具有超高压压缩机的燃气涡轮发动机的制作方法

本主题涉及燃气涡轮发动机。更具体地，本主题涉及燃气涡轮发动机压缩机。

背景技术：

燃气涡轮发动机大体上包括与压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段成串行流布置的风扇或螺旋桨组件。压缩机区段通常包括成串行流布置的至少两个压缩机；产生高于在风扇组件之后的压缩机入口压力的第一压力的低压或中压压缩机，以及在燃烧区段处产生高于第一压力的第二压力的高压压缩机。各压缩机大体上经由轴而联接至涡轮，从而一起限定转轴。各转轴设置在诸如至少在前端或上游端和后端或下游端处的两个或更多个承载组件上。在发动机运行期间，在大体上空气动力依赖性驱动各转轴的情况下，各转轴大体上可在机械上彼此独立地旋转。

燃气涡轮发动机设计者和制造商大体上面临诸如经由增大压缩机区段的压力比以在燃烧室处为燃烧提供更多的能量，来改进压缩机区段性能和可运行性的挑战。此外，他们还面临相对于发动机类型或发动机被安装至其上的设备而言，在保持或减少压缩机区段的轴向级的数量的同时增大压力比的挑战。此外，设计者和制造商大体上面临诸如经由减少发动机部件数、减小发动机尺寸(例如，经由减少轴向级)或遍及发动机而并入某些材料来减轻燃气涡轮发动机的总体重量的挑战。这样的重量减轻大体上诸如通过改进高压压缩机性能(经由增大末梢速度和压力比)来改进发动机性能。

然而，材料选择受重量、强度和温度接受力的限制。例如，已知钛基材料为低压和中压压缩机以及高压压缩机的前部或上游部分提供足够的强度、轻的重量和充足的温度接受力的大体上期望的组合。已知镍基材料相比于钛基材料而提供更大的强度和温度接受力的大体上必要的组合。然而，相对于钛基材料，镍基材料大体上密度更大或更重。如此，镍基材料大体上用于强度和温度的组合为必要的地方，诸如在发动机的较热(例如，高于530摄氏度)的部分处。发动机的这样的较热的部分大体上包括高压压缩机的中端到后端的部分、燃烧区段和涡轮区段。

如此，需要一种压缩机区段，以便在保持或减轻发动机总体重量的同时提供较高的旋转速度和压力比。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地得到阐述，或可根据描述而显而易见，或可通过实践本发明而认识。

本公开涉及一种包括压缩机转子的燃气涡轮发动机。压缩机转子包括限定在压缩机转子的最上游的级处的第一级压缩机翼型件。在燃气涡轮发动机以至少大约472米/秒的末梢速度运行期间，第一级压缩机翼型件限定至少大约1.7的第一级压力比。

在一个实施例中，第一级压缩机翼型件限定大约1.9的最大第一级压力比。

在多种实施例中，第一级压缩机翼型件限定第一级压缩机翼型件在核心流路内的内半径与第一级压缩机翼型件在核心流路内的外半径的半径比。半径比小于大约0.4。在另外的多种实施例中，第一级压缩机翼型件限定在大约0.2与大约0.4之间的半径比。在一个实施例中，第一级压缩机翼型件限定基本上空心的翼型件。在又一些另外的多种实施例中，第一级压缩机翼型件限定在大约0.33与大约0.4之间的半径比。在一个实施例中，第一级压缩机翼型件限定基本上实心的翼型件。

在多种实施例中，压缩机转子包括十二个或更少的级。在一个实施例中，压缩机转子限定在大约20:1与大约39:1之间的压缩机压力比。

在另外的多种实施例中，发动机进一步包括经由第一轴而联接至压缩机转子的第一涡轮转子。第一涡轮转子和压缩机转子可经由第一轴而一起旋转。大体上包围第一涡轮转子和压缩机转子的外壳限定进入核心流路的核心流入口。压缩机转子的第一级压缩机翼型件与核心流入口成直接流体连通。

在一个实施例中，发动机进一步包括在压缩机转子的上游成串行流布置的风扇组件。压缩机转子与风扇组件成直接流体连通。

在多种实施例中，第一级压缩机翼型件包括限定大约0.18或更大的抗张强度-密度比的第一材料。在一个实施例中，第一级压缩机翼型件的第一材料进一步限定等于或大于大约1000mpa的抗张强度。

在另一实施例中，压缩机转子限定大约564米/秒或更小的最大末梢速度。

在多种实施例中，燃气涡轮发动机进一步包括核心发动机，核心发动机包括压缩机转子、经由第一轴而联接至压缩机转子的第一涡轮转子，以及设置在压缩机转子与第一涡轮转子之间而成直接串行流布置的燃烧器组件。第一涡轮转子和压缩机转子可经由第一轴而一起旋转。在一个实施例中，发动机包括在压缩机转子的上游成串行流布置的风扇组件，以及经由第二轴而联接至风扇组件的第二涡轮转子。压缩机转子与风扇组件成直接流体连通。第二涡轮转子和风扇组件可经由第二轴而一起旋转。燃气涡轮发动机将风扇组件、核心发动机和第二涡轮转子限定成串行流布置。

