用于具有前主齿轮箱的整体式传动发动机的系统和方法与流程

本公开的领域大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更确切地说，涉及用于具有前主齿轮箱的整体式传动发动机的方法和系统。

燃气涡轮发动机组件大体上包括串行流配置的风扇组件、低压压缩机、核心发动机和低压涡轮。低压压缩机由低压涡轮驱动，从而以与低压涡轮大体相同的速度旋转。框架在低压压缩机与核心发动机之间支撑燃气涡轮发动机。所述框架趋于增加燃气涡轮发动机组件的长度，从而也趋于增加燃气涡轮发动机组件的重量和成本。此外，低压压缩机以相对较高速度例如近似低压涡轮速度旋转使低压压缩机承受高负载，导致其相对于其他情况下可实现的程度而言以非最佳压力比操作。

技术实现要素：

在一个方面中，提供一种燃气涡轮发动机组件。所述燃气涡轮发动机包括核心发动机、低压涡轮、风扇组件、齿轮箱和润滑剂清除泵。所述核心发动机包括以串行流布置配置的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。所述低压涡轮沿轴向定位在所述核心发动机的后方。所述风扇组件沿轴向定位在所述核心发动机的前方。所述齿轮箱沿轴向定位在所述风扇组件的前方。所述润滑剂清除泵定位在所述齿轮箱的前方。

在另一方面中，提供一种组装三框架式燃气涡轮发动机的方法。所述方法包括提供核心燃气涡轮发动机，所述核心燃气涡轮发动机包括以轴向流连通方式连接在一起的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。所述方法还包括将所述核心燃气涡轮发动机连接到前框架构件和中间框架构件。所述方法进一步包括在所述中间框架构件的轴向后方将低压涡轮联接到第一轴。所述方法还包括在所述低压涡轮的轴向后方将后框架构件连接到所述低压涡轮。所述方法进一步包括在所述前框架构件的轴向前方将风扇组件联接到所述第一轴。所述方法还包括在所述风扇组件的轴向前方将齿轮箱联接到所述第一轴。

在又一个方面中，提供一种燃气涡轮发动机组件前转子。所述燃气涡轮发动机组件前转子包括低压压缩机、风扇组件、齿轮箱和润滑剂清除泵。所述风扇组件沿轴向定位在所述低压压缩机的前方。所述齿轮箱沿轴向定位在所述风扇组件的前方。所述润滑剂清除泵定位在所述齿轮箱的前方。

附图说明

参照附图阅读以下详细说明将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面及优点，在附图中，相似字符表示附图中的相似部分，其中：

图1到图8示出本说明书中所述的方法和设备的示例性实施例。

图1是飞行器的透视图。

图2是根据本公开示例性实施例可以与图1所示飞行器一起使用的燃气涡轮发动机的截面示意图。

图3是图1和2所示涡轮风扇发动机的前部部分的侧视图。

图4是图3所示齿轮箱体的透视图。

图5是图3所示齿轮箱体的剖视侧视图。

图6是图3所示齿轮箱体的剖视透视图。

图7是图3所示齿轮箱体的剖视透视图。

图8是图1和2所示的用于构造涡轮风扇发动机的方法的流程图。

尽管各个实施例的具体特征可能在一些附图中图示而并未在其他附图中示出，但这仅仅是出于便利性目的。任何附图的任何特征可以以与任何其他附图的任何特征相组合的形式引用和/或提出权利要求。

除非另作说明，否则本说明书中提供的附图旨在示出本公开实施例的特征。可以相信这些特征适用于包括本公开一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意图包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本说明书中所公开实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

以下说明和随附权利要求中将提及若干术语，这些术语的定义如下。

除非上下文明确另作规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也包括复数意义。

“视情况”或“视情况而定”意指后续描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且所述说明同时包括事件发生或者不发生的情况。

本说明书全文和权利要求书中所用的近似语言可以用于修饰能够允许改变而不改变相关对象的基本功能的任何数量表示。因此，由一个或多个术语例如“大约”、“近似”和“大体上”修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪表的精度相对应。此处以及说明书及权利要求书各处中，范围限制可以组合和/或互换；除非上下文或语言中另作说明，否则所述范围被指定并且包括其中所含的所有子范围。

