无涵道的推力产生系统体系结构的制作方法
【专利说明】无涵道的推力产生系统体系结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及2013年10月23日提交的代理案卷号为N0.264668_2、名为“无涵道的推力产生系统”的PCT/US13/XXXXX和2013年10月23日提交的代理案卷号为N0.265517-2、名为“用于无涵道的推力产生系统的翼片(vane)组件”的PCT/US13/XXXXX。
【背景技术】
[0003]本说明书中所述的技术涉及一种无涵道的(unducted)推力产生系统，特别是用于这种系统的体系结构。该技术在应用于“开式转子(open rotor)”燃气涡轮发动机时是特别有益的。
[0004]利用开式转子设计体系结构的燃气涡轮发动机是已知的。涡轮风扇发动机按照下列原理运转，即:中央燃气涡轮机芯部(core)驱动旁路风扇，该风扇定位在位于发动机的机舱与发动机芯部之间的径向位置处。而开式转子发动机则按照下列原理运转，即:使旁路风扇定位于发动机机舱的外侧。这允许使用与涡轮风扇发动机相比能够对更大的空气体积起作用的大型风扇叶片，并且由此与常规发动机设计相比改进了推进效率。
[0005]在开式转子设计具有由两个反转的转子组件提供的风扇，每一个转子组件承载定位于发动机机舱外侧的翼型件叶片的阵列的情况下，已经发现了最佳性能。如在本说明书中所使用的那样，“反转关系”意指将第一和第二转子组件的叶片设置成彼此反向旋转。通常，将第一和第二转子组件的叶片设置成围绕共同的轴线沿相反方向旋转，并且沿该轴线轴向间隔开。例如，第一转子组件和第二转子组件的相应叶片可以是同轴安装且间隔开的，第一转子组件的叶片构造成围绕该轴线顺时针旋转并且第二转子组件的叶片构造成围绕该轴线逆时针旋转(或者反之亦然)。在外表上，开式转子发动机的风扇叶片类似于常规涡轮螺旋桨发动机的推进器叶片。
[0006]反转的转子组件的使用在从动力涡轮机传递动力以便沿相反的方向驱动相应的两个转子组件的叶片的方面中产生了技术难题。
[0007]所希望的是，提供一种开式转子推进系统，该系统利用类似于传统旁路风扇的单个旋转的推进器组件，这降低了设计复杂度、更是在重量显著降低且长度明显缩短的情况下产生了能够与反转的推进设计相比拟的推进效率水平。
【发明内容】
[0008]一种无涵道的推力产生系统具有带有旋转轴线的旋转元件和固定元件。该旋转元件包括多个叶片，并且该固定元件具有多个翼片，这多个翼片构造成使得工作流体的切向速度发生变化，该变化与由旋转元件造成的该旋转元件对其起作用的工作流体的切向速度的变化相反。该系统包括位于旋转元件和固定元件的前方的入口。
【附图说明】
[0009]结合在专利说明书中并构成该专利说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例并且与说明书一起说明这些实施例。在附图中:
[0010]图1是无涵道的推力产生系统的示例性实施例的横断面示意图；
[0011]图2是用于无涵道的推力产生系统的示例性翼片组件的替代实施例的插图；
[0012]图3是无涵道的推力产生系统的示例性实施例的局部横断面示意图，其描绘了示例性的复合齿轮箱构造；
[0013]图4是无涵道的推力产生系统的示例性实施例的局部横断面示意图，其描绘了另一示例性的齿轮箱构造；
[0014]图5是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0015]图6是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0016]图7是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0017]图8是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0018]图9是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0019]图10是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0020]图11是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0021]图12是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0022]图13是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0023]图14是无涵道的推力产生系统的另一示例性实施例的横断面示意图；
[0024]图15是沿图14的线15-15获取的横断面示意图，其示出了图14的无涵道的推力产生系统的入口构造。
【具体实施方式】
[0025]在下列视图中的所有视图中，相似的附图标记用于遍及附图中描绘的多个实施例指代相似的元件。
