包括三个旋转体的燃气涡轮发动的制造方法
【专利摘要】一种用来推进飞机的燃气涡轮发动机，包括：装有低压涡轮转子叶片(10T)的低压旋转体(10)，装有中间涡轮转子叶片(20T)的中间旋转体(20)，装有高压涡轮转子叶片(30T)的高压旋转体(30)。空气从上游至下游流过发动机，在这种发动机中，在至少一个中间涡轮转子叶片(20T)的下游处由低压涡轮转子叶片(10T)直接跟随，以便对中间涡轮转子叶片(20T)所偏转的气流进行整流。
【专利说明】包括三个旋转体的燃气涡轮发动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及用来推进飞机的燃气涡轮发动机的领域。
【背景技术】
[0002]在下文中，术语“上游”和“下游”根据发动机中气流的流动方向来定义的。通常， 燃气涡轮发动机包括，从上游到下游，低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和低压涡 轮。为此，发动机包括支撑压缩机和涡轮转子叶片的低压芯轴以及支撑压缩机和涡轮转子 叶片的高压芯轴。在上游，低压压缩机按已知方式包括所属领域人员称之为“风扇”的大型 转子叶片。
[0003]限制发动机燃油消耗的其中一个方法是降低风扇叶片的转速，以增加发动机的旁 通比，也就是说，旁通流的气团(air mass)(风扇所排出的且不流过燃烧室的气团)和热气 流的气团(流过燃烧室的气团)之间的比率。如上所述，风扇叶片和低压涡轮转子叶片刚性 连接到发动机的低压芯轴上。这样，风扇叶片转速的降低带来低压涡轮叶片的转速的下降。 这种解决方案影响发动机的涡轮的性能，而这不是所期望的。为了消除这个缺陷，人们已经 提出，将风扇叶片的旋转与低压涡轮叶片的旋转分离开，这样，它们的转速不同。
[0004]第一个分离方案是在低压涡轮和风扇之间提供一种扭矩减小器(torque reducer)。且不说其重量大，扭矩减小器必须消耗大量热能，这会带来可靠性方面的缺陷。
[0005]第二个分离方案是除了低压和高压芯轴外还提供一种中间芯轴，该芯轴使风扇叶 片(其刚性连接到低压芯轴上)的转速不受低压涡轮转子叶片的转速的支配，低压涡轮转子 叶片刚性连接到中间芯轴上。根据定义，芯轴包括一根轴，压缩机转子叶片和涡轮转子叶片 就安装在该芯轴上。芯轴的每个转子叶片都在发动机内与定子叶片相连接，后者安装在所 述转子叶片的上游，其目的是对转子叶片所偏转的气流进行整流。如图1所述，三芯轴发动 机按已知方式包括低压旋转体100，中间旋转体200和高压旋转体300。三个旋转体分别包 括与压缩机定子叶片101C，201C, 301C相连的压缩机转子叶片100C，200C, 300C,和与涡轮 定子叶片101T，201T, 301T相连的涡轮转子叶片100T，200T, 300T。这种发动机的重量很大 且很长，存在尺寸和重量上的缺陷，而且限制了节油。
【发明内容】
[0006]为了消除其中至少一些所述缺陷，本发明涉及到燃气涡轮发动机，该发动机将风 扇和低压涡轮相分离，使得该发动机的重量和尺寸有所减小。
[0007]为此，本发明涉及用于推进飞机的燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括:包括 低压涡轮转子叶片的低压芯轴，包括中间涡轮转子叶片的中间芯轴和包括高压涡轮转子叶 片的高压芯轴。气流从上游至下游流过发动机，其中，至少一个中间涡轮转子叶片的下游处 由低压涡轮转子叶片直接跟随，以便对中间涡轮转子叶片所偏转的气流进行整流。
[0008]有利的是，根据本发明的三芯轴发动机不包括或包括很少的中间涡轮定子叶片， 用来对中间涡轮转子叶片所偏转的气流进行整流。正是低压涡轮转子叶片对所偏转的气流进行整流。因为中间涡轮定子叶片的数量有限，发动机的长度和其重量也受到限制，因而这 是很有利的。根据本发明的发动机还具有传统三芯轴发动机的所有优点。低压涡轮转子叶 片(诸如风扇叶片)的转速不受中间涡轮转子叶片的转速的支配，后者刚性连接到中间芯轴 上。为此，有利的是，风扇转速降低，不会影响到发动机的涡轮的性能。