以下具体说明中以示例但非限定的方式来说明本公开的实施例。预期本公开普遍适用于具有前齿轮箱的飞行器发动机的方法和系统。

本说明书中所描述的整体式传动燃气涡轮发动机的实施例提供比已知燃气涡轮发动机更短且更轻的燃气涡轮发动机架构。使用高速低压压缩机的整体式传动燃气涡轮发动机组件通常需要在低压压缩机与风扇组件之间设置框架以支撑齿轮箱以驱动风扇组件。所述框架趋于增加燃气涡轮发动机组件的长度，从而也增加燃气涡轮发动机组件的重量和成本。通过将低压压缩机直接附接到风扇组件并且将齿轮箱沿轴向定位在风扇组件的前方，可以省去框架。

所述燃气涡轮发动机组件包括核心发动机，所述核心发动机包括串行流布置的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。低压涡轮沿轴向定位在所述核心发动机的后方，并且所述低压压缩机沿轴向定位在所述核心发动机的前方。所述低压压缩机以可旋转方式经由所述齿轮箱联接到所述低压涡轮，并且与所述齿轮箱轴向对准，其中所述齿轮箱可以是变速齿轮箱或减速齿轮箱。所述核心发动机包括高压转子轴，并且所述燃气涡轮发动机组件包括低压转子轴。所述燃气涡轮发动机包括框架组件，所述框架组件可以包括两个或三个框架。

包括仅包括三个框架的框架组件的燃气涡轮机组件实施例包括前框架构件、中间框架构件和后框架构件。所述前框架构件沿轴向定位在所述低压压缩机与所述高压压缩机之间。所述中间框架构件沿轴向定位在所述高压涡轮与所述低压涡轮之间。所述后框架构件沿轴向定位在所述低压涡轮的后方。所述中间框架构件和后框架构件配置成以可旋转方式支撑所述高压转子轴的后端部分以及所述低压转子轴的后端部分。在所述前端处，所述发动机风扇组件直接连接到所述低压压缩机，因此所述风扇组件和所述低压压缩机以相同速度旋转。由于所述风扇组件和所述低压压缩机通过齿轮箱连接到所述低压涡轮，因此所述风扇组件和所述低压压缩机可以根据齿轮箱的配置以与所述低压涡轮的旋转速度相同或不同的速度旋转。在各种实施例中，所述风扇组件和所述低压压缩机以第一速度旋转，并且所述低压涡轮以第二速度旋转。第一速度和第二速度可以相同；在一些实施例中，根据齿轮箱的配置，所述第一速度可以大于或小于第二速度。包括仅包括两个框架的框架组件的燃气涡轮机组件实施例省去后框架，并且包括前框架构件和中间框架构件。

一种组装三框架式燃气涡轮发动机的方法包括：提供核心燃气涡轮发动机，所述核心燃气涡轮发动机包括以轴向流连通方式联接在一起的高压压缩机、燃烧器和涡轮；在所述核心燃气涡轮发动机的轴向后方将低压涡轮联接到第一轴；在所述核心燃气涡轮发动机的轴向前方将齿轮箱的输入端联接到所述第一轴；以及在所述齿轮箱的轴向后方将风扇组件和低压压缩机联接到所述齿轮箱的输出端。

本说明书中所描述的实施例公开以整体式传动配置将低压压缩机连联到所述风扇组件。动力通过所述齿轮箱从所述低压涡轮送到作为公共转轴的风扇和低压压缩机。所述配置消除对发动机的一个框架的需要并且缩短发动机长度。本说明书中所描述的发动机配置使得能够增大风扇速度，使得低压压缩机速度增大，从而减小低压压缩机上的负载并且提高从低压压缩机能够提供的压力比。此外，提高风扇组件速度是有益的，因为这样使得风扇更耐变形或者可操作性提高。此外，所述配置能够改进所述风扇尖端速度范围，同时实现较低的风扇压力比。最后，沿轴向将齿轮箱定位在所述风扇组件的前方使得能够快速进入齿轮箱以进行维护。

图1是飞行器100的透视图。在示例性实施例中，飞行器100包括机身102，所述机身包括机鼻104、机尾106以及在其间延伸的中空细长主体108。飞行器100还包括沿横向方向112背离机身102延伸的机翼110。机翼110包括在正常飞行期间在飞行器100的运动方向116上的前部前缘114以及位于机翼110的相对边缘上的后部后缘118。飞行器100进一步包括至少一个发动机120，所述至少一个发动机配置成驱动带叶片的可旋转构件(如图2所示)或风扇(如图2所示)以产生推力。发动机120以例如位于机尾106附近的推动器配置(未示出)连接到机翼110和机身102中的至少一者。

