專利名稱：多轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明總體上涉及氣體渦輪發(fā)動機(jī)，更具體地說，涉及一種不僅能用作噴氣式飛機(jī)的主動力裝置，而且可用作噴氣式飛機(jī)的一種高效輔助發(fā)電裝置的多轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。
現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)需要相當(dāng)大的電能來驅(qū)動許多用于支持飛機(jī)的地面運(yùn)行的附件，特別是當(dāng)飛機(jī)停在停機(jī)坪上時。這類附件的動力一般是由地面支持設(shè)備提供，或者由飛機(jī)上的一個輔助電源設(shè)備(APU)提供，以避免大量的燃料消耗、噪音和與推進(jìn)發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)的干擾。雖然機(jī)上APU的適應(yīng)性最好，但其對飛機(jī)的有效負(fù)載和可利用容積有負(fù)面影響。而地面設(shè)備常常是無法利用的。
以前曾有人對噴氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行了旨在解決這種問題的改進(jìn)。例如，在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的共同未決的美國專利申請系列號No.08/267616(現(xiàn)在為US5485717)中公開的雙轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，其包括一低壓轉(zhuǎn)子，低壓轉(zhuǎn)子的前端有一風(fēng)扇，而其后端有一低壓透平。一同軸的高壓轉(zhuǎn)子具有一高壓壓縮機(jī)和一高壓透平，高壓壓縮機(jī)位于流體流動通路中低壓轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇后面，高壓透平位于流體流動通路中一燃燒器的后面和低壓轉(zhuǎn)子上的低壓透平的前面。燃?xì)鈴牡蛪和钙降纳嫌蔚囊稽c(diǎn)吸入發(fā)動機(jī)的旁路通道，從而降低風(fēng)扇的速度。
然而，當(dāng)將這一概念應(yīng)用于一個三轉(zhuǎn)子噴氣發(fā)動機(jī)時上述問題變得更加復(fù)雜了。將一旁路渦輪風(fēng)扇的空氣動力的分量分配到三個轉(zhuǎn)子中使得當(dāng)發(fā)動機(jī)偏離設(shè)計運(yùn)行點(diǎn)時各轉(zhuǎn)子的速度能夠以有利的方式自我調(diào)節(jié)。當(dāng)總的壓縮比設(shè)計得較高時特別是這樣，要想獲得最好的燃料經(jīng)濟(jì)性和適合于推進(jìn)的推力/重力比就要將總壓縮比設(shè)計得較高。分析表明，當(dāng)推力需求減小時，低壓轉(zhuǎn)子的速度下降程度高于高壓轉(zhuǎn)子的速度。低壓壓縮機(jī)的較低的速度使得它們能夠以較低的流速運(yùn)行而不會出現(xiàn)壓縮機(jī)失速。然而，要在各種附加負(fù)荷情況下達(dá)到最佳性能就要細(xì)致地校準(zhǔn)高壓燃?xì)獾募夐g吸入。
在三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，一中間轉(zhuǎn)子上通常支撐一中壓壓縮機(jī)，其位于風(fēng)扇的下游，而在高壓壓縮機(jī)的前面。中間轉(zhuǎn)子由一位于高壓和低壓透平之間的中壓透平來驅(qū)動。低壓轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇大致與一圍繞著高壓、中壓和低壓轉(zhuǎn)子的環(huán)形旁路通道對準(zhǔn)。高壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動包括例如一臺發(fā)電機(jī)的發(fā)動機(jī)附件。因此，使高壓轉(zhuǎn)子的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)最大，同時使低壓轉(zhuǎn)子的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)最小是很重要的。
