CN103032173A - 用于燃气涡轮发动机的保形入口装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的保形入口装置。一种用于燃气涡轮发动机的入口装置包括：适于包围至少一排旋转的风扇叶片的风扇导管，该风扇导管具有圆形的前区，并且限定了第一入口平面；以及包围风扇导管的外部导管，该外部导管包括：在第一入口平面处的第一前区形状，其与风扇导管的外部以协作的方式限定了空气可从中穿过的至少一个瓣区；以及在沿轴向位于前端下游的第二入口平面处的第二前区形状，其是圆形的，并且其与风扇导管的外部以协作的方式限定了空气可从中穿过的环状空间。

Description

用于燃气涡轮发动机的保形入口装置

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地说，涉及用于这样的发动机的入口导管。

背景技术

已知从航空器的燃气涡轮发动机提取引气(bleed air)以便执行辅助功能，诸如襟翼吹气(flap blowing)、边界层控制、推力矢量、升力增强以及航空器中的排气冷却。该航空器通常要求引气流和压力水平保持基本上恒定，即使发动机推力可变化超过最大值的大约20%到100%的范围－取决于飞行的阶段。

供应引气、同时保持推力水平的一种已知的方法是将“FLADE”级(FLADE是“叶片上的风扇”(fan on blade)的缩写)结合到涡轮风扇发动机的传统风扇中。FLADE级的每个叶片包括从传统风扇叶片的尖端延伸的外部风扇叶片。将外部风扇叶片设置在包围传统风扇导管的外部导管内。

在现有技术的设计中，使用同环(co-annular)的圆形导管将空气从发动机的机身一体化平面(AIP)供应给FLADE级的入口。在大多数情况下，当主风扇以其设计的最大推力水平运行时，使用可变的入口导叶(IGV)调整FLADE风扇以便保持流速远低于设计的最大值。与相同总气流大小的传统涡轮风扇发动机将需要的(入口直径)相比，这些构件之间的操作的不同驱使更大的入口直径。在正在设计新的飞行器(vehicle)的情况下，这种更大的直径转化为总的飞行器的大小和成本。在存在固定的安装/机身的情况下，这种更大的直径可阻止具有FLADE风扇级的发动机的利用。

如果实施圆形的入口环状空间约束，可用来实现类似直径改进的唯一剩下的参数将会是主风扇的半径比的减少或风扇设计的比气流(specific airflow)的增加。风扇比流的增加将会显著并且负面地影响风扇的性能。主风扇半径比的降低将会要求超过已经在使用的现有技术水平的机械设计的显著进步。

因此，存在对于这样的燃气涡轮发动机入口装置的需要：其在传统的大小限制内容纳FLADE级。

发明内容

本发明解决了该需要，本发明提供了用于燃气涡轮发动机的入口装置，其具有由对FLADE级进行供给的外部导管包围的用于传统风扇的圆形导管。外部导管的前端是非圆形的，并且限定了适于使空气流到FLADE级而同时保持外部尺寸与常规发动机相同的瓣区(lobe)。

根据本发明的一方面，用于燃气涡轮发动机的入口装置包括：适于包围至少一排旋转的风扇叶片的风扇导管，风扇导管具有圆形的前区，并且限定了第一入口平面；以及包围风扇导管的外部导管。该外部导管包括：在第一入口平面处的第一前区形状，其是非圆形的，并且其与风扇导管的外部以协作的方式限定了空气可从中穿过的至少一个瓣区；以及在沿轴向位于前端下游的第二入口平面处的第二前区形状，其是圆形的，并且其与风扇导管的外部以协作的方式限定了空气可从中穿过的环状空间。

根据本发明的另一方面，一种燃气涡轮发动机包括：可操作以便产生加压的燃烧气体流的涡轮机芯部；低压涡轮机轴，其可操作以便由芯部驱动并且包括沿轴向设置在芯部上游的风扇，该风扇包括至少一排旋转的风扇叶片；包围风扇叶片的风扇导管，风扇导管具有圆形的前区，并且限定了第一入口平面；以及呈翼型件圈的形式、被风扇机械地驱动并且设置在包围风扇导管的外部导管中的补充风扇。外部导管包括：在第一入口平面处的第一前区形状，其与风扇导管的外部以协作的方式限定了空气可从中穿过而进入到外部导管中的至少一个瓣区；以及在沿轴向位于第一入口平面下游的第二入口平面处的第二前区形状，其是圆形的，并且其与风扇导管的外部以协作的方式限定了空气可从中穿过而到达补充风扇的环状空间。