技术方案1.一种燃气涡轮发动机，其包括：

压缩机转子，其包括限定在所述压缩机转子的最上游的级处的第一级压缩机翼型件，其中在所述燃气涡轮发动机以至少大约472米/秒的末梢速度运行期间，所述第一级压缩机翼型件限定至少大约1.7的第一级压力比。

技术方案2.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定大约1.9的最大第一级压力比。

技术方案3.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定所述第一级压缩机翼型件在核心流路内的内半径与所述第一级压缩机翼型件在所述核心流路内的外半径的半径比，并且其中所述半径比小于大约0.4。

技术方案4.根据技术方案3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定在大约0.2与大约0.4之间的所述半径比。

技术方案5.根据技术方案4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定基本上空心的翼型件。

技术方案6.根据技术方案3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定在大约0.33与大约0.4之间的所述半径比。

技术方案7.根据技术方案6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定基本上实心的翼型件。

技术方案8.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述压缩机转子包括十二个或更少的级。

技术方案9.根据技术方案8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述压缩机转子限定在大约20:1与大约39:1之间的压缩机压力比。

技术方案10.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机进一步包括：

第一涡轮转子，其经由第一轴而联接至所述压缩机转子，其中所述第一涡轮转子和所述压缩机转子可经由所述第一轴而一起旋转；以及

外壳，其大体上包围所述第一涡轮转子和所述压缩机转子，其中所述外壳限定进入所述核心流路的核心流入口，并且进一步其中所述压缩机转子的所述第一级压缩机翼型件与所述核心流入口成直接流体连通。

技术方案11.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机进一步包括：

风扇组件，其在所述压缩机转子的上游成串行流布置，其中所述压缩机转子与所述风扇组件成直接流体连通。

技术方案12.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件包括限定大约0.18或更大的抗张强度-密度比的第一材料。

技术方案13.根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件的所述第一材料进一步限定等于或大于大约1000mpa的抗张强度。

技术方案14.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述压缩机转子限定大约564米/秒或更小的最大末梢速度。

技术方案15.一种燃气涡轮发动机，其包括：

核心发动机，其包括：

压缩机转子，其包括限定在所述压缩机转子的最上游的级处的第一级压缩机翼型件，其中在所述燃气涡轮发动机以至少大约472米/秒的末梢速度运行期间，所述第一级压缩机翼型件限定至少大约1.7的第一级压力比；

第一涡轮转子，其经由第一轴而联接至所述压缩机转子，其中所述第一涡轮转子和所述压缩机转子可经由所述第一轴而一起旋转；以及

燃烧器组件，其设置在所述压缩机转子与所述第一涡轮转子之间而成直接串行流布置。

技术方案16.根据技术方案15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机进一步包括：

风扇组件，其在所述压缩机转子的上游成串行流布置，其中所述压缩机转子与所述风扇组件成直接流体连通；以及

第二涡轮转子，其经由第二轴而联接至所述风扇组件，其中所述第二涡轮转子和所述风扇组件可经由所述第二轴而一起旋转，并且进一步其中所述燃气涡轮发动机将所述风扇组件、所述核心发动机和所述第二涡轮转子限定成串行流布置。

技术方案17.根据技术方案15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定大约1.9的最大第一级压力比。

技术方案18.根据技术方案15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定所述第一级压缩机翼型件在核心流路内的内半径与所述第一级压缩机翼型件在所述核心流路内的外半径的半径比，并且其中所述半径比小于大约0.4。

技术方案19.根据技术方案18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级压缩机翼型件限定在大约0.2与大约0.4之间的所述半径比。

技术方案20.根据技术方案15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述压缩机转子限定在大约20:1与大约39:1之间的压缩机压力比。

参照以下描述和所附权利要求书，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。并入本说明书中且构成本说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述一起用于阐释本发明的原理。

附图说明

在参照附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域中的普通技术人员而言完整且充分的公开，在附图中：

图1是根据本公开的方面的示例性燃气涡轮发动机的横截面视图；以及

图2是根据本公开的方面的燃气涡轮发动机的压缩机转子的部分的横截面视图。

在本说明书和附图中，参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同的或相似的特征或元件。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被示出。各示例作为本发明的阐释而非本发明的限制来提供。实际上，对本领域中的技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出多种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用，以产生另外的进一步的实施例。因此，旨在本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等效方案的范围内的这样的改型和变型。

如本文使用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用，以将一个构件与另一构件区分开，且不旨在表示独立构件的位置或重要性。

