòng)地連接到下游風(fēng)扇級(jí)6上 的環(huán)形的低壓內(nèi)筒155。內(nèi)筒155包括軸向間隔開的多排周向間隔開 且向外徑向延伸的渦輪葉片160。向內(nèi)徑向延伸的渦輪葉片158與向 外徑向延伸的渦輪葉片160相互交4晉。
低壓外軸132將內(nèi)筒155驅(qū)動(dòng)地連接到下游風(fēng)扇葉片排115上。 低壓外軸132、內(nèi)筒155和下游風(fēng)扇葉片排115是低壓外轉(zhuǎn)軸134的 主要元件。低壓內(nèi)軸152將外筒156驅(qū)動(dòng)地連接到上游風(fēng)扇葉片排113 上。低壓內(nèi)軸152、外筒156和上游風(fēng)扇葉片排113是低壓內(nèi)轉(zhuǎn)軸154 的主要元件。
參照?qǐng)D2-5，氣體發(fā)生器:,1Q0包括核心組件15,核心組件15具有 從進(jìn)口 20延伸到出口 22的內(nèi)主體12和外主體14。內(nèi)主體12布置在 外主體14的空腔19中。內(nèi)主體12和外主體14分別具有內(nèi)軸線16
和外軸線18。按照向下游順序布置的關(guān)系，核心組件15具有第一、
第二和第三段24，26，28。燃燒段40向下游軸向延伸通過第二段的至少 一部分。如本文所示，燃燒段40從第一段24的末端向下游軸向延伸 通過整個(gè)第二段26。核心組件15具有通過進(jìn)口 20和出口 22的連續(xù) 流動(dòng)。
單次空氣進(jìn)氣50在第一段14中被其所捕獲。當(dāng)進(jìn)氣50從第一 段24到達(dá)第二段26時(shí)，進(jìn)氣50產(chǎn)生壓縮。于是，當(dāng)整個(gè)進(jìn)氣50分 別處于第一段24和第二段26時(shí)，整個(gè)進(jìn)氣50經(jīng)歷壓縮。當(dāng)整個(gè)進(jìn) 氣50離開第一段24進(jìn)入第二段26之后，開始在第二段26中燃燒。 第三段28是膨脹段，于是，從已燃燒的空氣進(jìn)氣50中吸取能量，以 分別為第 一段24和第二段26提供動(dòng)力。當(dāng)進(jìn)氣50從第二段26到達(dá) 第三段28時(shí)，進(jìn)氣50產(chǎn)生膨脹。于是，當(dāng)整個(gè)進(jìn)氣50處于第二段 26和第三段28時(shí)，整個(gè)進(jìn)氣50經(jīng)歷膨脹。
主體中的任一個(gè)或者兩者均可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并且，如果兩個(gè)主體均可 轉(zhuǎn)動(dòng)，則它們按照相同的周向方向以通過固定關(guān)系確定的不同轉(zhuǎn)速順 時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果只有二個(gè)主體可轉(zhuǎn)動(dòng)，則另一個(gè)主體固定。 在發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)主體12可在外主體14中繞內(nèi)軸線16 轉(zhuǎn)動(dòng)，外主體14可不轉(zhuǎn)動(dòng)或者可繞外軸線18轉(zhuǎn)動(dòng)。
內(nèi)主體12和外主體14具有分別纏繞內(nèi)軸線16和外軸線18并相 互嚙合的內(nèi)螺旋元件和外螺旋元件。該元件是分別具有內(nèi)螺旋表面21 和外螺旋表面21的內(nèi)螺旋葉片17和外螺旋葉片27。使用術(shù)語蝸桿是 因?yàn)樗ǔＳ脕砻枋鑫仐U壓縮機(jī)或螺桿壓縮機(jī)，并且它表示纏繞內(nèi)軸 線16和外軸線18的螺旋元件。內(nèi)螺旋葉片17從內(nèi)主體12的中空內(nèi) 輪穀51上向外徑向延伸，外螺旋葉片27從外主體14的外殼53上向 內(nèi)徑向延伸。當(dāng)沿著內(nèi)螺旋葉片17的內(nèi)螺旋邊緣47與外螺旋葉片27 的外螺旋表面23彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，沿著內(nèi)螺旋葉片17的內(nèi)螺旋邊緣 47密封地接合外螺旋葉片27f約外螺旋表面23。當(dāng)沿著外螺旋葉片Z7 的外螺旋邊緣48與內(nèi)螺旋葉片17的內(nèi)螺旋表面21彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，、
沿著外螺旋葉片27的外螺旋邊緣48密封地接合內(nèi)螺旋葉片17的內(nèi) 螺旋表面21。
