具有旋流器的涡轮发动机的制作方法

涡轮发动机，特别是燃气涡轮发动机或燃烧涡轮机，是从穿过发动机到达多个旋转的涡轮机叶片上的燃烧气体流中提取能量的旋转式发动机。

燃气涡轮发动机利用主流来驱动旋转的涡轮机叶片以产生推力。主流由气体的燃烧推动以增加由发动机产生的推力。气体的燃烧在发动机内产生了过高的温度，从而需要冷却。这种冷却能够通过从主流中提供空气并旁路燃烧室而实现。

旁路燃烧室的空气以基本上轴向流的形式移动。为了使基本上轴向流在其与旋转的转子接触时的损失最小化，诸如诱导轮(inducer)的旋流器可使旁路流转向以具有切向分量。切向地移动的气流减小了与旋转的转子相关联的损失，然而，其会在发动机内产生简谐振动，进而可能发生共振。这种简谐激励与高压涡轮机问题有关。

技术实现要素：

在一个方面中，实施例涉及一种涡轮发动机，涡轮发动机包括发动机核心部，发动机核心部具有呈轴向布置的压缩机部段、燃烧室部段和涡轮机部段并限定发动机中心线，并且发动机核心部被可操作地分离成关于中心线固定的定子和能够绕中心线旋转的转子。涡轮发动机进一步包括第一旋流器和第二旋流器，第一旋流器设置于定子上以便引起穿过发动机核心部的气流的旋转，并且第二旋流器设置于转子上，第二旋流器位于旋流器下游并与旋流器流体连通以便减小来自旋流器的气流的转速。

在另一个方面中，实施例涉及一种涡轮发动机，涡轮发动机包括呈轴向布置的压缩机部段和涡轮机部段并限定定子和转子。第一旋流器通过定子设置为用于引起气流的旋转，并且第二旋流器通过转子设置于旋流器下游以便改变由第一旋流器提供的气流的转速。

在另外一个方面中，实施例涉及一种使涡轮发动机内的流体涡旋的方法，上述方法包括使来自涡轮发动机的静止部分的流体以大于涡轮发动机的转子部分的转速的速度涡旋进入转子部分以限定第一涡旋流；以及使转子部分的内部中的第一涡旋流去旋以保持高压涡轮机的第一级处的预定的切向马赫数。

附图说明

在附图中：

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。

图2是图1的涡轮发动机的一部分的放大图，其示出了燃气涡轮发动机的定子中的第一旋流器和燃气涡轮发动机的转子中的第二旋流器。

图3是图2的第一旋流器和第二旋流器的视图，其中，多个孔隙设置于第一旋流器与第二旋流器之间。

图4是图2的第二旋流器的透视图。

图5是图2的第二旋流器的侧视图。

图6是示出了从第二旋流器穿过的气流的旋流器部段的侧视图。

图7是示出了在不存在图2的第二旋流器的情况下由涡轮发动机产生的声振动的图。

图8是示出了利用位于第一旋流器下游的、图3的第二旋流器的被去除的声振动的图。

具体实施方式

本发明的所说明的实施例针对旋流器，其在发动机的涡轮机部段的前部安装至涡轮发动机的转子用于减小被提供至涡轮机部段的第一级的流体的转速。为了进行图示，本公开将关于用于飞行器燃气涡轮发动机的涡轮机进行说明。然而，将会理解，本发明不限于此并且其在发动机(包括压缩机)中以及非飞行器应用中可具有一般适用性，诸如其他移动应用以及非移动的工业、商业和住宅应用中。

本文中使用的术语“向前”或“上游”指代沿朝向发动机入口的方向移动，或与另一部件相比相对更靠近发动机入口的部件。与“向前”或“上游”结合使用的术语“向后”或“下游”指代相对于发动机中心线朝向发动机的后部或出口的方向。

附加地，本文中使用的术语“径向”或“径向地”指代在发动机的中心纵向轴线与发动机外周之间延伸的维度。

所有的方向性的关系(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶部、底部、上方、下方、竖向、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、向后等)仅用于识别的目的以帮助读者理解本发明，并不产生限制、特别是不对本发明的位置、取向、或用途产生限制。连接关系(例如，附接、联接、连接、或连结)可以做广义的解释，并且，除非明确说明，能够在元件的连接之间包括中间构件并在元件之间包括相对运动。因此，连接关系并不必然推断出两个元件直接并以固定的关系互相连接。示例性的附图仅是为了进行说明，在下文所附的附图中反映的尺寸、位置、顺序以及相对的大小可以变化。

