具有軸向可移動風扇可變面積噴嘴的燃氣渦輪發動的制造方法
【專利摘要】一種用于高旁通燃氣渦輪發動機的機艙組件包括風扇可變面積噴嘴，所述風扇可變面積噴嘴能夠相對于風扇機艙軸向移動以限定輔助端口，以在發動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比。
【專利說明】具有軸向可移動風扇可變面積噴嘴的燃氣渦輪發動機
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求2011年12月8日提交的美國申請N0.13/314,365的優先權，該美國申請N0.13/314，365是2007年8月23日提交的美國申請N0.11/843675的部分繼續申請。
【背景技術】
[0002]本發明涉及燃氣渦輪發動機，并且更具體地涉及具有風扇可變面積噴嘴(VAFN)的渦輪風扇發動機，該噴嘴軸向地移動以改變其旁通流動路徑面積。
[0003]常規的燃氣渦輪發動機通常包括風扇區段和核心發動機，風扇區段具有比核心發動機的直徑更大的直徑。風扇區段和核心發動機繞縱軸線布置并且被包封在發動機機艙組件內。
[0004]燃燒氣體從核心發動機穿過核心排氣噴嘴排出，而布置在主氣流路徑的徑向外側的環形風扇流穿過環形風扇排氣噴嘴排出，環形風扇排氣噴嘴被限定在風扇機艙和核心機艙之間。穿過風扇排氣噴嘴排出的加壓風扇空氣產生推力的大部分，而穿過核心排氣噴嘴排出的燃燒氣體提供剩余推力。
[0005]常規的燃氣渦輪發動機的風扇噴嘴具有固定的幾何結構。固定幾何結構的風扇噴嘴是適合于起飛和著陸條件以及巡航條件的折中方案。一些燃氣渦輪發動機已經實施了風扇可變面積噴嘴。風扇可變面積噴嘴在巡航條件期間提供較小的風扇出口噴嘴直徑，并且在起飛和著陸條件期間提供較大的風扇出口噴嘴直徑。現有的風扇可變面積噴嘴通常采用相對復雜的機構，其增大了發動機總體總量使得可能抵消由此增加的燃料效率。
【發明內容】
[0006]根據本公開的一個示例性方面的一種用于高旁通燃氣渦輪發動機的機艙組件可包括:圍繞發動機中心軸線限定的核心機艙；風扇機艙，所述風扇機艙被至少部分地圍繞所述核心機艙安裝以限定用于風扇旁通氣流的風扇旁通流動路徑；和風扇可變面積噴嘴，所述風扇可變面積噴嘴能夠相對于所述風扇機艙軸向移動以限定輔助端口，以在發動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比。
[0007]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，控制器可以操作以控制所述風扇可變面積噴嘴以改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比。
[0008]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述控制器可以操作以在巡航飛行條件時減小所述風扇噴嘴出口面積。
[0009]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述控制器可以操作以控制所述風扇噴嘴出口面積以減小風扇不穩定性。
[0010]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述風扇可變面積噴嘴可以限定所述風扇機艙的后緣。
[0011]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述組件還可包括控制器，所述控制器能操作以軸向地移動所述風扇可變面積噴嘴以響應于飛行條件改變所述風扇噴嘴出口面積。
[0012]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述風扇可變面積噴嘴可以與所述風扇機艙對準以限定所述風扇噴嘴出口面積的閉合位置。另外或替代地，所述風扇可變面積噴嘴從所述風扇機艙軸向地偏移以限定所述風扇噴嘴出口面積的打開位置。
[0013]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述機艙組件還可包括齒輪系統，所述齒輪系統由所述核心機艙內的核心發動機驅動以驅動所述風扇機艙內的風扇，所述齒輪系統限定了大于或等于約2.3的齒輪減速比。