顯示在圖4中的是通過內(nèi)主體12和外主體14截取的縱向截面圖。 內(nèi)主體12和外主體14在圖6中以軸向截面顯示。內(nèi)主體12在此處 顯示為具有兩個(gè)內(nèi)主體瓣?duì)钗?0,這兩個(gè)內(nèi)主體瓣?duì)钗?0對(duì)應(yīng)于兩 個(gè)內(nèi)螺旋葉片17,并產(chǎn)生橄欖球形或尖橢圓形的內(nèi)主體截面69。夕卜 主體14具有三個(gè)外主體瓣叔^'",這三個(gè)外主體瓣?duì)钗?4對(duì)應(yīng)于三 個(gè)外螺旋葉片27(顯示在圖3和圖4中)。注意到的是，內(nèi)主體12和外 主體14之間的3個(gè)密封點(diǎn)62顯示在圖6中，但是，內(nèi)螺旋葉片17 和外螺旋葉片17之間沿著內(nèi)主體12和外主體14的長度存在連續(xù)的 密封。
內(nèi)主體12和外主體14的備選構(gòu)造在圖7-10中以截面顯示。在該 視圖中，內(nèi)主體12顯示為具有三個(gè)內(nèi)主體瓣?duì)钗?0，這三個(gè)內(nèi)主體 瓣?duì)钗?0對(duì)應(yīng)于三個(gè)內(nèi)螺旋葉片17，其產(chǎn)生如圖7中所示的三角形 內(nèi)主體截面68。外主體14具有兩個(gè)外主體瓣?duì)钗?4，這兩個(gè)外主體 瓣?duì)钗?4對(duì)應(yīng)于兩個(gè)外螺旋葉片27。通常，如果內(nèi)主體12具有N 個(gè)瓣?duì)钗?，則外主體14將具有.N+1或者N-l個(gè)瓣?duì)钗?。注意到的是?內(nèi)主體12和外主體14之間的.:5:個(gè)密封點(diǎn)62顯示在圖7中，但是， 內(nèi)螺旋葉片17和外螺旋葉片27之間沿著內(nèi)主體12和外主體14的長 度存在連續(xù)的密封。 .
參照?qǐng)D5,螺旋元件分別在第一、第二和第三段24，26,28中具有 恒定的第一、第二和第三扭轉(zhuǎn)斜率34,36,38。扭轉(zhuǎn)斜率A定義為螺旋 元件的截面41(諸如圖6和圖7中分別顯示的橢圓形或三角形的內(nèi)主 體截面69，68)沿著軸線(諸如圖5中顯示的內(nèi)軸線16)在每單位距離上 的轉(zhuǎn)動(dòng)量。圖5中顯示的是內(nèi)主體截面41的360度的轉(zhuǎn)動(dòng)。扭轉(zhuǎn)斜 率A也為360度或2?；《瘸詢蓚€(gè)相鄰的牙頂44沿著螺旋元件(諸 如圖5中顯示的內(nèi)螺旋葉片17或外螺旋葉片27)的同一內(nèi)螺旋邊緣47 或外螺旋邊緣48之間的軸向距離CD。軸向距離CD是螺旋的一整圈
43的距離。
內(nèi)部元件的扭轉(zhuǎn)斜率A在各段上均不同于外部元件的扭轉(zhuǎn)斜率 A。外主體14的扭轉(zhuǎn)斜率A與內(nèi)主體12的扭轉(zhuǎn)斜率A之比等于內(nèi)主 體12上的內(nèi)螺旋葉片17的數(shù)目與外主體14上的外螺旋葉片27的數(shù) 目之比。第一扭轉(zhuǎn)斜率34小于第二扭轉(zhuǎn)斜率36,第三扭轉(zhuǎn)斜率38小 于第二扭轉(zhuǎn)斜率36。還可以用螺旋角來描述螺旋元件。螺旋元件在第 一、第二和第三段24,26,28中分別具有對(duì)應(yīng)于恒定的第一、第二和第 三扭轉(zhuǎn)斜率34,36,38的恒定的第一、第二和第三螺旋角，這與利用螺 距和螺距角來描述螺紋的方式完全相同。
再參照?qǐng)D3-5,第一段24中的內(nèi)螺旋葉片17具有足夠的圈數(shù)43， 以在發(fā)生器的運(yùn)行過程中捕獲空氣進(jìn)氣50。捕獲的空氣進(jìn)氣50允許 正排量壓縮，使得在下游產(chǎn)生的較高壓力不能夠迫使空氣或進(jìn)氣從進(jìn) 口20中回流出。在氣體發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例中，第一段24中的圈數(shù) 43足以機(jī)械式地捕獲空氣進(jìn)氣50。在氣體發(fā)生器100的另一個(gè)實(shí)施 例中，第一段24中的圈數(shù)43足以動(dòng)態(tài)地捕獲空氣進(jìn)氣50。機(jī)械式地 捕獲是指在進(jìn)氣50進(jìn)入位于進(jìn)氣50的下游端54處的第二段26之前， 通過與位于進(jìn)氣50的上游端52處的進(jìn)口 20隔離而捕獲進(jìn)氣50。動(dòng) 態(tài)地捕獲是指雖然捕獲的進(jìn)氣的下游端54可能進(jìn)入第二段26,但是 進(jìn)氣的上游端52還沒有完全關(guān)用。然而，在進(jìn)氣的下游端54處，當(dāng) 來自第二段的壓力波行進(jìn)到進(jìn)口 20時(shí)，主體之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)在進(jìn)氣 的上游端52處封閉已捕獲的空氣進(jìn)氣50。