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有从前部14延伸至后部16的大体纵向延伸的轴线或中心线12。发动机10包括呈顺流串行流的关系(indownstreamserialflowrelationship)的风扇部段18、压缩机部段22、燃烧部段28、涡轮机部段32和排气部段38，其中，风扇部段18包括风扇20，压缩机部段22包括增压或低压(lp)压缩机24和高压(hp)压缩机26，燃烧部段28包括燃烧室30，涡轮机部段32包括hp涡轮机34和lp涡轮机36。

风扇部段18包括包围风扇20的风扇外壳40。风扇20包括绕中心线12径向地设置的多个风扇叶片42。hp压缩机26、燃烧室30和hp涡轮机34形成发动机10的核心部44，核心部44生成燃烧气体。核心部44由核心部外壳46包围，核心部外壳46能够与风扇外壳40联接。

绕发动机10的中心线12同轴地设置的hp轴或轴芯48将hp涡轮机34驱动地联接至hp压缩机26。在具有较大直径的环形hp轴48内绕发动机10的中心线12同轴地设置的lp轴或轴芯50将lp涡轮机36驱动地联接至lp压缩机24和风扇20。

lp压缩机24和hp压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，在多个压缩机级52、54中，压缩机叶片56、58构成的组相对于对应的静止的压缩机轮叶60、62(也被称为喷嘴)构成的组旋转以对穿过上述级的流体气流进行压缩或加压。在单个级52、54中，多个压缩机叶片56、58能够被设置成呈环的形式并且能够相对于中心线12从叶片缘板至叶片尖端径向向外地延伸，而对应的静止的压缩机轮叶60、62定位于旋转叶片56、58的上游并与旋转叶片56、58相邻。应当注意，图1中示出的叶片、轮叶和压缩机级的数量仅是为了进行图示而选，其他数量也是可能的。

用于压缩机级的叶片56、58能够安装至轮盘59，轮盘59安装至hp轴芯48和lp轴芯50中对应的一者，每一级均具有其自身的轮盘59、61。用于压缩机级的轮叶60、62能够以周向布置安装至核心部外壳46。

hp涡轮机34和lp涡轮机36分别包括多个涡轮机级64、66，在多个涡轮机级64、66中，涡轮机叶片68、70构成的组相对于对应的静止的涡轮机轮叶72、74(也被称为喷嘴)构成的组旋转以从穿过上述级的流体气流进行中提取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮机轮叶72、74能够被设置成呈环的形式并且能够相对于中心线12径向向外地延伸，而对应的旋转的叶片68、70定位于静止的涡轮机轮叶72、74的下游、与静止的涡轮机轮叶72、74相邻并且也能够相对于中心线12从叶片缘板至叶片尖端径向向外地延伸。应当注意，图1中示出的叶片、轮叶和涡轮机级的数量仅是为了进行图示而选，其他数量也是可能的。

用于涡轮机级的叶片68、70能够安装至轮盘71，轮盘71安装至hp轴芯48和lp轴芯50中对应的一者，每一级均具有其自身的轮盘71、73。用于压缩机级的轮叶72、74能够以周向布置安装至核心部外壳46。

发动机10的安装至轴芯48、50中任一者或二者并与其一同旋转的部分也被单独或共同称为转子88。发动机10的静止部分，包括安装至核心部外壳46的部分，也被单独地或共同地称为定子92。

运行时，离开风扇部段18的气流被分流使得一部分气流被引导至lp压缩机24内，lp压缩机24之后将加压的环境空气76供给至hp压缩机26，hp压缩机26进一步对环境空气进行加压。来自hp压缩机26的加压空气76与燃烧室30中的燃料混合并被点燃，由此生成燃烧气体。由hp涡轮机34从这些气体中提取一些功，这些功驱动hp压缩机26。燃烧气体被排放至lp涡轮机36内，lp涡轮机36提取额外的功以驱动lp压缩机24，并且废气最终从发动机10中经由排气部段38排放。lp涡轮机36的驱动对lp轴芯50进行驱动以使风扇20和lp压缩机24旋转。

气流78的其余部分旁路lp压缩机24和发动机核心部44并经静止轮叶列，更特别地经风扇排出侧84处的出口导向轮叶组件80离开发动机组件10，出口导向轮叶组件80包括多个翼型件导向轮叶82。更具体地，径向延伸的异形件导向轮叶82的周向列被用在风扇部段18的附近以对气流78施加一些方向性控制。

