用于齒輪傳動渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的低噪音渦輪的制造方法
【專利摘要】燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)被與齒輪減速裝置組合地使用以相對于低壓渦輪機(jī)速度減少風(fēng)扇的速度。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)被設(shè)計為使得在低壓渦輪機(jī)內(nèi)的葉片計數(shù)乘以低壓渦輪機(jī)的速度將產(chǎn)生高于人類聽覺的敏感范圍的操作噪音。還公開了方法和渦輪機(jī)模塊。
【專利說明】用于齒輪傳動渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的低噪音渦輪機(jī)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用 本申請要求2012年1月31日提交的美國臨時申請61/592643的優(yōu)先權(quán)。

【背景技術(shù)】
[0002] 本申請涉及渦輪機(jī)的設(shè)計，該渦輪機(jī)可被操作以產(chǎn)生對人類聽覺更不敏感的噪 音。
[0003] 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)是已知的，并且通常包括將空氣傳遞到壓縮機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇。空氣在 壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮并且被向下游傳遞到燃燒器部分內(nèi)，在那里器與燃料混合并被點燃。這種 燃燒的產(chǎn)物向下游穿過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0004] 通常，存在高壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，和低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子中的每一個都包括數(shù) 排的渦輪機(jī)葉片，這些葉片與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。散布在所述多排渦輪機(jī)葉片之間的是定子葉 片。
[0005] 低壓渦輪機(jī)可能是主要的噪音來源，因為噪音是由在葉片排和定子葉片排之間的 流體動力學(xué)相互作用產(chǎn)生的。這些相互作用產(chǎn)生了每個低壓渦輪機(jī)級的葉片通道頻率下的 聲調(diào)，以及它們的和聲。
[0006] 該噪音可能經(jīng)常處于對人類非常敏感的頻率范圍內(nèi)。為了減輕這種問題，過去，已 經(jīng)將定子葉片-葉片比控制為高于某個數(shù)值。作為示例，定子葉片-葉片比可被選擇為1. 5 或更大，以防止基本葉片通道聲調(diào)傳播到遠(yuǎn)場。這被稱為"截止"。
[0007] 但是，聲學(xué)上的截止設(shè)計可能的代價是重量增加和空氣動力學(xué)效率降低。換句話 說，通過限制設(shè)計者到特定的定子葉片-葉片比，設(shè)計者可被限制以不能基于目標(biāo)發(fā)動機(jī) 的其它特點來選擇這個比。
[0008] 歷史上，低壓渦輪機(jī)已經(jīng)驅(qū)動低壓壓縮機(jī)部分和風(fēng)扇部分。最近，齒輪減速已經(jīng)被 提供以使得風(fēng)扇和低壓壓縮機(jī)可以不同的速度被驅(qū)動。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在重點的實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)具有風(fēng)扇、包括低壓壓縮機(jī)和高壓 壓縮機(jī)的壓縮機(jī)部分、燃燒器部分、高壓渦輪機(jī)和低壓渦輪機(jī)。低壓渦輪機(jī)驅(qū)動 低壓壓縮機(jī)和風(fēng)扇。利用齒輪減速來使風(fēng)扇的速度從低壓渦輪機(jī)的輸入速度減 少。低壓渦輪機(jī)具有排列在渦輪機(jī)的多個排中的每一排中的數(shù)個渦輪機(jī)葉片。低 壓渦輪機(jī)葉片以旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)行。葉片的數(shù)量和旋轉(zhuǎn)速度被選擇為使得下面的公式 對于低壓渦輪機(jī)的葉片排中的至少一排來說保持成立：（葉片的數(shù)量X速度）/60 2 5500。旋轉(zhuǎn)速度是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位的接近速度（approach speed)。
[0010] 在根據(jù)前面的實施例的另一實施例中，該公式產(chǎn)生了大于或等于6000的數(shù)值。
[0011] 在根據(jù)前面的實施例的另一實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)被額定為產(chǎn)生15000磅的 推力或更多。
[0012] 在根據(jù)前面最接近的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中 大多數(shù)都是成立的。