附图说明

通过参考结合附图的图而得到的随后的描述，可最好地理解本发明，其中：

图1是燃气涡轮发动机的示意性截面图，燃气涡轮发动机包括根据本发明构造的入口装置；

图2是图1的发动机的一部分的前视正视图；

图3是沿着图2的线3-3得到的截面图；

图4是沿着图2的线4-4得到的截面图；

图5是在图1中示出的发动机的一部分的透视图；

图6是备选入口装置的前视正视图；

图7是沿着图6的线7-7得到的截面图；以及

图8是沿着图6的线8-8得到的截面图。

具体实施方式

参考附图，其中，贯穿各个视图，相同的参考标号指代相同的元件，图1示出了示范性的燃气涡轮发动机的一部分，大体标示为10。发动机10具有纵向的中心线或轴线A，以及关于轴线A同心地并且沿着轴线A同轴地设置的外部固定环形外壳12。发动机10具有风扇14、压缩机16、燃烧器18、高压涡轮20以及以串行流动关系布置的低压涡轮22。在操作中，来自压缩机16的加压空气与燃料在燃烧器18中混合并且点燃，因此产生了加压的燃烧气体。通过经由外轴杆24驱动压缩机16的高压涡轮20从这些气体中提取一些功。燃烧气体然后流到低压涡轮22中，其经由内轴杆26驱动风扇14。风扇14、内轴杆26以及低压涡轮22被共同视为“低压轴”或者“LP轴”的部分。

风扇排放物的一部分流过压缩机16、燃烧器18以及高压涡轮20，它们共同被称为发动机10的“芯部”28。风扇排放物的另一部分流过包围芯部28的环形旁路导管30。示出的风扇14包括(以流的顺序)：一排不旋转的风扇入口导叶或者“IGV”32、第一级旋转的风扇叶片34、一排不旋转的级间静叶36以及第二级旋转的风扇叶片38。旋转的风扇叶片34和38被风扇导管39包围。根据现有技术的实践，风扇导管39在正视图中是圆形的，并且紧密地围绕(circumscribe)风扇叶片34和38的尖端，以便在发动机的运转期间最小化来自穿过它们逸出的气流的损失。风扇导管39可为传统风扇壳体的一部分或与传统风扇壳体是一体的。风扇导管39的前端限定了与上面所描述的AIP重合的第一入口平面“P1”。

入口导叶32可具有它们相对于气流的攻角(angle of attack)，以及它们的通过使用已知类型的促动器40选择性地改变的开口通流面积。可选地，级间静叶36可具有它们相对于气流的攻角，以及它们的通过使用已知类型的促动器42选择性地改变的开口通流面积。风扇IGV32和级间静叶36共同称为风扇的定子组件。

发动机10还包括补充风扇，其被称为呈翼型件圈的形式、自环形围罩46沿径向向外延伸并且被风扇14驱动的“FLADE”级44(在这种情况下，第二级36)。FLADE级44位于外部导管48中。外部导管48的前部包围风扇导管39，并且在下面更详细地描述。与风扇14的流束(flow stream)相比，FLADE级44以不同的流量和压力比提供了额外的流束。取决于最终的风扇和FLADE压力比选择，还可使用可能在多于一个风扇叶片上具有FLADE级的其它风扇级数量。将FLADE级流的大小设置为以便提供足够的引气压力和流，以用于已知类型(未示出)的所选择的航空器的引气驱动的系统。由促动器52操作的一排角度可变的FLADE入口导叶50可在打开位置和关闭位置之间移动，以便改变穿过FLADE级44的流量。

外部导管48包括将流引到航空器引气系统的一个或多个引气出口54。还可提供引气阀56来选择性地关闭引气出口54，并且引导FLADE级的流向下游穿过外部导管48。

排气导管58设置在芯部28的下游，并且接收来自芯部28和旁路导管30两者的混合的空气流。混合器60(例如，瓣式的或者斜槽式的混合器)设置在芯部28和旁路导管30流束的结合处，以便促进两束(流)的高效的混合。可选地，来自外部导管48的FLADE级的流可与芯部或者旁路流束混合。

现在将参考图2-5更详细地描述外部导管48的前部。如上面所提到的，外部导管48包围风扇导管39。外部导管48具有与第一入口平面P1重合的前端49。第二入口平面“P2”沿轴向限定在第一入口平面P1的下游，并且正好在FLADE级44的上游。虽然使用带有FLADE级的发动机作为示例描述了本发明，本发明的原理同样可适用于具有同环流束的其它发动机结构。