[0014]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述機艙組件還可包括齒輪系統，所述齒輪系統由所述核心機艙內的核心發動機驅動以驅動所述風扇機艙內的風扇，所述齒輪系統限定了大于或等于約2.5的齒輪減速比。
[0015]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述機艙組件還可包括齒輪系統，所述齒輪系統由所述核心發動機驅動以驅動所述風扇，所述齒輪系統限定了大于或等于2.5的齒輪減速比。
[0016]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述核心發動機可以包括低壓渦輪機，所述低壓渦輪機限定了大于約五(5)的壓力比。
[0017]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述核心發動機可以包括低壓渦輪機，所述低壓渦輪機限定了大于五(5)的壓力比。
[0018]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述旁通流可以限定大于約六(6)的旁通比。
[0019]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述旁通流可以限定大于約十(10)的旁通比。
[0020]在任一前述機艙組件實施例的另一非限制線實施例中，所述旁通流可以限定大于十(10)的旁通比。
[0021]根據本公開的另一個示例性方面的一種燃氣渦輪發動機可以包括:圍繞發動機中心軸線限定的核心機艙；風扇機艙，所述風扇機艙被至少部分地圍繞所述核心機艙安裝以限定用于風扇旁通氣流的風扇旁通流動路徑；風扇可變面積噴嘴，所述風扇可變面積噴嘴能夠相對于所述風扇機艙軸向移動以限定輔助端口，以在發動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比；和控制器，所述控制器能操作以控制所述風扇可變面積噴嘴以改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比。
[0022]在任一前述燃氣渦輪機實施例的另一非限制線實施例中，所述燃氣渦輪發動機可以是直接驅動渦輪風扇發動機。
[0023]在任一前述燃氣渦輪機實施例的另一非限制線實施例中，所述燃氣渦輪機還可以包括所述核心機艙內的低軸筒，其通過齒輪傳動架構驅動所述風扇機艙內的風扇。
[0024]在任一前述燃氣渦輪機實施例的另一非限制線實施例中，所述發動機可以具有大于10:1的旁通比，并且所述齒輪傳動架構可以具有大于2.5:1的齒輪減速比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]本領域技術人員將會從當前優選實施例的以下詳細描述明白本發明的各種特征和優點。該詳細描述的附圖可以簡要介紹如下: 圖1A是與本發明一起使用的示例性燃氣渦輪發動機實施例的一般示意性局部不完整視圖；
圖1B是該發動機的后視圖；
圖1C是與吊架集成的該發動機的側視圖；
圖1D是與吊架集成的該發動機的透視圖；
圖2A是處于閉合位置的VAFN的剖切側視圖；
圖2B是處于打開位置的VAFN的剖切側視圖；并且 圖3是旁通導管正規化橫截面面積分布的曲線圖；
圖4是有效面積增加與噴嘴平移的曲線圖；
圖5是導管面積分布的曲線圖；
圖6A是輔助端口位置的示意性幾何視圖；
圖6B是輔助端口進入角的示意性幾何視圖；并且 圖6C是VAFN外表面曲率的示意性幾何視圖。
【具體實施方式】
[0026]圖1A示出了燃氣渦輪風扇發動機10的一般局部不完整示意圖，燃氣渦輪風扇發動機10從發動機吊架P懸掛，在發動機機艙組件N內，如設計成亞音速運轉的飛機所常見的。
[0027]渦輪風扇發動機10包括核心機艙12內的核心發動機，核心機艙12容納低軸筒14和高軸筒24。低軸筒14包括低壓壓縮機16和低壓渦輪機18。低軸筒14通過齒輪系22驅動風扇區段20。高軸筒24包括高壓壓縮機26和高壓渦輪機28。燃燒器30布置在高壓壓縮機26和高壓渦輪機28之間。低和高軸筒14、24繞發動機旋轉軸線A旋轉。