[0013] 在根據(jù)前面最接近的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中 的全部都是成立的。
[0014] 在根據(jù)所述重點的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中大 多數(shù)都是成立的。
[0015] 在根據(jù)所述重點的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中的 全部都是成立的。
[0016] 在另一重點實施例中，設(shè)計燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的方法包括如下步驟：在低壓渦輪機(jī) 和風(fēng)扇之間包括齒輪減速裝置，并且選擇低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片的數(shù)量，以與低壓渦輪機(jī) 的旋轉(zhuǎn)速度組合地使得下面的公知對低壓渦輪機(jī)的葉片排中的至少一個保持成立：（葉片 的數(shù)量X速度）/60 3 5500。旋轉(zhuǎn)速度是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位的接近速度。
[0017] 在根據(jù)前面的實施例的另一實施例中，該公式產(chǎn)生了大于或等于6000的數(shù)值。
[0018] 在根據(jù)前面的實施例的另一實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)被額定為產(chǎn)生15000磅的 推力或更多。
[0019] 在根據(jù)前面最接近的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中 大多數(shù)都是成立的。
[0020] 在根據(jù)前面最接近的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中 的全部都是成立的。
[0021] 在根據(jù)所述重點的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中大 多數(shù)都是成立的。
[0022] 在根據(jù)前面最接近的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中 的全部都是成立的。
[0023] 在另一重點實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪機(jī)模塊具有低壓渦輪機(jī)，該低壓渦 輪機(jī)具有排列在該渦輪機(jī)的多個排中每一排中的數(shù)個渦輪機(jī)葉片。低壓渦輪機(jī)葉片以旋轉(zhuǎn) 速度運(yùn)行。葉片的數(shù)量和旋轉(zhuǎn)速度被選擇為使得下面的公式對于低壓渦輪機(jī)的葉片排中的 至少一排來說保持成立：（葉片的數(shù)量X速度）/60 k ?500。旋轉(zhuǎn)速度是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單 位的接近速度。
[0024] 在根據(jù)前面的實施例的另一實施例中，該公式產(chǎn)生了大于或等于6000的數(shù)值。
[0025] 在根據(jù)前面的實施例的另一實施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)被額定為產(chǎn)生15000磅的 推力或更多。
[0026] 在根據(jù)前面最接近的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中 大多數(shù)都是成立的。
[0027] 在根據(jù)前面最接近的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中 的全部都是成立的。
[0028] 在根據(jù)所述重點的實施例的另一個實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中大 多數(shù)都是成立的。
[0029] 在根據(jù)所述重點實施例的另一實施例中，該公式對低壓渦輪機(jī)的葉片排中的全部 都成立。根據(jù)下面的說明書和附圖可更好地理解本發(fā)明的這些和其它的特征，對附圖的簡 要描述如下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1示出了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。

【具體實施方式】