對(duì)于固定的外主體14的實(shí)施例，內(nèi)主體12相對(duì)于外軸線18成 曲柄狀，使得當(dāng)內(nèi)主體12繞內(nèi)軸線16轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)軸線16繞外軸線 18環(huán)行，如圖7-10所示。內(nèi)主體12顯示為從其在圖7中的位置繞內(nèi) 軸線16轉(zhuǎn)動(dòng)到其在圖8中的位置，而內(nèi)軸線16顯示為繞外軸線18 環(huán)行大約90度。內(nèi)主體12和外主體14嚙合在一起，使得它們始終 以固定比率彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，該固定比率如圖l和圖4中的寫關(guān)接齒輪箱 的齒輪比(gearing)所示。
如果圖7中的外主體14不固定，則它將繞外軸線18轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速 為內(nèi)主體12繞內(nèi)軸線16轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速的1.5倍。內(nèi)主體12以內(nèi)主體轉(zhuǎn) 速74繞內(nèi)軸線16轉(zhuǎn)動(dòng)，該內(nèi)主體轉(zhuǎn)速74等于內(nèi)主體環(huán)4亍速度76除 以內(nèi)主體瓣?duì)钗锏臄?shù)目。內(nèi)瓣?duì)钗锏臄?shù)目等于葉片的數(shù)目。如果內(nèi)主 體12以與其環(huán)行方向相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則使用具有2個(gè)瓣?duì)钗锏耐?主體構(gòu)造，如果內(nèi)主體12以與其環(huán)行方向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則使用 具有4個(gè)瓣?duì)钗锏耐庵黧w構(gòu)造。
外主體14的扭轉(zhuǎn)斜率等于內(nèi)主體12的扭轉(zhuǎn)斜率乘以內(nèi)主體12 的瓣?duì)钗飻?shù)目N再除以外主體14的瓣?duì)钗锏臄?shù)目M。對(duì)于圖7-10所 示的具有三個(gè)內(nèi)瓣?duì)钗锘騼?nèi)螺旋葉片17和兩個(gè)外瓣?duì)钗锘蛲饴菪~ 片27的構(gòu)造，利用外主體14的900度轉(zhuǎn)動(dòng)以及內(nèi)主體12的600度 轉(zhuǎn)動(dòng)，以機(jī)械式地捕獲一次空氣進(jìn)氣50。內(nèi)主體的扭轉(zhuǎn)斜率從第一段 24到第二段26顯著地增加。如圖2所示，該軸向位置標(biāo)示為壓縮平 面。當(dāng)整個(gè)空氣進(jìn)氣50跨過壓縮平面并且全部進(jìn)入到第二段26中時(shí)， 等容燃燒開始在第二段26中進(jìn)行。各次進(jìn)氣單獨(dú)地進(jìn)行燃燒，并且 因?yàn)閮?nèi)主體和外主體的扭轉(zhuǎn)斜率在第二段26中保持恒定，故在第二 段26中存在等容燃燒。通過比較圖11與圖2，尤其是關(guān)于捕獲一次 空氣進(jìn)氣50所需的外主體14的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和內(nèi)主體12的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以 及第一、第二和第三段24,26,28的扭轉(zhuǎn)斜率上的差異，可進(jìn)一步比較 具有兩個(gè)內(nèi)主體瓣?duì)钗?0(兩個(gè)內(nèi)螺"走葉片17)的內(nèi)主體12和外主體 14的實(shí)施例。 ''
參照?qǐng)D2-4，在第二段26中的等容燃燒之后，進(jìn)氣或工作流體在 第三段28中經(jīng)歷接近于等熵的膨脹過程，并且從第三段28中吸取功。 膨脹可在等溫下完成。當(dāng)高溫和高壓進(jìn)氣的前緣跨過膨月長平面之后， 空氣進(jìn)氣50的容積開始膨脹并且沿著徑向增加。該膨脹從流體中吸 取能量，從而提供驅(qū)動(dòng)第一段24和第二段26并且維持氣體的發(fā)生過 程所需的功。在膨脹之后，流體跨過后平面排出到相對(duì)于流體的初始 狀態(tài)而言溫度和壓力顯著提高的下游增壓室(plenum)中。
圖12顯示了標(biāo)注為蝸桿核心循環(huán)的蝸桿發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)相對(duì)于布雷頓循環(huán)的溫度-熵圖(T-S圖)。蝸桿核心循環(huán)向循環(huán)的壓縮階段輸入 功(標(biāo)注為Wcmp)用于壓縮。蝸桿核心循環(huán)向循環(huán)的等容燃燒階段輸 入功(標(biāo)注為Wcmb)并輸入熱量(標(biāo)注為Qcmb)用于燃燒。蝸桿核心循 環(huán)在循環(huán)的膨脹階段絕熱地吸取功(標(biāo)注為Wtmb)。蝸桿核心循環(huán)可以 等溫地吸取功。在此處所顯示的蝸桿核心循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的示范性實(shí)施例 中，第三段28作為具有發(fā)動(dòng)機(jī)中心線8的渦輪，并且將功輸入到第 一段24和第二段26中。
