CN112664320A - 燃气涡轮发动机增压器构造和操作方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机，包括：燃气涡轮发动机核心，燃气涡轮发动机核心具有处于串联关系的高压压缩机，燃烧器和高压涡轮；和燃气涡轮发动机核心上游的低压压缩机；其中，低压压缩机由变速动力源驱动，使得低压压缩机的旋转速度可独立于燃气涡轮发动机的任何涡轮的旋转速度而被控制。

Description

燃气涡轮发动机增压器构造和操作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年10月15日提交的临时申请序列号62/915,345的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本文描述的技术涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及用于这种发动机的低压“增压”压缩机。该技术在应用于用于飞行器推进的燃气涡轮发动机时特别有用。

背景技术

燃气涡轮发动机被广泛用作固定翼飞行器和旋翼飞行器的推进源，以及陆上和海上应用的动力源。涡轮风扇发动机的操作原理是，中央燃气涡轮核心驱动旁路风扇，该风扇位于发动机机舱和发动机核心之间的径向位置，从而使风扇在由机舱的内表面形成的“管道”内操作，而由风扇驱动的空气“绕过”中央燃气涡轮核心。相反，开放式转子推进系统的操作原理是，将旁路风扇置于发动机机舱的外部，换句话说，将其置于“非管道式”状态。与涡轮风扇发动机相比，这允许使用能够作用于更大空气量的更大的风扇叶片，从而与传统的管道式发动机设计相比提高了推进效率。涡轮轴发动机具有中央燃气涡轮核心，非常类似于涡轮风扇发动机，但是涡轮轴发动机的输出不是驱动风扇，而是将轴转矩提供给另一装置，例如齿轮箱，变速器，发电机，泵或其他装置。

除了燃气涡轮发动机核心的典型元件，即处于串联关系的高压(HP)压缩机，燃烧器和高压(HP)涡轮，许多燃气涡轮发动机还包括在HP压缩机上游的低压“增压”压缩机，该低压“增压”压缩机有助于提供预压缩空气源，以提高整体效率和动力输出。增压压缩机通常通过轴驱动，该轴又通过齿轮箱或变速器被HP涡轮，低压(LP)涡轮或中间(IP)涡轮直接或间接地驱动。

这种构造的增压压缩机相对于涡轮之一以固定的旋转速度被驱动，但是在操作中，燃气涡轮发动机可以在变化的动力设置，飞行速度，高度，温度和其他条件下被操作。在某些操作条件下，热效率以及进而燃料消耗可能会低于最优。

期望提供一种具有低压“增压”压缩机的燃气涡轮发动机，该低压“增压”压缩机可以被构造和操作以提供燃气涡轮发动机的改善的总体操作效率。

发明内容

一种燃气涡轮发动机，包括：燃气涡轮发动机核心，燃气涡轮发动机核心具有处于串联关系的高压压缩机，燃烧器和高压涡轮；和低压压缩机，低压压缩机在燃气涡轮发动机核心的上游；其中，低压压缩机由变速动力源驱动，使得低压压缩机的旋转速度可独立于燃气涡轮发动机的任何涡轮的旋转速度而被控制。

参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征，方面和优点。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与说明书一起解释了这些实施例。在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的示例性实施例的截面示意图，该燃气涡轮发动机例如是飞行器的涡轮风扇或开放式转子燃气涡轮发动机；

图2是结合了用于将动力从LP涡轮机传递到风扇的齿轮箱的图1的替代实施例的截面示意图；

图3是具有动力输出轴的燃气涡轮发动机的示例性实施例的截面示意图，该动力输出轴用于例如涡轮轴或涡轮螺旋桨发动机，或者更一般地，用作用于航空，船舶或陆上发电或推进应用的齿轮箱或发电机的输入轴；

图4是结合了用于使构造成驱动增压器的电动机运行的单独的电动机和能量存储装置的图1的替代实施例的截面示意图；

图5是包括发电机和电动机驱动的推进器的燃气涡轮发动机的示例性实施例的截面示意图；

图6是图5的替代实施例的截面示意图，其中机械驱动的风扇被电驱动的风扇代替；

图7是图5和图6的替代实施例的截面示意图，但包括齿轮箱；

图8是结合了动力分配/动力共享装置的图1的替代实施例的截面示意图；和

图9是燃气涡轮发动机的示例性实施例的截面示意图。

对应的附图标记在几个视图中指示对应的部分。本文阐述的示例示出了本公开的示例性实施例，并且这些示例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相同或相似的标记已经用于指代本发明的相同或相似的部分。