[0031] 圖1示意性地圖示了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)20。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)20在本文中被公開為 兩軸渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，其通常包括風(fēng)扇部分22、壓縮機(jī)部分24、燃燒器部分26和渦輪機(jī)部 分28。其它的發(fā)動機(jī)除了其它系統(tǒng)或特征外還可包括增強(qiáng)器部分(未示出），或中間軸。風(fēng) 扇部分22沿著函道流動路徑驅(qū)動空氣，而壓縮機(jī)部分24沿著核心流動路徑驅(qū)動空氣以壓 縮并傳遞到燃燒器部分26,然后通過渦輪機(jī)部分28膨脹。雖然在所公開的非限定性實施 例中被描述為渦輪風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所描述的概念并不限于 與渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)一起使用，因為這些教導(dǎo)可應(yīng)用于包括三軸架構(gòu)的其它類型的渦輪發(fā)動 機(jī)。
[0032] 發(fā)動機(jī)20通常包括低速軸30和高速軸32,它們安裝成用于通過若干軸承系統(tǒng)38 相對于發(fā)動機(jī)靜止結(jié)構(gòu)36繞發(fā)動機(jī)中心縱向軸線A旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)理解的是，可替換地或附加 地在各種位置提供各種軸承系統(tǒng)38。
[0033] 低速軸30通常包括內(nèi)軸桿40,該內(nèi)軸桿互連風(fēng)扇42、低壓壓縮機(jī)44和低壓渦輪 機(jī)46。內(nèi)軸桿40通過齒輪傳動架構(gòu)48被連接到風(fēng)扇42從而以比低速軸30低的速度驅(qū)動 風(fēng)扇42。高速軸32包括外軸桿50,該外軸桿互連高壓壓縮機(jī)52和高壓渦輪機(jī)54。燃燒器 56被布置在高壓壓縮機(jī)52和高壓渦輪機(jī)54之間。發(fā)動機(jī)靜止結(jié)構(gòu)36的中間渦輪機(jī)框架 57被布置成大體在高壓渦輪機(jī)54和低壓渦輪機(jī)46之間。中間渦輪機(jī)框架57還支撐渦輪 機(jī)部分28中的軸承系統(tǒng)38。內(nèi)軸桿40和外軸桿50是同心的并且通過軸承系統(tǒng)38繞發(fā)動 機(jī)中心縱向軸線A旋轉(zhuǎn)，其與它們的縱向軸線共線。
[0034] 核心空氣流由低壓壓縮機(jī)44壓縮然后由高壓壓縮機(jī)52壓縮、在燃燒器56內(nèi)與燃 料混合并燃燒、然后在高壓渦輪機(jī)54和低壓渦輪機(jī)46上膨脹。中間渦輪機(jī)框架57包括位 于核心空氣流動路徑中的翼型59。渦輪機(jī)46、54響應(yīng)于膨脹旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動相應(yīng)的低速軸30 和高速軸32。
[0035] 被應(yīng)用到軸的速度或壓力、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的術(shù)語"低"和"高"當(dāng)然是彼此相對 而言的。即，低速軸以比高速軸低的速度操作，并且低壓部分以比高壓部分低的壓力操作。
[0036] 發(fā)動機(jī)20在一個示例中是高函道齒輪傳動飛行器發(fā)動機(jī)。在另一個示例中，發(fā) 動機(jī)20函道比大于約六（6)，一個示例實施例是大于十（10)，齒輪傳動架構(gòu)48是周轉(zhuǎn)齒輪 系，例如行星齒輪系統(tǒng)或其它齒輪系統(tǒng)，其中齒輪減速比大于約2. 3而低壓渦輪機(jī)46具有 大于約5的壓力比。在一個公開的實施例中，發(fā)動機(jī)20函道比大于約10 (10:1)，風(fēng)扇直 徑顯著大于低壓壓縮機(jī)44的直徑，并且低壓渦輪機(jī)46具有大于約5 :1的壓力比。低壓渦 輪機(jī)46壓力比是低壓渦輪機(jī)46的進(jìn)口之前測量的壓力與排出噴嘴之前的在低壓渦輪機(jī)46 的出口處的壓力的比。齒輪傳動架構(gòu)48可以是周轉(zhuǎn)齒輪系，例如行星齒輪系統(tǒng)或其它的齒 輪系統(tǒng)，帶有大于約2. 5 :1的齒輪減速比。不過，應(yīng)該理解，上面的參數(shù)僅是齒輪傳動架構(gòu) 發(fā)動機(jī)的一個實施例中的示例性的，并且本發(fā)明可應(yīng)用于包括直接驅(qū)動渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的 其它燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
[0037] 顯著量的推力由因高函道比產(chǎn)生的函道流B提供。發(fā)動機(jī)20的風(fēng)扇部分22被 設(shè)計用于特定的飛行條件--通常在約35000英尺以約0. 8馬赫巡航。0. 8馬赫和35000 英尺的飛行條件，由于發(fā)動機(jī)處于其最佳的燃料消耗一也被稱為"桶巡航推力比燃料消 耗（TSFC)"，是處于最小點的被燃燒的燃料的磅質(zhì)量除以發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力的磅力定義的 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。"低風(fēng)扇壓力比"是僅跨過風(fēng)扇葉片的壓力比，不包括風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片 (FEGV)系統(tǒng)。本文公開的根據(jù)一個非限制性實施例的低風(fēng)扇壓力比是小于約1.45。"低修 正風(fēng)扇尖端速度"是以ft/sec為單位的實際風(fēng)扇尖端速度除以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度修正[(1^? deg R) / 518. 7Γ0. 5]。本文公開的根據(jù)一個非限制性實施例的"低修正風(fēng)扇尖端速度"是 小于約1150ft/秒。