用语“上游”和“下游”指代相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”指代流体所流自的方向，且“下游”指代流体所流至的方向。

本文陈述的近似值可包括基于如本领域中使用的一个或多个测量装置的裕度，诸如但不限于测量装置或传感器的全刻度测量范围的百分比。备选地，本文陈述的近似值可包括比上限值大上限值的10%的裕度或比下限值小下限值的10%的裕度。

大体上提供了一种发动机的实施例，该发动机包括压缩机区段，以便在保持或减轻发动机总体重量的同时提供较高的旋转速度和压力比。本文提供的发动机的实施例包括联接至涡轮转子组件、限定压力比和翼型件末梢速度的压缩机转子组件，这可消除对于在压缩机转子组件的上游的低压或中压压缩机(例如，增压较小的压缩机区段)的需要。如此，包括本文中的压缩机区段的发动机的实施例可通过以下方式来改进发动机性能：通过从发动机移除低压或中压压缩机来减轻发动机重量且减少部件数量，同时提供压缩机区段的相对较高的末梢速度和压力比。

本文中的发动机的实施例可经由移除关联到低压或中压压缩机的相关联的承载组件、控制装置、阀、歧管、框架等而进一步减轻重量且改进性能。另外进一步，本文提供的发动机的实施例可扩展燃气涡轮发动机的运行范围，以便能够代替离心压缩机集成到其它设备(诸如但不限于双循环式发动机、三流式涡轮风扇以及轴向压缩机式涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机)中。

现在参照附图，图1是根据本公开的方面的燃气涡轮发动机10(在下文中为“发动机10”)的示例性实施例。发动机10限定轴向方向a和沿着轴向方向a而延伸通过发动机10的基准轴向中心线轴线12。径向方向r从轴向中心线12延伸。发动机10进一步限定基准上游端99和基准下游端98。

发动机10包括压缩机区段21，压缩机区段21包括压缩机转子100，压缩机转子100经由沿着轴向方向a延伸的第一轴150而联接至第一涡轮转子200。经由第一轴150而联接的压缩机转子100和第一涡轮转子200，连同燃烧器组件26一起限定核心发动机18。燃烧器组件26设置在压缩机转子100与第一涡轮转子200之间而成直接串行流布置。

现在参照图2，大体上提供了发动机10的部分的横截面视图。压缩机转子100包括限定在压缩机转子100的最上游的级101处的第一级压缩机翼型件110。第一级压缩机翼型件110在翼型件110的径向外端处限定翼型件末梢115。压缩机转子100大体上包括限定大约0.18或更大的抗张强度-密度比的第一材料。在一个实施例中，第一材料限定大约0.20或更大的抗张强度-密度比。在多种实施例中，第一材料进一步限定等于或大于大约1000兆帕(mpa)的抗张强度。在另一实施例中，第一材料可进一步限定大约2000mpa或更小的抗张强度。在另外的多种实施例中，第一材料可进一步限定大约1550mpa或更小的抗张强度。在又一些另外的多种实施例中，第一材料可进一步限定大约7750千克/立方米或更小的密度。在又一实施例中，第一材料可进一步限定大于大约5000千克/立方米的密度。

第一材料的示例包括镍基材料，诸如但不限于包括镍铬合金或镍铬钼合金或它们的组合的镍基材料。压缩机转子100的多种实施例可进一步包括由第一材料构成的锻件(诸如镍基锻件)，以将第一级压缩机翼型件110和第一级压缩机翼型件110所附连的第一级转子117限定为叶片盘或一体式叶片转子(ibr)。压缩机转子100的另外的多种实施例可大体上将第一级压缩机翼型件110、第一级转子117或二者限定为第一材料。

第一级压缩机转子100的强度特性使第一级压缩机翼型件110能够限定第一级压缩机翼型件110在核心流路70内的内半径121与在核心流路70内的外半径122的半径比。在第一级压缩机翼型件110处，内半径121与外半径122的半径比小于大约0.4。

在一个实施例中，诸如在第一级压缩机翼型件110处，压缩机转子100限定在大约0.2与大约0.4之间的半径比。例如，在一个实施例中，第一级压缩机翼型件110限定基本上空心的翼型件。在多种实施例中，压缩机转子100可经由增材制造工艺、锻造、铸造、热处理、机加工或它们的组合中的一个或多个而形成。

在另一实施例中，诸如在第一级压缩机翼型件110处，压缩机转子100限定在大约0.33与大约0.4之间的半径比。例如，在一个实施例中，第一级压缩机翼型件100限定基本上实心的翼型件。在多种实施例中，压缩机转子100可经由增材制造工艺、锻造、铸造、热处理、机加工或它们的组合中的一个或多个而形成。