圖12中顯示的蝸桿核心循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的凈功為WC,布雷頓循環(huán)的 凈功為WB。此處所示的蝸桿循環(huán)的凈功和布雷頓循環(huán)的凈功參考通 過圖12中的等壓線表示的發(fā)動(dòng)^/L中心線8的進(jìn)口壓力。此處所示的 蝸桿循環(huán)還包括貫穿整個(gè)第二4殳26的燃燒。在凈功和熱效率方面，. 用于正排量發(fā)動(dòng)機(jī)或氣體發(fā)生器的這種循環(huán)提供顯著優(yōu)于布雷頓循 環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。增加凈功而超越布雷頓循環(huán)凈功的能力將允許使用 更小型的發(fā)動(dòng)機(jī)或氣體發(fā)生器來滿足同樣動(dòng)力需求，從而使得這種組 合對(duì)于重量和尺寸敏感的應(yīng)用尤其具有吸引力。
顯示在圖1和13中以及更為詳細(xì)地顯示在圖14中的是在風(fēng)扇賴 112與核心發(fā)動(dòng)機(jī)118或蝸桿氣體發(fā)生器100之間的短進(jìn)口過渡管 180。短進(jìn)口過渡管180具有兩個(gè)大約為90度的外部進(jìn)口彎曲部182 和內(nèi)部進(jìn)口彎曲部184。分別布置在外部進(jìn)口彎曲部182和內(nèi)部進(jìn)口 彎曲部184中的環(huán)形外部進(jìn)口轉(zhuǎn)向?qū)~186和環(huán)形內(nèi)部進(jìn)口轉(zhuǎn)向?qū)~ 188提供通過該彎曲部的在空氣f力學(xué)上高效的流動(dòng)。顯示在圖15中 的是在蝸桿氣體發(fā)生器100與可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的LPT 121之間的短出口過 渡管190。短出口過渡管190具有兩個(gè)徑向間隔開的大約為90度的彎, 曲部，其標(biāo)注為外部出口彎曲部192和內(nèi)部出口彎曲部194。布置在 外部出口彎曲部192和內(nèi)部出口彎曲部194中的徑向間隔開的環(huán)形外 部出口轉(zhuǎn)向?qū)~196和環(huán)形內(nèi)部出口轉(zhuǎn)向?qū)~198提供通過該彎曲部 的在空氣動(dòng)力學(xué)上高效的流動(dòng)。上游風(fēng)扇葉片150更為具體地顯示在圖14和圖16-18中。各上游 風(fēng)扇葉片150包括從上游盤117向外徑向延伸到翼形件212的末端200 的翼形件212。翼形件212包括分別在前緣232和后緣234之間軸向 延伸的大致凸形的吸入側(cè)236和大致凹形的壓力側(cè)238?？煞聪蜣D(zhuǎn)動(dòng) 的上游風(fēng)扇級(jí)4設(shè)計(jì)成以便具有大約為850英尺/秒的較小的末端速 度、處于大約0.10-0.15的范圍內(nèi)的較小的進(jìn)口半徑比以及大約為44.5 磅/秒的較大的進(jìn)口設(shè)計(jì)比流量。較小的進(jìn)口半徑比提供每單位前部面 積的較大的流量。
參照?qǐng)D14，風(fēng)扇進(jìn)口半徑比定義為進(jìn)口輪轂半徑278除以進(jìn)口風(fēng) 扇葉片末端半徑276。進(jìn)口輪轂半徑278和進(jìn)口風(fēng)扇葉片末端半徑276 相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)中心線8進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)口風(fēng)扇葉片末端半徑276從中心 線8到位于風(fēng)扇段112的風(fēng)扇進(jìn)口 202處的風(fēng)扇葉片末端200之間進(jìn) 行測(cè)量。進(jìn)口輪轂半徑278從中心線8到輪轂274與風(fēng)扇葉片平臺(tái)246| 的相交處之間進(jìn)行測(cè)量。
風(fēng)扇級(jí)顯示為具有IO個(gè)上游風(fēng)扇葉片150。下游風(fēng)扇級(jí)6設(shè)計(jì)成 具有與其適合于低噪音的壓力比要求相符合的末端速度和常規(guī)的0.3
級(jí)(class)進(jìn)口半徑比。軸流^正排量氣體發(fā)生器100是具有與速度或 進(jìn)口流量無關(guān)的接近于等壓力比的等排量高壓轉(zhuǎn)軸。
顯示在圖19中的是發(fā)動(dòng)機(jī)10的另一個(gè)實(shí)施例，低壓渦輪120具 有通過單根低壓軸222驅(qū)動(dòng)地連接到可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段112上的單 向轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪220。低壓軸222通過驅(qū)動(dòng)齒輪箱224(諸如行星齒輪箱) 驅(qū)動(dòng)地連接到上游葉片排113和下游風(fēng)扇葉片排115上。