[0038] 在低壓渦輪機(jī)軸和風(fēng)扇之間使用齒輪減速裝置允許低壓壓縮機(jī)的速度增加。過 去，低壓渦輪機(jī)的速度已經(jīng)多少受到限制，因為風(fēng)扇速度不可能過大。最大風(fēng)扇速度是在其 外部尖端處，并且在更大的發(fā)動機(jī)中，風(fēng)扇直徑要比更小動力發(fā)動機(jī)中的風(fēng)扇直徑大得多。 不過，使用齒輪減速裝置已經(jīng)使設(shè)計者不再受由不具有過高的風(fēng)扇速度的期望所引起的在 低壓渦輪機(jī)速度方面的限制的約束。
[0039] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可選擇在旋轉(zhuǎn)葉片的數(shù)量和低壓渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度之間的仔細(xì)設(shè)計以 產(chǎn)生對人類聽覺更不敏感的噪音頻率。
[0040] 已經(jīng)開發(fā)出的公式如下： (葉片計數(shù)X旋轉(zhuǎn)速度）/60 .5 5500。
[0041] 即，在任意低壓渦輪機(jī)級中的旋轉(zhuǎn)葉片的數(shù)量，乘以該低壓渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（以 每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位)，除以60應(yīng)該大于或等于5500。更限制地，該量應(yīng)該大于6000。
[0042] 在該公式中使用的低壓渦輪機(jī)的操作速度應(yīng)該對應(yīng)在聯(lián)邦適航性規(guī)定或第36部 分中定義的每個噪音證明點處的發(fā)動機(jī)操作條件。更具體地，該旋轉(zhuǎn)速度可被用作在聯(lián)邦 適航性規(guī)定的第36部分中定義的接近證明點。出于本申請和其權(quán)利要求的目的，術(shù)語"接 近速度"相當(dāng)于這個證明點。
[0043] 設(shè)想低壓渦輪機(jī)內(nèi)的全部排都滿足上面的公式。不過，本申請還可以擴(kuò)展到低壓 渦輪機(jī)的大多數(shù)葉片排都滿足上面公式，而可能一些排不滿足該公式的低壓渦輪機(jī)。
[0044] 這將產(chǎn)生對人類聽覺不那么敏感的操作噪音。
[0045] 在實施例中，可能的是該公式能產(chǎn)生大于或等于5500的范圍，以及向更高移動。 因此，通過仔細(xì)地設(shè)計葉片的數(shù)量并控制低壓渦輪機(jī)的操作速度(并且本領(lǐng)域技術(shù)人員會 意識到如何控制該速度)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能確保由該低壓渦輪機(jī)產(chǎn)生的噪音頻率不那么 為人所擔(dān)心。
[0046] 本發(fā)明最適用于額定產(chǎn)生15000磅推力或更多的噴氣發(fā)動機(jī)。在這個推力范圍 內(nèi)，現(xiàn)有技術(shù)的噴氣發(fā)動機(jī)通常已經(jīng)具有約4000赫茲的頻率范圍。因此，已經(jīng)存在了上述 的噪音問題。
[0047] 更低推力發(fā)動機(jī)（〈15000磅)可能操作在有時高于4000數(shù)值，甚至接近6000的條 件下，不過，這還沒有結(jié)合齒輪傳動的架構(gòu)，在具有更大風(fēng)扇，并因此具有在低壓渦輪機(jī)速 度方面更大限制的更高動力發(fā)動機(jī)中也沒有結(jié)合。
[〇〇48] 雖然已經(jīng)公開了本發(fā)明的多個實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到某些改進(jìn)也 在本發(fā)明的范圍內(nèi)。由此，應(yīng)當(dāng)研讀下面的權(quán)利要求以確定真實的范圍和內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1. 一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其包括： 風(fēng)扇、包括具有低壓部分和高壓部分的壓縮機(jī)的壓縮機(jī)部分，和具有低壓部分的渦輪 機(jī)；實現(xiàn)所述風(fēng)扇的速度相對于所述風(fēng)扇的輸入速度減小的齒輪減速裝置； 所述渦輪機(jī)的所述低壓部分具有排列在所述渦輪機(jī)部分的多個排中每一排中的數(shù)個 渦輪機(jī)葉片，并且所述低壓渦輪機(jī)葉片以旋轉(zhuǎn)速度操作至少一定時間，并且所述葉片的數(shù) 量和所述旋轉(zhuǎn)速度使得下面的公式對所述低壓渦輪機(jī)的葉片排中的至少一排成立： (葉片的數(shù)量X速度）/60 ? 5500 ;以及 所述旋轉(zhuǎn)速度是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位的接近速度。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其中該公式產(chǎn)生了大于或等于6000的數(shù)值。