提供以下描述以使本领域技术人员能够制造和使用预期用于实现本发明的所描述的实施例。然而，对于本领域技术人员而言，各种修改，等同，变化和替代将保持显而易见。任何和所有这样的修改，变化，等同和替代旨在落入本发明的精神和范围内。

所有方向参考(例如，径向，轴向，近侧，远侧，上，下，向上，向下，左，右，侧向，前，后，顶部，底部，上方，下方，竖直，水平，顺时针，逆时针，上游，下游，向前，向后等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本发明，而不是产生限制，特别是对本发明的位置，取向或用途产生限制。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接，联接，连接和结合)应被广义地解释，并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对运动。这样，连接参考不必推断出两个元件直接连接并且彼此成固定关系。示例性附图仅出于说明的目的，所附附图中反映的尺寸，位置，顺序和相对大小可以变化。

除非另有说明，否则术语“联接”，“固定”，“附接到”等是指直接联接，固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接，固定或附接。

除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”，“一种”和“该”包括复数指代。

如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言被用于修改可以允许变化而不会导致与之相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由诸如“大约”，“近似”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指的是在2％，5％，10％或20％的范围内。

在此以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有指示，否则这样的范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围包括端点，并且端点可彼此独立地组合。

图1示出了燃气涡轮发动机10的示例性实施例的正视截面图。从图1可以看出，燃气涡轮发动机10具有核心20，该核心20包括处于串联关系的高压(HP)压缩机22，燃烧器24和高压(HP)涡轮26。HP涡轮26通过高压(HP)轴28驱动HP压缩机22。低压(LP)涡轮30通过低压(LP)轴32驱动具有多个风扇叶片36的风扇组件34。

在图1的构造中，燃气涡轮发动机10还包括HP电动机/发电机38，LP电动发电机40和低压“增压”压缩机42。增压器42由动力传递介质可旋转地驱动，该动力传递介质根据在各个操作阶段遇到的操作条件，以可变速度操作增压器42。传递介质可以是牵引驱动器，液压/气动装置，可变周转变速器或通过电力传递。因此，相对于HP或LP轴，增压器42不受固定速比的约束，因此增压器42能够以期望的任何旋转速度旋转，该旋转速度可以比HP或LP轴更快或更慢。

电动机/发电机38和40是电机，其可以是驱动构件，也可以是从动构件，这取决于系统中电力的流动方向。

增压器42可包括入口导向轮叶(IGV)，出口导向轮叶(OGV)和可变定子轮叶(VSV)。

在操作中，LP涡轮机可在高动力操作期间以较低的速度驱动增压器，而增压器可在巡航操作期间以较高的速度(超速)和操作线操作。在例如下降的低动力操作下，LP涡轮可以驱动核心。变速增压器42可被过驱动，使得巡航总操作压力比(OPR)可高于起飞/爬升顶部的OPR，从而显著提高了架构的热效率并提供了新的可变循环发动机特征。多种驱动机制是可能的。

如本文中所操作和描述的，增压器42可利用可变的下游门或喷嘴来促进巡航时较高的OPR/低物理流量操作。可选地，增压器42可以在三流发动机构造中排气到第三流，并且可选地可以在下降怠速期间反驱动核心。例如，在巡航时，可以达到80或更高的OPR。

可以实现在巡航时和下降期间的改进的燃料燃烧，并且可以减小发动机的尺寸和/或重量。其他改进，例如改进HP压缩机和增压器之间的工作分配，和/或降低复杂性(例如通过减少可变定子轮叶(VSV)的数量或消除可变定子叶片(VSV))，也是可能的。传递到增压器42的LP轴动力可在下降怠速/地面怠速期间通过液压，电气，牵引驱动，气动ADM，闭环CO2流体动力传递，变矩器/流体联接器和/或机械/电动可变驱动系统，实现从LP轴到HP轴的有益功率交易。

可以包括可选的换向齿轮箱，以允许使用普通的气体发生器和低压涡轮来使风扇叶片顺时针或逆时针旋转，即，根据需要提供左旋或右旋构造，以便提供某些飞行器装置可能需要的一对反向旋转的发动机组件。可选的动力齿轮箱可包括用于降低风扇组件相对于低压涡轮30的旋转速度的齿轮组。

图1图示了所谓的“拉式”构造，其中风扇组件34位于核心燃气涡轮20的前方。其他构造也是可能的并且预期在本公开的范围内，诸如所谓的“推式”构造实施例，其中核心燃气涡轮20位于风扇组件34的前方。在共同转让的美国专利申请公开US 2015/0291276A1中示出和描述了多种架构，该专利申请通过引用结合于此。