[0009]优选地，低压芯轴和中间芯轴是对转的。为此，中间涡轮转子叶片和低压涡轮转子 叶片之间的相对速度很高，甚至对于被以降速带动旋转的芯轴亦是如此。高相对速度提高 了气流的整流，这是很有利的。有利的是，低速相互反转的转子叶片的作用与同定子叶片相 连的高速转子叶片的作用相同，顾名思义，定子叶片是静止不动的。
[0010]根据本发明的一个方面，至少一个高压涡轮转子叶片在下游处的由中间涡轮转子 叶片直接跟随，以便对高压涡轮转子叶片所偏转的气流进行整流。
[0011]有利的是，这就有可能限制用于整流高压涡轮转子叶片所偏转的气流的高压涡轮 定子叶片的数量。中间涡轮转子叶片来整流所偏转的气流。因为高压涡轮定子叶片的数量 有限，发动机的长度和重量减小，这是非常有利的。
[0012]优选地，高压芯轴和中间芯轴是相互反转的。中间涡轮转子叶片和高压涡轮转子 叶片之间的相对速度很高，提高了气流的整流。
[0013]根据本发明的一个方面，低压涡轮转子叶片沿给定方向径向延伸，中间涡轮转子 叶片沿相反方向径向延伸。当中间涡轮转子叶片径向向内取向时，低压涡轮转子叶片则径 向向外取向。同样，当中间涡轮转子叶片径向向外取向时，低压涡轮转子叶片则径向向内取 向。由于叶片的这种取向，形成非常紧凑的涡轮，而这是非常有利的。此外，通过将转子叶 片彼此靠近，偏转气流的整流得到改善。
[0014]优选地，每个中间涡轮转子叶片在下游处由低压涡轮转子叶片直接跟随，以便对 中间涡轮转子叶片所偏转的气流进行整流。换句话说，根据本发明的发动机不包括任何中 间涡轮定子叶片，这样，就可大幅度地限定发动机的重量和长度。
[0015]优选地，所述低压涡轮转子叶片在下游处由随在另一个中间涡轮转子叶片直接跟 随，以便对所述低压涡轮转子叶片所偏转的气流进行整流。为此，涡轮包括交替的中间涡轮 转子叶片和低压涡轮转子叶片，这样，就可形成紧凑的发动机。
[0016]根据第一个方面，多个低压涡轮转子叶片在下游处由中间涡轮转子叶片直接跟 随，以便对多个低压涡轮转子叶片所偏转的气流进行整流。由于本发明，涡轮轴发动机的重 量和尺寸得到优化。
[0017]根据第二个方面，至少一个低压涡轮转子叶片在下游处由低压涡轮定子叶片直接 跟随，以便对低压涡轮转子叶片所偏转的气流进行整流。有利的是，低压涡轮定子叶片可计 量发动机涡轮的载荷，驱动刚性连接到低压转子上的风扇叶片。
[0018]为此，通过在低压涡轮转子叶片之间加装一个或多个低压涡轮定子叶片，涡轮的 载荷及其转速可以调整，以便获得所预期的旁通比，可以使得旁通比变化范围扩大。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]阅读仅以示例并参照附图给出的如下说明，将更好地理解本发明，附图如下:
[0020]图1为根据现有技术的三芯轴燃气涡轮发动机的示意图；
[0021]图2为根据本发明的三芯轴燃气涡轮发动机的示意图；[0022]图3A为根据本发明的三芯轴燃气涡轮发动机的第一实施例的示意图；
[0023]图3B为根据本发明的三芯轴燃气涡轮发动机的第二实施例的示意图；
[0024]图3C为根据本发明的三芯轴燃气涡轮发动机的第三实施例的示意图；
[0025]图3D为根据本发明的三芯轴燃气涡轮发动机的第四实施例的示意图；以及
[0026]图4A-4D分别为图3A-3D的实施例的不同形式的示意图，带有低压涡轮定子叶片。
【具体实施方式】
[0027]应该指出的是，这些附图详细地介绍了本发明，为的是实施本发明，但是，显然，如 必要的话，所述附图可用作更好地定义本发明。
[0028]如图2所示，轴线X的涡轮轴发动机I包括:多个从上游到下游轴向压缩气流的压 缩机级、燃烧室2和多个用来回收燃烧能的涡轮级。涡轮轴发动机I包括低压旋转体10、 中间旋转体20和高压旋转体30，分别包括压缩机转子叶片10C，20C, 30C和涡轮转子叶片 10T, 20T, 30T。在低压压缩机叶片IOC中间，涡轮压缩机I包括上游大型风扇叶片3。每个 芯轴都是由轴构成，轴上径向安装有压缩机转子叶片和涡轮转子叶片。于是，同一芯轴上的 涡轮转子叶片和压缩机转子叶片便以相同转速被驱动。芯轴10，20，30与发动机I的轴线 X同轴。