[0026]图1示出了无涵道的推力产生系统10的示例性实施例的横断面正视图。如从图1所见，无涵道的推力产生系统10呈开式转子推进系统的形式，并具有描绘成推进器组件的旋转元件20，该旋转元件20包括围绕无涵道的推力产生系统10的中央纵向轴线11的翼型件叶片21的阵列。叶片21围绕中心线11成大致等间距间隔开的关系设置，并且每一个叶片21均具有根部23和尖端24以及限定在其间的翼展。无涵道的推力产生系统10包括具有燃气发生器(gasgeneratorHO和低压涡轮机50的燃气涡轮发动机。左手或右手发动机构造可通过使21、31和50的翼型件成镜像来获得。作为替代方案，可选择的反转(reversing)齿轮箱55 (如图3和4中所示定位于低压涡轮机50中或之后或者如图3中所示与动力齿轮箱60相结合或相关联)允许将共同的燃气发生器和低压涡轮机用于使风扇叶片顺时针或逆时针旋转，即，以便按照要求提供左手或右手构造，从而提供如可能为特定的航空设施所需要的一对反向旋转的发动机组件。在图1中所示的实施例中的无涵道的推力产生系统10还包括一体的驱动器(动力齿轮箱)60，该一体的驱动器60可包括用于降低推进器组件相对于低压涡轮机50的旋转速度的齿轮组。
[0027]在示例性实施例中，无涵道的推力产生系统10还包括不旋转的固定元件30，该固定元件30包括同样围绕中央轴线11设置的翼片31的阵列，并且每一个翼片31均具有根部33和尖端34以及限定在其间的翼展。这些翼片可被设置成使得它们并非全部与旋转组件间隔开相等距离，并且可以可选择地包括远离轴线11的环形护罩或涵道(duct)100(如图2中所示)或者可以是无护罩的。这些翼片可安装于固定框架并且并不相对于中央轴线11旋转，但可包括用于调整它们相对于它们的轴线90和/或相对于叶片21的取向的机构。出于说明的目的，图1还描绘了以箭头F表示的前向方向，其又限定了该系统的前向部分和后部部分。如在图1中所示，旋转元件20定位于“拉拔器(puller)”构造中的燃气发生器40的前方，并且排气装置80定位于固定元件30的后部。
[0028]除了降低噪音的益处之外，图2中所示的涵道100通过将固定翼片31联接成组件提供了固定翼片31的振动响应和结构完整性的益处，该组件形成了环形环或一个或多个圆周区段、即形成将诸如形成双联体(doublet)的成对件之类的两个或多个翼片31连结在一起的环形环的多个部分的节段。涵道100可使得翼片的桨距能够按照要求加以改变。
[0029]由所公开的风扇原理产生的噪音的较大部分、或许甚至是主要部分与由上游叶栅(blade-row)产生的紊流与尾流(wake)之间的相互作用及其加速度和在下游叶栅表面上的碰撞相关联。通过引入在固定翼片上方充当护罩的部分涵道，在翼片表面处产生的噪音可被屏蔽掉以便在远场中有效地产生阴影区(shadow zone)，从而降低整体干扰程度(annoyance)。当在轴向长度方面延长该涵道时，穿过该涵道的声辐射的效率进一步受到声截止(acoustic cut-off)的现象的影响，这如针对常规航空器发动机那样可用于将声辐射限制到远场中。此外，护罩的引入考虑到了结合声处理的机会，如当前针对常规航空器发动机所做的那样，以便在它反射或与衬套以其它方式相互作用时衰减声音。通过在位于固定翼片的上游和下游的护罩的内侧和轮毂表面上引入声学处理表面，可将从固定翼片发出的声波的多次反射基本上衰减掉。
[0030]在运行中，通过低压涡轮机经由齿轮箱60驱动旋转叶片21，使得它们围绕轴线11旋转并且产生推力以沿前向方向F推进无涵道的推力产生系统10并且由此推进它所关联的航空器。
[0031]可以希望的是，这多组叶片21和31中的任一者或两者结合有变距机构，使得叶片可以或者单独地或者彼此一起相对于桨距旋转轴线旋转。这种变距可被用于在多种运行状况下改变推力和/或涡旋效应，包括提供在诸如航空器着陆时之类的特定运行状况中会是有用的反推力特征。
[0032]叶片31被确定尺寸、成形、并构造成使流体产生起抵消作用的涡旋，使得在下流方向上，两排叶片的后部的流体具有大幅降低的涡旋程度，其转换成程度增大了的感应效率。叶片31可比叶片21具有较短的翼展，如在图1中所示，例如，叶片21的翼展的50%，或者可按照要求具有比叶片21长的翼展或与叶片21相同的翼展。翼片31可附接于与推进系统相关联的航空器结构，如图1中所示，或者附接于诸如机翼、外挂架(pylon)、或机身之类的另一航空器结构。固定元件的翼片31可在数量上比旋转元件的叶片21的数量少或多或者在数量上与旋转元件的叶片21的数量相同，并且通常在数量上大于两个或大于四个。
[0033]在图1中所示的实施例中，环形的360度入口 70定位在风扇叶片组件20与静止的或固定的叶片组件30之间，并提供用于使引入的大气相对于固定元件30径向向内地进入燃气发生器40的路径。这种位置出于多种原因而可能是有利的，其原因包括管理结冰性能以及保护入口 70免受可能在运行中遇到的多种物体和材料的影响。
[0034]图5示出了燃气涡轮发动机10的另一示例性实施例，与图1的实施例的不同之处在于入口 71的位置位于旋转元件20和固定元件30的前方并位于旋转元件20的径向内侧。
[0035]图1和图5均示出了可被称之为“拉拔器”构造的结构，在该构造中，产生推力的旋转元件20定位于燃气发生器40的前方。图6在另一方面示出了可被称之为“推进器”构造实施例的结构，在该构造中，燃气发生器40定位在旋转元件20的前方。如同图5的实施例的情况一样，入口 71