由风扇20供给的一些环境空气能够旁路发动机核心部44并且能够被用于发动机10的一些部分，尤其是热的部分的冷却，并且/或用于冷却飞行器的其他方面或向飞行器的其他方面提供动力。在涡轮发动机的背景下，发动机的热的部分通常是燃烧室30和位于燃烧室30下游的部件，尤其是涡轮机部段32，其中，hp涡轮机34是最热的部分，因为它是燃烧部段28的直接下游。其他冷却流体源可以是，但不限于，从lp压缩机24或hp压缩机26中排放的流体。这种流体可以是排出空气77，其可以包括从lp压缩机24或hp压缩机26中抽出的空气，上述空气旁路燃烧室30作为用于涡轮机部段32的冷却源。这是一种常见的发动机配置，并不意在限制。

转子88包括发动机核心部44的所有的旋转的元件，诸如hp轴芯48、轮盘71、叶片56、58、68、70以及非限制示例中的任意其他旋转的零件。这些可旋转的零件一般用于驱动旋转的叶片68以便移动一定体积的空气穿过发动机10。

定子92包括发动机核心部44的不旋转的元件，诸如支承轮叶62、安装件、以及非限制示例中的其他非旋转元件。

应当理解，压缩机部段22、燃烧部段28和涡轮机部段32的一些元件形成了转子88并且压缩机部段22、燃烧部段28和涡轮机部段32的其他元件形成了定子。定子92能够与转子88互补，进而在转子88的旋转元件附近定位非旋转元件以便有效地提供由发动机核心部44驱动的空气流。

发动机10进一步包括旋流器部段86。旋流器部段86能够设置于压缩机部段22与涡轮机部段32之间，并被馈送有旁路燃烧室30的流体流。旋流器部段86引起流体流的涡旋。

图2示出了旋流器部段86的放大图。可旋转轴90，其可以是高压涡轮机轴，联接至最前部的轮盘71并且能够在发动机运行期间与轮盘71一起旋转。轴90在轮盘71附近限定了旁路室91。旋流器部段86包括第一密封件94和第二密封件96。定子92在第一密封件94和第二密封件96处与转子88会合。

第一旋流器98设置于第一密封件94与第二密封件96之间。第一旋流器98安装至定子92并且是非旋转的。第一旋流器98引起穿过第一旋流器98的气流，诸如旁路气流，的旋转。第一旋流器98的第一示例可以是具有多个固定轮叶的环以使气流从基本上轴向转向为包括切向分量。第一旋流器98的另一示例可以是诱导轮，其具有多个专用流动路径以使穿过诱导轮的气流转向。

应当理解，由第一旋流器98生成的涡旋气流既是周向气流也是轴向气流，其绕发动机10周向地通过同时沿向后的方向轴向移动。涡旋气流可由气流的与旋转方向相切的分量表示，上述分量被称为切向气流，切向气流能够被量化为指示由第一旋流器98生成的气流的转速的切向马赫数(tangentialmachnumber)。这一马赫数是涡旋空气中声速的函数。此外，切向马赫数可以是上述流与发动机中心线的径向距离的函数。

第二旋流器100设置于第一旋流器98的下游并且与第一旋流器98流体连通。第二旋流器100安装至转子88并且是旋转元件。更具体地，第二旋流器100能够安装至hp轴芯48以绕发动机中心线12旋转。第二旋流器100与第一旋流器98通过轴90分离。多个孔隙102可设置于第一旋流器98与第二旋流器100之间的轴90中。第一旋流器98与第二旋流器100经孔隙102流体连通。第二旋流器100在来自第一旋流器98的气流进入旁路室91时减小来自第一旋流器98的气流的切向马赫数或转速。

在一个特定示例中，第二旋流器100可以是去旋器(deswirler)，因为去旋器减小穿过第二旋流器100的气流的切向马赫数或转速。可替代地，第二旋流器100可以是类似于第一旋流器98的旋流器，进而增加移动穿过第二旋流器100的气流的切向马赫数或转速。

参照图3，第一旋流器98包括多个周向间隔开的静止的轮叶110。轮叶110将气流从沿轴向方向转向为使气流具有轴向分量和切向分量。第一旋流器98的下游有轴90，使孔隙102周向地布置于轴90上，进而使得第一旋流器98流体联接至第二旋流器100。孔隙102的横截面面积以及孔隙102的数量可被用于选择性地控制从第一旋流器98提供至第二旋流器100的气流速率。第一密封件94设置于第一旋流器98下方，进而在旋转轴90与第一旋流器98之间的连结处对气流进行密封。

现参照图4，第二旋流器100包括内部带120和外部带122。内部带120能够安装至hp轴芯48以使第二旋流器100旋转，而外部带122能够提供第二旋流器100的径向外部端面。多个周向间隔开的叶片124安装内部带120与外部带122之间。叶片124能够，诸如通过焊接，安装至带120、122，或能够与带120、122，诸如在一个非限制示例中通过铸造，一体地形成。