“拉式”或“推式”构造的选择可以与相对于预期的飞行器应用的机身的安装取向的选择相一致地进行，并且取决于安装位置和取向是机翼安装，机身安装还是尾部安装构造，某些选择可能在结构上或操作上是有利的。

除了适用于打算用于水平飞行的常规飞行器平台的构造之外，本文描述的技术还可以用于直升机和倾斜旋翼应用以及其他起重装置以及悬停装置。

图2示意性地示出了在许多方面与图1的燃气涡轮发动机10相似的燃气涡轮发动机10的截面视图，并且相似的数字用于指代相似的元件，例如变速增压器42。在图2的实施例中，燃气涡轮发动机10是适合用作飞行器的推进系统的齿轮涡轮风扇发动机。周转齿轮箱46(示意性地显示为固定到发动机的固定或非旋转框架上)降低了风扇组件34相对于LP涡轮30的转速，从而允许风扇组件34和LP涡轮30优化它们各自的效率。周转齿轮箱46可以是星齿轮箱，其中行星架固定到固定支架上，也可以是行星齿轮箱，其中固定环形齿轮并且风扇轴连接到行星架。也可以使用其他周转或非周转齿轮箱构造。风扇和LP涡轮可以共同旋转或反向旋转，这取决于所使用的齿轮箱构造。可以使用大于1.5：1(例如在1.5-5.0：1的范围内)和大于2.3：1(例如在2.3-5.0：1的范围内)的代表性齿轮箱比率。通过降低风扇组件34相对于LP涡轮30的旋转速度，风扇叶片36的尖端速度可以减小到低于每秒1400英尺(fps)。已经考虑了大于6.0和大于8.0的旁路比(BPR)，以及大于11.0(例如在11.0-22.0的范围内)的BPR。也已经考虑了小于1.7，和小于1.48的风扇压力比(FPR)。

图3示意性地示出了在许多方面与图1的燃气涡轮发动机10相似的燃气涡轮发动机10的截面视图，并且相似的数字用于指代相似的元件，例如变速增压器42。在图3的实施例中，燃气涡轮发动机10是涡轮轴发动机，其适用于为航空，海上或陆上发电或推进应用中的推进器或转子组件，或齿轮箱或发电机提供动力。燃气涡轮发动机10因此包括适于为这种设备提供动力的动力输出轴48。

图4示意性地示出了在许多方面与图1的燃气涡轮发动机10相似的燃气涡轮发动机10的截面视图，并且相似的数字用于指代相似的元件，例如变速增压器42。在图4的实施例中，燃气涡轮发动机10能够具有附加的操作模式。发动机10可包括能量存储装置50，该能量存储装置50可用于独立于燃气涡轮发动机10的操作而经由电动机52为变速增压器42提供动力。例如，诸如电池，电容器或超级电容器的能量存储装置50可以在单引擎滑行操作期间驱动增压器42，或者诸如飞行器动力(辅助动力单元(APU))或地面动力(动力车等)的另一种形式的动力源可用于在发动机停机期间驱动增压器42。这可以帮助在停机期间冷却燃气涡轮发动机10的内部部件，以最小化通常被称为转子弯曲的变形效应。在这种构造中，增压器42在不直接旋转地驱动核心20的同时向核心20提供空气。可变定子轮叶(如果有)可以定位成在停机状态下提供最大的潜在气流。电动机52未连接至与LP轴32或HP轴28相关联的附件齿轮箱，而是专用于仅驱动增压器42。可以在发动机操作期间对能量存储装置50进行充电，以在停机期间为增压电动机52供电。能量存储装置50可以包含在健康监控系统中，以通过直接指示器(灯等)或经由全权限数字发动机控制(FADEC)向飞行器发送消息来报告能量存储装置的剩余寿命。

图5-7示意性地示出了在许多方面与图1的燃气涡轮发动机10相似的燃气涡轮发动机10的截面图，并且相似的数字用于指代相似的元件，例如，变速增压器42。在图5-7的实施例中，燃气涡轮发动机10形成了混合动力推进系统的一部分。