沿着位于第一入口平面P1中的至少一根轴线，外部导管48的前端49的前区形状比风扇导管39的前端的前区形状明显更大，而沿着位于第一入口平面P2中的至少一根其它轴线，（前端49的前区形状）被约束至与风扇导管39大致相同的尺寸。在图2-5中示出的示例中，外部导管48具有带有凸的圆角的大体为方形的前区，该形状通过具有通过凸的弯曲70互相连接的相对的左边缘62和右边缘64以及相对的上边缘66和下边缘68来限定。在示出的特定示例中，各个边缘62、64、66和68在单一的时钟位置(例如12点，3点，6点和9点位置)处相切于风扇导管39的圆形形状。因此，在那些时钟位置处，外部导管48的前端49的通流面积为零。在风扇导管39的外部和各个弯曲70之间限定的开口区域代表空气可流过其中的瓣区72。作为选择，可提供一些开口区域包围风扇导管39的整个圆周。换句话说，在第一入口平面P1处瓣区72可彼此隔离，或者在第一入口平面P1处它们可彼此互相连接。

在第二入口平面P2处，外部导管48的前区在正视图中是圆形的，并且紧密地围绕FLADE级44的叶片的尖端。在第一入口平面P1和第二入口平面P2之间，外部导管48渐缩，并且从前端形状转变成FLADE入口形状，或者换句话说，瓣区72逐渐消失(沿轴向从前到后移动，混合成圆形的形状)，使得在第二入口平面P2处在外部导管48和风扇导管39之间限定了环状空间。在图4和图5中最好地看出该渐缩。特别指出的是，从非圆形转变成圆形发生在第一入口平面P1的尾部，并且还可提供FLADE级的流需要的额外的通流面积，同时保持至少一个尺寸基本上相同，好像FLADE级44是不存在的一样(即在第一入口平面P1处的总的发动机尺寸超过风扇导管39仅增加了外部导管48的壁厚)。

在示出的实例中，外部导管48的前部通过入口转接器80限定。入口转接器80是单独的构件，其具有与第一入口平面P1重合的前端，以及后端，该后端包括环形的沿径向向外延伸的凸缘82，使得该凸缘可被联接到位于外部导管48剩余部分的前端处的匹配的凸缘84。凸缘82和84可永久地或可拆卸地彼此连结。如本文所使用的，术语“永久地连结”意指在发动机10的正常寿命期间不会以正常以及合理的方式意图被分离的装置和方法，例如焊接或者粘结。如本文所使用的，术语“可拆卸地连结”意指意图在发动机10的正常寿命期间分离的装置和方法(例如，螺纹紧固件或者机械互锁连结)。外部导管48在入口转接器80和该外部导管48的剩余部分之间的结合平面处在正视图中是圆形的。通过仅仅提供不同的入口转接器80，此结构允许单个基本的发动机10在发动机10的结构没有大的改变的情况下与不同的机身结构配合。

图6-8示出了用于与发动机10一起使用的备选的外部导管148的前部。外部导管148与上面描述的外部导管48在构造上相似，但具有不同的形状。它具有与第一入口平面P1重合的前端149。

在图6-8中示出的示例中，外部导管148具有大体上为椭圆的前区。椭圆短轴(minor axis)的顶点162在12点钟和6点钟位置处接触风扇导管39的圆形形状。在那些时钟位置处，外部导管148的前端149的通流面积为零。因此，在那些时钟位置处，外部导管148的前端149的通流面积为零。椭圆长轴(major axis)的顶点164与风扇导管39的外部间隔开，使得空气可从中流过的瓣区172限定在风扇导管39和外部导管148之间，例如在3点钟位置和9点钟位置处。作为选择，可提供围绕风扇导管39整个圆周的一些开口区域。换句话说，瓣区172在第一入口平面P1处可彼此隔离，或者在第一入口平面P1处它们可彼此互相连接。

在第二入口平面P2处，外部导管148的前区在正视图中是圆形的，并且紧密地围绕FLADE级44的尖端。在第一入口平面P1和第二入口平面P2之间，外部导管148渐缩，并且从前端形状转变成FLADE入口形状，或者换句话说，瓣区172逐渐消失(沿轴向从前到后移动，混合成圆形的形状)，使得在第二入口平面P2处在外部导管148和风扇导管39之间限定了环状空间。在图8中最好地看出该渐缩。特别指出的是，从非圆形转变成圆形发生在第一入口平面P1的尾部，并且还可提供FLADE级的流需要的额外的通流面积，同时保持至少一个尺寸基本上相同，好像FLADE级44是不存在的(即在第一入口平面P1处的总发动机尺寸超过风扇导管39仅增加了外部导管148的壁厚度)。