叶片124可以呈盘状，其是平坦的并且是线性的，进而在每个相邻的叶片124之间限定多个线性通路126。叶片124在叶片与内部带120和外部带122之间的连结处可进一步包括诸如倒圆角128的成圆形的角部。叶片124以一角度设置使得第二旋流器100的旋转对穿过第二旋流器100的气流施加切向速度。通过改变叶片124的数量和叶片124的倾向(disposition)，可以控制由叶片124提供的气流的切向马赫数。

可替代地，叶片124可以是非线性的。这种叶片124可以呈弧形或者是弯曲的以减小穿过第二旋流器100的气流的转速。这种取向可以基于第二旋流器100的转速是有利的，在这种情况下线性的叶片可能效率较低。在另一示例中，叶片124不必是平坦的或盘状的，在一个非限制示例中其可以成翼型形状，进而进一步改进效率。

现参照图5，使用平坦的、线性的叶片124作为示例，叶片124可以以一角度设置以确定穿过第二旋流器100的气流的切向速度分量。叶片轴线140可以沿线性叶片124被纵向地限定。叶片角142可以由叶片轴线140相对于发动机中心线12而限定。叶片角142可介于30度和75度之间，诸如非限制示例中的60度，也可以考虑更大范围的角度。

应当理解，叶片角142可使叶片124取向成使穿过第二旋流器100的空气流去旋，从而使第二旋流器100用作为去旋器。使空气流去旋减小了穿过第二旋流器100的空气的切向速度。叶片角142可适于实现穿过第二旋流器100的空气的特定的切向速度。例如，以约30度的角度放置叶片124可以显著地减小穿过用以作为去旋器运行的第二旋流器100的空气的切向速度。在另一示例中，以约60度的角度放置叶片可以仅略微减小移动穿过也用作为去旋器的第二旋流器100的空气的切向速度。还可以预期，第二旋流器100可以增加气流的切向速度。例如，以约75度的叶片角142成角度地放置叶片124可以增加穿过第二旋流器100的气流的切向速度分量，进而作为位于第一旋流器98下游的旋流器运行。因此，应当理解，可以预期的是第二旋流器100可以根据叶片角142而增加或减小穿过第二旋流器100的气流的切向速度。

将关于图6对涡轮发动机10的运行、尤其是第一旋流器98和第二旋流器100的运行进行说明，图6示出了旁路燃烧室30的空气流能够作为旁路气流150被提供至第一旋流器98。旁路气流150能够沿基本上轴向的方向移动。旁路气流150穿过第一旋流器98并且转向，进而具有周向分量和轴向分量二者而成为涡旋气流152。涡旋气流152可绕发动机中心线12周向地涡旋从而限定切向马赫数。涡旋气流152的切向马赫数是空气中声速的函数，其与气流的旋转方向相切而被限定。在一个示例中，涡旋气流152的切向速度可比转子88的周向速度高约两倍。类似地，例如，由第一旋流器98引起的切向速度可以介于转子88的转速的80％和300％之间。

涡旋气流152可由轴90分离为两个气流，即，hp涡轮机气流154和转子气流156。hp涡轮机气流154保持位于轴90的径向外侧，其被提供至hp涡轮机34(图1)的第一级诸如用于防止摄入(ingestion)热气或被用于发动机部件冷却。hp涡轮机气流154的这种转速需要较高的切向马赫数以保持适当的发动机效率用于与穿过发动机核心部44(图1)的主流气流相互作用或被提供至穿过发动机核心部的主流气流。

涡旋气流152的其余部分作为转子气流156穿过轴90中的孔隙102并被提供至第二旋流器100。第二旋流器100使涡旋的转子气流156的转速减小进而成为去旋气流158。可替代地，应当理解，第二旋流器100可进一步增加涡旋的转子气流156的转速。叶片124以特定的叶片角142取向以使涡旋气流152转向，以减小或控制涡旋气流152的切向马赫数进而成为去旋气流158。去旋气流158包括涡旋气流切向速度分量以更接近转子88的转速。在一个示例中，去旋气流158可具有小于0.40的切向马赫数。在替代性的示例中，去旋气流158的切向马赫数可小于预定的阈值切向马赫数。阈值切向马赫数是基于发动机几何形状的已知值并且不依赖于转子88或特定发动机核心部44的转速。在一个非限制示例中这个阈值可以为0.40并且去旋气流158的切向马赫数通过第二旋流器100被减小为小于0.40。去旋气流158的这种转速的减小可以阻碍位于涡轮机部段32的第一级的轮盘71(图1)下方的旋涡哨并使声振动最小化。被阻碍的旋涡哨能量可被保持低于引起与发动机核心部44相互作用所必需的的阈值切向马赫数。