本發(fā)明的概述本發(fā)明僅僅通過增加提供電能、液壓動力和飛機(jī)直接需要的壓縮空氣所需的發(fā)動機(jī)功率，使一臺三轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)能夠在一種可編程的精確測定的良好模式下運(yùn)行，將燃料消耗和在機(jī)坪上人員的干擾減至最小。
本發(fā)明的構(gòu)思涉及利用機(jī)械轉(zhuǎn)向器和提升閥提供一種有效而可精確地控制的熱氣吸入，這些轉(zhuǎn)向器設(shè)置在高壓透平的下游和中壓透平的上游，而這些提升閥控制由透平之間的熱氣流與旁路中的氣流之間的壓差所引起的流動及其轉(zhuǎn)向。吸走的氣體不再做任何功就排放到發(fā)動機(jī)的旁路通道中。通過中壓和低壓透平去除大量工作流體使得它們的分別驅(qū)動中壓壓縮機(jī)和低壓風(fēng)扇的功率急劇下降，從而降低了進(jìn)入高壓壓縮機(jī)的空氣的壓力和溫度。由于對高壓壓縮機(jī)的壓力降低，所以減小了通過高壓壓縮機(jī)流入發(fā)動機(jī)燃燒器的氣流流量，從而減少了所需的燃料流量，同時使高壓轉(zhuǎn)子仍能以足以驅(qū)動發(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)、泵等裝置的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。而且，由于高壓壓縮機(jī)一入口處的壓力降低導(dǎo)致高壓壓縮機(jī)入口處的溫度的下降，這又降低了高壓壓縮機(jī)出口處的溫度，從而減小或消除了在從高壓壓縮機(jī)排出的空氣可以被用作吸入空氣之前將其冷卻的需要。
更具體地說，按照本發(fā)明，在高壓透平的下游沿圓周設(shè)置一組彼此間隔開的提升閥來影響燃?xì)獾奈耄魈嵘y上聯(lián)接一機(jī)械流動轉(zhuǎn)向器。采用多個單獨(dú)高效控制的提升閥就可以用計算機(jī)來控制燃?xì)馕肓?。因此，可以不連續(xù)地控制氣流吸入，以一種編程的次序打開閥來增加吸入量。有控制地吸入使低壓透平能夠以足以向發(fā)動機(jī)的高壓區(qū)提供一定量的空氣的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，這一空氣量剛好是提供機(jī)上電氣設(shè)備、液壓設(shè)備或氣動設(shè)備所需的動力量所必需的。
需要說明的是，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，從緊挨著高壓透平的后面的一點(diǎn)到發(fā)動機(jī)的旁路通道的廣義概念的級間排氣壓力在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的Williams的專利No.3,363,415中予以公開。但該專利中沒有提到這樣一種高效的排氣方式，及其可用計算機(jī)數(shù)字化控制，從而將燃料消耗減至最小并在發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)時提供驅(qū)動附屬設(shè)備所必需的動力。
附圖的簡要描述

圖1是本發(fā)明特別適用的一種三轉(zhuǎn)子蝸輪風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的剖面圖；圖2是沿圖1的2-2線截取的視圖；圖3是沿圖2中3-3線截取的視圖；和圖4是類似于圖3的視圖，示出提升閥和換向器處于打開狀態(tài)。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述參見圖1，圖中簡要地示出一個三轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)6，它包括一圓柱形外殼8，其最外部限定一環(huán)形旁路通道10的外壁。一低壓轉(zhuǎn)子組件12可繞發(fā)動機(jī)6的中心縱軸線14旋轉(zhuǎn)，它具有一軸16，其前端具有一風(fēng)扇18和低壓壓縮機(jī)19，后端具有一低壓透平20。
一中壓轉(zhuǎn)子22同軸地圍繞低壓轉(zhuǎn)子12的軸16設(shè)置，它包括一軸24、一中壓壓縮機(jī)26和一中壓透平28。
一高壓轉(zhuǎn)子組件30套疊在低壓轉(zhuǎn)子12的軸16和中壓轉(zhuǎn)子22的軸24上，它包括一軸32、其前端的一高壓壓縮機(jī)34和其后端的一高壓透平36。
一環(huán)形燃燒器40圍繞低壓、中壓和高壓轉(zhuǎn)子12、22和30設(shè)置在高壓壓縮機(jī)34和高壓透平36之間。