压缩机转子100的第一级101可在第一级压缩机翼型件110的前边缘处经由毂或内半径121处的扇形(scallop)结构而至少部分地限定本文描述的半径比。例如，第一级压缩机翼型件110可在内半径121处限定向下倾斜的毂(即，从下游端98朝上游端99而朝向轴向中心线轴线12倾斜)。如此，在第一级压缩机翼型件110的前边缘处的内半径121可进一步朝向轴向中心线12而向内延伸。另外进一步，在第一级压缩机翼型件110的前边缘处的外半径122可进一步远离轴向中心线12而向外延伸，以限定小于大约0.4的半径比。

仍参照图2，压缩机转子100可限定十二个或更少的沿轴向分开的翼型件旋转级。在多种实施例中，压缩机转子100限定从压缩机转子100的下游(在点131处示意性地显示)到压缩机转子100的上游(在点132处示意性地显示)的、在大约20:1与大约39:1之间的最大压缩机压力比。在另外的多种实施例中，压缩机转子100限定至少八个沿轴向分开的翼型件旋转级。

第一级压缩机翼型件110限定从第一级压缩机翼型件110的紧接下游(在点111处示意性地显示)到第一级压缩机翼型件110的紧接上游(在点112处示意性地显示)的第一级压力比。在发动机10以至少大约472米/秒的翼型件末梢速度运行期间，第一级压力比(大约在点112处的压力与大约在点111处的压力的比值)至少为大约1.7。

在多种实施例中，第一级压缩机翼型件110限定大约1.9的最大第一级压力比。另外进一步，第一级压缩机翼型件110限定在大约1.7与大约1.9之间的第一级压力比、在大约472米/秒与大约564米/秒之间的翼型件末梢速度。

返回参照图1-2，发动机10进一步包括大体上包围第一涡轮转子200和压缩机转子100的外壳16。外壳16限定进入核心流路70的核心流入口20。压缩机转子100的第一级压缩机翼型件110与核心流入口20成直接流体连通。例如，发动机10可包括结构支柱22，其至少部分地限定静态翼型件，静态翼型件调节通过核心流入口20而到核心流路70中的流体流。限定压缩机区段21的压缩机转子100的最上游的旋转级101的第一级压缩机翼型件110设置在结构支柱22的下游。

在多种实施例中，发动机10进一步包括在压缩机转子100的上游成串行流布置的风扇组件14。压缩机转子100与风扇组件14成直接流体连通。

发动机10可进一步包括经由第二轴250而联接至风扇组件14的第二涡轮转子300。第二涡轮转子300和风扇组件14可经由第二轴250而一起旋转。发动机10将风扇组件14、核心发动机18和第二涡轮转子250限定成串行流布置。

在多种实施例中，第二涡轮转子300可大体上限定联接至风扇组件14的低压涡轮。在另外的多种实施例中，第一涡轮转子200可限定联接至压缩机转子100的高压涡轮。

在图1-2中共同显示的发动机10的运行期间，由箭头81示意性地显示的空气流流经风扇组件14。空气流81的由箭头82示意性地显示的部分通过核心流入口20到核心流路70中而进入核心发动机18。通过直接设置在风扇组件14的下游的压缩机转子100的连续级来压缩空气流82。关于第一级压缩机翼型件110的下游侧111与上游侧112的比值，压缩机转子100的第一级101将空气流82压缩大约1.7到大约1.9倍。根据压缩机转子100的下游端131与上游端132的比值，压缩机转子100的后面的连续级逐步地压缩空气流82而达到在大约20:1与大约39:1之间的最大压力比。

压缩机转子100在第一级101处限定相对较高强度的材料(诸如本文描述的第一材料)，以能够限定大约0.4或更小的半径比。相对较高强度的材料可进一步使压缩机转子100能够以至少大约472米/秒的最大末梢速度(即，压缩机转子100的末梢115处的旋转速度)运行或旋转。如此，限定压缩机转子100的由高强度特性材料(诸如本文描述的第一材料)构成的第一级101可提供高得多的旋转速度、性能和效率。限定诸如本文描述的第一级101的压缩机转子100可提供这样的改进，尽管相对于压缩机区段21的第一级101处的大体上低的压力和温度，压缩机转子100的第一级101处的第一材料(例如，镍基材料)具有相对较高的密度或温度接受力裕度(即，第一材料的温度接受力相对于压缩机转子100的第一级101处的预期的最高温度)。

另外进一步，发动机10的实施例(其包括压缩机转子100的实施例)可经由包括较高性能的核心发动机18(其包括联接至第一涡轮转子200的压缩机转子100)的发动机10的减轻的重量而提供改进的性能，包括减少的燃料消耗。发动机10相对于包括压缩机区段21(其包括联接至第二涡轮转子300和/或风扇组件14的一个或多个压缩机)的发动机10可包括减小的尺寸，诸如轴向和/或径向尺寸。

本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法)。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。