[0028]發動機10優選地是高旁通齒輪傳動架構的飛機發動機。在一個公開的非限制性實施例中，發動機10旁通比大于約六(6)比十(10)，齒輪系22是周轉齒輪系(例如行星齒輪系統)或者齒輪減速比大于約2.3的其他齒輪系統，并且低壓渦輪機18具有大于約5的壓力比。在一個公開的實施例中，發動機10旁通比大于十(10:1)，渦輪風扇直徑顯著大于低壓壓縮機16的直徑，并且低壓渦輪機18具有大于5:1的壓力比。齒輪系22可以是周轉齒輪系(例如行星齒輪系統)或者齒輪減速比大于2.5:1的其他齒輪系統。然而應當理解，上面的參數僅僅是齒輪傳動架構發動機的一個實施例的示例并且本發明可適用于包括直接驅動渦輪風扇的其他燃氣渦輪發動機。
[0029]氣流進入風扇機艙34，風扇機艙34至少部分地圍繞核心機艙12。風扇區段20將氣流輸送到核心機艙12中，以便為低壓壓縮機16和高壓壓縮機26提供動力。低壓壓縮機16和高壓壓縮機26所壓縮的核心氣流與燃燒器30中的燃料混合并且在高壓渦輪機28和低壓渦輪機18上膨脹。渦輪機28、18被聯接成分別隨軸筒24、14旋轉以響應于膨脹而旋轉地驅動壓縮機26、16并且通過齒輪系22驅動風扇區段20。核心發動機排氣E通過被限定在核心機艙12和尾椎32之間的核心噴嘴43離開核心機艙12。
[0030]核心機艙12被結構36支撐在風扇機艙34內，結構36 —般通常稱為風扇出口導葉(FEGV)0旁通流動路徑40被限定在核心機艙12和風扇機艙34之間。發動機10產生具有旁通比的高旁通流布置，其中，進入風扇機艙34的氣流的大約80%變成旁通流B。旁通流B傳輸通過大致環形的風扇旁通流動路徑40并且從發動機10通過風扇可變面積噴嘴(VAFN)42排出，風扇可變面積噴嘴42在風扇區段20下游的風扇機艙34的風扇機艙端部34S處限定了風扇機艙34和核心機艙12之間的風扇噴嘴出口面積44。
[0031]推力是密度、速度和面積的函數。可以操縱這些參數中的一個或多個以改變旁通流B所提供的推力的量和方向。VAFN 42響應于控制器C進行操作以有效地改變風扇噴嘴出口面積44的面積以選擇性地調節旁通流B的壓力比。低壓力比渦輪風扇由于它們的高推進效率而是所期望的。然而，低壓力比風扇可能固有地易于受到低功率和低飛行速度時的風扇穩定性/顛振問題的影響。VAFN允許發動機改變到低功率時更加有利的風扇操作線，避免不穩定性區域，并且仍然提供對于在巡航時獲得高效率風扇操作線而言必要的相對較小的噴嘴面積。
[0032]由于高旁通比，旁通流B提供了推力的顯著量。發動機10的風扇區段20被優選地設計成用于特定飛行條件一通常以大約0.SM和大約35000英尺巡航。由于風扇區段20內的風扇葉片被高效地設計成處于用于高效巡航條件的特定的固定斜罩角，VAFN 42被操作成有效地改變風扇噴嘴出口面積44以調節風扇旁通氣流，使得風扇葉片上的迎角或入射角被保持成接近于用于其他飛行條件(例如降落和起飛)時的高效發動機操作的設計入射角，從而關于性能和其他操作參數(例如噪音水平)提供在一系列飛行條件上的經優化的發動機操作。
[0033]VAFN 42被分成限定在吊架P和下B1-Fi分裂器之間的至少兩個區段42A-42B(圖1B)，其通常互相連接較大直徑的風扇導管逆向整流罩和較小直徑的核心整流罩(圖1C和1D)。至少兩個區段42A-42B的每一個能夠被獨立地調節以不對稱地改變風扇噴嘴出口面積44以產生矢量推力。應當理解，盡管示出了兩個區段，但可以替代地或另外提供任何數量的區段。
[0034]在操作中，VAFN 42與控制器C等通信以便以對稱或不對稱的方式調節風扇噴嘴出口面積44。包括發動機控制器或飛機飛行控制系統的其他控制系統也可以與本發明一起使用。通過對稱地調節VAFN 42的整個周界，其中，所有的區段均勻地移動，推力效率和燃料經濟性在每個飛行條件期間被最大化。通過單獨地調節VAFN 42的圓周區段42A-42B以提供不對稱的風扇噴嘴出口面積44，發動機旁通流被選擇性地矢量化，以例如僅僅提供配平平衡或推力受控的操縱增強地面操作或短場性能。
[0035]VAFN 42通常包括輔助端口組件50，其具有第一風扇機艙區段52和相對于第一風扇機艙區段52可移動地安裝的第二風扇機艙區段54。第二風扇機艙區段54沿著發動機軸線A相對于固定的第一風扇機艙區段52軸向地滑動，以改變風扇噴嘴出口面積44的有效面積。第二風扇機艙區段54響應于致動器58 (示意性示出)在軌道整流罩56A、56B (在圖1C和ID中示意性示出)上向尾部滑動。軌道整流罩56A、56B分別鄰近于吊架P和下B1-Fi分裂器L從第一風扇機艙區段52延伸(圖1D)。