一附屬設(shè)備驅(qū)動軸50與高壓轉(zhuǎn)子30的軸32齒輪嚙合。該附屬設(shè)備驅(qū)動軸50以與高壓轉(zhuǎn)子30的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)直接相關(guān)的每分轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)驅(qū)動常用的附屬裝置，例如一起動器/發(fā)電機(jī)52。
一部分由風(fēng)扇18所引入的空氣氣流流向低壓壓縮機(jī)19，并從那里分別流向中壓和高壓壓縮機(jī)26和34，另一部分流向旁路通道10。燃燒空氣從高壓壓縮機(jī)34的出口流向燃燒器40，燃燒器中引入燃料進(jìn)行燃燒。燃?xì)馐紫攘鬟^高壓透平36，從那里又分別流過中壓和低壓透平28和20。
當(dāng)發(fā)動機(jī)6在地面上空轉(zhuǎn)時，由于分流了流出高壓透平36的熱氣流，使得附加動力最大，而噪音和燃料消耗最小。一部分熱氣體首先徑向向外轉(zhuǎn)向，然后流過一個或多個緊挨在高壓透平36的后面設(shè)置的提升閥60。提升閥60沿圓周間隔開設(shè)置成一圈，并可在一臺計算機(jī)的控制之下以氣動的方式單獨(dú)或相伴打開。各提升閥帶有一閥桿62和一適合于坐放在一閥座66上的閥頭64。一氣動膜68響應(yīng)于其橫剖面上的壓差來控制各閥60。一尾管70在各閥60的后面延伸到旁路通道10內(nèi)。
如圖3所示，按照本發(fā)明的一個特征，閥60分別控制若干換向器80。各換向器80包括一可繞一樞軸84轉(zhuǎn)動的桿臂82。桿臂82在其徑向內(nèi)端有一折流板86，當(dāng)相關(guān)的提升閥60打開時折流板伸入流出高壓透平36的熱氣流中。桿臂82通過一鉸接連接件88與閥60的閥桿62連接。換向器80使由熱氣流與旁路通道10中的較低壓力之間的壓差所產(chǎn)生的熱氣體的吸入增大。
在圖4中，氣動膜68在一臺普通計算機(jī)(未示出)的控制下使提升閥60和換向器80處于打開狀態(tài)。
當(dāng)發(fā)動機(jī)6出于全推進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)時，提升閥60關(guān)閉，換向器80縮回，換向器80的折流板86成為通向中壓透平28的環(huán)形熱空氣通路的外壁的一部分。提升閥60的閥桿62與換向器80的臂82之間的連接件86的拉力將換向器80保持在這一位置上。當(dāng)提升閥60打開時，它將換向器80推入流動環(huán)中。這一動作使流動環(huán)的外壁上出現(xiàn)一開口，熱氣流通過該開口轉(zhuǎn)向，并通過打開的提升閥60流向發(fā)動機(jī)旁路通道10。由于各換向器80進(jìn)入到熱空氣氣流環(huán)中，使熱氣體流向其相應(yīng)的提升閥開孔，特別是擋住了通向其下游的中壓透平28的熱氣體通路。
在發(fā)動機(jī)的通常(縮回)模式中，可動的提升閥60間隔開設(shè)置，因此，在各換向器80之間提供一小的外壁固定段88，以防止當(dāng)其折流板86徑向向內(nèi)移動到熱氣通道中時彼此互相干擾。通過用控制提升閥60的行程或通過提升閥60的選擇性打開的方式來控制各換向器80的徑向侵入可以將在APU模式下的換向流量調(diào)整到一最佳值。
雖然前面公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但應(yīng)理解，在不超出本發(fā)明的權(quán)利要求書的范圍的前提下可以對本發(fā)明作出修改。
權(quán)利要求
1．一種三轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，其包括一低壓轉(zhuǎn)子、一中壓轉(zhuǎn)子和一高壓轉(zhuǎn)子；其中，低壓轉(zhuǎn)子的前端有一風(fēng)扇，而其后端有一低壓透平；中壓轉(zhuǎn)子的前端有一中壓壓縮機(jī)，而其后端有一中壓透平；高壓轉(zhuǎn)子的前端有一與中壓壓縮機(jī)流體流動連通的高壓壓縮機(jī)，而其后端有一高壓透平，該發(fā)動機(jī)還包括一位于所述高壓轉(zhuǎn)子上的高壓壓縮機(jī)與高壓透平之間與二者流體流動連通的燃燒器、一位于所述高壓和中壓轉(zhuǎn)子上的高壓和中壓透平之間的燃?xì)馔ǖ?