3. 如權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其中所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)額定產(chǎn)生15000磅 的推力或更多。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的大多數(shù)葉片 排都成立。
5. 如權(quán)利要求4所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的全部葉片排 都成立。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的大多數(shù)葉片 排都成立。
7. 如權(quán)利要求6所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的全部葉片排 都成立。
8. -種設(shè)計燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的方法，包括如下步驟：在低壓渦輪機(jī)部分和風(fēng)扇之間 包括齒輪減速裝置，并且選擇該低壓渦輪機(jī)部分的轉(zhuǎn)子的每一排中的葉片數(shù)量，以與該低 壓渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度組合地使得下面的公知對低壓渦輪機(jī)的葉片排中的至少一排保持成 立： (葉片的數(shù)量X速度）/60 2 5500 ;以及 所述旋轉(zhuǎn)速度是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位的接近速度。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)計燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的方法，其中該公式產(chǎn)生了大于或等于 6000的數(shù)值。
10. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)計燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的方法，其中所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)額定 產(chǎn)生15000磅的推力或更多。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的大多數(shù)葉片排都成 立。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的全部葉片排都成立。
13. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的大多數(shù)葉片排都成立。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的全部葉片排都成立。
15. -種潤輪機(jī)模塊，其包括： 所述低壓部分具有排列在所述渦輪機(jī)部分的多個排中每一排中的數(shù)個渦輪機(jī)葉片，并 且所述低壓渦輪機(jī)葉片以旋轉(zhuǎn)速度操作至少一定時間，并且所述葉片的數(shù)量和所述旋轉(zhuǎn)速 度使得下面的公式對所述低壓部分的葉片排中的至少一排成立： (葉片的數(shù)量X速度）/60 2 5500 ;以及 所述旋轉(zhuǎn)速度是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位的接近速度。
16. 如權(quán)利要求15所述的渦輪機(jī)模塊，其中該公式產(chǎn)生了大于或等于6000的數(shù)值。
17. 如權(quán)利要求16所述的渦輪機(jī)模塊，其中所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)額定產(chǎn)生15000磅的 推力或更多。
18. 如權(quán)利要求17所述的渦輪機(jī)模塊，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的大多數(shù)葉片排 都成立。
19. 如權(quán)利要求18所述的渦輪機(jī)模塊，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的全部葉片排都 成立。
20. 如權(quán)利要求15所述的渦輪機(jī)模塊，其中該公式對所述低壓渦輪機(jī)的大多數(shù)葉片排 都成立。
【文檔編號】G06F17/50GK104066932SQ201380004154
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月31日
【發(fā)明者】B.L.莫林, D.科爾特 申請人:聯(lián)合工藝公司, Mtu飛機(jī)發(fā)動機(jī)股份公司