[0029]如上所述，三芯轴涡轮轴发动机使低压压缩机转子叶片IOC (包括风扇叶片3)，其 刚性连接到低压芯轴10上，独立于不受中间涡轮叶片20T的转速，中间涡轮叶片20T刚性 连接到中间芯轴20上。
[0030]依然参照图2，低压压缩机转子叶片IOC与低压定子叶片IlC相连，中间压缩机转 子叶片20C与中间压缩机定子叶片21C相连，高压压缩机转子叶片30C与高压压缩机定子 叶片31C相连，以便从上游至下游一直到燃烧室2来压缩气流。
[0031]本发明更具体地针对涡轮压缩机I的涡轮，而且更具体地针对所述涡轮的低压级 (低压涡轮级和中间涡轮级)。不同于传统的三芯轴涡轮轴发动机，每个中间涡轮转子叶片 20T不是下游处的定子叶片直接跟随，偏转的气流通过低压涡轮转子叶片IOT进行整流。
[0032]根据本发明，涡轮轴发动机I包括至少一个中间涡轮转子叶片20T，在中间涡轮转 子叶片20T的下游处由低压涡轮转子叶片IOT直接跟随，以便对中间涡轮转子叶片20T所 偏转的气流进行整流，如图2所示。这样，中间涡轮转子叶片20T所偏转的气流不是被静止 不动的定子叶片所整流，而是被低压涡轮转子叶片IOT整流。有利的是，定子叶片的数量被 限制，从而缩小了涡轮轴发动机I的长度。
[0033]根据第一个实施例，如图2和3A所示，高压涡轮为传统的涡轮并包括高压涡轮转 子叶片30T，每个高压涡轮转子叶片30T都与高压涡轮定子叶片31T相连。在这个示例中， 中间芯轴20包括两个中间涡轮转子叶片20T，而低压芯轴10包括三个低压涡轮转子叶片 10T，这些叶片交替布置，这样，来自高压涡轮的气流首先被低压涡轮转子叶片IOT整流，由 中间涡轮转子叶片20T直接偏转，被另一个低压涡轮转子叶片IOT整流，以此类推。
[0034]如上所述，中间芯轴20和低压芯轴10是相互反转的，以便优化涡轮负荷和从上游 至下游的气流整流。中间涡轮转子叶片20T和低压涡轮转子叶片IOT之间的相对转速很高， 甚至对以降速驱动旋转的芯轴亦是如此。较高的相对转速提高了气流的整流，这是非常有 利的。[0035]下面，术语“向内”和“向外”是相对于发动机轴线X定义的。径向叶片向内延伸 时，是指其向发动机轴线方向延伸，也就是说，叶片顶部(即其自由端)比叶片根部更靠近发 动机轴线。同样，径向叶片向外延伸时，是指其背离发动机轴线延伸，也就是说，叶片顶部比 叶片根部更靠近发动机轴线X。
[0036]在图2和3A所示的第一个实施例中，中间涡轮转子叶片20T径向向外延伸，而低 压涡轮转子叶片IOT径向向内延伸以便形成与中间涡轮转子叶片20T相互作用的外框架， 如图3A所示。叶片的这种布置可以限制发动机的尺寸。
[0037]在这个第一个实施例中，位于最下游的高压涡轮转子叶片30T所偏转的气流由低 压涡轮转子叶片IOT直接整流，这样可避免使用定子叶片，从而限制了发动机的尺寸。
[0038]本发明的第二个实施例与第一个实施例相同，除一处区别之外，即在第二个实施 例中，涡轮轴发动机的涡轮包括高压涡轮定子叶片31T，该高压涡轮定子叶片31T直接置于 高压转子叶片30和低压涡轮转子叶片IOT之间，如图3B所示。有利的是，这种高压涡轮定 子叶片31T可控制不同芯轴之间的负荷和/或提高整个效率。例如，这种定子叶片可改变 高压涡轮输出端的回转以增加或减少低压涡轮上的负荷。另外，也可通过限制高压涡轮输 出端的二次流现象(喘流等)来提高发动机的整体效率，二次流现象会降低位于下游的低压 涡轮的效率。
[0039]如图3C所示，本发明的第三个实施例类似于第一个实施例，唯一的区别是低压涡 轮转子叶片10T’径向向外延伸，而中间涡轮转子叶片20T’径向向内延伸，从而形成与低压 涡轮转子叶片10T’相互作用的外框架。
[0040]因此，低压涡轮转子叶片和中间涡轮转子叶片的向内或向外取向是不相关的，重 要的是，它们取向相反。此外，低压涡轮转子叶片和中间涡轮转子叶片交替布置且相互反 转，为的是在气流流过发动机涡轮时能对其进行最佳整流。
[0041]类似于第一个实施例，根据第三实施例的发动机的高压涡轮转子叶片30T所偏转 产生的气流由中间涡轮转子叶片20T’直接整流，这样，可避免使用定子叶片，从而限制了 发动机的尺寸。