[0036]VAFN 42在特定飛行條件期間改變了旁通流動路徑40的物理面積和幾何結構。通過使第二風扇機艙區段54相對于第一風扇機艙區段52在閉合位置(圖2A)和打開位置(圖2B)之間滑動，旁通流B被有效地改變。通過將第二風扇機艙區段54定位成與第一風扇機艙區段52 —致以將風扇噴嘴出口面積44限定為出口面積H)，輔助端口組件50被閉合(圖2A)。[0037]通過使第二風扇機艙區段54沿著軌道整流罩56A、56B遠離第一風扇機艙區段52向尾部移動以打開輔助端口 60，VAFN 42被打開，輔助端口 60在打開的第二風扇機艙區段54相對于第一風扇機艙區段52之間延伸以基本上提供增大的風扇噴嘴出口面積44出口面積F1。也就是說，出口面積Fl與端口 60大于出口面積H)(圖2B)。
[0038]在一個公開的實施例中，輔助端口 60被并入高旁通比商業渦輪風扇發動機的排氣系統中，在風扇出口導葉(FEGV ;圖2A、2B)尾側的旁通導管內。輔助端口 60位于旁通導管外壁的尾部中。
[0039]參照圖3 (旁通導管面積分布)、有效面積增加與平移(圖4)、面積分布(圖5)以及輔助端口 60位置(圖6A)和壁曲率(圖6B-6C)被調整以提供適當流場，其允許輔助端口 60獲得所需要的額外有效出口面積。由于平移，輔助端口 60將會基本上使有效面積加倍。輔助端口 60提供相對低重量的方法，提供增大的出口面積以控制風扇操作線而不引起高的系統損耗或不可接受的飛機安裝問題。通過調整旁通導管面積分布和外壁曲率，在輔助端口 60的沖程達到其有效面積增加極限之前實現了所期望的最大有效面積增加。
[0040]輔助端口出口平面44B (被定義為靜止部分的后緣和移動部分的前緣之間的平面)最初具有開口，其中，出口平面法線矢量是幾乎軸向的，但是當沖程增加時，法線矢量變得更加傾斜并且接近幾乎徑向的矢量。一旦出口平面法線已經變成幾乎徑向，則已經實現了最大輔助端口有效性。一旦達到了該點，則有效面積與平移的比率從“良好設計的端口”的陡坡變成“僅僅主噴嘴”的平緩比率，因為將會由于核心機艙12的向內斜坡而通過主噴嘴44A提供額外面積。良好設計的輔助端口噴嘴將會在達到端口有效性極限之前實現大約+25%有效面積。也就是說，存在沖程的有限范圍，其中，輔助端口使額外有效性的比率加倍。在該范圍之外，額外有效性的比率可相當于不具有輔助端口的平移噴嘴。或者換句話說，輔助端口減少了純平移噴嘴實現期望有效面積的沖程必要性。
[0041]參照圖5，輔助端口 60處的橫截面積大于VAFN 42的最大需要有效面積，并且旁通導管面積分布被調整以確保輔助端口 60前方的導管橫截面積大于端口開口橫截面積。這避免了上游內部橫截面變成控制流面積(即，小于出口面積)的情況，該情況可導致操作極限和結構問題。
[0042]參照圖6A，所公開實施例中的輔助端口 60被定位在不比0.1 DEL_X/L_DUCT更前，其從第二風扇機艙區段54所限定的環形風扇旁通流動路徑40的最大半徑Rmax處的點D限定。Rmax被通過點D限定并且垂直于發動機軸線A。當第二風扇機艙區段54處于閉合位置時，所公開的非限制性實施例中的點D位于第二風扇機艙區段54的內壁表面541上。DEL_X是從Rmax到輔助端口 60的最前點的軸向距離。L_DUCT是環形風扇旁通流動路徑40的總軸向長度。平均端口線和風扇導管外壁之間的角度是相對低的，以提供運轉良好的低損耗出口流。在所公開的實施例中，相對于風扇旁通導管OD壁的輔助端口 60進入角(Theta_in)小于20度(圖6B)，而外VAFN表面具有R_ARC/CH0RD>0.7，其中，R_ARC是從發動機軸線A到第二風扇機艙區段54的徑向外壁表面540的徑向距離，并且CHORD是第二風扇機艙區段54的弦長(圖6C)。輔助端口 60附近的外壁表面540的曲率促進了通過輔助端口 60的流量。在一個公開的實施例中，對于獲得額外20%有效出口面積而言必要的第二風扇機艙區段54的沖程是大約8.4英寸。
[0043]在操作中，VAFN 42與控制器C通信以相對于輔助端口組件50的第一風扇機艙區段52移動第二風扇機艙區段54，以有效地改變由風扇噴嘴出口面積44限定的面積。包括發動機控制器或飛機飛行控制系統的各種控制系統也可以與本發明一起使用。通過調節第二風扇機艙區段54的整個周界的軸向位置，其中，所有的區段同時移動，通過改變風扇噴嘴出口面積，發動機推力和燃料經濟性在每個飛行體制期間被最大化。通過單獨地調節第二風扇機艙區段54的各部分以提供不對稱的風扇噴嘴出口面積44，發動機旁通流被選擇性地矢量化，以例如僅僅提供配平平衡、推力受控的操縱、增強的地面操作和短場性能。