在图5的实施例中，燃气涡轮发动机10包括由LP涡轮30驱动的机械驱动风扇组件34(如前所述)，以及电动机/发电机54，电动机/发电机54包括可选的离合器以使电动机/发电机54脱离燃气涡轮发动机10。电动机/发电机54通过动力调节和分配系统56提供动力，以向一个或多个电动机驱动的推进器58提供动力，推进器58可以位于远离燃气涡轮发动机10的位置。可以将可选的能量存储装置50结合到系统中以向推进器58提供动力。电动机/发电机54可以同轴地安装在LP轴32上，该LP轴为风扇组件34提供动力。电动推进器58可以是具有电动机的独立风扇，或者可以包括涡轮发动机，使得两个(或所有)发动机的风扇可以仅通过单个涡轮发动机操作来驱动。

图6的实施例类似于图5的实施例，但是省略了机械驱动的风扇34，而使用由发电机或电动机/发电机54供以动力的纯电动推进系统。可选的能量存储装置50可以提供用于启动燃气涡轮发动机的动力，可以提供动力的提升以改善发动机的可操作性，可以在燃气涡轮发动机10停机时提供推进动力，并且可以提供动力以在停机期间旋转燃气涡轮发动机10，减轻如前面所讨论的转子弯曲。

图7的实施例也与图5和图6的实施例类似，但是包括减速齿轮箱46，该减速齿轮箱用于降低风扇组件34相对于LP涡轮30的速度，如先前相对于图2所描述的。取决于电动机/发电机的期望的最佳速度，齿轮箱可以位于电动机/发电机54的前方或后方。

图8示意性地示出了在许多方面与图1的燃气涡轮发动机10相似的燃气涡轮发动机10的截面视图，并且相似的数字用于指代相似的元件，例如变速增压器42。在图8的实施例中，燃气涡轮发动机10包括动力共享/动力分配装置60。在这样的构造中，取决于操作条件和动力需求，可以由两个动力源中的一个或两个来提供动力。在图8的实施例中，根据期望的操作条件的需要，可通过LP轴32，通过电动机/发电机62或两者来提供对变速增压器42的动力。在这样的构造中，可以机械地提供一些或全部动力，然后可以与机械动力源并行地提供电力或其他动力，以允许变速增压器相对于LP轴32的速度改变。

图9示意性地示出了在许多方面与图1的燃气涡轮发动机10相似的燃气涡轮发动机10的截面图，并且相似的数字用于指代相似的元件，例如变速增压器42。在图9的实施例中，类似于图8，燃气涡轮发动机10包括动力共享/动力分配装置60，其功能类似于当今在许多混合动力汽车中使用的那些装置。在这样的构造中，取决于操作条件和动力需求，可以由两个动力源中的一个或两个来提供动力。在图9的实施例中，动力共享/动力分配装置60被结合在LP轴32和HP轴28之间，并控制LP轴32和HP轴28之间的动力共享，并且变速增压器42与风扇组件34一起联接到LP轴。因此经由动力共享装置60的动力注入/减法改变了动力相对地在LP轴32和HP轴34之间流动的方式。

因此，图8和图9示出了可以利用动力共享/动力分配装置60来结合或混合来自2个机械源或1个机械源和1个电源的动力输入，并且动力共享和动力传递的其他组合也可以实现。这样的装置可以在本文所述的任何实施例中用作变速增压器42的变速装置。这样的装置可以是齿轮类型，牵引驱动，CO 2驱动的或任何合适的机构，并且可以是单级或两级的，并且可以结合复合行星齿轮，端面齿轮或任何数量的潜在构造。

本公开的各种特征，方面和优点也可以在本公开的方面的任何排列中体现，包括但不限于在列举的方面中限定的以下技术方案：

1.一种燃气涡轮发动机，包括：燃气涡轮发动机核心，燃气涡轮发动机核心具有处于串联关系的高压压缩机，燃烧器和高压涡轮；和低压压缩机，低压压缩机在燃气涡轮发动机核心的上游；其中，低压压缩机由变速动力源驱动，使得低压压缩机的旋转速度能够独立于燃气涡轮发动机的任何涡轮的旋转速度而被控制。

2.根据方面1的燃气涡轮发动机，其中，燃气涡轮发动机包括风扇组件。

3.根据方面2的燃气涡轮发动机，其中，风扇组件通过齿轮箱驱动。

4.根据方面3的燃气涡轮发动机，其中，齿轮箱是换向齿轮箱，以允许风扇在与低压涡轮相反的方向上旋转。

5.根据方面3的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，齿轮箱的比率为1.5-5.0：1或2.3-5.0：1。