[0042]如图3D所示，本发明的第四个实施例类似于第三个实施例，除一个区别外，即在 第四个实施例中涡轮轴发动机的涡轮包括:高压定子叶片31T，其直接位于高压转子叶片 30T’和中间涡轮转子叶片20T’之间。有利的是，这种高压定子叶片31T可控制不同芯轴之 间的负荷和/或提高整个效率。特别是，其影响到中间芯轴的涡轮的效率和负荷。
[0043]在图3A-3D所示的发动机的实施例中，中间涡轮转子叶片和低压涡轮转子叶片是 交替的且相互反转的，为的是对流过涡轮的气流进行整流，在涡轮上没有安装低压涡轮定 子叶片或中间涡轮定子叶片，以便显著限制了发动机的尺寸和重量。
[0044]或者，如图4A-4D所示，发动机I的涡轮可以包括:一个或多个低压定子叶片11T， 其直接位于两个低压涡轮转子叶片10T，10T’之间，图4A-4D分别示出了图3A-3D所示实施 例的不同实施方式。有利地，低压涡轮定子叶片IlT的数量可对低压涡轮的预期负荷进行 参数确定，从而确定了刚性连接到低压芯轴30上的风扇的预期负荷。
[0045]为此，通过加装一个或多个低压定子叶片11T，可对涡轮的负荷和转速进行校准， 从而精确校准发动机的旁通比。
[0046]根据本发明，可获得传统三芯轴涡轮轴发动机的所有优点，同时限制发动机的长度和重量。有利的是，这种优化可以降低发动机的燃油消耗。
【权利要求】
1.用于推进飞机的燃气涡轮发动机，其包括:包括低压涡轮转子叶片(10T，10T’)的低 压芯轴(10)、包括中间涡轮转子叶片(20T，20T’)的中间芯轴(20)和包括高压涡轮转子叶 片(30T)的高压芯轴(30);气流从上游至下游流过发动机，该发动机的特征在于，在至少一 个中间涡轮转子叶片(20T，20T’)下游处由低压涡轮转子叶片(10T，10T’)直接跟随，以便 对由中间涡轮转子叶片(20T，20T’)偏转的气流进行整流。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，低压芯轴(10)和中间芯轴(20)是相互 反转的。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于，在至少一个高压涡轮转子叶片 (30T)下游处由中间涡轮转子叶片(20T，20T’)直接跟随，以便对高压涡轮转子叶片(30T) 所偏转的气流进行整流。
4.根据权利要求1至3任一项所述的发动机，其特征在于，高压芯轴(30)和中间芯轴(20)是相互反转的。
5.根据权利要求1至4任一项所述的发动机，其特征在于，低压涡轮转子叶片 (10T, 10T’)在给定方向上径向延伸，中间涡轮转子叶片(20T，20T’)在相反方向径向延伸。
6.根据权利要求1至5任一项所述的发动机，其特征在于，在每个中间涡轮转子叶片 (20T，20T’)下游处由低压涡轮转子叶片(10T，10T’)直接跟随，以便对由中间涡轮转子叶 片(20T，20T’)所偏转的气流进行整流。
7.根据权利要求1至6任一项所述的发动机，其特征在于，在所述低压涡轮转子叶片 (10T, 10T’ )的下游处由另一个中间涡轮转子叶片(20T，20T’ )直接跟随，以便对所述低压 涡轮转子叶片(10T，10T’ )所偏转的气流进行整流。
8.根据权利要求1至7任一项所述的发动机，其特征在于，在多个低压涡轮转子叶片 (10T, 10T’ )的下游处由中间涡轮转子叶片(20T，20T’ )直接跟随，以便对多个低压涡轮转 子叶片(10T，10T’ )所偏转的气流进行整流。
9.根据权利要求1至7任一项所述的发动机，其特征在于，在至少一个低压涡轮转子 叶片(10T，10T’)的下游处由低压涡轮定子叶片(IlT)直接跟随，以便对低压涡轮转子叶片 (10T, 10T’ )所偏转的气流进行整流。
【文档编号】F02K3/06GK103562518SQ201280026730
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2011年5月31日
【发明者】飞利浦·查纳兹, 拉明·姆本格 申请人:斯奈克玛