、一從所述低壓轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇延伸到所述高壓轉(zhuǎn)子上的高壓透平的后面的一點(diǎn)上的旁路通道和一由所述發(fā)動機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動的交流發(fā)電機(jī)，其特征在于在所述燃?xì)馔ǖ乐芯o挨著高壓轉(zhuǎn)子上的高壓透平的后面沿圓周彼此間隔開設(shè)置多個提升閥，所述提升閥在發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)條件下可打開，以提供一從所述高壓透平通過所述閥到達(dá)所述旁路通道的流體流動通路，從而增加橫穿高壓透平的膨脹率，產(chǎn)生空轉(zhuǎn)時較高的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)，同時減小橫穿中壓和低壓透平的膨脹率，以減小所述低壓轉(zhuǎn)子及其風(fēng)扇的速度，從而減小所述高壓透平上的高壓壓縮機(jī)的空氣流量，使空轉(zhuǎn)時燃料消耗最小。
2．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機(jī)，其特征在于所述提升閥可選擇性地打開。
3．一種三轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，其包括一低壓轉(zhuǎn)子和一高壓轉(zhuǎn)子，低壓轉(zhuǎn)子的前端有一風(fēng)扇，而其后端有一低壓透平；高壓轉(zhuǎn)子的前端有一與所述低壓轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇流體流動連通的高壓壓縮機(jī)，而其后端有一高壓透平，該發(fā)動機(jī)還包括一位于所述高壓轉(zhuǎn)子上的高壓壓縮機(jī)與高壓透平之間與二者流體流動連通的燃燒器、一位于所述高壓和低壓轉(zhuǎn)子上的高壓與低壓透平之間的燃?xì)馔ǖ?、一從所述低壓轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇延伸到高壓轉(zhuǎn)子上的高壓透平的后面的一點(diǎn)上的旁路通道和一由所述發(fā)動機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動的交流發(fā)電機(jī)，其特征在于在所述燃?xì)馔ǖ乐芯o挨著所述高壓轉(zhuǎn)子的高壓透平的后面沿圓周彼此間隔開設(shè)置多個提升閥，多個流動換向器分別與所述提升閥連接，當(dāng)所述閥打開時它們可以移動到所述燃?xì)馔ǖ纼?nèi)，當(dāng)發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)時所述閥可以單獨(dú)打開，提供從所述高壓透平通過所述閥到達(dá)所述旁路通道的流體流動通路，從而增加橫穿高壓透平的膨脹率，產(chǎn)生空轉(zhuǎn)時較高的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)，同時減小橫穿低壓透平的膨脹率，以減小低壓轉(zhuǎn)子及其風(fēng)扇的速度，從而減小所述高壓轉(zhuǎn)子上的高壓壓縮機(jī)的空氣流量，使空轉(zhuǎn)時燃料消耗最小。
4．如權(quán)利要求的所述發(fā)動機(jī)，其特征在于各提升閥具有沿所述發(fā)動機(jī)徑向延伸的閥桿，各閥桿由一氣動膜控制。
全文摘要
一種多轉(zhuǎn)子旁路蝸輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)(6),它具有多個沿圓周彼此間隔開設(shè)置的提升閥(60),閥上裝有換向器(80),用于精確地控制高壓透平的后面的燃?xì)馕?使高壓轉(zhuǎn)子(30)以高空轉(zhuǎn)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)運(yùn)轉(zhuǎn),以便向附件供電,而低壓轉(zhuǎn)子(12)以低的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)運(yùn)轉(zhuǎn),以將噪音和燃料消耗減至最小,通過在高壓透平的下游和中壓透平(22)的上游設(shè)置與提升閥(60)結(jié)合的換向器(80),有效而精確地控制了熱氣流的吸入,以控制轉(zhuǎn)向以及由于在透平之間的熱氣流和旁路通道中的流體之間的壓差引起的流動。
文檔編號F02K3/06GK1209861SQ97191811
公開日1999年3月3日 申請日期1997年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月22日
發(fā)明者小R·S·湯普森 申請人:威廉斯國際有限公司