盡管本文描述了被認(rèn)為是本發(fā)明優(yōu)選并且示范性的實(shí)施例，根據(jù) 本發(fā)明所教導(dǎo)的內(nèi)容，本發(fā)明的其它變型對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言, 將是顯而易見的，因此，希望使所有這種屬于本發(fā)明的本質(zhì)精神和范 圍的變型在所附的權(quán)利要求中得到保護(hù)。因此，希望通過美國的專利 證書得到保護(hù)的是以下權(quán)利要求中所限定和區(qū)分的發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種具有可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，按照向下游順序布置的關(guān)系，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)包括可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段(112)、蝸桿氣體發(fā)生器(100)和可操作地連接到所述可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段(112)上的可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪(121)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī) (IO)還包括氣體發(fā)生器(IOO),其包括與出口(22)軸向間隔開并且位于所述出 口(22)上游的進(jìn)口(20)，核心組件(15),其包括布置在外主體(14)中的內(nèi)主體(12)，所述內(nèi) 主體(12)和所述外主體(14)從所述進(jìn)口(20)延伸到所述出口(22),所述內(nèi)主體(12)和所述外主體(14)分別具有偏離的內(nèi)軸線(16)和 外軸線(18)，所述內(nèi)主體(12)和所述外主體(14)中的至少一個(gè)可繞所述內(nèi)軸線 (16)和所述外軸線(18)中的相應(yīng)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述內(nèi)主體(12)和所述外主體(14)具有分別纏繞所述內(nèi)軸線(16) 和所述外軸線(18)并相互嚙合的內(nèi)螺旋葉片(17)和外螺旋葉片(27)，所述內(nèi)螺旋葉片(17)和所述外螺旋葉片(27)分別向外徑向延伸和 向內(nèi)徑向延伸，按照向下游順序布置的關(guān)系，所述核心組件(15)具有在所述進(jìn)口 (20)和所述出口(22)之間延伸的第一段(24)、第二段(26)和第三段(28)，所述內(nèi)螺旋葉片(17)和所述外螺旋葉片(27)分別在所述第一段 (24)、所述第二段(26)和所述第三段(28)中具有第一扭轉(zhuǎn)斜率(34)、第 二扭轉(zhuǎn)斜率(36)和第三扭轉(zhuǎn)斜率(38)，所述第一扭轉(zhuǎn)斜率(34)小于所述第二扭轉(zhuǎn)斜率(36),所述第三扭轉(zhuǎn) 斜率(38)小于所述第二扭轉(zhuǎn)斜率(36)，和向下游軸向延伸通過所述第二段(26)的至少 一部分的燃燒段(40)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī) (10)還包括可繞所述外軸線(18)轉(zhuǎn)動(dòng)的所述外主體(14)以及可繞所述 內(nèi)軸線(16)轉(zhuǎn)動(dòng)的所述內(nèi)主體(12)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(IO),其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī) (10)還包括以固定傳動(dòng)比嚙合在一起的所述內(nèi)主體(12)和所述外主體 (14)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī) (10)還包括相對(duì)于所述外軸線(18)不轉(zhuǎn)動(dòng)的所述外主體(14)以及可繞 所述外軸線(18)環(huán)行的所述內(nèi)主體(12)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī) (IO)還包括以固定傳動(dòng)比嚙合在一起的所述內(nèi)主體(12)和所述外主體(14)。 '