图2是根据本公开示例性实施例的燃气涡轮发动机120的截面示意图。在所述示例性实施例中，燃气涡轮发动机120实施于高旁通涡轮风扇喷气发动机中。如图2中所示，涡轮风扇发动机120限定轴向a(平行于用作基准的纵向轴线202延伸)和径向r。总体来说，涡轮风扇120包括风扇组件204以及设置在风扇组件204下游的核心涡轮发动机206。

在所述示例性实施例中，核心涡轮发动机206包括限定环形入口220的大体管状外壳体208。外壳体208以串行流关系围封：压缩机部分，所述压缩机部分包括升压机或低压(lp)压缩机222和高压(hp)压缩机224；燃烧部分226；涡轮部分，所述涡轮部分包括高压(hp)涡轮228和低压(lp)涡轮230；以及排气喷嘴部分232。高压(hp)轴或转轴234驱动地将hp涡轮228连接到hp压缩机224。低压(lp)轴或转轴236驱动地将lp涡轮230连接到lp压缩机222。所述压缩机部分、燃烧部分226、涡轮部分和喷嘴部分232共同限定核心空气流动通路237。hp轴234驱动附件齿轮箱231。

前框架构件239、中间框架构件241和后框架构件243支撑燃气涡轮发动机120。前框架构件239设置在lp压缩机222与hp压缩机224之间。中间框架构件241设置在lp涡轮230与hp涡轮228之间。后框架构件243沿轴向设置在lp涡轮230的后方。前框架构件239、中间框架构件241和后框架构件243将燃气涡轮发动机120连接到机翼110或机身102中的任一者。

在另一个实施例中，后框架构件243被省去，并且燃气涡轮发动机120由前框架构件239和中间框架构件241支撑。

在所述示例性实施例中，风扇组件204包括以隔开关系连接到圆盘242的多个风扇叶片240。风扇叶片240沿径向从圆盘242向外延伸。风扇叶片240、圆盘242和lp压缩机222能够通过穿过齿轮箱246的lp轴236围绕纵向轴线202旋转，所述齿轮箱沿轴向设置在风扇组件204的前方。齿轮箱246包括多个齿轮(如图3所示)，以用于将风扇238和lp压缩机222相对于lp轴236的旋转速度调节到更有效的旋转速度。可以调节lp压缩机222的速度以实现最佳总压力比(opr)。

齿轮箱246是行星齿轮系，所述行星齿轮系需要润滑以在操作期间冷却齿轮。用于润滑齿轮箱246的润滑剂可以包括但不限于油、合成油或任何其他润滑剂。润滑系统247向齿轮箱246提供润滑剂。润滑系统247包括润滑剂箱249、润滑剂供应泵251、供应泵导管253、齿轮箱供应导管255、润滑剂清除泵257、回流泵导管259、润滑剂回流泵261和润滑剂箱导管263。润滑剂箱249通过供应泵导管253与润滑剂供应泵251以流连通方式连接，所述供应泵导管将引导润滑剂通过前框架239到达润滑剂供应泵251。润滑剂供应泵251由附件齿轮箱231驱动。润滑剂供应泵251通过齿轮箱供应导管255与齿轮箱246以流连通方式联接。润滑剂清除泵257沿轴向设置在齿轮箱246的前方，并且通过回流泵导管259将清除出的润滑剂沿轴向向后方向泵送到润滑剂回流泵261。润滑剂回流泵261由附件齿轮箱231驱动，并且通过润滑剂箱导管263与润滑剂箱249以流连通方式连接，所述润滑剂箱导管引导清除出的润滑剂通过前框架239。在替代实施例中，润滑剂回流泵261由电机(未图示)驱动。

圆盘242被可旋转前轮毂248覆盖，所述可旋转前机舱为空气动力轮廓，以促进气流通过所述多个风扇叶片240。此外，风扇组件204包括沿周向围绕风扇238和/或核心涡轮发动机206的至少一部分的环状风扇壳体或外机舱250。在所述示例性实施例中，机舱250配置成由多个周向隔开的出口导向轮叶252相对于核心发动机206支撑。此外，机舱250的下游部分254可以延伸在核心涡轮发动机206的外部部分之上，从而限定介于它们之间的旁通空气流动通道256。