虽然上面已经描述了在第一入口平面P1处的两种特定的前区形状的示例，可使用外部导管的、与风扇导管协作而限定了至少一个瓣区的任何形状或者结构。作为示例，瓣区可通过使用彼此不同心的两个同样的形状(例如两个圆形的区域，一个自另一个横向地偏移)限定。可在第一入口平面处根据需要提供任意数量、形状或者布置的瓣区，以便适合特定的实施例。

与现有技术相比，本文所描述的入口导管装置具有若干好处。它允许机身采用具有固定高度、固定宽度的混流涡轮风扇(“MFTF”)发动机通道的现有机身/发动机组合，并且用具有相同风扇高度和宽度的FLADE级的发动机对该MFTF发动机进行改型。随着发动机的骨架开始收缩成颈状，可从发动机舱的侧面或者角落牵拉FLADE流，并且然后使其改变方向到圆周型式的进一步的尾部。备选地，如果正在设计新的机身，对于给定的发动机的流量，与传统的圆柱形的入口相比，本发明允许机身制造者(airframer)减少需要的飞行器的总体尺寸。减小的尺寸导致降低的机身重量、阻力和成本。

前面已经描述了用于燃气涡轮发动机的入口导管装置。虽然已经描述了本发明的特定实施例，但对本领域技术人员将显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可对它做出各种修改。因此，提供本发明的优选实施例的上述描述和用于实践本发明的最佳模式来仅用于说明的目的，而不是用于限制的目的，本发明由权利要求限定。

Claims (12)

1.一种用于燃气涡轮发动机的入口装置，包括：

适于包围至少一排旋转的风扇叶片的风扇导管，所述风扇导管具有圆形的前区，并且限定了第一入口平面；以及

包围所述风扇导管的外部导管，所述外部导管包括：

在所述第一入口平面处的第一前区形状，其与所述风扇导管的外部以协作的方式限定了空气能够从中穿过的至少一个瓣区；以及

在沿轴向位于所述第一入口平面端下游的第二入口平面处的第二前区形状，其是圆形的，并且其与所述风扇导管的外部以协作的方式限定了空气能够从中穿过的环状空间。

2.根据权利要求1所述的入口装置，其特征在于，所述瓣区在所述第一入口平面彼此隔离。

3.根据权利要求1所述的入口装置，其特征在于，所述外部导管的第一前区形状为具有通过凸的曲线弯曲互相连接的线性边的矩形形式。

4.根据权利要求1所述的入口装置，其特征在于，所述外部导管的第一前区形状为椭圆。

5.根据权利要求1所述的入口装置，其特征在于，所述外部导管包括：

限定所述第一前区形状和第二前区形状的入口转接器；以及

可拆卸地联接到所述入口转接器的尾部部分。

6.根据权利要求5所述的入口装置，其特征在于，所述入口转接器和所述外部导管的尾部部分通过匹配的凸缘连结。

7.一种燃气涡轮发动机，包括：

可操作以便产生加压燃烧气体流的涡轮机芯部；

可操作以便被所述芯部驱动、并且包括沿轴向设置在所述芯部上游的风扇的低压涡轮机轴，所述风扇包括至少一排旋转的风扇叶片；

包围所述风扇叶片的风扇导管，所述风扇导管具有圆形的前区，并且限定了第一入口平面；以及

补充风扇，其呈翼型件圈的形式，被所述风扇机械地驱动，并且设置在包围所述风扇导管的外部导管中，其中，所述外部导管包括：

在所述第一入口平面处的第一前区形状，其与所述风扇导管的外部以协作的方式限定了空气能从中穿过而进入到所述外部导管中的至少一个瓣区；以及

在沿轴向位于所述第一入口平面下游的第二入口平面处的第二前区形状，其是圆形的，并且其与所述风扇导管的外部以协作的方式限定了空气能从中穿过而到达所述补充风扇的环状空间。

8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述外部导管的瓣区在所述第一入口平面处彼此隔离。

9.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述外部导管的第一前区形状为具有通过凸的曲线弯曲互相连接的线性边的矩形形式。

10.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述外部导管的第一前区形状为椭圆。

11.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述外部导管包括：

限定所述第一前区形状和第二前区形状的入口转接器；以及

可拆卸地联接到所述入口转接器的尾部部分。

12.根据权利要求11所述的入口装置，其特征在于，所述入口转接器和所述外部导管的尾部部分通过匹配的凸缘连结。

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