[0044]前面的描述是示例性的而非由其內的限制因素所限定。考慮到上面的教導，本發明的許多修改和變形是可能的。已經公開了本發明的優選實施例，然而，本領域普通技術人員可意識到在本發明的范圍內可有某些修改。因此，應當理解的是在所附權利要求的范圍內，本發明可以以與所特別描述的不同的方式實施。為此，應當研究所附權利要求以確定本發明的真實范圍和內容。
【權利要求】
1.一種用于高旁通燃氣渦輪發動機的機艙組件，包括: 圍繞發動機中心軸線限定的核心機艙； 風扇機艙，所述風扇機艙被至少部分地圍繞所述核心機艙安裝以限定用于風扇旁通氣流的風扇芳通流動路徑；和 風扇可變面積噴嘴，所述風扇可變面積噴嘴能夠相對于所述風扇機艙軸向移動以限定輔助端口，以在發動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比。
2.如權利要求1所述的組件，還包括控制器，所述控制器能操作以控制所述風扇可變面積噴嘴以改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比。
3.如權利要求2所述的組件，其中，所述控制器能操作以在巡航飛行條件時減小所述風扇噴嘴出口面積。
4.如權利要求2所述的組件，其中，所述控制器能操作以控制所述風扇噴嘴出口面積以減小風扇不穩定性。
5.如權利要求1所述的組件，其中，所述風扇可變面積噴嘴限定了所述風扇機艙的后緣。
6.如權利要求1所述的組件，還包括控制器，所述控制器能操作以軸向地移動所述風扇可變面積噴嘴以響應于 飛行條件改變所述風扇噴嘴出口面積。
7.如權利要求6所述的組件，其中，所述風扇可變面積噴嘴與所述風扇機艙對準以限定所述風扇噴嘴出口面積的閉合位置。
8.如權利要求7所述的組件，其中，所述風扇可變面積噴嘴從所述風扇機艙軸向地偏移以限定所述風扇噴嘴出口面積的打開位置。
9.如權利要求1所述的組件，還包括齒輪系統，所述齒輪系統由所述核心機艙內的核心發動機驅動以驅動所述風扇機艙內的風扇，所述齒輪系統限定了大于或等于約2.3的齒輪減速比。
10.如權利要求1所述的組件，還包括齒輪系統，所述齒輪系統由所述核心機艙內的核心發動機驅動以驅動所述風扇機艙內的風扇，所述齒輪系統限定了大于或等于約2.5的齒輪減速比。
11.如權利要求1所述的組件，還包括齒輪系統，所述齒輪系統由所述核心發動機驅動以驅動所述風扇，所述齒輪系統限定了大于或等于2.5的齒輪減速比。
12.如權利要求9所述的組件，其中，所述核心發動機包括低壓渦輪機，所述低壓渦輪機限定了大于約五(5)的壓力比。
13.如權利要求9所述的組件，其中，所述核心發動機包括低壓渦輪機，所述低壓渦輪機限定了大于五(5)的壓力比。
14.如權利要求1所述的組件，其中，所述旁通流限定了大于約六(6)的旁通比。
15.如權利要求1所述的組件，其中，所述旁通流限定了大于約十(10)的旁通比。
16.如權利要求1所述的組件，其中，所述旁通流限定了大于十(10)的旁通比。
17.一種燃氣渦輪發動機,包括: 圍繞發動機中心軸線限定的核心機艙； 風扇機艙，所述風扇機艙被至少部分地圍繞所述核心機艙安裝以限定用于風扇旁通氣流的風扇旁通流動路徑； 風扇可變面積噴嘴，所述風扇可變面積噴嘴能夠相對于所述風扇機艙軸向移動以限定輔助端口，以在發動機操作期間改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比；和 控制器，所述控制器能操作以控制所述風扇可變面積噴嘴以改變風扇噴嘴出口面積和調節所述風扇旁通氣流的壓力比。
18.如權利要求17所述的燃氣渦輪發動機，其中，所述燃氣渦輪發動機是直接驅動渦輪風扇發動機。
19.如權利要求17所述的燃氣渦輪發動機，其中，所述燃氣渦輪機還包括所述核心機艙內的低軸筒，其通過齒輪傳動架構驅動所述風扇機艙內的風扇。
20.如權利要求19所述的燃氣渦輪發動機，其中，所述發動機具有大于10:1的旁通比，并且所述齒輪傳動架 構具有大于2.5:1的齒輪減速比。
【文檔編號】F02K3/075GK104040158SQ201280060203
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年12月7日 優先權日:2011年12月8日
【發明者】格雷戈里·A·科倫伯格, 肖恩·P·扎莫拉 申請人:聯合工藝公司