在涡轮风扇发动机120的操作期间，空气体积258从机舱250和/或风扇组件204的相关入口260进入涡轮风扇120中。随着此空气体积258穿过风扇叶片240，所述空气体积258的第一部分262被引导或沿引导输送到旁通空气流动通道256中，并且所述空气体积258的第二部分264被引导或沿引导输送到核心空气流动通路237，或者更确切地说，进入lp压缩机222中。第一部分262与第二部分264之间的比率通常称为旁路比。之后随着所述第二部分264沿引导通过hp压缩机224并且进入燃烧部分226中，所述第二部分的压力增大，其中在所述燃烧部分中，所述第二部分空气与燃料混合并且燃烧以提供燃烧气体266。

燃烧气体266沿引导通过hp涡轮228，其中在所述hp涡轮中，经由顺次级的连接到外壳体208的hp涡轮定子轮叶268以及联接到hp轴或转轴234的hp涡轮转子叶片270提取燃烧气体266中的一部分热能和/或动能，从而致使hp轴或转轴234旋转，进而驱动hp压缩机224旋转。之后，燃烧气体266沿引导通过lp涡轮230，其中在所述lp涡轮中，经由顺次级的连接到外壳体208的lp涡轮定子轮叶272以及连接到lp轴或转轴236的lp涡轮转子叶片274提取燃烧气体266中的第二部分的热能和动能，从而驱动lp轴或转轴236、lp压缩机222旋转，并且驱动风扇238跨齿轮箱246旋转。

燃烧气体266按顺序沿引导通过核心涡轮发动机206的排气喷嘴部分232，以提供推力。同时，随着所述第一部分262沿引导通过旁通空气流动通道256，之后从涡轮风扇120的风扇喷嘴排气部分276排出，第一部分262的压力显著增大，因而还提供推力。hp涡轮228、lp涡轮230以及排气喷嘴部分232至少部分限定热气通道278，以用于将燃烧气体266沿引导输送通过核心涡轮发动机206。

图2中所示的示例性涡轮风扇发动机120仅用作示例，并且在其他实施例中，涡轮风扇发动机120可以具有任何其他适当配置。还应认识到，在又一些其他实施例中，本公开的方面可以包括在任何其他适当燃气涡轮发动机中。例如，在其他实施例中，本公开的方面可以包括在例如涡轮螺旋桨发动机中。

图3是涡轮风扇发动机120(如图1和2所示)的前部部分的侧视图。在所述示例性实施例中，齿轮箱246和润滑剂清除泵257沿轴向定位在风扇组件204的前方和轮毂248内。所述相对位置使得能够快速进入齿轮箱246和润滑剂清除泵257以进行维护。在所述示例性实施例中，齿轮箱246包括太阳齿轮302、多个行星齿轮304、环形齿轮306和齿轮箱体308。在替代实施例中，齿轮箱246不限于特定数量的行星齿轮304，而是可以包括使得齿轮箱246能够如本说明书中所述运作的任何数量的行星齿轮304。lp轴或转轴236固定地连接到太阳齿轮302。太阳齿轮302配置成通过分别围绕太阳齿轮302的径向外周边和行星齿轮304的径向外周边周向间隔开的多个互补太阳齿轮齿310和多个互补行星齿轮齿312与行星齿轮304啮合。行星齿轮304使用齿轮箱体308保持在相对于彼此的适当位置。行星齿轮304配置成通过分别围绕环形齿轮306的径向内周边和行星齿轮304的径向外周边周向间隔开的多个互补环形齿轮齿314和互补行星齿轮齿312与环形齿轮306啮合。环形齿轮306以旋转方式连接到风扇叶片240(如图2所示)以及从环形齿轮306轴向延伸的圆盘242。lp涡轮230以恒定速度和扭矩比旋转齿轮箱246的输入，其中所述扭矩比由环形齿轮齿314、行星齿轮齿312和太阳齿轮齿310的功能以及齿轮箱246的被约束方式来决定。

齿轮箱体308保持固定，而太阳齿轮302和环形齿轮306旋转。lp轴或转轴236驱动太阳齿轮302，所述太阳齿轮配置成使行星齿轮304旋转。行星齿轮304配置成使环形齿轮306旋转，并且齿轮箱体308固定地连接到齿轮箱246。齿轮箱体308维持行星齿轮304的定位，同时使得行星齿轮304能够旋转。环形齿轮306以旋转方式连接到风扇叶片240和圆盘242。太阳齿轮302和环形齿轮306沿相反方向旋转。

固定的齿轮箱体308使得齿轮箱供应导管255和回流泵导管259能够连接到齿轮箱246的非旋转部分，以沿通道将润滑剂输送到/自齿轮箱246。清除出的润滑剂收集在润滑剂槽316中。润滑剂清除泵257将清除出的润滑剂从润滑剂槽316抽吸通过泵导管318。润滑剂清除泵257沿通道将清除出的润滑剂经由齿轮箱体308输送到回流泵导管259，所述回流泵导管沿通道将其输送到润滑剂回流泵261。