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī) (10)還包括可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的低壓渦輪(121)，所述低壓渦輪(121)包括上游 低壓渦輪(122)和下游低壓渦輪(124)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī) (IO)還包括間的進(jìn)口過渡管(180),在所述進(jìn)口過渡管(180)中徑向間隔開的外部進(jìn)口彎曲部(182)和 內(nèi)部進(jìn)口彎曲部(184),和分別布置在所述外部進(jìn)口彎曲部(182)和所述內(nèi)部進(jìn)口彎曲部 (184)中的徑向間隔開的環(huán)形外部進(jìn)口轉(zhuǎn)向?qū)~(186)和環(huán)形內(nèi)部進(jìn)口 轉(zhuǎn)向?qū)~(188)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)(IO),其特征在于，所述發(fā)動(dòng)枳j (10)還包括所述可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段(112)，所述風(fēng)扇段(112)包括可反 向轉(zhuǎn)動(dòng)的上游風(fēng)扇級(jí)(4)和下游風(fēng)扇級(jí)(6)，所述上游風(fēng)扇級(jí)(4)和所述 下游風(fēng)扇級(jí)(6)分別具有處于大約0.10-0.15的范圍內(nèi)的較小的上游進(jìn)口半纟圣比,口下游進(jìn)口半;f圣比。
10. —種具有可反向轉(zhuǎn)動(dòng)'威扇的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(IO),按照向下 游順序布置的關(guān)系，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)包括可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇 段(112)、蝸桿氣體發(fā)生器(100)和低壓渦輪(120)，所述低壓渦輪(120) 可操作地連接到所述可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段(l 12)上，并且作為通過驅(qū)動(dòng) 齒輪箱(224)由單根低壓軸(222)驅(qū)動(dòng)地連接到所述可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇 段(112)上的單向轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪(220)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶有可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。一種可反向轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)包括可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段(112)、蝸桿氣體發(fā)生器(100)和為可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段(112)提供動(dòng)力的低壓渦輪(120)。低壓渦輪(120)可為可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的或者具有單一的轉(zhuǎn)向，在這種情況下，它通過齒輪箱(224)給可反向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇段(112)提供動(dòng)力。氣體發(fā)生器(100)具有內(nèi)外主體(12，14)，該內(nèi)外主體(12，14)具有延伸通過核心組件(15)的第一、第二和第三段(24，26，28)的偏離的內(nèi)外軸線(16，18)。至少一個(gè)主體可繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)外主體(12，14)具有纏繞內(nèi)外軸線(16，18)且分別向外和向內(nèi)徑向延伸的相互嚙合的內(nèi)外螺旋葉片(17，27)。螺旋葉片分別在第一、第二和第三段(24，26，28)中具有第一、第二和第三扭轉(zhuǎn)斜率(34，36，38)。燃燒段(40)延伸通過第二段(26)的至少一部分。
文檔編號(hào)F02K3/072GK101368511SQ20081009965
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者K·D·默羅, O·法昆爾, R·G·吉芬 申請(qǐng)人:通用電氣公司