6.根据方面2的燃气涡轮发动机，其中，旁路比(BPR)为11.0-22.0。

7.根据方面2的燃气涡轮发动机，其中，风扇压力比(FPR)小于1.7。

8.根据方面1-7的燃气涡轮发动机，其中，低压压缩机是电驱动的。

9.根据方面8的燃气涡轮发动机，其中，低压压缩机的电力源是低压涡轮，高压涡轮或其组合。

10.根据方面8的燃气涡轮发动机，其中，电力源在发动机的外部，例如辅助动力单元，地面动力单元，动力存储装置，跨发动机驱动器或其组合。

11.根据方面1-10的燃气涡轮发动机，其中，燃气涡轮发动机形成混合动力推进系统的一部分。

12.根据方面11的燃气涡轮发动机，其中，混合动力推进系统包括一个或多个电动机驱动的推进器。

13.根据方面1-12的燃气涡轮发动机，其中，能量存储装置向低压压缩机提供电力。

14.根据方面1-13的燃气涡轮发动机，其中，低压压缩机通过机械动力传递介质来驱动，机械动力传递介质例如为牵引驱动器，液压驱动器，气动驱动器，可变周转变速器或其组合。

15.根据方面14的燃气涡轮发动机，其中，用于低压压缩机的动力源是低压涡轮，高压涡轮或其组合。

16.根据方面1-15的燃气涡轮发动机，其中，燃气涡轮发动机包括动力输出轴。

17.根据方面1-16的燃气涡轮发动机，其中，低压压缩机包括一个或多个入口导向轮叶(IGV)，出口导向轮叶(OGV)或可变定子轮叶(VSV)。

18.根据方面1-17的燃气涡轮发动机，其中，当燃气涡轮发动机停机时，低压压缩机是能够操作的。

19.根据方面1-18的燃气涡轮发动机，其中，低压压缩机能够比燃气涡轮发动机的任何涡轮旋转得更快或更慢。

20.根据方面1-19的燃气涡轮发动机，其中，低压压缩机由动力共享/动力分配装置驱动，动力共享/动力分配装置从两个动力源中的一个或两个提供动力。

21.一种操作燃气涡轮发动机的方法，该燃气涡轮发动机包括：燃气涡轮发动机核心，该燃气涡轮发动机核心具有处于串联关系的高压压缩机，燃烧器和高压涡轮；和低压压缩机，该低压压缩机在燃气涡轮发动机核心的上游；该方法包括以下步骤：通过变速动力源驱动低压压缩机，使得低压压缩机的旋转速度可独立于燃气涡轮发动机的任何涡轮的旋转速度而被控制。

22.根据方面21的方法，还包括当燃气涡轮发动机停机时，操作低压压缩机。

23.根据方面21-22的方法，还包括使低压压缩机比燃气涡轮发动机的任何涡轮更快或更慢地旋转。

24.根据方面21-23的方法，进一步包括通过动力共享/动力分配装置来驱动低压压缩机，该动力共享/动力分配装置从两个源中的一个或两个提供动力。

25.根据方面21-24的方法，进一步包括在高动力操作期间以较低的速度驱动低压压缩机。

尽管已经将本公开描述为具有示例性实施例，但是可以在本公开的精神和范围内进一步修改本公开。因此，本申请旨在覆盖使用其一般原理的本公开的任何变化，使用或改编。此外，本申请旨在涵盖在本公开所属领域的已知或惯常做法范围内并且在所附权利要求的限制范围内的与本发明的这种偏离。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：

燃气涡轮发动机核心，所述燃气涡轮发动机核心具有处于串联关系的高压压缩机，燃烧器和高压涡轮；和

低压压缩机，所述低压压缩机在所述燃气涡轮发动机核心的上游；

其中，所述低压压缩机由变速动力源驱动，使得所述低压压缩机的旋转速度能够独立于所述燃气涡轮发动机的任何涡轮的旋转速度而被控制。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述燃气涡轮发动机包括风扇组件。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述风扇组件通过齿轮箱驱动。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述齿轮箱是换向齿轮箱，以允许所述风扇在与所述低压涡轮相反的方向上旋转。

5.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述齿轮箱的比率为1.5-5.0：1或2.3-5.0：1。

6.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，旁路比(BPR)为11.0-22.0。

7.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，风扇压力比(FPR)小于1.7。

8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述低压压缩机是电驱动的。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述低压压缩机的电力源是所述低压涡轮，所述高压涡轮或其组合。

10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述电力源在所述发动机的外部，例如辅助动力单元，地面动力单元，动力存储装置，跨发动机驱动器或其组合。

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