在另一示例中，叶片124可以较高的叶片角142，诸如75度，成角度地放置，并且可增加去旋气流158的切向速度，进而有效地成为涡旋式的气流158。例如，如果涡旋式的气流152以转子88速度的两倍移动，那么第二旋流器100，其叶片以约75度的角度放置，能够使去旋气流的切向速度增加为转子88的转速的约2.5倍，进而成为涡旋式的气流158。

由第一旋流器98提供的涡旋气流152使涡轮机部段32的第一级的与提供涡旋气流152相关的损失最小化。第二旋流器100使涡旋的气流152的转速减小进而作为去旋气流158被提供至高压涡轮机部段34的旋转轮盘71。在不使涡旋式的气流152去旋的情况下，涡旋气流152能够在轮盘71下方产生气流不稳定性进而成为声振动。现参照图7和图8，这两幅图表示出了这种声振动170。这些图表示出了在转子88的给定转速下、在旋流器部段86内所测得的频率。例如，在介于约7krpm和9.5krpm之间的转速下这种频率可被测得为介于约2.5k赫兹(hz)和3.7khz之间。

图7是在没有第二旋流器100的情况下的发动机核心部44的图示。由于涡旋式的气流152接触涡轮机部段34的第一级的轮盘71，由轮盘71产生了高频率的声振动170。这种声振动170能够导致旁路流的效率降低或者能够使受到气流不稳定性影响的发动机零件的使用寿命降低。因而，需要减小或消除这种气流不稳定性。转向图8，其示出了使用第二旋流器100的发动机核心部44的声谱，能够理解，在示例性的图表中去除了激励。因而，利用第二旋流器100能够增加轮盘71处的旁路流的效率以及附近部件的使用寿命。

应当理解，使用第二旋流器100减小切向马赫数在保持从第一旋流器98提供至hp涡轮机34的涡旋气流152的被提高的转速的同时减小了去旋气流158的切向速度。去旋气流158的这种速度的减小使气流不稳定性降低，气流不稳定性导致由涡旋气流152产生的简谐振动和潜在的共振，否则涡旋气流152接触诸如轮盘71(图2)的内部发动机部件，而同时继续提供合适的切向马赫数以保持将冷却气流提供至诸如旋转的叶片的下游部件所必需的的馈送压力。在一个特定示例中，将切向马赫数保持在阈值以下能够使诸如在第一级高压涡轮机轮盘71处形成的旋涡哨的在自然系统频率下发生的声振动、简谐振动或共振最小化或消除它们。

可以预期，一种使涡轮发动机10内的流体涡旋的方法可以包括使来自涡轮发动机10的静止部分，诸如定子92，的流体或气流以大于转子部分转速的速度涡旋进入涡轮发动机10的转子部分，诸如转子88。流体能够在第一旋流器98处形成涡旋而作为涡旋气流152被提供至转子部分。上述方法可进一步包括在足以保持高压涡轮机34处的预定的切向马赫数的情况下使流体去旋进入转子部分的内部。去旋可以通过第二旋流器100实现以减小由第一旋流器98提供的流体的切向马赫数。上述方法可包括减小流体的转速以预防诸如简谐振动的声振动，声振动能够激励转子部分的共振。这种预防可消除转子部分的旋涡哨的影响。

应当理解，过大的切向马赫数能够导致简谐振动或共振，诸如高压涡轮机34的旋转零件内的旋涡哨。这种共振例如可在高压涡轮机第一级的轮盘71处发生。利用第二旋流器100来使提供至高压涡轮机34的切向马赫数最小化可以减小或消除旋涡哨的影响以及由转子88内过大的切向马赫数导致的任意其他简谐振动的影响。最小化或消除旋涡哨或简谐振动能够延长高压涡轮机34和转子88的使用寿命同时减少整体维护。

应当理解，所公开设计的申请不限于具有风扇和增压部段的涡轮发动机，而是能够适用于涡轮喷气式发动机和涡轮发动机，以及利用涡旋气流的其他发动机。

本书面说明使用示例来公开本发明，包括最佳模式，也使用示例来使本领域任何技术人员都能够实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统并执行任何所包含的方法。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或如果他们包括与权利要求的字面语言具有非实质性差异的等效结构元件，这些其他示例意在落入权利要求的范围内。