图4是图3所示齿轮箱体的透视图。图5是图3所示齿轮箱体的剖视侧视图。图6和图7是图3所示齿轮箱体的剖视透视图。所述齿轮箱体308包括连接到lp轴套404的托架402，其中所述lp轴套从托架402轴向向后延伸。lp轴套404部分围封lp轴或转轴236。托架402维持行星齿轮304的定位，同时使得行星齿轮304能够旋转。

多个齿轮箱体润滑剂供应导管406穿过lp轴套404延伸到托架402。齿轮箱体润滑剂供应导管406与行星齿轮304以流体连通方式连接，所述行星齿轮又各自将润滑剂分配到太阳齿轮302和环形齿轮306。在操作期间，齿轮箱供应导管255沿管道将来自润滑剂供应泵251的润滑剂输送到齿轮箱体润滑剂供应导管406。行星齿轮304从齿轮箱体润滑剂供应导管406接收润滑剂并且将所述润滑剂分配到太阳齿轮302和环形齿轮306。

多个齿轮箱体润滑剂清除导管408穿过lp轴套404延伸到托架402。齿轮箱体润滑剂清除导管408与润滑剂清除泵257以流体连通方式连接。在操作期间，润滑剂清除泵257将清除出的润滑剂从润滑剂槽316抽吸通过泵导管318。齿轮箱体润滑剂清除导管408从润滑剂清除泵257接收清除出的润滑剂并且沿通道将所述清除出的润滑剂输送到回流泵导管259。回流泵导管259沿通道将清除出的润滑剂输送到润滑剂回流泵261。

图8是用于构造燃气涡轮发动机例如燃气涡轮发动机120(如图1所示)的方法800的流程图。方法800包括提供802核心涡轮发动机206，所述核心涡轮发动机包括以轴向流连通方式连接在一起的hp压缩机224、燃烧部分226和hp涡轮228。方法800还包括将核心涡轮发动机206连接804到前框架构件239和中间框架构件241。方法800还包括在中间框架构件241的轴向后方将lp涡轮230连接806到lp轴236。方法800还包括在lp涡轮230的轴向后方将后框架构件243连接808到lp涡轮230。方法800还包括在前框架构件239的轴向前方将风扇组件204连接810到lp轴236。方法800还包括在风扇组件204的轴向前方将齿轮箱246连接812到lp轴236。

上述用于缩减框架燃气涡轮发动机组件的方法和系统的实施例提供用于减小燃气涡轮发动机组件的长度、重量和成本的效能成本合算且可靠的装置。更确切地说，本说明书中所描述的方法和系统便于增大风扇速度，使得低压压缩机速度增大，从而减小低压压缩机上的负载并且提高从低压压缩机能够提供的压力比。此外，提高风扇组件速度对于提高风扇耐变形度或者可操作性而言是有益的。此外，所述配置能够改进所述风扇尖端速度范围，同时实现较低的风扇压力比。结果，本说明书中所描述的方法和系统便于改进风扇叶尖速度范围并且使得能够以更效能成本合算和更可靠的方式在更短、更轻的发动机中采用较低的风扇压力比。最后，沿轴向将齿轮箱定位在所述风扇组件的前方使得能够快速进入齿轮箱以进行维护。

以上详细描述了用于整体式传动燃气涡轮发动机的方法和系统的示例性实施例。所述整体式传动燃气涡轮发动机以及所述系统和装置的组装方法并不限于本说明书中所述的具体实施例，相反，系统部件和/或方法步骤可以独立于本说明书中所述的其他部件和/或步骤单独使用。例如，所述方法也可以与需要整体式传动燃气涡轮发动机的其他系统组合使用，并且不限于仅使用本说明书中描述的系统和方法来实践。相反，所述示例性实施例可以与当前配置成接收和接纳用于整体式传动燃气涡轮发动机的系统的许多其他机械应用相组合来实施和使用。

本说明书使用示例来描述本公开，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造并使用任何装置或系统，并且实施所包括的任何方法。本公开的专利保护范围由权利要求书限定，并且可以包括所属领域的技术人员得出的其他示例。如果其他示例的结构构件与权利要求书的字面意义相同，或如果所述示例包括的等效结构构件与权利要求书的字面意义无实质差别，则所述示例也应在权利要求书的范围内。